CHƯƠNG 8 THIẾT bị vắt, TRÍCH LY, TINH THẾ các sản PHẨM THU NHẬN từ PHƯƠNG PHÁP TỔNG hợp VI SINH

Bã sau khi ép được thải ra qua khe hở giữa côn và xilanh, chất lọc qua lỗ lọc trong xilanh theo các đoạn ống vào thùng chứa... Các bộ khuếch tán.• Mục đích sử dụng: Các bộ khuếch tán ứng

8.1 M Ở ĐẦ U

1 Nhiệm vụ của SX thuộc lĩnh vực CNSH là dùng

VSV để sản xuất ra 3 loại sản phẩm như sau:

• Các tế bào VSV ở trạng thái sống như: VK cố định

đạm Rhizobium Azotobacter, VK điều trị tiêu chảy

Bacillus Subtilis, VK làm phân vi sinh

B.megatherium, nấm men bánh mì

B.megatherium, nấm men bánh mì

Saccharomyces Cerevisiae, v.v hoặc trạng thái

chết để làm nguồn protein như Candida Utilis, các

loại vi tảo, v.v

• Các sản phẩm trao đổi chất sơ cấp và thứ cấp

• Các loại enzyme

2 Để thực hiện được nhiệm vụ đó cần phải giải

quyết 2 vấn đề sau:

• Kỹ thuật lên men

• Kỹ thuật thu hồi sản phẩm sau lên men và chế

biến thành các dạng thương phẩm, nghiên cứu

các điều kiện trích ly, tinh chế nhằm thu được các

chất có hoạt tính sinh học dạng tinh khiết

Cần lưu ý là các chất có hoạt tính sinh học thường không bền với các điều kiện nhiệt độ, pH và các

yếu tố vật lý khác

tử không cao thì quá trình cô đặc được thực hiện

là chủ yếu, không cần tách sinh khối bằng con

đường hấp và sấy các môi trường lên men

đường hấp và sấy các môi trường lên men

5 Khi thu nhận các chất chuyển hóa dạng tinh thể có

mức tinh thể cao thì sự tách sinh khối và tạp chất

rắn khỏi dung dịch là giai đoạn đầu tiên để gia

công chất lỏng canh trường

• Máy ép để vắt được chia thành 2 nhóm: Máy ép cơ

học tác động tuần hoàn và máy ép tác động liên tục

1 Máy ép cơ học tác động tuần hoàn có các loại như

tác động thủ công, loại truyền động cơ học và sức

ép bằng thủy lực, loại khí động học Nhược điểm

của loại máy ép này là năng suất không cao, kích

thước lớn nên ít được dùng trong công nghiệp

2 Máy ép tác động liên tục có các loại như vít tải,

băng tải, máy ly tâm và trục quay Loại máy ép này

băng tải, máy ly tâm và trục quay Loại máy ép này

có tiến bộ và hoàn thiện hơn vì có thể cơ khí hóa

và tự động hóa quá trình hoạt động

• Khi sản xuất enzim ở quy mô công nghiệp, người

ta hay sử dụng máy ép 2 vít để vắt bã củ cải, bã

dầu sinh học, malt, v.v Hình 8.2

Hình 8.2 Máy ép hai vít 1-Điều chỉnh bằng thủy lực; 2-Giá đỡ; 3-Côn điều chỉnh; 4-Nắp; 5-Xilanh; 6,8-Vít; 7-Trục; 9-Phễu chứa; 10-Vỏ thiết bị; 11-Truyền động; 12-Động cơ; 13-Bệ máy; 14,

15, 17, 20-Các đoạn ống; 16-Bộ phận thu góp; 18-Đai; 19-Tang quay

• Hai vít quay ngược chiều và nằm bên trong xilanh

đột lỗ Hai vít vừa làm nhiệm vụ vận chuyển bên

trong xilanh, vừa làm nhiệm vụ ép

• Vít ép được gắn chặt trên trục Đường kính trục tăng lên theo mức độ đến gần khoang áp suất

• Côn điều chỉnh sẽ dịch chuyển theo tang quay được

gắn trên trục Mức độ vắt bã phụ thuộc vào kích

gắn trên trục Mức độ vắt bã phụ thuộc vào kích

thước khe hở giữa côn và xilanh

• Vít tải chuyển bã từ phễu chứa vào vít ép rồi vào

khoang áp suất Bã sau khi ép được thải ra qua khe

hở giữa côn và xilanh, chất lọc qua lỗ lọc trong

xilanh theo các đoạn ống vào thùng chứa

Máy ép 1 vít

Dưa leoHành

• Thi ế t k ế và v ậ n hành đơ n gi ả n, d ễ thay th ế

thi ế t b ị và chi phí v ậ n hành r ẻ

8.3 MÁY TRÍCH LY

• Khái ni ệm: Quá trình tách các chất có thành phần phức tạp

ch ứa 1 hay nhiều cấu tử bằng dung môi gọi là trích ly.

• M ục đích sử dụng: Để tách enzim ra khỏi canh trường nấm

m ố c đượ c nuôi c ấ y b ằ ng ph ươ ng pháp b ề m ặ t, tách

monosaccarit t ừ pha r ắ n sau khi th ủ y phân polysaccarit,

tách lipit t ừ sinh kh ố i n ấ m men, v.v.

• Để trích ly các ch ấ t ho ạ t hóa sinh h ọ c, ng ườ i ta s ử d ụ ng

• Để trích ly các ch ấ t ho ạ t hóa sinh h ọ c, ng ườ i ta s ử d ụ ng

các b ộ trích ly tác độ ng tu ầ n hoàn hay liên t ụ c.

1 B ộ trích ly tác độ ng tu ầ n hoàn có hi ệ u su ấ t không cao nên

ch ỉ ứ ng d ụ ng trong nh ữ ng phân x ưở ng SX có quy mô nh ỏ

2 B ộ trích ly tác độ ng liên t ụ c g ồ m các ố ng khu ế ch tán, các

b ộ khu ế ch tán, máy tách d ạ ng c ộ t ki ể u n ằ m ngang hay

đứng, các máy tách dạng roto, v.v.

8.3.1 Các bộ khuếch tán.

• Mục đích sử dụng: Các bộ khuếch tán ứng dụng

để chiết enzim từ canh trường nuôi cấy nấm mốc

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch tán: Hình 8.3

tán: Hình 8.3

Hình 8.3 Bộ khuếch tán 1-Ống khuếch tán; 2-Dòng chảy của nước chiết; 3-Vít để tải canh trường của nấm

mốc; 4-Ống cung cấp nước để khuếch tán; 5-Ống thu nhận nước chiết; 6-Khớp tháo; 7-Thùng chứa nước chiết; 8-Vít tải; 9-Dẫn động vít tải; 10-Dòng thải

• Bộ khuếch tán gồm từ 8 - 10 ống khuếch tán được

lắp trên một mặt phẳng chung Tất cả các bộ khuếch tán được thống nhất hóa

• Phần dưới nón của ống khuếch tán có ống nối để

nạp nước vào khuếch tán, nạp hơi để tiệt trùng thiết

bị, để tháo nước rửa và bã sinh học

• Phần xilanh của ống khuếch tán có khớp nối để lấy

• Phần xilanh của ống khuếch tán có khớp nối để lấy

nước chiết Các khớp nối ở dưới đều có van 3 cửa

để tháo phần chiết vào ống khuếch tán tiếp theo

hoặc vào ống dẫn để xả

• Các van được phân bổ sao cho bất kỳ ống khuếch tán nào cũng có thể ngừng hoạt động mà không ảnh

hưởng đến bộ khuếch tán

• Các ống khuếch tán được kết hợp một cách liên

tục, dịch được trích ly từ phần trên của ống khuếch tán trước đó cho vào phần dưới của ống tiếp theo

• Nguyên tắc hoạt động:

• Thời gian chiết trong mỗi ống khuếch tán là 30-45 phút, thời gian chung của cả quá trình là 4-6h

• Động lực của quá trình khuếch tán là gradient

• Động lực của quá trình khuếch tán là gradient

nồng độ các chất trong dung môi Nên để tăng

cường quá trình, cần giữ hiệu nồng độ cực đại

bằng cách tăng thể tích tương đối của dung môi,

hạn chế sự chảy rối và tăng trao đổi khối

• Để thu nhận các phần chiết có nồng độ cao cần sử

dụng phương pháp ngâm chiết hợp lý Phần trích ly

được tuyển ban đầu cho vào rửa phần canh trường

mới, còn ngâm chiết canh trường được sử dụng bởi các phần chiết có nồng độ thấp và sau đó bằng H2O

• Trong quá trình trích ly các chất trương nở, khối

lượng và thể tích chiếm chỗ tăng, do đó xảy ra hiện

tượng vắt dần sản phẩm nằm giữa các lưới

tượng vắt dần sản phẩm nằm giữa các lưới

• Ưu điểm của phương pháp: Có khả năng thu nhận

nước chiết enzim có nồng độ cao

• Nhược điểm của quá trình: Trong nước chiết không

những có chất cần tách mà còn có các chất hòa tan khác, chủ yếu là đường, muối, axit amin và các chất không hoạt hóa khác

8.3.2 Máy trích ly dạng vít đứng tác động liên tục

• Mục đích sử dụng: Trong các xí nghiệp thuộc

lĩnh vực CNSH, thiết bị này được dùng để trích ly enzim, axit amin và các chất khác từ vật liệu rắn trong quá trình sản xuất lớn

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: Hình 8.5

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: Hình 8.5

Hình 8.5 Thiết bị trích ly

kiểu vít tải

1-Dẫn động; 2-Khớp nối; 3-Cấu trúc kim loại; 4-

Cơ cấu nạp liệu; 5-Vít

nạp liệu; 6-Vỏ; 7-Điểm nút tựa ổ bi; 8-Khớp nối; 9-Dẫn động vít tải; 10- Khung đỡ; 11,15-Nắp; Khung đỡ; 11,15-Nắp; 12-Vít trung gian; 13-Vít nâng 14-Cơ cấu tháo

liệu; 16-Gối tựa vít đứng; 17-Ngõng trục

• Thiết bị gồm 3 cột: Nạp liệu, dỡ liệu kiểu nâng và

nằm ngang Bên trong mỗi cột có vít đột lỗ

• Bộ nạp liệu kiểu vít tải chuyển pha rắn của canh

trường nấm mốc vào phần trên của cột nạp liệu Vít

đột lỗ chuyển tiếp xuống phía dưới và qua phần

nằm ngang của cột để vào cột nâng Canh trường

nấm mốc từ cột nạp liệu qua cột chuyển nằm ngang vào cột nâng và sau khi vắt thì thải ra ngoài

vào cột nâng và sau khi vắt thì thải ra ngoài

• Nước dâng lên trong cột nạp liệu được bão hòa liên

tục và sau khi qua bộ lọc ở phần trên của cột nâng thì đưa ra ngoài

• Hệ số chứa đầy pha rắn của cột có tính đến sự

trương nở của sản phẩm bằng 0,8 Thời gian trích

ly 40÷60 phút ở nhiệt độ 250C

8.3.3 Máy trích ly hai vít nằm ngang tác động liên tục

Hình 8.6 Thiết bị trích ly tác động liên tục của hãng Niro Atomaizer 1-Máng nghiền; 2-Bơm định lượng; 3-Bộ trao đổi nhiệt; 4-Vít tải; 5-Bộ định lượng; 6-Dẫn động; 7-Bơm; 8-Bộ trao đổi nhiệt; 9-Áo trao đổi nhiệt

• Thiết bị trích ly là máng nghiêng, bên trong có 2 vít

với những cơ cấu trao đổi nhiệt và hệ bơm

• Nguyên tắc hoạt động: Bộ định lượng được đặt

trên thiết bị trích ly để nạp sản phẩm vào phần

• Ưu điểm: Quá trình trích ly được tiến hành hai

mức và ngược dòng, phương pháp tiếp xúc pha

rắn với pha lỏng như thế sẽ bảo đảm hiệu suất

chiết cao hơn

động liên tục dạng roto 1-Bộ nạp liệu; 2-Khoang hình quạt; 3-Máy sấy bã sinh học; 4-Các thùng

chứa; 5-Bơm; 6-Đường

ống dẫn dung dịch cô;

7-Khớp nối để nạp chất tải nhiệt; 8-Băng tải để chuyển

bã sinh học; 9-Thùng chứa; 10-Đường ống dẫn nước

để khuếch tán; 11-Bơm chân không; 12-Vòi phun

• Thiết bị là một khối kín bất động, bên trong có roto

được chia thành 16 khoang hình quạt làm quay trục

đứng

• Mỗi khoang có đáy lưới sâu 0,23-0,36m Canh

trường nấm mốc được nghiền nhỏ, định lượng và

cho vào đáy lưới để ngâm rồi trích ly

• Tất cả 16 khoang này chia thành 4 vùng Ở khu vực

• Tất cả 16 khoang này chia thành 4 vùng Ở khu vực

đầu canh trường được gia công bằng nước, sau khi ngâm 1 thời gian, sau đó nhờ bơm chân không phần chiết được lọc và chảy vào thùng chứa để bơm vào khu vực 2 Tại đây canh trường nấm mốc được trích

ly, lọc và cho chảy vào thùng chứa thứ 2 Các công

đoạn này được lặp lại ở khu vực 3 và 4

• Sau khi trích ly, phần chiết giàu enzim được cho vào gia công tiếp, còn bã sinh học được thải ra và cho vào sấy.

• Khi hoạt động liên tục, trong mỗi khoang hình quạt

của roto cho phép tiến hành gia công canh trường

bằng nước một cách liên tục và gia công canh

trường bằng nước chiết cho đến khi tách hoàn toàn

trường bằng nước chiết cho đến khi tách hoàn toàn enzim

• Dẫn động của roto được thực hiện qua bộ truyền

động, đồng thời các bánh đai làm thay đổi số vòng quay của roto

Thi ế t k ế & T ă ng quy mô…

Trích ly l ỏ ng-r ắ n b ằ ng áp l ự c

• Là quá trình phân tách d ự a vào s ự di chuy ể n

c ủ a các ch ấ t hòa tan trong canh tr ườ ng sang

extraction.

• Khác nhau: S ử d ụ ng các dung môi khác nhau

Ví d ụ : SFE-dung d ị ch CO2 bão hòa;

PSE-hexane, methanol ho ặ c ethanol; PLPW-n ướ c.

• Gi ố ng nhau: C ấ u t ạ o chung g ồ m Ngu ồ n cung

c ấ p dung môi, b ơ m v ậ n chuy ể n dung môi,

thi ế t b ị gia nhi ệ t dung môi, n ồ i áp su ấ t th ự c

hi ệ n trích lý, và n ồ i thu nh ậ n sau trích ly.

hi ệ n trích lý, và n ồ i thu nh ậ n sau trích ly.

• Các thi ế t b ị trích ly này ho ạ t độ ng gián đ o ạ n

(batch) Phù h ợ p cho quá trình s ả n xu ấ t các

s ả n ph ẩ m có giá tr ị cao, nh ư ng th ể tích làm

vi ệ c không quá l ớ n e.g d ượ c ph ẩ m ho ặ c các

s ả n ph ẩ m dinh d ưỡ ng.

S ơ đồ c ơ ch ế ho ạ t độ ng c ủ a SFE

S ơ đồ c ơ ch ế ho ạ t độ ng c ủ a PLPW/PSE

H ệ trích ly l ỏ ng-l ỏ ng ng ượ c dòng

• Độ ng h ọ c c ủ a quá trình trích ly này là l ớ n

nh ấ t do s ự khác bi ệ t n ồ ng độ gi ữ a ch ấ t hòa tan và dung môi là l ớ n nh ấ t.

• Ti ế t ki ệ m dung môi, t ă ng hi ệ u qu ả trích ly, thu đượ c n ồ ng độ ch ấ t tan cao trong dung môi, và n ồ ng độ ch ấ t tan còn l ạ i trong môi, và n ồ ng độ ch ấ t tan còn l ạ i trong dung d ị ch th ấ p.

H ệ trích ly r ắ n-l ỏ ng liên t ụ c ng ượ c dòng

V ậ n hành nh ờ vào s ự v ậ n chuy ể n môi

tr ườ ng nuôi c ấ y b ằ ng vít t ả i ng ượ c dòng

v ớ i dòng dung môi Vít t ả i đ óng vai trò v ậ n chuy ể n, đồ ng th ờ i t ạ o áp l ự c trong toàn b ộ

chuy ể n, đồ ng th ờ i t ạ o áp l ự c trong toàn b ộ

h ệ th ố ng.

H ệ trích ly ng ượ c dòng liên t ụ c PLPW

để phân tách sinh kh ố i VSV

® WIPO Patent, Christensen 2007

• Nguyên t ắ c ho ạ t độ ng:

Quá trình trích ly g ồ m 3 giai đ o ạ n.

- G Đ 1: Ngâm sinh kh ố i, T < 1000C, t < 30min

- G Đ 2: Sinh kh ố i sau khi ngâm đượ c chuy ể n vào ph ễ u n ạ p li ệ u c ủ a vít t ả i, t ạ o áp su ấ t ép,

T < 2000C Lo ạ i ph ầ n l ớ n hemicellulose.

T < 2000C Lo ạ i ph ầ n l ớ n hemicellulose.

- G Đ 3: Sinh kh ố i t ừ G Đ 2 đượ c chuy ể n vào

G Đ 3 nh ờ b ơ m, vít t ả i đ óng vai trò trích ly, t < 3min, T < 1950C.

8.4 MÁY L Ọ C

• Khái ni ệ m: Thi ế t b ị dùng để phân chia h ệ không đồ ng nh ấ t

b ằ ng ph ươ ng pháp l ọ c qua l ớ p ng ă n đượ c g ọ i là máy l ọ c.

• Nguyên t ắ c ho ạ t độ ng: Huy ề n phù đượ c n ạ p vào màng x ố p, pha l ỏ ng s ẽ qua màng x ố p, pha r ắ n đượ c gi ữ l ạ i ở d ạ ng l ớ p

• Theo m ụ c đ ích s ử d ụ ng: Máy l ọ c đượ c dùng trong các quá trình tách sinh kh ối chất lỏng canh trường để làm trong dung

d ịch chứa các chất HHSH, để lọc tiệt trùng, để tách các chất

HHSH d ạ ng k ế t t ủ a kh ỏ i dung d ị ch, v.v.

8.4.1 Máy lọc tác động tuần hoàn

Hình 8.10 Máy lọc ép kiểu phòng 1-Bản; 2-Bề mặt gợn sóng của bản; 3-Phòng; 4,5-Các lớp vải lọc; 6-Rãnh để chuyển huyền phù; 7-Rãnh để thải phần lọc

• Máy lọc ép có thể lọc được những huyền phù

dẫn ra theo rãnh chung của phần dưới

dẫn ra theo rãnh chung của phần dưới

• Chất kết tủa trong các phòng phải rửa và khử

nước bằng phương pháp nạp dung dịch rửa hay không khí nén theo rãnh ở trên và tháo qua rãnh

dưới

8.4.2 Máy lọc tác động liên tục

• Máy lọc chân không thùng quay

- Loại máy lọc này được dùng để tách sinh

khối VSV khỏi dung dịch canh trường và để lọc huyền phù có cấu trúc khác nhau của các thể

vẩn rắn

- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: Hình 8.13

- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: Hình 8.13

Hình 8.13 Máy lọc chân không dạng thùng quay 1-Thùng quay; 2-Ổ bi; 3- Thùng chứa huyền phù; 4- Máy khuấy lắc; 5-Xilanh

đặc bên trong; 6-Xilanh ngoài đột lỗ; 7-Vải lọc; 8- Màng chắn lọc; 9-Khoang

cặn; I-Lọc qua vải; II-Sấy

cặn; III-Rửa cặn; IV-Thổi

và làm tơi cặn

- Thùng quay được chia thành một số khoang mà trong một vòng các khoang này trực tiếp đi qua 4

vùng

- Các khoang của thùng quay được bao phủ bởi

tấm đột lỗ và bị kéo căng bởi vật liệu lọc Số vòng quay của thùng thay đổi nhịp nhàng trong giới hạn

từ 0,13-3 vòng/phút

- Thùng quay được lắp trong các ổ đặc biệt, tấm

- Thùng quay được lắp trong các ổ đặc biệt, tấm

đáy dưới thùng có máng chảy và máy khuấy lắc

hoạt động nhờ bộ dẫn động riêng biệt có số vòng

quay đến 0,3 vòng/phút

- Máy lọc chân không thùng quay được thiết kế theo

chế độ nạp liệu từ 1/3 - 2/3 đường kính, phụ thuộc vào tính lắng đọng của huyền phù

8.5 THI Ế T B Ị TUY Ể N N Ổ I

• Khái niệm: Quá trình tách vật lý các tiểu phần rắn,

nhỏ của huyền phù dựa vào khả năng dính vào bọt không khí của chúng, và nổi lên trên, tập trung lại thành váng được gọi là tuyển nổi

• Ưu điểm: Phương pháp này sẽ làm giảm lượng

máy phân ly, giảm tiêu hao năng lượng và đảm bảo tính liên tục của quá trình công nghệ

• Phân loại các bộ tuyển nổi:

1 Theo phương pháp bão hòa canh trường ban đầu

bằng không khí, bộ tuyển nổi được chia ra 3 nhóm:

- Nhóm 1: Các thiết bị mà chất lỏng canh trường

trước khi tuyển được bão hòa không khí sơ bộ

dưới áp suất dư và được gia công tiếp ở áp suất khí quyển hay chân không không lớn lắm

- Nhóm 2: Các loại thiết bị mà sự tuyển nổi được

• Ứ ng d ụ ng: Tuy ể n n ổ i th ườ ng đượ c dùng để

tách thành ph ầ n sulfide ra kh ỏ i khoáng s ả n,

tách KCl ra kh ỏ i NaCl, tách than kh ỏ i h ợ p ch ấ t tro, tách các h ợ p ch ấ t silic kh ỏ i qu ặ ng s ắ t, v.v

=> Dùng để tách sinh kh ố i trong s ả n xu ấ t n ấ m men, làm s ạ ch n ướ c, x ử lý n ướ c th ả i.

• H ệ s ố tuy ể n n ổ i: Là t ỷ s ố gi ữ a n ồ ng độ sinh

• H ệ s ố tuy ể n n ổ i: Là t ỷ s ố gi ữ a n ồ ng độ sinh

kh ố i trong huy ề n phù l ấ y ra t ừ máy tuy ể n n ổ i

và n ồ ng độ sinh kh ố i trong môi tr ườ ng ban

đầ u.

• Vi ệ c xây d ự ng mô hình d ự đ oán cho quá trình tuy ể n n ổ i t ươ ng đố i khó kh ă n, vì…