THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM CÔNG SUẤT 1 TẤNNĂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG



TIỂU LUẬN MÔN HỌC
THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC

THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC
SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM
TRICORNUTUM
CÔNG SUẤT 1 TẤN/NĂM
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:
T.S PHẠM MINH TUẤN

TP.HCM, tháng 10 năm 2017
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG


TIỂU LUẬN MÔN HỌC
THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC

THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC
SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO
PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM
CÔNG SUẤT 1 TẤN/NĂM
GVHD:

T.S PHẠM MINH TUẤN

Sinh viên thực hiện:
1. Trần Duy Thọ
2. Đỗ Thị Ngọc Châu
3. Nguyễn Ngọc Kim Trinh
4. Nguyễn Thị Kim Nhung
5. Nguyễn Hồ Thiên Trang

2008140288
2008140022
2008140338
2008140215
2008140325

TP.HCM, tháng 10 năm 2017

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.

PHOTOBIOREACTOR........................................................................4

1.1.

Hệ thống mở..........................................................................................................4

1.2.

Hệ thống kín..........................................................................................................5

CHƯƠNG 2.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ........................................................................6

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................16

3


CHƯƠNG 1. PHOTOBIOREACTOR
Một photobioreactor là một hệ thống thiết bị sử dụng kết hợp nhiều nguồn ánh sáng
để cung cấp năng lượng cho các phản ứng trong việc sản xuất các vi sinh vật
phototrophic ngoài tự nhiên nhưng bên trong một môi trường nhân tạo. Những sinh vật sử
dụng quang hợp để tạo ra sinh khối từ ánh sáng và carbon dioxide, bao gồm: thực vật, rêu,
macroalgae, vi tảo, vi khuẩn lam và vi khuẩn màu tím. Trong môi trường nhân tạo của
photobioreactor, điều kiện cụ thể được kiểm soát cẩn thận cho các loài tương ứng. Do đó,
photobioreactor cho phép tăng tốc độ và mức độ tinh khiết cao hơn bất cứ nơi nào trong
tự nhiên hoặc môi trường sống tương tự như thiên nhiên. Theo lý thuyết, phototropic sinh
khối có thể được bắt nguồn từ nước thải giàu chất dinh dưỡng và khí thải carbon dioxide
trong một photobioreactor.
Photobioreactor có hai kiểu chính là hệ thống mở và hệ thống kín nhưng hiện nay hệ
thống khép kín được ứng dụng rộng rãi hơn bởi có những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ
thống mở. Sản xuất vi tảo dựa trên hệ thống photobioreactor là một công nghệ được thiết
kế để khắc phục một số nhược điểm của các hệ thống sản xuất ao mở thông thường. Tảo
được tái lưu thông hoặc với một máy bơm cơ khí hoặc hệ thống không vận để tạo ra sự
trao đổi giữa môi trường lỏng và khí cũng như cung cấp một cơ chế để đảo trộn để tảo có
thể quang hợp tốt hơn, tạo điều kiện đồng đều trong môi trường cho tảo hấp thụ các chất

dinh dưỡng dễ dàng hơn.
1.1.

Hệ thống mở

Phương pháp tiếp cận đầu tiên đối với sản xuất có kiểm soát của các sinh vật
phototrophic là và vẫn là một ao tự nhiên mở hoặc ao nuôi mương. Trong đó, môi trường
huyền phù, chứa tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết và carbon dioxide, được bơm xung
quanh trong một chu kỳ, được chiếu sáng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời qua bề mặt của
chất lỏng. Nguyên tắc xây dựng này là cách sản xuất đơn giản nhất cho sinh vật
phototrophic. Nhưng do độ sâu của chúng (lên đến 0,3 m) và lượng ánh sáng giảm trung
bình liên quan, các hệ thống mở chỉ có thể đạt được mức năng suất không gian hạn
chế. Thêm vào đó, tiêu thụ năng lượng tương đối cao, vì lượng nước cao chứa nồng độ
sản phẩm thấp phải được xử lý. Hệ thống mở là tốn kém ở các khu vực có dân số đông
4


Hình 1.1. Hệ thống photoreactor dạng mở
đúc, trong khi nước ở các nước khác rất hiếm. Sử dụng các công nghệ mở sẽ gây tổn thất
lớn về nước do bốc hơi trong khí quyển.
1.2.

Hệ thống kín

Kể từ những năm 1950, một số phương pháp tiếp cận đã được tiến hành để phát
triển các hệ thống khép kín, về mặt lý thuyết cung cấp mật độ tế bào cao hơn cho các sinh
vật phototrophic và do đó nhu cầu nước thấp hơn so với các hệ thống mở. Thêm vào đó,
công trình đóng kín tránh được các tổn thất về nước liên quan đến hệ thống và nguy cơ ô
nhiễm được giảm thiểu. Tất cả photobioreactors hiện đại đã cố gắng cải thiện để tối ưu
hóa ứng dụng ánh sáng, tiêu thụ năng lượng bơm thấp, chi phí vốn và độ tinh khiết của vi

sinh vật. Nhiều hệ thống khác nhau đã được thử nghiệm, nhưng chỉ một vài phương pháp
đã có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp.

5


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
2.1.

Tính toán thiết kế hệ thống thu nhận năng lượng mặt trời

Hình 2.1. Bể quang sinh học
Tốc độ tạo thành sinh khối là một giá trị quan trọng cần được tối ưu khi thiết kế một
thiết bị bể phản ứng quang sinh học trong quá trình thu sinh khối tảo. Năng suất sinh khối
có thể được kiểm soát bằng ánh sáng. Trong điều kiện nuôi cấy, tốc độ tạo thành sinh khối
phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng trung bình trong bể phản ứng (. Theo Molina Grima
et al., 1994a [1] mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và năng lượng ánh sáng trung bình là:

Trong đó:
: tốc độ tăng trưởng (1/h)
tốc độ tăng trưởng cực đại (1/h).
: năng lượng ánh sáng trung bình trong bể phản ứng (E/m2/s)
: hằng số phụ thuộc vào giống tảo và điều kiện nuôi cấy (E/m2/s)
n: hệ số thực nghiệm.
Để tính toán phải sử dụng các nguyên tắc thiên văn học (để xác định vị trí của Mặt Trời
so với bể phản ứng quang sinh học), kỹ thuật năng lượng mặt trời (để xác định cường độ
bức xạ tới), và mối quan hệ Beer-Lambert (Molina Grima et al., 1999).
6

Hình 2.2. Sự suy giảm cường độ ánh sáng trong PBR
Năng lượng ánh sáng trung bình trong bể phản ứng (Alfano et al., 1986)

[6]

được

thể hiện bởi phương trình:

Trong đó:
Ka: hệ số chết của sinh khối (m2/g)
Io: Năng lượng ánh sáng trung bình trong bể phản ứng (E/m2/s).
: Chiều dài của đường ánh sáng từ bề mặt đến điểm bất kì trong bể (m)
Cb: nồng độ sinh khối khi thu hoạch (g/l)
Mặt khác phụ thuộc vào đường kính ống dt:

Trong đó: dt: đường kính ngoài ống (m).
Chọn dt =0,065 m [1] và cos = 0,5 [3]
-

Năng lượng ánh sáng trung bình trong bể phản ứng:

Chọn Ka = 0,0369 (m2/g), Cb = 3,2 (g/l) [1]

(Theo Plant Growth Chamber handbook chapter 1 [7]: 1 W.m-2 = 4,6 E/m2/s)
7


-

Tốc độ tạo thành sinh khối:

Chọn = 0,063 (h-1), Ik = 114,67 (E/m2/s), n = 1,49 [1]
Theo các nghiên cứu nồng độ sinh khối ban đầu tối ưu nhất là Co = 0,1 (g/l).
Giả sử các tế bào sau phân chia đồng nhất về khối lượng.
-

Suy ra thời gian phân chia một tế bào là:
Số lần phân chia:
Giả sử hiệu suất đạt 100%
Lần
Năng lượng mặt
Nồng độ sinh
phân chia
trời trung bình
khối (g/l)
(ni)
(E/m2/s)
1
0,2
881,25
2
0,4
880,82
3
0,8
879,98
4
1,6
878,3

5
3,2
874,94

-

Tốc độ tăng
trưởng
(h-1)
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06

Thời gian
phân chia t’i
(h)
17
17
17
17
17

Thời gian thu hoạch đạt sinh khối 3,2 g/l: t = t’× = 17× 5 = 85 h = 3,54 ngày
Theo Edmundson et.al (2015)[8] sự tổn thất sinh khối trung bình trong pha tối
(sáng/tối: 14h/10h) là 6,8 ± 1,4%, chọn tỉ lệ hao hụt trong pha tối là 6,8%, do đó
thời gian thu được nồng độ sinh khối cuối cùng là 3,2 g/l sẽ kéo dài một khoảng là:
T = t + t × 6,8% = 3,54 + 3,54 × 6,8% = 3,78 ngày

Tổng thời gian một mẻ bao gồm thời gian thời gian chuẩn bị mẻ và thời gian thu sinh
khối tốt nhất là tmẻ = 4 ngày
-

Năng suất sản xuất sinh khối là: 1 tấn/năm
Thời gian làm việc trong 1 năm là 330 ngày trừ các ngày lễ và thứ 7, chủ nhật
Số mẻ một năm là: = 83 mẻ.
Năng suất của nhà máy: (kg/mẻ) = 12000 (g/mẻ)
Thể tích một mẻ: V0 = 12000/3,2 = 3750 (L/mẻ) = 3,75 (m3/mẻ)

8


Mặt khác thể tích khí nâng chiểm 12% tổng thể tích, tổng thhể tích của bộ phận nhận
ánh sáng trong một mẻ [1]: V = V0 - V0 × 0,12 = 3,75 - 3,75 × 0,12 = 3,3 (m3)
- Diện tích mặt cắt của ống:
- Tổng chiều dài ống:
 Tính toán số lượng co và số lượng ống [2]

Hình 2.3. Kích thước một ống
-

Thể tích ống: V1= 7,21 L = 7,21(m3)
Bảng 2.1.

-

Thông số kích thước co

Thể tích co: V2 = 1,2 L = 1,2(m3)

Tổng thể tích nhận ánh sáng: V = 3,3 m3

Ta có: số co (y) = số ống (x) + 1
Do đó : V = V1 + V2y
 3,3 = 7,21 + 1,2
 x = 392
9




y = 393

Vậy số co là 392 co, số ống là 393 ống.
2.2.

Tính toán thiết bị khí nâng

Hệ thống nâng khí tạo ra chất lỏng lưu thông thông qua các vòng lặp ống liên tục,
nơi mà quá trình quang hợp của tảo diễn ra. Oxy được tạo ra từ quá trình quang hợp được
tách ra ở bộ phận nâng không khí khi chất lỏng quay trở lại đó.
Một bể nước được xả ở đầu ống nâng và ống dẫn xuống giúp ngăn các bong bóng
khí hình thành.
Để thiết kế một bể khử khí, ta cần tính toán được các thông số sau:
-

Chiều dài bể (LD)

-

Độ rộng của bể (W)

-

Chiều cao mực nước trong bể (hd)

-

Chiều cao thành bể (X)

Theo tài liệu tham khảo, nồng độ không khí bão hòa mà không ức chế sự sinh trưởng của
tảo là 100% đến 250%.[2] Giả sử hệ thống khử khí có khả năng đảm bảo cho nồng độ oxi
không khí bão hòa nằm trong khoảng này, ta có:
[O2]out: 100% không khí bão hòa tương đương 8,22 mg/l [1] = 0,25 mol/m3
[O2]in: 250% không khí bão hòa tương đương 8,22 2,5 = 20,55 mg/l = 0,64 mol/m3
Ta có công thức:
RO2 = KLa ([O2]in - [O2]out)
Theo E. Molina et al., tốc độ tạo thành oxi tối đa được chọn là 0,003 mol/m3.s.
Với RO2 = 0,003 mol/m3.s [1]
 /s
Tham khảo kết quả của E. Molina et al., 2001:
Theo kết quả của nghiên cứu trên, với chiều dài tối đa của 1 bể là L = 80m và vận tốc
dòng UL = 0,5 m/s thì hệ số truyền khối KLa có giá trị:

10


So với KLa = 0,00625/s của bài báo, giá trị KLa = 0,0077/s có thể chấp nhận được.
Sử dụng giá trị KLa = 0,0077/s, ta có được:
-

Chiều dài ống thẳng tối đa của một bể:

-

Số lượng ống của một bể:

-

Số lượng co của một bể:

-

Tổng chiều dài ống của toàn bộ bể: (với chiều dài 1 ống là L1 = 2,5 m)

-

Tổng chiều dài co của toàn bộ bể:
Lco = Leq – Lống = 1000 – 982,5 = 17,5 m
 Số bể cần thiết là: n’ = Lống / L = 982,5/130 = 8 bể.
 Tổng thể tích 1 bể: V 1 bể = V0/n’ = 3750/8 = 468,75 L

Để tối ưu thời gian tảo nằm trong hệ thống thu nhận ánh sáng thì thể tích bể khử khí phải
nhỏ hơn hoặc bằng 12% tổng thể tích 1 bể (Vkk  12% V1 bể). Ở thiết bị này, ta chọn
Vkk = 12% V1 bể
 Vkk =12% 468,75 = 56,25 L
Dựa vào cấu tạo bể khử khí, ta thấy độ rộng của bể bằng với đường kính ống
 W = dt = 0,065 m
11

Thông thường, vận tốc trung bình của chất lỏng trong ống nâng khí UL < 1 m/s, nếu UL
vượt quá 1 m/s sẽ gây ra hiện tượng vỡ tế bào. Ở đây, ta chọn UL = 1 m/s.
Vận tốc trung bình của dòng khí trong hệ ;thống được tính bằng công thức:
UG = 4 UL = 4 1 = 4 m/s
Theo Zuber and Findlay (1965), số lượng bọt khí tạo thành trong ống nâng khí được
tính bằng công thức:
Trong đó : ;
là tham số đặc trưng cho vận tốc xuyên tâm có giá trị nằm trong khoảng 1,0 – 1,3. Để tìm
giá trị bọt khí lớn nhất, ta chọn = 1,1 và = 0,2 m/s [1]

Ta có Re được tính bằng công thức:
Theo thực nghiệm UL = 0,5 m/s thì hệ số Re = 26000
 Khi ta chọn UL = 1 m/s thì hệ số Re = 52000
Ta có: Re = 52000 < 105
 Chảy hỗn hợp.
 Cf = 5,23 10-3
Ta có:
 hr = 3 m
Trong đó:
là số lượng bọt khí ở ống nâng khí (
là số lượng bọt khí ở ống xả (
là chiều cao cột nước (m)
g là gia tốc trọng trường (g =10 m/s2)
L là chiều dài tổng của 1 bể (L = 130 m)
Để cho sinh khối không bám trên đáy bể khử khí thì cột nước lên phải cao hơn cột
nước xuống 1 góc 60o

12

Hình 2.4. Bộ tách chất lỏng và khí
Với: hD: chiều cao cột chất lỏng trong bể khử khí (m)
dt = W = 0,065m: độ rộng vùng khử khí
LD: chiều dài bể khử khí (m)
l: khoảng cách từ tâm ống vào đến tâm ống ra trong bể khử khí (m)
VR: thể tích chất lỏng trong cột nước lên (m3)
VD: thể tích chất lỏng trong cột nước xuống (m3)
Vx: thể tích chất lỏng trong góc lệch 600 (m3)
VL: thể tích chất lỏng trong thiết bị khử khí (m3)
Chọn chiều dài bể là LD = 1m => l = LD – 0,065 = 0,935 m
-

Thể tích chất lỏng trong cột nước lên:

-

Thể tích chất lỏng trong cột nước xuống:

-

Thể tích chất lỏng trong góc lệch 600 :
Với a = LD – 2dt = 1 – 0,065 2 = 0,87 m
b = tan 30 a = tan 30 0,87 = 0,5 m

-

Thể tích chất lỏng trong thiết bị khử khí:
VL = Vkk – VR – VD – Vx = 56,25 – 10 – 10 – 14 = 22,25 L

Chiều cao mực chất lỏng trong bể khử khí:
0,34 m

13


Để quá trình khử khí diễn ra hiệu quả thì thời gian dịch lỏng đi từ ống vào đến ống ra
trong vùng khử khí phải lớn hơn thời gian bọt khí đi lên bề mặt chất lỏng.
 LD⩾ hd
 Chấp nhận giá trị LD = 1 m và hd = 0,34 m
 Chiều cao thành bể phải lớn hơn 0,34 m
 Chọn chiều cao thành bể X = 1 m
Tóm lại, để đáp ứng nhu cầu sản xuất 1 tấn sinh khối tảo/năm, bể khử khí cần được
thiết kế theo các thông số sau:
Chiều dài bể: LD = 1 m
Chiều cao bể: X = 1 m
Chiều cao mực nước trong bể: hD = 0,34 m
Độ rộng của bể: W = 0,065 m
Chiều cao cột nước nâng: hr = 3 m
Đáy bể hợp với chiều cao bể 1 góc 60º

14


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].

Molina, E., Fernández, J., Acién, F. G., & Chisti, Y. (2001). Tubular

photobioreactor design for algal cultures. Journal of biotechnology,92(2), 113-131.

[2].

Tubular Glass Photobioreactors. SCHOTT AG.

[3].

Cronin, T. W. (2014). On the choice of average solar zenith angle.Journal of the

Atmospheric Sciences, 71(8), 2994-3003.
[4].

Polo, J., Bernardos, A., Martínez, S., & Peruchena, C. F. (2015). Maps of solar

resource and potential in Vietnam.
[5].

Grima, E. M., Camacho, F. G., Pérez, J. A., Sevilla, J. M., Fernandez, F. G., &

Gomez, A. C. (1994). A mathematical model of microalgal growth in light‐limited
chemostat culture. Journal of chemical technology and biotechnology, 61(2), 167173.
[6].

Alfano, O.M., Romero, R.L., Cassano, A.E., 1986. Radiatiofield modelling in

photoreactors. I. Homogeneousmedia. Chem. Eng. Sci. 41, 421–444.
[7].

John C. Sager and J. Craig McFarlane, 1997. Plant Growth Chamber handbook

chapter1. USA: Iowa State University.

[8].

Edmundson, S. J., & Huesemann, M. H. (2015). The dark side of algae cultivation:

Characterizing night biomass loss in three photosynthetic algae, Chlorella
sorokiniana, Nannochloropsis salina and Picochlorum sp. Algal Research, 12, 470476.
[9].

Zuber NN, Findlay JA. Average Volumetric Concentration in Two-Phase Flow

Systems. ASME. J. Heat Transfer. 1965;87(4):453-468. doi:10.1115/1.3689137.

15