Bereiding van aceton door gisting

·13~

·~

r ~a,~o-vv

~ J:r~

.... .... ..."...jA .. (. ". ...

...

...

.

.... .. . ... IJ.

,f}

.

[~/fd.

. ... '

VI.A. Scheffers. september 1957.

I.Keuze van het proces

I-1.Ke~ze,

van het gistingstype

1-2~Keuze

van de grondstof

II.Gronds1agen van het proces

II-1.De bacteriecultuur

1I-2.Bi.ochemie van het proces

1 1 1

5

5 6

III.Capaciteit,

mat~riaa1ba1ans

en processchema van de .fabriek 9

III-1.Economische betekenis'van de acetonbereiding door

1II-2.0apaciteit van de fabriek

1II-3.Materiaa1ba1ans van de fabriek

III-4.Processchema van de fabriek

IV.Toe1ichting bij het fabrieksschema

IV-1.Voorbereiding van het entmateriaal

IV-2.De melasse-weger

IV-3.De steriliseerketels en beslagkoeler

IV-4.De gistingsketels

IV-5.Het steriliseren van de apparatuur

IV-6.De gistingsgassen,

IV-7!De winning van aceton, butanol en aethanol

IV-S. Bedrijfs cont.ro1e

IV-9!Moge1ijkheden tot verhoging van de opbrengst

V .Berekening van de aceton-aethano1-ko1om

V-1.Bepa1ing van het aantal theoretische schotels

V-2.~epaling

van de schotelefficiency

V-3,Bepa1ing van de afmetingen van de kolom

VI

!

Literatuur

gisting

₉

10

11

12

14

14

15

15

16

17

18

19

21

21

23'

23

25

26

28

I-1. Keuze van het gistingstype. Aceton wordt gevormd door:

1. Clostridium acetobutylicum en enkele nauw daarmee ver-wante soorten. Koolhydraten worden anaeroob vergist tot butanol-1, aceton en aethanol. Onder geschikte omstan-digheden iSQde gisting in 2-3 dagen voltooid.

2. Aerobacillus macerans. Dit organisme zet koolhydraten onder aerobe omstandigheden om in aethanol, aceton, azijnzuur en mierenzuur. De gisting duurt 5-10 dagen. 3. Aerobacillus polymyxa vergist koolhydraten aeroob tot

butaandiol-2,3, aethanol en aceton, in 5-10 dagen. Slechts het onder 1. genoemde gistingstype is op grote schaal toegepast voor de technische bereiding van ace-ton, waarbij butanol een belangrijk nevenproduct is. Een

voornaam bezwaar van de beide a~obe gistinssprocessen is

hun langere duur.

Om deze redenen is hier de vergisting van koolhy-draat door Cl. acetobutylicum gekozen.

I~2. Keuze van de grondstof.

Clostridium-cultures kunnen koolhydraten omzetten, welke voorhanden zijn in velerlei ruwe grondstoffen:

1. melasse 2. granen

3. aardappelen

4.

sulfietafvalloog

5.

hout suiker

6. xylose-houdende hydrolysaten van zemelen, stro en

dergel~jke

7.

afval van appelen, citrus-vruchten

8. zetmeel van aardperen, cassave, "sweet pota toe s" , . en dergelijke uitheemse gewassen •.

Slechts melasse, granen (vooral mats) en aardappelen zijn op industriële schaal gebruikt.

I·

Sulfietafvalloog is een hinderlijk afvalpr6duct van de celstof-bereiding en zou dus een aantrekkelijke grond-stof voor de vergisting kunnen zijn. Hieraan zijn dan. ook

verschillende studies gewijd (Wiley et al.

1941;

Vogel

1948;

Schoedler

1953).

De productiekosten zouden echter hoog

worden, doordat vergisting pas mogelijk is na verwijde-ring van een aantal giftige bestanddelen, en bovendien het suikergehalte van de vloeistof zeer laag is. Tot een practische toepassing is het dan ook nog niet gekomen.

Ook houthydrolysaat moet eerst worden ontgTIt, de

ver-gisting is niet rendabel (Faith et al.

1950).

Over de vergisting van andere xylose-bevattende hydrolysaten zijn slechts experimentele gegevens beschik-baar, er schijnen zich veel moeilijkheden voor te doen

(Langlykke et al.

1948).

Van de vergisting van fruitafval op butanol en ace-ton is geen technische toepassing bekend. Het verzamelen en bewaren van het materiaal zal waarschijnlijk grote bezwaren meebrengen.

Voor vergisting op grote schaal komen dus slechts melasse, granen en aardappelen in aanmerking.

Algemeen geeft men de voorkeur aan melasse. Slechts

door sc~~arste aan melasse gedurende de tw~è

Wereldoor-. .

log ging men in de Verenigde Staten tijdelijk weer op het

gebruik van graan over. Volgens Beesch

(1952)

biedt

melasse vele voordelen:

1. melasse is gewoonlijk goedkoper dan graan of ander zetmeel.

2. melasse lost op in water e~ levert daardoor een

be-slag, dat beter te hanteren is dan de suspensies van zetmeelachtige grondstoffen; er treden vrijwel geen verstoppingen op en de apparatuur is eenvoudig te reinigen met water en stoom.

3.

het beslag kan gemakkelijker worden gesteriliseerd.

4.

de vergisting verloopt optimaal bij

31

00, in plaats

~an bij 370C; deze lagere temperatuur geeft eventueel

binnengedrongen melkzuurbacteriën minder ontwikkelings-kans.

5.

er kunnen hogere concentraties koolhydraat worden ver-gist bij gebruik van melasse dan bij gebruik van zet-meel, waardoor een hogere productivitèit bereikt kan worden.

6. de verhouding tussen de verkregen producten is gunsti-ger: uit melasse ontstaat minder aethanol, meer buta-nol.

7.

een geïnfecteerd melasse-beslag kan nog op alcohol

worden vergist.

Daar Nederland een zeer groot tekort aan granen heeft, komen deze niet in aanmerking als grondstof. Wel moet voor een bedrijf in ons land de vergisting van

aard-appelzetmeel in overweging worden genomen. De pr~js

hier-van lijkt evenwel een bezwaar.

'Volgens gegevens van het Centraal Bureau voor'de Statistiek (C.B.S.) bedroeg de groothandelsprijs van

uit-gevoerde veen- en zandaardappels in 1956 per kg f. 0,13.

Aannemende, dat de aardappel 20% zetmeel bevat, vinden we

voor de prijs van aardappel-zetm~el f. 0,65 per kg.

Volgens het C.B.S. bracht de in 1956 geëxporteerde melasse

per kg f. 0,10 op. Bij een su~kergehalte

~ w

M..i

~-...l(?u ( +'

k 0 st dan ;J-kg-s.u,j,·k-e-p-:b- me as s e \ f. 0 ,20 •

dezelfde opbrengsten aan butanol; aceton

hierin van 50%

Daar ongeveer en aet~anol wor-den verkregen bij vergisting van gelijke

gewichtshoeveel-.

.

heden suiker resp. ~etmeel, blijkt melasse een veel

goed-keper grondstof te zijn. Zelfs indien de prijzen van aardappel-zetmeel en melasse-suiker gelijk waren, zou me-lasse als grondstof de voorkeur verdienen, gezien de bo-vengenoemde voordelen.

De vraag, of ons land over voldoende melasse beschikt, om het beschouwde gistingsbedrijf van grondstof te voor-zien, is moeilijk te beantwoorden. Volgens de gegevens van het C.B.S. voert Nederland zowel melasse in als uit:

1953 1954 1955 1956

invoer melasse uitvoer melasse

in 1000 t in f. 1.000.000 in 1000 t in f. 1 .00.000

30,8 2,6 20,2 1 ,4

43,5 4,5 29,4 4,1 (?)

42,1 4,0 20,8 2,4

32,7 2,9 13,6 1 ,3

Voor een jaarproductie van 1000 t aceton moet, .zoals nog zal worden toegelicht, ongeveer 20.000 t melasse'per jaar worden vergist. Deze melasse zal dus moeten worden ont-trokken aan de expert, resp. aan de vergisting tot aetha-noilil hier te landë.

Aannemende, dat voldoende melasse beschikbaar is,

wor·d

t

nu deze grontlstof als ui

tgaJs~a

teriaal . voor de

be-reiding van aceton gekozen.

. .

Mochten zich omstandigheden voordoen, die verwerking van een andere grondstof wenselijk maken dan kan daartoe

zonder ingrijpende wijzigingen in het bedrijf worden over-gegaan, vooral als bij de keuze der apparatuur hiermee, waar mogelijk, reeds rekening wordt gehouden. Zelfs zal het mogelijk zijn, het .bedrijf voor geheel andere gistingG-processen geschikt te maken.

11 GRONDSLAGEN VAN HET PROCES. 11-1. De bacteriecultuur.

Clostridium acetobutylicum is een anaerobe,

sporé-I

vormende bacterie. Met behulp van een geschikte ophopings-methode en door selectie kunnen van dit organisme stammen ' worden geïsoleerd, die in het betreffende medium een goe-. de opbrengst geven aan de gewenste productengoe-.

In de Verenigde Staten is het mogelijk, octrooi te verkrijgen op het gebruik van een bepaalde bacteriestam. Beesch (1952) vermeldt in een overzicht enkele dozijnen gepatenteerde cultures. Ondanks de zeer uiteenlopende

"

namen, waaronder deze te·boek staan (variërend van "P-bacillus" tot "Clostridiumsaccharobuty-acetonicum-liquefaciens-delta"), zijn dit alle volgens de

bacterio-logische nomenclatuur variah~en van Cl. acetobutylicum, of

van de nauwverwante soort Cili. be~jeDin~kim~

Aanhouden van de cultures op agarmedia schaadt het

productievermogen. Daarom worden de .stammen bi j voork~ur

bewaard in gedroogde toestand. Vóór het gebruik worden ze tot actief leven gebracht door enten in een geschikt

cultuurmedium. Veelal onderwerpt men de bacteriën daarbij aan een "heat shock": door enkele minuten te verhitten op

90-1000C worden de zwakkere cellen vernietigd, terwijl de

overgebleven. spor$n beter ontkiemen.

Een voortdurende bedreiging voor het fabrieksproces vormen infecties. Vooral melkzuurbacteriën zijn schadelijk, daar ze eveneens anaeroob koolhydraten vergj.sten. Nog ern:'" stiger is een besmetting door bacteriofaag, welke de cellen van Cl. acetobutylicum te gronde kan. richten en in errrsti-'-ge errrsti-'-gevallen de errrsti-'-gehele fabriek kan lam legerrrsti-'-gen. Het is dan ook noodzakelijk, dat het bedrijf beschikt over een collec-tie cultures, die geselecteerd zijn op resistencollec-tie tegen de diverse faag-types.

Voor het welslagen van het bedrijf is het een

dwin-gende voorw~arde, dat grondstoffen, toestellen én leidingen

grondig worden gesteriliseerd. Voo~tdurend dient te

wor-den gewaakt tegen het binnendringen van infecties. Het bedienend personeel van het gistingsbedrijfrrtmoet aseptisch

leren werken. De eisen op dit punt moeten weel strenger zijn dan bij de alcoholische gisting of de bereiding van antibiotica, waar het milieu minder ontwikkelingskansen biedt aan indringers.

111-2. Biochemie van het proces.

\..:.\ ./ .~. De samenstelling van melasse

~'-Y .\~ suiker: 56-58%

is volgens Beesch (1952):

""

b\ \

eiwit

1

2%

as -:- 8%

Volgens deze auteur bedraagt de opbrengst aan butanol,

aceton en aethanol gemiddeld 30 gew.

%

ten opzichte van

de suiker, welke in de vergiste melasse aanwezig was. (met butanol wordt in het volgende steeds n-butatiol bedoeld).

De gewichtsverhouding waar~n deze organische verbindingen

uit melasse worden gevormd, i~ ongeveer 68 : 30 : 2.

Daar-naast wordt bij de gisting veel gas ontwikkeld: uit 100 gewichtsdelen melasse (met 57% suiker) ontstaan volgens

Beesch 32 gewichtsdelen kooldioxyde en 0,8. gewichtsdelen

waterstof; dat wi~ dus zeggen, dat een ongeveer twee maal

zo groot gewicht a~n gas als aan organische producten

wordt verkregen!

De beste opbrengst aan butanol en aceton wordt bij vergisting van melasse bereikt bij een temperatuur van

310C (voor vergisting van graan is de optimale temperatuur

370 ). De gisting verloopt slechts onder strikt anaerobe

omstandigheden. De optimale pH. voor de vorming van butanol

en aceton ligt tussen '5 en 6. De beginwaarde van de pH

van het beslag is ongeveer 6,. Aanvankelijk worden bij

de vergisting van de suiker a~ijnzuur en boterzuur

ge-vormd, waardoor de pH kan dalen tot

4,5.

Daarom wordt

ammoniak of kalk toegevoegd,. om de pH op de vereiste waarde te houden.

Enkele uren, nadat het beslag geënt i's, '8egin~ reeds

de ontwikkeling van gisti~gas, bestaande uit CO₂ en H

2•

Na 12-1:~' uur neemt de snelheid der gasvorming aanzienlijk toe, ten gevolge van de omzetting van azijnzuur en

boter-zuur in aceton en butanol (Thimann 1955):

2 CH₃ COOH ~ CH_{3 CO CH2 COOH} -+

azijnzuur aceetazijnzuur CH3COCH3

+ _{CO2 ·}

aceton CH

3

CH2 CH2 COOH + 4 H ~ CH

3

CH2 CH2 CH20H + H20.

boterzuur butanol

In overeenstemming hiermee is, dat toevoeging van azijnzuur aan het medium de opbrengst aan aceton aan-zienlijk kan verhogen (Reilly et al. 1920; Wikén et al. 1955).

De vorming van butanol en aceton, benevens de gas-ontwikkeling, nemen na enige tijd geleidelijk af. De gis-ting kan na 48-72 uur als beëindigd worden beschouwd (Beesch 1952) •

Voor regeling van de pH tijdens de gisting is ammoni-ak beter geschikt dan kalk, om de volgende redenen:

1. ammoniak kan op eenvoudige wijze in gasvorm tijdens de

gist~ng worden gedoseerd naar behoefte. Kalk ~oet van van tevoren aan het beslag worden toegevoegd, zodat

het gevaar bestaat, dat de pH boven 7 komt; boterzuur

en azijnzuur worden dan niet omgezet in butanol en aceton.

2. NH

3

behoeft niet te worden gesteriliseerd.

3.

NH

3

kan tevens dienst doen als stikstofbron voor de

bacteriën.

Behalve koolhydraat al~ substraat hebben de

bacte-riën namelijk ook andere voedingscomponenten nodig: 1. stikstofverbindingen: slechts een deel van de in

me-lasse aanwezige organische N-verbindingen zijn bruik-baar voor het organisme. Het tekort kan worden aange-vuld door toevoeging van NH

3 of ammoniumsulfaat. Uit

dit laatste ontstaat echter door de omzetting vrij zuur, dat weer moet worden geneutraliseerd. ,Ammoniak

is dus het meest geschikt. Er is ongeveer 1 gew.

%

NH

3 nodig, ten opzichte van de suiker (Beesch 1952).

Volgens Tarvin (1941) ontstaat na toevoeging van~

traat aan het medium meer aceton, minder butanol.

--

~~----fosfaat moet worden toegevoegd: ongeveer 0,2 gew.

%

hiertoe superfosfaat.

3.

Andere noodzakelijke componenten zlJn reeds in

vol-doende mate in de melasse aanwezig: sulfaat, Mg+T• Het te vérgisten beslag mag hoogstens 8% suiker be-vatten, daar deze anders niet voll·edig wordt vergist. De. gevormde butanol is namelijk in hogere concentraties giftig voor de bacteriecellen. Door toevoeging van cas-tor-olie kan evenwel een beslag met max. 15% koolhydraat worden vergist: de olie lost de gistingsproducten op en vermindert daardoor de schadelijke werking (Hemmi en

To-moeda 1 948) •

Het gegiste beslag van de butanol-acéton-gisting is geel door riboflavine (vitamine B2). Dit wordt door de bacteriën gesynthetiseerd (waarschijnlijk' is rigoflE!vine-fosfaat het co-enzyme van aceetazijnzuur-decarboxylase;

Thimann 1955) en is een waardevol bijproduct. Do~r drogen

van het waterig residu, dat overblijft na afdestilleren van

butanol, aceton en aethan~l, wordt een product verkregen,

dat ~ehalve vitamine B2 o.a. ook het bacterie-eiwit bevat, en dat aan veevoeder kan worden toegevoegd.

Soms wordt een deel van het waterig destillatie-re-sidu gebruikt voor het aanmaken van nieuw beslag, waarbij

men tot 40 vol.

%

van het verse water door "slop"

ver-vangt. Behalve een besparing op het waterverbruik, be-oogt men hiermee tevens de toevoeging aan het beslag van eiwitten en groeifactoren, die gunstig zijn voor het

gistingsverloop. Evenwel worden op deze wijze ook giftige stofwisselingsproducten in het proces teruggevoerd. Vol-gens de ervaring is regelmatige "slopping-back" dan ook niet raadzaam.

III CAPACITEIT, MATERIAALBALANS EN PROCESSCHEMA VAN DE FABRIEK •

. "

III-1. Economische betekenis van.de bereiding van aceton door gisting.

In de eerste Wereldoorlog werd d~ productie van

ace-ton door gisting ter hand genomen in Engeland en de Ver.-enigde Staten; bij d,e vervaardiging van "Cordite" (rook!-loos buskruit), was aceton nodig, en dit kon niet in vol-doende hoeveelheden worden verkregen volgens het destijds gangbare procédé (uit hout, via calcium-acetaat). Buta-nol was aanvankelijk een bijproduct, waarmee men weinig

kon beginnen. Evenwel b~eken de esters van butanol zeer

geschikt als oplosmiddel voor de lakken, welke de opkomen-de auto-industrie nodig had. Butanol werd toen het be-langrijkste product van de gisting. Dit werd in nog ster-ker\ mate het geval, toen synthetische processen ter be-reiding van aceton ontwikkeld werden, zoals die uit pro-peen (via propanol-2 o·f via cumeen) en uit acetyleen (via azijnzuur). De gistingsaceton kan niet concurreren in prijs met de synthetische; butanol is daardoor het sleutelpro-duct geworden, dat beslist over de economische levensvat-baarheid van het gistingsproces (McCutchan en Hickey, 1954). Ook de butanol ondervindt echter in toenemende mate con-curentie van het synthetische product; het synthetisch pr6-ces heeft minder last van schommelingen in prijs en be-schikbaarheid van grondstoffen dan het gistinsproces.

De achteruitgang van het fermentatie-proces in de Verenigde Staten blijkt uit onderstaand overzicht naar McCutchan en Hickey (1954) van de commerciële productie van aceton, aitgedruk in 1.000.000 Ibs:

productie aceton productie aceton

door gisting synthethisch

1945 42,4 3.07,4 1946 37,4 29é,1 1947 40,0 357,2 1948 26,9 443,8 1949 27,9 388,1 1950 onbekend 481,7

Volgens Shreve (1956) werd in 1954 in de Verenigde Staten

478.000.000 Ibs aceton geproduceerd, waarvan slecht~ 4~

door gisting. De productie van butanol bedroeg in dat jaar

194.000.000 Ibs, waarvan 40~ door gisting was verkregen.

Volge~s Beesch en Shull (1955) was de productie van acetqn en butanol door gisting in de Verenigde Staten en Groot-Brittannië een stervende industrie. Alleen in Japan 'was het bedrijf nog van betekenis.

Shreve (1956) vermeldt .voor de Verenigde Staten in 1954 de volgende verdeling van aceton over de verschil-lende verbruikssectoren:

cellulose-acetaat 50~

bereiding van chemicaliën 15~

verf, vernis, lakken 12~

oplosmiddel voor acetyleen 5~

bereiding van geneesmiddelen 5~

diversen 13%

Van de geproduceerde butanol werd 70~ verwerkt tot

oplos-middel~en voor lakken.

III-2. Capaciteit van de fabriek.

Gezien de twijfelachtige economische waarde, althans onder normale omstandigheden, tan de gereiding van ace-ton en butanol door gisting, kan weinig bètekenis worden

toegekend aan het zoeken naar een geschikte capaciteit vo~r

een dergelijk bedrijf in Nederland. Ook de statistieken van het e.B.S. bieden in deze slechts weinig steun:

.

Aceton 1953 1954 1955 1956 Butanol 1953 1954 1955 1956 1499 t 1311 1847 1~57 985 t 2008 2060 1999 invoer f. 1.170.000 865.000. 974.000 752.000 f .' 1 .115.000 2.131 .000 1.967.000 1.159,000 uitvoer 83 t geheim 11

"

geheim

"

"

11 f. 88.000

In verband met de ingevoerd~ hoeveelheden over de

afgelopen jaren werd besloten tot een

productie-capaci-té~t van 1000 t aceton per jaar, waa~mee dan gepaard gaat

een productie van ongeveer 2300 t butanol per jaar

ien

een

verbruik van ongeveer 20.000 t melasse per jaar (zie III-3). Zoals reeds werd opgemrkt, kan een gistin6bedrijf

als het onderhavige door een aantal relatief geringe ver-anderingen in de apparatuur overschakelen op een ander gistingspDoces, zodat het lot van de fabriek niet

volko-men afhankelijk behoeft te zijn van dat van de aceton~

butanolgisting.

III-3. Materiaalbalans van de fabriek.

Bij de berekening is gebruik gemaakt van de

volgen-de getalwaarvolgen-den, welk~ ontleend zijn aan Beesch (1952):

Melasse bevat 57 gew. % suiker.

Opbrengst butanol + aceton + aethanol: 30 gew. % op

suiker; ,~~~,..

i>a :

1.0 : ~ .

Bij vergisting van melasse ontSaalb. b9 j J'9I'gio

bint-32,1

gew~

%'002 en 0,8 gew. %

H2.(~~a.ss~).

Er wordt een beslag met 6% suiker vergist (Beesch ver'meldt 5-7%).

Voorts wordt 1 gew. % NH

3 (op suiker) toegevoegd en

0,2 gew.% P20 5(oP suiker) in de vorm van super-fosfaat, dat omstreeks 20% P205 bevat.

..

We komen dan tot de volgende materiaalbalans per jaar:

in: uit:

melasse (57 gew.% suiker) 19.500 t aceton 1000 t

water(inci~ directe butanol 2270 t

stoom ~oor steri- 165.700 t aethanol 70 t

liseren) 3340 t ammoniakgas 110 t kooldioxyde 6260 t superf'osf'aat 110 t waterstof' 160 t 6.420 t waterig destillatie-residu

16>6".420

t

totaal 175.660 t l~~,;~~~=~·

III-4. Processchema van de f'abriek.

Er is gerekend op3300 bedrijfsdagen van 24 uur· per jaar.

Ver~er zijn bij de berekeningen de volgende gegevens gebruikt, ontleend aan'de handboeken (Handbook of' chemis-try and physics 1951; Taschenbuch für.Chemiker und Phy-siker, 1949; Kirk and Othmer; Ullmann 1953; Perry 1950):

dichtheid melasse 12 Ibs/gal ~ 1 ,44 kg/l

dichtheid beslag vóór vergisting 1 ,02 kg/l

dichtheid beslag na vergisting 1,002 kg/l

~~6. ~ ~'L ( ~l:. ktJc.; IS"

"C)

0 ₁2.

~/~

'l"~._-~~-

_

..

~

stc.n·.t:~_ k.tt.l. (ol°C.)I~. sl:t.ricl.

,..S

, I _,s_.~~·~~,~~~o~'Jó~o~4~~~

______

~1

.

j i ... . ~ ~ 'I (10 oe) s~ 1,0 (110-9 IJ ,~.

(X,

~

o,.o8~

().~o- 0 , 0 ~9 ~o,j)o'L.l ~ j , "I " , I/

-~~ 0)'01, w-Mi.r 0 I

'''!3

t.f~o ... o91 ~ o,O'b't

I

~c.t..:cW- f.Lt~-~

J

~~ 0,010 ...n.,. 0, 11 S" ~~ O/OO~ ~ o/O~3 -...---,---:--~---.-;. I V'ANI ~A-4 ~ -, 0 - I

r_

rE ,,::--___ sMd q.a..& I ij I I J U i I I I L _ _ _ _ _ _ J L _ - _ - _..J I

I

,

1

.-f

.,

I

r·J~rlutJ.

I I I I

I

11.

.

-~---~---~ ~01088· ~ 0,00'

-..

mol. gew. k.p. (760 mm) d 20 4 soort. warmme verdampingswarmte (bij k.p.) ç n-butanol 74 117°C 0,81 kg/l 6,58 kaal/kg 141 kcal/kg aceton 58 56°C 0,78 kg/l 0,52 k6al/kg 125 kcal/kg aethanol 46 78°C 0,79 kg/l 0,58 kcal/kg 200 kcal/kg

Het systeem n-butanol-water vormt een heterogene azeotroop, we"lke een min. k.p. heeft van 93°C (760 mm) bij 25 mol %

(58 gew. %) butanol, terwijl de vloeistoffase ontmenging

vertoont in

~

fasen met ca. _~. 2. mol % (8 gew.%) butanol _.

resp. ca. 50 mol % (73 gew.%) ~utanol (Stockhardt and

~, 1931).

In het processchema (bijlage I) zijn de voornaamste onder-delen van de apparatuur met de bijbehorende stromen aangegeven. De gestippelde gedeelten in het processchema zijn uit het fabrieks-schema weggelaten.

De stromen zijn,

i~

in: melasse 0,75

water (+stoom voor steriliseren) 6,4 superfosfaat

ammoniak

0,0042 0,0042

beslag 7,16

water van uitstomen adsorptievat 0,08 uit: aceton butanol 0,039 0,088 aethanol 0,0027 kooldioxyde 0,242 wat~rstof 0,0062 0,13 0,25 destillatie-residu6,86 totaal 7,24 tqtaal 7,24 137 1 (310C,1 at) 77 1 ( " " ) 214 1 ( "

_"

₎

IV

TOELICHTING BIJ HET FABRIEKSSCHEMA~

Het fabrieksschema is getekend op schaal 1:50. IV-I. Voorbereiding van het entmateriaal.

Dit' onderdeel is uit het fabrieksschema weggelaten. Een reincultuur van de gewenste bacteriestam wordt,na

"heat-shock!! behandeling,geëniiLn vloeibaar medium;nadat hierin

vermeerdering heeft plaats gevonden,word~oor herhaaldelijk

overenten in e:an steeds grotere hoeveelheid medium ten slotte een hoeveelheid entmateriaal verkregen,welke voldoende is om een grote gistingsketel te enten.

Er wordt steriel beslag gebruikt van dezelfde samenstelling als in de fabriek,of desgewenst een ander voor de

celvermeerde-ring geschikt medium.E~ordt steeds overgeënt,als de cultuur in

volle gisting verkeert(ca.24 uur na enting).

Elke tussentrap wordt slechts dan overgeënt,als de groei

goed verloopt~n er geen infectie aanwezig blijkt.Bovendien

wor-den die cultures geselecteerd,welke de krachtigste gisting ver-tonen.Er zijn dus veel cultuurketels nodig.

De gistingsduur inneen cultuurketel is 24 uur;voor

schoonma-ken en steriliseren reschoonma-kenen we 6 uur; samen 30 ~uur per lading.

Er zijn 12 hoofdgistingsketels van 200m3 ,welke iedere 72 uur

opnieuw moeten worden geënt. (zie I~-4.) Er wordt een hoog

ent-percentage toegepast (3%) ,waardoor het infectiegevaar

vermin-dert~

De cultuurketels voor het entmateriaal moeten dus

3%

van

200 m3

=

6m3 beslag kunnen bevatten.Het benodigde aantal' zou min.

bedragen:

3

0/ 72 x 12

=

5.

We nemen 12 cultuurketels van 6 m3 ,

zodat er een ruime reserve en gelegenheid tot selecteren is. Deze cultuurketels worden op hun beurt geënt uit kleinere

cul-tuurketels van 180-200 1; het aantal hiervan kiezen we eveneens

ruim,namelijk 24.

De uitvoering van de cultuurketels komt ongeveer overeen met die van de hoofdgistingsketels (zie IV-4.)

IV-2. De melasse-weger. . .

Melasse kan tot 15 vol.% lucht bevatten en moet dus worden afgewogen. De melasse wordt uit de voorraadtanks gepompt in de weegbak van een zelfregistrerende "Servo-Duplex"weger,en gaat vandaar naar de steriliseerketel.

Er is een weger in reserve.

IV-3. De steriliseerketels en beslagkoeler.

Hierin wordt de gewogen melasse samen met afgemeten hoeveel-heden water en superfosfaat door directe stoom gesteriliseerd. Overmatig koken moetoworden vermeden,daar de kwaliteit .van het

beslag er onder lijdt; 1 uur verhitten op 10700 is voldoende.

(Beesch,1952.) ~e ingeblazen stoom zorgt tevens voor roering.

Er zijn twee kóokketèls,zodat in de ene beslag kan worden gesterili-seerd,terwijl de andere geledigd en opnieuw gevuld wordt.Bovendien

is er .één ketel in

reserv~.

~(1\M,

Î.

De steriliseerketels z~n voorzien van automatische

temp.re-geling,manometer,veiligheidsklep en een ventiel (vacuumbreker),

dat aangesloten is op een leiding met steriel gas. (onderdruk

tij-dens het ledigen van de ketel). Voor het aanmaken van het beslag kan eventueel warm water van de koelers worden gebruikt.

Steriliseren van het beslag in de gistingsketel zelf leek minder gewenst : deze moet inwendig zo eenvoudig mogelijk worden

gehouden, zodat goede reiniging mogel~k is. Bovendien zijn er slechts

enkele steriliseerketels nodig,om het beslag voor alle gistings- .

ketels te koken.

_ft-

Ul"î.~

....

f'I~

1

l'S

v : fI"A- v u ~

?-1'" .

Volgens een patent van Oarnarius(1947) is ook continu koken _{v _ ~}

mogel~k: het beslag legt dan samen met oververhitte stoom een spiraalvormige weg af die lang genoeg is, om een voldoende ver-blijf tijd te krijgen voor sterilisatie. Volgens Pfeifer et al(1952) heeft dit echter een sterke schuimwerking van het beslag in de gistingsketels ten gevolge; daarom werd de voorkeur gegeven aan de ladingsgewijze sterilisatie.

Het gesteriliseerde beslag wordt uit de kookketels gepompt

. ~ 0

door een beslagkoeler, waa~Qe temperatuur tot ca.35 0 wordt

ver-laagd. Daar kokende vloeistof moet worden verpompt,wordt een "self-priming" centrifugaalpomp (Ingersoll-Rand) gebruikt.

IV-4. De gistingsketels.

De gangbare grootte van de gistingsketels bedraagt vol-gens Beesch(1952) §Oo .. QOOe;500.000 gal. Hier werden ketels van 200 m3 gekozen. Ketels van nog grotere inhoud zouden zeer

hoge eisen aan de-fundering stellen en bovendien zou b~infectie

een enorm volume beslag bedorven zDn.

De gisting, duurt volgens Beesch (1952) 48-72 uur. Nemen we een gemiddelde aan van 60 uur en rekenen we 12 uur voor

het ledigen, steriliseren en opnieuw vullen van een gistingsk,etel,

d~n

is 72 uur nodig voor verwerking van ca. 180 m3 beslag. Om

de gewenste capaciteit van de fabriek te bereiken zouden omstreeks 10 ketels nodig zDn. We nemen 12 ketels, zodat er enige reserve

is met het oog op infecties, reparaties en dergelDke. Als de

~

~ "

ketels met een fase-verschil van 6 uur werken, wordt een regel-matige bedrDfsgang verkregen.

l

Verticale ketels leken verkieslijk boven horizontale, omdat

- - ze beter voor

process~~t

aeratie

z~~

in te richten,

~ndien

dit nodig mocht zijn.

~ ~9r~~'" ~- tlrl~.

Het gistingsproces ontwikkelt weinig warmte, welke door waterkoeling langs de buitenwand wordt afgevoerd. Voordat de

gisting begint koelt het beslag, dat binnenkomt op ca. 350C,

af tot 3loC;, verdere afkoeling wordt voorkomen door automatische

bDwarming met directe stoom.

Elke gistingsketel is uitgerust met drie roerders, gel~k­

matig over de omtrek verdeeld. Het gistingsgas verlaat de ketel via een leiding uit de top; de snelheid der gasontwikkeling, welke een aanwijzing is voor het verloop der gisting, wordt

automatisch geregistreerd. De pH wordt t~dens de gisting

auto-matisch tussen

5

en 6 gehouden door injectie van ammoniakgas.

Verder z~n aanwezig : een invoerleiding voor de entcultuur;

een vacu-rrianometer; een veiligheidsventiel; een "vacuum-breker", aangesloten op de steriele gasleiding(na het steriliseren van de ketel met stoom ontstaat bD afkoeling onderdruk); een niveau-meter; een ?emonsteringskraan.

Het vergiste beslag wordt onder uit de ketel afgelaten. De ledige ketel kan worden schoongespot.en via het mangat, het spoelwater loopt onderuit de ketel via een aparte afvoer. Voorts is er ond,eraan een stoominvoer voor het steriliseren van de ledige ketel.

ge-wenst :;. bij infectie is de bron niet op te, sporen, bovendien' degenereert de bacteriecultuur vrij spoedig;toepassing op grote schaal is ook ,niet bekend.

Volgens Ga~ronsky(1945) kan, door met een zeer hoog

%

te enten, een zo snelle fermentatie worden verkregen, dat

een ongesteriliseerd beslag kan worden gebruikt, zonder risico voor infectie. Ook hiervan is echter nog geen tecbnische toepas--' sing bekend.

IV-5. Het steriliseren varu ... <1e apparatuur.

In verband met het grote infectiegevaar is goede sterilisatie van apparaten en leidingen zeer belangrijk. Het steriliseren

geschiedt met stoom.

Apparaten en leidingen moeten zoveel mogelijk vrij zijn van dode hoeken. Er moeten voorzieningen zijn voor afvoer van con-densaat en aflaten van lucht, daar anders tot sommige plaatsen de stoom niet voldoende kan doordringen. Het systeem moet zo eenvoudig mogelijk worden gehouden; leidingen en vaten moeten

gladde wanden hebben, verbindingen worden zoveel mogel~k gelast.

De beslag- en entleidingen worden re~elmatig gereinigd door

rondpompen van heet water.

o

Alle afsluiters en verbindingen, welke met steriel beslag

~ in contact komen, moeten onder stoom staan(deze stoomleidingen zijn

f>

in het fabrieksschema niet getekend).

De ketels worden bij voorkeur van roestvrij staal vervaardigd. Koper kan ook dienst doen, maar het gevaar bestaat, dat zoveel koper in het beslag oplost, dat de bacteriegroei erdoor wordt

benadeelt. ~

Verbindingsleidingen en

koeler~ij~stvrij

staal of' van

vertind koper; afsluiters

e~~gSstukken

van messing.

Deze metalen

geleiden~e ~

(essentiëel voor steriliseren)

e~ een glad oppervlak (belan rijk bij het reinigen). Î

.l-

h -L. OOA_ I,..Y- .1.. ~

..

-IV-6. De gistingsgassen.

De gistingsgassen voeren een kleine hoeveelheid organische producten mee uit het gegiste beslag. Deze worden teruggewonnen, na koeling van het gas, door

ad-sorptie aan actieve kool. Door stoom worden ze vervol-gens vrijgemaakt.

Woodruff (1927) vermeldt, dat bij 3700 gemiddeld

30 g organische producten per 100 c~b. ft. (2832

1)

gistingsgas aanwezig zijn (55% aceton + 22,5% butanol +

22,5%aethanol). Bij +agere tempera~uren zal het % aceton

nog hoger zijn.

De dampspanning van aceton is 375 mm bi.j 3700 en

295

mID

bij 3100. Nemen we aan, dat het gehalte van

or-ganische verbindingen in het gistingsgas evenredig is met o

de dampspanning van aceton, dan zou er bij 31 0 in de

gassen aanwezig zijn:

~~~

x 30 gram in 2832 1, of 0.,0083

gram per liter. De hoeveelheid organische producten langs deze weg is dan dus 0,002 kg/sec.

Voor de soortelij~e warmte v~n het gasmengsel (002 +

H₂) wordt berekend 0,28 kcal/kg. In de gaskoeler moet dus

worden afg~voerd: 0,25 x 0,28

=

0,07 kcal/sec.

0,002

Het gas bevat 0,25 x 100

=

0,8

verbindingen, resp. 10 g/m3 . Volgens

gew. % organisc~e

een catalogus van de

Union" kan actieve kool bij 2000 (bij een

vaJ-10g!m3 gas) ca. 16 gew. % aceton opnemen, "Oarbo Norit

concentratie

resp. 21 gew. % aethanol. Nemen we aan, dat de kool 15

gew.

%

organische verbindingen adsorbeert, dan is bij een

werktijd van een adsorptievat va;n 24 uur nodig:' 24 x 3600 x

0,002 x 1?g

=

1150 kg kool. De schijnbare dichtgeid van

kool is 0,7 - 0,9 OPerry); nemen we de waarde 0,8, dan is

het benodigde koolvoltime:

~6~~

=

1,44 m3• Er worden(1)

adsorptievatengebruikt, elk van deze_ capaciteit,

waar-bij elk vat, de volgende cyclus

vOlbrengt:~uur aJ~.orp­

tie - 24 uur stoomspoeling

~ur

afkoelen.~ ~'

De 'adsorptiewarmte wordt geli~k gesteld aan de

con-densatièwarmte, welke ruim genomen wordt op 200 kcal/kg.

De af te vo'eren adsorptieVfarmte is dan ~002 ~200

19

-Voor de verdamping van de

oPlosmiddelen~die

aan de

kool geadsorbeerd zijn, wordt stoom

gebruikt'~n

1200C.

Nemen we aan, dat deze afkoelt tot stoom van

1~50C,

dan

is

V

kg stoom per seconde nodig, waarbij:

V

(646-641)

=

0,002 x 200. ~

=

0,08 kg/sec.

Een kilië':itmdeel van het gezuiverde gistingsgas kah, na steriliseren door een gasfilter, worden gebruikt als drukgas voor de steriele ketels. De rest van het gas kan

voor verschillende doeleinden word~n gebruikt. Enkele

toepassingen in de praktijk zijn:methanolsynthese,

winning van waterstof, winning van koolzuur voor dranken.

IV-7. De winning van aceton, butanol en aethanol.

De afscheiding en zuivering van de producten uit het gegiste beslag is een zeer gecompliceerd proces: behalve

butanol, aceton, aethanol en water zijn ook kleine hQeveel~

heàen aanwezig van azijnzuur, boterzuur, acetylmethyl-carbinol en foezelolie (0,5% van de hoofdproducten).

Kirschbaum (1950; p. 193) spreekt van één der moeilijkste

gevallen uit de destillatie-techniek, waarvan de

behan-,.

deling grotendeels op ervaring berust, en geeft een zeer complex schema.

Bij het hier gevolgde proces zijn de bijm~ngselen

verwaarloosd.

Het gegiste beslag wordt ladingsgewijze gedestilleerd

in twee kolommen, welke elkaar afwisselen.

~~

~

- ' - . .

-.-De verwarming geschiedt met indirecte stoom, om het residu (dat moet worden gedroogd) niet verder té verdunnen.

Eerst gaan aceton en aethanol over, welke gezamenliJk worden opgevangen. Aangenomen wordt, dat deze fractie

kan worden verkregen met slechts, verwaarl~osbare

hoeveel-heden butanol en water'. Daarna wordt. butanol met water af.gedestilleerd. Butanol vormt met water een heterogene

azeotroop met min. kp. 930C bij een samenstellïng van 58

gew.

%

butanol op 42 gew.

%

water. Aangenomen wordt, dat

bij het afdestilleren van butanol uit het beslag ongeveer (de

dubb~ie

hoeveelheid water overgaat, dus'

2

~842

x 0,088

=

0,13 kg water/sec,

he~geen

in overeen-stemming is met literatuurgegevens (Shreve 1956).

In het destillatieresidu blijft een deel van de

,

.

vluchtige verbindingen achter, in hoofdzaak zal dit bu-tanol zijn. Nemen we aan, dat de concentratie hiervan ten slotte 0, 1 gew. % bedraagt, d,an betekent dit, dat met het residu 0,007 kg butanol per seconde verloren gaat. Het destillatie-residu bevat ongeveer 24 gvaste stof per liter, waarvan ca. 30% bacterie-eiwit is. Het kan worden

gecon~entreerd en gedroogd voor toevoeging aan veevoer.

Het gedroogde pro~uct _{bevat 40-100 mg vitamine B2 per kg.}

Daar hier is aangenomen, dat het residu wordt gedroogd, behoeft het bij afvoeren niet gekoeld te worden. Het verl00p der destillatie wordt gevolgd aan de hand van ,aflezingen van top- en bodemtemperatuur van de kolom en

van soortelijk gewicht van het destillaat. De aceton-aethanol-fractie van een destillatie wordt opgevangen in een voorraadvat. Elke kolom heeft zijn eigen voorraadvat; daar de kolommen afwisselend werken wordt een constante voeding verkregen voor de continue kolom, waarin aceton en aethanol door gefractioneerde destillatie worden geschei-den (zie V).

De butanol-water-fractie der destillatie wordt na condensatie en koeling in een scheidingsvat gelaten, waar ontmenging plaats vindt. De waterrijke onderste laag be-vat omstreeks 8 geW.% butanol en wordt teruggevoerd naar de discontinue kolqm. De butanolrijke bovenlaag (73 gew. % butanol) wordt verzameld in een voorraadvat (bij elke

kolom één), én dient áls voeding voor een continue kolom.

Deze heeft als bodemproduct butanol(waarin b.v. nog

1%

water aanwezig is), terwijl het topproduct bij benadering de samenstelling van de azeotroop(58 gew.% butanol+

42 gew.% water) heeft.Na condensatie en koeling wordt dit

topproduct gescheiden in twee vloeistoffasen, waarvan de butanol-arme weer teruggaat naar de discontinue kolom, de butanol-rijke naar het voorraadvat.

.'

1V~8. Bedr~fscontrole.

Van de melasse moet het suikergehalte worden bepaald.

Het verloop van de gisting wordt rege~matig

gecontro-leerd aan de hand van:

al

de gasontwikkeling; deze wordt automatisch geregistreerd.

bi het soortelijk gewicht van een gefïltreerd monster; dit daalt tDdens de gisting b.v. van 1,020 tot 1,002.

cl

microscopisch beeld van de cultuur.

Ook de voorcultures, welke het entmateriaal voor de grote gistingsketels moeten leveren, dienen regelmatig gecontroleerd te worden op goede groei resp. op infecties.

Analyses voor butanol-aceton-alcohol worden besproken door Sjolander et al.(1938); Mc Cutchanand Hickey (1954).

Naast een analytisch bedr~fslaboratorium is een goed uit~e­

rust microbiologisch laboratorium noodzakelDk.

1V-9. Mogel~kheden tot verhoging van de opbrengst.

Om bD gelDkblDvende apparatuur een hogere opbrengst aan

producten te .verkr~gen kunnen de volgende maatregelen

over-wogen worden:

11

meer dan 300 bedr~fsdagen per jaar.

2/ korter gistingstDd door gebruik van actiever cultures (de gisting kan met actieve cultures in 48 uur i.p.v. 60nuur ruim.schoots beëindigd zijn) resp. sneller schoon-maken oen steriliseren van de ketels.

~/ vergisting van een beslag met een hoger suikergehalte;

b~ toevoeging van castorolie aan het beslag zou vergisting

van een beslag met 15% suiker mogel~k z~n (zie 11~2).

4/ recirculatie van "slop"(waterig destillatieresidu) zou gunstig zDn voor de opbrengst, hoewel hiertegen ook be-zwaren bestaan (zie 11-2).

51

volgens een patent

v~Usines

de Melle (1954) zou

toevoe-ging van 2-20 kg gesteriliseerde melkwei aan 100 1 beslag de opbrengst verhogen.

Verhoging van de opbrengst aan aceton in verhouding tot die aan butanol en aethanol zou te bereiken zDn door:

2/ toevoeging van nitraat aan het besla~. Volgens Tarvin(194l) zou hierdoor een opbrengst van}40% aceton op de totale organische producten kunnen worden verkregen, in plaats

V BEREKENING VAN DE ACETON-AETHANOL-KOLOM.

V-1. Bepaling van het' aantal theoretische schotels. De gegevens betreffende het vloeistof-damp-even-wicht van het stelsel aceton-aethanol bij 760 mm Hg

zijn ontleend aan Hel'lwig and van Winkle (1953).

Het aantal théoretische schotels wordt grafisch

be-paald volgens de methode van McCabe-Thiele. Hierbij zijn de , volgende verondèrstellingen gemaakt::'

1 .' de kolom werk~ adiabatisch; dit is te benaderen door

• <

goede warmte-msolatie.

2. de kolom werkt isothermisch. Dit is slecths bij be-nadering waar omdat:

a. de top van de kolom een temperatuur heeft van ca.

o 0

3~9 K, de bodem van 351 K.

b. er mengwarmte optreedt. Deze is echter betrekke-lijk gering. Volgens International Critical Tables

(V,. 152) bedraagt de oploswarmte van 1 mol

aetha-nol in aceton bij kamertemperatuur - 5,11 kJoules,

~f - 1;23 kcal/mol. Dit is ongeveer 13% van de

verdamping~warmte van aethanol, welke ca. 9,2 kcal/mol bedraagt.

Daar de schotelefficiency ~lechts gebrekkig~

bekend is, is het niet noodz~kelijk, een grote

. \

nauwkeurigheid na te streven bij het berekenen van het äàntailitthebil?etische schotels. Voorts moet, om zo goed mogelijk aan voorwaarde 2. te voldoen, de,terugvloeikoeler de aan de top ontwijkende damp slechts condenseren tot kokende vloeistof en deze niet verder afkoelen.

3. er is volledige menging en~venwicht tussen vloeistof

en damp op iedere schotel. Hieraan wordt in de

prak-tijk niet voldaan, zodat de schotel-effic~ency in

't algemeen lager dan 1 is. I.

In het volgende zijn de onderstaande aanduidingen gebruikt: x = mol. fractie aceton in de vloeistof

xf=

_"

_"

_"

_{" "}

voeding

'.

..

X

b= mol. fractie aceton in het bodemproduct

warmte nodig om 1 mol voeding om te zetten in ver-q = zadigde damp

molaire verdampingswarmte

R = terugvloeiverhouding 'molen ~ugvloeiende vloeistof

molen destillaat. Rmin = minimale terugvloei verhouding.

De voeding bestaat uit 39 gewichtsdelen aceton op 2,7 aethanol (aangenomen is, dat butanol en water slechts in verwaarloosbar~ hoeveelheden aanwezig zijn) en bevat

dus 92,0 mol

%

aceton, zodat xf=0,92.

We stellen als eis, dat als destillaat aceton met

1 mol

%

aethanol uit de kolom treedt, en het bodemproduct

aeth,anol met 1,mol

%.

aceton is, zodat x

b=0,01 en xd=0,99.

Nemen we R=3, dan snijdt de 1e'werklijn van de. ~as af:

x

R~1= °3~~

= 0,25 (zie bijlage II).

De 1e werklijn gaat dus door (0; 0,25) en(0,99 ; 0,99). In verband met de vergrote afbeelding van'het bovenste deel

van d~ grafiek (zie bijlage 111) berekenen we voor ,=0,80

de bijbehorendewwaarde op de werklijh:X~0,736. Nemen we

kokende voedi~g, dan is q=1, de q-lijn loopt dan

verti-caal en snijdt de 1e werklijn in (0,92 ; 0,9375). De 2e werklijn gaat door dit punt en door (0,01 ; 0,01). Voor

~~~,80 wordt dan gevonden x=0,785. '

De q-lijn snijdt de evenwichtslijn in (0,92 ; 0,947). De minimale terugvloeiverhouding is te vinden, door de rechte door dit punt en het punt (0,99; 0,99) te snijden

met x=O. We verkrijgen dan:

~,99+1

= 0,382 of R . =1,59.

R 3 , mln . mln

Dus is: ~ =

r-59

= 1,9 •

mln '

De optimale terugvloeiverhouding is voor vele kolommen

1,3 à 2x~in' zodat de gekozen waarde (R=3) aanvaardbaar

lijkt.

Grafisch wordt gevonden, dat ~e theoretische schotels

nodig zijn indien R=3 en q~1. De ge plaat is de

V-2. Bepaling van de schotél-efficien"cy.

Doordat op de schotels geen volledige menging en evenwichtsinstelling tussen vloeistof en damp optreedt en bovendien vloeistofdruppeltjes door opstijgende damp

"tt( • .Hê.tt'seA,..~cAD~

kUnnen worden meegesleurd, is het aantal~~JDt~stal

kleiner dan het werkelijk benodigde aantal. De

verhou-,ding tussen beide aantallen i~ àe (overall-) schote~- '

lefficiency.

Deze kan op verschillende wijzen wor~en~ges6hat op

empirische basis.

1. Bepaling volgens ~'Connell (naar: Coulson and

Ricnard-~-1955).

Bij de gemiddelde temperatuur van de kolom (670C) is

de dampspanning van aceton 1102 mm, die van aethanol 487 mm (gevonden door interpolatie). 'Indien de wet van

Raoult geldt, is de relatieve

vl~chtigheid !~~2

=,2,26.

Indien deze wet niet geldt, 'is de relatieve vluch-tigheid te vinden uit de volgènde gegevens (Hellwig and

van WinkIe - 1953): dè ,da~p van het stelsel

acetoIi-aethanol bevat bij 67°C 50,6 mol

%

aethanol, de

vloei-stof 72,4 mol

%

aethnol. Hieruit volgt voor de

relatie-ve vluchtigheid:

49,4 72,4 2 56

x AB 50,~ x 27,6 = =~== Deze waarde wordt hiet gebruikt.

De viscositeit van de voeding wordt als golgt berekend:

mol. f fractie aceton 0,92 aethanol 0,08 yisc,os~ tei t bij ,,67 C (cp.) 0,24 (extra.-pol~tie) 0,530 (inter-polatie)

mol. fractie x viscosi-teit van voeding (vol-leaig vloeibaar veron-dersteld)

- 0,2208 0,0424

gem. molaire visco#sitèmt Q~~g~~ cp.

We vinden dan voor het product:

relatieve vluchtigheid x visco*siteit van 'voeding ~

2,56 x 0,2632 =

0,6111 .

Uit het diagram van O'Conneli

. volgt d~n voordde overall-schote~efficiency de

• .o.

',.

....

..

l'

2. Bepaling volgens Chu (naar Coulson and Richardson-1955). Deze gebruikt de formule:

L

log E

=

1,67 + 0,30 log V - 0,25 lO~L~ + 0,092 hL.

waarin: E

₌

L,V=

}j

=

₌

hL =

overall-schotel-efficiency (%)

vloeistof en dampstromen (lb-mol/hr) viscositeit van vloeibare voeding (cp) relatieve vluchtigheid

effectieve v9Ieistofhoogte op de plaat. Deze is

1

hier vrij willekeurig aangenomen op

12

ft; de term

speelt een ondergeschikte rol.

Bij invullen van de; eerder genoemde waarden wordt ver-kregen:

log E

=

1,67 + 0,30 log 3/4

~

0,25 log 0,67 + 0,092 x 1

12

= 1,67 - 0,0375 + 0,0435 + 0,0077 = 1,6837.

E

=

48,3%

Voor de schotel-efficiency nemen we op grond van de uitkomsten onder 1. en 2. de waarde 50% aan •

3. Bepaling volgens 'Drickamer and Bradford (naar Coulson and Richardson-1955).

Deze .auteurs ontwikkelden een diagram voor commerëiële

koolwaterstof-systeme~. Waarschijnlijk bij toeval wordt in

dit diagram echter bij een gemiddelde molaire viscositeit

van 0,26 ~ eveneens een ovèr~ll-schotel-e~~iciency van

ca. 50% gevonden.

Bij een schotelefficiency van 50% is het werkelijke

aantal schotels

~~50

=

40. De 18e schotel is de

voe-dingsschotel.

V-3.

Bepaling van de afmetingen van de kolom.

Een geschikte dampsnelheid voor de kolom wordt bere-kend met de formule (naar: Perry 1950 p. 597-8):

.. ~.

'i

dampsnelheid (ft/sec)

dichtheid van de vloeistof bij omstandigheden in de kolom

"

"

"

damp

_"

_"

in de

kolom

kv=

constante, afhankelijk van schotelafstand 'en

vloei-stofslot.

We kiezen een schotelafstand van 1 ft en een

vloeistof-slot van 1". Uit de tabel vinden we dan Kv

=

0,07 - 0,09,

we keizen K

=

~,08.

v . 0 0

De gemiddelde temperatuur .van de kolom is 67 C

=

340 K.

De dichtheid van aceto~ bij 2000 is 0,78; die van aethanol

0,79; de dichtheid van het aceton-aethanol-mengsel bij

670C wordt geschat op 0,76, dus

P,

=

0,76 kg/l. De

dicht-heid van acetondamp bij 3400K en 1 atm. is:

58 273 / j

22,4 x 340 :=2,08 g 1. De dichtheid van aethanoldamp onder

die omstandigheden:

46 273

=

1 6 /

22,4 X 340

= .

5 g 1.

De gemiddelde dichthèid van de damp in de kolom bedraagt:

0,92 x 2,08 + 0,08 x 1,~5

=

2,04 gil, dus

)2.

=

0,002 kg/l

u

=

0,08 8:Óg2

=

1,56 ft/sec

=

0,48 m/sec.

Op grond van de dampbelasting wordt nu de diameter van de kolom berekend.

Per seconde moet er, indien R=3, door de kólom 4 x O?

x 0,042 kg damp met dichtheid 2 kg/m3 , dus 4 x ~,042

=

0,084 m3 . Het oppervlak van de doorsnede van de kolom

moet dus zijn:

g!~~4

=

0,175 m2• De diameter van de kolom

bedraagt dan 0,47 m, .of omstreeks 0,50 m. Daar een

schotel-afstand van 1 ft werd gekozen en het werkelijke aantal

platen 40 bedraagt, wordt de hoogte van de kolom omstreeks

• • r ;;';0 -:J .~,.,.tI; .-. ,..., '('-/,-. .J.._ -"{ ' .. _ ... " • A.V ..J ( ... ", .. \ . .1... j~ .j. )

"

n " ~~l ~..J\.;; ,4- .-_... -r i[O 11 ~' . • n '"""'/ •. '" .... ) .. l .... t,..c .. l f.

.

; r." ,"" ",,' • 7 \ ' C' ::::.

,,':

::~ ~ .., i \ ( s. "

.

v '- _ ... . t - ' i ',. \. .: . , ,

-" . -~-;:.:. .. ~ • t ._ .... r' r-, I

~

~

S.C~BeeSCh~ _~nd.Eng.Chem.~7.

S. C .. Beesch and G.M. Shu1h .. 1955- Ind.Eng .Chem.47, 1857. E.H.Carnarius --1947- U.S.Pat.2,423,580:

J.M.Coulson and J.F.Richardson

~1957-

Chemical

Enginee~tin~7~(~

, Vol.II,p.634-5· \~

W~L.Faith et al. -1950-; Industria1 ?he.mica1s. (

J.O.Gavronsky ~1945- Brlt.Pat.571,630.

Handbook of chemistry and physics -1951- (Ed.:Hodgman).

L.R.Hellwig and M.van Winkle ~1953- Ind.Eng.Chem.45,624.

F.Hemmi änd M.Tomoeda -1948- J.Agr.Chem.Soc.Japan,22,i. Kirk and Othmer.Encyclopedia of chem.techno1ogYi.

'A.F.Langlykke et al. -1948- Ind.Eng.Chem.40,1716.

I

G.A.Ledingham -1949- Pulp and raper Mag.Canada 50,no.7,93.

W~N.Mc Cutchan and R.J.Hickey -1954- in:Industrial Fermentations Vo1.I (Ed.:Underkof1er arid Hickey)p.347-388.

Perry -1950- Chemical Engineer's Handbook.

V.F.Pfeifer and C. Vojnovich --1952- Ind.Eng.Che~.44,1940.'

S.C.Prescott and C.G.Dunn .;,-1949'- Industrial Microbio1ogy.p.312-351.

J.Rei11y et a1.-1920~·: Biochem.J.14,228.

K:Schoedler -1953- Wochbl.Papierfabr.81,44.

R.N.Shreve -1956- The chemical process industries. p.686.

N.O.Sjolander et al". -1938':' Ind.Eng.Chem. 30,1251.

I

J.S.Stockhardt and C.M.Hu11 -1931- Ind.Eng.Chem.23,1438. ,

N.R.Tarvin -1941- U.BoPat.2,260,126.

'Taschenbuch f~r Chemiker und Physiker -1949- (d:Ans. und' Lax).

K.V.Thimann -1955- The Life of Bacteria,p.466-486.

U11mann -1953- Encyc1op~die der techn.Chemie.

Usines de Melle -1954- Brit.Patent 713,315.

H.Vogel -1948- Sulfitzel1stoff Ablangen. p.151.

T.Wikén et al. -1955- E?clÏ'eiz.Z.Path.Bakt.18,953. A.J.Wi1ey et a1.-1941- Ind.Eng.Chem.22,606.

...J r"r~ • . • t "'--u _ •. _ ..J v . • 0 : \..:: I

(l,.... .- -'

~ v • oL .. , . r 'IA I~.y~:';';" . + 0{ .~ \ . '.~... "" ... '- ". '[0 ~+ ~,. , ; 1-" '1-",1- • J f; V ·/·!)1.~,.1 .• ..'~.-.::--::'. - ' . ~ .. ' .. , ... ": ~ 1 ... 4< . . . ,; • .. ..I . , . ,i . -~·~\.l-.I: .. \ \' "

"'

.,... ...

t~..:.··

.. ...,

.

, '"' ." f I '

..

.

{..: , > , , " ,1' ...

...

).'" 1_

r

1 -l~ .. l -,. J'" ~ \. ... r ... !) '" \.0 .,.& t! i , t · -, . ' < " . t .. ~ ... ::....

.

, . 1 r. _{r , .. : .... ~.} ~ _{", - ~} , _{_'.J, __ ~J ;'.l ....} - ," .. \,1-1. J 11. • t &~ q

--

,

..

• j

..

; r . 1

-...

dl -"-\. ;',1- • f '.:J. -1,',

r - .. ',

' ... _'., -,

.

..

, .) r \.: IU -.-.1 L1 -\ I -'

....

.

..

, • 'J ~

-0' ...

·

,

, .l.) ,; • ti;r ...

-

_.""--'" ..

...

\.

..

""'''' , • lJ J •• 1. ..,.!

·

.

, . \

.

• :, • ~'i. v ~.'

.

~. • .J

t " .

. ' . O '

~~

. ; . _ _ • • _ _ . ' : • • • . . - _ _ • • 1 __ . .'.

~

.1:\:.

~~~~_:,

,

.

"

i '

.

,

-..' '.' >.... . ::,,'. -,.' "

._~.,.--j

... -' ... '

.lLu.t()~

.... '., ...

. . .. _

.. ,

.~.,- :,.~,'

,.:' J._,

~~+(~J'

,.',-._~~Lt.a4~·_JA...O\)u~~~~ ~ta~

I

~i\~ ~f·~l~J

a

x

L I ; •

{VIvtr. /W . ~ ~

Nttf : . . '"

.~.

:'. '- ..., .

.

~\tvUl ~

~~~r-."!~~'~ ~.~k\-;. *~

.

.Q,\t~~. ~ \\I.;t~~hu .~J.~~..c,.

l

~.bj I\M~+ ~+,

\tt.t\,Li1.

1 .

. ', ..

:D~.~.(.ItQ..j\d,~TI(.D~'

:+.

!Ri-l~

(V~M._~.~i,,~-~;~ ~

_{.. kt! "'" .}

~ ~iJ' tu.~·

. . . . ,

'.

'.

t:' '/ .

ft

~l.( ~hJ-.d.

.

v, .

~~ "r~(

.. '. .

\JYw:~, ~~ wr~\'"~~

1,r'

~~

.

~~~~ .~

.' .

'f.cM-~.

VlW.

1t,t.~ ~ ~t-"v~/ ~~~

. .'.

,~.\b·.

, k

~~(,t:4{ l4~~o~1~ ~t~

..

':,. f \

8

. ...

1.

ol~l)1~

\-

i.c.

\)rJt{A.

f

lil ..

~~

I

~~k\

M-... '. ){..b'4\.

~.

\).t/bL! ..

~vl~t'.

' . '.. . .. _

.

\-{~J clü~\~t\~ ~'\ \\--U-.~

....

~ ,v..~~

:'\tw

-~~r4)1.·.

:' .

·,.~.~k.~.~

At.

or;

~}

4,

~,k:~ tW~~.:.'

,L~JJ,kl' ~~~'~.', _~tz.~~

..

~~'~.t.\\+tsv·;~ J.<svvk.~

',.~. ~~VU)wk\~-kt-

;k

~t~L., \AJ~~

\

Mv-..

I •• . , 1

,~vM

C··

~

\tU. ' ...

l~

r.· .. ," '. - .:

M"

... ,',

,~ ~ , , ' ' . y . . • - 4~'~' ';.1 .... "~ . . . -.~ •• ' • - ' : ... -~ . _ ... / . " , ' . ' , I., I

I .

I °l

r

I _ " - - I

I,.

---"+".-=--;~:-::j~-L _t._~

_

...

---• 0 . I t "L. _ _ _ _ ... ,,-' ,

\~.

I

r----~

L..-,IL-..--_-,-i-_ _ _ _ --'

-

---=~=====----~~

.~~

w ..

_,1._1", -

~~(.~~li11

_ _ ·I111I:11 ••

IoII.~.1

_11I1:II •• IIII.lIItz_.'III· _.'IIiIIll'MWlilk.lliL'illiU_I.··iII'dIól·ZIiJ

. " _ _

Tlijijll7~11II._·

.'llIIIItii·_UIIUIIIOIIl'illiliillTIIII r_"Ii1UIiI' ... ' ... liI· _I ,,'011111"'10<1·1

,~

'---'---\-fl,~._. --,...i~~-l-

.U.;;, ..

-~~_. ~

... , ··." .. ,.";.\'0 ... , " - _ ... ' ' ' ... 3 . 1 1 . _ ' . _ , O l . - , ... _ , ,

-"~.r

-_. --

---'1

6-:"-~-

,,"1,u.,.,? I If.'w

1

.-:

-~

-,' -

L __

:J h··';··f···

--_.-

_lL

! .' . \

~

\' . , ",... l ' ~.f.