Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Khoa: Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm Môn Học: Công Nghệ Lên Men ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN GVHD: Trịnh Khánh Sơn Nhóm 3: Lê Thị Chiến 11116008 Phạm Đình Hà 11116024 Phạm Thị Lệ 11116033 Phan Văn Luật 11116036 Vanxay Phimphone 11116L02 TP.HCM 10/2013 [Type text] Page 1 Công nghệ Lên men Chương 8: Thiết bị đo và điều khiển Mục Lục Page 2 Công nghệ Lên men Page 3 Công nghệ Lên men 1. Giới thiệu Lên men thành công phụ thuộc vào việc xác định điều kiện môi trường cho sinh khối và sản phẩm lên men. Để đạt được những mục tiêu đó, điều quan trọng phải hiểu cái gì xảy ra trong quá trình lên men và làm thế nào để điều khiển chúng sao cho đạt hoạt động tối ưu. Do đó nhiệt độ, PH, tốc độ khuấy, nồng độ oxy trong môi trường và các yếu tố khác có thể phải được giữ ổn địnhtrong quá trình vận hành.Quy định này đòi hỏi theo dõi cẩn thận (thu nhận dự liệu và phân tích) quá trình lên men, bất kỳ sai lệch so với quy định tối ưu có thể được điều chỉnh bằng hệ thống điều khiển. Tiêu chuẩn thường xuyên được theo dõi thường xuyên được sử dụng trong bảng 8.1, song song với cùng với sự kết hợp của điều khiển vận hành. Điều này góp phần duy trì sự ổn định của điều kiện môi trường. Việc theo dõi quá trình lên men có thể cho chúng ta thông tin về sự tiến triển của nó. Như thông tin chỉ ra thời gian tối ưu để thu được kết quả hoặc sự tiến triển quá trình lên men diễn ra không bình thường. Điều này có thể chỉ ra những bất thường hoặc dấu hiệu chuẩn bị thoái hóa. Do đó thiết bị theo dõi sản phẩm lên men chỉ ra sự phát triển lên men và liên kết với hệ thống điều khiển. Trong các nghiên cứu ban đầu số các chức năng đó sẽ được kiểm soát có thể được giới hạn để đạt được kiến thức thêm về một quy trình lên men cụ thể. Do đó pH có thể được đo và ghi lại nhưng không duy trì ở pH quy định, nồng độ oxy hòa tan có thể được xác định nhưng không cố gắng sẽ được thực hiện để ngăn chặn suy giảm oxy.Điều đó quan trong để xem xét sự cần thiết về thiết bị cảm ứng và kết hợp với thiết bị điều khiển giao diện với máy tính (sẽ được thảo luận phần sau).Trong chương này sẽ xem xét hệ thống điều khiển chung dùng được có sẵn, tiêu chuẩn theo dõi và điều khiển và vai trò của máy tính. Nhiều thông tin về thiết bị và điều khiển sẽ được viết bới Flynn(1983,1984), Armiger (1985), Bull(1985), Rolf và Lim(1985), Bailey và Ollis(1986), Kristiansen(1987), montague et al (1988), Duusseljee và Feijen(1990), Atkinson và Mavituna(1991) và Royce(1993). Page 4 Công nghệ Lên men Trong bảng 8.1 thể hiện một số lượng đáng kể các các quá trình biến đổi có thể cần phải được theo dõi trong một quá trình lên men. Phương pháp để đo lường những biến, cảm biến hoặc thiết bị cho các quá trình kiểm soát thay đổi, có thể được trình bày dưới đây. Có 3 loại cảm biến chính: 1 Cảm biến cái mà xâm nhập vào bên trong lên men như điện cực Ph, điện cực phân giải nồng độ oxy. 2 Cảm biến cái mà hoạt động trong mẫu. Mẫu là cái được liên tục thu hồi từ quá trình lên men như phân tích khí xả. 3 Cảm biến không được tiếp xúc với dịch lên men hoặc khí như máy đo tốc độ, tế bào tải. (load cells) Nó cũng là cảm biến đặc trưng liên quan đến ứng dụng của nó để kiểm soát quá trình. 1 In-line sensor: Cảm biến là một phần tích hợp của thiết bị lên men và giá trị đo được nó được sử dụng trực tiếp để kiểm soát quá trìn 2 On-line sensor: Mặc dù cảm biến là một phần của thiết bị lên men, nhưng các giá trị đo không thể sử dụng ngay để điều khiển. Người điều khiển máy phải nhập giá trị đo của hệ thống nếu dữ liệu được sử dụng trong quá trình điều khiển. Page 5 Công nghệ Lên men 3 Off-line sensor: Cảm biến không phải là một phần tích hợp của thiết bị lên men. Giá trị đo được không thể được sử dụng cho quá trình điều khiển. Người điều khiển cần thực tế hóa (như mẫu phân tích hoặc cân nặng mẫu) và nhập giá trị đo vào trong hệ thống điều khiển Khi đánh giá cảm biến để sử dụng trong đo và điều khiển .Điều quan trong xem xét thời gian phản ứng, kết quả, độ nhạy, độ chính xác, sự dễ dàng và tốc độ, sự ổn định, độ tin cậy, đầu ra (tiếp tục hoặc khôn tiếp tục), nguyên liệu tạo nên, tình trạng hoạt động, tiệt trùng, bảo quản,thanh toán và giá trị ( Flynn,1983,1984; Royce,1993) 2.Phương pháp đo những giá trị trong sản xuất. 2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ trong vessel men hoặc ống, một trong những thông số quan trọng nhất để theo dõi và điều khiển trong bất kì quy trình nào. Nhiệt độ có thể đo bằng nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế lưỡng kim, nhiệt kế bóng áp suất, cặp nhiệt điện, nhiệt kế dựa vào điện trở kim loại và nhiệt kế điện tử. Trong đó thì nhiệt kế kim loại và nhiệt kế điện tử được ứng dụng nhiều nhất trong lên men. Độ chính xác của nhiệt kế thủy ngân được sử dụng để Page 6 Công nghệ Lên men kiểm tra và hiệu chỉnh nhiệt độ cảm biến khác. Trong khi các loại nhiệt kế rẻ hơn vẫn được sử dụng trong phòng thí nghiệm. 2.1.1 Nhiệt kế thủy ngân Nhiệt kế thủy ngân có thể được sử dụng trực tiếp trong diện tích nhỏ như ghế băng trong lên men. Nhưng nó rất dễ vỡ do đó hạn chế sử dụng.Trong quy mô công nghiệp cần thiết lồng nó vào trong túi nhiệt kế trong thùng lên men. Cái đưa vào thời gian sau khi đi nhiệt độ thùng lên men. Đây là loại nhiệt kế có thể sử dụng đơn lẻ để biểu thị, không được điều khiển tự động hay ghi lại. 2.1.2 Nhiệt kế điện trở Chúng ta cũng được biết rằng điện trở của kim loại thay đổ với giá trị nhiệt độ khác nhau. Đây là tính chất được sử dụng trong thiết kế các nhiêt kế điện trở. Bóng đèn của thiết bị chứa yếu tố điện trở, một khuôn mica (mỗi lần đo rất chính xác) hoặc xung quanh khung gốm (mạnh nhưng độ chính xác không cao) Các yếu tố nhạy cảm là dây quấn. Dây dẫn từ bong đèn được kết nối đến các yếu tố đo. Thường đọc kết quả thu được bắng cách sử dụng mạch wheat-stone biedge và đo nhiệt độ trung bình của yếu tố cảm ứng. Loại nhiệt kế này có độ chính xác ( ± 0.25% )cao hơn một số thiết bị khác và nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ nhiết đô. Có phản ứng nhanh để phát hiện thay đổi (1-10s) và không có hạn chế trong khoảng cách rất nhỏ (30x5 mm) và hiển thị điếm tái sản xuất. Những thiết kế này thưởng kèm theo lớp vỏ bắng thép không gỉ. Nếu chúng được sử dụng quy mô lớn và có thiết bị hỗ trợ điện trở được quấn. Dây bạch kim điện trở 100Ω thường được sử dụng. 2.1.3 Nhiệt kế điện tử Nhiệt kế bán dẫn được làm từ việc phối đặc trưng oxy tinh khiết với sắt, nhôm và kim loại khác. Page 7 Công nghệ Lên men Chúng có đặc điểm chung chính là giá trị điện trở thay đổi rất lớn khi có sự thay đổi nhỏ nhiệt độ. Sự thay đổi trong điện trở hoàn toàn do nhiệt độ. Nhiệt độ đọc thu được với Whea-stone bridge hoặc đơn giản hoặc mạch phức tạp tùy thuộc ứng dụng. Nhiệt kế này tương đố rẻ, được chứng minh là rất ổn định, có thể tái sản xuất và có thể đặt xa từ nơi đọc điểm. Nhược điểm chính của chúng là nhiệt độ phi tuyến đáng kể so với nhiệt điện trở đường cong kháng. 2.2 Điều chỉnh nhiệt độ Việc sử dụng vỏ áo và cuộn ống trong khi lên men trong như một phương tiện để kiểm soát nhiệt độ đã được mô tả chương 7. Trong hệ thống nhỏ có yếu tố làm nóng, công suất 300-400 W ứng với 10 dm 3 lên men, cung cấp nước làm mát. Thiết bị này mở hay tắt phụ thuộc vào việc cần làm nóng hay làm nguội. Bộphận làm nóng nên càng nhỏ càng tốt để giảm kích thước tản nhiệt kết quả đạt được khi làm nóng không dài hơn yêu cầu. Trong một số trường hợp nó có thể là tốt hơn để chạy nước làm mát liên tục với tốc độ ổn định và có bộ phận làm nóng chỉ kết nối với đơn vị điều khiển. Việc này có thể tốn kém khi hoạt động nếu nước được đổ trực tiếp đến chất thải. Với quy mô nhỏ Harvard Apparatus Ltd (Firicroft Way, Edenbridge, Kent, U.K) làm một đơn vị. Các themoscirculator sẽ bơm tuần hoàn themocirculator, yếu tố làm nóng nước sẽ chìm trong dịch lên men lên đến 10 dm 3 và cho kiểm soát nhiệt độ ± 0.1 o . Với quy mô lớn, những nơi mà nóng trong suốt quá trình lên men thì thường không cần thiết trang bị van điều tiết làm lạnh nước đầu vào có thể đủ để kiểm soát nhiệt độ. Nếu việc làm lạnh là rất cần thiết thì ta có thể sử dụng nước muối. Nếu lên men được tiệt trùng hàng loạt hơi đầu vào hơi nước các cuộn dây và lớp áo khoác có thể được thực hiện. Hơi đầu vào hơi nước các cuộn dây và lớp áo có thể được thể hiện nếu lên men đượ tiệt trùng hang loạt. Page 8 Công nghệ Lên men Tốc độ chậm cần thiết đối với tế bào động vật để giảm thiệu thiệt hại cắt. Trong các thùng lên men làm nóng fingers có thể gây ra những điểm nóng cục bộ à gây ra thiệt hại cho tế bào. Làm nóng vỏ áo (jackects) nhiệt lượng thấp hơn tỉ lệ thuận với bề mặt ngoài (nước và silicone có cao su bao phủ phần nhiệt điện (chương 7) được sử dụ để giải quyết vấn đề trên. 2.3 Đo lưu lượng và điều khiển lưu lượng Đo lưu lượng, điều chỉnh dung dịch, khí rất quan trọng khi kiểm soát các quá trình. 2.3.1 Khí Một trong những cách đơn giản để đo tốc độ khí của quá trình lên men là bằng phương tiện của một mét khu vực biến (means of a variable area meter). Rotameter là cái được sử dụng nhiều nhất, bao gồm một ống kính gắn kết theo chiều dọc với lỗ khoan ngày càng tăng và kèm theo một phao di chuyển tự do mà có thể là một quả bóng hoặc một”cái đê”(thimble) rỗng. Vị trí của phao trong ống đong thủy tinh để chỉ ra tốc độ dòng chảy. Kích thước khác nhau có thể cung cấp một phạm vi rộng của tốc độ dòng chảy. Mức độ chính xác phụ thuộc vào lượng khí tại áp suất ổn định. Nhưng sai số lên đến %10± của sai số được dẫn chứng. Lỗi lớn nhất là khi tốc độ dòng chảy thấp. Lí tưởng, rotameter không nên được tiệt trùng mà được đặt ở giữa đầu vào khí và bộ lọc vô trùng. Không có dự dữ liệu trực tuyến đăng nhập với rotameter đơn giản. Ống kim loại có thể sử dụng những vị trí mà việc sự dụng thủy tinh không thích hợp. Trên thực tế nơi đặt “ phao ” được xác định bởi từ tính hoặc kỹ thuật điện. Nhưng vị trí này không thường được sử dụng cho việc lên men. Rotameter cũng có thể được sử dụng để đo lưu lượng dung dịch, khi hạt mài mòn và những chất xơ không xuất hiện. Việc sử dụng oxy và carbon dioxide để phân tích khí thải đòi hỏi việc cung cấp việc đo lưu lượng khí rất chính xác để phân tích được sử dụng hiệu quả. Vì lí do này máy Page 9 Công nghệ Lên men đo dòng khí nóng được sử dụng cho phạm vi 0 đến 500 dm 3 min -1 . Những thiết bị có độ chính xác ± 1% trên quy mô toàn diện và làm việc trên nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau thông qua thiết bị làm nóng đặt trên đường dẫn của dòng khí (Fig.8.1) Nhiệt độ đầu dò như nhiệt kế đặt ở đầu nguồn và cuối nguồn của dòng nóng, phía trong hoặc phía ngoài của ống dẫn. Lưu lượng khí, Q có thể được tính toán từ phương trình nhiệt đặc trưng: H=QC p (T 2 -T 1 ) Trong đó H lượng nhiệt truyền (tốc độ dòng chảy của khối lượng khí.) Cp là tiêu chuẩn nhiệt của khí T1 nhiệt độ của khí trước khi được truyền nhiệt. T2 nhiệt độ của khí sau khi được truyền nhiệt. Từ phương trình trên ta có thể biến đổi lại Q: Q=H / (C p (T 1 -T 2 )) Hinh 8.1 thermal mass flowmeter Điện thế vào có thể thu được bằng phương pháp này, có thể sử dụng trong dữ liệu đăng nhập. Điều khiển lưu lượng khí thường sử dụng các van. Thường thì phương pháp này điều khiển không triệt để, và nó cần thiết để kết hợp tự điều khiển của van. Với quy mô nhỏ chỉ số dòng chảy (flowstat) có sẵn(G.A.nlaton, Ltd Wella Road, Basingstoke, Page 10 [...]... được kết nối với một bộ điều khiển từ đó sẽ tạo ra một tín hiệu để vận hành van hơi (Hình 8.14) Hệ thống điều khiển tự động có thể được phân thành bốn loại chính: 1 Công tắc điều khiển (ON / OFF) 2 Điều khiển tỷ lệ 3 Điều khiển tích hợp 4 Điều khiển phát sinh mới 4. 3Công tắc điều khiển (ON / OFF) Công tắc điều khiển là vị trí điều khiển tự động đơn giản nhất khi mở hoàn toàn công tắc nằm ở vị trí ON,khi... thép không gỉ được cách ly ngoại trừ đầu nhọn tiếp xúc và được thiết kế đặt trên miệng bình lên men Khi lượng bọt tăng lên và chạm vào đầu dò, một dòng điện sẽ chạy qua mạch của đầu dò Page 17 Công nghệ Lên men và bọt sẽ hoạt động như một chất điện phân Khi đó van được mở ra và bơm bắt đầu hoạt động đưa chất phá bọt vào trong bình lên men trong vòng vài giây Quá trình tính giờ xảy ra đều đặn trong hệ... Và nên sử dụng điều khiển bằng tay đối với những sai lệch nhỏ và không thường xuyên 4.2 Điều khiển tự động Sử dụng hệ thống điều khiển tự động là hoàn toàn cần thiết đối với sự thay đổi của các thông số Các yếu tố đo lường được theo dõi bằng các đầu dò tín hiệu Trong trường Page 34 Công nghệ Lên men hợp kiểm soát nhiệt độ thì các nhiệt kế được thay bằng các cặp nhiệt điện, được kết nối với một bộ điều. .. chạm vào thành bình nuôi cấy Các thiết bị sản xuất khác cũng đã được sản xuất bao gồm một trục quay theo phương ngang tách ly tâm và cánh phản lực làm lệch hướng các bọt khí (Hall cùng các cộng sự1973,Viesturs cùng các cộng sự, 1982) Tiếc rằng các thiết bị này phải được sử dụng kết hợp với chất phá bọt Hình 8. 6: Bộ phận điều khiển và cảm ứng bọt 2.10 Khối lượng Page 18 Công nghệ Lên men Một cảm biến đo. .. của nhà sản xuất mong muốn và tín hiệu đầu dò từ đó co thể điều chỉnh theo ý của nhà sản xuất Sau khi nhận được giá trị của yếu tố kiểm soát cuối cùng bơm sẽ tự điều chỉnh bằng cách thay đổi một van mở hoặc bơm tốc độ để đưa giá trị về điểm bắt đầu của bơm 4.1 Điều khiển bằng tay Page 33 Công nghệ Lên men Ví dụ đơn giản về điều khiển bằng tay là điều khiển một van hơi để điều chỉnh nhiệt độ của nước... sản xuất Đo áp suất rất cần thiết bởi một số lý do, quan trọng nhất là để đảm bảo an toàn Trong quy mô công nghiệp và phòng thí nghiệm được thiết kế để đáp ứng với tiêu chuẩn áp suất làm việc cộng với các yếu tố an toàn Do đó nó quan trọng để trang bị phù hơp với các thiết bị, cái sẽ cảm nhận, chỉ ra, ghi lại và điều khiển áp suất Trong quá trình tiệt trùng đo áp suất cũng quan trọng Trong lên men, áp... một loạt các hợp chất khí và dễ bay hơi khác 4 Hệ thống điều khiển Các thông số của quá trình sẽ được tính toán thông qua đầu dò của hệ thống Có thể kiểm soát và điều khiển được hệ thống này Một vòng điều khiển bao gồm bốn thành phần cơ bản sau: 1 2 3 4 Yếu tố đo lường Bộ điều khiển Kiểm các yếu tố lần cuối Quá trình vận hành phải được kiểm soát Bước đơn giản của vòng điều khiển là thông tin phản hồi... lớn điều cần thiết để thay đổi tốc độ khuấy là thường được giảm Khi cần thiết nó có thể được thực hiện bằng hộp số, sửa đổi kích thước của bánh xe hoặc vành đai hay thay đổi động cơ chạy thay thế đắt tiền nhất 2.9 Điều khiển và cảm biến bọt Sự tạo bọt là một điều khó khăn trong nhiều quá trình lên men của vi sinh vật nếu không được kiểm soát chặt chẽ Thực tế thông thường một chất phá bọt được thêm vào... lý do này đồng hồ đo dòng gắn trên trục trong lên men là phương pháp chính xác nhất về đo lường và vượt qua ma sát (Aiba et al., 1965; Broddgesell 1969 Aiba et al 1965) lắp bốn đồng hồ đo dòng giống hệt nhau ở 45o đến trên trục trong một trục rỗng Dây dẫn từ đồng hồ đo vượt ra ngoài của trục thông qua cái lỗ trục và sau đó tín hiệu điện được chon bởi sự Page 16 Công nghệ Lên men lắp vành tiếp điện Nghiên... thay đổi thì sẽ điều khiển van hơi sao cho giảm được sự chênh lệch nhiệt độ Nên nhiệt độ không thể trở về điểm ban đẩu khi thời gian chưa đến Để làm được điều này, cần phải biết điều chỉnh lúc nào và điều chỉnh bao nhiêu thì công nhân phải có được kinh nghiệm và kỹ thuật Việc điều khiển bằng tay có thể rất tốn kém về lao động và phải luôn được giữ ở mức nghiêm ngặt tối thiểu trong khi điều khiển tự động . KHIỂN GVHD: Trịnh Khánh Sơn Nhóm 3: Lê Thị Chiến 11116008 Phạm Đình Hà 11116024 Phạm Thị Lệ 11116 033 Phan Văn Luật 11116 036 Vanxay Phimphone 11116L02 TP.HCM 10/20 13 [Type text] Page 1 Công nghệ. bới Flynn(19 83, 1984), Armiger (1985), Bull(1985), Rolf và Lim(1985), Bailey và Ollis(1986), Kristiansen(1987), montague et al (1988), Duusseljee và Feijen(1990), Atkinson và Mavituna(1991) và Royce(19 93) . Page. liệu tạo nên, tình trạng hoạt động, tiệt trùng, bảo quản,thanh toán và giá trị ( Flynn,19 83, 1984; Royce,19 93) 2.Phương pháp đo những giá trị trong sản xuất. 2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ trong vessel men