De fermentatieve bereiding van mononatrium-glutamaatmonohydraat uit azijnzuur

o

'

0

o

or-o

o

o

o

o

o

o

o

o

.

Nr:

2521

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

J.Th.M. van Iersel en M.A.G. van Kleef

onderwerp:

gLutaroaatIllOnohy.draat .. uit .. .az.ij.nzuur ... .

Putsestraat 44-a 3074 ZN Rotterdam Joh. Straussplein 82 3122 ZB ·Schiedam

opdrachtdatum : september 1981 verslagdatum : j anuar:i 19a2

o

.,.

o

"

o

o

o

o

o

o

o

. \

o

o

' - -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ 0....-...

(

c

( ( ( (

o

o

DE FERMENTATIEVE BEREIDING VAN MONO NATRIUMGLUTANAAT MONOHYDRAAT UIT AZIJNZUUR

Fabrieksvoorontwerp

september 1981 - januari 1982

Afdeling der Scheikundige Technologie Technische Hogeschool Delft

J.Th.M. van Iersel Putsestraat 44a 3074 ZN Rotterdam

M.A.G. van Kleef Joh. Straussplein 82 3122 ZB Schiedam

(

c

c

( ( (

o

o

o

r,

Inhoudsopgave I. 2. 3.

Konklusies, aanbevelingen en knelpunten Inleiding

Uitgangspunten voor het ontwerp

3.1. Fysische en chemische eigenschappen 3.2. Toxicologie en explosiegrenzen 3.3. Afvalstoffen

4. Beschrijving van het ontwerp 4.1. Microbiologie en metabolisme 4.2. De fermentatie, proceskondities 4.3. De opwerking 5. Procesontwerp 5.1. Sterilisatie 5.2. De hoofdfermentatie 5.3. De entfermentatie 5.4. De opwerking 5.4.1 Centrifugeren 5.4.2 5.4.3 5.4.4 Ionenwisselaar Hercompressieverdamper Aktief kool kolom

5.4.5 Kristallisator + centrifuge 5.4.6 Droger 5.5. Processchema 6. Massa- en warmtebalans 7. Apparatenlijsten 8. Kostprijsberekening en rentabiliteit 9. Symbolenlijst 10. Literatuurlijst Bijlage Bijlage 2 Bijlage 3 Bijlage 4 Bijlage 5 Bijlage 6 Bijlage 7 2 3 4 5 6 8 10 12 17 23 25 32 33 43 52 54 56 I I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7

(

c

c

( ( ( I' _I

o

o

o

Samenvatting

Dit fabrieksvoorontwerp behandelt de fermentatieve produktie van mono-sodiumglutamaat-monohydraat ( MSG.IH

20 ) uit azijnzuur. De produktie bedraagt 10.89 kt/jaar, waarvoor 19 kt azijnzuur nodig ~s.

De fermentaties worden uitgevoerd met de bakteriestam Brevibacterium thiogenitalis D-248 in zes grote fermentoren met een werkvolume van 200 m3. Uitgaande van 300 werkdagen (vol kontinu) worden per jaar 120 fermentaties uitgevoerd. De opwerking is kontinu, de fermentatie fed-batch.

De produktiekosten bedragen ongeveer f 2.99 per kg MSG.IH

20. De markt

-pr~Js ~s ongeveer f 3.30 per kg MSG.IH

20. Het rendement op geInvesteerd vermogen bedraagt derhalve (na aftrek van 48% belasting) 5.3%.

c

( ( ( (

c

()

c

o

, :0

1. Konklusies, aanbevelingen en knelpunten

De fermentatieve produktie van MSG uit azijnzuur lijkt goed uitvoerbaar, al is de realisatie sterk afhankelijk van de huidige marktprijs. Omdat MSG niet ln Nederland wordt geproduceerd is ons slechts de prijs uit 1975 bekend (1). Op dat moment was de prijs gezakt naar $ 1.20 per kg. Dit vanwege overproduktie en economische recessie. Wij hebben in het fabrieks-vooront\yerp de prijs van $ 1.20 aangehouden. ( $ 1.00 = f 2.75 ) Bij die prijs is het rendement op geinvesteerd vermogen 5.3%.

Bij het maken van het voorontwerp zijn twee knelpunten opgetreden. Het eerste knelpunt is het vrijwel geheel ontbreken van essentiële gegevens over zowel fermentatie als opwerking. Dit natuurlijk vanwege de konkurren-tiepositie van de MSG-producerende fabrikanten. De reden waarom azijnzuur als grondstof gekozen is, komt gedeeltelijk voort uit het feit dat hier-over de meeste informatie beschikbaar was. Bovendien sloot het patent van de opwerking hier goed bij aan.

Het zou interessant zijn om dezelfde fabriek eens door te rekenen met me -lasse als grondstof. De kosten aan azijnzuur ZlJn namelijk bijna de helft van de totale produktiekosten per jaar. Tegenover de goedkopere grondstof-prijs van melasse (f 0.30 per kg.) staan de nadelen dat melasse eerst ge-zuiverd en gedurende 8 maanden opgeslagen moet worden (26). Door de onZUl-verheid lS ook een grotere hoeveelheid melasse dan azijnzuur nodig. Al deze nadelen maken een rendabele produktie uit melasse op zijn minst twij-felachtig, hoe jammer dit ook is uit biotechnologische overwegingen.

Het tweede knelpunt is de grote hoeveelheid energie die de fermentoren ge-bruiken. Dit wordt veroorzaakt door de slechte mengtijd ln de hoofdfermen-tor. Hieraan zou aandacht kunnen worden besteed, zoals aan de gehele opti-malisatie van hulpstoffen en utilities. Onder "Afvalstoffen" zijn al een paar mogelijkheden genoemd.

Cl

c

( ( (

c

0

o

2. Inleiding

Glutaminezuur ~s een aminozuur met de volgende structuurformule:

In de vorm van monosodium-L-glutamaat-monohydraat (C

SHSN04Na.H20), HSG, wordt het in grote hoeveelheden in de gehele wereld gebruikt als smaak-verhogende stof. MSG is zelf vrijwel smaakloos, maar verhoogt de natuur-lijke smaak van het voedsel. Dit kan gedeeltelijk worden toegeschreven aan zijn synergisme met de ribonucleotiden S'-inosinaat en S'-guanilaat, die in voedsel aanwezig zijn. Beide ribonucleotiden zijn namelijk vrij-wel smaakloos in afwezigheid van MSG.

De smaak van MSG is aangenaam, vooral ~n combinatie met zout. Bovendien heeft de smaak organoleptisch een groot tolerantiegebied.

MSG kan, behalve op fermentatieve w~Jze ook worden bereid door hydrolyse van glutaminezuur bevattende produkten, zoals mais en soja of door che-mische synthese uit acrylonitril. Een probleem bij deze laatste berei-dingswijze is het ontstaan van een racemisch mengsel. Alleen de L-vorm heeft namelijk de unieke smaakverhogende eigenschappen. Fermentatieve produktie wordt verreweg het meest toegepast.

MSG wordt gebruikt als additief aan zout, suiker en varkensvoedsel. Com-binatie I.S-S% dinatrium-S'-ribonucleotiden begint interessant te worden. Deze combinatie heeft namelijk een grotere smaakverhogende werking dan MSG alleen. Verder he1e":tt . de produktie van poly-y-methylglutamaat voor kunstleer en N-lauroylglutamaat als detergent enige betekenis. Fig. geeft een beeld van de MSG produktie in de afgelopen jaren.

Fig. 1: Produktie capiciteit van MSG

T.1ble.3. Estimated Product ion Capacities of Monosodium L-Glutamate in kt

Country/continent 1966 1971 1975 Japan 90.00 136.74 117.60 Norlh America 25.60 24.00 31.80 Europe 28.00 18.00 44.40 Taiwan 24.00 17.28 30.24 Thailand 2.50 8.04 22.80 Korea 7.80 11.04 54.00 others' 12.04 37.44 Total 177.90 227.14 338.28

• Including the People's Repuhlic of China.

Source: Japan Food Seasoning Manufacturers AS90ciation.

Cl

c

c

c

( (

c'

o

o

o

o

3. Uitgangspunten voor het ontwerp

3.1 Fysische en chemische eigenschappen van grond- en hulpstoffen In Tabel I staan enige gegevens:

Grootheid Holgewicht Smeltpunt Kookpunt Dichtheid pK A Oplosbaarheid Op 1. warmte Verbr. warmte St.vorm.enth. Soort. warmte Gegevens MSG: Eenheid Azijnzuur

-

60.05 oe _16.6 oe _117.9 kg/m3 1049

-

4.75 g. / I 00gH 2O 00 kcal/mol -0.36 kcal/mol 209.02 kcal/mol -116.4 kJ/kgK 2039 Molgewicht : 187.13 Ontleedt bij 2320e Ammoniak Natronloog 17.03 40.00 -77.7 318.4 -33.35 1390 0.771 2130 9.25

-89.9 42. (Ooe)

-

-10.637

-

--11.04 -101.99 2150 1495 Kristalwarmte

Gegevens a-ketoglutaarzuur: MolgeHicht Smeltpunt

146.10 115-6oe 4.31 ; 5.41 Oplosbaarheid van MSG als functie van de temperatuur:

S = 35.30 + 0.098

x

t + 0.0012

x

t2 met: S t Oplosbaarheid in g. HSG.OH 20/100 g. oplossing.

. °

Temperatuur 1n e. Glutaminezuur 147.13 224-5 dec. -1538 2.19;4.25;9.67 0.84(250e)

-132.3 kj/kg 3

c

c

c

( (

o

o

o

3.2 Toxicologie en explosiegrenzen

MSG vertoont alleen fysiologische effecten bij overmatig grote

toege-diende hoeveelheden. De LDsO-waarde is groter dan IS g/kg

lichaamsge-wicht, dat wil zeggen drie keer zo groot als die van keukenzout.

MSG is vrijgegeven voor de wereldhandel als voedseladditief, mits het aan speciale eisen wat betreft zuiverheid, specifieke rotatie en pH voldoet. In het proces worden twee explosiegevaarlijke stoffen gebruikt, azijnzuur en ammoniak. De explosiegrenzen zijn:

van ammoniak : 15,5-27 vol.% (in lucht)

van azijnzuur: 5,4-? vol.% (in lucht)

Ammoniak heeft een zelfontbrandingstemperatuur bij 6300C.

Azijnzuur wordt tot de licht ontvlambare vloeistoffen gerekend (klasse K2).

Ammoniak tot klasse KO (gassen onder druk). De voorzieningen in de

fa-briek dienen overeenkomstig de veiligheidsvoorschriften voor deze klassen

te zijn.

Cl (

c

c

c

(

r

c

o

o

o

3.3 Afvalstoffen

De fabriek levert de volgende afvalstromen:

1. Slib uit de fermentor (stroom 19). Deze hoeveelheid ~s 2592 ton DS/jaar.

De biomassa wordt eerst gesteriliseerd om te voorkomen dat produktie-stammen het bedrijf verlaten. Het slib kan worden verkocht als veevoeder. 2. Bij regeneratie van de anionwisselaar ontstaat het natriumzout van

a-ketoglutaarzuur. De produktie bedraagt 1193 ton per jaar. Het is niet bekend of er een markt bestaat voor dergelijke hoeveelheden. Ook is niets bekend over eventuele verontreinigingen.

3. Het afvalwater uit de centrifuge (stroom 38) bevat behalve een grote hoeveelheid MSG een hoeveelheid zouten uit de fermentor. Over het gedrag

van de zouten tijdens de opwerking is niets bekend. Wellicht moeten z~J

met een kationwisselaar verwijderd worden. Blijven de zouten echter tot

na de kristallisator ~n oplossing, dan kan het afvalwater waarschijnlijk

direkt weer gebruikt worden voor de fermentatie. Op die manier gaat er zelfs geen MSG verloren. Er lijkt geen enkel bezwaar te bestaan om

fer-\

mentaties uit te voeren met al een aanzienlijke hoeveelheid MSG ~n de

fermentor aan het begin van de fermentatie.

4. De indampstromen 28 (water + NH

3) en 40 (water) kunnen weer voor de

fermentaties gebruikt worden. Bij de kostenberekening is hier ook vanuit gegaan.

De recycling, genoemd onder 3. en 4., ~s niet opgenomen ~n het processchema,

dit om de eenvoud te bewaren. Bij de kostenbeschouwing is er echter wel vanuit gegaan dat mogelijkheid 4. te realiseren is. Het houdt een aanzien-lijke besparing in de kosten van proceswater en ammoniak in.

c

c

c

(

o

o

o

4. Beschrijving van het ontwerp

4.1 Microbiologie en metabolisme

Glutaminezuur ontstaat ~n een micro-organisme door omzetting van

a-ketoglu-taarzuur, een intermediair van de citroenzuurcyclus (TCA cyclus). In figuur 2

is deze citroenzuurcyclus, tezamen met de glyoxalaat bypass, aangegeven. De

glyoxalaat bypass dient om de concentratie intermediairen in de TCA-cyclus

op peil te houden, daar deze intermediairen ook als precursor bij de

vor-ming van biomassa worden gebruikt.

Bij glutaminezuur producerende mutanten ~s het enzym

a-ketoglutaarzuurdehy-drogenase (zie pijl in fig. 2) geheel of gedeeltelijk onwerkzaam. Dit heeft

twee gevolgen:

I. Er ontstaat een tekort aan oxaalazijnzuur. Door verhogen van de glyoxalaat

bypass kan de concentratie oxaalazijnzuur op het oude niveau gehandhaafd

blijven.

2. Er hoopt zich a-ketoglutaarzuur op. Dit wordt omgezet ~n glutaminezuur

en in het medium uitgescheiden. Ook a-ketoglutaarzuur wordt uitgescheiden,

maar in lagere concentraties.

Fig. 2: De citroenzuurcyclus met de glyoxalaat bypass.

acetic acid

t

acetyl-SCoA

___

-

1

-

-

--/~--.. -

-

--.

-

'--.

oxalo2.cp.tate aceta te

a net gain in

f

oxaloan:tate frum ac.:t yl-SCoA mala te

<

L-malate - - ---'-= = - ---<

(

.~,".""

1

acetyl-SCoA glyoxylate fumarate \ / o-k"ogl""""

,""in'"

/

~

, /

succinyl-SCoA , . , glutamate

..

6

u

(

c

c

c

c

o

o

o

Tot de glutaminezuur producerende micro-organismen behoren species van Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter en t1icrobacte-rium. Voor de fermentatie ~s gekozen voor de in (5) gebruikte Brevibacte-rium thiogenitalis D-248. Dit is een olelne auxotroof. Aan het medium zal

~----dus oliezuur moeten worden toegevoegd.

Oliezuur verhoogt de in het medium uitgescheiden concentratie glutaminezuur. Het mechanisme waaraan dit verschijnsel ten grondslag ligt is echter nog niet opgehelderd. Waarschijnlijk heeft oleine invloed op de permeabiliteit van de cel, zodat glutaminezuur gemakkelijker wordt uitgescheiden. Door

zijn oppervlakte aktieve werking dient oliezuur tevens als ontschuimer. Met behulp van massa- en elementbalansen kan een reaktievergelijking voor de glutaminezuurproduktie worden opgesteld:

Indien het enzym a-ketoglutaarzuurdehydrogenase volledig onwerkzaam ~s,

wordt azijnzuur omgezet in glutaminezuur volgens:

(4.1)

In werkelijkheid blijkt enzym echter slechts gedeeltelijk onwerkzaam te zijn. Een gedeelte van het azijnzuur wordt aldus cyclisch in de TCA-cyclus verbrand tot CO

2 en H20. (4)

~~' ~.I" 1."

Voor a-ketoglutaarzuur geldt op identieke wijze: .' f..J..,-.> .... .... ""'"

Voor de synthese van biomassa geldt:

(4.3)

C,-,~~ .... I .

" (4.4)

Voor de biomassa- is de gemiddelde samenstelling van micro-organismen genomen. In (5) wordt een yield van glutaminezuur op azijnzuur bereikt van 50.5%. De eindconcentraties glutaminezuur en a-ketoglutaarzuur bedragen respectievelijk

66 gil en 6 gil.

-Verwaarloost men de concentraties van de overige gevormde stoffen (o.a. melk-zuur) dan kan berekend worden hoeveel aZ~Jnzuur er in biomassa wordt omgezet:

Totaal Azijnzuur voor Azijnzuur voor Azijnzuur voor azijnzuur Glu produktie a-keto prod. biomassa prod.

66 60 3 60 3

23.1 gil. 0.505 66* 147 * 0.82 6* 146 * 0.82

(

c

( (

o

o

o

De hoeveelheid gevormde biomassa wordt hiermee:

23

_{. *}

I 24.6

*

5.715

60 - 3 - 18.04 gil

Nu bekend is, in welke verhouding (4.2),(4.3) en (4.4) tot elkaar staan, kan een overall reaktievergelijking worden opgesteld: (4.5)

3 C

2H402 + 1.93 02 + 0.821 NH3 ~ 1.011 CHI .800.sNO.2 + 0.618 CsH904N

+ 0.057 C

sH60s + 1.614 CO2 + 3.369 H20 Bovenstaande reaktievergelijking geldt alleen voor de hoofdfermentatie. Over de entfermentatie ontbreken de gegevens in de literatuur. Daarom

zijn de volgende aannamen gedaan:

1. De produktie van glutaminezuur ~s nog te verwaarlozen.

/ 2. De yield van biomassa op azijnzuur is 0.5 kg Dsi kg azijnzuûr.

Voor de synthese van biomassa geldt(4.4). Een gedeelte van het azijnzuur wordt echter volledig verbrand voor de energiebehoefte'

(4.6)

Met behulp van de yield kan weer een overall reaktievergelijking worden opgesteld: (4.7)

4.2 De fermentatie, proceskondities

Koolstofbron

Hiervoor waren verschillende mogelijkheden:

I. Glucose, melasse 2. Azijnzuur

3. Methanol, ethanol

4. Lagere en hogere alkanen

Om de volgende redenen is besloten aZ~Jnzuur als koolstofbron te gebruiken.

8

J. Over de fermentatie met azijnzuur was relatief veel informatie voorhanden.

2. De prijs van azijnzuur is relatief laag.

3. Melasse is goedkoper dan azijnzuur, maar heeft door z~Jn onzuiverheid een tamelijk uitgebreide voorbewerking nodig. Bovendien is melasse slechts

en~ge maanden per jaar verkrijgbaar, waardoor grote opslagtanks nodig

z~Jn.

4. Het meest aantrekkelijke patent voor de opwerking was gebaseerd op de produktie van MSG met azijnzuur als grondstof.

(

c

( ( ( (

c

o

Q Q Stikstofbron

Voor industriële toepassingen komt vrijwel alleen ammoniak in aanmerking.

Bij de fermentatie is gebruik gemaakt van een 25% oplossing ammonia.

Samenstelling van de kultuurvloeistof

Deze is, met enkele kleine wijzigingen, overgenomen uit (5) en lS gelijk

voor hoofd- en entfermentatie:

Ammoniumacetaat 1.2 % KH 2P04 0.1 % MgS0 4·7H2O 0.05 % FeS0 4·7H2O 0.01 % MnS0 4·7H2O 0.001% CaC1 2·2H2O 0.005% Oleïne 0.02 %

Corn steep liquor 0.3 % Alle ln gew.

Thiamine.HCl 100)Jg/1.

%

Een K-gehalte van 0.1 % lS nodig voor een goede glutaminezuur produktie.

Waarschijnlijk moet nog EDTA of een ander complexerend agens worden

toege-voegd om neerslag van calcium-en magnesiumfosfaat te voorkomen. Corn steep

liquor en thiamine.HCl worden toegevoegd om in sporenelement- en

vitamine-behoefte te voorzien.

De optimale pH ligt tussen 7.0 en 8.0 en wordt door toevoeging van ammonla

op deze waarde gehouden.

Temperatuur

De optimale temperatuur ligt tussen 30 °c en 37 °C. Voor de berekeningen

hebben we 35 o C genomen.

Bereiding entmateriaal, uitvoering fermentatie

Een reincultuur Brevibacterium thiogenitalis D-248 wordt eerst in

schud-flessen en daarna in kleine fermentoren van enige honderden liters gekweekt.

Het medium is in beide gevallen rijk aan voedingsstoffen, om een snelle

groei moge~ijk te maken. Met deze culturen wordt de entfermentatie gestart

ln fermentoren van 14 m3. De entfermentatie duurt 15 uur.

3

De hoofdfermentoren worden met 10 m kulturen geënt. De hoofdfermentatie

duurt 45 uur en wordt uitgevoerd als fed-batch. In figuur 3 is het verloop

.) (

c

(

c

(

c

o

o

o

10

van de verschillende concentraties gedurende de hoofdfermentatie te zien.

Fig. 3: "ii Ë ' . _u ë -c _.;:: c .~ E c c -' pil

l[ii(:

:lljrrl'(~Îrm1111nTrArl

j:

ij"

I I I . . A---4 9.0 8.0 7.0 60 50 40 30 20 10 Iv 20 30 Ë

-

,

'" E 6::! 1.0 ,., " 0.8 .;;; o· t=~ ... ·v 0.6"" " t: .~ o 4 .~ <:

.

0..<

0.20 . , ( / Cultur. time hr

:\ Typical Pattern of L-Glutamic Acid Fermentation

with :1.cetic Acid by BleuibacierilOn tI!iogCllitalis D-2·18.

0 - 0 L-Glutamic acid. 0-·_·-0 a-ketoglutaric acid.

0----.

optical dcnsity. ., (.. . ' 1

, /'''L.~, \r "'" ...

Az ijnzuur wordt met

'

~

nstante

snelheid (0.186 kgf s.) toegevoerd vanaf

e e

het 5 tot het 40 uur van de fermentatie.

Ammonia (25%) wordt ~n twee stromen toegevoerd.

Het gedeelte, nodig voor biomassa-en glutaminezuurvorming wordt van het

begin tot het 40e uur van de fermentatie met een konstante snelheid

toege-voerd (0~129 kg/s.). Bovendien wordt ammonia gebruikt om de pH op 7-8 te

houden. Geschat wordt, dat de hoeveelheid benodigde ammonia tweemaal het

aantal ontstane equivalenten glutaminezuur is.

\

~l

__

-v _ L, j~

. . . ; J Iv \ .

Na 45 uur wordt de fermentor geleegd, gereini8d, gesteriliseerd en opnieuw

gevuld met kultuurvloeistof, waarna weer enting plaatsvindt.

Er zijn 3 ent- en 6 hoofdfermentoren. Deze z~Jn voorz~en van een roerder

voor een goede menging, een 'sparger' voor beluchting en een koelspiraal

om de bij de fermentatie ontstane warmte af te voeren. Verder zijn er de

gebruikelijke automatische regelingen voor pH, temperatuur, opgeloste O

2

en eventueel antischuim aanwezig.

Een tijdschema is afgebeeld in figuur 4.

4.3 De opwerking

De opwerking geschiedt kontinu en bestaat uit de volgende stappen:

. l.r~ Jo

I

I, \." . ' · ...

",1

A, • • , J I ~ \ ( A.~ (

"J,' .:... ) . ; l)" '

. .... ' , j{,~

r

"

·

I. Een centrifuge ( voor de verwijdering van biomassa).

2. Een ionenwisselaar ( voor de verwijdering van a-ketoglutaarzuur).

3. Een hercompressieverdamper ( tevens om ammoniak terug te winnen). 4. Een aktief koolstof kolom ( voor ontkleuring).

(

c

( C ( (

I

Cl

0

o

o

5. Een kristallisator.

6. Een centrifuge ( om de kristallen af te scheiden). 7. Een droger.

Voor de opwerking waren diverse methoden mogelijk. Gekozen is voor een patent (19) waarin direkt MSG wordt gekristalliseerd. De opwerking in dit patent was speciaal geschikt voor fermentaties met azijnzuur als grond-stof.

Fig. 4: Tijdschema van de fermentaties.

tij d uur 0 50 100 I I I I I I i I I i .l I

•

I I I I I I I I I I I I I FERMENTOR

----.

FERMENTOR 2 FERMENTOR 3 FERMENTOR 4

_•

FERMENTOR 5

_•

FERMENTOR 6

..

ENTFERMENTOR

3

6

3

6

---ENTFERMENTOR 2

4

1

4

1

ENTFERMENTOR 3

5

2

5

2

11

(J ( ( ( ( I

o

''',

o

o

o

5. Procesontwerp 5. I Sterilisatie Sterilisatie kultuurvloeistof

Gezien de grote hoeveelheid kultuurvloeistof die gesteriliseerd moet worden

lS kontinue hittesterilisatie de meest voor de hand liggende methode.

De thermische afsterving van micro-organismen volgt een Ie orde kinetiek:

waarln:

dN

=

-kN

dt

aantal levende cellen

(5. I)

N

k reaktiesnelheidsconstante (sec -I )

Integratie levert:

N

=

NO

x

exp(-kt) (5.2)

Het effekt van de temperatuur op k kan met de Arrhenius-vergelijking worden beschreven:

(5.3)

ko en E

A ZlJn afhankelijk van het soort micro-organisme. Bij de

berekenin-gen is aangenomen dat zij gelijk zijn aan

k

o

37 -I

2

x ]

0 (sec)

287.9 kj/mol

die van Bacillus thermophilus:

Bij een sterilisatietemperatuur T = 1250C wordt k. /= 0.144

sec-I /~

Per fermentor moet ]64 m3 kultuurvloeistof worden gesteriliseerd. Bij een

beginconcentratie c

o

9 3 . 11

1

x

10 /m wordt het beglnaantal NO

=

1.64

x

10 .

Stelt men de kans dat één micro-organisme de sterilisatie overleeft op

1/100 dan wordt:

/1

0) i- /ft-!

<yJ-'~~

-14

/ 0if _lt>..t V<·\V~ _{N/N O = 6}

*

_{]0 (designcriterium)}

\J.Y,v·· . . 3

De capacltelt van de sterilisator is 164 m / fermentor/ 60 uur. Dit komt

overeen met 4.556 kg/se

5.2 kan gebruikt worden om de sterilisatietijd te berekenen: 3.6 mln.

12

Deze verblijf tijd wordt bereikt door de kultuurvloeistof door een goed

geï-soleerde wachtpijp te laten stromen. Daar de vloeistof niet ideaal stroomt

is een langere pijp nodig dan op grond van de gemiddelde verblijf tijd

ver-wacht zou mogen worden.

Bij-u

c

c

( ( ( I 1('1 I

o

o

o

lage I. De lengte van de wachtpijp L wordt nu met behulp van trial & error berekend: Wachtpijpdiameter = 0.155 m. v ~m/(0.25xrr* Db) 2 4.556 * 10 -3 /(0.25~*(0.155» 2 0.241 mis. 13 3 _3 0.241 * 0.155 * 10 / 10 Re 3.74 * 10 4 pé v

*

L D e ID _1 L { e }

*_

v

*

D _b D _b (5.4) 4

Uit Bijlage 2 (7) volgt met Re 3.74 * 10 dat pé = 23.04 * L Da = L * k/v = L * 0.144/0.241 = L * 0.598 (5.5) Na enig proberen wordt L

=

51.7 m.

De kultuurvloeistof wordt in warmtewisselaar H5 voorverwarmd van looe tot 100oe, waarna door stoominjectie de gewenste sterilisatietemperatuur T = 1250e wordt bereikt. Door deze stoominjectie wordt de kultuurvloeistof enigszins verdund. Met behulp van de enthalpiebalans over de stoominjecteur wordt de benodigde hoeveelheid stoom berekend:

~ _stoom * H _v,190 0 _C,3atm. + ~;n _~ * HL,IOOoe _(5.6)

~ * 2844.9 + (4.556 -~ ) * 419.0 = 4.556 * 525.0

stoom stoom

Hieruit volgt dat de stoominjectie ~ = 0.199 kg/s. stoom

Uit de enthalpiebalans over .de warmtewisselaar volgt dat de overgedragen warmte gelijk is aan 1.64 MW. Na sterilisatie wordt de kultuurvloeistof in

o

de warmtewisselaar afgekoeld tot 39.2 e.

Luchtsterilisatie

Filtratie is de meest gebruikte techniek voor de sterilisatie van lucht. Het filtermateriaal moet bij voorkeur een hoge collection efficiency en een lage drukval hebben. Het polyvinylalcohol platenfilter (PVA) bezit deze e~­

genschappen. De totale dikte van het filter is o~geveer I cm. (vergelijk het traditionele glaswolfilter met een dikte tot 2 m.)

Bij een effectieve "po re size" van 60-80fl geldt dat de collection efficiency (I-N/N_O) optimaal is bij een superficï'ele gassnelheid Us van I mis. (Bijla-ge .3). Voor de fermentor geldt:

~v c o 3 luchtdebiet = 1.5 m /s 4 3 10 organismen/m (10)

De hoofdfermentatie duurt 45 uur. Hieruit volgt dat NO N/N O =

1~/2.43

* 10 9

₌

5.0 * 10-13• 9 2.43 * 10 en

(

c

c

( ( (

o

o

o

14 uit Bijlage 3 volgt dat een filter van 3 mmo dikte een collection

effi-ciency van 99.9995% heeft. Er zal derhalve een filter van 7 mmo dikte nodig zijn om bovenstaande NIN

O te bereiken.

Uit Bijlage 4 volgt dat voor een 5 mmo dik filter (60-80~) de drukval line-air afhankelijk is van de gassnelheid. Bij u = I mis is de drukval

2 s

700 mmo H

20

=

1400 Nim

Imm

filter.

De totale drukval

~p

is derhalve 7

x

1400

=

0.1 ;: lOS N/m2 = 0.1 atm. tot

Nu kan ook het benodigde compressievermogen P berekend worden (efficiency

c

compressor is 0.7) :

Totale persdruk _~Pferm + ~PpVA

=

0.8 + 0.1

Voor de 6 hoofdfermentoren samen wordt dit 8.9 x lOS W.

0.9 atm.

5

1.49

x

10 W

,,

'

,

0,.). \ ':r' "

Door compressie neemt de temperatuur van de lucht toe. Deze temperatuurstij-

_..

_...

ging bedraagt:

~H

= ___

P_c-- I .44 x 105

T

c 1 h (cp ::I:p xc ) 1 h 1.5 x 1.2 je 1000 80 K.

p, uc t v P uc t

In tegenitelling tot de sterilisatie van de kultuurvloeistof geschiedt de

luchts~erilisatie niet voor alle fermentoren tegelijk. De reden hiervoor 1S

dat bij een eventuele storing nu slechts één fermentor wordt besmet. Bij de kultuurvloeistof bestaat dit risico niet omdat deze niet rechtstreeks naar de fermentoren gaat. Bij een storing kan daar eenvoudig de toevoer nà de wachttank worden afgesloten.

Voor de entfermentor verlopen de berekeningen geheel analoog. ~let een lucht-3

debiet cp

=

0.05 m Is en een fermentatieduur van IS uur zijn de resultaten v

van de berekeningen:

NO = 2.7

x

107 organismen Designcriterium

=

3.7 ::I: 10-11 Dikte filter

=

6 mm.

Drukval filter 0.084 atm.

Totale drukval (HL 3.2 m.) = 0.32 + 0.084

Compressievermogen 2.61 kW per fermentor

c

( ( (

o

o

o

o

(',

Sterilisatie van de hoofd- en entfermentor

De fermentoren worden 30 minuten met stoom van 1200C gesteriliseerd. De

berekeningen worden eerst uitgevoerd voor de hoofdfermentor.

Om de energiebehoefte te kunnen berekenen moeten eerst de dikte van de

fermentorwand en de warmteoverdrachtscoëfficiënten bekend zlJn.

Volgens (9) wordt de minimale dikte van een cilinder als functie van de druk gegeven door:

x

T

15

d

=

P

2

x

G (5.7)

'

V

/<./'o/"

:~!/

met: d dikte cilinder

T diameter ferrnentor 5.75 m.

p druk

=

2 atm.

normaalspanning constr. staal =.740 atm. ~ ~

Een veiligheidsma~&e van een factor 2 geeft voor de dikte van de

fermen--

---

.-torwand : IS mm.

De totale warmteoverdrachtsco"efficiënt U wordt gegeven door:

U met: + d À + a a ] 2 (5.8) À

=

]6 W/mK (staal)

Hieruit volgt dat U 5 W/m 2 K.

De dimensies van de fermentor zlJn: Oppervlak Volume Volume staal 2 m = 251

=

286 m3 ~ 3 3 = 251

x

IS

x

10~

=

3.8 m

Nu kan de energiebehoefte berekend worden. Deze bestaat uit drie delen:

I. Vullen van de fermentor met stoom van 120°C (1.98 atm).

3

Metpstoom,120oC = 1.12 kg/m wordt de hoeveelheid benodigde stoom

251

x

1.12

=

312 kg. Wij hebben echter alleen de beschikking over stoom

r---°

van 190 C (3 atm). Een gedeelte van de warmte ~)rdt daarom gebruikt om de

fermentor op te warmen. Deze hoeveelheid warmte bedraagt:

312 x ( Hst,190oC - Hst,120oC ) = 312 x (2844.9 - 2706.3) 43 HJ

o

°

2. Opwarmen fermentorstaal van 10 C naar 120 C:

De energiebehoefte-is hier:

V

x

P

x

c

x

~T

=

3.8

x

7800

*

530

x

IlO = 1.73

x

109 J

staal staal p,staal

9 7 9

t) (

c

c

( ( (

c-I

o

o

o

3. Warmteverlies tijdens de sterilisatie. rit bedraagt:

u

*

A I

*

~T

*

t

=

5

*

251

*

110

*

1800

=

2.50

*

10 8

J

staa ster.

Stelt men ~ 0 1200_{C op 503.7 kj/kg, dan is er aan stoom nodig voor} 2 '

2. + 3. :

1.69

*

109 + 2.5

*

108 -6 0

2844.9 _ 503.7

*

10

=

829 kg stoom (190 C,3 atm)

De totale hoeveelheid stoom wordt: 312 + 829 1141 kg.

De berekening voor de entfermentor gaat weer geheel analoog:

Met onderstaande gegevens:

p ].3 atm. Oppervlak fermentor 34.5 m

T 2 m. Volume fermentor 14. I m

H 4.5 m. Volume staal 0.12 m

komen we tot de volgende resultaten:

Dikte fermentorwand 2 U

=

5 W/m K Energiebehoefte: 3.5 mm. 2 3 3

I. Vullen fermentor: 14.1 kg stoom. Warmteoverschot 1.95 MJ.

2. Opwarmen fermentorstaal 3. Warmteverlies : 34.1 HJ Totale stoombehoefte : 51.0 + 14.1 54.6 t i j 65.1 kg stoom. 16

u

c

c

C (

c

o

o

o

5.2 De hoofdfermentatie

Tijdens de hoofdfermentatie vindt produktie van glutaminezuur plaats in

6 grote fermentoren van 286 m3 volgens de reactievergelijking afgeleid

17

in 4.1. Het beginvolume, na enting, bedraagt 164 m3 ; het eindvolume 200 m3

Beluchting

Uit reactievergelijking (4.5) volgt dat het O

2 verbruik direkt gecorre

leerd is aan de glutaminezuurproduktie. In fig. 3 is te zien dat bij

t = 25 uur de grootste produktiesnelheid wordt bereikt. Uit de helling

volgt:

0.128 kgl s :: 0.869 mol/s 2.31 0.869 _{2.449 mol O/s.}

r

Glu - 0.82 :t:

r

a-keto 0.023 kg/s :: 0.158 mol/s

-

2.72 x 0.158 0.521 mol O/s.

0.82

En derhalve r 3

O = 2.449 + 0.521 = 2.97 molis:: 0.067 m 02/s.

2

komt goed overeen met het 02-verbruik in de

Deze waarde

Onder optimale omstandigheden 1S de 02-overdrachtssnelheid (OTR)

OTR 10-6 _{mol O/ml. Imin.}

ffl.."~

_{.... "}

_")

C~k.<·~,b-V.

10-6

x

22.4

x

10-3

x

200

x

106

x

1/60

=

0.074 m3 02/sec/ferm.

Er 1S dus 7.4

x

10-2 :t: 100/21 0.35 m lucht/ferm./sec. nodig. 3

De lucht wordt echter in de fermentor niet geheel uitgeput. Geschat wordt

dat voor voldoende beluchting 4-5 keer zoveel lucht nodig is (12).

Het

luchtde~iet

wordt dan 1.5 m3/ferm./sec. (0.45 vvm). De uitputting

be-draagt 0.35

x

21/1.5

=

4.9% , een waarde die goed overeen komt met de

praktijk. (1) geeft als beluchtingssnelheid voor industriële bereiding van

glutaminezuur waarden tussen 0.5 en 1.0 vvm.

De lucht wordt toegevoerd met een op de bodem geplaatste sparger (diameter

gelijk aan die van de roerder). Stofoverdracht

Met behulp van de OTR kan de minimaal benodigde k~a 1n de fermentor

bere-Kend worden: f..c O 2 (5.9) 3

van zuiver water is 0.25 mol/m . In een fermentor met overdruk ligt

deze waarde wat hoger. In fermentatiekulturen lost echter minder O

2 op dan

in zuiver water. Daarom hebben wij de waarde Q.25 mol/m3 aangehouden.

u

(

c

e

( (

o

0

o

- - -

-Invullen van (5.9) geeft k a

i

Menging

0.067 sec-I.

I

Omdat de produktie van glutaminezuur sterk afhankelijk is van een goede .

menging moet er in de fermentor geroerd worden. Gekozen is voor een

zes-bladige (Rushton) turbine vanwege z~Jn goede karakteristieken bij hoge

Reynolds en bij hoge gasdebieten. Voor optimale menging zijn twee

roer-ders nodig die geplaatstworden op 2.3 en 4.6 meter van de bodem (afstand

D en 2D).

Voor de fermentor en roerder z~Jn de volgende afmetingen gekozen:

H

=

Vloeistofhoogte Begin (164 m3) 6.3 m.

Eind (200"m3) 7.7 m.

T Diameter fermentor 5.75 m.

D 0.4T Diameter roerder 2.30 m.

H

=

R O.2D Hoogte roerblad 0.46 m.

Dbl

=

0.25D

=

Breedte roerblad 0.58 m.

Met behulp van bovenstaande gegevens kan het minimaal benodigde

roervermo-gen berekend worden (6) :

P

k _i a = 2.6 _{___________} * 10-2 X ( Vg )0.4 *(u )0.5 _s (5.10)

met: P

Iv

opgenomen vermogen per volumeeenheid, gecorrigeerd

g voor beluchting ( W/m3)

u

1.5/(0.25*~*T2)

0.0578 mis

s

Bovenstaande formule (nauwkeurigheid

Invullen van de gegevens levert P

Iv

g

geldt dat P

lp

~ 0.4 (13). Derhalve

g

20-40%) geldt voor zu~ver water.

=

376 W/m3. Bij hoge gasdebieten

p/v

=

941 W/m3.

Om een redelijke mengtijd te verkrijgen moet echter een zo groot mogelijk

.---~

vermogen worden toegevoerd. Voor dit type fermentatie geldt een maximale

p

Iv

=

5 kW/m3. _

~

c.j-<-

,;.1- --{/> kj v •. ... _ {)1 f1....

De roersnelheid wordt berekend met:

P

=

_{N *} p P * N 3 * D5 (5. I I) met: N Vermogenskental (-) p 103 3 p Dichtheid

=

kglm N Roersnelheid (s-l) 18

j

Voor het vermogenskental geldt (13) :

N P

160

x

Dbl

x

H_R

x

(D - D_bl) D3

Invullen geeft N 6. Voor twee roerders wordt N 12.

p p

Bij maximale p/V wordt P

=

5

*

103

*

164

=

8.2

x

105

w.

Invullen van (5.11) levert N 0 1.0 s-l

Procestijden

(5. 12)

Omdat de relaties voor de mengtijd t in beluchte vaten niet erg

betrouw-m

baar zijn, z~Jn hiervoor twee vergelijkingen nagegaan: III~ t.;.J'/

J. cp t

*

(ND2)2/3

*

gl/6

*

DI/2/HO•5

*

T1.5

~d:

(5.13)

m

waar~n: cp 5 (bij hoge Reynolds)

2

g gravitatieconstante = 9.81 m/s

(10)

I \

I \Nvv (5.14) (6)

Invullen van de gegevens: 1. t

m 2. t m 31 sec 22 sec. " _l/~

_.

'Î

De 02 verbruiktijd ~cO /OTR bedraagt 1/0.067

=

15 sec.

2

De 02 overdrachtstijd l/k~a (met 5.10) = 1/0.13 7.7 sec.

Ondanks optimalisatie van de mengtijd door gunstige R/T en T/D

verhoudin-gen en een hoog ingebracht vermogen is het dus nog steeds mogelijk dat er

gradiënten in de 02 concentratie ontstaan. Hold-up

Door Calderbank (14) ZlJn relaties afgeleid voor het berekenen van de

hold-up in geroerde beluchte vaten, maar zijn experimenten zijn uitgevoerd

in kleine vaten ( V <0.1 m3) en bij lage superficiële gassnelheden

(u <0.6 cm/s). Zijn relaties zijn daarom niet te gebruiken. In de praktijk

s

blijkt de hold-up 10-15% te zijn.

( \ . ./ (

c

( ( (

o

o

o

Warmteproduktie en koeling van de hoofdfermentor

Om de benodigde hoeveelheid koelwater te berekenen wordt een

energieba-lans over de fermentor opgesteld:

Energieproduktie : Energieafvoer a. Roervermogen b. Compressievermogen c. Reactiewarmte 0.82 Mhl 0.15 MW

d. Verdamping van water (door beluchting)

e. Koelwater

20

c. De reactiewarmte r

H kan worden berekend uit het 02 verbruik volgens (15):

r

H

=

r ₀₂ * 455 _mo kJl ₀₂

=

455

*

2.97

=

1.35 * 10 3 kW (5. 15)

De totale energieproduktie wordt hiermee 2.32 MW.

d. Het koelend effekt door verdamping van water kan berekend worden indien

we aannemen dat de lucht die uit de fermentor komt verzadigd is met

wa-terdamp (350C). Er wordt belucht met 1.5 m3/s lucht (70% relatieve

voch-tigheid bij 20oC). De concentratie waterdamp in verzadigde lucht is:

bij 200C bij 350C c 0 H 20,20 C c 0 H 20,35 C 17.0 * 10-3 kg/m3 39.1 * 10-3 kg/m3 Er verdampt derhalve 1.5 * (39.1 - 0.7 * 17.0) = 40.8 g. H 20/sec. 3

Dit is 6.609 m per fermentatie.

Met c

=

1000 kJ/kgK en

p,lucht 2400 kj/kg wordt de totale

koe-ling door beluchting: Verdampingswarmte Voelbare warmte Totaal 1.2 * 105 W. 0.0408 * 2400 = 9.8 * 104 W 4 1.5 * 1000 * (35 - 20) = 2.3 * 10 W. 6

e. Met het koelwater moet aan warmte ~ Ca + b + c) - d

=

2.2 * 10 W

w

afgevoerd worden. Nemen we de temperatuurstijging van het koelwater T

o

van 10 C, dan wordt het

~v

,

k ~w c H 0 *p

*

tJT p, 2 koelwaterdeb~et ~ k: v, 6 2.2

*

10 2 3 ~~--~~~-~1~0 = 5.238 * 10- m /s 4200"* 1000 h

Om de oppervlakte van de koelspiraal te berekenen moet eerst de totale

warmteoverdrachtscoëfficiënt U bekend zijn:

(5.16)

U Cl

i ) ( ( ( (

o

()

waarin: _al warmteweerstand koelwaterzijde

a

2 warmteweerstand beslagzijde

dl>- warmteweerstand koelspiraal

al wordt berekend uit het Nusseltgetal:

Nu

=

0.027

*

ReO.8

*

prO.33

4

Bovenstaande relatie geldt als Re > 10 en Pr > 0.7. Het

0.2 m.

~

_v 10.25

*

~

*

D 2 _s 1.667 mis. D _sp~raa . 1 v _sp~raa . 1 10-3 Ns/m2 0.623 H/mK volgt dat Re

=

3.3

*

105 en Pr

Invullen van (5.17) levert Nu = 1.335

*

10 3 . Voor Nu geldt:

Nu a]

*

Dspiraal

À

2

waaruit volgt al

=

4159 Wim K.

(5.17)

6.742.

(5. 18)

Bij hoge roerintensiteiten kan a

2 berekend worden met behulp van

Bijla-2 1/3

ge 5 (17). Er bes~aat namelijk een verband tussen (ReGFrGPr

L) en St waar~n : St Stantongetal 21 ReG Reynoldsgetal(gas) ReL Reynoldsgetal(roeren) Fr G Froude getal(gas) =a_{2/ PL}

*

cp,L

*

Us u

*

_D

*

_{PL/n L} s 2 N x D xPL

I

_nL 2 u I(g

*

D) s 1.33

x

105 5.3 x 106 1.48

*

10-4 Pr L Prandtgetal(kultuur) cL x nLhL 6.74

Hierbij is aangenomen dat de kultuur bij benadering dezelfde fysische

eigenschappen bezit als water. Uit Bijlage 5 volgt:

St waaruit volgt a

=

2

Neemt men als dikte van de wand van de koelspiraal d

=

0.0025 m. en

À 1

=

16 W/mK dan kan met behulp van (5.16) de totale warmteoverdrachts-staa

coëfficiënt berekend worden. U

=

1687 W/m2K.

Nu U bekend is kan het oppervlak van de koelspiraal A berekend worden met:

( ( ( ( (

,n

o

waarin: U lIT ln 1687 Wim K 2 lIT - lIT kl gr lIT ln(lITgr) kl 6 2.2

x

10 W 15 - 5 9.1 K ln(J2) 5 2

Aldus wordt A

=

143.3 m . Met D .

=

0.2 m. wordt de lengte van de

sp~raal

koelspiraal 228.1 m. Neemt men als diameter van de winding van de koelspi-raal 5 m. dan zijn er J4.5 windingen nodig.

De drukval in de koelspiraal wordt berekend uit de drukval ~n een rechte buis (16)

lip

=

4f

x

x

p

x

v 2

x

L/D

spiraal spiraal (5.20)

met: Re 3.3 ;: 105

x

0.001

volgt met Bijlage 6 uit (16) dat 4f 0.020 en derhalve lip = 0.32,atm.

De drukval in een spiraal zal iets hoger zijn:

D . 1

lip

x

(1 + 3.74

x

Dsp~raa ) = 0.36 atm.

winding

(5.21)

lIPspiraal

N.B. Een koelspiraal heeft het nadeel dat hij van tijd tot tijd moet

wor-22

2

den schoongemaakt. Gezien het buitenoppervlak van de fermentor, 150 m ,

zou een koelmantel daarom logischer zijn. Echter :

- al is bij een koelmantel aanzienlijk kleiner. Wij schatten deze op

2000 W/m2K (16) ~- ~

À/d 16/15

x

10-3 = 1000 W/m2K

5098 W/m2K

2

De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt U wordt dan 612 Wim K, en daarmee A = 395 m2. De fermentor

blijkt

~

dus

niet met een koelmantel gekoeld te kunnen worden.

(

c

c

( (

o

o

o

10 5.3 De entfermentatie

De berekeningen voor de entfermentatie verlopen weer geheel analoog aan die van de hoofdfermentatie. Daarom zullen de berekeningen verkort worden weer-gegeven.

In de entfermentor vindt groei van de bacterie plaats volgens de reactie-3

vergelijking afgeleid in 4.1. Er zijn 3 entfermentoren ( V =14 m ). De sa-menstelling van de kultuurvloeistof is gelijk aan die in de

hoofdfermenta-tie. Er wordt geen substaat toegevoerd.

Voor de entfermentor zijn de volgende afmetingen gekozen:

T 2 m. D 0.3T 0.60 m.

HL 3.2 m. H_R 0.2D 0.12 m.

D

bl= 0.25D 0.15 m.

23

Geroerd wordt weer met een 6-bladige Rushton turbine ( één roerder op 0.6 m. van de bodem)

Beluchting

3

Om 93.5 kg azijnzuur (

=

1.2% arnrnoniumacetaat ~n 10 m ) om te zetten ~s volgens vergelijking (4.7)

93.5 103 u 2

3.16 = 1.12

u 103 1 0 d'

60

x

A A mo 2 no ~g.

Bij een uitputting van 3% en een fermentatieduur van 15 uur is er gemiddeld

1.12 x 103

x

22.4

x

10-3 x

1~0

x 3600x15 = 0.015 m3 lucht/sec. nodig. Geschat wordt dat een luchtdebiet van 0.05 m3/sec. ruim voldoende is voor beluchting.

Stofoverdracht

Om aan de veilige kant te blijven nemen we aan dat de maximaal te bereiken OTR gelijk ~s aan die in de hoofdfermentatie. ( Bij een O

2 verbruik van 1.12 x 103 mol/fermentatie is het gemiddelde verbruik IOx zo laag). De kia blijft derhalve 0.067 s-l.

Menging Met u s 2 0.05/0.25 x TI x T = 0.016 mis wordt P /V = 1.87 x 103 W/m3. g 0.4. Het vermogenskental N -1 P

=

2.9 s . Aangenomen is dat nog -steeds geldt P

lp

3g 3

nu 6. Hieruit volgt p/v = 4.68

*

10 Wim en N

c

( (

c

c

in

o

o

o

24 Procestijden De mengtijden worden: t (5.13) m 12.8 sec. t (5.14) 11.5 sec. m

Aangezien de 02-overdrachtstijd nog steeds IS bedraagt zijn de mengtij-den nu wel goed.

Warmteproduktie en koeling a. Roervermogen 4.68

*

104 W b. Compressievermogen 2.61

*

103 W c. Reactiewarmte :

Het gemiddelde 0 -verbruik in 15 uur ~s

2 2

2.07

*

10- molis. Stelt men het maximale 02-verbruik op 3

*

10-2 molis,

dan wordt r

H = 1.37

*

10

4

W. d. Afkoeling door beluchting :

3

Als gedurende 15 uur wordt belucht met 0.05 m

Is

lucht ( 70% rel. vochtigheid bij 20°C) dan verdampt er

_3

0.05

*

(39.1 - 0.7

*

17.0)

*

10

*

IS

*

3600

=

73.4 kg. water.

Dit komt overeen met 3.3

*

103 W. De voelbare warmte bedraagt 7.5

*

102

w.

3

Totaal door beluchting 4.05

*

10 W.

4

e. Met het koelwater moet 5.9

*

10 W warmte afgevoerd worden. Het koel-waterdebiet bedraagt dan 1.41

*

10-3 m3/s.

De koeling blijkt nu wel met een koelmantel uitgevoerd te kunnen worden:

2

Aangenomen ~s dat al

=

2000 Wim K (16). Verder z~Jn :

dlÀ 3.5

*

10-3/16

=

2.2

*

JO-4 m2K/w u 0.0239 mis s D 0.6 m. a 2 wordt dan 4015 W/m 2 K en U = 1032 w/m2K. De oppervlakte van de koelspiraal A

=

6.3 m2.

2

Daar het totale oppervlak van de entfermentor 31.4 m bedraagt is koeling met een koelmantel inderdaad mogelijk.

u

(

c

(

(-o

o

5.4 De opwerking 5.4.1 Centrifugeren (20)

Voor de verwijdering van biomassa (concentratie 18 kg DS/m3) is gekozen

voor ee~ dekanteercentrifuge ('Continous scroll discharge centrifuge').

Aangezien bacteriën te klein zijn om te centrifugeren vindt als

voorbehan-deling flokkulatie van de biomassa plaats. Een geschikt flokkulens is

bij-voorbeeld Dicalite. Bij de gekozen centrifuge kan flokkulatie eventueel in

de centrifuge plaatsvinden. Bij een goede bedrijfsvoering is de

flokkulent-dosage kleiner dan 2.5 kg/ton biomassa.

Om een volumedebiet van 20 m3/uur (

=

1200 m3/60 uur) en een concentratie 3

vaste stof van 90 kg/m (20% DS) te kunnen verwerken moet de centrifuge

als volgt z~Jn gedimensioneerd (3) :

Diameter 'bowl' D 0.635 m. ( 25 inch)

Toerental N 3000 rpm.

Centrifugaalkracht 3190 g.

Lengte 'bowl' L 2.90 m. (lIS inch)

Een centrifuge kan alleen ontworpen worden met behulp van schaal proeven

met geometrisch gelijke centrifuges. Men volgt hierbij het zgn. Sigma (I)

concept. Voor een dekanteercentrifuge geldt: 2

I =1TxLx D x w x D

2 x g

waar~n : _w N x 21T/60 314 rad/s.

4 2 Invullen van de gegevens levert I = 1.8 x 10 m.

(5.22)

Houdt men ~ /E constant dan kunnen resultaten van proeven op kleine

y

schaal worden geëxtrapoleerd naar de praktijk.

Voor het vermogens gebruik P geldt (6) :

2 2

P = 0.25 x ~v x w x D (5.23)

Invullen geeft P 55 kW.

De afgescheiden biomassa wordt gesteriliseerd om te voorkomen dat

pro-duktiestarnmen het bedrijf verlaten. Deze biomassa kan als veevoeder ver-kocht worden.

u

( ( ( (

n

o

o

26 5.4.2 De ionwisselaar (21)

Ter verwijdering van organische zuren, vnl. a-ketoglutaarzuur, wordt ge-bruik gemaakt van een Amberlite 910 sterk basische (anion)wisselaar (19,23). Deze ionwisselaar heeft de volgende eigenschappen:

Capaciteit pH

Debiet Porositeit

Deeltjesdiameter

0.31-0.56 mol eq/liter ionwisselaar

5-8

1-2 m3/m3 ionwisselaar/uur

Wij hebben gekozen voor een bedrijfsvoering waarin een kolom ln bedrijf lS

en een kolom regenereert.

Schat men de capaciteit op 0.48 eq./liter ionwisselaar en de concentratie

organisch zuur op 0.04 eq./l. (

=

6 gil. a-ketoglutaarzuur) dan is er totaal

1200 * 0.04/0.48 = 100 m3 ionwisselaar nodig.

Kiest men een superficiële vloeistofsnelheid v van 5 m./uur dan volgt met

~

= 20 m3/uur dat de diameter van de kolom D 2.25 m. moet zijn. Is de

ko-v 3

lom 5 m. hoog ( V.

=

20 m ) dan is het debiet per volume ionwisselaar

3 3 lonw.

-I m /m ionwisselaar/uur.

De kolom wordt iedere 12 uur geregenereerd met 4% NaOH met een snelheid van

0.5-5 bedvolumes/uur.

Bij een equivalente toevoeging lS per regeneratie

~aOH

6* 0.2 ~ 1200 * M

a,-keto

1440 _{* 146} 40 394 kg NaOH nodig.

Bij het regenereren wordt het Na-zout van a-ketoglutaarzuur gewonnen. Deze hoeveelheid bedraagt :

6* 0.2 * 1200 *

~a-zout

a,-keto

1440 * 146 168 = 1657 kg.

De drukval over de kolom wordt berekend met de Ergun-relatie: t:2 liP dd * H * -6--:"(-I--t:-:)-*-p-x-v-2 1 70 ( 1 -t: )

*n

6

*

v

*

dd

*

P waarin: H P n Hoogte kolom Dichtheid vloeistof Viscositeit

Invullen van (5.24) geeft liP

=

0.38 bar.

.... 1. 75 6 5 m. 1000 kg/m3 10-3 Ns/m2 (5.24 )

Indien de aanwezigheid van tlg2+ en Ca2+ ionen stoort bij de kristallisatie

u ( ( ( (

c

o

o

- - - - ~---- -5.4.3 De hercompressieverdamper (3,21)

Om de energiebehoefte van de indampsectie zo laag mogelijk te houden heb-ben we gekozen voor een mechanische hercompressieverdamper. De heb-benodigde energie wordt door een compressor aan het systeem toegevoerd. De motivatie van deze keuze volgt na de berekeningen.

De ingaande stroom (21) wordt zóver ingedampt, dat de uitgaande stroom (23) verzadigd is met MSG.IH

20 bij 50

o

C, de werkingstemperatuur van de kristal-lisator .

Bij 500C lost 0.478 kg. MSG.IH

20 op in 0.522 kg. H20. Dit komt overeen met

een ionenfraktie 6x 0.14. De kookpuntsverhoging 6T wordt nu berekend met:

met: R

x

T2 - H - -

x

in (1 - 6x) T H v v Verdampingswarmte (5.25 ) 40 kj/mol

Invullen geeft 6T = 4 K. De werkingstemperatuur van de verdamper ~s

der-halve 1040C (1 atm.).

27

De ingaande stroom bevat nog een aanzienlijke hoeveelheid ammoniak van de fermentatie. Deze moet worden verwijderd en kan dan opnieuw gebruikt worden. Uit evenwichtsgegevens van het systeem NH

3/water kunnen we schatten hoeveel

ammoniak er in de verdamper wordt verwijderd. Hierbij ~s aangenomen dat de

NH

3 in de uitgaande vloeistofstroom (23) in evenwicht ~s met de damp uit

stroom (22) ~ . .

o / I",... . >'-'~"'I

Uit Bijlage 7 volgt dat bij 104 C een partiaalspanning van 16 Torr 3 ( - 0.021 atm.) in evenwicht is met een concentratie van 2.2 Ncm /g.H

20

( _ 1.65 g.NH

3/kg.H20)

Onder deze voorwaarden geeft de massabalans van NH

3 over de verdamper: Totaal in Vloeistof uit Damp uit Totaal uit NH 3

=

84.8 g./sec. Water = 0.510 kg/s NH 3

=

0.51

x

1.65

=

0.8 g./sec.

Water = 4.178 kg/sec. (

=

232.1 mol/sec

=

760 Torr)

NH

3 16 Torr

=

16/760

x

232.1

=

4.886 mol/sec.

83.1 g./sec. NH

3 83.9 g./sec.

De nauwkeurigheid van Bijlage 7 laat geen betere schatting toe. In het sys-teem NH

3/Water wordt derhalve 99% NH3 verwijderd. In de praktijk hebben we

te maken met het systeem H

( (

c

( ( ,

I

I

( î

o

28 percentage NH

3 verwijderd worden. Aangezien kwantitatieve

evenwichtsgege-vens ontbreken, stellen we dat alle NH

3 met dampstroom (22) meegaat. 'IJ'; 11.1 [Att1--

,-Uit de enthalpiebalans over de verdamper ~~at er 538.8 kW compressie-vermogen toegevoerd moet worden. Met :

-p

--- *

~mol

*

R

*

T _ln(-) PI (5.26)

n P2

waar~n: 4.178 kg.H

2ü/sec. + 0.0848 kg.NH3/sec. 237.1 mol/s. 377 K

I atm.

n

= 0.7

volgt dat P2

=

1.66 atm.

De compressieenergie wordt opgenomen door stroom 22, waardoor deze overver-hit raakt: 1680e (1.66 atm.). Deze oververhitte stoom mag niet rechtstreeks

gebruikt worden om in te dampen, omdat er dan plaatselijk in de condensor

een te sterke warmteoverdracht is, met als gevolg kristalafzet op de spi-raal. De stoom moet worden afgekoeld tot een temperatuur waarbij deze bij 1.66 atm. verzadigd is ( T

=

114oe). Dit gebeurt door water van 1140e in de oververhitte stoom te spuiten.

Het condensoroppervlak kan worden berekend met:

A = ~

/tp

*

I'IT) w met: ~w 538.8 kW U 3000 W/m2K (25) fiT looe waaruit volgt: (5.27) A ~ 18 m 2

De keuze van een mechanische hercompressieverdamper ~s alleen te verant-woorden als de verdamper werkt met een relatief klein T-verschil (6-12 K),

terwijl ook de kookpuntsverhoging klein moet z~Jn ( <10 K). Aan deze voor-waarden wordt voldaan: fiT = la K en kpv. = 4 K.

Met (21) kan de'energy use ratio' berekend worden: 'Energy use ratio' Energie verdampt

Energie input (5.28)

De verdampingwarmte van water bij 104°e ~s 2246.4 kj/kg. Daarmee wordt de e.u.r.

=

4.178

*

2264.6/538.8

=

17.4 . Het energieverbruik in dit systeem ligt aldus zeer gunstig. Echter, de 538.8 kW mechanische energie moet eerst met aanzienlijke verliezen uit warmte worden opgewekt. Als hiervoor 3x zo-veel thermische energie voor nodig is geweest wordt de e.u.r. 5.8 .

\, ( (

c

,r') (~)

o

n

5.4.4 De ontkleuring

Voor het ontkleuren van de vloeistof z~Jn er verschillende mogelijkheden:

I. Adsorptie aan een aktief koolstof kolom. 2. Filtratie met aktief koolstof.

3. Toevoeging van een kationisch oppervlakte aktieve stof.

4. Wassen met licht alkalisch water ( na de kristallisatie) .

In het processchema is een aktief koolstof kolom opgenomen.

5.4.5 Kristallisator + centrifuge (3) Aangezien de oplosbaarheid van MSG.IH

20 slechts weinig

temperatuurafhanke-lijk is (4) zal door afkoeling van een hete, verzadigde oplossing slechts

een geringe hoeveelheid MSG.IH

20 uitkristalliseren. Daarom vindt kristal-lisatie onder gelijktijdige verdamping plaats (evaporative crystallizer). Om kristalafzet op de verwarmingsspiraal te voorkomen wordt energie aan dit systeem toegevoerd onder verhoogde druk. Er kan dan geen verdamping en

29

\ dus ook geen kristallisatie optreden.

,

-~ v.,J' " \ \'''l

\ ; " I

Het gekozen _{r - - - . _______} type is een zgn. 'forced circulation crystallizer'. Slurry die uit de "body" komt wordt in een circulatiepijp rondgepompt en in een

warm-tewisselaar 2-So

e

opgewarmd. De oververhitte slurry keert terug in de "body" en geeft daar zijn warmte af.

o

De kristallisator werkt bij 50

e.

De kookpuntsverhoging wordt berekend met:

R

*

T2 ln( 1 - I'1x) I'1T H

*

(5.29) v waarin: 1'1 x 0.14 H 40 kj/mol v T

sooe

=

323 K

Hieruit volgt dat I'1T 3 K. De dampspanning boven de vloeistof is dan 0.105 atm. (verzadigde dampspanning bij 47o

e).

Dit is ook de druk in de kristallisator. Deze druk wordt in stand gehouden door afzuigen van V 34. uit de enthalpiebalans over de kristallisator blijkt dat er 1005.9 kW warmte toegevoerd moet worden. Dit gebeurt door stoominjectie in heater H 26. Er is 1005.9/2036.9

=

0.494 kg/s stoom nodig (cond. warmte stoom

1900

e =

2036.9 kj/kg.).

Stelt men de temperatuursprong van de slurry ~n de heater op 4 K dan blijkt met:

) ~ . ( ( ( ( I, 1

o

~2o,500e

209.3 kj/kg } 16.71 kj/kg

~2o,540e

226.03 kj/kg c 1106 kJ/kgK p,MSG.IH 2O _} ÓT 4 K

Ó~SG.IH20

= 4.42 kj/kg

dat de enthalpiebalans over de heater kloppend is, als de

circula-tiestroom 178.55 kg/s bedraagt.

Om te voorkomen dat de slurry in en na de heater gaat koken moet de druk

daar op 0.130 atm. worden gehouden. Dit is de verzadigingsdruk van water

bij 54 - 3 = 510e.

De kristallen worden afgescheiden en gewassen ~n een Pusher-centrifuge.

De hoeveelheid waswater bedraagt 0.1 kg H

20/kg MSG.1H20.

Een dergelijke centrifuge heeft een vermogensgebruik van 0.5-3 kWhr/ton DS.

Dit komt overeen met een verbruik van 1-5 kW (3).

Bovenaan de kristallisator wordt water afgedampt. De dampstroom wordt

o

afgekoeld tot 25 e waarbij de damp condenseert. Met ÓH 50 0

°

v,

e,

H 2

2381.4 kj/kg wordt de hoeveelheid benodigd koelwater:

<Pv

,

k <P

x

(c H

°

x

ÓT + 6H 0 ) v,d p, 2 v,H 20,50 e 27.17 kg/s. óT

x

c koelw. p,H 20

Het opvangvat V 34 wordt onder verminderde druk gehouden, zodat de druk ~n

de kristallisator 0.105 atm. blijft.

u ( (

c

r ,

r

c'

o

o

o

5.4.6 De droger

De kristallen worden gedroogd in een roterende droogtrommel ('direct rotary dryer') waar warme lucht doorheen geblazen wordt. Om de droger te kunnen berekenen zijn de volgende aannamen gedaan:

- De kristallen die uit de centrifuge komen bevatten nog 5% water. - c

p,MSG.1H 20

1106 J/kgK - Hold-up 10%

- De ingaande luchtstroom bevat 11.9 g.H 20/m

3

(70% rel.

- De uitgaande luchtstroom bevat 41.4 g.H 20/m 3 (50% vocht. bij 20oC)

"

50 o C) o

- De temperatuur van de kristallen die uit de centrifuge komen ~s 42 C.

Een hoeveelheid water van

warme luchtstroom ~ . Als

v

dan wordt het luchtdebiet:

0.021 kg/s (5%) moet worden opgenomen door de

3

P

l uc t h

=

1.2 kg/m en c p, uc t 1 h

=

1000 J/kgK

0.021 3

~v (41.4 - 11.9)

x

10 3 = 0.712 m /s

=

0.854 kg/s.

De totale overgedragen hoeveelheid warmte ~ wordt berekend uit de

enthal-w

piebalans over de droger:

97.1 + 78.8 - 17.1 - 79.5 79.8 kW

o

Door de stoominjectie wordt stroom (35) 93.5 C opgewarmd. De temperatuur

o

van de lucht die de droger ingaat is derhalve 20 + 93.5 = 113.5 C. De hoeveelheid ingebrachte stoom is 0.039 kg/s.

Kiest men nu : L D Lengte droger Diameter droger 9 m. 1.5 m. 31

dan volgt met (3):

(5.30) dat N

=

1.6. N ~s het aantaloverdrachtseenheden. Drogers worden

t t

het meest economisch gebruikt als 1.5 < N < 2.5.

t

De verblijf tijd is de hold-up gedeeld

2

De hold-up is

O.l

:

x

0.25

x

TI

x

D x L

0.42 kg/s. Schat men de dichtheid van

verblijf tijd 1.47 uur.

door het debiet.

=

1.59 m3. Het vloeistofdebiet is

3

MSG.1H

20 op 1400 kg/m , dan wordt de

Door instelling van de draaisnelheid en de helling van de trommel kan deze verblijf tijd gerealiseerd worden.

J

o

o

104' STOOMINJECT[UR 1042 WACHT PIJP C 1 COMPRE SSOR T • PVA·lUCHTFllTER H ~ WAPMT[WISSElAAR P e POMP V 7 WACHTTANI( P e POM. R Q ENlfEII""'[NTOR e. 3.

o

--

I R 10 r [RM[NTOR 6)11 "",,, 'VENTURIEMENGER P 12 POMP V 13 WACHT T "'tllI( P \.4 POMP M 1~ SCHROEFCE tHRtFVGE T 16 IO~,jEHWISSELAAR M17 V[NTURt[M[NG(R C 16 COMPRESSOR

,

v 19 H[RCOMPRES5t[V(RDAMPER H20 WARMTEWISSELAAR P 21 POMP T 22 AC TIE F KOOLKOLOM P 23 POMP M24 TRANSPORTLADDER P 2S BLOWER H26 H(AT(R P 27 POMP P 28 POMP 1'0129 CENTRIFUGE MlO DROGER H 31 HEATER v32 KRISTALLI$A10R H 3) eONDE NSOR V 14 OPVANGVAT ' \ M24

'"

'1

[J

-: M29

~ l~"'"

-: ~ 42 1.0 b 38 ?URG~ .. ;.UCHT ( ... OCrlt,~)

MONO NA TRIUMGLUT

AMAATMONOHYDRAAT-BEREIDING UIT AZIJNZUUR

JThMvanlrnel rvO. nr 2521 MAGv"K~ Janu~"Î'062

OStroorrnr [TITefl"Q IIl-C

®A.t4

dnJk n ba"

W N

33

6. Massa- en warmtebalans

. . h 00

De warmte ~s gegeven ten opz~c te van C.

Alle stoffen z~Jn ~n opgeloste toestand.

c

( ( (

n

o

o

u

M

( 4.357

c

( 0.199 ( (

o

o

4.556 0 :

IN

_waarts

Voor-

Massa -en

Retour

UIT

Warmtebalans

Q

M

STERILISATIE

M

_M

Q

KULTUURVLOEISTOF

Q

183.0 ~LOEISTO~

®

4.556

5

STERIEL r 4.357 1825.6

-@---~L

STOOM

_M

4.556 566.1

-<D

1

_--@-

2391.9 749. 1

...:

Totaal

_~ 4.556

Màssa in kg/s

Warmte in kW

Fabri eks voorontwerp

No:

34

Q

749.0

-:)

o

'-A

pparaa tsTr oom

, Compo

'

nenten

Kultuurvloeist. geco Kultuurvloeist. verd Stoom

Totaal:

J.-Apparaatstroom

, Componenten

Totaal:

,

M

in kg/s

0.

in kW

,

o

o

1

M

Q

-

--

_-

-0.199 566.1 0.199 566.1

M

Cl

-;

"

2 5

M

Cl.

M

Cl

M

4.357 183.0 4.357 1825.6

--

-

-

-

4.566

-

-

-

-

-4.357 183.0 _4.357 1825.6 4.556

M

Cl

M

Cl

M

,

Stroom/Componenten staat

,...,

' Î 8

0.

M

-

-2391.9 4.556

-

-2391.9 4.556

Cl

M

-9

=

10

Q

-749.0

-749.0

Cl

I ,

c

w V1

u ( ( ( ( Ir, I

o

o

o

Massabalans voor de ent- en hoofdfermentatie.

Stroom 1n Nummer Massa(kg) ent

Azijnzuur 11 93,5 Ammoniak 11 26,5 Entvloeistof

-

-Proceswater 11 9.922,6 Proceswater ammoniak

-

-Koelwater

-

76.140 Zouten 11 48,6 Zuurstof

-

35,9 86.267,1

Stroom uit Nummer Hassa(kg) ent

Ammoniak 13 20, I

Biomassa 13 46,6

Glutaminezuur

-

-a-keto glutaarzuur

-

-Proceswater 13 '9.849,1

Gevormd water (reaktie) 13 35,6

Koelwater J3 76.140 Zouten 13 48,6 Kooldioxide 13 53,7 Verdamping ~ 73,4 86.267,1 36

Nummer Hassa(kg) hoofd

3,12 26.060,5 7,12 5.074,6 13 10.000 12 150.000 7 15.163,5

-

8.485.560 12 972 6 8.974 8.701.804,6

Nummer Massa(kg) hoofd

14 3.073, I 14 3.614 14 13.200 14 1.209 14 169.046,5 14 8.811 14 8.485.560 14 972 14 10.319

-

6.000 8.701.804,6