tính toán, thiết kế bể phản ứng sản xuất protease kiềm từ bacillus licheniformic với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
Khoa Cơng Nghệ Sinh Học Và Kỹ Thuật Mơi trường

Tiểu luận:
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SẢN XUẤT PROTEASE
KIỀM TỪ BACILLUS LICHENIFORMIC VỚI CƠNG SUẤT (NHÀ
MÁY) 200 TẤN/NĂM

GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai
Nhóm thực hiện: 01

Huỳnh Thị Thu Hà

2008140063

Lê Thị Khánh Hồng

2008140097

Nguyễn Hồng Đào

2008140037

Huỳnh Thị Quế Anh 2008140008

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2017


Mục lục
Chương 1
1.1.

TỔNG QUAN ............................................................................... 2

Giới thiệu chung về Bacillus licheniformic ......................................... 2

1.1.1.

Hệ thống phân loại: ....................................................................... 2

1.1.2.

Đặc điểm sinh hóa của Bacillus lichenifomics ............................. 3

1.2.

Giới thiệu về enzyme protease kiềm .................................................... 4

1.2.1.

Giới thiệu protease ........................................................................ 4

1.2.2.

Phân loại protease .......................................................................... 4

1.2.3.

Nguồn gốc ..................................................................................... 4

1.2.4.

Chức năng: .................................................................................... 5

1.3.

Giới thiệu chung về nuôi cấy và thu nhận enzyme từ vi sinh vật ........ 6

1.3.1.

Môi trường nuôi cấy vi sinh vật tổng hợp enzyme ....................... 6

1.3.2.

Nuôi cấy thu nhận chế phẩm enzyme bằng phương pháp ni cấy

chìm:

7

Chương 2

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ........................... 10

2.1.

Nguyên liệu ........................................................................................ 10

2.2.

Quá trình lên men ............................................................................... 10

Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ........................................................... 11

Chương 4

TÍNH TỐN THIẾT BỊ .............................................................. 15

4.1.

Thiết bị lên men ................................................................................. 15

4.2.

Tính thể tích, đường kính và chiều cao thiết bị.................................. 16

4.3.

Thiết kế cánh khuấy ........................................................................... 16

4.4.

Tính tốn kiểm sốt nồng độ Oxy: ..................................................... 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 20
1


Chương 1

1.1.

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về Bacillus licheniformic

1.1.1.

Hệ thống phân loại:

Giới: Bacteria
Ngành: Firmicutes
Lớp: Bacilli
Bộ: Bacillales
Họ: Bacillaceae
Chi: Bacillus
Loài: B. licheniformis
Bacillus licheniformic là vi khuẩn gram dương, hình que, ưa nhiệt. Nhiệt độ
tăng trưởng tối ưu khoảng 30°C, tuy nhiên nó có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn
nhiều. Nhiệt độ tối ưu để sản sinh enzyme là 37 °C. Trong điều kiện môi trường
khắc nghiệt, nghèo dinh dưỡng, đặc biệt trong đất, nó có khả năng tạo bào tử.
Những bào tử này là khá chịu nhiệt, lạnh, bức xạ, và các áp lực môi trường khác.
Dưới những điều kiện tốt, các bào tử nảy mầm trở thành tế bào vi khuẩn. Vì vậy
người ta sử dụng nó để sản xuất các enzym, kháng sinh, và các chất chuyển hóa
nhỏ trong công nghiệp.

2


Vi khuẩn Bacillus licheniformic

1.1.2.

Đặc điểm sinh hóa của Bacillus lichenifomics

- Khả năng sinh enzyme
B.licheniformis có khả năng sinh sản nhiều enzyme, đặc biệt là amylase và
protease-2 loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men tiêu hóa, sản sinh các loại
enzyme coa khả năng thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cellulase biến đổi
chất xơ thành các loại đường dễ tiêu hóa, lecitinase thủy phân các chất béo phức
hợp, enzyme phân giải galatin, enzyme phân giải fibrin.

- Khả năng ổn định hệ vi khuẩn có ích cho đường ruột
B.licheniformis 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 trên đường ruột người và vật ni.
Do đó, B.licheniformis có khả năng cạnh tranh tốt đốivới các vi khuẩn gây hại
khác.

3


Ngồi ra B.licheniformis giúp cải thiện trọng lượng, chuyển hóa thức ăn và
giảm bệnh tiêu chảy, tỉ lệ chết non ở vật nuôi.
Làm chất tẩy rửa sinh học
Bacillus licheniformic được ni cấy để có được protease sử dụng làm chất tẩy
rửa sinh học . Vi khuẩn này thích hợp phát triển trong các điều kiện kiềm, do đó,
protease mà nó tạo ra có thể chịu được mức độ pH cao, các thành phần khác của
chất tẩy tạo độ pH kiềm . Protease có độ pH tối ưu là từ 9 đến 10 và được thêm
vào chất tẩy rửa để loại bỏ dầu mỡ, bụi bẩn, các chất có bản chất protein.
1.2.

Giới thiệu về enzyme protease kiềm

1.2.1.

Giới thiệu protease

Proteases (E.C.3.4.21.14) là những enzyme phá vỡ liên kết peptit giữa các axit
amin của protein. Chúng còn được gọi là enzyme proteolytic. Điều rất quan trọng
trong việc tiêu hóa là các enzyme phân hủy các protein phức tạp thành các axit
amin đơn giản hơn.
1.2.2.

Phân loại protease

Proteases có 6 nhóm, protease serine, protease threonine, Protease cysteine,
protease aspartate, và các kỹ thuật tổng hợp kim. Trong vi khuẩn, enzym protease
được sản xuất chủ yếu là Bacillus licheniformic, B.horikoshii, B.sphaericus, B.
furmis, B. alcalophilus, B. Subtilis
1.2.3.

Nguồn gốc

Protein kiềm được sản xuất bởi một loạt các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn,
nấm mốc và nấm men, actinomycetes vv
Protease từ vi khuẩn đang ngày càng trở nên quan trọng hơn so với các hóa
chất thơng thường để tách peptide bởi vì chi phí sản xuất rẻ hơn và sử dụng các
4

nguồn tái tạo. Protease vi khuẩn có thể được tạo ra từ vi khuẩn, nấm và nấm men.
Vi khuẩn của các chi Bacillusare hoạt động sản xuất các proteaza kiềm ngoại bào.
Hiện tại, một lượng lớn các proteaza kiềm có trong thương mại có nguồn gốc từ
Bacillusstrains.
1.2.4.

Chức năng:

Proteases có nhiều chức năng và có nhiều ứng dụng cơng nghệ sinh học quan
trọng. Đây là một trong ba nhóm enzyme cơng nghiệp lớn nhất và tìm thấy ứng
dụng trong chất tẩy rửa (để loại bỏ các protein khỏi vải bẩn máu, sữa, mồ hôi, cỏ
...).
Trong các proteases công nghiệp tơ tằm đã được sử dụng trong quá trình tẩy
lụa bằng chất tẩy rửa tổng hợp, đưa đến các chất hoạt động bề mặt không ion.
Trong ngành công nghiệp da thuộc (dùng để tẩy da, tẩy dầu mỡ và ngâm tẩm
da thuộc da sạch và xanh) da dehairing bằng enzyme dựa trên da đã được coi là
một phương pháp thay thế thân thiện với mơi trường thơng qua quy trình hóa học
thơng thường.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, để loại bỏ vị đắng khơng mong muốn
trong pho mát chín là một ví dụ về protease trong sản xuất hương vị trong thực
phẩm. Protease cũng được sử dụng để phục hồi các phần protein của động vật và
cá mà nếu không sẽ bị lãng phí sau khi giết mổ. Proteases cũng được sử dụng
trong chế biến da cá cho các ứng dụng công nghiệp.
Trong ngành dược phẩm, nó được sử dụng để ngăn ngừa q nhiều máu đóng
băng và làm giảm đơng máu xu hướng tiểu cầu và hồng cầu. Proteases cũng được
sử dụng trong sản xuất thuốc, trong đó enzym có thể được sử dụng như một chất
hỗ trợ tiêu hóa bởi tuyến tụy. Ngoài ra, trong các loại thuốc sinh học, protease
giúp ngăn ngừa hoặc điều trị các bệnh thoát khỏi tác dụng của thuốc truyền thống,
chẳng hạn như ung thư hoặc các bệnh đa dạng phổ biến khác.
5

Một ứng dụng chính khác là xử lý nước thải, nơi các proteaza kiềm có thể hịa
tan các protein trong chất thải thơng qua một q trình nhiều bước để thu hồi các
chất lỏng cơ đặc có giá trị dinh dưỡng cao cho cá và gia súc.
1.3.

Giới thiệu chung về nuôi cấy và thu nhận enzyme từ vi sinh vật
Môi trường nuôi cấy vi sinh vật tổng hợp enzyme

1.3.1.

Thành phần môi trường dinh dưỡng là một trong những yếu tố quyết
định ảnh hưởng đến hoạt động sống của vi sinh vật cũng như khả năng sinh tổng
hợp enzyme.
Để đảm bảo những yêu cầu tối thiểu cho sụ sinh trưởng của vi sinh vật
và sinh tổng hợp enzyme trong môi trường cần có các chất chứa C, H, O, N và các
chất vô cơ khác như Mn, Ca, P, S, Fe, K và một số chất khác.
Nguồn C là các hợp chất hữu cơ, trước hết là gluxit. Khi sử dụng các đường
làm nguồn C cần chú ý đến một số đường có tác dụng kìm hãm sinh tổng hợp một
số enzyme thủy phân như: đường glucose…, ngồi gluxit cũng có thể dùng có thể
dùng các nguồn C khác như mỡ, dầu, acid hữu cơ, rượu, trong đó acid lactic được
vi sinh vật hấp thụ dẽ dàng hơn cả chúng có trong nước chiết ngơ.
Nguồn N: có thể là hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ có thể là
những nun liệu giàu đạm như cao ngơ, bột đậu tương, khô đậu, khô lạc…
Nguồn các nguyên tố khống và các yếu tố kích thích tăng trưởng.
Muối khống rất cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật. Ion Mg2+ có khả
năng sinh tổng hợp và ổn định các enzyme có hoạt tính ở nhiệt độ cao. Ni cấy
thu nhận enzyme bằng phương pháp bề mặt. Là phương pháp tạo môi trường cho
vi sinh vật phát triển trên bề mặt mơi trường. Có thể là mơi trường lỏng hoặc đặc.

Nuôi cấy thu nhận chế phẩm enzyme bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt:

6


Nuôi cấy bề mặt trên môi trường lỏng: Phương pháp này dùng để ni cấy
nhóm vi sinh vật hiếu khí. Ở đây, VSV sẽ sử dụng chất dinh dưỡng từ dung dịch
mơi trường, O2 từ khơng khí, tiến hành q trình tổng hợp enzyme. Enzyme ngoại
bào sẽ được tách ra từ sinh khối và hịa tan vào dung dịch mơi trường. Enzyme nội
bào sẽ nằm trong sinh khối VSV.
Nuôi cấy sử dụng bề mặt mơi trường bán rắn: Có thể dùng vi sinh vật hiếu khí,
bán hiếu khí hoặc kỵ khí ở phương pháp lên men này. Nguyên liệu thường được
sử dùng là:
• Các loại hạt: thóc, ngơ, nếp, đậu tương…
• Các loại mảnh: mảnh sắn, mảnh bắp…
• Các loại phế liệu hữu cơ: bã mía, trấu, cọng rơm rạ, rác thải sinh hoạt…
Nuôi cấy thu nhận chế phẩm enzyme bằng phương pháp ni cấy

1.3.2.
chìm:

Ni cấy chìm có thể được áp dụng cho tất cả các vi sinh vật, tự hiếu khí đến
kỵ khí. Vi sinh vật được ni cấy trong mơi trường lỏng. Ngun liệu chính và
phổ biến là dịch đường (glucose, fructose, maltose, saccharose...), dịch thủy
phân cellulose,

tinh bột... Nguồn nitơ hữu cơ thường dùng là nước chiết bắp,

chiết malt, dịch tự phân nấm men.
Phương pháp ni cấy chìm có một số ưu điểm nổi trội như:

 Hiện đại, dễ cơ khí hố, tự động hố, năng suất cao, dễ tổ chức sản
xuất.
 Có thể ni cấy dễ dàng các chủng vi sinh vật đột biến có khả năng sinh
tổng hợp enzyme cao và lựa chọn tối ưu thành phần môi trường, các
điều kiện nuôi cấy, enzyme thu được tinh khiết hơn, đảm bảo điều kiện
vệ sinh, vô trùng.
7


Nhược điểm:
 Do thu được canh trường và nồng độ enzyme thấp nên khi tách thu hồi
enzyme sẽ có giá thành cao.
 Phương pháp ni cấy chìm địi hỏi phải được vô trùng tuyệt đối ở các
khâu vệ sinh tổng hợp, thanh trùng môi trường dinh dưỡng, thao tác
nuôi cấy, khơng khí cung cấp cho q trình ni cấy.
 Tốn điện năng cho khuấy trộn, nếu không bảo đảm vô trùng sẽ bị nhiễm
hàng loạt, toàn bộ gây tổn thất lớn.
Có 3 hình thức lên men chìm áp dụng trong nuôi cấy vi sinh vật là: nuôi cấy
gián đoạn , nuôi cấy gián đoạn bổ sung cơ chất và nuôi cấy liên tục.
Lên men gián đoạn (Batch culture): Vi sinh vật được ni cố định trong bình
lên men với một thể tích mơi trường xác định, ngun liệu và dinh dưỡng được
cho vào bể phản ứng ngay từ đâu và không bổ sung thêm nữa, vi sinh vật phát
triển theo giai đoạn và tạo ra các sản phẩm. Kết thúc q trình, người ta tiến hành
các cơng đoạn cần thiết để thu lấy sản phẩm. Phương pháp lên men chu kỳ được
ứng dụng để sản xuất nhiều hoạt chất quan trọng như các loại enzyme, amino acid,
các chất kháng sinh,...
Lên men theo mẻ có bổ sung cơ chất (Feed - batch culture): Để năng cao năng
suất của một mẽ lên men, người ta tiến hành bổ sung thêm cơ chất vào trong quá
trình lên men:
 Bổ sung từ từ các chất dinh dưỡng làm tăng thể tích dịch ni cấy.

 Bổ sung môi trường mới vào Bioreactor đồng thời rút ra một thể tích
dịch ni cấy (khơng chứa tế bào) tương ứng, phương pháp này được sử
dụng trong nuôi cấy tế bào động vật.
Lên men liên tục (Continuous culture): Nguyên liệu liên tục vào, sản phẩm lên
men liên tục đi ra. Lên men liên tục là q trình ni vi sinh vật trong thiết bị được
8


cấu tạo đặc biệt để sao cho khi vật nuôi đã phát triển đến một giai đoạn nào đó
thích hợp cho việc lấy đi một thể tích mơi trường lên men cùng tế bào và các sản
phẩm trao đổi chất của chúng, lại bổ sung đúng một thể tích mơi trường dinh
dưỡng mới vào bình ni cấy, lúc đó ta có được trạng thái cân bằng động. Vi sinh
vật trong bình ni cấy ln ln ở pha lũy thừa. Phương pháp lên men liên tục
được ứng dụng để sản xuất protein đơn bào (nấm men) sản xuất acid acetic,
ethanol và xử lý nước thải của một số nhà máy. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân
nên phương pháp lên men chu kỳ vẫn hay được ứng dụng hơn.

9


Chương 2
2.1.

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ

Ngun liệu
Ngun liệu cho quá trình lên men là một trong những yếu tố rất quan trọng và

mang tính quyết định cho thành cơng của tồn bộ quy trình sản xuất. Nguồn
ngun liệu không những phải đảm bảo là cơ chất phù hợp với chủng vi sinh vật

mà còn phải dễ kiếm, chi phí thu mua và chế biến thấp, bên cạnh đó vẫn cho được
năng suất cao và ổn định.
2.2.

Quá trình lên men
Sản xuất protease Bacillus licheniformic NCIM-2042 được mua từ NCL, Pune,

Ấn Độ. Các vi sinh vật được nuôi cấy trên các chất dinh dưỡng thạch nghiêng agar
ở 35 ± 2 ◦C và pH 7,5
Sản xuất enzyme protease kiềm từ Bacillus licheniformic theo phương pháp
nuôi cấy gián đoạn theo mẽ với thời gian 72 giờ một mẻ. Trong phương pháp nuôi
cấy gián đoạn, vi sinh vật sinh trưởng đến khi thành phần chủ yếu của môi trường
dinh dưỡng bị cạn kiệt. Khi đó mật độ vi sinh vật chuyển từ pha lũy thừa sang pha
cân bằng. Sinh trưởng gắn liền với sự thay đổi kéo dài của đều kiện nuôi, sự giảm
chất dinh dưỡng và tăng khối lượng tế bào cũng thay đổi.
Lên men gián đoạn theo mẻ có ưu điểm là tương đối đơn giản và tiết kiệm chi
phí cho đầu tư thiết bị, hạn chế vấn đề bị nhiễm trong quá trình lên men, dễ xử lý
khi bị tạp nhiễm, có thể phát triển được quy mơ lớn,…

10


Chương 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Nhà máy sản xuất protease kiềm với công suất 200 tấn/năm.
Thời gian nuôi cấy là 72h, ở 35oC, pH = 7.5 (Potumarthi. et al., 2006)
Thời gian sản xuất trong năm: 1 năm 365 ngày
 Thời gian bảo trì vệ sinh máy móc, thời gian nghỉ các ngày lễ: 35 ngày

 Thời gian làm việc của công ty trong 1 năm: 330 ngày
Số mẻ sản xuất trong 1 năm: (330*24)/72 = 110 mẻ.
Giả sử hiệu suất lên men, lọc, trích ly, cơ đặc lần lượt là 95%, 93%, 92%, 99%.
Hiệu suất quá trình sấy là 95% (Handbook of Industrial Drying, Fourth Edition
(Mujumda, 2014)
Hoạt độ của Enzyme sau khi kết thúc quá trình lên men (Emax): 141,750 U/g
(Sathyavrathan P.*, Kavitha M., 2013)
Hiệu suất enzyme trên một đơn vị sinh khối (U/gX): YE/X = 102,040 U/gX
(Potumarthi. et al., 2006)
Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của Bacillus sp. µmax=0.005 h-1. (S.
Chenikher. et al., 2010)
Với công suất là 200 tấn/năm, sản lượng enzyme tạo thành trong 1 năm
= 1818.18 kg/mẻ
Tính tốn cho q trình lên men:
Thành phần mơi trường: (Sathyavrathan P.*, Kavitha M., 2013)
Thành phần

Tỉ lệ (%)

Cám lúa mì

1
11


Dextrose

0.2

Bột đậu nành

0.3

Peptone

0.2

Cám lúa mì chứa khoảng 15.4% là protein. (Kew M. Chee. et al., 2005)
Khối lượng cám lúa mì trong 1 lit môi trường là 100g
Nồng độ protein ban đầu: S0 = 0.154*100 = 15.4 g/l
Nồng độ protein lúc sau: S = S0*(100 – 95)% = 15.4*0.05 = 0.77 g/l.
Ta có: YE/X =

, với (X-X0): lượng sinh khối tạo thành (g/l)
(X-X0) =

=

= 1.389 g/l

Hiệu suất tạo thành sinh khối trên một đơn vị cơ chất (g/g):
YX/S =

=

= 0.096 g/g

Lượng sinh khối ban đầu:
X0 =

=

= 3.241 g/l

Suy ra nồng độ sinh khối sau khi kết thúc quá trình lên men là:
X = 1.389 + 3.241 = 4.63 g/l
Phương trình cân bằng vật chất có dạng:
C6H12O6 + aNH4+ + bO2  CH1,8O0,5N0,2 + cCO2 + dH2O + eH+
Hiệu suất tạo thành sinh khối trên một đơn vị cơ chất YX/S = 0.096 (g/g)

12


YX/S =

= 0.702 (mol/mol)

=>

= 1.425

- Ta có:
C:

=1+c

H:

+ 4a = 1.8 + 2d + e

O:

+ 2b = 0.5 + 2c + d

N: a = 0.2
Cân bằng điện tích: a = e = 0.2
=> a = 0.2 ; b = 7.5 , c = 7.55, d = 7.95 , e = 0.2 ,
=> Phương trình cân bằng vật chất có dạng:
1.425C6H12O6 + 0.2NH4+ + 7.5O2  CH1,8O0,5N0,2 + 7.55CO2 + 7.95H2O +
0.2H+
Lượng oxi tối thiểu cần cung cấp cho canh trường để đạt được nồng độ 4.63
g/l là:
[O2] =

= 45.17 g/l

- Lượng nitơ cần cung cấp cho canh trường để đạt được nồng độ 4.63 g/l là:
[N] =

= 1.05 g/l

- Khối lượng enzyme tinh đưa vào thiết bị Sấy:

13


m = 1818.18*

= 1913.87 (kg/mẻ)

Khối lượng enzyme đưa vào cô đặc bằng siêu lọc:
m = 1913.87*

= 1933.2 (kg/mẻ)

Khối lượng sản phẩm đưa vào Trích ly:
m = 1933.2*

= 2101.3 (kg/mẻ)

Độ ẩm trước khi lọc là 95% và độ ẩm sau khi lọc là 70%.
Khối lượng sản phẩm đưa vào trước khi Lọc
m = 2101.3*

= 2259.47 (kg/mẻ)

Thể tích dung dịch canh trường cần phải lọc mỗi mẻ:
V = 2259.47 *

= 13556.82 (l/mẻ)

Thể tích canh trường cần phải cung cấp cho mỗi mẻ lên men:
V = 13556.82*

= 14270.33 (l/mẻ) = 14.3 (m3/mẻ).

14


Chương 4

4.1.

TÍNH TỐN THIẾT BỊ

Thiết bị lên men

Hệ thống bể lên men cánh khuấy
Tốc độ sinh trưởng cực đại: μmax = 0.005 h-1.
- Hiệu suất tạo thành sinh khối trên một đơn vị cơ chất: YX/S = 0.096 (g/g) có
thời gian lên men t = 72h
- Xt = 4.63 (g/l)
- Lượng sinh khối/mẻ = V * Xt = 14.3*4.63 = 66.21 (kg/mẻ)
15


4.2.

Tính thể tích, đường kính và chiều cao thiết bị
- Thể tích canh trường lên men chiếm 2/3 thể tích thiết bị lên men
Vbể = * Vlên men = * 14.3 = 21.45 m3
=> Vbể = 22 m3
- Gọi:
Đường kính bể lên men: Dbể (m)
Chiều cao thiết bị : Hbể (m)
- Tỉ lệ chiều cao thiết bị và đường kính thiết bị thường là 2/1 hoặc 3/1 tức là
Hbể = 2Dbể hoặc Hbể = 3Dbể. Chọn Hbể = 2Dbể ta có
Vbể = Hbể*(
=> D2bể =

=

=> Dbể = 2.41 m.
Từ đó ta tính được giá trị chiều cao của bể là Hbể = 2*2.41 = 4.82 m.
4.3.

Thiết kế cánh khuấy
- Gọi đường kính cánh khuấy: d (m)
Theo lý thuyết, tỷ lệ giữa đường kính cánh khuấy (d) và đường kính bể (Dbể):
= 0.3 – 0.4 (Charles and Wilson, 2013) nên ta chọn

= 0.3.

=> d = 0.3*2.41 = 0.723 m.
- Gọi chiều cao cánh khuấy: h (m)
16


Ta có tỷ lệ chiều cao của mỗi cánh khuấy (h) với đường kính cánh khuấy (d)
là: 0.2.
Ta tính được chiều cao cánh khuấy: 0.2*0.723 = 0.1446 m
- Tính khoảng cách giữa các cánh khuấy:
Gọi khoảng cách giữa các cánh khuấy: h (m)
Khoảng cách giữa cánh khuấy cuối cùng so với đáy thùng lên men: h3
h3 = Dbể/3 => h3 = 2.41/3 = 0.803 (m)
Khoảng cách giữa cánh khuấy đầu tiên đến cánh khuấy thứ 2 (h1) = khoảng
cách giữa cánh khuấy thứ 2 đến cánh khuấy cuối cùng (h2) = 1.25* Dbể
=> h1 = h2 = 1.25*2.41 = 3.0125 (m)
Lựa chọn trục khuấy gồm 3 bộ cánh khuấy tuabin.
4.4.

Tính toán kiểm soát nồng độ Oxy:
- Hệ số cung cấp khí tính theo cơng suất của cánh khuấy có dạng:

Với:
: Hệ số tốc độ truyền khối của Oxy trong pha lỏng (h-1, s-1)
a: Diện tích bề mặt riêng của pha khí (m2/m3)
: Nồng độ oxy bảo hịa trong pha lỏng (Độ hòa tan của Oxy) (mol/m3)
: Nồng độ oxy trong pha lỏng (mol/m3)
- Tốc độ cung cấp khí phụ thuộc vào

có mối quan hệ theo cơng thức sau:

17


= 2.10-3

0.7

*

(Bioprocess scale up, 2013)

Với:
P: Công suất cánh khuấy (W)
NP:Tốc độ cánh khuấy (= 200 rpm) (Potumarthi. et al., 2006)
vs: Tốc độ thơng khí trên bề mặt 0.012 m/s (Oscara, et al., 2007)
Ta có:

Với:

N: vận tốc cánh khuấy. (m/s)
D: đường kính cánh khuấy (m)
: Khối lương riêng (kg/m3)
= 3812.05*103 kg/(s3.m)

=>
=>

= 33.4 s-1 = 120240 h-1
- Tốc độ truyền khối trong bể phản ứng được tính theo cơng thức:

Nồng độ oxy bão hòa trong canh trường là:

= 8 mg/l = 0.008 g/l (Riet and

Tramper, 1991)

18


Giả sử khả năng khuếch tán oxy trong canh trường là 15% so với nồng độ oxy
bảo hòa (Doran, 1995).Do đó, nồng độ Oxy trong pha lỏng

= 6,8 mg/l.

=> OTR = ro = 120240*(0.008-0.0068) = 144.3 gam O2/ h
- Ta có:
OUR = X*
Với:
YX/O: là hiệu suất tạo thành sinh khối trên một đơn vị khối lượng Oxy.

Theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:
YX/O =

= 0.1025g sinh khối/ gam O2

=> OUR = 4.63*

= 0.226 gam O2/ h

So sánh OTR = 144.3 g O2/ h > OUR = 0.226 g O2/h nên hệ thống cung cấp
khí phù hợp với bể phản ứng và thể tích lên men.
Kết luận:
Thiết bị lên men có đường kính: Dbể = 2.41 m và chiều cao: Hbể = 4.82m.
Lựa chọn trục khuấy gồm 3 bộ cánh cánh khuấy tuabin, có đường kính và
chiều cao lần lượt là: 0.723m và 0.15m; khoảng cách giữa cánh khuấy cuối cùng
với đáy thùng là 0.803m, và khoảng cách mỗi cánh khuấy cách nhau 3.0125m.

19


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Potumarthi, R., Ch, S., & Jetty, A. (2007). Alkaline protease production
by submerged fermentation in stirred tank reactor using Bacillus
licheniformic NCIM-2042: effect of aeration and agitation regimes.
Biochemical Engineering Journal, 34(2), 185-192.
[2] Sathyavrathan, P., & Kavitha, M. (2013). Production of Alkaline
Protease from Bacillus licheniformic (NCIM 2044) and Media
Optimisation for Enhanced Enzyme Production. Int J Chem Tech Res,
5(1), 550-553.
[3] Bhunia, B., Basak, B., & Dey, A. (2012). A review on production of

serine alkaline protease by Bacillus spp. Journal of Biochemical
Technology, 3(4), 448-457.
[4] Salah Chenikher, 2010, Control of the specific growth rate of Bacillus
subtilis
[5] for the production of biosurfactant lipopeptides in bioreactors with
foam overflow
[6] Process Biochemistry. Elsevier, 45 (11), pp.1800-1807
[7] Chee, K. M., Chun, K. S., Huh, B. D., Choi, J. H., Chung, M. K., Lee,
H. S., ... & Whang, K. Y. (2005). Comparative feeding values of
soybean hulls and wheat bran for growing and finishing swine. AsianAust. J. Anim. Sci., Melborne, 18(6), 861-867.
[8] Charles, M., Wilson, J., (2013), Upstream Industrial Biotechnology.
Fermenter/Bioreactor design, 50.
[9] Doran, P. M., (1995), Bioprocess Engineering Principles. Elsevier
Science & Technology Books.

20