Tiểu luận Sản xuất VitaminC

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Ngành Công Nghệ Sinh Học Tiểu Luận Sản xuất VitaminC Thành viên: 60900026 Nguyễn Văn An 60900217 Nguyễn Lê Minh Châu 60900832 Trần Trung Hiếu 60901001 Huỳnh Hoàng Huy 60901787 Nguyễn Lê Nhã 60902697 Phạm Thị Thanh Thủy 60902979 Nguyễn Đức Trung Mục lục PHẦN I: VITAMIN C Đôi nét w D-Ascorbic Acid, thường được biết đến rộng rãi là Vitamin C là một thành phần quan trọng có trong dinh dưỡng của con người, là một chất chống oxy hoá và là enzyme quan trọng cho hệ thống tiêu hoá; mà thiếu nó thì sẽ gây ra bệnh scorbut cho con người. Acid ascorbic (Dạng khử) Acid dehydroascorbic (Dạng oxi hóa) Tính chất Tên UIAP 2-oxo-L-threo-hexono-1,4- lactone-2,3-enediol or(R)-3,4-dihydroxy-5-((S)- 1,2-dihydroxyethyl)furan-2(5H)-one Công thức hóa học C6H8O6 Phân tử gram 176.14 g/mol Nhiệt đô nóng chảy 190-192 0C Bán rã 16 ngày Bài tiết thận w Vitamin C kết tinh không màu hoặc hơi vàng, rất dễ tan trong nước (300g/lít). Dung dịch nước 5% có pH=3. Có khi dùng dạng muối natri dễ tan trong nước hơn (900g/lít). w Sự hiện diện của ascorbat là cần thiết trong một loạt các phản ứng trao đổi chất trong tất cả các động vật và cây cối và được được tạo ra trong cơ thể bởi hầu như tất cả các cơ thể sinh vật, loại trừ loài người. Nguồn gốc w Vitamin C có nhiều trong các loại rau quả tươi như nước cam, chanh, quít, và có hàm lượng cao trong rau xanh, đặc biệt là bông cải xanh, tiêu, khoai tây, cải brussel,rau cải, cà chua, xoong cam, quýt, chanh, bưởi … Vitamin C là vi chất thiết yếu cho cơ thể người đặc biệt là cho phụ nữ mang thai và trẻ nhỏ. w Một người thường trung bình cần 45mg/ngày, riêng phụ nữ đang mang thai là 55mg/ngày và cho con bú thì cần nhiều hơn 90mg/ngày,trẻ em từ sơ sinh đến 3 tuổi cần 20-30mg/ngày,từ 4-18 tuổi cần 30-40 mg/ngày (theo nguồn của Tổ chức Y tế thế giới và Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc, 2002). World's Healthiest Foods ranked as quality sources of:vitamin C Food ServingSize Cals Amount(mg) DV(%) NutrientDensity World'sHealthiestFoods Rating Bell peppers, red, raw, slices 1 cup 24.8 174.80 291.3 211.1 Excellent Parsley, fresh 2 tbs 2.7 9.97 16.6 110.8 Excellent Broccoli, steamed 1 cup 43.7 123.40 205.7 84.8 Excellent Cauliflower, boiled 1 cup 28.5 54.93 91.5 57.8 Excellent Strawberries 1 cup 43.2 81.65 136.1 56.7 Excellent Lemon juice, fresh 0.25 cup 15.2 28.06 46.8 55.2 Excellent Romaine lettuce 2 cup 15.7 26.88 44.8 51.4 Excellent Mustard greens, boiled 1 cup 21.0 35.42 59.0 50.6 Excellent Brussel sprouts, boiled 1 cup 60.8 96.72 161.2 47.7 excellent Papaya 1 each 118.6 187.87 313.1 47.5 excellent Turnip greens, cooked 1 cup 28.8 39.46 65.8 41.1 excellent Grapefruit 0.50 each 36.9 46.86 78.1 38.1 excellent Kiwifruit 1 each 46.4 57.00 95.0 36.9 excellent Cantaloupe, cubes 1 cup 56.0 67.52 112.5 36.2 excellent Oranges 1 each 61.6 69.69 116.2 34.0 excellent Cabbage, shredded, boiled 1 cup 33.0 30.15 50.2 27.4 excellent Tomato, ripe 1 cup 37.8 34.38 57.3 27.3 excellent Raspberries 1 cup 60.3 30.76 51.3 15.3 excellent Asparagus, boiled 1 cup 43.2 19.44 32.4 13.5 excellent Spinach, boiled 1 cup 41.4 17.64 29.4 12.8 excellent Cucumbers, slices, with peel 1 cup 13.5 5.51 9.2 12.2 very good Pineapple 1 cup 76.0 23.87 39.8 9.4 excellent World's HealthiestFoods Rating Rule excellent DV>=75% OR Density>=7.6 AND DV>=10% very good DV>=50% OR Density>=3.4 AND DV>=5% good DV>=25% OR Density>=1.5 AND DV>=2.5% Vài nét lịch sử Vào năm 1928 Albert Szent Gyorgyi chiếc xuất thành ông vitamin C bắt đầu cho hàng loạt các phát hiện khác liên quan đến vitamin C trong y học và sản xuất như: 1932 Haworth và King lập nên cấu trúc vitamin C 1932 mối quan hệ giữa vitamin C và các yếu tố chống bịnh hoại huyết được phát hiện bởi Szent-Györgyi và cùng một lúc bởi King và Waugh. 1933 Basle, Reichstein tổng hợp acid ascorbic trong tự nhiên vitamin C. Đây là bước đầu tiên hướng tới sản xuất công nghiệp vitamin c vào năm 1936. Lợi ích của vitamin C Thúc đẩy sự hình thành collagen Khi thiếu vitamin C, quá trình tổng hợp collagen gặp trở ngại, khiến các vết thương lâu lành dẫn đến xuất huyết ở nhiều mức độ khác nhau (vỡ mao mạch, chảy máu dưới da, chảy máu lợi), thành mạch yếu… là các hiện tượng thường thấy ở bệnh scobat. Chất kích hoạt enzyme Vitamin C có thể bảo vệ vitamin A, vitamin E, và các axit béo thiết yếu khỏi bị tiêu huỷ; làm cho sắt có trong thức ăn được duy trì trong trạng thái hoàn nguyên, thúc đẩy sự hấp thụ và chuyển dịch tồn trữ sắt trong cơ thể. Làm cho can-xi trong thành ruột không bị kết tủa, giúp cải thiện tỷ lệ hấp thụ can-xi vào cơ thể. Tham gia phản ứng hydroxyt của cholesterol thành axit cholic, có hiệu quả nhất định trong điều trị thiếu hồng cầu. Tham gia quá trình chuyển hóa cholesterol Giúp 80% cholesterol chuyển hóa thành sulfat tan trong nước để bài tiết khỏi cơ thể, giảm hàm lượng cholesterol trong máu; loại bỏ cholesterol tích tụ trong động mạch; gia tăng các thành phần có ích của máu như lipoprotein, có ý nghĩa quan trọng trong phòng chống xơ vữa động mạch. Tham gia quá trình bài tiết chất độc khỏi cơ thể Tiếp tục ô-xy hóa thành glutathione (diketo golunat) cùng với chất độc trong cơ thể bị bài tiết ra ngoài. Phòng chống ung thư Việc giảm vitamin C trong đường tiêu hóa ngăn chặn sự hình thành nitrosamines, có hiệu quả ngăn ngừa sự xuất hiện của các khối u đường tiêu hóa; ngoài ra vitamin C còn tham gia trong tổng hợp collagen, giúp các tế bào kẽ duy trì cấu trúc bình thường, làm giảm quá trình phát triển của tế bào ung thư. Chống cảm lạnh Vitamin C có thể cải thiện khả năng kháng bệnh của các tế bào miễn dịch và tăng cường miễn dịch của cơ thể và miễn dịch humoral, loại bỏ các yếu tố gây bệnh, giữ hệ hô hấp được bảo toàn. Khi thiếu nó, biểu mô tế bào kháng bệnh ở khí quản và phế quản bị giảm xuống. Các thí nghiệm cho thấy, uống 1.000 mg vitamin C mỗi ngày có thể giảm 50% nguy cơ bị cảm lạnh và giảm 23% các triệu chứng cảm cúm. Bảo vệ da, chống nếp nhăn Vitamin C là chất kích hoạt enzyme, có thể gia tăng sự hoạt động của một số kim loại, giúp da chống lại các gốc tự do sinh ra bởi tia cực tím, tránh sự xuất hiện của tàn nhang, thúc đẩy sự trao đổi chất, góp phần ngăn ngừa lão hóa da. Các sản phẩm vitamin C trên thị trường Vitamin thô (acid ascorbic) thường không bền vững trong điều kiện bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, acid hay các hợp chất alkan. Để hạn chế sự phân hủy trong sử dụng, vitamin thô được phối trộn với các thành phần khác hay cũng có thể các vitamin được cải tiến đa dạng hơn để đưa vào sản xuất. Vitamin C trên thị trường rất đa dạng về mẫu mã. Bao gồm các dạng bột, dạng viên; độ tinh khiết khác nhau và cải tiến hóa học như Sodium ascorbate và Calcium ascorbate Chú ý: w Nếu chế độ ăn uống không đủ đáp ứng nhu cầu vitamin C của cơ thể, thì có thể thay thế bằng dạng viên bổ sung (2-3 viên mỗi ngày). Vitamin C là chất hòa tan trong nước. Nếu lượng Vitamin C trong cơ thể dư thừa, chúng sẽ tự động bài tiết khỏi cơ thể, không mang độc tính. Ngoài ra, người hút thuốc lá, aspirin, thuốc tránh thai, thường xuyên căng thẳng tâm lý và làm việc trong môi trường nóng bức có thể tăng cường bổ sung lượng vitamin C cho cơ thể. w Các sản phẩm mỹ phẩm thường chứa nhiều vitamin C, dùng không đúng cách sẽ gây ra tác dụng phụ. Vitamin C có tính thẩm thấu mạnh, sử dụng quá nhiều khiến da bị mất nước, khô da và thậm chí đỏ rát da. Vitamin C có trong mỹ phẩm có thể được điều chế qua nhiều hình thức. Vì vậy, phụ nữ muốn làm đẹp, hãy dùng rau quả tươi và hoa quả để sự hấp thụ vitamin C được tốt hơn. PHẦN 2: QUY TRÌNH CHUNG TỔNG HỢP VITAMIN C Giới thiệu phương pháp sản xuất Kỹ thuật của công nghệ sản xuất acid ascorbic được dựa trên sự tổng hợp Reichstein cổ điển. Đây là quy trình thường được áp dụng ở các nhà máy sản xuất tuy nhiên nó đã được phát triển hơn bằng cách sử dụng cộng nghệ mới nhất, đặc biết là giảm thiểu tiêu tốn năng lượng, hạ giá thành sản phẩm và cải thiện điều kiện môi trường. “Hiện nay tại Việt Nam, quá trình sản xuất acid ascorbic đang được chính phủ đầu tư kinh phí theo Quyết đinh của thủ tướng chính phủ số 61/2007/QĐ –TTG ngày 07 tháng 05 năm 2007 về việc phê duyệt “chương trình nghiên cứu khoa học công nghệ trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp hóa dược đến năm 2020’’ ở hạng mục : Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ mới tạo nguyên liệu để sản xuất vitamin C:+ Khảo sát các chủng vi sinh vật acetobacter và pseudomonas dùng để chuyển đổi sorbitol thành acid 2-ketogulonic; + Khảo sát phản ứng ester hoá acid 2-ketogulonic; + Khảo sát phản ứng enol hoá và lacton hoá, tinh chế thành vitamin C. Dự kiến kết quả: + Quy trình công nghệ sản xuất nguyên liệu để bào chế vitamin C đạt tiêu chuẩn Dược điển Anh năm 2003.  Nội dung 2: Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất sorbitol từ glucose:+ Nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu, điều kiện xử lý và hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất; + Nghiên cứu phương pháp thu hồi và bảo quản sản phẩm;+ Ứng dụng vào chế biến một số sản phẩm bánh kẹo, kem.Dự kiến kết quả:+ Quy trình công nghệ sản xuất sorbitol từ đường glucose;+ Dây chuyền thiết bị pilot sản xuất sorbitol công suất 100 tấn/năm. “ Vitamin C đã được sản xuất thương mại bằng cách chiết xuất từ thực vật, bằng cách tổng hợp hóa học, bằng con đường lên men và phương pháp hỗn hợp lên men / tổng hợp hóa học.  Sản xuất vitamin C được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhauTrong đó, có thể kể đến 2 phương pháp sau: Trong bước đầu tiên của cả quá trình Reichstein truyền thống và quá trình lên men hai giai đoạn mới, sorbitol bị oxy hóa thành sorbose bằng cách lên men. (Sorbitol có thể được tạo thành bằng cách giảm Glucose ở nhiệt độ cao) Quy trình Reichstein Được phát minh bởi Tadeus Reichstein và đồng nghiệp của ông vào năm 1933, quy trình này được sử dụng trong tổng hợp acid ascorbic từ Glucose và sau đó được bán cho Hofmann La Roche vào năm 1935. w Quá trình Reichstein là một phương pháp hỗn hợp giữa lên men và tổng hợp hóa học, lần đầu tiên được sử dụng trong năm 1933 và vẫn còn được sử dụng bởi Roche, BASF và Takeda. w Trong đó, sorbose được chuyển hóa thành acid diacetone ketogulonic (DAKS) trong một quá trình hóa học 2 giai đoạn.Bước đầu tiên liên quan đến một phản ứng với acetone, tạo ra diacetone sorbose, mà sau đó bị oxy hóa bởi clo và sodium hydroxide tạo DAKS. w Tiếp theo, DAKS được hòa tan trong 1 hỗn hợp các dung môi hữu cơ. Và bằng cách sử dụng một chất xúc tác axit, cấu trúc của nó được sắp xếp lại để hình thành vitamin C. (Giai đoạn này tương tự như trong quá trình lên men hai giai đoạn) w Cuối cùng, các vitamin C thô được tinh chế qua sự tái kết tinh.Nhiều thay đổi kỹ thuật và hóa học đã được thực hiện để tối ưu hóa và rút ngắn các con đường phản ứng khác nhau.Do đó, mỗi bước có một năng suất trên 90%. Tổng sản lượng vitamin C từ đường là khoảng 60% w Các giai đoạn khác nhau của quá trình Reichstein sử dụng số lượng đáng kể của  các dung môi hữu cơ cơ và vô cơ và hóa chất. Chúng bao gồm acetone, acid sulfuric và hydroxit natri. Mặc dù một số các hợp chất này có thể được tái chế, việc kiểm soát  nghiêm ngặt môi trường là cần thiết, do đó chi phí xử lý chất thải là đáng kể. Sơ đổ quy trình Reichstein: Fermentation Acid Di –acetone Ketogulonic  Quy trình Reichstein Sorbitol D-Glucose Gluconobacter Suboxydans Sorbose Diacetone sorbose Clo + NaOH Acetone Vitamin C thô Vitamin C tinh khiết Các dung môi hữu cơ Tinh chế Quy trình lên men hai giai đoạn Phương pháp mới hơn được phát triển tại Trung Quốc đã được triển khai tới một số công ty châu Âu. Với chi phí sửa chửa và vốn ban đầu thấp hơn dẫn đến việc tiết kiệm chi phí chỉ còn bằng một phần ba so với phương pháp Reichstein w Trong quy trình này, giai đoạn lên men thứ 2 được thay thế bởi phản ứng hóa học dùng để tổng hợp DASK trong phương pháp Reichstein. Việc lên men tạo ra sản phẩm trung gian là KGA. Tất cả các nhà sản xuất đều sử dụng chỉ một loài Vi sinh vật để lên men. w Hai phản ứng hóa học tiếp theo giống với giai đoạn cuối của quá trình Reichstein, hoàn tất việc tổng hợp vitamin C w So sánh với phương pháp Reichstein, phương pháp lên men 2 giai đoạn cần sử dụng ít hơn các dung môi và tác nhân độc hại, vì thế giảm được chi phí cho quá trình xử lý thải. Dưới đây là bảng giới thiệu phương pháp sản xuất Vitamin C của một số hãng: Ø Monitoring and controlling parts of fermenter are: S. No Part Use 1 Pt100 temperature sensor (platinum resistance electrode) 2 Foam probe kept above the medium level to sense foamformation 3 pH electrode senses pH 4 O2 sensor Monitors dissolved oxygen level 5 Heater pad directly heats the medium 6 Cold finger after direct heating – used to cool the vessel contents (closed coil/pipe to pass cool water) 7 Rotameter variable air flow meter – indicates rate of air flow into vessel –attached to air sparger 8 Pressure valve attached to rotameter for safer operation 9 Air pump supply of air 10 Peristaltic pump to pump in medium, acids, bases, antifoam Vi sinh vật lên men : Gluconobacter oxydans Gluconobacter oxydans : là một loại vi khuẩn Gram âm, hiếu khí bắt buộc thuộc họ Acetobacteraceae. G. oxydans. Quá trình hô hấp của nó sử dụng Oxy như chất nhận electron cuối cùng. Chủng vi khuẩn này phát triển mạnh trong dịch đường như nho chín, táo, hạt điều, mật ong, trái cây, bia, rượu, đất vườn… Đây là chủng vi khuẩn không gây bệnh cho con người và động vật nhưng nó có thể táo, lê hư thối và chuyển màu. Nó có dạng que tròn, 0.5-0.8 X 0.9-4.2 μm, đơn lẻ hoặc bắt cặp, hiếm khi tạo thành chuỗi dài. Gluconobacter có đóng góp quan trọng trong việc sản xuất L-sorbose từ sorbitol, D-gluconic acid, 5-keto và 2-ketogluconic acid từ D-glucose và dihydroxyl acetone từ glycerol trong công nghiệp. L-sorbose là chất trung gian có ích trong công nghiệp sản xuất acid ascorbic. L-sorbose là sản phẩm của quá trình oxy hóa sorbitol bởi SDH bám trên màng tế bào vi khuẩn PHẦN 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÌNH LÊN MEN. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA THIẾT BỊ LÊN MEN Tính toán các thông số động học của bình lên men. Ø Quá trình lên men D-Sorbitol thành L-Sorbose bằng vi khuẩn Gluconobacter suboxydans S-22 Ø Quá trình được biểu diễn như sau: D-Sorbitol L-sorbose + Gluconobacter suboxydans S-22 Ø Có thể biểu diễn ngắn gọn như sau:  w Trong đó: A là D-sorbitol C là vi khuẩn Gluconobacter suboxydans S-22 R là L-sorbose.  w Điều kiện ban đầu : @ Khảo sát định tính quá trình lên men trong môi trường không đổi Giả sử: Tốc độ phát triển của tế bào chỉ phụ thuộc vào cơ chất ban đầu A (ở đây bỏ qua ảnh hưởng của một số yếu tố như nồng độ khối lượng Oxy hòa tan, nồng độ khối lượng nước tự do trong bình phản ứng…) để đơn giản trong quá trình tính toán. w Phương trình Monod như sau: - Với CM là nồng độ của A tại đó tế bào sinh ra với tốc độ bằng ½ tốc độ cực đại. w Tính toán giá trị k và CM Theo K.Mihajevic và M.Bosnjak, Defining of the Kinetics of Microbial Oxidation Process Events with Reference to L-sorbose Formation in a Large Range of Culture Conditions. Hai ông đã làm thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc nồng độ cơ chất ban đầu A với thời gian và thu được kết quả như sau: L) 50 0,262 100 0,279 200 0,289 300 0,292 400 0,293 450 0,294 Từ biểu thức Monod : Hay: Từ bảng số liệu ta có: 0.02 3.82 0.01 3.58 0.005 3.46 0.003333 3.42 0.0025 3.41 0.002222 3.40 Ta có đồ thị : Từ phương trình đồ thị ta có : Vậy ta có phương trình tốc độ phát triển của tế bào : - w Tính toán thiết bị phản ứng: Bình phản ứng sử dụng để thu L-sorbose từ D-sorbitol nhờ vi khuẩn Gluconobacter Suboxydans S-22 sử dụng là bình phản ứng gián đoạn Áp dụng phương trình vận tốc ta được: Tích phân được: Với Ta tính toán thiết bị trong trường hợp giá trị vận tốc cực đại và , , C0=0,5g/L Ta có: Từ 16.64 ;g/L 3,68 ü Giả sử thời gian gián đoạn giữa 2 mẻ là 1h và hỗn được xem là khuấy trộn đều. ü Tổng thời gian để sản suất L-sorbose là 12.33h+1h=13.33h. Ä Với nồng độ D-Sorbitol CAo=200g/L, ta cần 13.33h để lên men tạo thành lượng L-sorbose với độ chuyển hóa là 96% (Độ chuyển hóa này chúng em dựa trên số liệu thực nghiệm thu được của tài liệu, ở đây chúng em chỉ dựa trên đó đễ tính được thời gian cần thiết để đạt được độ chuyển hóa đó). w Tính thể tích bình lên men: Suất lượng sản phẩm L-sorbose mong muốn là 480.82kg/h. Khối lượng D-sorbitol cần cung cấp là: Thể tích sorbitol: Chọn hệ số chứa đầy là 0,65 Tính toán thiết kế bình khuấy: w Thí nghiệm : ta có thí nghiệm với bình có thể tích làm việc là 4,5 dm3, thì hiệu suất cao nhất là với tốc độ khuấy n = 540 vòng/phút w Bình thí nghiệm có tỉ lệ : Với D : đường kính bình H : chiều cao bình dk : đường kính cánh khuấy: Ä Tính toán được : H = 0,55 m ; D = 0,18 m ; dk = 0,6 m w Bước đầu cần phải xác lập khối lượng thể tích ρ, độ nhớt động học μ, hệ số dẫn nhiệt λ, áp suất làm việc trong thiết bị khi tiệt trùng bằng hơi nước, nhiệt dung C. w Theo nghiên cứu của nước ngoài, khối lượng thể tích của các môi trường dinh dưỡng ở trong giới hạn ρ = 1060 ÷ 1070 kg/ m3; độ nhớt động học - trong giới hạn μ = 0,001 ÷ 0,00155 Pa⋅S, nhiệt dung C = 4186 J/(kg⋅K), hệ số dẫn nhiệt λ = 0,6 W/ (m⋅K). w Để tiệt trùng môi trường dinh dưỡng bên trong thiết bị, cần phải tạo ra áp suất làm việc không nhỏ hơn 0,2 MPa. Hệ số chứa đầy môi trường dinh dưỡng của thiết bị phụ thuộc vào thành phần của môi trường và vào dạng vi sinh vật nuôi cấy k = 0,5 ÷ 0,65. w Như vậy, trong giới hạn nghiên cứu, ta tính chuẩn ly tâm Reynolds của bình thí nghiệm: Với: nM : số vòng khuấy thí nghiệm dM : đường kính cánh khuấy thí nghiệm : khối lượng riêng của môi trường : độ nhớt của dung dịch môi trường. w Ta chọn cánh khuấy mái chèo tua bin 3 cánh w Trong giới hạn : ρ = 1060 ÷ 1070 kg/ m3; độ nhớt động học - trong giới hạn μ = 0,001 ÷ 0,00155 ta có: w 1,33.108 < Re < 2,08.108 w Do Re > 7.104 nên thông số tối ưu để thiết kế là : Với nπ : tốc độ quay thực tế dπ : đường kính cánh khuấy thực tế. w Xét bình thực tế có thể tích chứa là 50 m3, có có tỉ lệ : Tính toán được : H = 12,3 m ; D = 4,1 m ; dk = 1,4 m w Như vậy, theo công thức trên, ta tính được số vòng quay tối ưu cho bình khuấy là: nπ = 307 vòng/phút w Công suất khuấy trộn được tính theo công thức: N = KN .nπ3.dk5.ρ (*) với ρ = 1065 kg/m3 KN = A. Fr ((a – log (Re)) / b) với ReK = 1,705 . 108 ; Fr = = 43,81 ü Tra bảng thực nghiệm của Mái chèo tua bin 3 cánh có: H/D = 3 , D/dk = 3, h/dk = 0,33 với h : khoảng cách từ cánh khuấy tới đáy A = 3,9 ; a = 1 ; b = 40 Vậy tính toán ta có : KN = 1,97 Thay vào công thức (*) ta có : N = 1,5.106 W Quá trình truyền nhiệt của thiết bị lên men w Cân bằng nhiệt cho các thiết bị lên men Trong quá trình hoạt động của vi sinh vật trong thiết bị, một lượng nhiệt được thoát ra. Sự phát triển giống bị chậm lại khi tăng nhiệt độ canh trường, còn sau đó có khả năng vi sinh vật bị chết. Để ngăn ngừa hiện tượng đó các thiết bị lên men cần phải trang bị các cơ cấu thải nhiệt (ống xoắn, áo, các ống nhiệt). w Lượng nhiệt thải ra từ canh trường và tiêu hao nước làm lạnh được xác định từ cân bằng nhiệt trong 1h làm việc. . Trong đó: Gn , GB và GK - khối lượng môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm, kg; Cn , CB , và CK - nhiệt dung riêng của môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm, kJ/(kg⋅K); tn , tK , t1B và t2B - nhiệt độ của môi trường dinh dưỡng, canh trường thành phẩm, nước làm lạnh đầu và cuối, K; q - lượng nhiệt trung bình được giải phóng khi mức tăng sinh khối của chủng vi sinh vật, kJ/kg; p - mức tăng sinh khối sinh vật, kg/h; L - lượng không khí được thổi, kg/h; ivà i2 - entanpi của không khí mới và không khí thải, kJ/kg; Fa - diện tích bề mặt của thiết bị lên men, m2 α - hệ số thải nhiệt từ bề mặt thiết bị vào môi trường xung quanh kW/(m2⋅K); Δt - hiệu trung bình nhiệt độ của canh trường phát triển và không khí xung quanh thiết bị, K. w Phương trình cân bằng nhiệt độ của thiết bị lên men có dạng: GBCB (t2B – t1B) = Q1 + Q2 – Q5 – Q8 – L (i2 – i1) w Tuy nhiên với thực nghiệm cho biết, nhiệt độ phản ứng tốt nhất là ở 30oC, như vậy xem như lượng nước chỉ có vai trò là giữ nhiệt ổn định. Hơn nữa, xem như lượng nhiệt phản ứng là không đáng kể, vậy lượng nước chỉ giúp cho đỡ thất thoát nhiệt. w Vậy phương trình cân bằng nhiệt thực tế là : GBCB(t1B – t2B) = Q8 Ta có : Nhiệt lương thất thoát: Q8 = 3600 α.Δt.Fa Với diện tích bề mặt thiết bị lên men được tính theo công thức: Fa = 0,785 D2 = 13,2 m2 Trên cơ sở của các số liệu thực nghiệm đối với thực nghiệm đối với thiết bị có áo lạnh, tính đến sự nhiễm bẩn tường có thể lấy α = 3000 W/(m2⋅K). Xét ở TPHCM, nhiệt độ trung bình là 27oC, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng là 30oC, vậy Δt = 3 K Tính toán ta có Q8 = 3600 α.Δt.Fa = 4,27.108 J = GBCB(t1B – t2B) Xem như nhiệt độ nước bằng nhiệt độ phản ứng, t1B = 300C , t2B = 27oC CB = 4200 J/ kg.K Ä Vậy lượng nước tham gia truyền nhiệt : @ Như vậy trong một giờ, sẽ có khoảng 34 m3 nước tham gia vào quá trình truyền nhiệt nhằm ổn định nhiệt độ bình phản ứng. Tuy nhiên trên thực tế, do sử dụng hệ thống tuần hoàn nên lượng nước có thể ít hơn. Tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường thay đổi hay nhiệt độ phản ứng thay đổi mà ta có thể điều chỉnh lượng nước cho phù hợp, đảm bảo nhiệt độ ổn định. Nhận xét Trên đây là mô hình tính toán của nhóm chúng em dựa trên những kiến thức đã được học ở các môn truyền nhiệt, quá trình cơ học, truyền khối và kỹ thuật phản ứng.Việc xây dựng mô hình đòi hỏi phải có sự liên hệ kiến thức giữa các môn học,khả năng xử lý số liệu thực nghiệm của người thiết kế. Mặt khác, quá trình động học của phản ứng lên men L-sorbitol thành D-sorbose nhờ vi sinh vật là một phản ứng dị thể để sản xuất vitamin C , chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau dẫn đến việc tính toán thiết bị trở nên rất phức tạp.Bên cạnh đó, do ngành sản xuất dược phẩm ở nước ta chưa phát triển nên việc tìm kiếm tài liệu, số liệu thực nghiệm gặp nhiều khó khăn, gây trở ngại cho việc tính toán. Chúng em chân thành cảm ơn cô trong thời gian qua đã tận tình hướng dẫn chúng em để có thể hoàn chỉnh mô hình thiết kế.Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của cô để mô hình thiết kế được hoàn chỉnh hơn! PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO K. MIHAJEVIC and M.BOSNJAK, Defining of the Knetics of Microbial Oxidation Process Events with Reference to L-sorbose Formation in a Large Range of Culture Conditions. R. GIRIDHAR, Model Based Constant Feed Fed-Batch L-Sorbose Production Process for Improvement in L-Sorbose Productivity Vũ Bá Minh, Kỹ Thuật Phản Ứng. Nguyễn Văn Lụa, Tập 1 :Các Quá Trình và Thiết Bị Cơ Học, Quyển 1 Khuấy-Lắng-Lọc Sổ tay Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Chất tập 2, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.