De penicilline-produktie d.m.v. fermentatie

), I·

'.

'.

Laboratorium voor Chemische Technologie

,.

Verslag behorende bij het processchema

van

onderwerp:

d.m.v. farm<2ntatia .

','

.

'.:-". ... ,

,'(.:

'.

.

,

"

..

' ~:

.

;, i ", " , i

.

..

,,'

.

,

-. '\""

.

, .' ., .... ~ ~.

.

~.,. ,C" I" ~, '-'\ ',"" • -j"; .. ~: t I ' _ ' ... .,... "lr\.

",

.

t,

..

,'. '. -," ~"

...

i ; . " , ... ,r '~. , , " " ll, c' f " i,..·· " ~.~ , " "

.

, '1:.,-.'

"

, j ,~ "

"

l_it:.

'r ..

1':., ... , " ~ .. ' I '~ ~ t ,:'i..,. r .. -1", ';. " ' .. , ~. '.. "'. l;. ,

,

.. ;'" '\ .. '~ " • ," ~.!' .. IG. ... ' >(.1. ;," .,

,

, "~ ,',- _'.

,,'

.

.~." \

.

\. , . ~ .. ',' ,'.

"

>- .. : .... ~.;,-.. , ,', ~,

.

.'

i ... t'

FAbRIEKSVOORONTWERP .

Onderwerp: de penicilline-produktie d.m.v. fermentatie

H. de Goederen

H. Goslings F.W. Snuif

Wie geen fouten maakt, maakt gewoonlijk niets!

- -1

INLEIDING

In dit verslag van het fabrieksvoorontwerp voor het penicilline-produktieproces komen de volgende onderwerpen aan de orde:

1. historisch overzicht van de ontwikkeling van de penicillinepro -duktie

2. struktuur en werking van penicilline

3

.

beschrijving van het produktieproces

4.

kinetiek van de optredende reakties

5

.

batchfermentatie

6

.

kontinue fermentatie

7

.

opwerking van de bij de fermentatie gevormde waterige penicilline oplossing

8. werkschemats voor de diverse installaties

9

.

voorzieningen (stoom, wate~ lucht, elektriciteit) 10. kostenberekening

- 2

-HISTORISCH OVERZICHT VAN DE ONTWIKKELING VAN DE PENICILLINE PRODUKTIE

Literatuur (23)

Van de antibiotika (v. Grieks: anti=tegen, bios= leven; enkelvoud

antibioticum), die tegenwoordig toegepast worden, neemt penicilline een zeer vooraanstaande plaats in.

De ontdekker van penicilline, de Engelse arts-bakterioloog Alexander Fleming, nam in 1928 tijdens en onderzoek over de ~olonievariatie van Staphylococcus aureus (bekende etterverwekker). de bacterie-dodende

,I.

en/of remmende werking waar van een afscheidingsproduktie v~n de schimmel

Penicillium notatum (1).

Na een aantal mislukte pogingen om dit afscheidingsprodukt, penicilline genaamd, in houdbare vorm te isoleren, slaagde de Engelse onderzoekeri

Florey en Chain er omstreeks 1938 in penicilline in houdbare kristal-vorm in handen te krijgen.

Onder de invloed van de Tweede Wereldoorlog (1939-1945) werd zeer

veel aandacht aan de penicillinevervaardiging besteed; dit resulteerde in 1943 tot een produktiemethode in geroerde, beluchte tanks (diepte-kulture of submerged culture), in tegenstelling tot de oorspronkelijk

toegepaste oppervlakte-kultures. Bij de dieptekulture groeit de schimmel

in eert belucht"voedingsmed '.'~: ' bij de oppervlakte-kul ture groeit de

schimmel op het voedingsmedium, ~at niet ~elucht wordt. De diepte-kulture heeft zeer grote voordelen t.o.v. de oppervlakte-kulture: (a) ruimte--en' werkbesparend, (b) betere kontrole va.n de oms tandigheden, (c) hogere

'produktiviteit, en (d) vereenvoudigde opwerking.

De schaalvergroting van de produktie-fermentors heeft van ca. 100 1 (1943) tot ca. 200 m3 (1971) plaatsgevonden. De wereldhoeveelheid geproduceerde penicilline per jaar bedraagt ca. 2500 ton.

De prijs ontwikkelde zich van ca. f 10,- per gram (1946) tot f 130,-per kg (1966).

./

batchfermentatie blijkt oü:~ L' l c:;l,<::i'.n. 1)e voordelen van kontinue

fermentatie zijn o.m.:

a. grotere opbrengst per volume-eenheid van de fermentor b. betere warmte-economie

de nadelen zijn o.m.:

a. invloed storende mutanten groter,

b. besmet !.~ ':":~jkans groter,

c . de apruc:

t

·~ .'ord t ingewikkelder ( kontinue sterilisatie e.d.)

Op grote schaal wordt daarom de kontinue fermentatie voor penicilline

nog niet toegepast (wel bestaan er enkele bierfabrieken die m.b.v. kontinue f ermentatie opereren) .

- 'i

-2 STRUCTUUR EN WERKING VAN PENICILLINE

Li tera tuur

UJ,

(,,2)

Penicillin€ meen mengsel van organische zuren met gecompliceerde

structuur, afgescheiden door de schimmel Penicillium chrysogenum

(of notatum), en wordt gewoonlijk geïsoleerd als het natrimn-,

kalium-of calciumzout. In dit verslag wordt de fermentatieve produktie

beschreven. van ruw 'penicilline G'-K-zout. Deze soort is het

uitgangs-punt voor de hareiding (vaak langs synthetische weg) van andere

penicilline Roorten (dit is dan semisynthetische penicilline).

TTIDinste vijf types penicilline die antibiotische activiteit vertonen

zijn door fermentatieve methoden (in tegenstelling tot de boven al

genoemde semi-synthetische of geheel synthetische methoden) verkregen.

De basis struktuur is voor al deze types dezelfde:

I (CH

3

)2 -

~

HOOCCH S CH - CH - NH - CO - R I ,

N

-

CO

De groep

R

heeft verschillende strukturen voor de verschillende

penicilline-types: type G F dihydro-F K X V groep

R

CH - / , 2 \.) (benzyl) CH3-CH=CH~H2CH3 (pentenyl-2) CH2CH2CEf2CH2CH3 (n-pentyl) C 7H15 (n-heptyl) mol. gew. 334 . 312 314 342 CH

2-() (p-hydroxybenzyl)

'\ -OH 350 / ...

,

CH -0-

I

₃₅₀ 2 '\ ... (phenoxy-methyl) aktiviteit (LE./nF·) 1667 1600 1500 2300 900 900

,

/

I

fY\A'K

Opmerking: Als stanCi.aard voor de activ\tei t van penicilline is arbi trflir de aktivi tei t van; 98% zuivere penicilline G tegen staphylococcus aureus (in vitro) op 1667

Inter-nati0~ale Eenheden (I.E.) gesteld

De aktiviteiten van andere soorten zijn hieraan ~e'elat8erd .

Dus: 1 I.E.

l6~7

mg

=

0,6 x 10-9 kg pen.G (98%)

De bovengenoemde types penicilline worden tegelijkertijd in een

kul ture gevormd; de opbrengst bestaat voor het grootste deel (80%) uit penicilline G.

Door toevoeging van fenyl-azijnzuur als z.g. precursor kan de op

-brengst van penicilline G vergroot worden tenkoste van penicilline

F en

K.

In de zure vorm zijn de penicilline-types goed oplosbaar in vele O-be

-vattende organische oplosmiddelen, slecht oplosbaar in aromatische

koolwaterstoffen, zeer weinig oplosbaar in water, en onoplosbaar

in alifatische koolwaterstoffen. De alkali- eh aardalkalizouten

zijn zeer goed oplosbaar in water en onoplosbaar in de meeste or -ganische vloeistoffen. Van deze verschillen in oplosbaarheid van de zuur- en de zoutvorm wordt bij de extractie gebruik gemaakt (zie: beschrijving van het produktie-proces en opwerking) .

Verscheidene soorten penicilline G- zout zijn verkrijgbaar in kristal

-vorm; de ,bela.ngr:c;': ~/' -fOT 'ch 7,j . .j~ natriuEl-, kalium- en procaïne-::.,,::n:ici IJ:!.l:'= (deze laatste soort wordt verkregen ~oor t oevoeging van procaïne hydro -chloride ~~-diethylaminoethyl-4-amiuobenzoaat hydrochloride) aan ruw penicilline G- Na- of K-zout.

De werking van penicilline berust of de remmende invloed op de bio -synthese van het z.g. ~ucopeptidecomplex, een polymere verbinding

elie bij

'f--a~~l~?

_

S

~

.

t~

~ve

bac

terj~ëii

het belangrijks te s tevigheids -element in de celwand vertegenwoordigt.

De specificiteit van penicilline en de mogelijkheid om bij de mens

en dier een grote concentratie aan penicilline toe te later wordt

verkl aard door het feit dat bij deze levende wezens dit celwand-polymeer

tankinterieur

Fig. 3.1

-3

BESCHRIJVING VAN HET PRODUKTIE-PROCES

De bereiding van penicilline langs f ermentatieve weg begint in

het laborat~rium; een speciaal opgekweekte penicillium-stam wordt

onder aseptische of steriele condities, om 'storing' door andere

micor-organismen te voorkomen, via diverse tussen stappen vanuit

schudkol ven eon fermen tors naar een fermentor van ca. 200 m

3

(zie fig.

3.1) doorgekweekt.

Voor groei en onderhoud van zijn cellen heeft het micro-organisme

voedingsstoffen nodig om de diverse bouwstoffen te kunnen synthetiseren

die hier voor nodig zijn; de benodigde energie om deze syntheses te

kunnen uitvoeren wordt verkregen via een ingewikkeld redox-systeem,

waarbij uiteindelijk zuurstof nodig is om elektronen op te kunnen

nemen.

Het voedingsmedium bevindt zich in een waterig milieu, en bevat

voornamelijk 'corn-steep- liquor' (maisaftreksel) , lactose en/of

glucose en verscheidene zouten; tijdens de schudkolven-fase wordt

de benodigde zuurstof via diffusie door het grensvlak lucht-medium

in de vloeibare fase opgenomen; bij de fermentor-fase wordt steriele

lucht onder in de tank al of riiet via een verdeelpijp ingeblazen

en 'de zuurstof via de gas(bellen)fase naar de vloeistof overgedragen.

Vanuit de vloeistof wordt in beide gevallen zuurstof door middel

van diffusie door de celwand van het micro-organisme naar het

inwendige van de cel getransporteerd.

In de fermentors zlJn roerders (meestal van het 6-bladige

turbine-type (~ie fig. 3.1)) aangebracht, die dienen om de voedingsstoffen

(die zwaarder zijn dan water) homogeen over het gehele vat te

ver-delen en ook om de ingeblazen lucht tot kleine belletjes te verdelen.

(=

dispergeren) om zodoende het uitwisselingsoppervlak bel - vloeistof

zo groot mogelijk te maken.

Het ontwikkelde

CO

2

,

dat boven een bepaalde concentratie vergiftig is

~

7

-Het opkweken van de schimmel van laborat0ri~~-schaal tot de start

van de laatste fermentatie trap (de grote fermentor van 200m 3 )

neemt per stap (meestal 4 tot

6)

24 à

36

uur in beslag, onder om-standigheden die de myceliumgroei bevorderen. De cyclustijd in de laatste fermentor is 120

à

140 uur

(5

à

6

dagen) bij batch

fermentatie. De afscheiding van de penicilline geschiedt gedurende de

o

laatste 100 uur. De tëmperatuur wordt tussen de 20 en 30 e

ge-houden; hiervoor is warmte-afvoer nodig via koelspiralen (zie figa 3.1), daar tijdens de celgroei en vooral tijdens de produktafscheiding

watmteontwikkeling optreedt en de volume/wa~doppervlak-verhouding van de fermentors zodanig is dat koeling via de wand van het vat niet toereikend is. Bij de schudkol~.n is de. verhouding vaak zo, dat warmteverlies. gecompenseerd moet worden (daarom werken in constante temperatuur kamers).

De

pH

wordt op ca 5,5 gehouden met een fosfaatbuffer (KH

2P0₄/K2HP0₄) en zonodig automatisch bijgeregeld met loog- of zuurdosering (zie voor batchfermentatie verder hoofdstuk 5).

Bij de contunue fermentatie verloopt de startprocedure analoog aan de batch-fermentatie; zodra echter de optimale omstandigheden voor de celgroei ontstaan zijn

(pH

4,5; temperatuur 30 oe), wordt de celmassa (ook wel biomassa genoemd) met een niet al te grote

snel-heid naar een volgende grote fer~entor getransporteerd, waar de omstandigheden voor een optimale produktiesnelheid (pH 7,0;

temperatuur 20 oe) ingesteld zijn (ook kunnen er nog extra tussen-stappen ingelast worden om de grote verblijftijdsspreiding van de geroerde tank te beperken en zodoende een prop-stroom karakter te

creêren (zie voor bontinue iermentatie: hoofdstuk

6).

Bij beide methoden, batch en continu, krijgen we nu te maken met

de verwerking van de penicillinezout-biomassa-wateroplossing.

Via roterende vacuÜIDfilters wordt de biomassa opgevangen en als

af-val afgevoerd; wegens de grote zuurstofbehoefte voor afbraak of de BOD

(Biological Oxygen Demand) van de biomassa betekent de gebruikelijke

lozing op het oppervlak~e-water (waarbij ook de zee gerekend kan

worden) van dit afval een ernstige vervuiling en moet daarom, rekening houdend met de hedendaagse normen over de milieu-hygiene, ten sterkste

- 8

-De mob.v. de filtratie verkregen waterige penicillinezoutoplossing

wordt nu via een drietraps extractie met behulp van resp. butylacetaat (of amylacetaat) geconcentreerd worden; hiertoe wordt het filtraat met verdund H

2S0

₄

aangezuurd (pH. 2,5), het gevormde penicillinezuur

wordt in de

B.A.

fase opgenomen, deze fase wordt naar de volgende extractor gevoerd, waarin zuch een waterige bufferoplossing (pH

=

6,5) bevindt, het penicillinezuur gaat over naar de waterfase onder overgang naar de zoutvorm; Ea aanzuri~lg wordt de waterfase naar de derde

extractor gevoerd waar anoloog aan de eerste trap het penicilline-zuur naar de organische fase overgaat.

Na de zo verkregen 50- tot l 60-voudige concentratievergroting van de penicillin~ wordt de vloeistof m.b.v. b.v. actieve kool (norit) geklaard, na filtratie (via een roterende vacuümfilter) wordt

een in

B

.

A

.

gesuspendeerde kaliumacetaat-oplossing toegevoegd; er

vindt onmiddellijk uitkristallisatieplaats, de witte kristallen worden afgefiltreerd (via een roterend vacuüm-filter) en op het

filteruitgewassen met butanol; vervolgens worden de kristallen gedroogd (m.b.v. een banddroger, vacuümdroger, fluid-bed of droogtrommel);

we hebben nu het ru.r-penicilling G-K-zout in handen gekregen, dat als

uitgangspunt voor de bereiding van vele andere penicilline-soorten

kan dienen (zie voor opwerking verder hoofdstuk

7).

De kinetiek van de diverse optredende reakties zal in hoofdstuk

4

beschreven worden.

-

9

-4

KINETIEK

4.1 Algemeen Overzicht

De groei van microorganisman is volgens een gecompliceerd en nog gedeeltelijk onbekend patroon. Om de groei kinetisch' te kunnen beschrijven wordt daarom gebruik gemaakt van modellen die het groeibeeld macroscopisch zo nauwkeurig mogelijk dekken.

Een der eerste gebruikte modellen is die waarin de groeisnelheid van het micororganisme evenredig is met de concentratie van het microorganisme:

dC

m

dt k C

m

m

Deze vergelijking beschrijft de groei echter maar voor een beperkte tijdsduur. Door uitputting van de voedselbron, ophoping van giftige stofwisselingsprodukten zoals CO

2 en overbevolking van de culture, neemt de groeisnelheid af totdat een stationaire fase wordt bereikt.

Nonod hield rekening met de ui tputting van de voedselbron en breidde de exponentiäle basisvergelijking uit. Hij stelde:

zodat: dC m dt k m C s k<t)

~

+ C S C m

Deze vergelijking wordt de MichaelisjMenten vergelijking genoemd.

Kono en Asai

(12)

gaan ook uit van de oorspronkelijke exponentiële beschrijving mé~ar voeren een coëfficien t voor de groeiacti vi tei t,

~, in.

dC

m

dt k m ~ C m

Voor de produktvorming, vaak het doel van fermentatieprocessen,

dC --..:.2. dt

dC

k_l

~

Cm +

k2(1-~)

Cm = k3 dtm + _{k 2 Cm}

10

-steeds verschillende waarde krijgt.

I

inductiefase

~

= 0 Ir overgangsfase ~ = cp

111 exponentiële groeifase

~

1

C _mmax -Cm _C

IV

verminderde groeifase

~

Cmo en indien een constante groeifase aanwezig is ~

=

Cm waarin c

mC de overgangsconcentratie tussen fasen 111 enN, Cm max

de maximale celconcentratie en C de overgangsconcentratie tussen

mo

fasen 111 en

V.

Door de invoering van verschillende fasen is het model onhandig te

gebruiken voor berekeningen en het is juist de opzet van een model

zo eenvoudig mogelijk de realiteit zo juist mogelijk te benaderen. Constantinides e.a. (~) geven een model, waarin een le orde

. e

groei term en een 2 orde afstervingsterm het gehele fermentatie ver-loop goed beschrijft;

dC m dt b l 2 blC_m - -_b C 2 m en voor de produktvorming:

Deze vergelijking voor produktvorming, le orde in celconcentratie voor de vorming en le orde in produktconcentratie voor afbraak door hydrolyse, is bij controle met procesgegevens als beste gekozen uit een serie waarin ook modellen zijn opgenomen, waarin, volgens Lue-dekking en Piret, en ook Kono en Asai, de produktvorming afhankelijk zou zijn van de celgroei.

Daar het model volgens Constantinides niet alleen over kwalitatieve, maar vooral kwantitatieve gegevens beschikt, is het voor de berekingen in het proces voorontwerp gebruikt. In de volgm1e paragraaf wordt verder op deze fer~entatiebeschrijving ingegaan.

4.2

Kinetiek model volge'ls Cons tantinides e. a.

(2.)

In het model volgens Constantinides

:k"f;;;

_\~

\

\

dC m dt I~ __ I..~ \

zijn de waarden van parameters b slechts afhankelijk van de

temperatuur. Dit is een bewuste beperking van het aantal variabelen; andere, zoals bijvoorbeeld pH en substraatconcentratie zijn niet meegenomen. Door juiste keuze van de parameters hoeft deze vereen-voudiging, zoals in paragraaf

4.3.

ten opzichte van de substraat -concentratie is aangetoond, maar een klein~ afwijking in1te houden van het geval wanneer hiermeew~~ rekening gehouden zou zijn.

Gevonden is dat voor

30

°c

de celgroei maximaal i s . De waarde van de parameters b

1 en b2 is bij deze temperatuur ook maximaal gekozen.

De vaarde van b

l en b2 als functie van de temperatuur is:

,05468 (1-,002 (t-30)2)

bl

=

3600

(1-,005 (25-30)2)

o

De penicillinesynthese is optimaal bij

20

C. De waardè van b

3

bereikt bij deze temperatuur een maximum, volgens de volgende

.- , - - ( ;

2

l~pt;(I~

!

b

=

1400(1-,005(t-

'

0)2 )

-

-3

3600(1-,005(25-20)2)

vergelijking

s~c

J

De temperatuurinvloed op de hydrolyse is volgens een Arrhenius-relatie:

- 12

-op: het traject tussen 20 en 30

°c

met een factor twee.

Wanneer door daling van de temperatuur de waarde van b

2 ~

0. kleiner zou worden dan cm' dan zou dt kleiner worden dan

" _{nul. In zijn optimalisatie stelt Constnatinides de celgroei}

t2

~t~ gelijk aan nul indien dit het geval zou zijn. Dit heeft de

, / ,1-'

~~ C ~.physische betekenis dat de celconcentratie zich op bepaald

:

'

;)

/'

J~~~

____

bereikt niveau kan handhaven,

oo~

al zakt de temperatuur be

-~~v- ~~) neden een bepaalde waarde, zodanlg dat indien die temperatuur

oy

constant aanwezig geweest was, dat bepaalde concentratieniveau

niet gehaald zou worden.

Voorbeelden van het gebruik van de bovenstaande formules zijn

getoond in fie .

4.1

waarin Constantinides zijn model vergelijkt

met procesgegevens.

De optimalisatie van de batchtemperatuur ten opzichte van de

pro-duktvorming staat in fig.

4.2.

Het temperatuurprofiel kan als

volgt worden verklaard: in het begin der fermentatie is de tem

-peratuur en de celgroei hoog, om later wanneer een voor

produkt-vorming gewenste hoge celconcentratie is berèikt, te kunnen dalen

tot lagere wa~rden waar b

3

groter wordt en b

4

kleiner, zodat een

hoge produkt concentratie kan worden bereikt tijdens de fermentatie.

4.3

Substraatverbruik

Belangrijk is te weten hoeveel substraat benodigd is tijdens de

f ermentatie. Wordt het substraat gebruikt voor de celopbouw en de

energie bij de celopbouw dan noemt men het substraat gebruik

volledig geassocieerd. Stelt men dat van één kg substraat Y kg

biomassa gevormd kan worden dan is:

=

Y (Co _ C )

s s

voor glucose, de belangrijkste bouwsteen in het door ons gebruikte

~ 2.~---+---+---4----~--+---+---~---r---r--, -:l.

li

_.... lil i:J :.; 1.5-o _z: a 3

B

,

t.

... I-~

I-~

_O. z:

8

Gl

u + ModollF I. + I + + + ₊ + 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 O.El 0.9 1.0 TIME - (NONOI~EN5[ONAL)

Fig. 4.1 J

r

.ot: z

I

0 ... lil z I.J

1

:r: _{1 •}

....

; 0

j

z 0 z ~ >-_u 1.

ë5

I-0 n. z: ~ ... _O. .J

i

.J ...

_I

u :z: I w I n.

1

1 1 I I 1 I I I 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 0.9 !.O

TCME - (NO~Dr HENS r ()\IF,U

Fig. 4.1

-2.0 JO TEMPERATURE Z 2 In 1.5 z w :i Ö 25 t z 0 I :; W , Ol: In 1.0 :J W >-..J

"

Cl 0: ~ W a: Q. '" 20 ::I > w W I-I- 0,5

'"

l -vo 0.0 15 0,0 0.1 0.2 O.J 0.4 0,5 O.G 0.7 0,8 0.9 1.0 TIME -(NONOIMENSIONAL) Fig. 4.2 7 T 220 hr

t

C m 40 kg/m

3

c m C ~ _{104 LE./ml} C P

dCm

dt

Fig.

4.3

Fig.

4.4

4·4

13

-Een vraag is nu hoeveel glucose nog verbruikt zou worden wanneer geen netto célgroei meer optreedt. Wancbij netto celgroei nul, groeit het mycelium nog wel en zou nog glucose benodigd zijn. Een gelijke hoveelheid mycelium ontstaan door groei verdwijnt op dat punt ook weer door autolyse. Bij de autolyse komen dan zeer voedzame afvalprodukten vrij als substraat voor het overgebleven gezonde mycelium. In de l i teratuur

(lA)

wordt dan ook aangenom~n dat Y glucose tijdens de gehele fermentatie constant blijft.

Voor de verbranding van de consumeerbare autolyse produkten blijft dan wel zuurstof nodig.

Nadere beschouwing Michaelis-Menten met Constantinides-model

Een betere vergelijking van de Michaelis-Menten uitdrukking voor de groeisnelheià en het model volgens Constantinides is in

te zien indien de Michaelis-Menten vergelijking op een andere manier wordt gesc~reven:

Stel C s dC m dt C m C _s

+

~ " • C 2.

-

B~

m Vergelijking a is in figuur

4.1

: : :-: :-nd

.

---

~

~ 'P

_

~?'L0

'

\ \J

r\<)Jv--

çJ~d{r

Het is nu mogelijk a te benaderen

zoals Constantinides, figuur

4.4,

,)1..;.--.~

l};J.4!.·j

v

O-

F

,.~

,.;;) ,J;

met een parabolische functie ~

Jvv-'(

1.

door juiste keuze van bI en

b

2• Belangrijk is nu dat a voor hoge celconcentraties, overbe-volking met eventueel uitputting op microschaal en toxische metabolismeproducten, niet meer juist is en de celgroei daar minder is; Dit houdt in dat a steeds meer de benadering van Con-stantinides nadert. '

-' 14

-5

BA'l'CH FEffi'IENTATIE

501 Inleiding

In dit hoofdstuk zullen de volgende onderwerpen aan de orde komen:

(a) geometrie ferElentor en regelapparatuur

(b) fermentatie-omstandigheden

(c) model van fermentor

(d) m.b.v. com)uter (CPS-terminal) berekende uitkomsten van model

(e) aanbevelingen

502 Geometrie fermentor en regelapparatuur

.I

De keuze voor de afmetingen van de diverse onderdelen van de

fermentor en van de fermentor zelf geschiedt op grond van de

volgende overwegingen:

10 de beluchte inhoud van de fermentor is 200 m3 ; de totale

inhoud is 240 m3 . .

.

~~

.

~

<= "

L~

2.

~~amete

'

;--;-:a~-h~~te

/

~a~t~h~~ing

'}

'

~

:

Vz

Odát

de hoogte 12··m ·is>l:.-...

~

~~4

'

L

...

-~.

'-'::-;/'""

3. het aantal roerders is 1,2 of 3;~het type is een 6-bladige

turbineroerder; de roerders zijn op as ge~onteerd

4. de roerderafmetingen en -af standen zijn 'in fig. 5.1

aan-gegeven . f l ( ~.,...</1..(;, J 7

5. de koelspiraal heeft een windingdiameter van 4,5, heeft

25 ~indingen en een diameter van 15 cm (de spiraal wordt

ondersteund door de':

baffle~')

loodr~ch~ op de 'tland vinden zich 4 keerschotten ("baffles")

met een breedte van 50 cm (0,1 x vatdiameter)

de

wanddikte wordt in 3 segmenten (van boven af) resp. 8

10 en 12 ~T. gekozen (vat berekend op hydrostatische druk

'vermeerderd met 1 ato voor sterilisatie met 1 ato-stoom)

8. de lucht wordt door pijpen onder roerders geblazen.

. ......

,

lucht E N

....

E It) N' E M E M E It)

....

~

--

..

---~.J/'!'II _.~

-

-.

--.

.-

.

.1-0.

0

---

.

-

---;--

-.-.

--a

.

-.

3 [ } : = 5

-I

I

O~5 I-I---~ 5 m - -_____ 1

Fig,

_5.1

Afmetingen fermentor

plaatsing van Me roerders:

1 roerder

₃

2 roerders lf

3

15

-De regelapvartuur die direct bij de fermentor hoort is in fig. 5.2 aangegeven, van belang zijn de volgende regelsystemen:

10 anti-schuimcontrole met LC-kring ("level-controller")

2. luchtdebietregeling met FRC-kringen ("flow-recorder-ccmtroller")

3.

temperatuurregeling TRC-kring ~'te~perature-recorder-controlle:)

4.

drukregeling Iilet PC-kring ("pressure-controller")

5. toerentalregeling met YRC-kring ("oxygen-recorder-controller")

6-

pH-regeling met XRC-kring ("pH-recorder-controller")

Opmerking: de geometrie van de kleinere fermentors, waarin het ent-materiaal voor de daaropvolgende fermentor wordt gekweekt is analoog aan die van de produktiefermentor; het verband tussen de verschillende groottes van de fermentor + toebehoren is gelegen

in het "scale-up" / volume~eenheid.

kriterium van constant toegevoerd roervermogen

5,3 Fermentatie omstandigheden

Zodra de vorige lading uit de f~rmentor naar de filtratie is ver-dwenen Hordt het geconcentreerde voedingsmedium dat in een andere kleinere tank is bereid naar de fermentor gepompt; de verdunning

tot 160 m3 zal geschieden doordat de stoom die voor de sterilisatie nodig is, via de beluchtingspijpen wordt ingeblazen,condenseert; de .stoom kan---o-o-k--vi-a- deiroei--.... spiitaal toegeV'Oerd worden. De sterili-satie temperatuur is 120 °C; de sterilisatietijd is ca 2 uur; de

hiervoor benodigde stoomdruk is 1 atol bovenin de ferment or wordt

een geringe overdruk van max. 0,1 ato gehandhaafd (zie 5.2)

Na de sterilisatie wordt het voedingsmedium m.b.v. de koelspiraal

afgekoeld; als de temperatuur 30

°c

is geworden, wordt geänt met de inhoud van de voorgaande fermentor van 30

m~;

deze is

3

geënt met de inhoud van de daar aan voorafgaande fermento:c van 3m ; deze met een van 0,3

m

3,

verder hiervoor wordt op

laboratorium-schaal gewerkt.

De biomassaconcentratie is na het enten ca 5 kg/m3, berekend op

drooggewiC'ht-basis. Aan het bESlag wordt nu gesteriliseerde lucht toegevoerd, die ·door de roerder(s) gedispergeerd wordt; het

be-c ,,"

."'"

stoom

('yJ Cl.. •

,...--

.,

lucht

filt<zr

koelwater in

of

kondensaat uit

stoom

anti

schuim

-

-

<..---

-

.

r---

---.,

<znt

... ...

uitlaat

r--,

I

zuur

loog

,

,

I I I L - - - t

stoom

In

--+--

of

wat<zr uit

-

- ' >

----

- >

monster

nam<z

pH-regeling

_ _ _ _ _ _ _ J

aftap

I

Fig.

5.2

schema fermentor

3

luchte volume wordt dan 200 ru (berekend ~et de in dit ontwerp aangehouden waarde voor de "hold-up" VEm 0,2). Voor de berekening van de fil ters voor de luchts terilisatie I·/Ord t naar hoofdstuk 9 verwezen.

o

De pH wordt op 4,5 gebr~cht en de temperatuur op 28 C gehouden gedurende 60 uur, dan wordt in de loop van de volgende 20 uur

o

de pH op 6,8 en de temperatuur op 20 C gebracht; deze toestand wordt dan nog 60 Ul.l.r voortgezet.

De roersnelheid is 90 oI!lw. /min.

(=

1,5 omVI,/sec.); de tipsnelheid is dan ca 10 m/sec en dit is een volrloende lage waarde om geen beschadiging te krijgen (beschadiging betekent produktie-verlies).

Na 140 uur fermenteren bedraagt de biomassa-concentratie 40 kg/rr.

3 .

Het voedingsmediu.m, dat bestaat uit b.v. 8% corn-steep-liquor, 8% glucose (dit wordt tijdens de fermentatie geleidelijk toege -voerd omdat toevoeging ineens de pH teveel zou verlagen i~v,m, de gemakkelij k afbreekbaarhej,d van glucose tot pyrodnü vezuur) , 0,4% KH

2P04, en 1% CaC0

3

,

Ook is tijdens de f ermentatie (na 48 uur) geleidelijk een hoe-veelheid fenylazijnzuur als "precursor" toegediend om de op-brengst aan penicilline G te vergroten (zie hoofdstuk 2).

Anti-schuimmiddel Doet regelmatig worden gedoseerd omdat bij een penicilline-kweek overmatige schuimvorming optreedt, die bij ontwijken uit de fermentor (door luchtafvoer) problemen geeft.

Na 140 uur fermenteren zlJn ca 10.000 IE/ml beslag aan penicilline G ontstaan (2,10), d.w.z. er is ca. 1000 kg. penicilline gevormd.

Na deze fermentatie-stap in het proces volgt de opwerkings-stap, hiervoor wordt naar hoofdstuk

7

verwezen.

- 17

-Het minimaal benodigde luchtdebiet voor CO

2-uitdrijving

De lucht dient ten eerste voor de "ademhaling" van het micro-organisme en ten tweede voor de opname van CO

2 dat vanui t het

micro-organisme in de vloeistof terecht is gekomen. Uit gegevens

uit de literat~ur

(1)

blijkt dat de maxiuaal toegestane CO 2

-concentratie

4

vol

%

in de uiteebIazen lucht ~ag zijn, om zodoende

de concentratie van CO

2 in de vloeistof niet v&giftig hoog te

laten oplopen; deze koppeling tussen vloeistof- en gasfase CO 2

-concentratio is aariwezig via de Henry-kQ~fficient . De berekening

van ~et luchtdebiet verloopt nu als volgt: er kan gesteld worden

déd voor elk molekuul 02 dat ui t een luchtbel naar de vloeistof

verdwijnt, er een molekuul CO

2 vanuit de vloeistof naar deze

luchtbel wordt getransporteerd.

'voTe nemen aan dat glucose de groei-limiterende component van de

voedingsstoffen is. De helft van de glucose wordt voor cel-opbouw

gebruikt en de a~dere helft voor energie-voorziening, d.w.z.

Y

sm kg biomassa/kg glucose 0,5·

De oxidatie-reactie van glucose is. als volgt:

C6H12 06 +

6°

2-+ 6 CO2 + 6H2 0 moli>gew. C 6H1206 d.w.z.: kg glucose/kg zuurstof 6 1

°

mo .gew. 2 180 192 0,94

Omdat Y = 0,5 kan men aannemen dat de helft van de glucose voor sm

Y os

celgroei gebruikt wordt (dit is aannemelijk omdat de

verbrandings-waarde van celmateriaal ongeveer gelijk is aan die van glucose en men het gewicht van de overige voedingsstoffen kan verwaarlozen). D.w.z. er wordt dan 2.0,94

=

1,88 kg glucose/kg zuurstof verbruikt.

Nu is kg biomassa/kg zuurstof

=

Y Y . Y IJ

1r:;..

7. om sm os ~,

C

/

.Y""

"'(

d.w.z. Y d 1,88.0,5

0,94;:;:j

1 . j om ~~v 1 J dC m Dan geldt dat r

O

= Y

.

~

2 om

waarbij verbruikssnelheid zuurstof

produktiesnelheid koolzuur

~

-L •. ~ ~ '-'V"l ~ vm u).. L.., -(kg/sec.m

3 )

(kg/sec.m

3

)

van C tegen de tijd is in fig

5.3

weergegeven.

40

20

5

o

~~--~--~--~--~--~--~---o

40

80

120

---____J
_ _

tijd (hr)

Fig.

5.3

.

biomassa-koncentratie (drooggewicht) als funktie van

- 18

-De maximale w~arde voor

dC m

dt waarin wij geinteresseerd zijn

i.v.m. de maximale waarde van r

O wordt gevonden uit de

richtingscoeffici ent in het

buig~unt

van de curve van fig.

5.3

deze i s

,5

kg/hr.m3

=

1,40.10- 4 kg/sec.m

3

=

-5

/

3

=0,437.10 kmol sec.m

Aan de hand van de eis dat het CO

2-gehalte in de uitgeblazen

lucht niet hoger dan

4

vol

%

mag zijn, kunnen we zeggen:

1 m3 lucht-bevat 0,04 m3 CO

2

=

0,08 kg CO2; de CO2-concentratie

in de luchtbel is dus bij uittrede uit de vloeistof 0,08 kg/m

3

lucht; de concentratie van CO

2 in de luchtbel bij intrede wordt

gesteld op 0,02 kg/m 3 (gest eld dat lUcht 1% CO

2) bevat. v.le

berekenen nu het luchtdebiet als volgt:

r

CO

.v

2

waarbij :

~

=

luchtdebiet

(ci

3

/sec)

v

6C

CO = de t oerlame van de CO2-concentratie in de lucht

-2 bellen (kg/m

3 )

V volume van de fermentor inhoud

(m

3 )

rf.. ~ - -2

3

-

/

3

Yv

=

200 - 0,32.10 m lucht sec.m

~

0,2 m

3

lucht /min.m

3

beslag

beslag

=

Bij deze berekening is de vlic'_arde van de hold-up (van 0,2)

nog niet in beschouwing genomen , het is nl. zo, dat de over

-dracht van CO

2 uit de vloeistof naar de luchtbellen alleen

effectief is wanneer de hold-up zo hoog mogelijk is; deze

hoge hold-up wordt all~en bij e~n relatief hoog l uchtdebiet

gehaald

(7),

zodat wij in dit ontwerp een debiet van 0,8 m

3

lucht/min.m

3

beslag al s werkwaard.e aanhouden.

De maximale hoeveel h d warmte die per tijdseenheid afgevoerd

moet worden

Deze wordt voor d.e celgroei uit de verbrandingswarmte van de per

--

1

9

-brandingswarmte van glucose bedr20aGt

673

kcal/mol, dat kC>nlt overeen

met

3740

kcal/kg. Aan glucose wordt maximaal 1 kg/hr.m

3

verbruikt, dus hiervan "lord t echter de helft voor "verbranding" gebruikt, dus er Horden

over de

160

m

3 90

kcal/sec

ontwi~keldo

Indien we de soortelijke Harmte

van het beslag op 1,5.10

3

kcal/m

3 •

oC stellen, dan neemt de temperatuur

als we niet zouden koelen met

1,3

°C/hr toe; tijdens de produktie

van penicilline is dit driemaal zoveel (aanname) d.w.z.

3,9

oe/hr.

r---

-De berekening van de koelspiraal wordt in hoofdstuk

9

gegeven.

De vermogensinbreng door de roerder en het specifieke onpervlak van

de luchtbellen

Voor de roerdersnelheid wordt een toerental V8.n 90 omw/min

=

1,5 omw/sec

aangehouden~ Voor een zes-bladige turbineroerder is de afschuifsnelheid

dan 10 maal di t toerental (oruw/ sec), d. w.

z

_

~

_

6'

= 15 sec -1. Deze

.raarde is van belang omdat het schiJIlJnel beslag niet-Newtons van

rheologie-gedrag blijkt te zijn en dat zodoende het voor het

uit-rekenen van de vermogens inbreng ("power-input") benodigde

Reynolds-getal met behulp van de schijnbare viscositeit,~ a' bij die

afschuif-snelheid, berekend moet worden.

Door Bongenaar

(12)

zijn viscositeitsmetingen aan een

penicilline-beslag gedaó.n, ui t deze metingen volgt dat de viscosi tei t van het

beslag bijna lineair met de tijd toeneemt en dat hij

t=

15 sec-l

rt

a 2500 c Poise

2,5 Ns/m2,

na ca.

120

uur fermenteren (daarna neemt de viscositeit af door

(vermoedelijk) autolyse van de schimmelcellen).

Voor de power-input geldt bij onbelucht roeren voor ~~n roerder

waarbij: P = power-input (J/sec)

p.= vermogenskental

0

(kg/m

3 )

p dichtheid van het be.slag

N = toerer.tal roerder (sec-I)

D := diameter van de roerder

(m)

- 20

-Voor belucht roeren geldt dat het vermogen met een [acotr 2 daalt; voor

twee roerders op één as stijgt het vermogen met eenfaktor

V2,

en voor / I

( drie beluch'te roerders daalt het :vermogen t, o',v. e8"" beluchte roerder ) met een faktor

V3

(aanname)

(I):'

·

Het vermogenskent~l is een directe functie van het Reynoldsgetal

,~ ,

, \ "iJ-"--\.j",,"(ziefigo 5.4)

~

~.r-~

_I(v-r'

,\)';"'1I'{~

,

'tJit;l

voor

het Re-getal geldt: Re

pND 2 r ( \,?\\ , .J..J~ I I) ,

"

\""

nu is

P

1060 kg/m 3 (praktijkwa3,rde voor schimmelbeslag)

N D r

I(

a

dus Re l,S of'Jw/sec 2 m 2 2,5 Ns/m 1060 • 1 , 5

-~

( 2 ) 2 2,5 2550

Hieruit volgt uit fig. 5.4 een P van 5;

o Voor één roerder geldt dan:

onbelucht: P

l

=

Po p

N

3 Dr 5

=

5.1060.(1,5)3.(2)5 belucht P_I

'=

PI/2

=

286 kW

Voor twee roerders geldt dan:

286 200 belucht: P , = p

'V2

= 403 kW 2

'3

I

3

d.w.z. P 2'/m

=

2,5 kW/m 572 kW

Voor de berekening van het specifieke oppervlak gaan we uit van de

vermogens inbreng door één roerder, want het blijkt dat in hoog-viskeuze

fermentatievloeistoffen een sterke coalescentie van de luchtbellen optreedt en dat deze bellen bijna niet meer te dispergeren zijn, omdat ze langs de roerder gaan; alleen de luchtbellen die er

vlak onder geblazen _{\.rorden s worden goed} gedispergeerd.

Uit fig. 5.5 voJgt dat voor een vermogens inbreng van 1,4 kwjm 3 een

speci-fiek opper\Tlak A van 300 m2/m 3 voor luchtbellen geeft (de graf jek geldt voor water- in de praktijk zç..l A wel iets lager zijn).

)

Tezamen met een hold-up H van 0,2 geeft dit een gemiddelde

100.-~----~---.---.---~---~

10

-5

1

01

Fig.

5.4

-

--

--1

10

100

1000

10000

P als funktie van Reynoldsgetal (voor zes-bladige turhineroerder)

o

3

3.10

2

3.10

A

Fig.

5.5

2

3.10

.

, ;_1 IJ

3

3.10

specifiek oppervlak A voor de specifieke (W/m

3 )

(voor water). - --- .- -... .

db

6

_A

H

6 ₃₀₀ . 0,2

5.4

Model van de fermentor

5.4.1

Inleiding

- 21

--2

0,4.10

m

.Teneinde de effectiviteit van de zuurstofoverdracht"in de fermentor

beter te kunnen voorspellen en tevens het effect van twee

of

drie r-Q,~E~ê1?gj

(al of niet belucht) op de zilurstofoverdracht te bekijken werd een

model opgesteld voor de fermontor (in feite een uitbreiding voor het

model zoals dat door Metz et al

(ll)

opgesteld is) .

M

.b.

v

.

de'

computer (CPS-terminal) wordt bet model doorgerekend.

Er zijn hierbij een aantal aannB.men gedaan, die bij gebrek aan

prak-tijkgegevens de kwantitatieve geldigheid van het model sterk beperken;

ons in'iens is echter wel een redeli~k juist kwalitatief beeld van de verschijnselen in de fermentor gegeven.

In het model is de fermentor in vier -compartimenten ve~deeld met

resp. volume

VI'

V

2,

V

₃

en V

₄

;

de uitwisselings-stromen tussen d.e ver

-schillende compartimenten zijn resp. ~ ., ~ ,en ~ gesteld (zie fig.

e . e e

5.6).

fu

grootte van dé

uitwisselings-s~rome~

is

dir~ct

gekoppeld .

aan de pompcapaciteit van de roerders. Bij het gebruik van twee be -luchte roerders zijn deze ~n de compartimenten 2 en

4

opgesteld, hier vindt dan hoofdzakelijk de stofoverdracht plaats omdat de bell~n hier

nog klein zijn en daarom een relatief groot grensvlak met de vloeistof

hebben. In de compartimenten 1 en

3

is de bellendianetcr van een

dus-danige uniforme grootte aangenomen dat het effect op de stofoverdracht

klein is (bellenzuii)o

Rij het · toepasSEm van drie beluchte roerders in de compartimenten

2,3 en

4

is dEar de stofoverdracht het best; compartiment 1 gedraagt

zich als een bellenzuil.ln alle gevallen is de Denging van de .

vloei-stoffase idea~l gedacht. De biomassa wordt verdeeld gedacht in bolvormige

vlokken van een ~niforme diameter, waarbij zuurstof-diffusie-limitering

-I

...

<PI

uit

' h o '

V1

~e1

'

•

<Pe1

G

-El

v

₂

<Pe

2

IW i'

<Pe

₂

v3

<Pe3 '

~

<Pe

₃

G

-El

'

V

₄

(a) Fig.

5.6

Ferrnentor model

(a) twee-roerder model

(b)

=

drie-roerder model

4>1

uit

V1

<Pe1

Ir

cp

....

G

-E1

V

2

<Pe

2

r

<Pe

₂

G

-El

V

3

<Pe3

~

<Pe

₃

10'

.

,..

[3-

_-EJ

~

V

4

(b)

-- ?2

-De vlokdiameter is in de ger6erde com~~rtimeIlten 2 maal zo klein als

die in de niet-geroerde co~partimenten, omdat dhur de afschuifkrachten

kleiner zijn dan die in de geroerde cOlnpartimenten. Bij toeneming van

de biomassa wordt de diameter van de vlokken niet groter, het aantal

weL. Er zijn nu een aantal vergelijkingen op te stellen voor het model,

dat door de massabalansen voor de zuurstof over de diverse

compartimen-ten gegeven wordt, Haarbij hangenomen \lord t dat de reaktie voor zuurstof

nulde orde is, d.w.z. de verbruikssnelheid van zuuTs±of is onafhankelijk

van zijn concentratie.

5

.

4.3.1

De vergelijkingen v~~or de 'vlok

"-Voor dezuurstofoverdracht naar de vlok geldt {zie fig.

5.7):

hierin

c R v

is:

diffusiecoëfficiënt voor zuurstof in de v]:ok (rn2 /f:1ec)

zuurstofconcentratie in de vlok (kg/m

3 )

zuurstofverbruik per m

3

vlok (kg/sec/rn

3 )

(1)

R

o

=

de straal, waÄr c

=

0 geworden tengevolge van de de

zuur-stofverbruiksreaktie (of

R - R

=

de indringdiepte van de

o

zuurstof)

Vergelijking

(1)

kan worden opgelost met als randvoorwaarde c

=

d

s

ê

,>"; als r ==

~

(c = de zuurstofc::mcen tra tie op de rand van de vlok):

~.J":I ~/_. - /~ s o

J

'

~~~?1

V

c

Rf

~

4.lN'

v

C

'

l,.r'"

-

Cs i" ',.{' I . . '

~

<. v ~Y'

/.YIl;,

V 1 ( 2 2 -

_3])

-~\ r - R )

+

R -2 0 _

r-, 1\i\J ,,_

~Y"

In dimensieloze vorm geschreven geeft

(2):

\

'Y

'

~11J

j'

'~\;v!j I~ :/I'"~ c

1

~

~~J)t~

t)

o

\~-

('\

~J VI \ \<"'0 ' • 11 De

C1"

2.:=

1

+

Rv

R2

[.1..

{(!.)2 _ 1

1

-

+

(Ro/{(!.)_l

c 3IDc 2 R

J

R R S s 2 R R . v

dimensieloze groep wordt

B

genoemd . }ITic

\ \ J I / / / l , / Fig.

5

.7

model-vl ok

7

-

23

-Uit

(3)

volgt:

~k

Indien B

=

2 dan R

o

°

en C

=

0, d.,v.z. de vlok wordt niet geh~l van zuurstof voorzien. Als B). 2 dan 1dordt R "-. 0, d.w.zo een gedeelte

. 07

van de vlok woidt niet meer 'door de zuurstof bereikt.

Het totale transport naar de vlok wordt gegeven door:

~m

v

waarin:

~m de massastroom van zuurstof uit de vloeistof naar de vlok.

v

Indien de gehele volk zuurstof zou ontvangen dan .is

~m

v

We kunnen nu de benuttingsgraad

(Z)

van de zuurstof aangeven door veE-gelijking

(4)

door

(

5

)

de delen, d.w.z. :

R

3 -

R

~

R

3

z

3

0 1 - ( RO) (

6)

R

De groep

B

is juist de verhouding tussen het totale zuurstofverbruik

in de vlok als

R

=

°

(vgl.

5)

en het ideale zuurstof transport naar

o

de vlok.

Het ideale zuurstof transport naar de vlok is:

~

m

v

,

3

Cs 2 (we vinden dan B

=

R

o

4/3

n.R

/E

.

--R o4noR = v .

)

De groep B heeft een directe invloed op Z.

Uit vgl.

(3)

kan Een verband tussen B en Z gevonden worden,nl. door invullpn van de randvoorwaarden C

=

°

voor r ~ R~. Hieruit volgt dat:

B

2/3

- 24

-Opmerking: Vgl. (8) geldt voor B '~ 2; als 0 ~. B

<

2 dan Z heeft evenaJs Z

<

0 geen fysische betekenis

1;

B

"

0

I n fig. 5.8 18 Z . a s 1 functie van 100 B weergegeven

(2

00 B is

uitgezet om een beter bruikbare grafiek te krijgen).

5.4.3 ...

1-

De vergelijkingen voor de zllurs tofoverdracht van de luchtbellen naar

~e vl~eistof en de ui t\·!

i

sseling van zuurstof via de tÜ tvJi8selingsstromen

tussen de compartimEnten

Z~e fig. 506 voor de indeling van de compartimenten; voor compartiment

1 t/m 4 gelden de volgende vergelijkingen voor de zuurstofbalans }6e

KlAl(C*l

-

C

)

1

- C

)

(9)

voor 1:

₊

_{VeCl. Zl}

_°it

_'1

1 1 _{}6l 2} 11 }6e e K 2A2(c JE 2

- C

)

- l e c _. C )

+

2 - C- ) (10) voor 2: ₁

₊

_{Y-(C 1} Z".r 2 V2 11 12 L2 L }6e }62 _e 3 z voor _{3: K3A3eC*3 -} C )

+

V 2(C 1 - C ) -I- r ( C 1 CL ) Z30 r (11) 13 }63 2 L3

3

4 3 e voor 4: K 4A4(C*4 - CL ) -I- -=:.2(C - C ) Z4· r (12) 4 V4 13 14

waarbij: K stofoverdrachtscoêffici~~t voor zuurstofoverdracht ui~

de luchtbellen naar de vloeistof (m/sec)

A

=

specifiek oppervlak van de

lucht

bel~en

(m2/ra 3 )

C*:: evemvichtszu:urstofconcentra tie (op het grensvlak van de

luchtbel en de vloeistof) (kg/m2)

}6 -

uitwisselingsstroom van de vloeistof (m3/ sec)

e

Z benuttingsgraad van de zuurstof

r

=

zuurstofverbruikssnelheid per m3 medium (kg/sec m3) V volume van compartiment (m 3 )

5.4.3.3 De zuurstofoverdracht van vloeistof naar de rand van de vlok

Hiervoor gelden de vplgende vergelijkingen voor de diverse comparti-menten:

z

fig. 5.8

1,0

0,5

transport naar het inwendige van een vlok (z) als funktie van de

grensvlakkoncentratie

(~),

beide dimensieloos.

~~

l'

..

~~

;y. ...

'

100

B

O~,

________________

~

__________________

~

________________

~

__________________

~

______________

~

I

I

I I

-

25

-voor 2: k_{23,2(C L}

-

C

)

_Z2·

r (lL1 ) 2 s2 voor

3

:

k

3

é:.7.

₎

(CL

₃

- C _s3

)

Z3·

r

(15)

voor

4:

k

4

a4

(c

L - C

)

=

Z40

r

(16)

4 s4

vlaa::bij: k stofoverdrachtsco~fficiänt voor de zuurstofoverdracht

van de vloeistof naar de rand vlok (m/sec )

a

=

specifiek oppervlak van vlokken (m2/m

3 )

C_L

=

zuurstofconcentratie in de vloeistoffase

(kg/m

3 )

C

=

zuurstofconcentratie op de rand van de vlok (kg/m

3

)

s

5.5

Berekeningen van het Bodel m.b.v. een cOBputerprogra~~a

\

\

Oorspronkelijk is het model bedoeld voor een fermentor met twee

roerders, de meeste berekeningen zijn dan ook hiervoor gedaan; al

spoedig bleek ech~er dat een fermentorvat met

3

roerders

waarschijn-lijk betere resultaten zou geven, ; de uitkomsten worden daarvan ook

gegeven. De invloed\ van de varia tie Vé:.n de ui brisselingsstrornen

(0

_e )

de volumina

(V

)

van geroerde t.o.v. n:i,et-geroerde compartüIlenten, de

zuurGtofverbrl'..ikss!lelheid (r) op de zuurs to':concen tra tie in de

vloei-stof (CL) en op de rand va~ de vlok (Cs), de benuttingsgra~d (Z) ea

de dimensieloze ~roep (B) wordt gegeven ~oor het twee-roerders systeem.

Voor het drie-roerders systeem dat gemakkelijk uit het tweB-roerders

systeem geha3ld kan worden door enkele randvoorwaarden te veranderen,

word t de invloed van de '.'é~riatie van de zuurstofverbruikssnelheid (r)

op de diverse bovengenofJmde grootheden gegeven.

5

.5.2.i

Het principe van het CO!11pv.ter-prograrnma

De verg

₂

lijkingen

(9)

t/m (H~ 'Iorden met de 4 vergelijkingen voor B

=

&dL

_}IDC (VOOI' de 4

corrl

~

D

a~.J..+.l·~ne'1

. ' l

·

ten)

m.b.v. d. e rO"""p'·lter (CPS~.u C -te""·"l·na_ l . . . . 1 \; ~

-

26

-1 B

.

2/3

-z

-

3/2(1

- Z)

+

3/2

te lineariseren, dit wordt als volgt gedaan:

B "/ 20 r ] S,64/B LJ B

>

6,25 Z 3,63/B + 0,25 B

:>2

z

0,5/B + 0,75 B

'>

°

Z 1 (17) (IS)

(19)

(20)

Opmerking: Ook zijn er vergelijkingen voor Z als functie van B, nl.

voor elk compartiment 66n.

We hebben nu dus 16 vergelijkingen met 16 onbekenden n.l .

a.

_{CL ' CL}

_{' CL}

_'

_CL

bo

C

1

C

2

C

3

C

4

-

s ' co ' S ' _s4

z

1 "'2 3 c. 1 ' Z2

,

Z3 ' Z4 d.

_B

_I

,

B 2

,

B3

,

B4

De volgende randvoorwaarden moet en worden ingezet:

e. Kl

,

K 2

,

K3

,

K4

-f. Al

,

Ar, L

,

Az ")

,

A4 g.

₀

e '

~e

'

0

e '

~e

-h. r tR v81 g t

~ier ~ire

c

t

uit, zie ·hieronder)

v i . _Rl R 2 R3 R4 jo ]l \

-k. _VI

,

V 2

,

v~

,

V~

-I.

_C

..: _{l '}

_C

*

_2'

_C

_3'

_C

₄

-Ui t vgl. (13) t/m (16) worden resp. C 't/m C met de vergelijkingen

SI s

4

van

B

=

1

enz. geälimineerd; voor de compartimenten 2 en 4

wordt als startwaarden van resp.B

2 en B4 voor het te doorlopen

com-puterprogramm3, de ",aarde 2 genomen (Z2 en Z4 zijn dan 1) en voor de

compartimenten 1 en

3

wordt als startwaarde voor resp BI en B3 de voor

-

27

-In de zo verkregen nieu\,e -J"ergelijkingen voor (21) t/ru (24) wordt Zl t/m Z4 expliciet geschreven. Dan worden met deze vergelijkingen

Zl t/m Z 4 ui t de vergelijkingen

(9)

t/ru

(12)

geëlimine erd. \.Je bebben dan 4

vergelijkingen met 4 onbekenden, nl. CL t/m CL ' verkregen. Het

com·-puter programma start met het

opl~ssen

~

a

n

deze4vergelijkingen en

b8-rekent d'~ls de wacrden CL t/m CL 0 1'1. b.v. deze waarden worden 2

1 t/m . Z4 berekend uj.t de

oorsp~onkelij~e va:'~gelijkingen

(9)

t/m

(12).

Hier-ui tHorden

C

t/m

C

berekend met de vergel ijl:ingen

(13)

t./m

(16);

s s

uit de zo

ver~regen

C

4

s

t d 10 Ok ° 1

me e verge lJ lng:

t/m Cs 4 w;3.arden \,orden dan El t/m B4 berekend

B

₁

=

R R 2 v 1

}DC

sl

Met deze waarden van El tAn B4 worden de startwaarden, d.w.z. de keuze

uit de vergelijking

(17)

t /m (20), gecontroleerd en zonodig veranderd; indien nu tenslotte voor de waarden van CL t/m CL tweemaal achter'een

dezelfde waarden

~rorden

gevonden is de

ber~kening ~oltooid

en worden de

eindwaarden uitgevoerd.

(zie voor het bijgevoegde programma: Appendix

r)

505.2.2 Berekening van de jongezette randvoor"raarden

Voor starre bellen met een beweeglijk grensvlak geldt:

1. .l.

2 2

Sh

1,13

(R

e)

(sc)

of

K

waarin: v bellensnelheid t.o.v. het

1. 1. 2 2

1,13

JO

v

1 d -2 b medium (m/sec) db bellendiameter

(m)

D diffusiecoëfficiënt van zuurstof in medium (m2/sec) In compartimenten 2 en 4:

. -2 2

v = 10 (aanname), db 0,4.10- (zie 5"304) sn])

(medium als "rater beschouwd).

-9

2.10

4

- 28

-d.w.z.

In

com

par

ti:nenb

~n

1 en 3: v = 30010-2 (aanname), db

en ID = 2010-

9 ,

dow.z.! 10-1 (aanname) In In K

3

1,13 compartimenten :::; compart:i.menten 1 en 4: en 3

In compartimenten 2 en

4

In co~partimenten l e n

3

11.2 = A4 geldt: Al

. Specifieke oppervlakken al t/m a 4

- - _

.

_ -

-

- - - -

-=

--4 /

1,2010 m sec 300

m

2

In?

7- (zie 5.3.4) A3 -6H .- 600,2 = 12 db _10-1 0,2010- 3 TT! (aanname) 0, 4. 10-3 m (aanna.me) m2

/m

3

We stellcm dat het beslag (medium

+

vlokken) vcor 50% ui t mediu.n en voor 50% uit natte vlokken (vlokken + :J:edium) best,iat (dit geldt op

de helft van de f ermentEltietijd). Als we aanemen dE.t de dich-theid van het

beslag 1060 kg/m 3 C-prakti jkwaarde) is, dan bestaat 1 m3 beslag uit 530 kg/m 3 ) medium en 530 kg/m 3 vlokkeno Nemen we voor de dichtheid van het

,1

3

3

medium die van water

(p

=

100vkg/m ) d2.n hebben we dus 0,53 m medium en

dus 0,47 m3 natte vlokken; de dichtheid van de natte vlokken is dan

222-

3

0,47= 1125 kg/m .

Het aantal vlokken

(p)

per m

3

beslag is nu:

P 0,47 vraarin R vlokstrè:.al [m

1

Het specifieke opperv]ak

(

a

)

van de vlokken i s dan:

0,47

A R2

3'

L+ n

4/3nR

3.0,47

-

29

-Voor com~artjmcnten 2 en 4: a2 a4 _l-L.~ -::. 7000 }I2/m3 - 3

0,2.10

Voor compartimenten

.

en

3.

:

al a3 _1...L~ :: 3500 m2/rn3 -3

0,4010

(Zoals reeds in 5.4.2 verI!leld is, z'.llen de vlokken tijdens de fermentatie

niet van grootte vere~deren, lIet aa~tal zal groter worden; dit effect

zal in de toename van de zuurstofverbruikssnelheid naar voren komen).

5· Zuurstofov

_{- - - -}

erdrac':1.tscoëfficië

_'

_{- - - -}

nt V2.n de

_---

vlo

_---1.-

kken k, t im

_--

k4

De relatieve snelheid van de vlokken t.o.v. het medi~J.m zal te VF~:rWE~ar

-1 _ozen kl_{_. eln ZlJn;} ' . . d _{,aar ge_} 1 dt eh _>J

₌

2

_,

d _{''i!' z.} k _]) 2H

=

2 Of' K _~

=

~ _R

waarin: k

=

stofoverdrachtscoëff~ciënt van de zuurstof van de vloeistof

naar de vlok (m/ sec)

R

vlokstraal

(

m)

ID diffusiecoëfficiënt van zuurstof in de vlok (m2/sec)

Voor compartimenten 2 en 4:

10-

9

-5

k 2

=

k4

=

_0,2.10 -3

=

0,5010 (m/ sec) Voor compartimenteft 1 en 3= 10-

9

5

k l = k3 == -3

=

0,25.10- tm/sec) 0,4. 1 0

60

Diffu

s

iecb~f!icj~nt

j~) _i~ ~

e

_

v~ok

Zoals reeds in 5~ gez~en:isi wordt voor de waarde v~n de diffusiec~ efficiënt var.. de zuurstof i n de vlok, de h<~lft ve,n die VLn zuurstof in ,,,ater gê1'lO;nen, nl. ID

=

10-

9

m2/sec.

Deze maximale zuurstofverbruikssnelheid Vè'n het micro-orgtlTIisme is de snelheid bij het achterwege blijven V2n diffusielimitering; in de prak -tijk wordt in een compartiment de hoeveelheid Z r per tijd~eenheid en

i

per vol ume-eenheid beslag geconsumeerd door de vlokkeIl. r neemt tijdens

de fermentntie eXfonenti~el toe omdat ,hij gekoppeld is aall de groeisn3

1-heid VBn het micro-6rgRnisme; ook is er een koppel ing aan de concentratje

.

.

.

- 30

-I'

waarbij: concentratie van de biomassa (droogtsevricht) kg/m

3

kg biomassa/kg zuu~stof groei-~e~ssocieerd

kg biomassa/kg zuurstof niet-groei-geässocieerd

dCI'1

Tegen hét eind VEln de fermentatie wordt dt

verder toe~eemt (zie ook hoofdstuk kinetiek).

0, zodat I' dan ook niet

z

8. De zuurs tofverbr1.:.ikssnel heid

{R )

J?.§r_n~ y'-lQ.k!:;e.!l

---'. - - - - - - - - - - v

R

.is eenvoudig uit r te herleiden ondat er per

v t t 1 l ' " ( .

4)

)

-< R na e v c:,:~en ZlJY, Zle , \....\V.z. V r/O,47 m

3

beslag 0,47 m

3

kg/sec.m

3

(vlokken)

9.

-De uitwiss~lingstromen ~el, ~e2, en ~e3.

Deze zijn aan elkaBr gelijk gesteld, d.w.z. ~ 1

=

~ 2

=

~

3

=

~

.

e e e e

Een globale waarde voor de uitwisselingsstroom ~e is te berekenen uit

circulatiestroom ~ in een

c

teit ~ van de roerder. Er p

coml:artiment; deze volgt uit de pompcapaci

-geldt nl.

~

=

1,3 N D

3

p 1 r

wanrbij : N = toerental van de roerder (sec- )

D

=

diameter roerder (m) r

~

~

2

~

=

2

,

6

N

D

3

e p I '

yf

is maxin\aal e

3

=

0,26 ND I'

1/4 ~ (dit is voor water gemeten); we nemen ~

e e 1/10 ~

De som van

VI'

V

2,

V

₃

en

een toestand van VI

=

V 2

V 4 is 200 m

3

,

V

3

=

V

4

=

50

normaal wordt uitgegaan van

m

3

als prakti jksituatie.

De evem-.richtsconcen-cra ties C* 1 t/m

c*

4

Bij 1 atois de even~ichtsconcentrbtie v~n zuurstof in het beslag (als

c

water beschouwd)

C~

20.10-

3

kg~13

(comp 4))(10 m H

20

ko1o~ =

1

a~o)

.

Bij atn:osferische druk is Cl< 0= 8.10-

3

kg/m

3

(camp I). C*2 ."" 12.10-

3