Đang tải... (xem toàn văn)
1 Quy trình công nghệ 1 1 Hoạt hóa giống Bacillus subtilis được bảo quản trong glycerol 20% ở 80℃ Để đưa giống vào lên men cần hoạt hóa giống để trở lại hoạt tính ban đầu Môi trường hoạt hóa giống là.
1 Quy trình cơng nghệ 1.1 Hoạt hóa giống - Bacillus subtilis bảo quản glycerol 20% -80℃ Để đưa giống Để đưa giống vào lên men cần hoạt hóa giống để trở lại hoạt tính ban đầu - Mơi trường hoạt hóa giống NB: mơi trường phù hợp cho phát triển Bacillus subtilus - Nuôi 37℃ Để đưa giống 24h với tốc độ lắc 150 rpm 1.2 Nhân giống -Giống sau hoạt hóa cho vào thiết bị nhân giống cấp 1; môi trường giống với môi trường lên men, tỉ lệ cấp 5% để quen dần với mơi trường lên men giảm thời gian thích nghi thiết bị lên men - Thời gian nhân giống: 16h 37℃ Để đưa giống với tốc độ lắc 250 rpm - Sau cấp canh trường bơm vào thiết bị bơm vô trùng 1.3 Nguyên liệu Glucose Non-oil soybean Amonium citrate Molasses Pepton from meat MnCl2 10 g/l 19.75 g/l 1.7 g/l 7.2 g/l 11.13 g/l 16.58 mM (1ml/ l) K2HPO4 CaCl2 NaCl FeSO4.7H2O MgSO4.7H2O 4.58 0.01 4.04 1µM ( 1ml/l) 0.38 -Đây môi trường tổng hợp sử dụng phụ phẩm trình sản suất đường: rỉ đường_ sản phẩm cịn lại sau kết tinh đường có chứa hàm lượng đường saccharose tương đối cao - Ngồi ra, có nguồn N, số muối cung cấp ion kim loại để kích thích q trình hình thành bào tử 1.4 Xử lý rỉ đường - Rỉ đường: đường lên men lượng lớn đường lên men sucrose, raffinose… cần phải thủy phân rỉ đường để đưa hết dạng đường lên men, vi sinh vật dễ dàng sử dụng đường để lên men, làm giảm thời gian lên men - Ngồi rỉ đường thơ cịn có thành phần khác ức chế phát triển vi sinh vật: ion kim loại - Quy trình xử lý: Pha loãng với nước Thủy phân H2SO4 96%, gia nhiệt 80oC Khuấy liên tục vòng 1h Để lắng thu dịch Trung hòa KOH 5mol/L đến pH= Pha dịch với nồng độ thích hợp - Sau thủy phân : Sucrose tạo thành: glucose, fructose Raffinose : glucose, fructose, galactose 1.5 Thanh trùng - Mục đích: loại bỏ vi sinh vật dịch lên men - Phương pháp: trùng theo mẻ thiết bị lên men + Nâng nhiệt đến 110℃ Để đưa giống trì 30 phút + Hạ nhiệt độ 37℃ Để đưa giống cho trình lên men 1.6 Lên men 1.6.1 Pha batch - Thời gian: 4h - Nồng độ oxi hòa tan pO2 = 50% - Tốc độ sục khí: 1-2 vvm - Tốc độ khuấy: 400 rpm - Nhiệt độ: 37℃ Để đưa giống 1.6.2 Pha fed-batch - Dịch feed rỉ đường cô đặc lại lần so với rỉ đường môi trường lên men với tốc độ cấp F= 87 mL/h không đổi từ 4h đến 12h + Mục đích: điều chỉnh pH mơi trường suốt trình cấp pH=7 + Kéo dài pha log thêm 4h tốc độ cấp không đổi, tốc độ sinh trưởng giảm, dinh dưỡng thiếu kích thích q trình tạo bào tử - Pha log lên men fed-bacth dài 9h hình thành bào tử tăng vọt từ thứ 12 1.6.3 Pha tạo bào tử - Sau 8h lên men fed-batch, CaCl2 FeSO4.7H2O thêm vào để kích thích q trình tạo bào tử - Thời gian tạo bào tử từ thứ 12 đến thứ 32 - Tổng thời gian lên men: 32h 1.7 Ly tâm - Mục đích: tách pha rắn lỏng để thu sinh khối - Phương pháp: + Dịch sau lên men bơm thiết bị ly tâm liên tục + Ly tâm với tốc độ: 12000 rpm 1.8 Phối trộn - Mục đích: tăng hàm lượng chất khô, tạo dạng bột cho sản phẩm sau sấy phun + Chất mang trì mật độ vi sinh vật - Phần sinh khối sau ly tâm phối trộn với chất mang 60 L/mẻ nước - Sử dụng máy trộn có cánh khuấy để tạo dạng huyền phù Thành phần Dextrose Lactose Tinh bột tan % (g/g) 50 30 17.5 1.9 Sấy phun - Mục đích: loại bỏ nước, dễ dàng bảo quản vận chuyển - Nhiệt độ đầu vào: - Độ ẩm sản phẩm sau sấy phun: 3-5% 1.10 Đóng gói Sản phẩm sau sấy phun đóng gói để bảo quản vận chuyển đến nơi u cầu Tính tốn cân sản phẩm Chọn suất 100 kg/mẻ chế phẩm probiotic Nhà máy làm việc liên tục 300 ngày, ngày cịn lại để tu sửa, bảo trì, nghỉ lễ… Chọn chu kì sản xuất có thiết bị Tổng thời gian để hoàn thành mẻ chế phẩm probiotic: 45 h Chuẩn bị nguyên liệu, ly tâm, trộn chất mang, sấy: 12h Lên men: 32h Năng suất nhà máy:48 tấn/năm Chế phẩm có chứa 10 10 bào tử/g Tổng bào tử mẻ: 10 15 2.1 Q trình đóng gói Tổn hao không đáng kể nên lấy 0% 2.2 Quá trình sấy - Tổn hao: 4% - Tổng số bào tử trước vào thiết bị sấy: 1015 = 1.04×1015 bào tử 1-0.04 2.3 Quá trình ly tâm - Tổn hao: 4% - Tổng số bào tử trước vào thiết bị ly tâm: 1.04× 1015 = 1.08×1015 bào tử 1-0.04 - Hiệu suất tạo bào tử: 90% Nồng độ tế bào dịch lên men: 1.08× 1015 = 1.2x1015 0.9 2.4 Lên men - Sau lên men thu 4.46×109 bào tử/ml 1.2 ×1015 - Thể tích dịch sau lên men: V = ≈ 270000 ml ≈ 270 L 4.46× 109 - Bắt đầu từ thứ cấp chất rỉ đường với tốc độ cấp khơng đổi 8h: F = 87ml/h Thể tích dịch cấp chất : 87× = 696 ml = 0.696 L - Thể tích dịch cấp để kích thích tạo bào tử Cấp sau 8h lên men, lúc chất cấp 4h Thể tích dịch lên men đó: 270 - 87×4× 0.001 = 269.7 L CaCl2 0.5 g/l : m= 269.7× 0.5 = 134.85 g Tỷ trọng CaCl2 : 2.15 g/cm3 Thể tích CaCl2 : 0.063 L FeSO4.7H2O 1ml/L tích cấp: 269.7×1 = 269.7 mL = 0.27 L Thể tích dịch lên men ban đầu Vo = 270-0.696-0.27-0.063 ≈ 269 L 2.5 Trộn chất mang - Sau lên men khối lượng sinh khối khô thu 45 g/L 270L dịch sau lên men thu khối lượng sinh khối là: m= 45×270 = 12150g = 12.15 kg - Sau ly tâm tổn hao 5% Sinh khối trước ly tâm: m1= 12.15×0.95 = 11.5 kg - Sau sấy phun hao tổn 3% Năng suất sản phẩm trước sấy phun: 100 = 103 kg 0.97 - Hao tổn trộn chất mang 1% Khối lượng chế phẩm trước trộn: m2= 103 = 104 kg 0.99 - Khối lượng chất mang là: 104˗ 11.5 = 92.5 kg 2.6 Nhân giống - Nhân giống cấp Tỉ lệ nhân giống 5% Thể tích dịch lên men cho nhân giống cấp 2: V2 = V0×5%= 269×5%= 13.45 L - Nhân giống cấp Tỉ lệ cấp giống 5% Thể tích dịch lên men cho nhân giống cấp 1: V1=V2×5% = 13.45×5% = 0.7L - Hoạt hóa chủng Tỉ lệ cấp giống 5% Thể tích dịch để hoạt hóa giống: V = V1×5% = 0.7×5% = 0.035 L - Thể tích mơi trường NB để hoạt hóa giống 0.035 L Bảng : Môi trường NB Thành phần pepton Meat extract NaCl Nồng độ (g/L) 5 Khối lượng (g) 0.175 0.105 0.175 - Tổng thể tích dịch môi trường lên men cho nhân giống cấp 1;2 thiết bị lên men: V1+ V2+ V0 = 0.7+13.45+269 ≈ 283.2 L Bảng: Môi trường lên men Thành phần Glucose Non-oil soybean Amonium citrate Molasses Pepton from meat K2PO4 CaCl2 NaCl MgSO4.7H2O MnCl2 FeSO4.7H2O Nước Tổng khối lượng dịch lên men Thể tích dịch lên men Khối lượng riêng dịch Nồng độ 10 g/L 19.75 g/L 1.7 g/L 7.2 g/L 11.13 g/L 4.58 g/L 0.01 g/L 4.04 g/L 0.38 g/L mL/L mL/L Khối lượng/ thể tích 2832 g 5593.2 g 481.4 g 2039 g 3152 g 1297 g 2.83 g 1144.2 g 107.6 g 283.2 mL 283.2 mL 269 kg 286.2 kg 269 L 1064 kg/m3 - Mơi trường cấp để kích thích tạo bào tử: cấp theo thể tích dịch thời điểm cấp Thể tích dịch lên men lúc 8h 269.7 L Bảng: môi trường tạo bào tử Thành phân CaCl2 FeSO4.7H2O Nồng độ 0.5 g/L mL/L Khối lượng/ thể tích 134.85 g 269.7 mL - Khối lượng chất mang: 92.5 kg Bảng : Thành phần chất mang Thành phần % (g/g) Khối lượng (kg) Dextrose Lactose Tinh bột tan 50 30 20 46.25 27.75 18.5 Bảng: Cân vật liệu STT 10 11 12 13 14 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Nguyên liệu Glucose(kg) Non-oil soybean (kg) Amonium citrate (kg) Rỉ đường 7.2 g/l (kg) Pepton từ thịt (kg) K2HPO4 (kg) CaCl2 0.01 g/l (g) NaCl (kg) MgSO4.7H2O MnCl2 (L) FeSO4.7H2O (L) Dextrose (kg) Lactose (kg) Tinh bột tan (kg) CaCl2 0.5 g/l (kg) FeSO4.7H2O 1ml/l (L) Rỉ đường 36 g/l (kg) Mơi trường hoạt hóa (L) Mơi trường nhân giống cấp (L) Môi trường nhân giống cấp (L) Mơi trường lên men (L) Tổng thể tích dịch lên men (L) Khối lượng tế bào trước phối trộn (kg) 100 kg/mẻ 2.84 5.6 0.49 2.04 3.15 1.3 2.83 1.15 0.11 0.29 0.29 46.25 27.75 18.5 0.14 0.27 0.696 0.035 300 kg/cky 8.52 16.8 1.47 6.12 9.45 3.9 8.5 3.45 0.33 0.87 0.87 138.75 83.25 55.5 0.42 0.81 2.1 0.105 48 tấn/năm 1363.2 2688 235.2 979.2 1512 624 1360 552 52.8 139.2 139.2 22200 13320 8880 67.2 129.6 336 16.8 0.7 2.1 336 13.45 40.35 6456 269 270 807 810 129120 129600 11.5 34.5 5520 30 Nước bổ sung trước phối trộn (L) Peptone (g) NaCl 5g/l (g) Meat extract (g) 31 32 33 60 180 28800 0.175 0.175 0.105 0.525 0.525 0.315 84 84 50.4 Lựa chọn thiết bị Hoạt hóa nhân giống cấp thực phịng thí nghiệm 3.1 Thiết bị lên men 3.1.1 Kích thước thiết bị lên men Thể tích dịch lên men ban đầu V0= 269 L Chọn hệ số chứa đầy α= 0.75 Thể tích làm việc thiết bị V2’= 269 = 259 L 0.75 Chọn thể tích thiết bị: 300 L Chọn H0 =2 Dt Chiều cao chất lỏng thiết bị lên men π H0 = Hα˗ K’D(1˗α); H0= 2Dt π [H0 + K’H0(1˗α)] α π π K = α [2 + K’2(1˗α)] = 0.75 [2 + ×0.071×2(1˗0.75)]= 2.7 H= Trong K’= 0.071 đáy elip - Đường kính thiết bị lên men √ √ V Dt = π ×K+ K' 0.3 Dt = π ×2.7+0.071 = 0.52 m Theo bảng XIII.6 chọn Dt= 0.6 m -Ta có H= K×Dt = 2.7× 0.6 = 1.62 m Chọn chiều cao thiết bị H = 1.7 m - Chiều cao nắp thiết bị: Hn = 0.25Dt = 0.25×0.6 = 0.15 m - Chiều cao cột chất lỏng: H0= 2Dt = 2×0.6 = 1.2 m Bảng: Thiết bị nhân giống cấp Dung tích toàn phần Chiều cao phần trụ Chiều cao nắp Đường kính 300L 1.7 m 0.15 m 0.6 m 3.1.2 Áp suất thiết bị lên men Tại trạng thái tĩnh thiết bị phải chịu áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng gây áp suất khí quyển: Áp suất khí quyển: Pkq = at = 98066.5 N/m2 Áp suất thủy tĩnh: Pt= gρHH0 = 9.18×1064×1.2 = 11722.7 N/m2 Áp suất làm việc thiết bị P1 = Pt+Pkq = 11722.7+98066.5= 109789.5 N/ m2 Coi thay đổi nhiệt độ áp suất tuyến tính trùng Ta có cơng thức: P1 V P2 V = T1 T2 P1; V1; T1: áp suất, thể tích, nhiệt độ trước trùng P2; V2; T2: áp suất, thể tích, nhiệt độ sau trùng Coi thể tích khơng đổi; T1= 25℃ Để đưa giống ; T2= 110℃ Để đưa giống ; P1= 109789.5 N/m2 P2= 109789.5×383 = 141105.3 N/m2 298 Áp suất phải chịu thiết bị lên men: P3= P1+P2 = 109789.5+141105.3 = 250894.8 N/m2 3.1.3 Độ dày thiết bị lên men Chọn vật liệu làm thiết bị thép không gỉ X18H10T Tra bảng XII.4 [2,309], thép không gỉ X18H10T: Giới hạn bền kéo σk = 550.106 (N/m2) Giới hạn bền chảy σch = 220.106 (N/m2) Ứng suất cho phép thép X18H10T theo giới hạn kéo là: [σk] = σ k ŋ 550× 106 ×1 = = 157×106 N/m2 nk 3.5 Ứng suất cho phép thép X18H10T theo giới hạn chảy là: σch ŋ 220× 106 ×1 [σch] = = = 110×106 N/m2 n ch Với: + nk= 3.5, nch= 2.0: hệ số an toàn theo giới hạn kéo giới hạn chảy thép X18H10T + ŋ: hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII.2 [2,356] Theo nhóm thiết bị chọn ta có ŋ=1,0 Vậy ứng xuất cho phép thiết bị: [σ] = min{[σk]; [σch]} = 110×106 N/m2 Chiều dày thân thiết bị lên men: S= Dt P 0.6×250894.8 +c = +8×10-3 = 8.72×103 m= 8.72 mm 2[σ]φ-P 2×110× 106 ×0.95 Theo bảng quy chuẩn XIII.9[364] chọn S= 10 mm P: áp suất mà thiết bị phải chịu φ= 0.95: hệ số bền thành thiết bị theo phương dọc c= c1+c2+c3 = 2+0+6 = mm , 363 c1: bổ sung ăn mòn thiết bị c2: bổ sung hao mòn c3: dung sai theo chiều dày thiết bị, phụ thuộc vào chiều dày Xét: [ σch ] φ = 110× 106 ×0.95 = 416.5 > 50, bỏ qua P mẫu P 250894.8 Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử P0 + P0= Pth+Pl , N/m2 Pth: áp suất thử thủy lực Pl: áp suất thủy tĩnh nước + Pl= gρHlHl Tại 25℃ Để đưa giống tra bảng I.5[1,11], khối lượng riêng nước ρHl= 997.08 kg/m3 Hl = H˗Hn = 1.7˗0.15 = 1.55 m Pl = 9.8×997.08×1.55 = 15145.6 N/m2 Tra bảng XIII.5[358], ta có áp suất thử thủy lực : Pth= 1.5Pl = 1.5×15145.6 = 22718.4 N/m2 P0 = 22718.4+15145.6 = 37864 N/m2 Ta có: σ = [ Dt +S-C ] P = ( 0.6+0.01-0.008 ) ×37864 = 6×106< σch = 183×106 2(0.01-0.008)φ×0.95 2(S-C)φφ Thỏa mãn điều kiện Vậy S= 10 mm 3.1.4 Đáy nắp thiết bị Tra công thức XIII.47[2,385], chiều dày đáy 1.2 Sđ = = Dt P D × t +c 3.8 [ σk ] kφ-P h b 0.6×250894.8 0.6 × +0.008 3.8×157×10 ×1×0.95-250894.8 2×0.15 = 8.53×10-3 m Theo bảng quy chuẩn XIII.9[364] chọn Sđ= 10 mm Trong đó: hb: chiều cao phần lồi đáy k= 1: hệ số không thứ nguyên 3.1.5 Cánh khuấy tốc độ khuấy Chọn cánh khuấy tuabin hở với tốc độ khuấy 180-630 rpm [1,IV.8,625] Tra bảng IV.I, [618], ta có: H/d = 3; Dt/d = 3; s/d = 1/3 Trong đó: d: đường kính cánh khuấy s: khoảng cách từ cánh khuấy tới đáy d= D t 0.6 = = 0.2 m 3 Quy chuẩn theo bảng IV.8 [625], có đường kính cánh khuấy 0.3m s = 0.3/3= 0.1 m d 0.3 = = 0.075m = 75 mm 4 d 0.3 - Chiều rộng cánh khuấy: r = = = 0.06 m = 60 mm 5 - Chiều dài cánh khuấy: L = - Khoảng cách tầng cánh khuấy: l =1.5d = 1.5×0.3 = 0.45 m Dựa vào chiều cao thiết bị khoảng cách tần cánh khuấy, chọn số tầng cánh khuấy N= 3.1.6 Các hệ thống khác - Hệ thống sục khí (sparger): đặt đáy thiết bị để tăng thời gian lưu khí + Chọn hệ thống self-cleaning microsparger LAMBDA + Sparger làm silicon, vật liệu tránh đóng cặn khống loop sparger Hình : self-cleaning microsparger - Hệ thống phá bọt: dạng cánh quạt (propeller) lắp trục cánh khuấy - Hệ thống ngưng tụ: dòng nước lạnh qua, gặp nóng bị ngưng tụ, khí khơ - Đồng hồ đo áp suất van an tồn - Cảm biến pH, nhiệt độ, pO2 Hình : cảm biến nhiệt độ Cảm biến pO2 Cảm biến pH - Lớp vỏ bọc bên thiết bị lên men, chứa nước lạnh để trao đổi nhiệt với thành thiết bị 3.2 Thiết bị nhân giống cấp Thể tích dịch lên men cấp V2= 13.45 L Chọn hệ số chứa đầy α= 0.75 Thể tích làm việc thiết bị V2’= 13.45 = 18 L 0.75 Chọn thể tích thiết bị: 20 L Thơng số: H0 : chiều cao chất lỏng thiết bị H : chiều cao thiết bị Dt : đường kính thiết bị Dn : đường kính ngồi thiết bị Thiết bị lên men có cánh khuấy có tỉ lệ Chọn H0 nằm khoảng 1:1- 3:1 Dt H0 =1 Dt - Chiều cao chất lỏng thiết bị: π H0 = Hα˗ K’D(1˗α); H0= Dt π [H0 + K’H0(1˗α)] α π π K = [1 + K’(1˗α)] = [1 + ×0.071(1˗0.75)]= 1.4 α 0.075 H= - Đường kính thiết bị lên men √ V Dt = π ×K+ K ' ; V: thể tích làm việc thiết bị lên men K= H0 : hệ số phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị Dt K’= 0.071 √ 0.02 Dt = π ×1.4+0.071 = 0.26 m Theo bảng XIII.6 chọn Dt= 0.4 m = H0 -Ta có H= K×Dt = 1.4× 0.4 = 0.56 m Chọn chiều cao thiết bị H= 0.6 m - Chiều cao nắp thiết bị: Hn = 0.25Dt = 0.25×0.4 = 0.1 m Bảng: Thiết bị nhân giống cấp Dung tích tồn phần 20 L Chiều cao phần trụ 0.6 m Chiều cao đáy 0.1 m Đường kính 0.4 m - Dựa vào chiều cao thiết bị, cột chất lỏng đường kính cánh khuấy, chọn số tầng cánh khuấy N= Các cảm biến hệ thống phụ tương tự thiết bị lên men 3.3 Thiết bị ly tâm Thể tích dịch sau lên men 270 L/mẻ Chọn thời gian ly tâm 2h, hệ số an toàn: 0.5 Năng suất máy là: 270 = 270 L/h 2×0.5 Chọn máy ly tâm liên tục dạng đĩa có thơng số sau: Model: DHC603 Disc Centrifuge Nơi sản xuất: Trung Quốc Năng suất: 200-500 L/h Kích thước (L×W×H): 920×790×950 mm Cơng suất: kW Tốc độ: 12000 rpm 3.4 Thiết bị trộn chất mang Khối lượng sinh khối trước trộn 11.5 kg, tỉ trọng sinh khối 1.02 g/cm3 Thể tích tổng sinh khối: 11.5 = 11.3 L 1.02 Lấy trung bình tỷ trọng chất mang 1.55 g/cm3 Thể tích chất mang: 92.5 = 60 L 1.55 Trộn thêm 130 L nước ( thể tích chất rắn chiếm 20% dung dịch) Tổng thể tích chế phẩm trước sấy là: 130+11.3+60 = 201.3 L Chọn thiết bị đảo trộn có thơng số sau: Nguồn gốc: Trung Quốc Thể tích làm việc lớn nhất: 50- 10000 L Kích thước (L×W×H): 600×600×1500 mm 3.5 Thiết bị sấy phun Lượng ẩm tối thiểu cần bốc 130 L/mẻ ≈ 130 kg/mẻ Chọn thời gian sấy 3h, hệ số an tồn 0.8 Cơng suất bốc nước: 13 0×3 = 162.5 kg/3 mẻ 3×0.8 Chọn thiết bị sấy phun có thơng số sau: Model: LPG-200 Nơi sản suất: Trung Quốc Năng suất bốc nước: 100 kg/h Kích thước (L×W): 7.5×6 m 3.6 Thiết bị xử lý rỉ đường + Chọn lần xử lý 10L rỉ đường thô + Pha loãng với 30L nước + Trộn 35 mL H2SO4 96% Chọn thể tích thùng chứa cần thiết 50 L ( D:H= 0.8:0.9 m) - Vì H2SO4 có tính oxi hóa dễ ăn mịn vật liệu nên chọn thùng chứa vật liệu composit (thành phần: nhựa sợi thủy tinh) - Chọn máy khuấy trộn hỗn hợp rỉ đường với thông số: Model: PF28-0400-25S3 Tốc độ: 58 rpm Công suất: 0.4 kW/3fa Chiều dài cánh khuấy: 0.9-1.2 m Đường kính cánh khuấy: 0.4 m Số cánh khuấy/số tầng cánh khuấy: 2/2 TÀI LIỆU THAM KHẢO (1) Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, Tập (2) Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, Tập (3) Thiết bị chuyền nhiệt chuyển khối ...1.1 Hoạt hóa giống - Bacillus subtilis bảo quản glycerol 20% -80℃ Để đưa giống Để đưa giống vào lên men cần hoạt hóa... để trở lại hoạt tính ban đầu - Mơi trường hoạt hóa giống NB: mơi trường phù hợp cho phát triển Bacillus subtilus - Nuôi 37℃ Để đưa giống 24h với tốc độ lắc 150 rpm 1.2 Nhân giống -Giống sau hoạt