Tính toán, thiết kế quá trình ly tâm để tách sinh khối bacillus licheniformis ra khỏi canh trường với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN KỸ THUẬT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Đề tài: Tính to

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Đề tài: Tính toán, thiết kế quá trình ly tâm để tách sinh khối Bacillus

licheniformis ra khỏi canh trường với công suất (nhà máy) 200 tấn/năm

GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Nhóm 9, buổi thứ 5, tiết 1-3

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 7tháng 5 năm 2016

DANH SÁCH NHÓM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

NỘI DUNG 4

I Giới thiệu: 4

1 Tổng quan về bacillus licheniformis: 4

2 Tính chất: 6

3 Ứng dụng 7

II Phân tích lựa chọn công nghệ: 7

1 Thành phần nuôi cấy: 7

2 Tính toán cân bằng vật chất: 7

3 Tính toán thiết bị ly tâm: 9

III Thảo luận và ý kiến: 12

KẾT LUẬN 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 12

LỜI NÓI ĐẦU

Bacillus sp là một vi khuẩn rất phổ biến trong cuộc sống Đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ sih học để sản xuất các chế phẩm sinh học sử dụng cho con người và động vật Chúng có thể phân hủy nhanh các hợp chất hữu cơ, lipid, cellulose, tham gia vào quá trình amoni hóa, phản nitric và nitrat, giảm lượng khí H2S và độc tố sinh ra Hơn nữa, chúng có thể tiết kháng sinh ức chế nhiều nhóm vi sinh vật gây thối, gây hại

và có thể tạo sinh khối dưới dạng biofloc và probiotic Thậm chí còn nhiều tác dụng khác mà con người chưa phát hiện ra

Việc ứng dụng Bacillus sp ngày càng rộng rãi Một trong số đó là Bacillus licheniformis, với nhiều công dụng khác nhau, cần được nhân rộng với quy mô lớn Chính vì thế việc sản xuất chúng ở quy mô công nghiệp là điều tất yếu

Trong bài báo cáo này chỉ là một phần trong quá trính nâng cao năng suất sản xuất Bacillus licheniformis ở quy mô lớn, mà cụ thể là 200 tấn/năm Để thu được sinh khối vi khuẩn này thì mỗi công đoạn đều phải được tính toán kỹ lưỡng va hợp lý Trong đó quá trình ly tâm tách sinh khối Bacillus licheniformis khỏi canh trường nuôi cấy là một trong những khâu thiết yếu va quan trọng

Bài báo cáo đã tham khảo rất nhiều tài liệu Chắc chắn trong quá trình tìm hiểu và tính toán sẽ gặp sai sót nhiều Rất mong nhận được sự góp ý va thông cảm

Xin cảm ơn!

NỘI DUNG

I Giới thiệu:

1 Tổng quan về bacillus licheniformis:

a Phân loại:

 Giới: vi khuẩn

 Ngành: Firmicutes

 Lớp: Bacilli

 Bộ: Bacillales

 Họ: Bacillaceae

 Giống: Bacillus

 Loài: Bacillus licheniformis

b Đặc điểm hình thái:

Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong đất Nó được tìm thấy trên lông chim, đặc biệt là bộ lông ngực và lưng, và thường là ở các loài chim sống dưới đất (như chim sẻ) và các loài thủy sinh (như vịt)

Nó là một vi khuẩn gram dương, vi khuẩn ưa nhiệt Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của nó là khoảng 50 ° C, mặc dù nó có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiều Nhiệt độ tối ưu cho tiết enzyme là 37 ° C Nó có thể tồn tại dưới dạng bào tử để chống lại các môi trường khắc nghiệt, hoặc trong trạng thái thực vật khi điều kiện tốt

Khả năng bài tiết cao của protease serine kiềm của B licheniformis giúp chúng trở thành một trong những vi khuẩn quan trọng nhất trong sản xuất enzyme công nghiệp Subtilisin Carlsberg tiết ra bởi B licheniformis được sử dụng làm chất tẩy rửa Nó được bán dưới cái tên Alcalase bởi Novozymes Một RNA antisense nhỏ chống lại Subtilisin Carlsberg tên BLi_r0872 đã được phát hiện trong một nghiên cứu dựa trên RNA-seq Nó có thể có một tác động giả mạo về sản xuất protease và phục vụ như là mục tiêu cho cải tiến căng thẳng

Các nhà khoa học hiện đang khám phá khả năng làm giảm lông cho các mục đích nông nghiệp Da có chứa một lượng lớn các protein không tiêu hóa, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng rằng, thông qua quá trình lên men với B licheniformis, chúng có thể sử dụng lông vũ để tạo ra bột lông vũ rẻ và bổ dưỡng để nuôi gia súc

2 Tính chất:

B licheniformis có khả năng sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt là amylase và

protease - 2 loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men tiêu hóa

Có thể sản sinh các enzyme có khả năng thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cellulase biến đổi chất xơ thành các loại đường dễ tiêu, lecitinase thủy phân các chất béo phức hợp, enzyme phân giải gelatin, enzyme phân giải fibrin và một loại enzyme giống lysozyme gây tác dụng trực tiếp dung giải một số typ vi

khuẩn Proteus gây bệnh trong đường ruột…

Ngoài ra, B licheniformis góp phần ổn định hệ vi khuẩn có ích cho đường

ruột, có khả năng tổng hợp một số chất kháng sinh tự nhiên có tác dụng ức chế sinh trưởng hoặc tiêu diệt một số vi sinh vật khác, tác dụng lên cả vi khuẩn gram

âm lẫn gram dương, nấm gây bệnh Do đó, B licheniformis có khả năng cạnh tranh

tốt với các vi khuẩn gây hại khác

B licheniformis giúp cải thiện trọng lượng, chuyển hóa thức ăn và giảm bệnh

tiêu chảy, tỉ lệ chết non ở vật nuôi

B licheniformis tiết ra enzyme phân hủy các chất như carbonhydrate, chất

béo và đạm thành những đơn vị nhỏ hơn Chúng cũng có khả năng phân hủy

các chất phế thải hữu cơ, tích lũy trong nền đáy ao nuôi, làm sạch nước B

licheniformis có tác dụng làm giảm COD, H2S trong ao tôm làm tăng năng suất nuôi

Các chế phẩm men vi sinh chứa nhóm vi khuẩn Bacillus sp có tác dụng phân

huỷ nhanh các hợp chất hữu cơ, làm mất mùi hôi, kích thích sự phát triển các vi khuẩn có lợi, cạnh tranh môi trường sống, làm giảm số lượng vi khuẩn có hại gây bệnh, làm ổn định môi trường Giúp chuyển hoá các chất hữu cơ như: xác động thực vật, cặn bã thành CO2 và nước; chuyển các chất độc hại như NH3, NO2- thành các chất không độc như NO3-, NH4+ từ đó làm ổn định chất lượng nước

3 Ứng dụng

Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản: cải thiện trọng lượng, chuyển hóa thức ăn

và giảm bệnh tiêu chảy, tỉ lệ chết non ở vật nuôi

II Phân tích lựa chọn công nghệ:

1 Thành phần nuôi cấy:

Trong báo cáo này, nhóm chỉ lấy thành phần nuôi cấy môi trường với tỉ lệ được tham khảo ở một số bài báo ở phòng thí nghiệm Ở quy mô công nghiệp vẫn

là những thành phần và tỉ lệ tương tự, và tất nhiên sẽ có khác một chút nhưng chủ yếu vẫn là ở thành phần môi trường

Môi trường lắc được chuyển vào môi trường lên men chứa (g/dm3) glucoso, 6 hoặc axit xitric, 9(NH4 )2HPO4 và KH2PO4, 2; pH ban đầu của môi trường đã được điều chỉnh đến 7,6 với 0,04 mol/dm3

đệm NaH2PO4-NaHPO4 Ở quy mô trong phòng thí nghiệm 3,5 dm3 bể phản ứng sinh học gián đoạn (Chemap CF 3000, Thụy Sĩ) đã hoạt động ở nhiệt độ 37oC, tốc độ khuấy 750min-1 và 1 vvm tốc độ vít trong 40 giờ trong quá trình sản xuất enzyme protease Sau khi thu hoạch tế bào bằng cách ly tâm ở 8000 vòng ở +4oC (RC28S, Sorvall, Wilmington, DE), môi trường lên men đã được siêu lọc qua dòng chảy trong thiết bị siêu lọc định dạng phẳng (Sartocon Mini SM 17521, Sartorius, Đức) bằng cách sử dụng 30 000 Da MWCO asymmetric Màng polysulphone

2 Tính toán cân bằng vật chất:

 Xác định thông số

Năng suất nhà máy: 200 tấn/ năm

Giả sử hao tổn trong từng công đoạn so với công đoạn trược đó như sau:

Thời gian sản xuất 1 mẻ: 12h (Bum-Kyu Lee và cs, 2001)

Thời gian nghỉ giữa mẻ là 6h

Cứ 3 tháng bảo trì máy móc và vệ sinh bể trong 1 ngày Vậy sẽ mất 4 ngày/ năm Thời gian nghỉ lễ + ngàychủ nhật là 31 ngày/năm

Thời gian làm việc của công ty trong 1 năm là: 𝑇𝑙à𝑚 𝑣𝑖ệ𝑐 =365−(31+4) = 330 (𝑛𝑔à𝑦)

Số mẻ sản xuất được 1 năm là: (330*24)/18 = 440

Năng suất của nhà máy: = (200×1000)/440= 501.55 (𝐾g⁄mẻ)

 Quá trình bao gói

Tỷ lệ hao hụt : 1%

Khối lượng nấm men trước bao gói: (501.55×100)/99=506.61 (𝐾𝑔⁄mẻ)

 Quá trình sấy

Tỷ lê hao hụt: 1%

Độ ẩm sau sấy: 8% ( PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn, Sản xuất sinh khối vi sinh vật giàu protein bổ sung thức ăn gia súc)

Độ ẩm trước sấy: 60% (PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn, Sản xuất sinh khối vi sinh vật giàu protein bổ sung thức ăn gia súc)

Độ ẩm trước sấy là 60% nên lượng sinh khối trong hỗn hợp là 40% Mặt khác lượng sinh khối trước sấy và sau sấy là không đổi nên ta có:

𝑚sinh𝑘ℎố𝑖 = 0,4×𝑚𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦

↔𝑚𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = msinhkhối

0.4 = 506.61

Ta có: 𝜌sinh𝑘ℎố𝑖=1,060 (𝑔/𝑚𝑙) (Samir a Haddad và cs, 1953)

𝜌𝑛ướ𝑐 =1(𝑔/𝑚𝑙)(Sổ tay quá trình thiết bị tập 1, nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, 2006)

1

𝜌trước sấy = xsinhkhối

ρsinhkhối + 1−xsinhkhối

ρnước

𝜌trước sấy = 0,4

1,060 + 1−0,4

1

→𝜌𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = 1,023(𝑔/𝑚𝑙)= 1,023(𝑘𝑔/𝑙)

Thể tích hỗn hợp trước sấy: 𝑉𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = mtrước sấy

ρtrước sấyi =1266.53

1,023 =1238.05(𝑙)

 Quá trình ly tâm

Tỷ lệ hao hụt : 1%

Nồng độ huyền phù sau ly tâm là: 40 % chất khô (PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn)

𝑉cặn = 0,4.𝑉trước ly tâm

→𝑉𝑡rước ly tâm =V0.4cặn =V trước sấy 0.4 =1238.050.4 = 3095.13 (𝑙)

Hiệu suất lọc là 99%

𝑉ly tâm thực = (V trước ly tâm x100)/99 = 3126.39 (𝑙)

3 Tính toán thiết bị ly tâm:

a Giới thiệu về thiết bị ly tâm dang đĩa:

Hình 3: Thiết bị ly tâm dạng đĩa

Bảng 8: Các thông số kỹ thuật của máy ly tâm dạng đĩa

Nguyên lý hoạt động:

Hàng ngàn "G" (lực ly tâm) được tạo ra trong buồng tách của máy quay ly tâm, Chúng là sản phẩm của tốc độ quay cao và kích thước lớn của buồng tách Vòng xoay được tạo ra bởi một động cơ điện kết nối với các trục ngang bằng phương tiện của một khớp nối đàn hồi hoặc ly hợp, nhờ các tỉ số truyền bánh răng được thiết kế đặc biệt, chuyển động quay này được chuyển giao đến trục thẳng đứng Bộ phận buồng quay được lắp ráp trên nón đầu cuối theo trục thẳng đứng Các chất lỏng cần xử

lý được đưa vào trung tâm của buồng qua các ống nạp liệu tĩnh Sau đó các dòng được tăng tốc bằng gia tốc thiết kế đặc biệt, làm cho các thành phần đầu tiên đến vùng ngoại

vi của thành buồng, và sau đó thông qua các đĩa nhiều lớp sự tách diễn ra Các chất lỏng tinh khiết (light phase - pha nhẹ) chảy ngược lên phía trên cùng của buồng tách nơi chúng được thải ra bởi thiết kế tự tràn hoặc bằng máy bơm hướng tâm Các chất rắn bị giữ lại bằng lực máy ly tâm và được thu thập tại vùng ngoại vi của khoang tách,

và sau đó thải ra không liên tục Quá trình xả này được kích hoạt bởi một hệ thống thủy lực nằm bên dưới khu vực phân ly Về bản chất, các chất rắn được thải ra qua lỗ

ở ngoại vi của buồng, chúng được mở ra và đóng lại bởi các quá trình lên-xuống của một piston trượt hoặc đáy buồng tách máy quay ly tâm

b Tính toán quá trình ly tâm:

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

- Độ ẩm sau khi ly tâm là 40%

- Khối lượng dung dịch trước khi vào máy ly tâm là 3095.13 (L)

Vcặn = 0,4×𝑉trước ly tâm = 0.4 × 3095.13 = 1238.05 (L)

 Thể tích dung dịch ly tâm trong 1 mẻ:

V = 3095

1540 = 2.00(m3)

Giả sử:

- Đường kính hạt d = 1(μm) = 10-6 (m)

- 𝑟𝑝𝑚=7075 (vòng/ phút)

- Độ nhớt 𝜇 = 2.10-3

(N*s/ m2)

- Khối lượng riêng của hạt 𝜌𝑠 = 1540(kg/ m3)

- Khối lượng riêng của nước 𝜌 = 1000 (kg/ m3

)

- Khoảng cách từ trục đến bề mặt r1 = 5 (cm) = 0.05 (m)

- Khoảng cách từ trục đến đáy r2 = 15 (cm) = 0.15 (m)

 Vận tốc gốc:

𝜔= (2𝜋𝑟*r𝑝𝑚)/60= (2 * 3,14 * 7075)/60 = 740,52 (rad/ s)

 Vận tốc lắng của hạt:

v = 𝑑

2 (𝜌𝑠− 𝜌).𝑟.𝜔 2

18µ

= (10

−6 ) 2 ∗ (1540 − 1000) ∗ 0,359 ∗ 740,52 2

18∗2.10 −3

= 2,95*10-3 (m/ s)

 Thời gian ly tâm (thời gian để hạt di chuyển từ điểm r1 đến điểm r2):

t = (18∗µ)∗ ln (

𝑟2 𝑟1 )

d 2 ∗(ρs− ρ)∗ ω 2 = (18.2.10

−3 )∗ ln (𝑟2𝑟1) (10 −6 ) 2 (1540− 1000)∗ 740,52 2 = 133.56 (s)

Q = 𝑉

𝑡 = 2.00

133,56 = 0.015 (m3/ s)

III Thảo luận và ý kiến:

- Phần tính toán hoàn toàn chỉ nhắm tới công suất 200 tấn/năm nên có những phần

phải tham khảo nhiều tài liệu, có những thông số phải giả sử

- Nhóm đã cố gắng tìm hiểu các tài liệu nhưng có lễ hiểu biết còn hạn hẹp nên các

thông số có thể vẫn chưa chính xác và sát với yêu cầu

- Nhóm vẫn chưa hiểu và tính toán được thông số Σ (sigma)

- Quá trình nuôi cấy vi sinh vật nhóm làm chưa kỹ , chỉ tính toán các phần có liên

quan vì để tập trung vào phần tính toán ly tâm, tránh lạc đề, dài dòng

- Có những phần tính toán nhóm vẫn chưa hiểu lắm mong có nhận được sự góm ý và

bổ sung

KẾT LUẬN

Phần tính toán trên đây chỉ là phần tính toán sơ bộ qua các tài liệu tham khảo mà nhóm thu thập được Phần ly tâm cũng chưa biết cách để kiểm tram xem có khả thi hay không Tuy nhiên, nhóm đã rất cố gắng tìm hiểu và tính toán cẩn thận Mọi người trong nhóm đã làm việc khá hiệu quả và tương tác

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1 Lê Văn Hoàng (2004) “Các quá trình và thiết bị công nghệ sinh học trong

công nghiệp” Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật

2 Trần Khoa, Nguyễn Trọng Khuông (2006), “Sổ tay quá trình và thiết bị công

nghệ hóa chất tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội

3 Nguyễn Đức Lượng (2002) “Vi sinh vật học công nghiệp” Công nghệ vi sinh tập II trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc gia TP.HCM

4 Nguyễn Đức Lượng (2006), “Công nghệ vi sinh tập 2- vi sinh vật học công

nghiệp”, Nhà xuất bản Đai học Quốc gia TP.HCM

5 Bioseparations science and emgineering, roger g harison, paul todd, paul w

todd, scott r.rudge, demetri p petrides, 2015

6 Crossflow ultrafiltration ofbacillus licheniformis fermentation medium to

separate protease enzymes, Serpil Takaç, Sema Elmas*, Pinar Tunçer

H.Özdamar

7 Efficient centrifugal recovery of Bacillus licheniformis biopesticides from

fermented wastewater and wastewater sludge, Satinder K Brar, M Verma,

R.D Tyagi, J.R Vale ´ro, R.Y Surampalli