BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MƠI TRƢỜNG



MƠN HỌC

KỸ THUẬT CÁC Q TRÌNH SINH HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG
SẢN XUẤT PROTEASE KIỀM TỪ BACILLUS
LICHENIFORMIS VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY)
200 TẤN/NĂM
GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN:
Th.S Nguyễn Thị Quỳnh Mai
SINH VIÊN THỰC HIỆN: …

1. VÕ VĂN CHUNG

2008140027

2. NGUYỄN ĐỨC THỊNH

2008140285

3. HỒ THỊ THỦY TRÚC

2008140347

Tp. Hồ Chí Minh, 5/2017

Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... 1
I.

GIỚI THIỆU VỀ BACILLUS LICHENIFORMIS VA ENZYME ................. 2

1.

Lịch sử phát hiện Bacillus licheniformis ................................................. 2

2.

Phân loại học .............................................................................................. 2

3.

Đặc điểm sinh dƣỡng ................................................................................. 2

4.

Tổng quan về protease kiềm ..................................................................... 3

5.


n dụn của enzyme protease: .............................................................. 4

II.

LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ .............................................................................. 6

III. TÍNH TỐN THIẾT BỊ .................................................................................... 7

1.

Tính tốn thiết bị lên men ......................................................................... 8

2.

Bể lên men chính........................................................................................ 9

3.

Thiết kế cánh khuấy .................................................................................. 9

4.

Kiểm sốt nồn độ oxy ............................................................................ 10

IV. KẾT LUẬN ....................................................................................................... 13
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 15

Trang 1



Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

I. Giới thiệu về Bacillus licheniformis và enzyme
1.

Lịch sử phát hiện Bacillus licheniformis
Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong lơng chim và đất.

Những con chim có xu hướng ở trên mặt đất nhiều hơn khơng khí (tức chim sẻ) và
trên mặt nước (tức là vịt) là những vật phổ biến mang vi khuẩn này; Nó chủ yếu được
tìm thấy xung quanh khu vực ngực của chim và bộ lông trở lại. 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.
Vi khuẩn này, mặc dù bất lợi, có thể được sửa đổi để trở nên hữu ích. Các nhà
nghiên cứu đang cố gắng biến lông chim thành thức ăn cho gia súc bổ dưỡng bằng
cách lên men các protein khơng tiêu hóa được trên lơng chim với B. licheniformis.
Ngồi ra cịn có nghiên cứu về khả năng rằng B. licheniformis gây ra sự thay đổi màu
sắc trong lông chim; Điều này sẽ cung cấp thơng tin về sự tiến hố của việc thuộc da.
Ngồi ra, ni cấy của B. licheniformis được thực hiện để giữ lại protease của nó, mà
lần lượt được sử dụng trong chất tẩy giặt.
2.

Phân loại học

Theo phân loại của Bergy (1974) Bacillus licheniformis thuộc:
Giới (Kingdom) : Bacteria
Ngành (Division): Firmicutes


3.

Lớp (Class)

: Bacilli

Bộ (Order)

: Eubacteriales

Họ (Family)

: Bacillaceae

Giống (Genus)

: Bacillus

Loài (Species)

: Bacillus licheniformis

Đặc điểm sinh dƣỡng
B.licheniformis là sinh vật hiếu khí tuy nhiên có thể tồn tại trong điều kiện kị

khí khi mơi trường có nitrat hoặc glucose. Nhiệt độ tối ưu là 370C nhưng sinh trưởng
được trong khoảng 30-500C, tối đa là 600C và pH tối ưu 9.

Trang 2



Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Nhu cầu dinh dưỡng: chủ yếu cần các nguyên tố C, H, O, N và một số nguyên
tố vi lượng khác. Vi khuẩn phát triển tốt trong môi trường cung cấp đủ nguồn carbon
(như glucose) và nitơ (như peptone).
Trong q trình ni cấy vi sinh vật thì trong mơi trường lên men phải có chứa
đầy đủ các thành phần sau.
-

Glucid: Glucid thường được sử dụng dưới dạng dịch chiết có đường, mật rỉ, tinh
bột…(phải thủy phân thành đường trước khi lên men).

-

Nitơ: Nitơ thường sử dụng trong lên men dưới dạng muối nitrat, các hợp chất
amon hoặc một số chất có nguồn gốc vi sinh vật.

-

Phosphat vơ cơ: Đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi năng lượng và tổng
hợp acid nucleic. Trong lên men các muối phosphat vô cơ được dùng phổ biến là
phosphat amon và phosphat kali.

-

Các chất sinh trưởng và các nguyên tố vi lượng: Vitamin và các nguyên tố vi
lượng là những chất cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật. Chúng thường

được sử dụng với lượng nhỏ nhưng tác dụng rất lớn và đa dạng không thể thiếu
được đối với hoạt động sống bình thường của vi sinh vật.
Ngồi ra trong mơi trường cịn có thể chứa các cơ chất cảm ứng khác tùy theo

sản phẩm muốn thu hồi.
4.

Tổng quan về protease kiềm
Protease kiềm là một enzyme sinh lý và nhóm enzyme thương mại quan trọng

sử dụng ban đầu như chất phụ gia trong tẩy rửa. Nó cụ thể xúc tác vai trò trong thủy
phân của protein. Năm 1994, tổng số thị trường cho các enzym công nghiệp chiếm
cho khoảng 400 triệu đơ, của enzymes dùng cho mục đích chất tẩy rửa trị giá là 112
triệu USD.. Ở Nhật, 1994 Protease kiềm doanh thu được ước tính 15 triệu yên (tương
đương 116 triệu đơ ). Enzyme này ước tính 40 % của tổng số trên tồn thế giới bán
enzym. Có dự kiến sẽ cho enzyme một xu hướng phát triển đi lên trong việc sử dụng
protease kiềm trong tương lai.

Trang 3


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Protease xúc tác sự phân cắt liên kết peptied trong protein. Protease được phân
chia thành 2 loại : endopeptidase và exopeptidase.
Dựa vào vị trí tác động trên mạch polipeptide, exopeptidase được phân chia
thành 2 loại :



Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi
polypeptide để giải phóng ra một acid amin,một dipeptide hoặc tri peptide.



Carboxypeptide: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi
polypeptide và giải phóng ra một acid amin hoặc một dipeptide.
Protease cũng có thể được phân loại dựa vào:
(A) pH
(B) tính đặc trưng của cơ chất
(C) Tính tương tự trong hoạt động để có đặc điểm Enzyme như trypsin,

chymotrypsin và Elastase
(D) vị trí hoạt động phần cịn lại axit amin và cơ chế chất xúc tác
Thông thường, protease được phân loại thành bốn nhóm quan trọng như
serine, cysteine, aspartic và kim loại proreases.
5.

n dụn của enzyme protease:
Protease là loại enzym được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công

nghiệp thực phẩm, y học, nông nghiệp v.v...Ở nước ta các nghiên cứu về protease
được bắt đầu từ những năm 60.
Tron côn n hiệp thực phẩm
Protease của vi khuẩn được sử dụng trong quá trình chế biến cá. Trong một số
trường hợp khi thêm protease sẽ làm tăng hương vị của sản phẩm. Ngồi ra protease
cịn được sử dụng để làm mểm thịt và tăng hương vị thịt sau khi chế biến. Nếu thủy
phân một phần protein của thịt rồi mới chế biến sẽ làm tăng hương vị thịt. Việc thủy
phân protein bằng protease không phá hủy các vitamin có trong ngun liệu, khơng

làm sẩm màu dịch thủy phân và không tạo thành các sản phẩm phụ khác. Người ta
cũng sử dụng protease để sản xuất các dịch đạm thủy phân từ các phế liệu giàu
protein như thịt vụn, đầu cá, da...và để sản xuất thức ăn kiêng.

Trang 4


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Một số protease có khả năng làm đơng sữa trong sản xuất phomat. Protease
làm phomat chóng chín, nâng cao chất lượng và có thể tạo ra nhiều loại phomat khác
nhau. Protease của vi khuẩn có thể thay thế một phần renin. Vì thế, ta có thể giảm giá
thành trong sản xuất phomat. Dùng protease của vi khuẩn để thu casein kỹ thuật dùng
trong các ngành khác nhau như: vecni, chất màu, hương liệu... Nó cũng được sử dụng
trong sản xuất chao và các dịch thủy phân.
Tron côn n hiệp nƣớc giải khát
Protease được sử dụng để làm trong bia và nước quả. Được sử dụng trong quá
trình sản xuất rượu giúp phân giải các protein có tác dụng kìm hãm amylase do đó
làm tăng q trình đường hóa tinh bột.
Tron cơn n hiệp thuộc da
Protease cịn được sử dụng để làm mềm da, tăng cường khả năng tách lông ra
khỏi da mà không là ảnh hưởng đến chất lượng da, vì vậy, da thu được sẽ mềm và
sạch lơng hơn.
Trong mỹ phẩm
Protease được sử dụng để bổ sung vào các loại xà phịng giặt, xà phịng tắm,
kem bơi mặt...Do nó có tác dụng loại bỏ lớp biểu bì da đã chết làm cho da mịn. các
loại xà phịng có chứa protease có tác dụng tẩy mồ hơi và các vết bẩn protein như:
vết máu..khá tốt.

Tron nôn n hiệp
Protease được sử dụng để xử lý các phế liệu giàu protein làm thức ăn cho vật
nuôi, nhằm tăng khả năng tiêu hóa thức ăn và hệ số sử dụng thức ăn, có thể tiến hành
bằng cách thêm trực tiếp protease vào thức ăn trước khi dùng hoặc dùng protease để
xử lý sơ bộ thức ăn.
Tron n hiên cứu khoa học
Được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc protein.
Tron côn n hiệp dƣợc phẩm và y học
Sản xuất các chất hoạt hóa và kiềm hãm protease để điều trị các bệnh đặc
trưng. Protease được sử dụng để tăng khả năng tiêu hóa protein ở những người bị tiêu
hóa kém do dạ dày, tụy tạng hoạt động khơng bình thường do thiếu enzym. Protease
còn được sử dụng để phân hủy các cục máu đông trong cơ thể để chữa bệnh nghẽn
Trang 5


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

tỉnh mạch. Protease được sử dụng để làm tiêu mủ ở các vết thương, các ổ viêm, làm
thông đường hô hấp...
Trong xử lý rác
Hiện nay đất nước đang ngày càng phát triển, dân số tăng nhanh, khối lượng
chất thải đặc biệt là rác hữu cơ trong công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt tăng rất
nhanh. Hiện nay, người ta xử lý rác bằng cách đốt ở các nhà máy thu hơi nhiệt cho
nhà mát phát điện hoặc nhà mày hơi công nghiệp. Khi đốt như thế các chất thải là các
chất tổng hợp, cao su sẽ gây ra nhiều khí độc như SO2, SO3, P2O5, NO, NO2, CO...
gây hại cho sức khỏe. Nhờ tiến bộ của công nghệ sinh học, người ta đã đề ra con
đường xử lý rác bằng con đường sinh học. Tức là phân hủy rác hữu cơ dưới tác dụng
của vi sinh vật. Nguồn vi sinh vật có hoạt tính protease hiện hữu khá phong phú trong

tự nhiên. Người ta có thể sử dụng các vi sinh vật này để phân hủy các nguồn protein
động vật và thực vật có trong rác hữu cơ. Để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường
sống, đồng thời tận dụng phế liệu sản xuất ra những vật liệu quan trọng cho các
ngành. Một trong những biện pháp tốt nhất là tái xuất phế thải làm phân bón hữu cơ,
giá thể trồng nấm, ni giun... Do đó phải tạo điều kiện cần thiết nhằm thúc đẩy
mạnh hoặc khống chế hoạt động của vi sinh vật làm cho rác hoại kĩ hơn, đỡ mất chất
dinh dưỡng.
Trong kỹ nghệ phim ảnh
Protease từ vi khuẩn được sử dụng để tái sinh các nguyên liệu cảm quan khác
nhau như phim điện ảnh, phim rơnghen, phim chụp. Nó sẽ phân giải và hịa tan lớp
nhủ tương gelatin trên phim và giấy ảnh, do đó có thể làm sạch và sử dụng trở lại các
loại phim và giấy ảnh q.
II. Lựa chọn cơn n hệ
Để đáp ứng nhu cầu của ngành cơng nghiệp, chi phí sản xuất thấp được ưu
tiên hàng đầu để sản xuất một enzyme như protease kiềm. Theo truyền thống thì lên
men chìm vẫn được sử dụng nhiều hơn vì dễ xử lý, kiểm sốt tốt hơn các u tố mơi
trường như nhiệt độ, pH. Môi trường tổng hợp đã được sử dụng để lên men sản xuất
protease kiềm thông qua SMF. Thành phần của môi trường tổng hợp bao gồm canh
trường dinh dưỡng cơ bản và tinh bột hòa tan, những thành phần này rất đắt tiền và

Trang 6


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

được thay thế bằng các phụ phẩm nông nghiệp giá rẻ hơn để giảm chi phí cho mơi
trường ni cấy nếu áp dụng vào sản xuất ở qui mô lớn.
Trong SMF, sẽ chọn phương thức nuôi cấy gián đoạn để ni và thu enzyme

theo mẻ vì Bacillus licheniformis có thể sinh trưởng tốt trong canh trường dinh
dưỡng cơ bản mà không bị ức chế bởi nồng độ cao của thành phần dinh dưỡng, bên
cạnh đó việc sử dụng gián đoạn bổ sung cơ chất ngoài dễ bị nhiễm khuẩn, tốn năng
lượng thì cịn sẽ tốn nhiều chi phí cho nhân cơng vận hành, quản lý.
III. Tính tốn thiết bị
Năng suất nhà máy sản xuất protease kiềm là 200 tấn/năm.
Tlàm việc= 330 (n ày)
Thời gian một mẻ là: 3 ngày (72 giờ). Thời gian nghỉ giữa mỗi mẻ là 0.5 ngày.
Vậy tổng thời gian cho một mẻ là tmẻ= 3.5 n ày
Vậy số mẻ một năm là:

= 95 mẻ.

Năng suất của nhà máy:

(tấn/mẻ) = 2110 (kg/mẻ)

Hoạt lực enzyme trong chế phẩm enzyme thương mại với độ tinh sạch dùng
trong các lĩnh vực kỹ thuật là 35- 40% : 102 UI/mg = 102 000 UI/g chế phẩm (Theo
Biochemical Engineering Journal 34, 2007)
(Một đơn vị hoạt lực của enzyme protease kiềm (UI) được xác định là lượng
enzyme cần để giải phóng ra 1 mol đường khử như đường maltose trong 1 phút ở
điều kiện phản ứng pH= 9 và 60oC.)
Tổng đơn vị hoạt lực thu được sau một mẻ nuôi cấy là:
102 000

2 110

1 000 = 21.52


1010 (UI)

Để đạt năng suất enzyme 200 tấn/năm như vậy tổng hoạt lực enzyme thu được
là 21.52

1010 UI.

Với tổng hoạt lực enzyme thu được là 21.52

1010 UI thì ta cần lên men với

thể tích là:
(21.52

1010)

102 000 = 2 109 804(L)

Trang 7

2 110 (m3)


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Lượng giống cho vào bể nuôi cấy là 10% thể tích dịch canh trường (Theo bài
báo "Alkaline protease production by submerged fermentation in stirred tank reactor
using Bacillus licheniformis NCIM-2042: Effect of aeration and agitation regimes",

2007):
2 110 x 10% = 211 (m3).
Bể lên men chính có thể tích lên men là 2110 m3 nên:
Thể tích lên men ban đầu: VO = 20%.V= 422 (m3)
1.

Tính tốn thiết bị lên men
Bể lên men chính có thể tích lên men là 2110 m3
Chọn thiết bị lên men có hình trụ nón và có cánh khuấy, được làm bằng thép

không gỉ.
Cho hệ số chứa đầy của bể lên men là 0.8 thì ta có:
Bể lên men có tổng thể tích là:

= 2 638 (m3)

Ta xây dựng 1 thiết bị lên men với thể tích là 2638 m3
Theo Nguyễn Hồng Lộc, 2006 thì u cầu bể lên men:
Tỉ lệ chiều cao so với đường kính là 2:1 hoặc 3:1, thường được khuấy bằng 2
hay 3 turbin khuấy (cánh khuấy). Trục cánh khuấy được gắn trên nắp hoặc từ đáy của
thùng bằng giá đỡ.
Tỉ lệ đường kính cánh khuấy (Dck) trên đường kính của thùng (DT) thường là từ
0,3-0,4. Trong trường hợp hệ lên men có hai cánh khuấy, thì khoảng cách giữa cánh
khuấy thứ nhất với đáy của bể và khoảng cách giữa hai cánh khuấy bằng 1,5 đường
kính cánh khuấy. Khoảng cách này giảm xuống cịn 1,0 so với đường kính cánh
khuấy trong trường hợp hệ lên men có ba cánh khuấy.


Bốn vách ngăn cách đều nhau được thiết kế để ngăn cản sự hình thành dịng
xốy làm giảm hiệu suất pha trộn. Chiều rộng của vách ngăn thường bằng 1/10

đường kính của thùng.

Trang 8


Kỹ thuật các quá trình sinh học


GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Ở trường hợp hệ lên men hiếu khí (aerobic fermenter), thì một bộ phun lỗ đơn
(single orifice sparger) hoặc một bộ phun vịng được sử dụng để sục khí cho hệ
lên men. Bộ phận phun được đặt ở vị trí giữa cánh khuấy cuối cùng và đáy của
vessel.



Độ pH trong hệ lên men có thể được duy trì bằng cách dùng dung dịch đệm
hoặc bộ điều chỉnh pH (pH controller).



Nhiệt độ được điều chỉnh bằng hệ thống gia nhiệt và làm lạnh tự động.

Hình 5.1. Sơ đồ cấu tạo bể lên men theo mẻ

2.

Bể lên men chính
Chọn tỉ lệ chiều cao (HT) : đường kính (DT) là 2:1 (HT=2DT)

Bể có dạng hình trụ trịn nên ta có:
V = HT .

= 2638 (m3)

mà HT = 2DT nên V = 2DT .

=

= 2638

Suy ra: .DT3 = 5276 => DT = 11.89 (m). Từ đó ta có: HT = 2DT = 23.78 (m).
Vậy đường kính bể lên men cần xây dựng là 11.89m và chiều cao là 23.78 m.
3.

Thiết kế cánh khuấy

Ta chọn tỉ lệ đường kính cánh khuấy và đường kính bể là: 0.3 hay Dck = 0.3 DT.
 Đường kính cánh khuấy: Dck = 0.3 x 11.89 = 3.567 (m).
Trang 9


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Chiều rộng của vách ngăn bằng 1/10 đường kính bể nên:
 Chiều rộng vách ngăn: Avn = 1/10 x 11.89= 1.189 (m)
Chiều cao lưỡi cánh khuấy bằng 0.2 so với đường kính cánh khuấy nên:
 Chiều cao lưỡi cánh khuấy: Hck = 0.2 x 3.567= 0.713(m)

Chiều rộng của cánh khuấy bang 0.25 so với đường kính cánh khuấy nên:
 Chiều rộng cánh khuấy: Ack = 0.25 x 3.567 = 0.892 (m)
Với chiều cao bể là 23.78 m ta thiết kế bể có 2 cánh khuấy, do đó khoảng cách giữa
cánh thứ nhất với đáy bể và giữa 2 cánh là 1.5 lần đường kính cánh khuấy, nên:
 Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy cần tính là: 1.5 x 3.567 = 5.351 (m)
Kiểm sốt nồn độ oxy
Cơng thức tính tốc độ truyền khối oxy trong pha lỏng: OTR = kL.a (C*OL –

4.
COL)

Trong đó:
OTR: tốc độ cung cấp khí oxy.
KL: hệ số truyền khối trong pha lỏng.
a: diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích bể phản ứng (m2/m3).
C*OL: nồng độ oxy bão hòa trong pha lỏng cân bằng với pha khí.
COL: nồng độ oxy trong pha lỏng tại thời điểm đo.
Xác định C*OL
Theo định luật Henry thì C*OL phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy trong
khí sử dùng và độ hịa tan của oxy. Hay: C*OL = po.Ho
Trong đó: po: áp suất riêng phần của oxy trong khí dùng để sục.
Ho: độ hịa tan của oxy trong phần lỏng của dịch lên men.
Áp suất riêng phần của oxy phụ thuộc vào loại khí sử dụng là khí quyển, khí
oxy ngun chất,…để po cao thì ta có thể tăng hàm lượng oxy trong dịng khí vào.
Độ hòa tan của oxy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
 Nhiệt độ của môi trường nuôi cấy, nhiệt độ càng cao thì oxy hịa tan càng kém.
 Đặc tính hóa lý của mơi trường: thành phần mơi trường, áp suất, hàm lượng sinh
khối vi sinh vật, độ nhớt mơi trường. Các yếu tố này càng tăng thì Ho càng giảm.
 Diện tích bề mặt thống càng tăng thì oxy hòa tan càng tốt.


Trang 10


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Ngồi ra Ho càng giảm khi trong mơi trường có các chất hoạt động bề mặt, chất
phá bọt…
Xác định po
Ta sử dụng khí trời để sục nên áp suất của khí là 1atm. Tỉ lệ oxy trong khí
quyển là 21%. Nên áp suất riêng phần của oxy trong khí quyển là: po = 0.21 atm.
Xác định Ho
Quá trình lên men được duy trì ở 30oC tại áp suất 1 atm thì hàm lượng oxy hịa
tan:
Ho = 26.1 (ml/L)
(Bảng Độ hòa tan của oxy trong nước theo nhiệt độ vá áp suất - Sổ tay QT&TB
1).
Cùng 1mol oxy thì ta có V = 22.4(L) và m = 32 (g). Từ đó ta có hệ số chuyển
đổi từ ml sang mg là: 1 ml =

= 1.4 mg

Ho = 26.1 x 1.4 = 36.54 (mg/L)
Xác định C*OL
Nồng độ oxy bão hòa:
C*OL = po.Ho = 0.21 x 36.54= 7.67 (mg/L)
Xác định kL.a
Quan hệ của kL.a và một số thông số theo công thức thực nghiệm:
KL.a = 2.10-3.( )


.uG0.2

Trong đó: P: cơng suất cánh khuấy (W)

P NP (Tốc độ cánh khuấy)

uG: vận tốc bọt khí (m/s)
V: thể tích lên men (L)
Cơng suất cánh khuấy trung bình tương đương 1 5 kW cho 1m3 mơi trường
(Lê Văn Hồng, 2007). Chọn cơng suất cánh khuấy trung bình là 2.5 kW.
Thể tích lên men: 2110 m3 nên chọn côn suất cánh khuấy là
2.5 x 2110 = 5 275 kW.
Để đạt được cơng suất trên thì tốc độ cánh khuấy (NP) được tính là:
NP =

với

Q=

=>

NP =
Trang 11


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai


Trong đó:
Q: lưu lượng thể tích chất lỏng tạo ra do cánh khuấy hoạt động (m3/s)
NP: tốc độ cánh khuấy (rps)
Dck: đường kính cánh khuấy (m)
V: thể tích làm việc bể phản ứng (m3)
tm: thời gian để các phân tử trong môi trường được khuấy trộn (s).
Chọn tm = 14.3 (s)
NP =

=

= 3.25(rps) = 195 (rpm)

(Phù hợp với khoảng tốc độ cánh khuấy 120-200 rpm đối với lên men vi sinh
vật ở quy mô công nghiệp, Theo PGS.TSKH Lê Văn Hồng, 2007).
Chọn vận tốc bọt khí: uG = 0.06 (m/s). Từ đó ta có hệ số truyền khối KL.a:
kL.a = 2.10-3.( )
Chọn COL= 0.6

.uG0.2 = 2.10-3.(

)

.0.060.2 = 0.27 (s-1)

C*OL => COL = 0.6 x 7.67 = 4.6 (mg/L)

Tốc độ truyền khối oxy:
OTR = kL.a (C*OL – COL) = 0.27


(7.67 – 4.6) = 0.8289 (mg.L-1.s-1) = 2.984

(g.L-1.h-1)
Chọn COL= 0.6

C*OL => COL = 0.6 x 7.67 = 4.6 (mg/L)

Nồng độ sinh khối trong canh trường nuôi Bacillus licheniformis là X = 32 g/l
(Theo bài báo "Alkaline protease production by submerged fermentation in stirred
tank reactor using Bacillus licheniformis NCIM-2042: Effect of aeration and
agitation regimes", 2007).
Cơng thức tính tốc độ sử dụng oxy: OUR = qO2

X

Trong đó:
qO2 : tốc độ sử dụng oxy riêng (mmol oxy/g sinh khối.h)
X: nồng độ sinh khối trong canh trường (g/L canh trường)
Theo quy luật: OTR

OUR hay kL.a (C*OL – COL)

Trang 12

qO2

X


Kỹ thuật các quá trình sinh học


GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Xác định tốc độ sử dụn oxy riên
qO2 =
Trong đó:
μ: tốc độ tăng trưởng riêng (h-1)
yo: năng suất sinh khối tạo ra bởi 1 mol oxy (g sinh khối/ mol oxy).
Với μ = 0.12 h-1 (Hanjing Huang, 2004) đối với Bacillus licheniformis trong
nuôi cấy thu nhận enzyme protease.
Theo Lê Văn Hồng, 2007 thì ta có yo= 0.260 mol oxy / g sinh khối
yo =

= 266,67 (g sinh khối/ mol oxy).

Tốc độ sử dụng oxy riên : qO2 =

= 4,5

10-4 (mol oxy. h-1.g-1) =

0.45 (mmol/h.g)
Xác định OUR
Ta có: X = 32 (g/L). Nên:
OUR = qO2

X = 4,5 10-4

Ta thấy: OTR = 2.984


32 = 0.0144(mol oxy/ h.L) = 0.461 (g.h-1.L-1)

OUR = 0.461 vì vậy hệ thống cấp khí là phù hợp cho

hoạt động lên men.
IV. KẾT LUẬN
Để đạt năng suất nhà máy sản xuất protease kiềm là 200 tấn/năm thì sẽ chọn
phương thức nuôi cấy gián đoạn để nuôi và thu enzyme theo mẻ vì Bacillus
licheniformis có thể sinh trưởng tốt trong canh trường dinh dưỡng cơ bản mà không
bị ức chế bởi nồng độ cao của thành phần dinh dưỡng, bên cạnh đó việc sử dụng gián
đoạn bổ sung cơ chất ngồi dễ bị nhiễm khuẩn, tốn năng lượng thì cịn sẽ tốn nhiều
chi phí cho nhân cơng vận hành, quản lý.
Từ q trình tính tốn ta có các thơng số của bể phản ứng:
-

Vậy số mẻ một năm là: 95 mẻ.

-

Với tổng hoạt lực enzyme thu được là 21.52
tích là: 2 110 (m3).

-

Lượng giống cho vào bể nuôi cấy là 211 m3

Trang 13

1010 UI thì ta cần lên men với thể



Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

-

Thể tích bể lên men ban đầu: VO = 20%V= 422 (m3)

-

Đường kính bể lên men cần xây dựng là 11.89m và chiều cao là 23.78 m.

-

Đường kính cánh khuấy: 3.567 (m).

-

Chiều rộng vách ngăn: 1.189 (m)

-

Chiều cao lưỡi cánh khuấy: 0.713(m)

-

Chiều rộng cánh khuấy: 0.892 (m)

-


Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy cần tính là: 5.351(m)

-

Nồng độ oxy bão hịa: C*OL = 7.67 (mg/L)

-

Thể tích lên men: 2110 m3 nên chọn công suất cánh khuấy là 5 275 kW.

-

Tốc độ truyền khối oxy: OTR = 0.8289 (mg.L-1.s-1) = 2.984 (g.L-1.h-1)

-

Nồng độ sinh khối trong canh trường nuôi Bacillus licheniformis là X = 32 g/l

-

Tốc độ sử dụng oxy riêng: qO2 =4,5 10-4 (mol oxy. h-1.g-1) = 0.45 (mmol/h.g)

-

tốc độ sử dụng oxy: OUR = 4,5 10-4

32 = 0.0144(mol oxy/ h.L)

= 0.461 (g.h-1.L-1)


Trang 14


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt:
[1]. GS.TSKH. Nguyễn Bin. “Các q trình và thiết bị trong cơng nghệ hóa
chất và thực phẩm”. NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2004.
[2]. PGS.TSKH. Lê Văn Hồng. “Các q trình và thiết bị công nghệ sinh học
trong công nghiệp”. NXB Khoa học và Kỹ thuật. 2007.
[3]. Nguyễn Hoàng Lộc. “Giáo trình cơng nghệ tế bào”. NXB Đại học Huế.
2006.
[4]. Nguyễn Châu Sang và Nguyễn Thị Hà. “Tinh sạch và khảo sát một số đặc
điểm của protease chịu kiềm từ Bacillus sp. SV1”. Tạp chí Khoa học Trường Đại học
Cần Thơ Phần B: Nông nghiệp, Thủy sản và Công nghệ Sinh học: 35 (2014): 48-55.

Tài liệu Tiếng Anh:
[5]. Alina Sánchez Blanco, Osmar Palacios Durive. “Simultaneous production
of amylases and proteases by Bacillus subtilisin brewery wastes”. Braz J Microbiol.
2016 Jul-Sep; 47(3): 665–674.
[6]. Hitesh Jagani. “An Overview of Fermenter and the Design Considerations
to Enhance Its Productivity”. Pharmacologyonline 1: 261-301 (2010).
[7]. Grant W D, M watha W E & Jones B E, Alkalophiles: ecology, diversity
and application, FEMS Microbiol rev, 75 (1990).
[8]. Ravichandra Potumarthi, Subhakar Ch., Annapurna Jetty, Alkaline protease
production by submerged fermentation in stirred tank reactor using Bacillus

licheniformis NCIM-2042: Effect of aeration and agitation regimes, Biochemical
Engineering Journal 34 (2007).

Trang 15


Kỹ thuật các quá trình sinh học

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Quỳnh Mai

[9]. Pmar Cahk**, Güzide £alik+ and Timber . Özdamar, Bioprocess
development for serine alkaline proteaseproduction:a review, Department of
Chemical Engineering, Middle East Technical University, 06531 Ankara, Turkey.
[10]. Nielsen, J, and Villadsen, J. Bioreaction Engineering Principles, Plenum
Press, New York. 1994, pp. 55-83.
[11]. Jacobs, M. Expression of the subtilisin Carlsberg-encoding gene in
Bacillus licheniformis and Bacillus subtilis,Gene. 1995,152: 69-74.

Trang 16