TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM ĐỂ TÁCH SINH KHỐI BACILLUS LICHENIFOMIS RA KHỎI CANH TRƯỜNG VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200 TẤNNĂM

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
------

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM ĐỂ TÁCH
SINH KHỐI BACILLUS LICHENIFOMIS RA KHỎI
CANH TRƯỜNG VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200
TẤN/NĂM
GVHD: TS. PHẠM MINH TUẤN
SVTH: Nhóm 10


TP HCM, 05/2017


MỤC LỤC


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

1. Cơ sở lý thuyết:
1.1.

Giới thiệu về Bacillus licheniformis
1.1.1.

Giới thiệu:

B.licheniformis là một phần của nhóm subtilis cùng với Bacillus
subtilis và Bacillus pumilus. Những vi khuẩn này thường được biết
đến là gây ngộ độc thức ăn và sự hư hỏng thực phẩm. B.
Licheniformis cũng được biết đến vì các sản phẩm bơ sữa.
Vi khuẩn này mặc dù bất lợi tuy nhiên nó có thể được sửa đổi để
trở nên hữu ích. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng biến lông chim
thành thức ăn bổ dưỡng cho gia súc bằng cách lên men các protein
không tiêu hóa được trên lông chim với B. licheniformis.
1.1.2.

Đặc điểm phân bố:

Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong lông
chim và đất. Những con chim có xu hướng ở trên mặt đất nhiều hơn
không khí (tức chim sẻ) và trên mặt nước (tức là vịt) là những vật
mang phổ biến của vi khuẩn này. Nó chủ yếu được tìm thấy xung
quanh khu vực ngực của chim và bộ lông trở lại.
1.1.3.

Đặc điểm sinh hoá:

B. licheniformis có khả năng sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt là
amylase và protease - 2 loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men
tiêu hóa, sản sinh các enzyme có khả năng thủy phân glucid, lipid,
protid, enzyme cellulase biến đổi chất xơ thành các loại đường dễ
tiêu, lecitinase thủy phân các chất béo phức hợp, enzyme phân giải
gelatin, enzyme phân giải fibrin và một loại enzyme giống lysozyme
gây tác dụng trực tiếp dung giải một số loại vi khuẩn Proteus gây

bệnh trong đường ruột.

4


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
1.1.4.

Nhóm 10

Cấu trúc bộ gene

Trình tự nucleotide hoàn chỉnh của Bacillus licheniformis bao
gồm bộ gen ATCC 14580, có nhiễm sắc thể tròn là 4,222,336 bp
(chứa các cặp cơ sở) chứa 4.208 gen mã hóa protein dự đoán (kích
thước trung bình 873 bp), 7 rRNA operon và 72 tRNA gen . Hàm
lượng GC là 46,2% và không có plasmid nào được phát hiện. Nhiễm
sắc thể của B. licheniformis có các vùng lớn tương tự như Bacillus
subtilis và Bacillus halodurans. Vì khoảng 80% trình tự mã hóa của
B. licheniformis có chứa các thông tin địa lý B. subtilis, nó được coi là
một phần của nhóm subtilis. Tuy nhiên, mặc dù tương tự như B.
subtilis, chúng khác nhau về số lượng và vị trí các cặp base, các
phần tử có thể chuyển tiếp, các enzyme ngoại bào và các operon
chuyển hóa thứ sinh.
1.1.5.

Cấu trúc tế bào và sự trao đổi chất:

Bacillus licheniformis là một vi khuẩn Gram dương, hình que. Nó
có xu hướng hình thành bào tử trong đất làm cho nó được mong

muốn sử dụng cho các mục đích công nghiệp như sản xuất enzyme,
kháng sinh và các chất chuyển hóa nhỏ. Nó tạo ra một loạt các
enzyme ngoại bào.
Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của nó là 50 °C, nhưng nó cũng có
thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiều. Nhiệt độ tối ưu cho tiết enzyme
là 37 °C.
Vi khuẩn này có thể sống sót trong môi trường khắc nghiệt bằng
cách biến thành bào tử bào tử. Khi điều kiện tốt, nó sẽ trở lại trạng
thái thực vật. B. licheniformis tạo ra một protease có thể tồn tại ở
mức độ pH cao. Protease này là một thành phần mong muốn trong
chất tẩy giặt do khả năng của nó được sử dụng ở nhiệt độ thấp, giúp
ngăn ngừa sự co ngót và mờ dần màu sắc.
1.1.6.

Ứng dụng công nghệ sinh học :

Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái chế lông chim bằng cách
biến chúng thành thực phẩm bổ dưỡng cho gia súc. Như đã đề cập,
5


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

Bacillus licheniformis thường thấy trên lông chim, bằng cách lên men
với B. licheniformis, một lượng lớn các protein không tiêu hóa được
tìm thấy trong lông có thể biến thành một bữa ăn lông cho gia súc.
Điều này rất được mong muốn bởi vì nó là giá rẻ và dinh dưỡng.
B. licheniformis cũng có thể cung cấp thêm thông tin về sự tiến

hóa của sự lột da và các mẫu màu sắc ở chim do khả năng phân hủy
lông của nó. Các nhà sinh thái học đang tìm kiếm các dấu hiệu liên
kết giữa điều này và hoạt động của B. licheniformis. B. licheniformis
cũng là một thành phần quan trọng trong chất tẩy rửa. Vì nó có thể
phát triển trong điều kiện kiềm, nó tạo ra một protease mà có thể
tồn tại ở mức độ pH cao. Protease có độ pH tối ưu ở khoảng 9 và 10,
điều này rất khả thi vì nó có thể loại bỏ chất bẩn có chứa protein
trong quần áo. Các nhà nghiên cứu nuôi cấy và cô lập protease này
để thêm nó vào chất tẩy rửa. Protease này ngăn ngừa sự co rút và
mờ dần màu vì nó cho phép sử dụng nhiệt độ thấp, từ đó giảm sử
dụng năng lượng.
B. Licheniformis được sử dụng để tạo ra kháng sinh Bacitracin.
Bacitracin bao gồm một hỗn hợp của các polypeptides cyclic mà B.
licheniformis sản xuất. Trớ trêu thay mục đích của Bacitracin là ức
chế sự phát triển của B. licheniformis. Bacitracin lyses proplasts của
B. licheniformis với sự hiện diện của cadmium hoặc kẽm ion.
Nghiên cứu hiện tại Bacillus licheniformis là một sinh vật tạo thành
bào tử góp phần vào con đường tạo dinh dưỡng và có hoạt động
kháng nấm. Có những nghiên cứu hiện tại về B. licheniformis (dòng
SB3086) và những ảnh hưởng của nó như một chất diệt nấm vi sinh
vật.

Novozymes

Biofungicide

Green

Releaf

chứa

dòng

B.

licheniformis SB3086 như là một thành phần chủ yếu hoạt động. T
huốc diệt nấm này có thể được sử dụng trên các bãi cỏ, cây lá kim,
cây giống, cỏ trang trí và cây cảnh ở các khu vực ngoài trời, nhà kính
và vườn ươm. Có những lo ngại về sự an toàn của chất diệt nấm này.
Các báo cáo về vi khuẩn Bacillus licheniformis có ảnh hưởng bất lợi
6


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

đến các loài sinh vật côn trùng, chim, thực vật và cửa sông hầu như
không tồn tại. Đã có báo cáo về sự thất bại về sinh sản và viêm vú
do vi khuẩn này gây ra đối với gia súc, cừu và heo. Nó may mắn
không có bất kỳ tác động bất lợi đối với các loài nguy cấp.
1.2 Giới thiệu về máy li tâm
1.2.1. Tổng quan về máy ly tâm công nghiệp
Quá trình phân ly dựa vào trường lực ly tâm để phân riêng hỗn
hợp hai pha rắn- lỏng hoặc lỏng-lỏng thành các cấu tử riêng biệt gọi
là quá trình ly tâm. Máy để thực hiện quá trình đó gọi là máy ly tâm.
Tùy theo cấu tạo bề mặt rôto mà quá trình ly tâm tiến hành
theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm. Do đó cũng có hai loại
máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc.

1.2.1.1.

Phân loại máy ly tâm

Có thể phân loại máy ly tâm theo dấu hiệu khác nhau:
 Theo quá trình phân ly: máy ly tâm lắng; máy ly tâm lọc.
 Theo phương thức làm việc: máy ly tâm làm việc gián đoạn,

máy ly tâm làm việc liên tục và máy ly tâm tự động.
 Theo kết cấu của bộ phận tháo bã: máy ly tâm tháo bã bằng

dao; máy ly tâm tháo bã bằng vít xoắn; máy ly tâm tháo bã
bằng pittông.
 Theo giá trị yếu tố phân ly phân ra máy ly tâm thường và máy

ly tâm siêu tốc.
 Theo kết cấu trục và ổ đỡ phân ra: máy ly tâm ba chân và máy

ly tâm treo.
1.2.1.2.

Một số máy ly tâm công nghiệp

7


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

1.2.1.2.1. Máy ly tâm lắng nằm ngang tháo bã bằng vít
xoắn
Loại này dùng để phân ly huyền phù mịn có nồng độ trung bình
và lớn. Trong công nghiệp thực phẩm loại máy này dùng để tách tinh
bột ra khỏi nước quả, trong các ngành công nghiệp khác dùng để
phân riêng pha rắn và pha lỏng.
Máy gồm có hai rôto. Rôto ngoài có dạng hình nón hoăc trụnón, rôto trong có dạng hình trụ mà mặt ngoài của nó có gắn vít tải.
Rôto trong và rôto ngoài quay cùng chiều nhưng rôto trong quay
chậm hơn rôto ngoài 1,5-2 % (khoảng 20-100vg/ph) nhờ hộp giảm
tốc vi sai. Rôto trong có đục các lỗ để dẫn huyền phù nhập liệu. Góc
nghiêng phần hình nón của rôto khoảng 9-10 o . Quá trình lắng xảy ra
trong khoảng không gian giữa hai rôto, bã bám vào mặt trong của
rôto ngoài và được vít tải đẩy về phía cửa tháo bã. Nước trong đi về
phía ngược lại, chảy qua các cửa ở trên đáy rồi đi ra ngoài. Trong
phần rôto không bị ngập nước, bã vừa được đưa ra khỏi rôto vừa
được làm khô.

1.2.1.2.2. Máy ly tâm lắng liên tục tháo bã bằng vít xoắn
Có thể điều chỉnh chế độ làm việc của máy bằng cách thay đổ
số vòng quay hoặc thay đổ chiều dài lắng khi ta xoay các cửa chảy
8


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

tràn. Lỗ chảy tràn càng gần trục quay thì lớp nước càng sâu, chiều
dài lắng càng dài, lắng được các hạt có kích thước nhỏ.
Ưu điểm của máy này là phân ly được huyền phù mịn, năng

suất lớn.
Nhược điểm là tốn nhiều năng lượng để tháo bã, tổn thất trong
hộp giảm tốc vi sai lớn, bã bị vụn nát, nước trong còn lẫn nhiều hạt
rắn; máy làm việc nặng nề, ồn ào.
1.2.1.2.3. Máy phân ly siêu tốc loại đĩa
Máy phân ly siêu tốc loại dĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại
nửa kín, loại tháo bã bằng tay và bằng ly tâm. Máy ly tâm siêu tốc
loại đĩa dùng để phân li huyền phù có hàm lượng pha rắn nhỏ hoặc
phân ly nhũ tương khó phân ly.
Bộ phận chủ yếu của máy là rôto gồm các dĩa chồng lên nhau
với một khoảng cách thích hợp. Khoảng cách giữa các đĩa 0,41,5mm. Dĩa trên được giữ nhờ các gân trên mặt ngoài của dĩa dưới.
Ðộ nghiêng của đĩa nón cần đủ đảm bảo để hạt vật liệu trượt xuống
tự do (thường góc nửa đỉnh nón từ 30-50o)

9


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

1.2.1.2.4. Máy ly tâm siêu tốc loại ống
Ðây là loại máy có roto nhỏ và dài để phân riêng các huyền
phù và nhũ tương. Ðường kính của roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ
giữa chiều dài roto với đường kính của nó khoảng 5-7. Nhũ tương đưa
vào rôto dưới áp suất 0,25-0,3 at qua dĩa phân phối và đi ra khoảng
không gian giữa roto và các tấm chắn (được gắn dọc theo chiều dài
của roto, gồm ba tấm cách nhau 120o).
Khi phân ly nhũ tương cho pha nặng và pha nhẹ không trộn lẫn
nhau thì dùng tấm tách sao cho bán kính lớp phân chia phải nằm

trong vành khăn của tấm tách.
Ưu điểm : gọn, tiện lợi cho thao tác và có số vòng quay lớn,
năng suất cao,
Nhược điểm: hoạt động theo chu kỳ, tháo và lắp thường xuyên,
tháo chất rắng và rửa roto bằng phương pháp thủ công.
Ứng dụng: làm trong dịch huyền phù có chứa lượng không
đáng kể các chất rắn có độ phân tán cao, tách các tạp chất rắn có độ
phân tán cao và các nhũ tương.

10


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

2.

Lựa chọn và tính toán thiết bị
Do nồng độ sinh khối sau khi nuôi cấy thấp (khoảng 8g/L),
chênh lệch khối lượng riêng không đáng kể nên có thể sử dụng máy
ly tâm dạng ống.
Tính toán thiết bị:
Một năm 365 ngày, trừ các ngày lễ (15 ngày) và thời gian bảo trì
máy móc thiết bị (30 ngày). Số giờ làm việc của công ty trong 1
năm:
Tlàm việc= (365 – (15 + 30)) * 24 = 7680 h
Thời gian một mẻ là: 72 giờ. Thời gian nghỉ giữa mỗi mẻ là 5 giờ.
Vậy tổng thời gian cho một mẻ là tmẻ = 77 giờ
Vậy số mẻ một năm là: = 100 mẻ.

Năng suất của nhà máy:

(tấn/mẻ) = 2000 (kg/mẻ)

Theo Rajiv Datar thì hao hụt do quá trình ly tâm là 5%.
 Năng suất thật của nhà máy trước khi ly tâm:
= 2100 kg/mẻ
11


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

Nồng độ enzyme protease: = 1,7 mg/mL = 1,7 kg/m3
 Thể tích của 1 mẻ ly tâm là: = 1235 m3/mẻ

Chọn thời gian ly tâm một mẻ: t = 7h
Lưu lượng Q = 1235/7 = 176,43 m3/h
•

Ta có RCF = 9000g
RCF =
=


•

= 1765800 rad/s

Yếu tố sigma:

Trong đó: b và r là chiều cao và bán kính của ống ly tâm
Chọn: b = 0,255 m
r = 0,05 m
= 720,63 m2



Vận tốc lắng của hạt:
Vlắng =
= x (1100 - 1044) x 0,05 x 1765800 = 6,867 x 10-5 (m/s)
Trong đó:
•

= 1100 kg/m3 : tỷ trọng pha rắn;

s

= 1044 kg/ m3: tỷ trọng môi trường;
d - bán kính quy đổi của hạt rắn (m) ( d= 0,5 µm = 0,5 x 10 6

m)

ω – Tốc độ góc (rad/s) (770 rad/s)
µ - độ nhớt (µ = 0,01 g.cm-1.s-1 = 0,001 kg.m-1.s-1)
Q = Vlắng x 6,867 x 10-5 x 720,63 = 0,0495 m3/s = 178,2 m3/h
Chọn ra các thông số:
Với việc chọn chiều cao và bán kính ống ly tâm như trên thì lưu
lượng dòng chảy vào Q = 178,2 m 3/h. Như thế hoàn toàn phù hợp với

công suất đề ra 200 tấn/ năm. Do đó, nhóm đã chọn các thông số
cho máy ly tâm như sau:
Bán kính ống ly tâm

0,05 m
12


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
Chiều cao ống ly tâm
RCF

Nhóm 10

0,255 m
9000g

13


KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Nhóm 10

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Centrifugation
2. Efficient
centrifugal

recovery

of

Bacillus

thuringiensis

biopesticides from fermented wastewater and wastewater
sludge_ Satinder K. Brara , M. Vermaa , R.D. Tyagia, R.Y.
Surampallic
3. Recovery of Bacillus licheniformis Alkaline Protease from
Supernatant of

Fermented Wastewater Sludge Using

Ultrafiltration and Its Characterization

14