Thiết kế nhà máy sản xuất acid glutamic hiện đại từ tinh bột sắn với năng suất 3820 tấn sản phẩm/năm

LỜI MỞ ĐẦU ((( Sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành công nghiệp lên men nói riêng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, góp phần làm đa dạng hóa nguồn thực phẩm cho xã hội và sản xuất ra nguyên liệu cho một số ngành công nghiệp khác. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp lên men cũng càng ngày phát triển và đặt được nhiều thành tựu to lớn, không ngừng hoàn thiện về số lượng và chất lượng. Acid glutamic rất cần cho sự sống, tuy là một loại amino acid không phải thuộc loại không thay thế nhưng nhiều thí nghiệm lâm sàng cho thấy nó là một loại acid amin đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của người và động vật, trong việc xây dựng protit, xây dựng các cấu tử của tế bào [8,Tr 5]. Acid glutamic có thể đảm bảo nhiệm vụ chức năng tổng hợp nên các amino acid khác như alanin, losin, cystein, prolin, oxyprolin,…nó tham gia vào phản ứng chuyển amin, giúp cho cơ thể tiêu hóa nhóm amin và tách NH3 ra khỏi cơ thể. Nó chiếm phần lớn thành phần protit và phần xám của não, đóng vai trò quan trọng trong các biến đổi sinh hóa ở hệ thần kinh trung ương [8,Tr 5]. Acid glutamic phân bố rộng rãi trong tự nhiên dưới dạng hợp chất và dạng tự do, có trong thành phần cấu tạo của protein động thực vật. Trong mô acid glutamic tạo thành từ NH3 và acid α-xetoglutaric. Trong sinh vật đặc biệt là vi sinh vật, acid glutamic được tổng hợp theo con đường lên men từ nhiều nguồn cacbon [8,Tr 5]. Chính vì vai trò quan trọng của acid glutamic trong công nghiệp thực phẩm và phi thực phẩm nên việc xây dựng thêm nhà máy sản xuất acid glutamic là một nhu cầu thiết thực góp phần vào nền kinh tế đất nước. Tôi xin trình bày đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất acid glutamic hiện đại từ tinh bột sắn với năng suất 3820 tấn sản phẩm/năm. CHƯƠNG 1. LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT Phát triển ngành công nghiệp chế biến thực phẩm là một yêu cầu cần thiết của việc phát triển nền kinh tế nước nhà trong thời kỳ đổi mới của chúng ta. Để ngày càng nâng cao mức sống của nhân dân, đáp ứng nhu cầu trong nước và tăng cường mở rộng thị trường xuất khẩu, sự phát triển của ngành thực phẩm đặc biệt là ngành sản xuất bột ngọt góp phần đem lại lợi nhuận cao cho nền kinh tế quốc dân Acid glutamic là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất bột ngọt và cũng là nguồn nguyên liệu để sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm, hóa chất,... Việc thiết lập nhà máy sản xuất acid glutamic là cần thiết nó giải quyết được rất nhiều các sản phẩm nông nghiệp và thu hút được một lượng lớn lao động. Thiết lập được nhà máy như trên cần nghiên cứu đến nhiều vấn đề sau. 1.1. Ðặc điểm thiên nhiên và vị trí xây dựng Ðịa điểm xây dựng nhà máy phải phù hợp với quy hoạch và đảm bảo sự phát triển chung về kinh tế ở địa phương. Em chọn địa điểm là tại tỉnh Ninh Bình. Ninh Bình là một tỉnh nằm ở cửa ngõ cực nam miền Bắc và khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Việt Nam. Theo quy hoạch xây dựng phát triển kinh tế thì tỉnh này thuộc vùng duyên hải Bắc Bộ. Ninh Bình giáp với Hòa Bình, Hà Nam ở phía bắc, Nam Định ở phía đông, Thanh Hóa ở phía tây, biển (vịnh Bắc Bộ) ở phía đông nam. Trung tâm tỉnh là thành phố Ninh Bình cách thủ đô Hà Nội 93 km về phía nam. Ở vị trí điểm mút của cạnh đáy tam giác châu thổ sông Hồng, Ninh Bình bao gồm cả ba loại địa hình. Vùng đồi núi bán sơn địa ở phía Tây Bắc bao gồm các huyện Nho Quan, Gia Viễn, Hoa Lư, Tam Điệp; vùng đồng bằng ven biển ở phía Đông Nam thuộc 2 huyện Kim Sơn và Yên Khánh. Xen giữa 2 vùng lớn là vùng chiêm trũng chuyển tiếp. Ninh Bình có bờ biển dài 18km. Bờ biển Ninh Bình hàng năm được phù sa bồi đắp lấn ra trên 100m. Ninh Bình nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa chịu ảnh hưởng của khí hậu ven biển: mùa nóng, mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng 10; mùa lạnh, khô từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau. Lượng mưa trung bình hàng năm: 1.700-1.800 mm; Nhiệt độ trung bình 23,5 °C; Số giờ nắng trong năm: 1.600-1.700 giờ; Độ ẩm tương đối trung bình: 80-85%. Diện tích:1.400 km², dân số (điều tra dân số 01/04/2009): 898.459 người với mật độ dân số 642 người/km². Ngoài ra Ninh Bình có hệ thống sông ngòi dày đặc như: sông Đáy, sông Hoàng Long, sông Càn, sông Vạc, Sông Vân... tạo thành mạng lưới giao thông thuỷ, bộ rất thuận tiện cho giao lưu phát triển kinh tế trong và ngoài tỉnh [12]. Từ các thông số trên cho thấy em xin chọn địa điểm đặt nhà máy tại huyện Yên Khánh gần khu công nghiệp Khánh Phú với hướng gió chủ đạo là hướng Đông Nam.
Hình 1.1 Bản đồ hành chính Ninh Bình [12]. 1.2. Nguồn cung cấp nguyên liệu Nguồn nguyên liệu chủ yếu của nhà máy là tinh bột sắn, được cung cấp từ các nhà máy sản xuất tinh bột sắn tại khu vực Miền Trung – Tây Nguyên như: Nhà máy Chế biến tinh bột sắn Như Xuân (Thanh Hóa), Nhà máy Tinh bột sắn Intimex Nghệ An, nhà máy tinh bột sắn Quảng Trị,... Việc ổn định về nguồn nguyên liệu là điều kiện thuận lợi cho nhà máy đi vào hoạt động và nâng cao năng suất, chất lượng tốt. 1.3. Khả năng hợp tác hoá liên hợp hóa Việc hợp tác hoá giữa nhà máy thiết kế với các nhà máy khác về mặt kinh tế kỹ thuật và việc liên hợp hoá sẽ giảm thời gian xây dựng giảm vốn đầu tư và hạ giá thành sản phẩm. Nhà máy hợp tác về mọi mặt với các nhà máy khác về phương diện kỹ thuật và kinh tế. Do nguồn nguyên liệu tinh bột sắn đều mua từ các nhà máy khác ngoài ra còn hợp tác với các nhà máy khác về bao bì, sắt tây, hộp cáctông, các cơ sở sản xuất nguyên liệu phụ khác [10,Tr 7]. 1.4. Giao thông vận tải Nhà máy thiết kế nằm ngay trên trục giao thông chính đảm bảo cả giao thông đường bộ và cả đường thuỷ thuận tiện cho việc vận chuyển nguyên nhiên liệu vào nhà máy. Vì vậy vấn đề giao thông không chỉ mục đích xây dựng nhà máy nhanh mà còn là sự tồn tại và phát triển nhà máy trong tương lai. Từ các vấn đề trên giao thông là điều kiện cần thiết đối với nhà máy. 1.5. Nguồn cung cấp điện hơi nước Việc sử dụng điện để chạy động cơ, thiết bị và chiếu sáng điện thế sử dụng thường là 110-220V/360V. Ðể đạt yêu cầu phải lấy điện cao thế thường là 6 KV qua hạ thế. Nhà máy sử dụng lưới điện của khu công nghiệp ngoài ra nhà máy còn có máy phát điện dự phòng để đảm bảo hoạt động liên tục [10,Tr 7]. Nước dùng trong nhà máy với mục đích chế biến, vệ sinh thiết bị và dùng cho sinh hoạt. Nước phải có chỉ tiêu về độ cứng và vệ sinh cao phải đạt chỉ tiêu: chỉ số coli, độ cứng, nhiệt độ, hỗn hợp vô cơ, hữu cơ trong nước. Nguồn cung cấp lấy từ nhà máy nước, trong hệ thống của khu công nghiệp và trong nhà máy có giếng đóng qua hệ thống xử lý và có đài nước để đưa vào phân xưởng. Nhiên liệu sử dụng của nhà máy là than đá nhiệt lượng thấp (5.500-6.500 Kcal/Kg), được cung cấp thu mua tại vùng mỏ than của Quảng Ninh và nguồn khí Biogas thu được từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Giai đoạn đầu khi chưa có khí biogas thì dùng than đá để đốt lò hơi. Sau khi có khí biogas, thì sử dụng than đá 40% và biogas 60% để vận hành lò hơi. 1.6. Nguồn cung cấp nhân công Vì nhà máy đặt gần khu công nghiệp nên sẽ thu hút được cán bộ chuyên môn. Cán bộ quản lý và cán bộ kỹ thuật của nhà máy được đào tạo tại các trường đại học: Kinh tế, Bách khoa, Tổng hợp, ... học tại khu vực Hà Nội,... Do Ninh Bình và các tỉnh lân cận là vùng đông dân cư nên việc tuyển dụng công nhân tại địa phương nhà máy là dễ dàng. Đây là việc tiện lợi cho nhà máy xây dựng vì tiện cho việc sinh hoạt đi lại, giảm công trình nhà ở, giảm được chi phí ban đầu. Ngoài ra thu hút công nhân có kinh nghiệm, tay nghề cao để đáp ứng nhu cầu dây chuyền sản xuất hiện đại của nhà máy. 1.7. Thị trường tiêu thụ sản phẩm Nhà máy sản xuất acid glutamic với công nghệ hiện đại hiện đại, chất lượng tốt có khả năng tiêu thụ trong cả nước, đẩy lùi acid glutamic ngoại nhập và tương lai sẽ xuất khẩu ra nước ngoài. 1.8. Xử lý chất thải Trong quá trình sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men ta sử dụng một lượng nước khá lớn, do vậy ta thải ra môi trường là rất lớn. Tùy từng loại nước thải mà có các biện pháp xử lý khác nhau: - Đối với nước thải dùng cho quá trình sản xuất cần được xử lý, tái sử dụng. - Nước thải sinh hoạt, vệ sinh nhà máy, vệ sinh thiết bị…thì được đưa vào hệ thống cống rãnh trong nhà máy đến bể xử lý trước khi thải ra môi trường. - Đối với chất thải rắn thì được xử lý bằng phương pháp vi sinh sản xuất khí biogas, xác men để sản xuất phân hữu cơ vi sinh hay thức ăn gia súc. Tóm lại: Với các điều kiện đã nêu trên thì khả năng xây dựng một nhà máy sản xuất acid glutamic gần khu công nghiệp Khánh Phú thuộc huyện Yên Khánh, tỉnh Ninh Bình là hoàn toàn có thể, đồng thời có thể tạo ra bước chuyển hướng cơ cấu nông thôn theo hướng công nghiệp hoá và góp phần kích thích sự phát triển của các ngành sản xuất khác trong hệ thống cụm sản xuất công nghiệp của tỉnh qua đó thúc đẩy sự phát triển kinh tế huyện. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Giới thiệu về acid glutamic 2.1.1. Khái niệm Trong đời sống thường nhật, acid amin nói chung và acid glutamic (L-AG) nói riêng có một ý nghĩa to lớn. L-AG là một acid amin công nghiệp quan trọng [8,Tr 5]. Acid glutamic có công thức phân tử: C5 H9NO4 Thuộc loại acid amin có chứa một nhóm amin và hai nhóm cacboxyl. Điều chế bằng cách tổng hợp hoặc lên men gluxit. Acid glutamic có công thức hóa học là:

Hình 2.1. Cấu trúc phân tử của acid glutamic [13]. Acid glutamic là những tinh thể không màu. Nhiệt độ nóng chảy là tnc = 247 - 249 oC (phân huỷ). Thăng hoa ở 200 oC. Độ quay cực riêng với tia D ở 22- 31oC. Ít tan trong nước, etanol; không tan trong ete, axeton. Acid L (+) - glutamic có vị ngọt của thịt, còn acid D (–) - glutamic không có vị đó. Mononatriglutamat (NaOOCCH2CH2CH(NH2)COOH) dễ tan trong nước, thường gọi là mì chính (bột ngọt) được dùng làm gia vị [14]. 2.1.2. Vai trò của acid glutamic Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu để sản xuất acid glutamic được đẩy mạnh nhất. Càng ngày ta càng sử dụng nhiều acid glutamic trong việc nâng cao sức khỏe và điều trị một số bệnh của con người [8,Tr 5]. Acid glutamic rất cần cho sự sống, tuy là một loại amino acid không phải thuộc loại không thay thế nhưng nhiều thí nghiệm lâm sàng cho thấy nó là một loại acid amin đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của người và động vật, trong việc xây dựng protit, xây dựng các cấu tử của tế bào [8,Tr 5]. Acid glutamic có thể đảm bảo nhiệm chức năng tổng hợp nên các amino acid khác như alanin, losin, cystein, prolin, oxyprolin, … nó tham gia vào phản ứng chuyển amin, giúp cho cơ thể tiêu hóa nhóm amin và tách NH3 ra khỏi cơ thể. Nó chiếm phần lớn thành phần protit và phần xám của não, đóng vai trò quan trọng trong các biến đổi sinh hóa ở hệ thần kinh trung ương, vì vậy trong y học còn sử dụng acid glutamic trong trường hợp suy nhược hệ thần kinh nặng, mỏi mệt, mất trí nhớ, sự đầu độc NH3 vào cơ thể, một số bệnh về tim, bệnh teo bắp thịt,…[8,Tr 5]. Acid glutamic dùng làm thuốc chữa các bệnh thần kinh và tâm thần, bệnh chậm phát triển trí óc ở trẻ em, bệnh bại liệt, bệnh hôn mê gan [8,Tr 5]. Acid glutamic còn dùng làm nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp một số hóa chất quan trọng: N-Acetylglutamat là chất hoạt động bề mặt, vi sinh vật có thể phân giải được, ít ăn da, được dùng rộng rãi trong công nghiệp mỹ phẩm, xà phòng và dầu gội đầu. Acid oxopyrolidicarboxylic, một dẫn xuất khác của acid glutamic được dùng làm chất giữ ẩm trong mỹ phẩm. Acetylglutamat được dùng trong xử lý ô nhiễm nước biển do dầu hỏa và dầu thực vật gây nên [8,Tr 5]. Acid glutamic phân bố rộng rãi trong tự nhiên dưới dạng hợp chất và dạng tự do, có trong thành phần cấu tạo của protein động thực vật. Trong mô acid glutamic tạo thành từ NH3 và acid α-xetoglutaric. Trong sinh vật đặc biệt là vi sinh vật, acid glutamic được tổng hợp theo con đường lên men từ nhiều nguồn cacbon [8,Tr 5]. 2.2. Nguyên liệu sản xuất acid glutamic Nguyên liệu giàu gluxit: tinh bột, rỉ đường, glucoza, sacaroza v.v… Em chọn nguyên liệu là tinh bột sắn. 2.2.1. Thành phần cấu tạo của tinh bột sắn Tinh bột sắn được sản xuất trong quá trình chế biến củ sắn. Có hai loại sắn: sắn đắng và sắn ngọt khác nhau về hàm lượng tinh bột và xyanua. Sắn đắng có nhiều tinh bột hơn nhưng đồng thời có nhiều xyanhydric, khoảng 200 ÷ 300 mg/kg. Sắn ngọt có ít xyanhydric (HCN) và được dùng làm lương thực, thực phẩm. Sắn trồng ở các tỉnh phía Bắc chủ yếu là sắn ngọt và tinh bột thu được không có HCN. Thành phần hoá học của tinh bột sắn phụ thuộc chủ yếu vào trình độ kỹ thuật chế biến sắn. Tinh bột sắn thường có các thành phần sau: Tinh bột : 83 ÷ 88% Nước : 10,6 ÷ 14,4% Xenluloza : 0,1 ÷ 0.3% Đạm : 0,1 ÷ 0,4% Chất khoáng : 0,1÷ 0,6% Chất hòa tan : 0,1 ÷ 1,3% Hình 2.2. Tinh bột sắn [15 ]. Tinh bột sắn có kích thước xê dịch trong khoảng khá rộng 5 ÷ 40 µm. Dưới kính hiển vi ta thấy tinh bột sắn có nhiều hình dạng khác nhau từ hình nón đến hình bầu dục tương tự tinh bột khoai tây nhưng khác tinh bột ngô và tinh bột gạo ở những chổ không có hình đa giác. Cũng như các loại tinh bột khác tinh bột sắn gồm các mạch amilopectin và amiloza, tỉ lệ amilopectin và amiloza là 4: 1. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột sắn nằm trong khoảng 60 ÷ 800 C [8,Tr 16]. 2.2.2. Thu nhận glucoza từ tinh bột sắn - Phương pháp thủy phân bằng acid: Trong sản xuất công nghiệp người ta thường sử dụng dung dịch đường glucoza thủy phân từ tinh bột bằng acid hoặc enzim. Có hai loại acid: HCl và H2SO4 . Dùng HCl thời gian thủy phân ngắn nhưng không tách được gốc acid ra khỏi dung dịch. Dùng H2SO4 thời gian thủy phân dài, nhưng có thể tách gốc SO42- ra khỏi dịch đường bằng cách dùng CaCO3 trung hòa dịch thủy phân [8,Tr 16]. - Phương pháp thủy phân bằng enzim: Hai loại enzim được dùng nhiều cho quá trình này là α-amylaza và γ-amylaza, α-amylaza có nhiệm vụ phá hủy các mối liên kết α-1,4-glucozit của tinh bột tạo ra các sản phẩm có phân tử lượng lớn như dextrin bậc cao, dextrin bậc thấp, mantotrioza và cuối cùng là maltoza. γ-amylaza có tác dụng thủy phân mối liên kết α-1,4 và α-1,6-glucozit bắt đầu từ đầu không khử trên mạch amiloza và amilopectin và sản phẩm cuối cùng là glucoza. Mỗi enzim có pH và nhiệt độ thích hợp, pH và nhiệt độ tối ưu của mỗi loại enzim phụ thuộc vào nguồn gốc của nó. Trong công nghiệp người ta thường kết hợp α-amylaza bền nhiệt với γ-amylaza của nấm mốc để thủy phân tinh bột thành đường glucoza [8,Tr 16]. Dịch đường sản xuất theo phương pháp enzim có hiệu suất chuyển hóa cao hơn phương pháp acid, không chứa gốc acid và tạp chất có hại, rất thích hợp cho việc sản xuất glucoza tinh thể và cho lên men nhờ vi sinh vật. Từ các tính chất ưu và nhược điểm nêu trên em xin chọn nguyên liệu sản xuất acid glutamic từ tinh bột sắn nhờ kết hợp α-amylaza bền nhiệt với γ-amylaza của nấm mốc để thủy phân tinh bột thành đường glucoza. 2.3. Sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men Phương pháp này lợi dụng một số vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp ra các acid amin từ các nguồn gluxit và đạm vô cơ. Phương pháp này đang có nhiều triển vọng phát triển ở khắp các nước, nó tạo ra được nhiều loại amino acid như: acid glutamic, lizin, valin, alanin, phenylalanin, tryptophan, methinonin, … Phương pháp lên men có nguồn gốc từ Nhật Bản, năm 1956 khi mà Shukuo và Kinoshita sử dụng chủng Micrococcus glutamicus sản xuất glutamat từ môi trường có chứa glucoza và amoniac. Sau đó một số loài vi sinh vật khác cũng được sử dụng như Brevi Bacterium và Microbacterium. Tất cả các loài vi sinh vật này đều có một số đặc điểm sau: + Hình dạng tế bào từ hình cầu đến hình que ngắn + Vi khuẩn Gram (+) + Hô hấp hiếu khí + Không tạo bào tử + Không chuyển động được, không có tiên mao + Biotin là yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển + Tích tụ một lượng lớn glutamic từ hydrat cacbon và NH4+ trong môi trường có sục không khí. Phương pháp này có nhiều ưu điểm nên đang được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ta và các nước trên thế giới. Ưu điểm chính: + Không sử dụng nguyên liệu protit. + Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn. + Hiệu suất cao, giá thành hạ. + Tạo ra acid glutamic dạng L, có hoạt tính sinh học cao. Với những trình bày ở trên thì phương pháp lên men có nhiều ưu thế hơn hết trong việc sản xuất acid glutamic. Nên đối với đề tài thiết kế này tôi chọn phương pháp lên men để sản xuất acid glutamic. 2.4. Các phương pháp lên men acid glutamic Sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men người ta sử dụng 2 phương pháp là lên men 2 giai đoạn (gián đoạn) và lên men trực tiếp. 2.4.1. Phương pháp lên men hai giai đoạn Nguyên tắc của phương pháp này là đầu tiên tạo ra α-Ketoglutaric bằng các kĩ thuật vi sinh như nuôi cấy vi sinh vật. Sau đó chuyển hoá α-Ketoglutaric thành acid glutamic nhờ enzim aminotransferase và glutamatdehydrogenase. Giai đoạn chuyển từ α-Ketoglutaric thành acid glutamic có thể sử dụng nhiều chủng khác nhau như Pseudomonas, Xantonomas, Ervinia,Bacillus,Micrococus. Với môi trường cho trước cho phép ta tạo ra acid glutamic mà không tích luỹ acid α-Ketoglutaric lượng lớn trong môi trường. Quá trình chuyển hoá acid glutamic được thực hiện qua hai kiểu phản ứng sau: + Chuyển amin: Acid α-Ketoglutaric + acid amin
L-glutamic + acid xetonic + Amin hoá khử: α-Ketoglutaric + NH4 + NADH + H+(NAD+H+)
L-glutamic + H2O + NADP+(NAD+). Enzim aminotransferase được lấy từ dịch nuôi cấy các vi khuẩn thối rữa như Flavobacterium, Achromobacter, Micrococus… Nhược điểm của phương pháp này là dùng quá nhiều enzim và acid amin làm nguồn amin cho phản ứng dây chuyền nên ít được dùng trong công nghiệp. [9,Tr 6]. 2.4.2. Phương pháp lên men một giai đoạn Nguyên tắc của phương pháp này là sản xuất L-glutamic ngay trong dịch nuôi cấy bằng một loại vi sinh vật duy nhất. Các sinh vật này đều có hệ enzim đặc biệt có thể chuyển tiếp đường và NH3 thành acid glutamic trong môi trường. - Ưu điểm: +Sử dụng đường làm nguyên liệu có hiệu suất cao. +Nguyên liệu sử dụng rẻ tiền,dễ kiếm. +Nguyên liệu chứa đầy đủ các thành phần dinh dưỡng cho quá trìng lên men [6,Tr 8]. Với những ưu điểm như vậy, ở đây tôi chọn phương pháp lên men một giai đoạn để sản xuất acid glutamic. 2.5. Các sản phẩm của quá trình lên men acid glutamic 2.5.1. Sản phẩm chính-Acid glutamic [8,Tr 82]. Phương trình tổng quát của quá trình tạo acid glutamic từ glucoza hay axetat và NH3 được biểu diễn như sau: Glucoza + NH3 + 1,5O2 Acid glutamic + CO2 + 3H2O Axetat + NH3 + 1,5O2 Acid glutamic + CO2 + 3H2O Sản phẩm chính là acid glutamic và CO2. Ở đây theo lý thuyết, hiệu suất chuyển hoá glucoza hay axetat thành axit glutamic đều là 81,66% nhưng ngày nay tùy theo điều kiện sản xuất và phương thức lên men hiệu suất chuyển hoá chỉ là 45 ÷ 50% trong sản xuất và 55 ÷ 57% giống tự nhiên hay 61 ÷ 62% từ giống đột biến trong nghiên cứu ở phòng thí nghiệm. 2.5.2. Sản phẩm phụ 2.5.2.1. Acid lactic Trong điều kiện tối ưu, acid glutamic sinh ra là chủ yếu. Nếu chệch khỏi điều kiện này thì Corynebacterium glutamicum sẽ tạo axit lactic thay vì tạo axit glutamic. Có hai lý do cơ bản là quá dư thừa biotin hoặc quá ít oxy hoà tan. Đôi khi sự thay đổi nhiệt độ đột ngột từ 30÷370C cũng dẫn tới việc biến quá trình lên men acid glutamic thành quá trình lên men acid lactic như đã xảy ra với B.divaricatum [8, Tr 82]. 2.5.2.2. Acid sucxinic Cũng được tạo ra nhiều khi môi trường thừa biotin hoặc thiếu oxy hoà tan [8, Tr 82]. 2.5.2.3. Acid α- xetoglutaric Mọi quá trình sinh tổng hợp đều có phản ứng tạo acid glutamic từ α- xetoglutaric nhờ xúc tác của hai hệ thống enzim transaminaza và acid glutamic – dehyrogenaza. Phản ứng này thực hiện được hoàn toàn khi môi trường có dư NH4+ và pH từ trung tính đến kiềm yếu. Nếu môi trường thiếu NH4+ và pH ở phạm vi acid yếu thì phản ứng trên không thực hiện được và α- xetoglutaric bị tích tụ ngày một nhiều trong môi trường thay vì acid glutamic [8,Tr 82]. 2.5.2.4. Sản phẩn khác Glutamin, alanin, L- acetylglutamin, aspatic... [8,Tr 82]. 2.6. Vi sinh vật trong sản xuất acid glutamic Tham gia vào quá trình lên men để sản xuất axit glutamic ta chọn vi sinh vật thường dùng là: Corynebacterium glutamicum Brevibacterium lactofermentus Micrococus glutamicus Các chủng sản xuất acid glutamic thuộc những nhóm phân loại rất khác nhau như vi khuẩn Streptomyces, nấm men và nấm mốc. Các chủng Corynebacterrium glutamicum (Micrococcus glutamic) loại vi khuẩn này đã được nhà vi sinh vật Nhật Bản là Kinosita phát hiện từ năm 1957 do công ty Kyowa Hakko đưa vào sản xuất. Các chủng quan trọng khác trong công nghiệp cho ít nhất 30g/l thuộc các chi Corynebacterium, Brevibacterium, Microbacterrium, hoặc Athrobacter. Ở đây, em chọn chủng Corynebacterium Glutamicum VN 3969 của Trung Quốc lượng sử dụng là 105-110g/l, không bị giới hạn bởi nồng độ biotin vì giống này có khả năng sinh tổng hợp acid glutamic cao và không bị khống chế bởi nồng độ biotin. Đặc điểm: Gram(+), que ngắn, không vận động, hình chữ V hoặc song song từng đôi một, chiều dài từ 0,8-1µm, rộng 1-3µm. Khuẩn lạc dày trọn và nhô lên khỏi mặt thạch, thuộc vi khuẩn hiếu khí. Sống ở nhiệt độ thích hợp là 30-32oC trong 48 giờ. Hình 2.3. Vi khuẩn Corynebacterium Glutamicum [16]. 2.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành axit glutamic 2.7.1. Nguồn cacbon Nguồn cacbon cung cấp chẳng những các đơn vị bộ khung cacbon của acid glutamic mà còn cung cấp năng lượng cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp của chúng. Có bốn dạng nguồn cacbon đã được dùng để lên men acid glutamic. Đó là cacbon hydrat, cacbua hydro, cồn và axit hữu cơ. Trong đó cacbon hydrat được dùng rộng rãi nhất [8,Tr 66]. Nồng độ cơ chất ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic. Kinato và các cộng sự đã khảo sát rất kỹ vấn đề này. Các tác giả chỉ ra rằng trong phạm từ 10 ÷ 21%, nồng độ glucoza càng cao, hiệu suất lên men acid glutamic càng thấp, hàm lượng acid glutamic nội bào càng cao, hoạt lực các enzim cần cho oxy hoá glucoza và α-xetoglutaric decacboxylaza càng cao. 2.7.2. Nguồn nitơ Cung cấp nitơ cho quá trình lên men acid glutamic là rất quan trọng bởi vì nitơ cần cho việc tổng hợp protein tế bào và chiếm tới 9,5% trọng lượng phân tử acid glutamic. Người ta thường dùng các loại muối chứa NH4+ như NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, NH4OH hay khí NH3 hoặc urê làm nguồn cung cấp nitơ [8,Tr 67]. 2.7.3. Nguồn muối vô cơ khác Các ion vô cơ cần ch sinh trưởng và tích luỹ acid glutamic. Sự có mặt của các ion sau đây là cần thiết: K+, Mg+2, Fe+2, Mn2+, SO4+2, PO4+3. Liều lượng thường được dùng như sau: K2HPO4: 0,05 ÷ 0,2% FeSO4: 0,0005 ÷ 0,01% KH2PO4: 0,05 ÷ 0,2% MnSO4: 0,0005 ÷ 0,005% MgSO4: 0,025 ÷ 0,1% Trong đó K+, Fe+2 và đặc biệt Mn2+ là quang trọng để thu lượng lớn acid glutamic. Ion K+ cần cho tích luỹ axit glutamic nhiều hơn là cho sinh trưởng [8,Tr 67]. 2.7.4. Nguồn các chất điều hoà sinh trưởng Chất điều hoà sinh trưởng quan trọng bậc nhất trong môi trường lên men acid glutamic nhờ các giống thiên nhiên là biotin. Để có hiệu suất lên men cao nồng độ biotin phải nhỏ hơn nồng độ tối ưu cần thiết cho sinh trưởng [8,Tr 67,68]. Ngày nay người ta sản xuất ra chủng vi sinh vật không còn phụ thuộc vào nồng độ cao hay thấp của biotin sử dụng nữa. 2.7.5. Ảnh hưởng của pH pH tối ưu cho sinh trưởng và tạo acid glutamic của vi khuẩn sinh acid glutamic là trung tính hoặc kiềm cơ khác gây nên. Do đó liên tục bổ sung NH+4 để thực hiện yếu ở pH = 6,7÷8. Trong suốt quá trình lên men môi trường luôn có xu hướng trở nên acid do sự hình thành acid glutamic và các acid hữu hai chức năng cơ bản là điều chỉnh pH và cung cấp NH3 cho việc tổng hợp phân tử acid glutamic. Nguồn NH4+ sử dụng phổ biến là: Urê, nước NH3, khí NH3, NH4Cl,... [8,Tr 68]. 2.7.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ thích hợp nhất cho quá trình lên men là 26 ÷ 37 0C, trong thực tế lên men giai đoạn đầu ở 30 ÷ 32 0C và giai đoạn cuối là 36 ÷ 37 0C [8,Tr 68]. 2.7.7. Ảnh hưởng của sự cung cấp oxy và khuấy trộn Sự cung cấp oxy và khuấy trong khi lên men có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nó nhằm hai mục đích: Thứ nhất duy trì nồng độ oxy hoà tan ở mức trên giá trị tới hạn; Thứ hai khống chế nồng độ CO2 ảnh hưởng rất lớn tới sinh trưởng và tích luỹ acid glutamic của vi khuẩn [8,Tr 69]. CHƯƠNG 3. CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH SẢN XUẤT ACID GLUTAMIC 3.1. Quy trình sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men trực tiếp Qua tham khảo các tài liệu em xin đưa ra quy trình sản xuất acid glutamic với năng suất 3820 tấn sản phẩm/năm cho nhà máy thiết kế như sau: [8], [6], [11]. 3.2. Thuyết minh quy trình sản xuất acid glutamic bằng phương pháp lên men trực tiếp 3.2.1. Hòa tan tinh bột sắn Mục đích: Nhằm làm trương nở các hạt tinh bột, tạo điều kiện thuận lợi dễ dàng cho quá trình thuỷ phân. Thông số kỹ thuật: Sử dụng nước nóng to=52-59oC. Nồng độ tinh bột hòa tan khoảng 33-40 %. [11]. Thiết bị: Sử dụng thiết bị hòa tan hình trụ có đáy hình côn có cửa xả liệu, bên trong có cánh khuấy. 3.2.2. Lọc cặn bã Mục đích: Nhằm làm sạch tinh bột trước khi đưa vào thủy phân. Thiết bị: Sử dụng thùng lọc hình trụ, thép không rỉ, phía trên có màng lọc bằng thép. Dung dịch tinh bột được chảy qua màng lọc bằng kim loại, đặt trong thùng lọc. 3.2.3. Dịch hóa Mục đích: Chuyển hệ huyền phù các hạt tinh bột thành dạng dung dịch hòa tan chứa các dextrin có chiều dài mạch ngắn hơn. (C6H10O5)n (C ( C6H12O5 )a + (C6H12O5 )b Trong đó (a+b=n) Thông số kỹ thuật : Sử dụng enzym
- amylaza bền nhiệt. Quá trình dịch hóa bằng enzym
- amylaza được tiến hành ở t0 = 95
110, pH = 5,9-6,1. Thời gian 40 phút. Tên chế phẩm enzym
- amylaza được sử dụng là Termamyl 120L của hãng Novo-Đan mạch. Thiết bị: Sử dụng thiết bị nồi nấu bán nguyệt như sau.
Hình 3.1. Nồi nấu bán nguyệt [17]. Đặc điểm: Nồi nấu inox hai vỏ sử dụng điện hoặc hơi để trao đổi nhiệt, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lao động. Thiết bị làm việc ở áp suất thường, hơi nóng đi giữa hai lớp vỏ để tiến hành trao đổi nhiệt. Sau khi nguyên liệu đặt yêu cầu thì sử dụng tay quay quay đổ liệu ra. Phía dưới đáy nồi là cửa tháo nước ngưng. 3.2.4. Làm nguội Mục đích: Dịch tinh bột sau khi dịch hóa có nhiệt độ khoảng 95 -1100 C. Do đó, phải làm nguội để nhiệt độ dịch tinh bột giảm xuống khoảng 60-620 C rồi đi đường hóa. Thông số kỹ thuật: Nhiệt độ làm nguội là 60-620 C. Sử dụng nước làm lạnh để trao đổi nhiệt. Thiết bị: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống Contherm. Dịch trao đổi nhiệt gián tiếp với nước làm nguội qua ống bằng cách dịch đi từ dưới lên. Chất tải lạnh đi từ trên xuống. 3.2.5. Đường hóa Mục đích: Nhằm chuyển dịch dextrose thành đường glucoza – nguồn dinh dưỡng mà vi sinh vật lên men có thể sử dụng được. Trong giai đoạn đường hóa, dịch thu được sau quá trình dịch hóa được tiếp tục thủy phân tới glucoza. γ-amylaza (C6H10O5)a + n H2O a C6H12O6 Thông số kỹ thuật: Để quá trình đường hóa xảy ra hoàn toàn, người ta sử dụng enzim γ-amylaza, để bổ sung enzyme
- amylaza người ta sử dụng chế phẩm enzyme Dextrozazym GA Quá trình đường hóa này là: pH = 4,2 – 4,5; nhiệt độ 60 – 62oC; Thời gian là 70 giờ. Thiết bị: Ta sử dụng thiết bị hai vỏ làm bằng thép không rỉ có cánh khuấy. Hình 3.3. Thiết bị đường hóa [32]. 3.2.7. Pha chế dịch lên men Mục đích: Phối trộn giữa dịch tinh bột đã đường hóa và các chất khoáng vào tạo ra môi trường thích hợp thuận lợi cho vi sinh vật Corynebacterium Glutamicum lên men tạo sinh khối sau này. Thông số kỹ thuật: pH được điều chỉnh đến 6,7-6,9 Dịch pha chế có nồng độ đường Bx=8-25%. Ta chọn dịch pha chế nồng độ 10%. Nồng độ hóa chất sử dụng [6,Tr 12]. K2HPO4: 0,125% MgSO4: 0,075% MnSO4: 0,00275% KH2PO4: 0,125% FeSO4: 0,00525% Urê: 1,8% Thiết bị: Sử dụng thiết bị pha chế thân hình trụ đáy và nắp hình cầu làm bằng thép không gỉ giống thiết bị hòa tan tinh bột nhưng khác về kích thước. 3.2.6. Thanh trùng, làm nguội Mục đích : Thanh trùng : Thanh trùng nhằm tiêu diệt các vi sinh vật gây hại trong môi trường dinh dưỡng trước khi lên men. Làm nguội: Hạ nhiệt độ môi trường xuống nhiệt độ thích hợp với vi sinh vật để lên men. Thông số kỹ thuật : Nhiệt độ thanh trùng là 120oC, Thời gian 15 phút. Nhiệt độ làm nguội là 28-30oC. Thiết bị : Sử dụng thiết bị thanh trùng dạng tấm. Thiết bị gồm những bản mỏng gép lại với nhau, trên tấm bản có các rãnh để dịch trao đổi với tác nhân truyền nhiệt.
Hình 3.4. Thiết bị thanh trùng dạng tấm [19]. 3.2.8. Nhân giống Mục đích : Tạo ra đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men. Giống sử dụng là Corynebacterium Glutamicum VN 3969 của Trung Quốc lượng sử dụng là 105-110g/l, không bị giới hạn bởi nồng độ biotin vì giống này có khả năng sinh tổng hợp acid glutamic cao và không bị khống chế bởi nồng độ biotin. Quá trình nhân giống được tiến hành qua các bước sau: Giống gốc Corynebacterium Glutamicum tiến hành nhân giống trong phòng thí nghiệm của nhà máy, đem thử nghiệm đặt yêu cầu thì tiến hành nhân giống cấp I, cấp II. Kiểm tra kỹ trước khi đưa đi nhân giống sản xuất. Tại phòng thí nghiệm, giống gốc được cấy chuyền sang các ống thạch nghiêng rồi tiến hành cấy vào các bình tam giác rồi đi lên men trên máy lắc. Thông số kỹ thuật: Qua tài liệu tham khảo [8] sau đây em xin đưa ra môi trường nhân giống thích hợp là: - Môi trường thạch nghiêng: Pepton 1%; Cao thịt bò 1%; NaCl tinh chế 0,5%; Thạch 2%. - Môi trường giống cấp I: Đường glucoza tinh khiết 2,5%; Rỉ đường 0,25%; Nước chấm 0,32%; MgSO4.7H2O 0,04%; Fe, Mn (đã pha 2000g/l) 0,002%; Urê 0,5%; B1 (đã pha 150g/l) 0,00015% [8, Tr 117]. - Môi trường giống cấp II: Ví dụ ứng với thể tích thiết bị lên men 60 lít: Đường glucoza 2000g; MgSO4 24g; H3PO4 60g; KOH; pH=9; Nước chấm 300ml; Rỉ đường 600g; Urê 480g; Dầu lạc 60ml; B1 20mg [8, Tr 117]. Chuẩn bị môi trường: Các chất được hoà trộn cùng với nước đặt nồng độ dịch đường là 10%, sau đó thanh trùng ở 1200C trong thời gian 30 phút. Sau đó làm nguội xuống còn 320C và tiến hành lên men . Tiến hành: Quá trình nuôi giống khống chế ở nhiệt độ 320C, áp suất 1kG/cm3 cho tiếp urê và dầu lạc như quá trình lên men chính, lượng không khí cho vào khoảng: 850 ÷ 1100 lít/giờ, kiểm tra pH 1 giờ 1 lần hoặc lượng không khí tăng dần tính từ giống nhỏ sang lên men chính theo tỉ lệ 1,0 - 0,25 - 0,5l/l.phút: (lít không khí/lít môi trường /1 phút). Đến giờ thứ 8 hoặc 9 là dùng được. Nồng độ giống là 10g/lít [8, Tr 119]. Thiết bị: Bồn nhân giống làm bằng thép không rỉ thân hình trụ có đáy và nắp hình chỏm cầu giống thiết bị hòa tan tinh bột nhưng khác về kích thước. 3.2.9. Lên men Mục đích: Chuyển hóa đường và đạm thành acid glutamic. Thông số kỹ thuật: Nồng độ đường ban đầu là Bx=10%; Nhiệt độ luôn giữ ở 32oC. Giai đoạn đầu nhiệt độ là 30-32oC, giai đoạn sau tăng lên 36-37oC. Quá trình lên men hiếu khí, nên ta phải cung cấp O2 cho quá trình lên men. Lượng O2 cung cấp là: 40-90mg/lít.phút. Nếu thừa O2 sản phẩm chủ yếu là α-Xetoglutarat, còn nếu thiếu O2 sản phẩm chủ yếu là acid lactic. Cánh khuấy hai tầng: v= 450 vòng/phút. pH=6,7-8. Quá trình lên men pH thay đổi do có sự tạo thành acid hữu cơ nên ta điều chỉnh pH bằng các muối amoni, NH3 để cung cấp nitơ. Biotin: Ngày nay người ta sử dụng chủng loại vi sinh vật không phụ thuộc vào hàm lượng biotin vì vậy hàm lượng biotin không còn ảnh hưởng đến sự lên men. Thời gian lên men là 38-40h, chọn 40h, [11]. Trong quá trình lên men, đường được bổ sung liên tục tới cuối giai đoạn giữa. Khi bọt nhiều phải tiếp giống để phá bọt tạo điều kiện để CO2 thoát ra. Xử lý bọt: Trong quá trình lên men, do hoạt động các chất men của vi khuẩn, thải ra nhiều CO2, tạo ra nhiều bọt, vì vậy cần phải dùng một lượng dầu thích hợp để phá bọt. Ta dùng dầu lạc thô để phá bọt [6, Tr 10]. Thiết bị: Sử dụng thiết bị nhãn hiệu FXG60.0, làm bằng thép không rỉ có cánh khuấy bên trong. Nó là một loại của một thiết bị sử dụng cho các vận động cơ khí và vật liệu lên men. Thiết bị làm bằng thép không gỉ. Thiết bị lên men có hệ thống sục khí đặt bên trong thiết bị. Ngoài ra, xung quanh thiết bị được bao phủ bởi một lớp áo để sưởi ấm hoặc làm mát lưu thông các bộ phận bên trong thiết bị.
Hình.3.5. Thiết bị lên men [22]. 3.2.10. Lọc dịch sau lên men Mục đích: Tách bã và xác men ra khỏi dịch có chứa acid glutamic. Thiết bị: Sử dụng thiết bị lọc khung bản.
Hình.3.6. Thiết bị lọc khung bản [31]. Đặc điểm: Thiêt bị làm bằng chất chống ăn mòn thép không gỉ, để lọc dịch có các giá trị pH khác nhau, ứng dụng của thiết bị lọc áp lực hạn chế, ít hao mòn, chất lượng tốt lọc hiệu quả cao. Bao gồm các tấm bộ lọc, bộ lọc khu vực, một lưu thông lớn, và có thể được lọc theo giải pháp của quá trình sản xuất khác nhau theo yêu cầu, và lưu lượng sản xuất dựa trên người dùng. Số lượng của tấm có thể thay đổi được sao cho phù hợp với yêu cầu sản xuất, vì vậy thiết bị này rất linh hoạt trong sản xuất. Thiết bị có các tấm lọc hình phẳng, kết cấu tiên tiến, biến dạng, dễ dàng làm sạch, hiệu quả có thể tăng tuổi thọ của màng tế bào, làm giảm chi phí sản xuất. 3.2.11. Cô đặc Mục đích : Nhằm làm tăng nồng độ của dịch acid glutamic trước khi kết tinh. Thông số kỹ thuật: Vì dịch sau lên men có nồng độ acid glutamic khoảng 17 %, ta đưa vào hệ thống cô đặc chân không để tạo dung dịch axit glutamic có nồng độ khoảng 30%. Nhiệt độ cô đặc chân không là 70oC [6, Tr 12]. Thiết bị: Sử dụng thiết bị cô đặc chân không. Thông số kỹ thuật của thiết bị có thể thay đổi được theo yêu cầu.

Hình 3.7. Thiết bị cô đặc chân không [23]. Đặc điểm: Thiết bị này bao gồm có 2 phần chính là buồng bốc hơi và buồng đốt liên hệ với nhau bởi ống nối. Dịch đi vào buồng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng đi vào phòng bốc. Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc. Thiết bị này dễ dàng vận hành, dễ vệ sinh, hình đẹp, gương, đánh bóng nội bộ, màu sắc mờ bề mặt bên ngoài của cán nguội, phù hợp với yêu cầu vệ sinh thực phẩm của y học, các tiêu chuẩn GMP. 3.2.12. Tẩy màu Mục đích : Dùng than hoạt tính để hấp thụ những chất màu, tạp chất được sinh ra trong quá trình lên men. Dùng thiết bị tẩy màu có cột than hoạt tính cố định và cho dung dịch cần tẩy di qua cột. Hình 3.8. Than hoạt tính [24].
Hình 3.9. Hệ thống tẩy màu bằng than hoạt tính [25]. Trong hệ thống tẩy màu trên thiết bị số 12 là thiết bị tẩy màu bằng than hoạt tính, dịch đi từ trên xuống trong thiết bị có chứa than hoạt tính sau một thời gian hấp thụ màu dịch đã được xử lý chảy ra ở phía dưới được bơm 14 bơm đi. 3.2.13. Lọc ép Mục đích : Sau khi ra khỏi thiết bị tẩy màu dịch có thể có lẫn than hoạt tính nên được đưa đi lọc ép làm sạch. Thiết bị : Sử dụng thiết bị lọc khung bản giống thiết bị lọc dịch sau lên men. 3.2.14. Kết tinh Mục đích : Tách lấy acid glutamic ra khỏi dịch lên men. Có rất nhiều phương pháp kết tinh acid glutamic: phương pháp điểm đẳng điện, phương pháp dùng dung môi hữu cơ, phương pháp hydroclorit của axit glutamic, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện thẩm tích. Em chọn phương pháp kết tinh bằng phương pháp điểm đẳng điện vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, đang được áp dụng nhiều. Bằng cách đưa pH dung dịch về điểm đẳng điện của acid glutamic tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình làm lạnh và kết tinh. Tiến hành: Toàn bộ dung dịch acid glutamic thu được trên được đưa về thùng kết tinh. Cho cánh khuấy hoạt động liên tục để ngăn ngừa acid glutamic kết tủa quá sớm, kết tinh nhỏ và hiệu quả thấp. Cho H2SO4 98% vào để tạo điểm đẳng điện ở PH=3,22 thì thôi và bắt đầu làm lạnh. Dịch acid glutamic sau khi đạt pH đẳng điện thì cho nước lạnh khoảng 5 0C vào vỏ thùng và làm lạnh. Trong quá trình này cánh khuấy hoạt động liên tục làm cho acid glutamic kết tinh xốp và tơi, sau ít nhất 48 giờ thì quá trình kết tinh kết thúc. Chọn thời gian kết tinh là 48h [8, Tr 128]. Thiết bị: Thiết bị kết tinh làm bằng thép không gỉ có áo lạnh bên ngoài thân hình trụ đáy và nắp hình chỏm cầu.
Hình 3.10. Thiết bị kết tinh [26]. 3.2.15. Ly tâm Mục đích: Tách pha rắn và pha lỏng sau khi kết tinh nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sấy. Pha rắn: gồm acid glutamic đã kết tinh và lắng xuống, thu được acid glutamic ẩm. Pha lỏng: gồm nước và một ít acid glutamic không kết tinh hòa tan vào ta gọi đó là nước cái. Phần nước cái đưa đi kết tinh lại. Thiết bị: Sử dụng thiết bị ly tâm ngang để tách pha rắn acid glutamic và pha lỏng là nước ra.
Hình 3.11. Thiết bị ly tâm ngang [20]. 3.2.16. Rửa, ép lọc Mục đích: Tinh thể sau khi ly tâm còn ẩm và có bám màu nâu nên cần được làm sạch bằng quá trình ép lọc. Thiết bị: Chọn thiết bị lọc Belt Filter Pres
 Hình 3.12. Thiết bị lọc Belt Filter Pres [27]. 3.2.17. Sấy, làm nguội Mục đích: Acid glutamic hút ẩm rất nhanh nên sau ly tâm phải sấy ngay. Để làm sáng bóng hạt acid glutamic và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sau (bảo quản). Thông số kỹ thuật: Độ ẩm acid glutamic sau khi sấy: 0,5-1%. [6,Tr 12]. Thời gian sấy mất khoảng gần 2 giờ [8, Tr 131]. Thiết bị: Sử dụng máy sấy vi sóng diệt khuẩn dạng băng tải.
Hình 3.13. Máy sấy vi sóng diệt khuẩn dạng băng tải [28]. Nguyên lý làm việc: Sử dụng vi sóng sản xuất bởi bộ sản sinh vi sóng để thực hiện làm nóng nguyên liệu cần sấy và tác động vào nguyên tử nước trong nguyên liệu hoặc dung môi, do đó có thể nhận năng lượng và biến nó thành nhiệt và bay hơi để đạt mục đích sấy nguyên liệu và diệt khuẩn. Đặc điểm: Tốc độ gia nhiệt nhanh, đồng đều. Tiết kiệm năng lượng, hiệu quả cao. Dễ điều khiển, linh hoạt và thao tác thuận tiện. Không bay bụi, dễ vệ sinh. - Nguyên liệu thu hồi cao. 3.2.18. Phân loại, đóng gói Mục đích: Acid glutamic sau khi làm nguội được đưa vào thiết bị phân loại rồi vào thiết bị đóng gói để phân riêng các hạt có kích thước giống nhau thuận lợi cho quá trình phân phối và bảo quản sản phẩm sau này. Máy đóng gói trong các túi từ 50 –1000g. Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bảo quản vận chuyển và sử dụng. Thiết bị:

Hình 3.14. Thiết bị phân loại ZS800 [30] Hình 3.15.Thiết bị đóng gói dạng hạt [29]. Đặc điểm thiết bị đóng gói: - Dùng điều khiển biến tần PLC, OMRON Nhật Bản, màn hình hiển thị tiếng Anh, tự động hóa cao, thao tác dễ dàng. - Hệ thống tạo túi có mắt thần định vị điểm màu, tạo túi chính xác, tốc độ cao, vận hành ổn định, tiếng ồn thấp. - Tự động hoàn thành qui trình: Tạo túi → định lượng → đổ liệu → hàn → cắt → in date. - Vỏ máy hoàn toàn chế tạo bằng inox, hình dáng đẹp. - Định lượng cân điện tử chính xác, độ sai lệch 2%. Đầu cân định lượng tháo ra vệ sinh dễ dàng. - Sản phẩm đóng gói không bị vỡ, nát. CHƯƠNG 4. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1. Chọn các số liệu ban đầu Do tinh bột sắn được nhập từ nơi khác về nên nhà máy sản xuất tất cả các tháng trong năm. Một ngày nhà máy sản xuất 3 ca, mỗi ca 8 tiếng. Trong quá trình sản xuất nhà máy nghỉ một số ngày để duy trì bảo dưỡng thiết bị theo định kì, nghỉ các ngày lễ theo quy định của nhà nước. Bảng 4.1. Biểu đồ sản xuất của nhà máy năm 2011 Tháng  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  Cả năm   Số ngày làm việc  26  21  27  24  26  26  26  27  25  26  26  27  307   Số ca  78  63  81  75  78  78  78  81  75  78  78  81  924   Năng suất của nhà máy: 3820 tấn sản phẩm/năm = 12443 kg/ngày. Nguyên liệu dùng: Tinh bột sắn Ta giả sử tổn hao của từng công đoạn so với công đoạn trước đó như sau: Hòa tan tinh bột 0,5% Lọc cặn tinh bột 0,5% Thủy phân tinh bột 2% Pha chế dịch lên men 0,5% Thanh trùng dịch pha chế 1% Lên men 1% Lọc trong dịch sau lên men 1% Cô đặc 1% Tẩy màu 0,5% Lọc ép 0,5% Kết tinh 0,5% Li tâm 1% Lọc rửa 0,5% Sấy 0,5% Phân loại, đóng gói 0,5% 4.2. Tính cân bằng vật chất 4.2.1. Phân loại, đóng gói Tỉ lệ hao hụt là 0,5%. Khối lượng acid glutamic trước đóng gói: 12443

= 12505,528 (kg/ngày). 4.2.2. Sấy Tỉ lệ hao hụt là 0,5%. Độ ẩm thành phẩm là 0,5% [4,Tr 131]. Giả sử độ ẩm acid glutamic trước khi sấy là 4%. Vì khối lượng chất khô trong quá trình sấy không đổi. Theo công thức:
[4,Tr 59]. Trong đó: m1: Khối lượng nguyên liệu vào thiết bị, T/ng m2: Khối lượng nguyên liệu ra khỏi thiết bị, T/ng W1: Độ ẩm khối nguyên liệu trước khi vào thiết bị, % W2: Độ ẩm khối nguyên liệu sau khi ra khỏi thiết bị, % Khối lượng acid glutamic đưa vào sấy (đã có tính tổn thất): 12505,528



= 13026,591 (kg/ngày). 4.2.3. Lọc rửa Tỉ lệ hao hụt là 0,5%. Độ ẩm trước khi sấy là 4%, tức độ ẩm sau ép lọc 4%. Giả sử trước khi ép lọc độ ẩm 6%. Lượng acid glutamic trước khi ép lọc (đã có tính tổn thất): 13026,591 ×


= 13370,606 (kg/ngày). 4.2.4. Ly tâm
Tỉ lệ hao hụt là 1%. Trước khi ép lọc độ ẩm 6%, tức độ ẩm sau li tâm là 6%. Giả sử độ ẩm acid glutamic trước li tâm 11%. Lượng acid glutamic trước khi li tâm (đã có tính tổn thất): 13370,606

×
= 14264,408 (kg/ngày). 4.2.5. Kết tinh Tỉ lệ hao hụt là 0,5%. Độ ẩm trước li tâm 11%, tức độ ẩm sau kết tinh là 11%. Nồng độ acid glutamic trước kết tinh 30% . [11] Giả sử hiệu suất kết tinh là 85%. Lượng acid glutamic khô trước khi ly tâm: 14264,408 ×( 1 - 0,11) = 12695,323 (kg/ngày). Lượng chất khô của acid glutamic trước kết tinh đã có tổn thất: 12695,323

= 15010,727 (kg/ngày) . Suy ra, khối lượng dung dịch acid glutamic trước kết tinh: 15010,727 ×
= 50035,758 (kg/ngày). 4.2.6. Lọc ép Tỉ lệ hao hụt 0,5%. Khối lượng dung dịch acid glutamic trước lọc ép có tính tổn thất: 50035,758

= 50287,194 (kg/ngày). 4.2.7. Tẩy màu Tỉ lệ hao hụt 0,5%. Giả sử nồng độ acid glutamic không đổi trước và sau khi tẩy màu. Khối lượng dung dịch acid glutamic trước tẩy màu có tính tổn thất: 50287,194

= 50539,893 (kg/ngày). 4.2.8. Cô đặc Tỉ lệ hao hụt 1%. Trước cô đặc, nồng độ axit glutamic 17% [11]. Nồng độ acid glutamic trước tẩy màu 30% [11], cũng là nồng độ acid glutamic sau cô đặc. Lượng dung dịch acid glutamic sau cô đặc có tính tổn thất: 50539,893

= 51050,397 (kg/ngày). Lượng chất khô acid glutamic sau cô đặc: 51050,397

= 15315,119 (kg/ngày). Lượng dung dịch acid glutamic trước cô đặc: 15315,115
= 90088,937 (kg/ngày). 4.2.9. Lọc trong Hao hụt 1%. Giả sử hiệu suất lọc trong là 90%, nồng độ acid glutamic không đổi trước và sau khi lọc trong. Lượng dung dịch acid glutamic trước lọc trong : 90088,937



= 101109,918 (kg/ngày). Khối lượng riêng acid glutamic: 1620 (kg/m3) [1]. Khối lượng riêng acid glutamic 17% là 1105 (kg/m3) [1]. Thể tích acid glutamic trước lọc trong:
= 91,502 (m3/ngày). 4.2.10. Lên men Tỉ lệ hao hụt là 1%. Khối lượng dung dịch thu được sau lên men: 101109,89 (kg/ngày). Tổng lượng dung dịch lên men (đã có tính tổn thất): 101109,918

= 102131,230 (kg/ngày). Lượng giống bổ sung vào dịch lên men là 4% [11]. Lượng giống bổ sung vào dịch lên men: 102131,230

= 4085,249 (kg/ngày). Ta có phương trình lên men acid glutamic sau: 1M C6H12O6 +
O2 + NH3 1M C5H9NO4 + CO2 +3H2O 180 ----------------------- > 147 x <------------------------- 17% Vậy nồng độ dịch đường trước pha chế cần là x=17

= 20,816 (%). Dịch lên men có nồng độ từ 8-25%. Chọn dịch lên men có nồng độ là 10% [Mục 3.2.7]. Trong dịch lên men có bổ sung đường glucoza, và bổ sung urê 1,8%, dầu lạc 0,1 % [8, Tr 114]. Do đó, lượng chất khô trong dịch lên men chiếm: 102131,230
=21259,637 (kg/ngày). Lượng đường glucoza bổ xung chiếm: 21259,637

= 2299,442 (kg/ngày). Do đó, tổng lượng ure và dầu lạc bổ sung vào trong quá trình lên men: 102131,230

= 1940,493 (kg/ngày). Lượng dịch pha chế (gồm dịch từ thủy phân tinh bột và khoáng) đem vào lên men từ đầu: 102131,230 – (4085,248 + 2299,442 + 1940,493) = 93806,047 (kg/ngày). Áp dụng công thức nội suy ta có khối lượng riêng của dung dịch đường có nồng độ chất khô 20,816% ở 200 C là: 1083,39 kg/m3 Khối lượng riêng của nước ở 320 C là 995,68 kg/m3. [1, Tr 64] Khối lượng riêng của nước ở 200 C là 998,23 kg/m3 . [1, Tr 64] Suy ra khối lượng riêng của dung dịch đường có nồng độ chất khô 20,816% ở 320 C là: 1083,39

= 1080,623 (kg/m3) . Giả sử khối lượng riêng của dung dịch đưa vào lên men bằng khối lượng riêng đường glucoza. Suy ra tổng thể tích dung dịch lên men (ở 320 C): V =
= 94,511 (m3/ngày). Thể tích dịch pha chế (gồm dịch từ thủy phân tinh bột và khoáng) đem vào lên men: V =
= 86,807 (m3/ngày). 4.2.11. Thanh trùng dịch pha chế Tỉ lệ hao hụt là 1%. Lượng dịch pha chế (gồm dịch từ thủy phân tinh bột và chất khoáng) trước thanh trùng: 86,807

= 87,684 (m3 /ngày). 4.2.12. Pha chế dịch lên men Tỉ lệ hao hụt là 0,5 %. Thể tích dịch pha chế (gồm dịch từ thủy phân tinh bột và chất khoáng) đã có tính tổn thất: 87,684

= 88,125 (m3 /ngày). Suy ra, khối lượng dịch pha chế (gồm dịch từ thủy phân tinh bột và chất khoáng) đã có tính tổn thất: 88,125
1080,623 = 95229,731 (kg/ngày). Dịch pha chế có nồng độ là 10% [ Mục 4.2.10]. Suy ra, lượng chất khô trong dịch pha chế: 95229,731

= 9522,973 (kg/ngày). Nồng độ hóa chất sử dụng [6, Tr 12] K2HPO4: 0,125% MgSO4: 0,075% MnSO4: 0,00275% KH2PO4: 0,125% FeSO4: 0,00525% Nồng độ chất khoáng cho vào pha chế (tính theo tổng lượng dịch lên men): 0,125 + 0,075 + 0,00275 + 0,125 + 0,00525 = 0,333 (%). Khối lượng chất khoáng đưa vào pha chế: 102131,230

= 340,097 (kg/ngày). Lượng glucoza (từ thủy phân tinh bột) đem pha chế: 9522,973 - 340,097 = 9182,276 (kg/ngày). 4.2.13. Thủy phân tinh bột Tỉ lệ hao hụt 2% (trong đó dịch hóa 0,5%, làm nguội 1%, đường hóa 0,5%). Gọi a là lượng tinh bột sắn cần dùng. Trong tinh bột sắn, tinh bột chiếm 83-88% [8, Tr 16]. Ta giả sử trong tinh bột sắn, tinh bột chiếm 85%. Lượng tinh bột trong tinh bột sắn: a

= 0,850a (kg/ngày). Phản ứng thủy phân: (C6H10O5)n + n H2O n C6H12O6 162n 180n Lượng C6H12O6 tạo theo phản ứng: 0,85a

= 0,944a (kg/ngày). Lượng C6H12O6 tạo sau thủy phân tinh bột: 0,944a

= 0,925a (kg/ngày). Ta có lượng đường glucoza sau thủy phân tinh bột cần là: 11335,923 (kg/ngày). Suy ra: 0,925a = 9182,276
a = 9927,434 (kg/ngày). Vậy lượng tinh bột sắn cần ngay trước dịch hóa là: 9927,434 (kg/ngày). Trong tinh bột sắn, lượng tinh bột chiếm 83-88% [8, Tr 16]. Do đó, hòa tan tinh bột sắn và nước theo tỉ lệ 40: 60 [11]. Lượng dịch đưa vào dịch hóa: 9927,434

= 24818,584 (kg/ngày). Quá trình dịch hóa hao hụt 0,5%. Suy ra, lượng dịch sau dịch hóa được làm nguội: 24818,584

= 24694,491 (kg/ngày). Quá trình làm nguội hao hụt 1%. Suy ra, lượng dịch đưa vào đường hóa: 24694,491

= 24447,546 (kg/ngày). 4.2.14. Lọc dịch tinh bột Tỉ lệ hao hụt 0,5%. Giả sử lọc thu được 90% dịch, 10% bã. Ta có, lượng dịch đưa vào dịch hóa: 24818,584 (kg/ngày). Suy ra, lượng dịch tinh bột trước khi lọc: 24818,584



= 27714,778 (kg/ngày). 4.2.15. Hòa tan tinh bột Tỉ lệ hao hụt 0,5%. Lượng dịch tinh bột trước hòa tan (đã tính tổn thất): 27714,778

= 27854,049 (kg/ngày). Giả sử quá trình hòa tan, lọc, nồng độ tinh bột không đổi. Nồng độ hòa tan là Bx= 33-40%, chọn 40% [11]. Lượng tinh bột sắn cần trước hòa tan: 27854,049

= 11141,619 (kg/ngày). Vậy lượng tinh bột sắn cần ban đầu : 11141,619 (kg/ngày). 4.2.16. Giống Tỉ lệ lượng giống cho vào lên men là 4% [11]. Ta có, tổng thể tích dịch lên men là: 94,511 (m3/ngày). Thể tích giống cho vào sản xuất : Vgiống =
× 94,511 = 3,78 (m3/ngày). Thể tích giống cấp II bằng 10% lượng giống sản xuất :