Winning van glutaminezuur met behulp van ionenuitwisselaars

1 / ~ I

,

';! _, j

~,

J

.

f _{WINNING VAN GLUTAMINEZUUR}

met behulp van

ion e n u i t wis s e 1 a a r s

-'

" D e 1.f t ,September 1955. TAN BIANSENG "-,

.

WINNING VAN GLUTAMINEZUUR

INHOUD 1.'Inleiding.~

2.Chemische ~igenschappen en reacties van glutamine."

.

.

3.Grondstoffen.

4.Winning van glutaminezuur uit de belangrijkste grondstoffen~' _,

5.Winning van glutamine zuur met behulp van ionenuit~isselaars.: 6 .Apparatuur .• i

7;De inrichting van het ionenuitwisselings-systee.m.'

9.Berekening van warmtewisselaars~

, . .

lO.Berekening van a'Otoclaven.J

, ' 1l.Li t eratuurlij st • ~ 0 -,", 1 2 3 4 7 9 14 16 20 30 18

1.1 N LEI DIN G

Het is gebleken dat het Na-zout van glutaminezuur,natriumglutaminaat ' ieer sterk de sensatie ván een vleeSsmaak geeft.Deze stof is een van de smaakstof=. -fen van bliksoepen,soeparomais,enz.Natriumgluta.m.inaat heeft veel sterkere . smaakverbeterende eigenschappen dan keukenzout.Vooral in Amerika met zijn reus

ach-~tige conservenindustrie bestaat er veel belangstelling voor dit product;Na de b~r

-log is de productie binnen 3 jaren gestegen van' 6 millioen tot 12 millioen lbs .'( 1) Natriumglutaminaat veroorzaakt niet de vleesgeur.De zuiverheid van het glutaminaat is zeer belangrijk voor de smaak.Te sterk gezuiverde stof schijnt niet in die mate de vleessmaak te geven.Bij een verdunning 1:3000 is de stof nog te proeven,terwijl dit voor zout 1:400 en voor suiker 1:200 bedraagt.Het vrije zuur is niet zó n . sterke smaákverwekker,hetgeen er voor pleit dat de smaak aan het gluta.m.ine-ion ge--bonden is.Inderdaad daalt de smaak bij terugdringen van de dissociatie.

De benodigde hoeveelheid die màn áan de verschillende spijzen moet toevoegen varieert in de regel tussen 0,1% en 0,3%.'

, r ~~~

~..9\ V" . "

!

.

d.-Glutaminezuur of a.-,loot-oglutaarzuur k6mt in alle natuurlijke proteJ.ne1}/voor.' In 1866 werd deze verbinding ontdekt door K.lieinrich Ritthausen.

(2).-Ongeveer 40 jaar later wees Kikunae Ikeaa op de mogelijkheid glutaminezuur als smaakstof te gebruiken. In 1908 begon de productie van deze stof.,hatriumglutaminaat in Japan.China importeerde een verbinding uit Japan onder de naàm Ajinomoto.'

Spoedig daarna werd natriumglutaminaat in China zelf' bereid (Ve-tsirt).Na de eerste wereld oorlog had men in Amerika enormá hoeveelheden af'valvloéistof,die overbleef wanneer de zp.elasse volgens het 'Stef'f'en-proce'dé ontsuikerd was~Onderzoekingen om

deze hoeveelheden te verwerken,hebben geleid tot de prOductie van glut a.m.ine zuur , uit bovengenoemde afvalstof.ln 1929 werd in Amerika glutaminezuur ook uit tarwe--gluten bereid.ln de dertiger jaren begon men ook in Duitsland

men

de fabrikage

van natiumglutaminaat.- .

Thans wordt dit product in Amerika op grote schaal gemaakt uit Stefren-afvalvloéistbf.Het is een ingewikkelde bereidingsmethode,die veel moeilijkheden oplevert.O.a..vormt 'de co»rosie een niet eenvoudig op te lossen probleem.l (3).~

De belangrijke ontwikkeling van 'de synthetische

r~~n

ionenuitwisselaars, vooral gedurende de laatste tien jaren,heeft de vraag Opgeworpen of deze methodiek toepasbaar is op de'sapzuivering in de suikerindustrie.Het uit de suikerbieten

verkregen sUikersap,het ruwsap,bevat eén aantal niet-suikers,waarvan sommige de kris--tallisatie van de saccharose oeletten.De in het ruwsap 'aanwezige kolloiden zoals eiwittén en pectine,die de kristallisatie ten zeerste belemmeren moe~dus verwijderd worden.'De nietsuikers in het dan verkregen dunsap bestaan voor het grootste deel uit anorganische en organische zouten,peptiden,amiden en aminozuren. Dit zijn dus alle

geioniseerde verbindingen en kunnen door ionenuitwisselaars opgenomen worden. Men kan inderdaad ionenuitwisselaars gebruiken voor de'volledige ontzouting van de suikersappen.ö.e~verkregen sap is aanzienlijk zuiverder,dan die verkregen volgens

de klassieke reinigingsmethodes.ne opbrengst aan suiker wordt grbter,terwijl eén mogelijkheid bestaat van isolatie en het winnen van bijproducten.De verbinding;die

de belangrijkste' e60nomische waarde' heeft op het ogenblik is het GLt1.rAMlNEZ.'UO'R.i

Volgens F.B .Osbome (4) en H.Thierf'elder' (5) komt "glutaminezuur "in plantaardige of die~ijké prote1nen voor als glutamine of Bis zi6h als glutamine gedragende .

verbinding.60k in dunsap is nog glutamine'aanwezig.Bij de winning van glutaminezuur als bijproduct van de bietsuikerindustrie,waarbij de sapzuivering geséhiedt met be-hulp van ionenuitwisselaars ,maakt men van laatstgenoemde feit gebruik~; , .

..

.

-2 CHEMISCHE EIGENSCHAPPEN EN REACTIES

VAN GLUTAMINE

In het ruwsap is het"gtutaminezuur "voor het grootste deel als glutamine aanWezig.l

Glutamine heeft een moleculair gewicht van 146.15 'en een elementaire samen-.-stelling van C=41.09 %,H=6,90 %,0=32.84 %,en N=19.i7 %i

Isoglutamine en ammonium pyrrolidoncarboxylaat hebben'dezelfde elementaire samenstellingen hetzelfde moleculairgeWioht als glutamine.~ ' 0 '

Glutamine is oplosbaar in water (3.6 g in 100 g water bij 18 C.)

heel weinig o~losbaar in absolute methylalcohol(about 3.'5 m~in

100 ml bij 25gC.) of ethyl alcohol (0.46 mg in 100 ml bij 23 C.) en zo'goed als onoplosbaar in aethyl acetaat,ch1oroform,ethy1 ether 'en aceton.1

. . He"8'

smeltpt:lnt van' ~synthetiseerde en natuur-glutamine (uit bieten) is

184-185 C ( Berg,mánn c •. s . ' ) ' ° '

Moiilwain o.s.!geeft als smeltpunt op 2050C (uit paardevl~es).

°

Het, smeltpunt van ammonium pyrro1idoncabboxylaat is 185-186 C.

In dit verband is: van beJ,ang op te merken dat· glutamine (uit bietén) ;bij verhitting(omstandigheden smftpuntsbepaling) tot l800C,gedurende 2 min. ',ont1eedt

en deze ontleding bedraagt minder dan 5%;terWij1 op dezelfde manier tot 186°C gedurende 30 sec.verhit,totdat·alles gesmolten is,glutamine kwantitatief in het ~-zout van

pyrrolidoncarbonzuur INergaat. J .

'Het is bekend, dat glutamine door ringvorming over kan gaan in pyrrolidoncarbon--zuuridoor hydrolyse 1eve~t glutamine glutamine zuur op.Nadere bestudering van deze

reacties heelt aangetoond,dát ze kunrien dienen om glutamine in oplossing te identificeren en te bepalen. De reacties zijn:

C 0 0 H

CON&3 oC C-:..O. Koken met 2 N HC1

I

1 lIerhitting bij 100

I""

óf '0~5 11 'NáOH' ' J , H C H

HCH gedurende 1 uur HCH\ ~

I

I in oplossing met

I

_{I H CH} HCH P 2-10 H I H l 99% omgezet

I

I

'H··'·'··· .. , .. , .... in 2 N HCl in 70 min _{H C}

_NJt2

H C

NE2

. ~

...

....

:>

N H s .,. H C-N-H

t

-I

C 0 0 H C 0 0 H

d

o

0 H Koken bij p 7.0 I , .... , ... " 11 . ~ . ; ... ~ JH I I I I J olledig maar langzaam bij p =7.0 H' nl.l% in 3 uren •

°

Bij 100 C en p =4 of 10 'H

is de omzetting in 50 uren vrijwel

volledigf~8% )

111 Glutamine

=7

~rolidoncarbonzuur _ _ _ _ _ _ _ ~>;a..Glutaminezuur

(twee molen'

Na

door HNCl,a (Geen Na vrij gemaakt (èan mol ~ vrij ge-ontwikke1d,at'komstig van

NE2

i door HNO 'geen Co.a

!en mol CDa . door

n~ydrin

vrij bil behandeling -maakt door HN,Pa i

vrijgemaakt,aft.van - met ninhydrin) een mol C~ door

-CH(~ )COOH ) . ninhydrin)

3 GRONDSTOFFEN

Hieronder volgt het glutaminezuur-gehalte van enige belangrijke eiwitbevattende stotten,die in de natuur voorkomen: (6) ( 7)

(worden betrokken op zuiver eiwitten) %'

ta.rwegluten 36,0 mals gluten 24,5

rijst 24,1

melasse 2,5 (betrokken op totaal

Oasein 22,0 sojameel 21,0 aardnotemneel 19,5 kat oenzaadm.ee 1 17,6 gist 18,5 Eialbumine 16,0 "stetren waste water 11()-15

(gemengde eiwitten)

gewicht)

ll~ ,

opm.: "Dunsap" :l~ suikér en O,05%gluteminezuur(betrokken op totaal gew.) en suikerbieten: 0,05-0,12% (8) .

Naas~ hét glut~inezuur gehalte"in eiwitt~n speelt de reinheid een grote rol t.a.v. de in de praktijk te bereiken opbrengsten. " ,

De isolatie van het gluteminezuur gaat des te gemakkelijker l'!lUC:.,l'.::':.:;e

" en vollediger,naarmáte er minder stotfen' zijn 'die haar in de eiwitten vergezellen.; De ideale grondstof is daarom bv.tarwegluten,met 80% prote1nen en zeer hoge

reinheidsgraad,en' daarbij reeds glutamine zuur bevattend. "

Maisgluten is óngunstiger;heert een prote1ngehalte van 4~60%)het zetmeel,de cellulosE en andere niet-eiwitstoffen vormen een ongewenste balle-àt .. *

\.

4 WINNING VAN GLUTÀMINE UIT DE

BELANGRIJK--z

U U R

-8TE GRONDSTpFFEN

De rechtsdraaiende modificatie van glutaminezuur wordt in de natuur gevonden.' De linksdraaiende modificatie blijkt de vlees smaak niet aan levensmiddelen te kunnen overdragen. Het synthetische product te scheiden is geen gemakkelijke opdracht en er zijn voldoende natuurlijke bronnen cm het glutamine zuur (rechtsdraaiende) uit te

bereiden.Uit de rechtsdraaiende modificatie wordt het mononatriumzoût,natriumglutaminaai gemaakt,een wit kristallijn poeder.·Het ,handelsproduct 'is 95% zuiver.i _•

. Alle eiwitbronnen gevèn' na bfyç.7Slyse aminozuren,waaruit het glutaminezuur geis~

-leerd moet worden.Bij alkalische hydroljse ontstaat een racemisch mengsel van

rechtsdraaiende en linksdraaiende glutaminezuur;bij· zure hydrolyse daarentegen a~leen

de rechtsdraaiende modificatie.. . '.

Men zal die hydrolyse als uitgangsbasis kiezen,waaruit de isolatie van het

glutamine zuur het' meest economisch is. . "

De bel~ngrijkste grondstoffen Z ijn:tarwegluten,

ma1s

gluten, s oj abonen, case·· inè rijsteiwitten.Ook melassè en andere a:f'valstoffen als "Steffen

wástewater"(=a.:f'val-vloeistof, die overblijft ,wanneer de melasse volgens het steften-procéde ontsuikerd is')

i'

kunnen voor de bereiding aangewend worden.

4.1 Winning uit tarwegluten:

In 1866 was het Ritthausen,die het glutaminezuur uit tarwegluten bereidde.' Hij gebruikte nog zwavelzuur ais hydrolyserende stof • Het zwavelzuur wordt thans lievèr' door zoutzuur vervangen omdat na dé neutralisatie met loog het natriumsulfaat achter~ 'Olijft;dat e'en bittere smaak heeft.Het 'chloride is bettër te combineren met gtéamine--smaak.Bovendie, is het zoutzure zout van glutaminezuur 'onoplosbaar in geconcentreerld .

z~tzuur,terwijl het sulfaat betrekkelijk gemakkelijk oplost in zwavelzuur,hetgeen van'~

belang is ,bij de vèrd~re zuivering. .

. Tarwe gluten, dfe van de meelmaalderij

word~

verkregen,bevatteft nog wel iets zetmeel,dat bij de hydrolyse koolhydraten levert.De aanwezigheid hiervan is hinderlijk bij de isolering van het glutamine zuur. Het zetmeel moet door kneden en wassen verwij--derd worden.De gluten worden voor de hydrolyàe gedroogd;bij verwerking van de natte gluten wordt het zoutzuur te veel verdund.

De verhouding gluten:zoutzuur varieert tussen zekere grenzen: o

1 deel gluten op 2-2,5 delen HOl l3'tot'14,5 Be,d.w.~.

. . 20-22%-ige HOl

w.Höiisch(9) gebruikt

F.A.Hoglan(lO) werkt bij drukhydroly4e met 26%-ige zoutzuur'

. 0 .

E.J.Bird end L.'J.Minor (11) beveelt een'hydrolysè bij lage temperatuur,75-80 O,en werkt met 2l%-zoutzuur.

De hydrolyse duurt bij koken onder terugvloei1 5 uren of meer~;

• I (bij atm.druk) 0

J .

en in autoklaven,bij 120 0 2-3 uren

Gewoonlijk heeft men te maken met een diskontinu'{ hydrolyse-prooes.'

, .

Volgens' L.H.Hall (12) zou het mogelijk zijn het proces ko~inu~l uit te voeren bij 5,2-5,6 'atm en bij een temperatuur niet hoger dan 180 0 ,met gebruik van

16% zoutzuur." '

4

-

,

Korrosieproblemen:

Voor de hydrolyse met zoutzuur is zelfs roestvrij staal ongeschikt;in deze phase van de fabrikage maakt men gebruik van zuurbestendige en hittebestendige materialQ n

als rubben,koolstofplaten. '

In het verdere verloop van de bereiding ,na afstompen van het zoutzuur

schijnt een molybdeenhoudende staalsoort Type 316 (Amerikaans product) goed te voldoen. Het hy~lysaat: .

Het onoplosbaar gedeelte wordt door filtratie verwijderd en het filtraat wordt met koolstof ontkleurd.Men houdt een lichtgeel tot Oranje gekleurde oplossing over,die door indampen onder vacuum geconcentreerd wordt.Hierb~Jwordt~el,het zoutzuur als als hetwatér verwijderd. Wanneer de ~kristallen ~:LJ'nen wordt het indampen ' gestaakt.Na afkoeling laat men de oplossing een nacht staan voor totale kristallisatie.1

(eventueel bevorderd door inleiden van gCl-gas )Het ruvre glutaminezoutzuur wordt in water opgelost en de p 1-\ gebracht op 3,2-3,3tleze pH ligt dicht bij het isoëleotrische

punt (of punt van -H- • H'

minimum oplosbaarheid),van het glutaminezuur.Het instellen 2KK op de juiste p

is belangrijk omdat te wdnig alkali het zoutzuur 'niet neutraliseert en te veel H aanleiding geeft tot vorming van het glutaminaat,dat in water oplOsbaar is.'

Uit de aldus verkregen~~sing kristalliseert het glutaminezuur.Na het filtrerén wordt het glutamine zuur /in water opgelost en geneutraliseerd ~og of natrium- . ,carbonaat en door voorzichtig drogen Vvan het water bevrijd. ('h1rZó verkregen

na-6rium.-glutaminaatkristallen)~bngeveer 25% van het gewicht aan gluten wordt als natrium-glutaminaat t~r,:uggewonnen.;

-',

..

4."2 Winning uit"',maisgluten

.~

"

'Deze worden met zoutzuur gekookt en het warme hydrolysaát wordt met ammonia behandeld.Na filtratie wordt ingE:)dampt totdat ammoni\Dlchlorid.e begint té kristalfiseren Vervolgens wordt de oplossing geënt met tyrosine en leuc;ine-kristallen.Na deze

behandeling wordt gefiltreerd en het filtraat met zoutzuur behandeld en gant met glutamine-kristallen. Het gevormde glutaminezuur wordt verzameld.(13) e"

Behalve deze Amerikáa.nse Patent 2 347 220 April 1944 beschrijft W.G.Meyer(l4 een winningsmethode,die door A.E.Staley MFG Co toegepast wordt. . . ,

Na hydrolyse wordt geneutralisëerd.Bij koken bij atmos'ferisohe druk is de duur van de hydrolyse van maisgluten 15-20 uren;in autoklaven ongeveer 4 uren.Men neutraliseert met Nag C~ 'of NaOH lIIlDibD: en de pH wordt automatisch gerégeld.Na afkoeling filtreert

me~ m~t behulp van met rubber ~ beklede filterpersen.Vervolgens'concentreert men de oplossing tot anorganische chloriden beginnen te kristalliseren. Door afkoeling slaan enkele aminozuren neer,in het bijzonder tyrosineen leuojine,die door filtratie gewonnen worden.In een tweede verdamper wordt verder ingedampt,waarbij andere zouten neerslaan,die de kristallisatie "van het gluteminezuut verst oren. Het neerslag wordt met behulp van vacuum.=roterende-filters afgescheiden. Het filtraat wordt weer afgekoeld

de PH met zoutzuur op 3,2 gesteld.Deze oplossing laat men 4-8 dagen staan in houten bakken.,waarin het glutaminezuur uitkristalliseert.'

4.3Winning uit rijsteiwitten

. Ook de eiwitten welke,ui~ rijtt gewonnen worden,wordèn gehydrolyseerd met zoutzuur en op overeenkomstige wijze als boven besoPreven is,tothet natriumzout van glutaminezuur verwerkt.(zie 4.1).

,,'

4.4 Winning uit melasse.

De suikerfabrieken leveren ook een atvalproduct,dat geschikt is voor de bereiding van het glUbaminezuur.Dé melasse,die aohterblijft bij de bietsuikerfabrikage bevat nog ongeveer 2,5

%

e~~en,die grotendeels uit glutaminezuur zijn opgebouwd.

?

De 'vloeistof wordt tot een kleiner volume verdampt en de PH met beh~lp van kalk op 10,5 tot 11;5 ingesteld.Nadat·'het mengsel gedurende twee uren op 85 C gehouden is,wordt gefiltreerd.De pH wordt vervolgens door middel vanCCl,a 'op 7 gebraéht;'Na filtratie wordt de vloeistof verdampt totdat het soortelijk gewicht 1,3 bedraagt.De zuurgraad wordt op het isoëlectrisohe punt gebraoht met zwávelzuur bij ongeveer 5QOc en de anorganisohe

zoute~ worden door filtratie verWijderd.Hét filtraat blijft een week staan teneindé het glutaminezuur te laten kristalliseren. Hierna wordt het glutamine zuur gezuiverd.'

4~:5 Winning uit "Steffen waste water 11

F. D. V.Mànning c. s. (3) 'beschrijven de winning van het glutamine zuur uit de afvalvloeistof,die overblijft,wanneer de melasse volgens het Stefren-procede ontsuikerd is.Eerst filtréerti men de'oplossing en brengt men in èe~ verdamper tmkxiä op een bepaalde dichtheid.'In stalen vaten wordt de hydrolyse uitgevoerd met een 50%-ige natronloog ;deze bewerking dient niet om de eiwittén te splitsen,heett ten doel 6m pyrrolidoncarbonzuur,een lactaam van glutaminezuuriO!li. te zetten in glutaminezuur~'

Hierbij hoeft men niet bang te zijn voor raoemisatie,zodat men met een base kan werken.' Na afkoeling wordt met zoutzuur 'aangezuurd en'dampt men de oplossing in een vàcuum-verdamper;hierbij slaan'Na-en K-ohloride neer.Na afsoheiding van het neerslag,wordt

de pH met zoutz8P.r op 3,2 gesteld en gekoeld.In grote met rubber beklede kristallisatie -bakken scheidt'~et r~e glutaminezuur met wat keukenzout af(na ongeveer 5 dagen). Met behulp van oentrifugeB en filterpersen wördt het glutaminezuur van de moederloog

gesoheiden,in een berekende hoeveelheid NaOH-oplossing opgelost;met aktieve kool . behandeld en ingedampt.Het natriumglutaminaat kristalliseert bij koeling in krisjal-lisatorert van het type La Feûille~Daarna worden de kristallen met centrifuges afge-scheiden, gedroogd en geze'6Q~Volgens deze methode gaat de International Minérals and Chemical Corporation te werk.In 1948 bedroeg de productie ~ar dag 9000 lbs.

R.W.Shafor en

F.B.

Catterson kregen op 8 Augustus 1950 het US-latent

2 517 601 op een werkwijze om g1utaminezuur uit "Stelfen waste water"te kristalliseren. 4.'0 Winning uit suikersappen.

Door veelvoudige behandeling met ionenuitwisselaars is men erin geslaagd om het glutamine zuur uit suikersappen (bieten) te isoleren •

".

5 WINNING VAN GLUTAMINE~UUR MET BEHULP

VAN IONENUITWISSELAARS

Het uit de suikerbieten verkregen suikersap,afkomstig van de diffusie batterijen, . noemt men ruw sap .Het ruwsap kan men volgens de defeoatie-methode reinigen, d.i.äe verwijdering van gesuspendeerde verontreinigingen. Het zo verkregen warme en klare d u'n sap is nadat het eerst tot 20-258 C· is afgekoeld,geschikt voor verdere

ontzouting. .

~owel in het ruwsap als in het bOvenvermelde dunsap is het "glutaminezuur " voor het grootste deel als g 1 u t 'a min e aanwezig,dus in de amid~vorm.

Het is te prefereren de defecatie bij zo laag mogelijke temperatuur uit te voeren,opdat de ontleding van de glutamine praotisoh helemaal voorkomen wordt.

F r i n 0 i P e van de door ons toe te passen werkwijze:

a)uitgangsoplossing afgekomldt dun sap

b)verwijderen van alle minerale ionen uit de suikeroplossing door opname door een

ionen~itwisselaar,terwijl de glutamine en andere organisohe nietsuikers in het sap aohterblijven: "

bl)Men percoleert het dunsap,dat tot 20~250C is afgekoeld,van boven naar beneden door een filterbed ( K ll),dat een met H+~ionen beladen kation-uitwisselaar bevat en wel zOdanig,dat a n'o r g a n i s 0 h e (minerale)

a n ion e n in zuren overgevoerd worden,terwijl de kationen van de o r g a n i s c h e n i e t-s u i k e r s (org.zouten,peptiden,

amiden en aminozuren),die eerst door de katiomuitwisselaar opgenomen zijn door de anorganisóhe kationen verdrongen worden en zodoende weer in het

sap tereoht komen. 0

b2 )vervolgens door een filterbed . ( All), waarin z ioh een met alkali behande 1,

-de anionuitwisselaar bevindt,zodanig dat de zuren geadsorbeerd worden ~opname·van anorganische anionen door de uitwisselaar),terwijl de

katiopen van de organisohe nietsuikerà in het sap blijven. Het verkregen sap is vrij van anorganisohe bestanddelen,en bevat een belangrijke .' hmeveelheidflaminozuren",die bij aanvang in het dunsap aanwezig zijn,àáar ze ongestoord door het filterbed(All) gaan(Glutamine is door de kation-uitvTisselaar eerst opgenomen,daarna gedesorbeerd).

o} verdampen en koken.Dit geschiedt in het verdam~ingsstation van de suikerfabriek. d) verhitting van het gedeeltelijk ingedampte sap,dat uit de verdampingsstation

terugkomt.

verhitting' '1' uur"

g 1 u t a: min e

>

ammonium-p y r r 0 1 i don c a r box

y-1 a a t . bij 95-1000 C (=zout van een adsorbeerbare anion )

e)Men percoleert de oplossing van het ammoniumpyrrolidoncarbo~t en andere opgeloste ''veróntreinigingen'' door een filûBrbed ( K 21 ), dat een met H+-ionen' beladen kation-uitwisselaar bevat,waárbij in de oplossing p y r r o l i d 0 n--0 a r bon z u u r verkregen wordt. In tegenstelling tot de peroolatie bij

&,-1' gaat men hie.I-· niet voorbij het punt van "amino-acids breakthrough", zodat hier de voldoende basishh reagerende"aminozuren (amphoteer) en alle andere mogelijke anorg.kationen worden opgenomen,tel:'Wijl allesnhet pyrrs»lidoncarbonzuur aohterblijft in het sap,vergezeld ván anionen,die ~ het filterbed(A 11) gepasseerd hebben. 1

..:z ID

~

4'

V e r s c h u i v i n g vandeZONE S

in filterbed met kationuitwisselàar K 1 1

Fi9 ,

I

IfQ~jJ1;l

_{.J. ._.}

I~

,

..

" ,'.)0/ \ . t '\ j :...:...: • • , • • , • • , • , , " , . " , • • , . <I • • , , , • • ...

"

Fi(9

2.

Fig

3

. Fi94

Fiq S

a., "J,-~"""'-",:,;;J

J" _{... J •} "_":

C!,

-r,,: . /: ) ,

Fig 6

1<

~<

...

1

(zowel anorganische als organische" (organische '-worden

ka.tionen hopen zich op in de resp.J door anorg.kationen

zone s ) verdrongen)

~

aa zone met anorganische ka.tionen

ba , , "organische kationen

Cm zone ,waarin nlbg geen kationen worden opgenomen

f)De oplossing waarin alleen de zuurrest van het pyrrolidoncarbonzuur als anion . overgebleven is, leidt men vervolgens door een filterbed ( A 2})waarin een met

alkali behandelde anion-uitwisselaar bevindt,waarbij dit anion door de uitwisselaar opgenomen wordt.Het verkregen suikersap gaat van A21verder naar het verdampstation, waar ~ suiker wordt gewonnen. .

Met de regeneratie van de anionuitwisseláàr A 21 met N ~ 0 H,komt het gewenste anion m~e~en verkrijgt Bet zuivere P.C.-oplossing (oplossing van het ämmoniumzout van pyrrolidoncarbonzuur).

: ..

g}De FYC.-oplossing wordt gedurende 2 uren in een autoclaaf verhit;nadat men zoutzuur heeft toegevoegd. Men verkrijgb het g 1 u tam i n e z u'u r ,dat na uitkristal-lisatie,van de moedérloog gescheiden wordtmet de centrifuge. Daarna wordtnde

6 AFPARATUUR

a} Warmtewisselaars voor koelingI ..

;Ji) Ionenuitwisselings-a.pparatuur I • c) Men~t~s.

d) Voor-Verwarmers.

e) Verhittingstanks.'

f) Warmtewisselaars voor koeling 11 • g} Ionenuitwisselings-a.pparatuur 11 .'

_.

_{. .}

h) Voor-verwarmers met loog-doseringspomp .-i) Aut oe laven •

j) Warmte-"R'isselaars voor koeling 111 ",met zuur-doseringspomp •

" . '~

k) Kristallisatie-tanks. 1) Centrifuge.

m) Droger.~

6 a) Warmtewisselaars voor koeling I •

3

Ier uur hebben we een sapstroam van 159 m per uur.De loe1ing geschiedt in

twee trappen. ° °

10 trap van 95 0 tot 40 0 in uitwisseling mét het sap uit de mengtank,dat verwarmd WUJldt van 200-6000';~

Hiervoor worden genomen 2 párallel geschakeldé warmtè-wisselaars,met ieder 4 tubeepasses en₂2 shel1-passes,

en een verwarmingsoppervlak:. van 157 m per warmtewisselaar.' (type f'loating)

2° trap van 40° 0-200 0 .'De koeling geschiedt met rievierwäter, dat opgewarmd wordt van lsO-309 b .. : . Hiervoor,worden genamèn 2 batterijen v~ 10 stuks, • . met een verwarmingsoppervlak ván 37,9 m per warmtew1sse1aar.

( 1 tube-pass en 1 shell passt.·

Voor berekening van de 20 trap, zie onder hoof'dstuk 9.' 6b ) Ionenuitwisselings-apparat~~ I ."

Wij hebben totaal 6 eenheden ,ieder bestaande uit 1 f'ilterbed met kationuitwissela: ( K 1) en 1 f'ilterbed ll!-et anionuitwisselaar,'( Al).'

Bij ieder io~en-uitwisselaar beh?ren: 3

1 spoelwaterte.n.k mét~ :Ln1toud=10 m 3 en 1 af'zoetwatertank" ",=30 m De schakeling is als volgt:van de zes eenheden worden 'steeds 2 eenheden gelijktijdig gebrui~.Om de 80 minuten. wordt gewisseld.J

Inhoud f'ilterbed Kl

=

29,8 m3

I~~d f'ilt~rbed A 1= 22,4 nfS

en inhoud kationuitwisse1aar-bed

=

15,6 ~

en inhoud anionuitwisse1aar-bed

=

14,0 m _, 3 Opmerking:btiten de zes eenheden, zijn nog 2 reserve-eenheden aanwezig.~

6c) Meng-tanks.

.

.

Bij ieder 2 eenheden als genoemd onder6b) behoort 1 mengtankivoorzien van . een roervl"erk;inhoud

=

120

ms

Tota!l zijn er 3+ 1 (reserve);, dus 4 mengtanks

" ,

6d) Voor-verwarmers.~

lel" uur hebben een sapstrooril. van 7].'15 m3 per uur. (Door de ionen-uitwisse1ing is het sap verdund).De voor-verwarming geschiedt in twee trappen.

1° trap van 2000 tot 6000 (zie onder 6a).'

.De verwarming geschiedt met stoom van 120°0 (af'va1stoan van de suikerfabriek)

,e

Hiervoor worden ge~omen 2 parllel geschakelde warmtewissélaars,met een verwarmings oppervlak van 75 m per warmtewisselaar ;met ieder 2 tube-passes (sap) en

1 shell pass (stoom).

Van hieruit wordt het sap naar het verdwnpingsstation van de suikerfabriek gestuurd.'i

6 e) Verhittings-tanks.

"

Van het verdamPing~station komt het gedeeltelijk ingedampte sap in'de verhittings tanks terug, 148.m per uur (Dus verdwnpt:27.25? kg water pe~ uur ).'

Het sap moet ongeveer 1 uur in de tank verblijven bij 9sO-100~ 0.1

. . . . . _ .

We hebben nodig 3 verhittings-tanks'+ 1 reserve. Inhoud= 150 zn.3per tank. De sohakeling is als volgt; naast elkaar 1 vûllen,l ledigen en 1 verhitten.' De'verwarming gesohiedt met behulp v~ afval-stoQm~Het vèrwatmingselement bestaat uit 32 buisjes met ieder 1:f'b verwarmings-opperv1ak.i _.

Iederetank is voorzien van een roerwerk.

_.

_. -6 r)Warmte""'W"isselaars voor k'?91ing 11.'

We hebben' een sapstroom van ongeveer 148 m3 per uur. De koeling gesohiedt in

twee trappen.' .

1 ° trap van 1000-950 0 tot 4000, in uitwisseling met het sap uit Ionenuitlvisse1ings-' -apparatuur II.Dit laatstge-. noemde slip (163 m3 per uur )word1 verwarmd van 209 tot 60° C ~

Hiervoor worden genomen 2 parallel gesoiakelde ,~ewisse1aars met dézelfde afmetingen als ,die vOor 1 trap genoemd onder 6 a ) 20 trap van 409G tdrt 20° 0 .'Koeling en apparatûur als

onder 6 a) ~ trap.'1 6g )Ionenuitwisselings-apparatuur II.~

Aantal en afmetingén van de apparatuur zijn analoog aan die van de ionenuitwisselings-apparatuur I •. ( zie 6 b )

Opmerking: A 1 A2

geregenereerd met natronloog,terwij1

" " ~oniumhydroxyde-oplossing.

6 h)Voor-verwarmers met loog-doserings-pomp~

De

voor-verwarming gesohiedt in twee trappen;tussen de trappen bevindt zich de doseringspomp.

1° trap van 2cfJC tot 60° C .\Ve hebben een vloeistofstroom van 37,5 m3 _{per uur,in warmteuitwisseling met de}

vloeistof-stroom, die uit de autoclaven ~onlt. ( 39; 5 ~ par uur . en welke wordt afgekoeld van 100 O~Oo C .)Hiervoor wordt wordt'genomen 1 warmtawisse1aar;met 4'tube':'passes e~2 . shell-passes,en een verwarmings-opperv1ak van 51,5 m'1.

2° trap van 60°0 tot lOOoC.Wij hebben een vloeistof'stroom van 39,5 m3 per uur

"I

welke wordt opgewarmd ~et afval stoom ven de suikerf'abriek met een temperatuun van 1200 _O.J

.Wij nemen hiervoor l2warmtewisselaar met 4 tube passes en een verwarmings oppervlak van 16,4 m .~

Loogdoseringspomp:

Wij moeten toevoegen 2 mS _{2%-ige Na OH-oplossing per uur .Wij gebruiken}

hiervoor een Milton Roy Froportion pomp, vervaardigd van gietijzer. 6 i) Autoclaven:'

In : per uur 39,5 m'S- Uit: per uur 39,5 m3

De

verblijftijd is

70 minuten +( 50 minuten tvoor vullen en ledigen ).

In totaal dus 2 uur .In 2 uur moeten we dus verwerken 79 ~ vloeistof'. We gebruiken hiervoor 6 autoclaven van ieder 14 m3 _{'inhoud' (We hebben dus iets}

overma.a.t);hierna.a.st hebben wij nog 2 autoclaven in rèserve.

De autoclaven zijn van binnen met rubber bekleed,de verwarming geschiedt met stoom (stoommantel). '

Voor berekening zie onder 10 •

6 j) Warmtewisselaars voor koeling III,met zuur-doseringspomp.

Wij hebben een'vloeistof'stroom van 39,5 m3 per uur.!e koeling geschiedt in twee trappen.à.ohten de trappen bevindt zich de doseringspomp.' .

1° trap van 100°0 tot 40° 0 in warmteuitwisseling met de , vloeistof'stroom uit de ionenuitwisse1ingsapparatuu8 11. Voor de warmtewiE!selaar zie 6h)lO trap."

van 40°0 tot ·20° 0

:oe

v1oeistof'stroom.( 39,6 m3 per uur) wor~t gekoeld mét rivier -water .Dit water wordt opgewarmd van 15 0 tot 30° O.

Wij gebruiken hiervoor 1 warmtàwis!álaar met 4 passes en een verwarmingsoppervlak van 82,5 m .J

zuurdoseringspomp:

Wij

mo~ten

doseren 2,5 mS 35%-ige zoutzuurop1ossing per 24 uur. Hiervoor gebruiken wij een Milton R~ Proporbion Pomp ,vervaardigd van Hastalloy B(aantaJing onder deze omstandigheden 0,1 mm per jaar.) 6 k) Kristallisatie-tanks.

Wij gebruiken hiervoor 6 open bakken ,van binnen met rubber bekleed~

Ieder bak heeft een inhoud van 3l0'Jn.3 en is voorzien van een'roerder. Voor elientuele verdère 1+oeling is een koelmantel aangebracht.

\P1J'~\Wn~edb~ 'àYen~ a"f1;1-\~~~~?hiedt

bak voor bak. '

6 l) Centrifuge.1

Wij moeten verwerken 62,5 kg per uur (=17,3g per sec.) vaste stof en 39,5 m.3 moederloog per uur •

Wij gebruiken hiervoor een centrifuge ,die discontinu gevuld wordt.

De

centrifuge is van onder open ,op de as is een plaat bevest~gd.

De vulling valt op'deze plaat ,wordt tegen de wand geslingerd.ls de vloeistof afgecentrifugeerd ,dan wordt áfgeremd.Door deze periodieke afremming sohiet de vaste stof door de uitlaat.' .

Doorsnede van de centrifuge is 600 mm. 6 m) Drogen.

Om het glütamine~e drogen gebruiken wij een eenvoudige drQógka.st ;deze . -zuur

J'

bevat acht bakken,ieder 70 cm breed en 100 cm lang.Gedroogd wordt met voorver-:I:ImWal'mde lucht.In deze bakken wordt het natte glutarninezuur uitgespreid tot een laag van 2 cm dikte.De droogtijd wordt verondersteld te zijn ongeveer

1

uur •

In 1 bak gaat dus ongeveer 14 liter ,in de' droogkast dus

ex

14

=

112 liter

Er wordt geproduceerd. 62,5 kg gluteniinezuur (droog gewicht )per uur ,de droogkast heert dus ongeveer de dubbele capaciteit als vereiët--;wordt.

"

:"" .

7 DE INRICHTING VAN HET IONENUITWISSELING~

SYSTEEM

Het dunsap wordt eerst door dé eerste iönenuitwisselings-apparatuur(,UW 1 ), verwerkt,komt via mengtank,verdampingsstation van de suikerfabriem,en verhittingstank ' in de tweede ionenuitwisselingsapparatuur ( UW 2 ), waar het sap verder wordt behandeld.

" ,

Zowel(UW

1)

als (

UW

2 ),bestaat uit

6

parallel geschakelde filtereenh~~en,die elk uit een filter met kationuitwisselaar en een filter met anionuitwisselaar,zi6h , opgebouwd.

No. 1 2 3 4 5 6

i onenuitwisseliDga- Kl 1 Kl 2 Kl 3 Kl 4 Kl 5' Kl 6 apparaat I'

',Al 1 ' .... ',Al 2' . , '.Al'S ' . . "Al '4 .. " 'ÁI 5"

.. 'ALG

---~ ionenuitwisselings-apparaat II K2l A21 K22 K23 A23 K24 K25

A24 .A25 A26 Dit systeem is het eanvoudigst;het sap wordtb.v.' door twee filtéreenheden UW'I No.1 en UW I No.2 gevoerd,térwijl twee ándere filtereenheden UW 1 No.3 en UW 1 No.4worden geregenereerd ien uvnNo.5 en 00' No.6 worden afgezoet

.J

Het einde van de c~clus van BBK filter KIlwordt bepaald door het bereiken van de toestand,waariri de ionenuitwisselaars volledig zijwuitgeput.~

Bij filter K2 1 wordt het einde bepaald door het punt ,waarbij het "aminóacids breakthrough" bereikt wordt(waarop dus het reinigingseffect onvoldoende wo~dt).Bij·

deze laatste wordt dus niet de volledige capaciteit van de i onenuitwis se laar benut.' Men gaat zodanig tewerk,dat de uitwisselingscapaciteiten van de filters Kl 1 en Al 1 óp hetzelfde moment uitgeput raken;dan wordt afgezoet,opgespoeld en

geregenereerd. . . ' . , .

BIJ

DE

ionenuitwisselingsapparatuur II zorgt men dat de üitwisselingscapaciteit van filtèr A2 1 uitgeput raakttop het moment dat het reinigings-effect onvoldoende wordt ('áminoacids breakthrough").1, .

~t systeem is eenvoudig te controleren en te bedienen,terwiijl het zeer gemakkelijk' is aan te passen aan gewijzigde eisen ,een géwijzigde sapsamensteiling of een verandering in de capaciteit van' een 'uitwisselaar.'

Dit geldt speciaal voor sUikersappen,waarin zich ionen bevinden,die ~ich

gemakkelijk van de uitwisselaars'laten verdringen en waar de samenstelling ~n de verontreinigingen steeds wisselt.f _{. ,}

Stelt men ''hoge eisen"aan de zuiverheid van het sap bv.1 _{bij filter K2 1,}

waarbij ook organische kationen verwijderd moeten worden,dan is een dergelijke hoogreinigingsefféct te realiseren door 'de percolatie te beeindigen bij dé eerste

st~jging,die de pH' van het sap na de kationuitwisselaar (K2 l) vertoont'amino acids breakthrough).Men neemt dan genoegen met ca 75% van de aanwezige uitwisselings-capaciteit.Bij filter Kl 1 benut men,zoals we reeds gezien hebben,de gehele capaciteit~

Zij~de ionenuitwisselaars uitgeput,dan'worden de filterbedden met water suikervrij gewassen en vervolgens kraohtig opgespoeld. .

"Di~ opspoelen heeft ten doel de meohanisoheverontreinigingen,die zioh in het filtél bed verzameld kunnen hebben,te verwijderen en eventueel gevormde kanalen te eliminere~.

Vervolgens worden de filters geregenereerd;de katiomuitwisselaar krijgt een behan--deling met zuur,de anionuitwisselaar wordt met loog in oontaot gebraoht.

Als zuur kan" zwavelzuur of zoutzuur

X4

0,5 N )oplossingen worden gebruikt ials loog kan men"l %-ige oplossingen van natriumhydroxyde gebruiken(Ook soda of

anmoniak te gebruiken). " , .

Nadat de bvermaat regenerans is uitgewassen, zijn de filterbedden voor hernieuwd gebruik gereed.ij

Keuze van het regeneratie-zuur:

Zoutzuur is kostbaarder,daarom gebruiken wij voor de regeneratie van Kl 1 en K2 1

zwavelzuur (0,5 N ). .

Be keuze van de regeneratieloog is afhankelijk van de gebruikte anionenuitwisselaar. Natronloog herstelt het gemakkelijkst het zuurbindend vermogen en verdrijft het best de geadsorbeerdé kleurátoffen~De beide andere regeneratie middelen zijn eohter

goedkoper,terwijl ammoniak bovendien de aantrekkelijkheid heeft,dat de afvalvloeistof- : fen uitstekend als kunstmest kunnen worden gebruikt. I

Vóor Al 1 gebruiken wij NaOR l%-oplossing

" ~ 1 " "

NIiJ. OR l%-ige oplossing

.

Om de hoeveelheden zuur en loog,die voor de regeneratie nodig zijn,zoveel mogelijk te beperken,kan men de overmaat regenerá.ns bij de volgende regeneraties gebruiken.!

"

tijd-Voor elke filter geldt onderstaand schema : Percolatie Regeneratie: sapstroom afzoeten totaal 80 min "40 'mirt' 120 min opspoelen 20 min regeneratie 90 min speling "10 "min' totaal 120 min Een oyclus duurt dus 4 uur.

&r 24 uur : 6 oycli

bv.voor Kl 1 en Al 1

106 m3 _sap

22",7 m3 _water

1§;9 m3

qt!.

N HJ S04 25,0 JIi5

l%=ige

NaOR

72 m3 water

De snelheid,waarmedehet sap door een filter wordt gevoerd,varieert

van

6 tot 8 volumina sap per volume ionenuitwisselaar(in de litteratuur 5 tot 15 vol.sap Per

vol.ionenuitwisselaar gebruikelijk)T

",

8 Si:T 0 F B A ,L A N 8 a) sap

in =ionènuitw.

app. I 159 m3 per uur (BriX, ,11,7 suiker geh. 10, 7 zuiverheid 91,4)

t o t

uit i/l 1"'5 m 3' per uur

in uit in uit a a 1

.

_.

lOli6haam 175 m 3 per uur verd~station 3 " 148 m per uur :ionemlitw. 148 m3

app. 11 per uur

"

163 m3 paruur

'in 159 m3 per uur uit 163 m3 per uur

b) g 1 u, tam i n e z u u r

(Brix 9,6 suikergeh.9,55 zuiverheid 99,4)

( ( ( ( ( ( suikergeh.9,55 suikergeh.11,3 suikergeh.ll,3 suiker@eh.10,3 suiker8eh~i 10;7 suikergeh. 10,3 ) ) ) ) ) ) totaal· in uit . 3

82;5 kg per uur (dunsap 159 m per uur,s.g.1,04

62,5 kg per uur , 0,05

%

glutamine zuur }

I

c) z w a v e l z u u r :

totaal in 2~6,8 m 0,5 3 N ~ 80₄ -oplossing per uur uit d) zou t z u u r totaal in: uit: totaal in: uit: 3

2,5 m 35%-ige HOl-oplossing per 24 uur onloog

3

150 m 1 ~ige NaOR oplossing pèr uur ·2

ms

2 %-ige H " " "

f) A mmo n i a k : totaal in

uit

150 m3 1 %-ige

~

OH oplossing per uur

I

",.

" _•

g) WATER

.'

onthard water in 864 m3 per uur

uit paruur

stads water

.

.

in 272 m3 paruur uit

rivier water in 450

~

pèr uur. uit 450 m ..

"

,.,

Opmerking :

De campagne in de bietsuiker-industrie wordt a.a.ngenanen: 100 da.gen De glutaminezuur-productie bedràagt dan'150 ton per 100 da.gen .'

In de suikerfabriek worden hiervoor 300.000 ton bieten per 100 dagen verwer~.~

".

11 { 1 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ( 6 ) (~7 ) ~ ( 8 ~ ) ( 9 ) (10 ) (11 ) (12 ) (13 ) LITERATUURLIJST

Everybody s Week1y Magazine of The Sunday Ehi1ade1phia Inquirer 25 Ju1y 1948

" .

H.Ritthausen ,Journ.f .pre.kti.Chem. 106 , 445 (1869)

F.1).V.Manning,R.W.She.for and _.

_.

F.H.Catterson,Chem.Eng.lP.rogr.,Vol.~ , (1948) 491 . .

..

.

.

~..,

F.~.Osborne and O.L.Nolan,Journ.ï'~Bi~l.Chem" ,~ (1920)311 .

H.Thierf~lder und.E.V.C~amn,Z;eitsehrift f.physio1ogisehe Chem~105,(1918) 58 The &rtmner,ltfa.y 1948 ,page 445

; ;

LJ~.Ha.ll, Symposium on m~noso~ium glutamate,S.53 Chioago 1948 Chemioa1 Engineering &ogress,Vo~.ä(1948) 492

W~Hönsch,Die

_.

_{. .}

Stärke

&.,

(l950) 2-34

-"

.

.. .

Us -latent 2"463.877 '8 Maroh 1949) _.

_.

_{. ..}

E.·J. Bird and L. J • Minor , Food Industries ,20 J (1948) 118 L.~.Hall , ~ood.Teehno~. ~l949(5l}

US.latent 2.347.220 (April 1944)

(14 ). W.G.Meyer.,Food In~ustries ,&i(1949) 86 verder zijn geraadpleegd:

Sugar ,July 1947 , The Ion-exohange lProcess has Ma.t~ed(F.R.Ri1ey and W.E.Sanborn}

. page24-29 . ' ' . . ' . . .

Sugar, January 1943,page~6-30,Juioe iUt~fioation byjI~ Exohange aS App1ied at

. the Isabe11a Sugar Company (F.W.Weitz) . .

Sugar,April'1946,page 36-42,Ion Exchange Applied to Sugar Juice iUrification,

(E.A.BaagenSèn).i .

Chemisch Weekblad,.4.§.., (1952)365' ,De 'Toepassing van ionenuitwissela:ars in de suiker

. .' industrie, (M.L~.A.Verhaart) . .. . ~.

G.S.van der Vlies,De toepassing van ionénuitwisselaars bij de sapzuivering in ds' . "áuikerindustriè,(Diss.Delft 1951)

Chamsch Weekblad,~(1950~795-80l,~onenuitw.inde bietsuikerindustrie(J~M.Kooy)

Chimie et Industrie,.§.§.., (1950) 369-78 (J;l.~.Waterman)

. . .

. ' .

.

Chimie et Industrie,.§!., (1949 )3.37-44 'Ionenuitwisse1aars, (H.I.Waterman)

International Sug. Journal ,.§ä.( 1954 ) 160 ~'Glutamic acid as a product of the beetsugarind!~1

~. ' .

Bios Fina1 Report NO.1249,Item no~22' ,The App1ioation of Ion Exohange Resins for

thè lUritioation of Sugar Juiees. . ,

I'

U.S.Patent 2.535.117 (December 26,1950),G1utamic acid f'ram. Sterren Waste Water. U.S.'&tent 2.517.601 (Augustus 8,1950),

U.S.latent 2.487.781 (November 15,1949),G1utrunic acid f'ram. sterren waste water. U.S.Patent 2.487.807 (November 15,1949).

U.S.lPa.tent -2.'510.980 (June 13,1950)

Ue'S.Fa.tent 2.380.890 (Ju1y 13, 1945),P.reparation or g1utamic acid hydroch10ride. Method or'making monosodium glutamate by the acid hydr01ysis

or g1uten,met rlowsheet~' ' . .

U.S.~~ent 2.457.117 (December 28,1948 ),Frocess ror the manuracture or runino acids.

o

<p

_

..

. !t

?

Berekening warmtewisselaars. No 2·.

(de laatste warmtewisselaar vóór de eerste

ionenuitwisse-laar) •

a) ex

u

c

Gebruikte symbolen.

=

~ilmcoë~~iciënt in Joules/cm2 .sec.oO.

2

°

=

overallcoëfficiënt in Joules/cm .sec. e.

=

overallcoëfficiënt betrokken op buitenoppervlak.

=

viscositeit in poises

=

dyne

sec.cm2 .

=

soortel~ke

warmte in Joules/g/oe.

=

dichtheid in g/cm3 •

x

=

thermische geleidbaarheid in Joules/cm.sec.oO.

v

=

snelheid van vloeistof in cm/sec.

D.

=

diameter

p~p

in cm.

d

=

dikte pijp in cm.

b) Warmtebalans.

Suikersapstroom 159.000 liter/uur

=

A.

Waterstroom

207.000 liter/uur

=

B.

Het

sa~

moet van 40

0

e naar 20

0

e afgekoeld worden, het

koelwater komt binnen met 15°0 en wordt opgewarmd tot 30°0.

Sap en koelwater

zijn

met elkaar in tegenstroom.

Q

=

A

~l

c 1

.0.\

=

159.000 • 1,043 ')( 0,935 )( 20

=

310. 104 kcal/uur,

en

Q

=

B

,IJ

2 c 2

A't:2

=

207. 000 • 0,997 )( 0,999 )( 15

=

~10 .104 kcal/uur.

,1>1

=

_{?sap 30°0}

csap 30

0

e

40 - 20

=

20

0

e

~2

=

~water

22,5°0

c2

=

Cwater 22,5°e

4t2~

30 - 15

=

15°e

20

c)

Keuze warmtewisselaar.

W~

moeten zodanige afmetingen van de warmtewisselaar

kiezen, dat de vloeistof turbulent stroomt, dus het

ongun-stigste Re-getal moet dan nog groter zijn dan 4000. In dat

geval mogen

~

een U nemen van 1000 kcal/uur.m2 .oC.

dus

Het oppervlak

°

kunnen

wij

dan berekenen uit:

Q

=

U A (L\t)ln

o

=

Q U

CL\t)ln

=

_{103 • 7,21}

310.

1&

=

430 m2

waarbij

(A

t)h -

(4

t)k

(.6

t)h

=

10 - 5

ln

2

=

7 21

' ln--~ (~t)k

en (Ö,t)h

₌

verschil in temp. hete zijde van de

warmte-wisselaar.

(6t)k

=

verschil in temp. koude

z.~de

van de

warmte-wisselaar.

De warmtewisselaar kiezen

wij

met de volgende

afme-tingen:

(l..

"tube "_pass , 1

"she11~"-pass).

Aantal pijpen

Buitendiameter

p~pen

Binnendiameter pijpen

Dikte pijpen

Diameter "shell"

69

5/4 "

=

3 ,175 cm.

1,01"= 2,565 cm.

"

0,12 = 0,3048 cm.

17t" = 43,8 cm.

Ui tWB.ndig oppervlak

p.ijpen

Inwendige dwarsdoorsnede

Uitwendige dwarsdoorsnede

0,3271 ft

2

/ft = 9,970

cm~cm

5,150 cm

2 . : 7,921

cm

2 •

De buizen zijn in V-steek geplaatst (driehoekige

"

19/16 steek).

Materiaal: U.S.S.

18-8 S (type 304),

dit is een roestvrij staalsoort bestendig tegen suikersap,

het bevat ongeveer 18

%

Cr, 8

%

Ni en 2

%

Mn.

Fabrikant: Carnegie-I11inois Steel Corporation.

•

De voorlopige totale

430 • 10

4

69)( 9,970

buislengte is nu:

=

6250 cm.

Wij

zullen deze lengte verdelen over twee series van

tien, voor de verdere berekening worden deze tien als één

warmtewisselaar beschouwd.

Verder hebben de indices h en k betrekking op resp.

de hoge en de lage temperatuurzijde van de warmtewisselaar.

De indices "i" en "u" resp. op de binnenkant en de

buitenkant der pijpen.

d~

Berekening der vloeistofsnelheden.

De

vloeistofsnelheid van het sap, dat dóór de pijpen

gestuurd wordt, is:

sapstroom

v·

_~

=

----~--~~---~~~

_{aantal pijpen )( opp. )( 3600}

159 • 106

2

vi

=

69 )( 5,15 )( 3600

=

62,1 cm/sec.

Oppervlak van de doorsnede van de warmtewisselaar:

Doorstroomde

oppervlak~

1407 - 69 )( 7,921

=

860

cm •

2

Vloeistofsnelheid buiten de pijpen (dus van koelwater):

207 • 10

6

2

Vu = ~8~6~0-)(-='~3~6~0~0 =

33,4

e)

HYdrau~sche

diameter.

cm/sec.

Totaal bevochtigde omtrek:

7T R +

69

7T r pijp =

43,8

TT +

69 )( 9,970

x

1t

=

825, 5 cm.

HYdraulische diameter

=

4

m Cm

=

hydraulische straal).

4 X

doorstroomde opp.

4 m

=

--~~--~~~~~~~-­

totaal bevochtigde omtrek

4

m

₌

_4J

860

•

..

"

'??

c

f

•

f)

Gebruikte stofconstanten.

Zoals

~

zullen zien hebben

~

de stofconstanten voor

water nodig bij:

16°0 , 16,3°0 , 32°0 en 32,5°0.

Voor het suikersap hij:

19°0 , 19,1°0

38°0 en 38,2°0.

De

AZ, .

./l'

c en

À

van water betrekken

~

uit tabellen •

De

t.

en

p

van het sap evene ens •

De c van het ,sap lezen

wij

af uit een nómogram,

voorko-mende in litt. no 2, pag. 16.

De

À

van het sap berekenen

wij

met behulp van de

for-mule:

"s

=

waarbij:

_>w

~s =

=

~water

bij dezelfde temperatuur.

Àsap

p

₌

gew.

%

suiker in sap.

0(

=

556.

De gegevens voor het sap zijn: Brix

Suiker

Reinheid

Gevonden grootheden:

s a p

..

.

w a t

19

19,1

38

38,2

16

16,3

0,00548

--

0,00607

---

0,00586

---0,0137

3,91

1,045

g) 1)

--

0,0089 0,00886 0,0112 0,01124

--

3,935

---

4,19

---

1,039

---

0,999

---Berekening Uk (lage temperatuur-zijde).

Temperatuurverloop •

Wij nemen aan: Temperatuurval 'pijp

temperatuurval sap

temperatuurval water

Gemiddelde filmtemperatuur sap

Gemiddelde filmtemperatuur water

=

=

=

=

=

11,7

10,7

%

91,4

%

e r

32

0,00628

0,00783

4,19

0,995

1°0.

°

2

n.

2°0.

19°0.

16°0.

32,5°0.

--0,00759

--23

'.

• 2)

Re ., (water) bij 16°0.

u . , D ' Vu ~

4, 170 " 33,4 )( 0,999

Re. _u

= - - - - -

_"'l

= _0,011

=

12480.

'3)

Rei (sap) bij 19°0.

D v A

Re~

=

i / =

2,565

~

62,1

~

1,045

=

12200.

ol.

q

0,0137

'

(d.i. de ongunstigste Re die voorkomt, dus

wij

hebben

tur-bulente stroming

!).

4),

Pr

_u

(water) bij 16°0.

c .~

4,19

x

0,0112

pru

=

~

=

0,00586

=

7,92.

5)

C /Jl'

3,9L)( 0,0137

Pri

=

~

=

0,00548

=

9,92.

6)

N~ (water) bij 16°0.

8)

,

°

8 1

Nu

=

0,0225

~

(Re)'

~ (Pr)~ N~

=

0,0225

)( (Reu))

0,8

x

(pru)~'

~

=

0,0225

=

84,86

1 )( (12480)p,8 x

(7,

92)~

Nu.

=

0,0225 )(.

~

=

0,0225 )(

=

89,95

oC

_{u (water) bij 16?0.}

=

~

N

=

0,00586

oCu

D

u

4,170

x 84,86

=

0,1193

9)

cC

i (sap) bij 19°0.

~

0,00548

0<.

=

D

N

_Ui

=

x

89,95

=

0,1883

~

2,565

..

..

•

10) Uk (betrokken op buitenoppervlak).

1

' 1

Du d wand

Du 1.

Uk

: : - + À

wand

+

-o(u

Dg

Di

cC

i'

1

+

3,175 0,3048

+

3,175

=

_0,1193

_{2,870 0,1634}

_2,565

=

8,38

+

2,06

+

5,87

=

16,31

waarbij:

Du

=

uitwendige'diameter p.jjp •

Di

=

inwendige diameter pijp.

Dg

=

gemiddelde diameter pijp.

1

0,1883

11) De overeenkomstige temperatuurvallen hiermee

even-redig zijn:

temperatuurval pijp

₌

2

2

°6 )( 5

₌

_0,63°

c.

16,31

temperatuurval sap

₌

_16,31

22 8 2 x 5

₌

1,80°

c.

I

8 2

2

8

_°

temperatuurv~l

water

₌

)(5

₌

2,56

c.

16,31

Als nieuwe filmtemperaturen worden nu aangenomen:

sap .: 19,io

c.

water: 16,3°

c.

h)

Tweede berekening

Uk,'

1)

De stofconstanten van het sap voor 19,1

0

C verschillen

°

zo weinig

~an

die van 19,0 C, dat dezelfde waarden zijn

aan-(

genomen.

2)

Water

16,3

°

c.-Reu

Pr

_u

N~ .

.

=

=

4,120

x

33 24

x

0,999

=

1237à

0,011:24

4,19 x 0201124

=

8

04-0,00586

'

= 1

0,0225

><

(1:2370)°,8 )( (8,04)3

=

84,69

=~N

_D

u

= 0,00586;~

_4,170.

s4

_'

69

=

0,1182

... 25

•

..

•

•

1 ,

1

3 ,175 0 ,3048

3 , 175

1

Uk

=

0,11'82'

+

2,870 0,1634

+

2,565 0,1883

=

8,96

+

2,06

+,

5,87

=

16,39

4)

Overeenkomstige temperatuurvallen:

8

₂

_{46 )( 5}

₌

_2,58.

_Aangenomen

2:,56

, 16,39

2

₂

_{06 )( 5}

₌

_6,28.

_Aangenomen

6,30

16,39

22 82

_x

₅

₌

_1,79.

_Aangenomen

_1,80

16,39

De overeenstemming is dus voldoende.

i)

Berekening Uh (hoge

tempera~uurzijde,

Uh

betro~en

op buitenopperv1ak).

1)

Temperatuurverloop.

Wij nemen aan: temperatuurval. pijp

sap

water

.

Gemiddelde filmtemperatuur sap

Gemiddelde filmtemperatuur water

2)

Sap 38°C.

Re.

=

2,562

x

62,1,x 1,039

=

18590

~

0,0089

Pr.

=

3,932 )( 0,0089

=

5,77

~

0,00607

.

2

0

C.

40C.

4

0

C.

38°C.

32°C.

o

8 1

Nu.

=

0,0225

'IC

(18590) ,

)(

C5,

77)"3

=

105,0

, J.

oe.

=

0,00607 )( 105,0

=

0,2480

~

2,565

3)

Wat,er320C.

Reu

~

4,170 )( 33,4

~

0,995 - 17700

0,00783'

-pr

u

=

4,19

0,00628

~

0,00783

=

~,22

•

•

• ' . j .

•

..

J

.

0,8

Nu u

=

0,0225

X

(17700)

=

97,66'

eX -

0,00628)l 97 66 - ° 1471

u -

4 170

'

-

,

,

"

4)

.l..

=

1

+

3~175

0,3048

+

3,172

1

Uh

0,1471

2,870 0,1634

2,565 0,2480

=

6,79

+

2,Ö6

+

4,9S

=

13,83

5) De temperatuurverschillen worden:

6,79

X

10

=

4 91°0

13,83

'

1

2,°86 X 10

_{3, 3}

=

1,49°0

4,98

°

~ ... X

10

=

.;,61

0

13,83

Als nieuwe filmtemperaturen worden aangenomen: sa.p

water

: 38,2°0

: 32,5°0

. j). . Tweede berekènin,g Uh 1)

w~te~

;2,5°0;

Re

=

4,170 x 33,4

~

0,992

=

18240

u .

0,00759

..

Fr -_{\ u -}

4,19

_{0 ,006ga .}

x

0,°9759 -

_-

5

_,

06

O'S 1

~

=

0,0225

)t

(18440)

' 1 (

(5,06)3

~

99,02

<CX

_u

=

°4~~~~8

'I.

99 ;02

=

0,1493'

2)

Sap

3S,200.

Re.

=

2,565 x 62,1

x

1,039

=

18790

~

0,00886

Pr.

=

3,932

X

0,00886 - 5 7ry

~

° ,00607

. -

, {

27

ot

..

,

0,8

!

0 NU

_i

=

0 ;0225 )( (18790)

)( (5,77)3

=

105,9

0 ( .

=

0,00607 )( 105,9

=

0; 2505

~

2,565

3)

J:.. _

1

+

3,175 0,3048

+

3,175

1

Uk

~

0,1493

2,8(0 Q,1634

2,565 0,2505

~

6,69

+

2,06

+ ~,94

=

13,69

De

temperatuurverschillen worden,

dan:.

6,69

0

-

°

~~

x.

1

=

4,885 :::; 4;9

c.

13,69

'2 06

_{2 )( 10 ::}

_{1;504 :: 1,5}

°

_c.

13;69

4 ,94

x

10

=

3 61 ::

A.

6

0

C.

13 69

. .

, .

../,

o , 0

Aa.ngenomen was: 4,9°0.

o 0

1,5

o.

3,6

0

C.

De overeenstemming is dus goed.

k)

Berekening

van de

lengte der warmtewisselaar.

Uk

=

16~39 ~öules/cm2.s~c.Og ~

524

kCal/

_{m2.uur. o}

C.

1

Uh

=

13 69

_,

_-

Jou1es/~m2.sec.oC

=

627

kCal/

_m2,uur.OC.

o Ua

At

l - UI ~t2

627,5 .... 524 • 10

VA

=

Ua

Atl

=

•

627 •

5

=

4085

2,303

19

UI

At

g

2,303 log 524 • 10

o

4

A - ~ -

155 • 10 _ Ä.79

2

- 4085 -

4085 . -:./

m

I

De lengte

va,n

een serie warmtewi$selaars is dus:

329

=

68

2

m.

5;56'

.,.

I

11

Il

1)

Berekening drukverschil.

Voor

Ré

nemen.wij de gemiddelde waarde tussen

begin-en eindpunt, d.i.:

12200 ~ ~8790 = 15495

De frtctiefactor

~f,

bij

Re

=

15495

en een ruwheid

0,2

%,

wordt dan

0,03. If. - 8 IJ. P Di ~f = 0,03 =

"2

dus:

-

/v

4

e

P

2

=

0-015 _{, .} Je _{.) D.} v 1 J.

o

015' x' 1,04 x (62,1)2)( 682 , 2;565

16000

_dyne/em2

=

1600

N~m2

=

1600

1,013 •

10

5

1,578

x

10-2

_atm

Literatuur: 1 ) 2) 3) 4)

duS

Ap

= 1,58 ~ 10-2 atm.

-Per 10 stuks

warmte~s~e1a.ars du~:

.6 p

=

15,8

~ 10-

2

atm.

D~Kern , 'lT~ess Heat Transfer 1950 (New York)

K;Schiebl,Warmewirtschaft in der.Zuckerindustrie 1939 (Dresden) W;M6 Adams,Heat Transmissions 1942 (NeW York)

V.D.J.I. w'ärme-e:tlas 1954

29

I

!

I

I