ĐỒ án CHUYÊN NGÀNH THIẾT kế PHÂN XƯỞNG lên MEN sản XUẤT l LYSINE

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH

Đặc tính kỹ thuật của chủng

Hình 5 Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C glutamicum Lys-12 sử dụng rỉ đường [9]

− Sử dụng chủng Corynebacterium glutamicum Lys-12, năng suất 4.0 g/L/h [9].

− Đây là vi khuẩn hiếu khí, nhuộm gram dương, tế bào hình que, không chuyển động, không sinh bào tử.

19 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

− Quá trình lên men với chủng được thực hiện trong 30 h, cho năng suất đạt 120 g L-lysine/ L dịch lên men [9].

Đặc điểm của quá trình lên men

− Chủng lên men sản xuất L-lysine trong điều kiện hiếu khí, có khuấy trộn và sục khí.

− Thể tích làm việc chiếm 70% thể tích thiết bị.

− Nhiệt độ toàn bộ quá trình lên men: 30 o C [9].

Quy trình công nghệ

Hình 6 Sơ đồ công nghệ sản xuất L-lysine từ rỉ đường [2,9]

2.3.1 Chuẩn bị môi trường lên men

20 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

2.3.1.1 Thành phần môi trường và nồng độ

Môi trường được sử dụng để kích hoạt và nhân giống sơ cấp chủng vi sinh vật sau khi lấy ra từ tủ đông -80 o C.

STT Thành phần Nồng độ (g/L)

Môi trường nhân giống thứ cấp bậc 1:

STT Thành phần Nồng độ (g/L)

Môi trường nhân giống thứ cấp bậc 2:

STT Thành phần Nồng độ (g/L)

21 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

2 Dịch thuỷ phân đậu tương 18

STT Thành phần Nồng độ

10 Chất chống tạo bọt 5 ml/L

Rỉ đường cần được xử lý trước khi lên men để loại bỏ tạp chất và vi khuẩn, nâng cao độ tinh khiết và điều chỉnh pH Các phương pháp xử lý rỉ đường bao gồm hóa học (sử dụng axit), vật lý (gia nhiệt) và cơ học (lắng, ly tâm) Phương pháp không gia nhiệt tiết kiệm năng lượng nhưng yêu cầu nhiều axit và chỉ phù hợp với rỉ đường ít nhiễm tạp Trong khi đó, phương pháp gia nhiệt có ưu điểm vượt trội, thường được thực hiện ở nhiệt độ 85 – 90 độ C trong 45 phút.

Phương pháp xử lý rỉ đường bằng acid H2SO4 có gia nhiệt không chỉ giúp kết tủa keo mà còn loại bỏ canxi, yếu tố gây cản trở quá trình lên men Đồng thời, phương pháp này còn thuỷ phân đường saccarose trong rỉ đường thành glucose, cung cấp nguồn dinh dưỡng thiết yếu cho vi sinh vật tham gia lên men.

Quy trình xử lý rỉ đường bằng phương pháp gia nhiệt có thể được tiến hành như sau [2]:

− Rỉ đường được cân và chuyển vào thùng phối trộn, pha loãng với tỉ lệ 1:2

(1 tấn rỉ đường và 2 m 3 nước), khuấy trộn 30 – 35 vòng/phút Pha loãng sơ bộ giúp giảm độ nhớt và giúp cải thiện quá trình truyền nhiệt

− Sau đó bổ sung acid H 2 SO 4 98% với tỉ lệ 2 – 3 kg axit/1 tấn rỉ đường, đồng thời gia nhiệt đến 85 – 90 o C trong vòng 45 phút, khuấy đều

− Để lắng ở nhiệt độ phòng trong khoảng 4 – 8 giờ

− Ly tâm tách cặn và thu dịch trong, tốc độ ly tâm 10000 vòng/phút, trong

− Tiệt trùng ở 120 – 122 o C trong 30 phút rồi chuyển vào thùng lên men hoặc thùng lưu trữ.

2.3.1.3 Thuỷ phân tinh bột ngô

Thuỷ phân tinh bột ngô nhằm sinh vật sử dụng trong lên men.

Quy trình thuỷ phân tinh bột ngô được tiến hành như sau:

− Bắp nếp tươi được tách hạt, xay nhuyễn với nước theo tỷ lệ tương ứng 1:1,5 chuyển hóa tinh bột thành glucose để vi

23 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

− Thực hiện hồ hóa hỗn hợp ở nhiệt độ 70÷80 0 C trong 10 phút và tiếp tục dịch hóa hỗn hợp bằng α-amylase

− Hỗn hợp được hạ nhiệt độ để tiếp tục quá trình đường hóa bằng glucoamylase.

2.3.1.4 Nguồn nito và các chất dinh dưỡng khác

(NH4)2SO4 là một nguồn cung cấp nitơ quan trọng cho vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy và lên men, đồng thời giúp điều chỉnh pH cho quá trình này.

Muối khoáng, vitamin và axit amin: các chất dinh dưỡng được hoà tan trong nước và được chuyển vào thùng lên men thông qua màng lọc 0.22 àm.

Thanh trùng trong thiết bị thanh trùng liên tục dạng tấm bản sử dụng phương pháp nâng nhiệt độ môi trường nhanh chóng, sau đó hạ nhiệt nhanh để tiêu diệt vi sinh vật Quá trình này tạo ra sốc nhiệt, dẫn đến cái chết của các vi sinh vật có hại.

Sau khi phối trộn, môi trường dạng lỏng sẽ được bơm ly tâm ra khỏi thùng và chuyển đến thiết bị thanh trùng dạng tấm bản Tại đây, môi trường được gia nhiệt nhanh chóng lên 140 o C trong khoảng 20 giây, sau đó duy trì ở nhiệt độ này trong 2-3 phút và cuối cùng được làm lạnh nhanh trong 20 giây tiếp theo.

Mục đích: Phục hồi hoạt tính của giống sau thời gian lưu trữ dài ngày từ tỉ -80 o C.

Quy trình: Ống giống gốc được bảo quản ở -80 o C, được nuôi lỏng trong 3 ml môi trường hoạt hoá ở 30 o C trong 24 h Sau đó cấy ria trên môi trường hoạt hoá, pH

6.9, dạng đặc, nuôi ở 30 o C trong 24 h đến khi khuẩn lạc riêng rẽ xuất hiện trên bề mặt thạch.

Nguyễn Thị Hồng Tươi, sinh viên năm 20175335, đã thực hiện một đồ án chuyên ngành bằng cách chọn một khuẩn lạc riêng lẽ và cấy chuyển vi sinh vật Quá trình nuôi được thực hiện trong 200 ml môi trường có pH 6.9, trong bình tam giác 1 L, ở nhiệt độ 30 độ C với tốc độ lắc 230 rpm trong thời gian 6 giờ.

Mục đích: Tạo sinh khối đủ lớn để đưa vào quy trình sản xuất, sinh khối thường được lấy ra ở giữa pha log.

Sử dụng môi trường nhân giống sơ cấp, pH 6.9 điều chỉnh bằng NH 4 OH 25%, nuôi ở nhiệt độ 30 o C, tỷ lệ giống gieo là 5% [9].

Sử dụng môi trường nhân giống thứ cấp, tiến hành nhân giống qua 2 cấp, pH 6.9 điều chỉnh bằng NH 4 OH 25%, nuôi ở nhiệt dộ 30 o C, tỷ lệ gieo giống là 5% [9].

Mục đích: Lên men thu L-lysine được tổng hợp và tiết ra trong quá trình sinh trưởng, phát triển. Điều kiện lên men:

− Quá trình lên men được tiến hành theo phương pháp lên men theo mẻ.

− pH duy trì 6.9 bằng NH 4 OH 25% [9].

− Giống vi khuẩn được bổ sung với tỷ lệ 5% so với thể tích dịch lên men.

− Nồng độ L-lysine thu được ở cuối quá trình lên men đạt 120 g/L dịch lên men [9]. Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Trong quá trình lên men, bọt sinh ra từ khuấy trộn và khí CO2 có thể làm giảm hiệu suất trao đổi chất và ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị Để khắc phục tình trạng này, cần lắp đặt thiết bị phá bọt tự động và sử dụng chất phá bọt như Tego antifoam KS911, một sản phẩm 100% hữu cơ không chứa silicone, giúp cải thiện quá trình lên men hiệu quả hơn.

• Để thu L-Lysin tinh khiết ở dạng kết tinh [2, 7]:

− Lọc, ly tâm để loại bỏ sinh khối, cặn và các thành phần không tan

− Dịch sau ly tâm được hấp phụ ở cột nhựa trao đổi ion cationit, nhả hấp phụ bằng ammonia 0.5-5%

− Đun nóng dung dịch trên để loại bỏ ammociac Dùng dung dịch HCl hạ pH dung dịch xuống 4.9-5

− Cô đặc chân không dung dịch trên thu được L-Lysin nồng độ 30- 50%, L-lysine sẽ tác dụng với HCl (dùng khi hạ pH dung dịch) tạo thành monochlohydrat lysine

− Làm lạnh toàn bộ tới nhiệt độ 10-12 o C, khi đó thấy xuất hiện những tinh thể màu vàng nhạt (kết tinh lần một)

Quá trình ly tâm được thực hiện để thu nhận tinh thể L-lysine Dịch sau ly tâm sẽ được cô đặc và có thể sử dụng như dịch lysine cô đặc, hoặc tiến hành tái kết tinh để tối ưu hóa việc thu nhận L-lysine từ dịch lên men Cuối cùng, các tinh thể thu được sẽ được sấy chân không để bảo quản.

• Với L-Lysin dùng làm thức ăn gia súc, không cần có độ tinh khiết quá cao:

Dung dịch lên men được bơm vào nồi chân không và được cô đặc cho đến khi nồng độ chất khô đạt 35 - 40% Quá trình này cho ra chế phẩm thô đầu tiên.

26 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

− Có thể sử dụng chế phẩm này cho chăn nuôi gia súc Tuy nhiên dạng chế phẩm này chỉ có thể bảo quản trong khoảng 4 tháng

− Có thể bảo quản lâu hơn bằng cách trộn thêm chất độn (bột ngũ cốc) vào dịch cô đặc rồi đem đi sấy khô hoặc ép thành viên.

27 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

CÂN BẰNG SẢN PHẨM

Cân bằng sản phẩm

Chọn thông số ban đầu:

− Thể tích mỗi thùng lên men (tank lên men): 100 m 3

− Số tank lên men sử dụng: 3 tank lên men và 1 tank dự trữ

− Lượng chủng vi sinh vật bổ sung: 5% (v/v)

Thể tích làm việc của 1 thiết bị 70 m 3 / thiết bị

Nồng độ L-Lysine thu được 120 g L-Lysine/ L dịch lên men

Nồng độ sinh khối thu được 66 g/L dịch lên men

Sau mỗi mẻ lên men, với một thiết bị thu được 70 m 3 dịch lên men có nồng độ L-Lysine 120g/L.

Tiến hành lên men 300 ngày, thời gian lên men 1 mẻ là 32h Vậy số mẻ lên men thực hiện trong 1 năm là:

Như vậy, số thiết bị lên men cần trong 1 mẻ là:

Vậy chọn số lượng thiết bị lên men chính trong 1 mẻ là 3 thiết bị và 1 thiết bị dự trữ.

Một mẻ lên men cùng lúc cả 3 thiết bị Chuẩn bị giống cùng một thiết bị

Tổng thể tích môi trường lên men chính tính theo một mẻ:

28 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

V= 70x3= 210 m 3 Lượng giống cần cung cấp cho quá trình lên men theo 1 mẻ:

V g = 210x5%= 10.5 m 3 Thể tích môi trường làm việc cho 1 mẻ/ 3 tank:

3.1.1 Nhân giống thứ cấp bậc 2

- Tỉ lệ gieo giống: 5% thể tích

- Lượng thể tích cần để lên men cho quá trình nhân giống thứ cấp bậc 2:

Bảng 4 Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 2

Thành phần Nồng độ Tổng lượng cần dùng

Dịch thuỷ phân đậu tương 18 189

3.1.2 Nhân giống thứ cấp bậc 1

- Tỷ lệ gieo giống: 5% thể tích

- Lượng thể tích cần để lên men cho quá trình nhân giống thứ cấp bậc 1:

Bảng 5 Thành phần và nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 1

Thành phần Nồng độ Tổng lượng cần dùng

29 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

- Tỷ lệ gieo giống: 5% thể tích

- Lượng thể tích cần để lên men cho quá trình nhân giống sơ cấp:

- Tỷ lệ gieo giống: 5% thể tích

- Lượng thể tích cần để lên men cho quá trình hoạt hóa giống:

Lượng thể tích cần để lên men cho cả 2 quá trình hoạt hoá giống và nhân giống sơ cấp:

Bảng 6 Thành phần và nồng độ môi trường hoạt hoá và nhân giống sơ cấp

Thành phần Nồng độ Tổng số lượng cần dùng

30 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Chuẩn bị môi trường lên men

3.2.1 Thành phần môi trường lên men

Bảng 7 Thành phần môi trường lên men

Thành phần Nồng độ Đơn vị Lượng cần cho Lượng cần cho

Chất chống 5 ml/L L 350 1050 tạo bọt

Thành phần hỗn hợp FeSO 4 -citrat:

Thành phần Nồng độ Lượng dùng cho Lượng dùng cho

31 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Thành phần Nồng độ Đơn vị Lượng dùng Lượng dùng cho 1 tank cho 3 tank

Pantothenic 2 g/L Kg 0.98 2.94 axit Ca muối

- Từ bảng 2, có thể thu được 65% glucose sau xử lý rỉ đường (trong đó có 40% glucose nhờ chuyển hoá từ saccarose sang glucose nhờ quá trình thuỷ phân)

- Tổng lượng rỉ đường cần cung cấp cho quá trình lên men (3 tank), tính theo hàm lượng chất khô:

- Lượng glucose thu được sau xử lý rỉ đường là: m 1 = 17.34*65%= 11.27 tấn

- Cho tỉ lệ hao hụt của quá trình xử lý rỉ đường:

- Lượng rỉ đường trước khi tiệt trùng:

- Lượng rỉ đường trước khi ly tâm tách Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

- Lượng rỉ đường trước khi xử lý:

Rỉ đường ban đầu chứa 80% chất khô, nên rỉ đường cần xử lý: đ =

Cứ 1 kg rỉ đường pha loãng 2 L theo tỉ lệ 1:2, với khối lượng riêng của rỉ đường là d= 1.3 kg/L và của nước là d= 1 kg/L Axit H 2 SO 4 đậm đặc (98%) được bổ sung theo tỉ lệ 2.5 kg/tấn rỉ đường [2].

+ Lượng rỉ đường cần sử dụng: 22336.74 kg

+ Lượng nước pha loãng: m rbđ x2= 22336.74*2= 44673.47 L

+ Lượng H 2 SO 4 98% cần dùng: 2.5*m rbd *10 -3 = 2.5*22336.74*10 -3 55.84 kg

- Thể tích dịch rỉ đường sau pha loãng:

- Thể tích dịch rỉ đường đem đi ly tâm tách cặn:

- Thể tích dịch rỉ đường đem đi tiệt trùng:

- Thể tích dịch rỉ đường sau tiệt trùng:

3.2.3 Xử lý tinh bột ngô

- Tổng hàm lượng ngô cần cho quá trình nhân giống và lên men:

33 Đồ án chuyên ngànhSVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 m b = mb nhân giống+ m b mtlm = 26.25+7350*1.5= 11051.25 kg

- Lượng glucose thu được sau xử lý: m 2 = 11051.25 kg= 11.05 tấn

* Khối lượng riêng của tinh bột ngô khoảng 1.5-1.6

Bắp khô được tách hạt, xay nhuyễn với nước theo tỷ lệ tương ứng 1:1.5.

Tiến hành hồ hoá hỗn hợp ở nhiệt độ 70-80 °C trong 10 phút, sau đó tiếp tục quá trình dịch hoá bằng glucoamylase Giả định rằng tỷ lệ hao hụt trong quá trình xử lý tinh bột là 1%.

+ Lượng tinh bột ngô cần là: m tbn = 11051.25 99% 162.88 kg

+ Lượng nước cần cho xay nhuyễn: m tbn *1.5= 11162.88*1.516744.32 L

- Thể tích dịch bắp sau xay nhuyễn là:

- Thể tích dịch bắp thu được sau xử lý:

3.2.4 Nguồn Nitơ và các chất dinh dưỡng khác

Giả sử tỉ lệ hao hụt của quá trình phối trộn là 0.5%.

Lượng Nitơ và các chất dinh dưỡng cần dùng (trước khi phối trộn) là:

- Lượng KH 2 PO 4 : m KH2PO4 = 99.5% 52.5 = 52.76 kg

34 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

- Lượng Pantothenic axit Ca muối: m Pan = 99.5% 2.94 = 2.95 kg

Tổng lượng các chất dinh dưỡng cần là: ∑ = 22501.5983 kg

- Thể tích nước cần cho pha loãng (chọn tỷ lệ pha loãng 1:3):

- Lượng nước cần cấp vào 3 tank lên men:

V c = V mt - V rỉ stt - V tb sxl - V nước pl

- Chất chống tạo bọt (Tego antifoam KS911): 5 ml/L [9].

Lượng cần dùng cho 1 mẻ lên men là 5*210= 1050 L

Nhu cầu Oxy

- Tốc độ sục khí: 0.1167 m 3 /s (đã tính ở phần tính toán 4.1.4.5.)

- Lượng oxy cần cung cấp:

35 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Nguyên liệu cho quá trình CIP (Cleaning in plance)

Trong hệ thống sản xuất, việc vệ sinh thiết bị và hệ thống là rất quan trọng Để đảm bảo hiệu quả vệ sinh trong phân xưởng, cần sử dụng hệ thống vệ sinh tại chỗ (CIP) Hệ thống này sử dụng nước, axit và bazo để làm sạch thiết bị và đường ống.

Trong quy trình sản xuất lysine, hệ thống CIP sử dụng dung dịch NaOH 3% và HNO3 3% được lựa chọn Thể tích dịch CIP thường chiếm từ 5-8% thể tích bồn chứa, do đó, với bồn có dung tích 100 m³, cần khoảng 5 m³ dịch CIP Khi sử dụng 3 thiết bị trong một mẻ, tổng thể tích dịch CIP cần thiết sẽ là 15 m³ Từ đó, lượng NaOH và HNO3 cần sử dụng được xác định dựa trên thể tích dịch CIP yêu cầu.

Khối lượng riêng NaOH: 2.13 kg/L

Khối lượng riêng của nước: 1 kg/L

Như vậy để có 15000 L dung dịch NaOH 3% thì cần pha 974 kg NaOH vào 14.543 L nước.

Khối lượng riêng HNO 3 : 1.51 kg/L

36 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Như vậy để có 15000 L dung dịch HNO 3 3% thì cần pha 454.606 kg HNO 3 vào 14.699 L nước.

Tổng kết

- Chu kỳ làm việc: 32 giờ, trong đó:

Kế hoạch sản xuất dự kiến trong năm là 300 ngày, với trung bình 25 ngày làm việc mỗi tháng Số ngày còn lại sẽ được sử dụng cho việc bảo trì thiết bị, sửa chữa, vệ sinh và các ngày lễ Tết.

- Số mẻ lên men dự kiến là 225 mẻ/năm Mỗi mẻ làm đồng thời 3 tank.

Ta lấy tỉ lệ hao hụt sau dịch lên men thu được sau lên men là 8% Vậy lượng dịch lên men thu được là:

Giả sử hiệu suất lên men là 120g L-lysine/ L dịch lên men Vậy lượng L- lysine sau lên men thu được là: m L-Lys = 193.2*120= 23184 kg/mẻ= 5216.4 tấn/năm

Bảng 8 Tổng kết nhu cầu nguyên liệu

Thành phần Đơn vị 1 tank 1 mẻ 1 năm (225

37 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Dịch rỉ đường xử lý L 20628.7 61886.09 13924.37 Dịch rỉ đường ly tâm L 20422.41 61267.23 13785126.8 Dịch rỉ đường tiệt trùng L 20218.19 60654.56 13647276 Dịch rỉ đường lên men L 20016 60048.01 13510802.3 m glucose sau xử lý rđ Tấn 3.76 11.27 2536

Tinh bột ngô Kg 3683.75 11051.25 2486531.25 Dịch bắp xay nhuyễn L 8062.08 24186.24 5441904 Dịch bắp sau xử lý L 7981.46 23944.38 5387485.5 m glucose sau xử lý tbn Tấn 3.683 11.05 2486.25 (NH 4 ) 2 SO 4 Kg 2536.18 7608.54 1711921.5

Pantothenic axit Kg 0.983 2.95 663.75 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 nicotine amit G 295.48 886.43 199446.75

Nước pha hoá chất (1:3) L 22549.09 67647.27 15220634.6 Nước bổ sung vào tank L 15953.42 47860.26 10768557.4

Lượng giống sơ cấp m 3 0.00875 0.02625 5.90625 Hoạt hoá giống m 3 4.377*10 -4 0.001313 0.295

Tổng thể tích dịch lên m 3 70 210 47250 men (LT)

Tổng thể tích dịch lên m 3 64.4 193.2 43470 men (thất thoát 8%)

Lượng L-Lys thu được Kg 7728 23184 5216.4*10 3

39 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

Thiết bị lên men chính

4.1.1 Tính toán phần thiết bị

- Thể tích thiết bị lên men: V tb = 100 m 3

- Thể tích dịch lên men: V= 70 m 3

Hình 7 Cấu tạo của thiết bị lên men [1]

+ Đáy và đỉnh dạng hình chỏm cầu, có chiều cao đáy/đỉnh h đ = 0.25D t (m), chiều dày s= 10 mm

40 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Đường kính cánh khuấy d= (0.33፥0.5)D t

+ Khoảng cách giữa cánh khuấy và đáy thiết bị A= 0.5d

+ Khoảng cách giữa các tầng cánh khuấy: B= d, C= (0.5፥1)d

+ Tấm chắn có chiều rộng b= D t /10- D t /12

+ Khoảng cách từ tấm chắn đến thành thiết bị c= D/72- D/50

+ Hệ thống phân phối khí dạng đĩa lỗ đặc dưới cánh khuấy

=> D t = 3.389 m Quy chuẩn theo bảng XIII.6 (đường kính trong D t (mm) của thân hình trụ) [12]

=> H trụ(L) = 7.25 m Các thông số khác:

+ Chiều cao chất lỏng: H L = H trụ(L) + H đ = 7.25+ 0.85= 8.1 m

+ Chiều cao đáy/ đỉnh: h đ, = 0.85 m + Chọn chiều cao chân: h c = 2 m

41 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Đường kính cánh khuấy: d= 0.395D t = 1.34 m

+ Khoảng cách giữa cánh khuấy dưới cùng và đáy là: A= 0.5d= 0.67 m + Khoảng cách giữa các tầng cánh khuấy: B= C= d= 1.34 m

+ Chiều rộng tấm chắn: b= D t /10= 340 mm= 0.34 m

+ Khoảng cách giữa tấm chắn và thành thiết bị: c= D t /50 = 68 mm= 0.068 m

=> Tổng chiều cao thiết bị là: H TB = H+ 2h đ + h c = 10.2 + 2*0.85+ 2= 13.9 m

Hiện nay, trong các thiết bị lên men, có nhiều loại cánh khuấy được sử dụng, trong đó đĩa tuabin và đĩa cánh quạt là phổ biến nhất Đặc biệt, đĩa tuabin được các nhà máy ưa chuộng và sử dụng chủ yếu.

Hình 8 Cánh khuấy loại đĩa tuabin và tiêu chuẩn thiết kế

42 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

=> Chọn số tầng cánh khuấy N= 5

4.1.3 Thanh chắn Để tránh hiện tượng xuất hiện chỗ xoáy lớn trên bề mặt và đảm bảo chuyển động trộn không bị hạn chế, giải pháp được đề xuất là sử dụng thanh chắn.

Thông thường, người ta chọn sử dụng 4 tấm chắn phẳng, đặt vuông góc với thành thiết bị.

4.1.4 Tính toán sục khí và khuấy trộn

4.1.4.1 Tốc độ tiêu thụ O 2 riêng của chủng C.glutamicum trong quá trình lên men

Tổng lượng oxy cần thiết cho quá trình lên men phụ thuộc vào hai yếu tố chính: lượng sinh khối trong thiết bị lên men và sự thay đổi của sinh khối theo thời gian Do đó, nhu cầu oxy cũng biến động theo thời gian.

Nồng độ sinh khối tại một thời điểm lên men:

+ X o : nồng độ sinh khối ban đầu, mg/L

+ X : nồng độ sinh khối tại thời điểm t, mg/L

43 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + t : thời gian, h

Trước khi đạt đến pha log, nồng độ sinh khối bằng với nồng độ giống cấp ban đầu là 0.1 g/L Trong suốt pha cân bằng, nồng độ sinh khối đạt mức tối đa là 66 g/L, tương ứng với nồng sinh khối lớn nhất ở pha log.

=> Có thể tính được nồng độ sinh khối tại từng thời điểm trong pha log:

+ X o : nồng độ sinh khối ở thời điểm bắt đầu pha log, mg/L

+ : tốc độ sinh trưởng riêng, = 0.28 h -1

+ t log : thời gian, h (với thời gian bắt đầu pha log, t log = 0)

4.1.4.2 Nhu cầu oxy của chủng

Oxygen Uptake Rate (OUR)= Specific O 2 uptake rate ( ∗ℎ )*Biomass (g)

Với t lag = 0h, t log = 13h , t stationary = 21h, (From zero to hero—Design-based systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for L-lysine production - https://sci-hub.se/10.1016/j.ymben.2011.01.003)

2 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Hình 9 Nhu cầu oxy của chủng C glutamicum bacterium lên men L- lysine 4.1.4.3 Tính hệ số K L a

Trong pha lag, vi sinh vật tiêu thụ ít oxy, trong khi ở pha log, lượng oxy tiêu thụ tăng dần Khi đạt đến pha cân bằng, lượng oxy tiêu thụ giữ ổn định Tại thời điểm sinh khối đạt tối đa 66 g/L, lượng oxy tiêu thụ đạt cực đại là 8448 mg/Lh.

Giả sử lượng oxygen cấp dưỡng bằng với lượng Oxygen tiêu thụ, ta có:

OUR (Oxygen uptake rate)= OTR (Oxygen transfer rate)= K L a*( ∗ - )

+ a : bề mặt riêng của khí/lỏng trên đơn vị thể tích lỏng, m -1

+ ∗ : nồng độ oxy hoà tan bão hoà, mg/L

+ C L : nồng độ oxy hoà tan trong dịch lên men, mg/L

+ Nồng độ oxygen bão hoà trong dịch lên men có nồng độ muối thấp, ở áp suất khí quyển 1 atm, 25 o C: ∗ = 6.8 mg O 2 /L

+ Nồng độ oxygen hoà tan trong dịch phụ thuộc vào áp suất Áp suất riêng phần của hơi nước ở 25 o C được tính theo công thức Antoine:

Log 10 (Partial pressure water vapor)= 5.4- 1839 = 5.4- 1839

Áp suất riêng phần của hơi nước trong thiết bị lên men được xác định là 22.5 mmHg Giả sử áp suất tuyệt đối trong thiết bị lớn hơn áp suất khí quyển 5 psi, điều này cho thấy sự cần thiết phải kiểm soát áp suất để đảm bảo hiệu quả trong quá trình lên men.

Pabs= Pgage+Patm= 5 psi * 51.7 + 760 mmHg= 1018 mmHg= 1.3 atm

Nồng độ oxy hoà tan bão hoà thực tế trong thiết bị:

+ P b : áp suất tuyệt đối trong thiết bị, mmHg, P b = 1018 mmHg

+ P v : áp suất riêng phần của hơi nước, mmHg, P v = 22.5 mmHg

+ P atm : áp suất khí quyển, mmHg, P atm = 760 mmHg

+ ∗ : nồng độ oxygen hoà tan bão hoà ở áp suất khí quyển, 25 o C, ∗ = 6.8 mg O 2 /L

Quá trình lên men hiếu khí với chủng C.Glutamicum thường được thực hiện với nồng độ oxy hoà tan trong dịch lên men trên 20%, nên:

Giá trị của K L a lớn nhất khi OUR lớn nhất, khi nồng độ sinh khối đạt lớn nhất:

Chọn hệ số Reynold: Re i = ∗ ∗ 2 %000 (Chảy xoáy)

+ : khối lượng riêng của môi trường lên men, kg/m 3

+ N i : tốc độ cánh khuấy, rpm

46 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + D i : đường kính cánh khuấy, m

+ : độ nhớt của môi trường lên men, kg/ms

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm dòng chảy trong thiết bị Theo các nghiên cứu, độ nhớt của môi trường thông dụng được xác định là 0.05 kg/ms Do đó, chúng ta chọn độ nhớt này và sử dụng cánh khuấy Rushton turbine để tối ưu hóa quá trình khuấy trộn.

Ta có đường kính cánh khuấy D i = d= 1.34 m, khối lượng riêng của môi trường = 1268.53 kg/m 3

4.1.4.5 Tính toán số điện power number P n và điện năng tiêu thụ P u , P g

Hình 10 Quan hệ giữa Power number và Reynold

Chọn cánh khuấy Rushton turbine có 6 cánh, dựa vào R e và tỉ lệ

> Điện năng tiêu thụ với thiết bị khi không sục khí P u :

47 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Thiết bị có 5 tầng cánh khuấy:

=> P u = 5*4.56= 22.8 kW Điện năng tiêu thụ của thiết bị khi có sục khí P g :

Hình 11 Quan hệ giữa Na và tỉ lệ Pg/Pu

Từ lưu lượng khí Fa= 0.1 vvm => Q a = 0.1167 m 3 /s

+ V R : thể tích thùng phản ứng, m 3

48 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

+ k: hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào chất lỏng và thùng phản ứng, k= 0.6

+ P g : điện năng tiêu thụ với thiết bị có sục khí, kW

+ V R : thể tích thùng phản ứng, m 3

+ v s : vận tốc khí, m/s,= Q a /A, A- tiết diện thùng phản ứng, m 2 , Q a - lưu lượng khí, m 3 /s

Lỗ sục khí có hình tròn, đường kính 0.05 m, diện tích lỗ sục khí:

Lưu lượng khí trong lỗ:

+ Q o : Lưu lượng khí trong lỗ

+ S: Tiết diện lỗ sục khí

Số lỗ sục khí thiết bị: n= 0 = 0.1∗10 4.88 3 = 20.5 lỗ

49 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

=> Số lỗ sục khí trên 1 thiết bị lên men: n= 21 lỗ

Bảng 9 Các thông số của thiết bị lên men chính

Thông số Đơn vị Giá trị Đường kính trong D t m 3.4 Đường kính ngoài m 3.42

Chiều cao chân thiết bị m 2

Chiều cao thiết bị H TB m 13.9

Chiều dày thiết bị m 0.01 Đường kính cánh khuấy d m 1.34

Số tầng cánh khuấy N tầng 5

Khoảng cách giữa các tầng cánh khuấy B=d m 1.34

Vị trí cánh khuấy đáy so với đáy A= 0.5d m 0.67

50 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

Số thanh chắn thanh chắn 4

Khoảng cách giữa thanh chắn và thành thiết bị c m 0.068

Lựa chọn các thiết bị khác

- Dự kiến dự trữ rỉ đường để đảm bảo sản xuất trong 3 tháng, nên tổng lượng rỉ đường cần trong 3 tháng là:

Bảng 10 Các thiết bị phụ

STT Tên thiết bị Lượng cần Chu kì Hệ số Thể tích Số làm việc/ sử thiết lượng

Năng suất dụng bị/Loại thiết bị thiết bị

1 Silo chứa rỉ 966.494 m 3 3 tháng 0.9 200 m 3 6 đường

2 Thiết bị pha 61886.09 L 5 h/mẻ 0.8 30 m 3 3 loãng và xử lý rỉ đường

3 Thiết bị ly tâm * 61267.23 L 3200 L/h - Dạng ống 2

4 Thiết bị tiệt 60654.56 L 40 tấn/h - Dạng tấm 1 trùng ** bản

5 Thùng chứa 55.84 kg - 0.9 50 L 1 dung dịch

= 90.2 m 3 phút dưỡng khác Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335

7 Thiết bị nhân 10.5 m 3 8-9h 0.7 15 m 3 1 giống cấp II

8 Thiết bị nhân 0.525 m 3 8-9 h 0.7 1 m 3 1 giống cấp I

10 Thùng chứa 1050 L - 0.9 1.5 m 3 1 chất phá bọt

* Thiết bị ly tâm dạng ống

- Vật liệu: thép không gỉ

- Tốc độ vòng tối đa: 14000 vòng/phút

* Thông số kỹ thuật thiết bị tiệt trùng dạng tấm bản ALFALAVAL:

- Vật liệu: thép không gỉ, titanium

- Năng suất lớn nhất: 16 kg/s (57.6 tấn/h)

52 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335