Bài giảng kỹ thuật các quá trình sinh học (ts phạm minh tuấn)

KỸ THUẬT CÁC QUÁ
TRÌNH SINH HỌC
TS.PHẠM MINH TUẤN

1


GIỚI THIỆU
NỘI DUNG
üCân bằng vật chất năng lượng
üPhản ứng trong hệ đồng nhất
üKỹ thuật bể phản ứng
üCác quá trình thu hồi & tinh sạch
üCác bài toán tổng hợp

2


PHỤ LỤC
ĐÁNH GIÁ
Tiểu luận, bài tập: 20%
Giữa kỳ: 30%
Cuối kỳ: 50%
Tự luận, đề mở, thời gian (?)
(?) câu: (?) câu hỏi, (?) bài tập

3


TÀI LiỆU THAM KHẢO
1. Najafpour, G.D. 2007. Biochemical engineering and biotechnology.

Elsevier.
2. Doran, P.M. 1995. Bioprocess engineering principles. Elsevier
science.
3. Stanbury, P.F., Whitaker, A., Hall, S.J. 2003. Principles of
Fermentation Technology, 2nd ed. Butterworth Heinemann.
4. Grandison, A.S., Lewis, M.J. 1996. Separation processes in the food
and biotechnology industries. Woodhead Publishing Ltd, Cambridge.
5. van’t Riet, K., Tramper, J. 1991. Basic Bioreactor Design. Marcel
Dekker Inc., New York.
6. Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành. 2006. Công nghệ sinh học T5:
Công nghệ vi sinh và môi trường. NXB Giáo dục, Hà Nội
7. Các tài liệu về quá trình thiết bị

4


GIỚI THIỆU

5


GIỚI THIỆU

6


CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất
Khối lượng tích
lũy bởi hệ

thống

+

Khối lượng đi
vào hệ thống

-

Khối lượng đi
ra hệ thống

Khối lượng tạo
ra bởi hệ thống

-

Khối lượng mất
đi bởi hệ thống

7


CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG
Dung dịch
glycine bão
hòa

Kết tinh

Tinh thể
glycine

Ly tâm

Ethanol bổ
sung thêm

Chưng cất

Dịch bã bỏ

8


CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất
Phương trình phản ứng tăng trưởng

Cơ chất

Sinh khối

Nguồn C

Sản phẩm

Nguồn N

H2O

Chất nhận e

CO2, NO3-,…
9


CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất

Phương trình phản ứng tăng trưởng

10


CÂN BẰNG VẬT CHẤT & NĂNG LƯỢNG
Cân bằng năng lượng
Năng lượng
tích lũy bởi hệ
thống

+

Năng lượng đi
vào hệ thống

-

Năng lượng đi
ra hệ thống

Năng lượng
tạo ra bởi hệ
thống

-

Năng lượng
mất đi bởi hệ
thống

11


PHẢN ỨNG TRONG HỆ ĐỒNG NHẤT
Động học phản ứng
Tốc độ phản ứng
A + B

à

C

+

D

 dM A
RA 
dt

 dM B
RB 
dt

dM C
RC 
dt

dM D
RD 
dt
12


PHẢN ỨNG TRONG HỆ ĐỒNG NHẤT
Động học phản ứng
Tốc độ phản ứng
Tốc độ phản ứng theo thể tích (volumetric rate)

R A  dM A
dC A


rA 
V
V.dt
dt
Tốc độ phản ứng riêng (specific rate)

1  dC A
1
q A   hay 
E  dt
X
X: nồng độ sinh khối (g/l), E: nồng độ enzyme (thể
hiện qua hoạt lực, IU/l)

13


PHẢN ỨNG TRONG HỆ ĐỒNG NHẤT
Động học Michaelis-Menten
v max .S
v
KM  S
S >> KM: v = vmax
S << KM:

v max
v
.S
KM

S = KM: v = vmax/2
14


PHẢN ỨNG TRONG HỆ ĐỒNG NHẤT
Động học Monod

Động học Monod: quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng riêng
và nồng độ cơ chất

S
μ  μ max 
KS  S

S: nồng độ cơ chất
KS: hằng số monod (bằng
với nồng độ cơ chất tại đó
tốn độ tăng trưởng riêng
bằng ½ tốc độ tăng trưởng
riêng cực đại
μmax: tốc độ tăng trưởng
riêng cực đại

15


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Bể phản ứng sinh học

Stirred-tank bioreactor

16


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Bể phản ứng sinh học
Air-lift bioreactor

Bubble column bioreactor
Gas exhaust

Air supply
Sparger
17


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Bể phản ứng sinh học
Sự khác biệt giữa các loại bể phản ứng SH:
ü Mức độ khuấy trộn
ü Truyền khối cung cấp oxy
ü Năng lượng tiêu thụ
ü Giá thiết bị

18


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Quá trình xúc tác sinh học
CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG

Gián đoạn

Liên tục

Liên tục dạng chảy tầng

19


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Quá trình tăng trưởng vi sinh vật
CÁC PHƯƠNG PHÁP NI CẤY

Gián đoạn

Gián đoạn có bổ
sung cơ chất

Liên tục

20


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Quá trình tăng trưởng vi sinh vật
NI CẤY GIÁN ĐOẠN
- Khơng có cơ chất, sinh khối
đi vào hay đi ra khỏi hệ thống
- Thể tích ni cấy không thay
đổi
- Nồng độ cơ chất ban đầu lớn

X

S

μ = μmax
21


KỸ THUẬT BỂ PHẢN ỨNG
Quá trình tăng trưởng vi sinh vật
NI CẤY LIÊN TỤC
F
Xin
Sin
Pin

S

X

P

V

F
X
S
P

-Thể tích ni cấy
khơng thay đổi theo
thời gian
- Sự khuấy trộn lý
tưởng

22


QUÁ TRÌNH THU NHẬN & TINH SẠCH

23


Q TRÌNH THU NHẬN & TINH SẠCH
Chi phí q trình thu nhận tinh sạch SP CNSH

24


QUÁ TRÌNH THU NHẬN & TINH SẠCH

Mức độ tinh khiết

Hiệu suất thu hồi

Mức độ tin cậy & an toàn

Khả thi về mặt kinh tế
25