De enzymatische hydrolyse van papierafval tot suikers

(1)

D

· Nr:

2591

o

Laboratorium voor Chemische Technologie

o

I . '

O'

o

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

o

...

~:

...

~~?:;:!~!_t~.~~

..

_

..

_~E: ... ~.~ .. ~.~.~.~.~~_I]. __ ._. __ ...••.

o

onderwerp:

o

TOT SUIKERS • ... -... .

o

·

" b

adres:E .. Biekman

,v.

Ostadestr. 185 ,2526 ET Den Haag opdrachtdatum:April 1984

I

F

(2)

c

(3)

( (

c

o

DE ENZYMATISCHE HYDROLYSE VAN PAPIERAFVAL TOT SUIKERS .

Fabrieksvoorontwerp april- october 1984

Afdeling der Scheikundige Technologie Technische Hogeschool Delft

Rene Kleijntjens ,Guido Gezellelaan 63 ,2624 KX Delft

b

(4)

( ( (

c

(

c

(

o

INHOUDS-OPGAVE Inhoud blz. SAMENVATTING I CONCLUSIE · . . . . . . . . • • . . . • . . . . . . . . . . .. I I l. INLEIDING · . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I

2 UITGANGSPUNTEN VAN HET ONTWERP ... 3

2.0 GRONDSTOF EN CAPACITEIT ... 3

2. I GROEI EN INDUCTIE VAN DE SCHIMMEL ... 3

2.2 HYDROLYSE VAN DE PAPIERSLURRY ... 4

2.3 ADSORPTIE VAN ENZYM OP PAPIER ... .- ...•... 4

2.4 CONTINUE BEDRIJFSVOERING 2.5 COMPUTER MODELLERING • . • • • • . • . • • • . . . • • • • . • . • . • . . . . • • . . . •. 5

• . • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • . • • • • • . • • . • . .. 5

2.6 ENKELE FYSISCHE GEGEVENS VAN PAPIER(SLURRY) ... 6

3 PROCESBESCHRIJVING 3.0 INLEIDING • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 7 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • •• 7 4 5 3.1 DE ENZYMATISCHE HYDROLYSE 3.2 DE ENZYMPRODUCTIE 3.3 ENZYMRECOVERY 3.4 VERBRANDINGS-SECTIE WISKUNDIGE OPZET 4.0 INLEIDING 4. I WISKUNDIG MODEL • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •• 7 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • . • • • • • • . • • . • • •• 7 • ••••••••••••••••••••••••••••• ' •••••• I 0 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 1 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 2 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 2 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 2 4.2 RESULTATEN

vAN

DE COMPUTER- BEREKENINGEN .•.•..•.•.••....•... 14

PROCES-CONDITIE'S • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 6 ~ 5.0 INLEIDING • .••.•.•.••••••••.•.••••••••....•.•• ) 6 5. I ENZYMPRODUCTIE • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 6 5.2 HYDROLYSE • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 6 5.3 ENZYMRECOVERY • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 8 5.4 VERBRANDING • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20

(5)

-( ( ( ( ( (

o

Inhoud 6a WARMTE-BALANSEN 6.0 ENZYMPRODUCTIE 6. 1 HYDROLYSE 6.2 ENZYMRECOVERY 6.3 ENERGIE- OPWEKKING blz. • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22 · . . . 25 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27 6bSTROOM- EN COMPONENTEN STATEN · . . . 34

t 6 OVERZICHT EN SPECIFICATIE VAN DE APPARATUUR ...•..•... 39

7 KOSTENBEREKENING 7.0 INLEIDING • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 7.1 DE INVESTERINGEN • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 7.2 KOSTEN GROND- EN HULPSTOFFEN ....••.•..•.•.•.•...•...•... 48

7.3 ELECTRICITEIT /WATER/ STOOM ...•.•..•...•..••... 49

7.4 KOSTPRIJS BEPALING ...•..•...•...••..•.. 51

8 ALTERNATIEVE VERWERKINGSMETHODEN VAN AFVALPAPIER ...•.•... 53

8.0 INLEIDING · . . . • . . . • . . . . • . . . . ' .. . . 53

8.1 ZURE HYDROLYSE · ...•... 53

8.2 VERBRANDING VAN HET AFVALPAPiER ...•...•... 54

LITERATUURLIJST SYHBOLENL IJ ST BIJLAGEN : • ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 57 . . . • • . . . • • . . • . . . 58 Bijlage Bij lage 2 Bijlage 3 Bij lage 4 Bij lage 5 Bij lage 6 Bijlage 7 Bij lage 8 Bijlage 9

Definitie van cellulase activiteit A

Wiskundige opzet voor de enzymrecovery-berekeningen B

Listing van het basic computerprogramma C Berekening van de viscositeit vld papierslurry

Gegevens voor berekening van de koelspiralen Drogings-sectie in Tr2

Resultaten van het gecorrigeerde computermodel Overzicht van chemische hydrolyse van cellulose hou-dende verbindingen

Tabel voor de bepaling van de Lang-factor

- - - -D E F G H 'I

(6)

( ( ( ( ( ( (

o

- - - -I SAMENVATTING

In dit ontwerp wordt de enzymatische omzetting van een papierslurry 1n een suiker oplössing besproken . ~Het proces is als volgt opgebouwd

De groei van de schimmel Trichoderma viride QM 9414 in continu cultuur ( 10 m3 ) gevolgd door inductie (100 m3 ) voor de productie van extracellu-lair cellulase .Na afscheiding van de biomassa wordt het enzym in contact gebracht met de papierslurry ( gedeeltelijk vers gedeeltelijk gerecycled papier ) . De slurry met een consitentie van 5% w/w papier passeert vervol-gens een serie van 5 hydrolyse tanken (vloeistofvolume 123 m3 ) , hierin wordt papier omgezet in suiker • Een deel van het niet omgezette papier wordt gerecirculeerd en een deel wordt ontwaterd gedroogd en verbrand (d.i.

250 kg papier/uur). De produkt-stroom wordt in een drie-traps tegenstroom systeem (menger-indikker) in contact gebracht met vers papier . Op deze manier wordt het in de produkt stroom gesuspendeerde enzym teruggewonnen adsorptie van enzym op het papier ; rendement 96% .

De ingaande papierstroom is 3936 ton per jaar • Voor het drogen van het niet omgezette papier moet nog eens 1417 ton papier per jaar aan de oven worden toegevoegd om de benodigde energie voor het droog-proces te leveren. Het rendement van de hydrolyse is

+/-

50 % op papier basis . Dit komt over-één met een suikerstroom van 1968 ton per jaar. Deze suiker bevindt zich in een oplossing van +/- 8 % . De suiker is een mengsel van glucose (72%) ,

celobiose (22%) , xylose (4,5%) en mannose (1,5%) .

De produktie-kosten voor de suiker zijn berekend op 1,72 Nfl/kg suiker Kijken we naar de kosten per hoeveelheid verwerkte papier dan bedragen

(7)

l ( ( (

c

o

I I CONCLUSIE

Uit dit voorontwerp is duidelijk geworden, dat het enzymatisch hydrolyseren van

papieráfvál technológisch 'wel,máar e-coriomiscn niet Iiaalbaat '-Kan -zijn .l~et is

echter wel waarschijnlijk dat de door ons berekende kostprijs zal dalen bij schaalvergroting,de gemeente Schiedam heeft een te kleine omvang voor ons

ontwerp. Wanneer het enzymatische proces concurrerend 'li:il .Z±jnmet de·:.háidige

ver-'/",' I." werkingsmethode,danmoet de prijs van 0,63 NFl per kg. tot:: 0.05 NFI per kg

V·"

lt. \

.,

'

worden teruggebracht (dit is de kostprij s voor een kg. verwerkt papied .Om dit

,IJ

\

te kunnen verwezenlijken zullen naast schaalvergroting de arbeidskosten en het benodigde vermogen teruggebracht moeten worden.Een manier om de electrici-teitskosten terug te dringen is het zelf voorzien in stroom uit verbranding(19). Een aantal knelpunten welke tijdens het onderzoek naar voren kwamen worden hier-onder kort weergegeven, dit zouden ook punten van eventueel verder hier-onderzoek kunnen zijn:

I)Het ontbreken van technologisch hanteerbare hydrolyse kinetiek

---gegevens.

2)Het ontbreken van fysische gegevens over papierslurry's,zo is er vrijwel niets over viscociteiten bekend van de door ons

ge-gebruikte slurry,we hebben met schattingen gewerkt.Ook waren er geen gegevens over het uitzakken van papierslurry's waardoor een indikker-ontwerp moeizaam tot stand kwam.

3) Exacte gegevens over het effect van enzymrecovery op de

enzymactivi-teit ontbraken.Het is onduidelijk of het cellulase systeem (wat uit

minstens 3 verschillende enzymen bestaat) in werkelijkheid on-geschonden uit de recovery komt, m.a.w. of recovered enzym nog de-zelfde activiteit heeft als vers enzym.

4) Er moet onderzoek gedaan worden naar de mogelijkheden van enzym-recovery voor wat het geadsorbeerde enzym betreft.ln ons ontwerp verdwijnt eenmaal geadsorbeerd enzym met het onomgezette papier in de oven.Dit enzymverlies is l,S maal het verlies van wat eenonge-wassen produktstroom aan enzym zou laten weglopen,het is dus de moeite waard naar dit verlies te kijken.Helaas zijn de

vooruit-I

(8)

( ( ( ( (

o

{) - 1 -1 INLEIDING

Dit voorontwerp wordt uitgevoerd naar aanleiding van een vraagdie.bij de

T.H. terecht kwam via prof. Kossen van de Schiedamse Nutsbedrijven over de mogelijkheid tot methanisering van oud papier •

In Nederland werd in 1982 2. 177.000 ton

~

"

papier en karton verbruikt •

='"

Ongeveer 60 % hiervan werd ingezameld voor hergebruik, 21 % komt in het gewone huisvuil terecht ende rest,ongeveer 19 %,blijft achter in boeken en archieven . In dit ontwerp zullen W1J ons richten op de fractie die in het huisvuil terecht komt en daardoor te vuil voor hergebruik is .

Papier bestaat overwegend uit lignine (21%) , hemi-cellulose (16%) en cel-lulose (60%) . Celcel-lulose is een keten van suiker moleculen die éénmaal ge-hydrolyseerd tot de afzonderlijke moleculen onder invloed van bepaalde micro-organismen gemethaniseèrd kunnen worden • Het cellulose bezit echter een kristalstructuur welke moeilijk aantastbaar is en is bovendien verweven met het inerte lignine. Dit alles maakt dat de afbraak van papier 1n de natuur vrij langzaam verloopt • De beschikbare energie opgeslagen 1n de suiker-mo-leculen komt dus maar vrij langzaam ter beschikking .

De hydrolyse van papier kan op twee manieren (lit. 1)

a) Zure hydrolyse . Hierbij wordt het papier 1n contact gebracht met sterk zuur b.v. zwavelzuur wat de hydrolyse tot een suiker mengsel bewerkstel-ligd

b) Enzymatiche hydrolyse .Bij deze methode zorgen enzymen (cell~lases) vcjr

de hydrolyse .

Gezien het kader van onze afstudeer-richting,zullen W1J de enzymatische hy-drolyse bekijken •

Voor een snelle hydrolyse Z1Jn één of meer voorbehandeling(en) nodig . Uit de literatuur (lit. 1) zijn de volgende voorbehandelingsmethoden bekend:

1) Delignificatie , 2) Stoomexplosie , 3) Bestralen en 4) Malen.

Bij al deze technieken gaat het erom de enzymen een goede mogelijkheid te geven bij het substraat (cellulose) te komen . Over de exacte werking van het enzym zijn in de literatuur geen duidelijke gegevens te vinden .

(9)

c

( ( ( (

o

2

-Na de hydrolyse van cellulose tot een mengsel van verschillende suikers is verdere omzetting tot diverse produkten mogelijk • In de literatuur worden o.a. genoemd ethanol, butanol , scp. Zoals uit de Schiedamse:vráagi

blijkt zou het i.d.g~ om methaan moeten gaan . Gezien de beschikbare tijd

zijn wij er in dit voorontwerp niet toe gekomen dit ook in het proces te betrekken;onze uitgaande stroom is een suikerstroom.

(10)

( ( ( ( (

o

- 3

-2. UITGANGSPUNTEN VAN HET ONTWERP

2.0 GRONDSTOF EN KAPACITEIT

Als model~grondstof is de papierfractie genomen zoals die de Zoetermeerse huisvuilscheidingsinstallatie verlaat. Dit is gedaan~omdat verwacht mag worden dat in de toekomst meer van dergelijke installati~'s gebouwd zullen worden

Belangrijk 1S dat de papierfractie V1a een hamermolen de installatie ver-laat • Zoals in de inleiding reeds is opgemerkt , is een voorbehandeling noodzakelijk voor een snelle hydrolyse . Malen met een hamermolen is één van de voorbehandelings methoden die 1n de literatuur (lit. 2) beschreven wordt . In het ontwerp zijn we er dus vanuit gegaan dat een extra voorbe-handeling niet nodig is •

De capacitiet is gebaseerd op de afvalstroom van Schiedam . Hier wordt er

+1-

4000 ton papier per jaar als afval geproduceerd Omgerekend naar een continue stroom ,met de aanname dat de fabriek 90 % (328 dagen) van het jaar in bedrijf 1S , betekend dit een stroom van

+1-

500 kg papier/uur.(lit.3)

2.1 GROEI EN INDUCTIE VAN DE SCHIMMEL

De gegevens voor de groei en inductie zijn afkomstig uit lito 4 .

Als enzym-systeem wordt de cellulase van Trichoderma Viride QM 9414 ge-bruikt . De cellulase wordt geproduceerd in twee stadia . Een groei stadium waar1n de schimmel gekweekt wordt 1n een medium met een begin-samenstelling zoals aangegeven is in tabel 1.

Tabel 1: Begin samenstelling van groe1 medium

Component concentratie (NH 4)2S04 OJ 14 gil KH 2P04 0,20 gil CaCl 2 0,03 gil MgS0 4

.

7 H20 0,03 gil (NH 2)2CO 0,03 gil

Gist extract 0,05 gil

(11)

<-(

I

( ( ( ,L ( (

o

4

-De inductie geschiedt in een volgende stap bij een verdunnings-snelheid

D =0,033 hr-J • Als koolstof en energiebron wordt hier in plaats van

gluco-se een cellulogluco-se verbinding toegevoegd aan het medium . Onder de gegeven

omstandigheden wordt een enzym aktiviteit geproduceerd van 3,25 F.P.A.(lit.4) Voor de definitie van F.P.A. zie bijlage J •

2.2 HYDROLYSE VAN DE PAPIERSLURRY

...

5 % iS de maximale papierconsistentie die nog hanteerbaar is (Parenko)

Dit iS als uitgangspunt genomen voor de papierconsistentie aan de ingang

van de eerste hydrolyse tank . De stoichiometrie van de hydrolysereactie kan weergegeven worden door de volgende vergelijking

J kg cellulose ---. J kg suiker

Papier blijkt nu voor ongeveer 60 % uit cellulose te bestaan .De

maXima-le conversie op basis van papier iS dus 60 % .

De reactie kinetiek is gebaseerd op de experimentele gegevens uit lito 6

Aan de hand van deze gegevens kon een eerste orde reactie kinetiek gefit(corr:O,98

worden. De enzym concentratie bedroeg 2,7 F.P.A . •

R .

sUiker kr- C papier •

-I

me t kr = _ 0, 033 h r . , I. -';'..-"'--' • 1'-• ) ....

De geproduceerde suikerstroom is een mengsel van o.a. glucose (72%) ,

cellobiose (22%) , xylose (4,5%) en mannose (1,5%) . Voor de warmte balans

berekeningen zijn we er vanuit gegaan dat er alleen glucose gevormd wordt •

2.3 ADSORPTIE VAN ENZYM OP VERS PAPIER

Uit de literatuur (lit. 5) is bekend dat het enzym met de volgende

verdel-ingscoëfficient op papier adsorbeert: K = 2S f.p.u per gr. pap./f.p.u. per

mI slurry Verder is ook hier de concentratie ( in de menger ) op S %

ge-steld en is de verblijf tijd voor een goede evenwichts instelling uur

geno-men •

(12)

( ( ( ( ( (

o

-5-2.4 CONTINUE BEDRIJFSVOERING

In dit proces is gekozen voor een continue bedrijfsvoering.Gezien de hoeveel-heid te verwerken papier (welke in lage concentratie in het systeem zit) en de lage reactiesnelheid,zijn,in een continu bedreven systeem)het kleinere rertctor-volume en de daarmee bereikte hogere conversiegraad t.o.v. een batchuitvnering gunstige omstandigheden.Bovendien is in de enzymproduktie sectie een continue bedrijfsvoering gunstig vanwege een minimum aan sterilisatietijd.Een continu cul-tuur geeft voor zowel de groei- als de inductietank een optimale regelmogelijkheid. Naast genoemde argumenten speelt natuurlijk het groter aantal produktiedagen in een continu bedrijf mee.

2.5 CO}~UTER-MODELLERING

Uitgaande van genoemde gegevens en gedane aannamen,werd het aantal ontwerpvrij-heidsgraden beperkt.Gezien de complexiteit van het proces was het noodzakelijk de procesflow aan de hand van een computermodel te voorspellen.Wij hebben dan ook een programma geschreven uitgaande van een wiskundige modellering(bijlage 3). De procesdynamica kon met dit programma enigszins gevolgd worden.Er 1S gebruik gemaakt van een ZX-SPECTRill1 home computer.met een capaciteit van 64 K.

(13)

( ( ( (

c

( (

o

- 6

-2.6 FYSISCHE GEGEVENS VAN PAPIER(SLURRY)

Tabel 2: Fysischegegevens en samenstelling van papier(slurry) Vormingswarmte van papier H

f,pap Verbrandingswarmte van papier Dichtheid van papier

Viscositeit van papierslurry

Samenstelling van papier Cellulose Lignine Hemi-cellulose Zetmeel Soda-silicaten H verbr,pap Hars-suikers ( manno-galactans ) Synthese-harsen ( mela~inme-resin,ureum-resin 8262 kJ/kg 16800 kJ/kg 3 500 kg/m 0,83 Pa.s + 60 % + - 21 % + - 16 % + --0,5 % + - 0,5 % + - 0,01 %

(14)

c

( ( ( ( (

o

7 -3 PROCES BESCHRIJVING 3.0 INLEIDING

Aan de hand van een blokschema (fig. I) zullen de v~er procesdelen besc~e

~en worden. Deze beschrijving mondt uit in een mathematisch model (fig.4) Uitgaande van dat model is een computer-programma gemaakt , waarvan in de bijlage een liS-ting is gegeven.

3.1 DE ENZYMATISCHE HYDROLYSE (Blok 2 in fig. I)

Een cascade van geroerde tanks wordt gevoed door drie stromen: I) Een recirculatie stroom met nog niet geheel omgezet papier

stroom ; 3)verse papierstroom (punt I in fig. I)

2) een verse

enzym-De reactie kinetiek van de hydrolyse is door ons als een black-box benaderd als een eerste orde reactie . Deze eerste orde kinetiek is voorondersteld bij alle suiker ·suiker consentratie' s te gelden • M. a.w mogel ijke inhibitie

./

door bijvootbeeld . een te hoge suikerconcentratie wordt verwaarloosd . Dit laatste is belangrijk omdat de gebruikte indikker (1

4) op h~t r~c1clepunt alleen papier scheidt ,. m.et de recycle-stroom komt product in de ingangsstroom van de hydrolyse terecht . Ook de verse ingaande papierstroom bevat suiker t.g.v. het tegenstroom contact tussen vers papier en product-stroom in de adsorptie-sectie (blok 3) .De suikerconcentratie neemt in de steady-state een waarde aan van +/- 8 g/l .

Het cellulase systeem hydrolyseert selectief de cellulose in het pap~er. Omdat slechts 60 % cellulose is,zal de conversiegraad t.o.v. papier nooit boven de 0,6 uitkomen. Het niet omgezette papier wordt verbrand •

In de hydrolyse sectie zijn 2 regelbare ingangsvariabelen gekozen bij de ma-thematische opzet (fig. 4) : I) De verblij ftijd -C per tank van het papier en 2) het aantal tanks in serie N • Een belangrijke procesgrootheid welke

~n het model berekend wordt is de volumestroom fvp • Deze legt de volumina van de tanken vast. Tevens kan hieruit de grootte van de andere stromen wor-den berekend .

3.2 ENZYM PRODUKTIE (Blok I in fig. I)

Eén van de 3 ingaande stromen van de hydrolyse-sectie ~s de enzymstroom fve • Deze stroom voert vers enzym het systeem binnen en compenseert voor het

(15)

ver-~ _/

_o

o

.~

Fig. I Blokschema van het proces voor enzymatische

hydrolyse van papier . (Voor symbolen zie de symbolenlijst .)

~

~n~aande papier (met geads. enzym) ~

1

I II

'~

fvp

,

2) Cellulose hydrolyse 1n een cascade van tanks (N=5) •

De reactie is Ie orde

aan

-genomen . (Omgewerkte gegeven~

uit de literatuur)

I) Enzymproductie door Trichoderma Viride

in twee reactoren : a) groei reactor b) inductiereactor

voor cellulase

De uitgaande enzymactiviteit 3, 25 F.P.U

"""

_"""

Ingaande

I

pap. fm , -'""'l 1'""\

t

'

uitgaande product

3) Enzymrecovery uitgevoerd in eee drietraps

tegenstrooms systeem , waarbij de uitgaande productstroom met de ingaande papierstroom wordt gewassen . 96 i. van het enzym dat nog

in de productstroom is , wordt op deze ma-nier teruggewonnen . w. fvp 14 I I epapier /vloeis ...

...

~ Ischeiding. fvp

• i

(I-w). fvp

. .

Is

IS

,--I

,

2epapier /vloeist t---' scheiding •

j

14) product I

,....

I

Energieopwekking d.m.v. verbranding van niet

om-gezet papier. Dit blok is

I

l_

niet in het wisk.model

-'

betrokken ("" co

(16)

( ( ( ( ( (

o

9

-lies aan enzym V1a de verbrandingssectie (het enzym blijft aan het

pa-pier geadsorbeerd ook als de cellulose is omgezet ) en via de product-stroom (niet geadsorbeerd enzym in de recovery sectie ) • Op deze manier vindt er continue ververversing van het enzym plaats en blijft de hoeveel-heid enzym in het systeem constant • De enzym stroom komt met een activi-teit van 3,25 F.P.A. uit de inductietank • Het enzym wordt extracellulair uitgescheiden door Trichoderma Viride • De schimmel wordt eerst gekweekt

in een continu geroerde tank en vervolgens in een +/- 10 keer grotere

in-ductietank door toevoeging van cellulose tot enzymproductie gebracht .

Schematisch is de procesgang in deze sectie in figuur 2 weergegeven •

inductietank

me urn groeitank ind)

f(bior)

f

f(spui)

Fig. 2 Uitwerking van blok 1 1n fig. I

Een systeem met ~~n inductietank gevolgd door een recirculatiestroom wordt

/' in de literatuur aanbevolen (lit. 4) . Voor de recycle verhouding kozen wij

1'10 0 9 . d 5 % ( )

r = , en voor de SpU1 wer 0 volume van de recyclestroom genomen .

Biomassa verlaat alleen met de spui het systeem; in de groeitank wordt

pre-C1es aangemaakt wat de spui aan biomassa loost . Uitgaande van deze gege-vens wordt in het wiskundig model fve berekend (zie volgende hoofdstuk) .

(17)

c

( ( ( ( ( (

o

- 10

-Eenvoudig zijn dan de volumina en de processtromen te berekenen •

Continue enzym productie is een gecompliceerd proces • In het hoofdstuk betreffende de procesconditie zijn daarom een aantal vereenvoudigende aan-name's gedaan.

3.3 ENZYM RECOVERY (Blok 3 in fig. I)

Naast de recycle- en verse enzymstroom komt in de hydrolysesectie een ver-se papierstroom binnen • Deze papierstroom is in een drietraps tegenstroorns proces met de uitgaande productstroom in contact gebracht . Het

gesuspen-deerde enzym adsorbeert met-een rendement van 96 % aan het verse papier

(zie fig. 3 voor een schematische weergave) . Uit de literatuur (lit.5 ) is

Fig. 3 l.n fpro vers pap1.er r - - -... - - . . . , mI rn2 rn3 fhydro

(papier naar hydrolyse) Schematische weergave recoverysectie

(18)

<-( ( ( ( (

o

- 11

-bij de 5 % papierconsistentie in de menger de verdelingscoëfficient bekend

K = 25 F.P.U. per gram papier/F.P.U. per mI suspens~e • De benodigde tijd

voor evenwicht is op een uur gesteld. In bijlage 2 is de methodiek besch-reven waarmee deze sectie is doorgerekend . Deze aanpak was nodig om de en-zym-recovery in de wiskundige modellering te betrekken . In deze sectie is de ingaande papierstroom een regelbare ingangsparameter evenals de volume-fractie a die deze stroom inneemt t.o.v. de hoofdstroom in de recoverysectie • In het wiskundig model wordt het gedrag van de indikkers berekend en hierbij wordt fpro tevens vastgelegd . Het is dan éénvoudig om de grootte van de

ove-rige stromen te bepalen .

In het blokschema van fig. z~Jn s en b twee belangijke regelpararmeters .

De waarde van s bepaald de grootte van de recyclestromen . De factor b)die de performance van de indikker voor de slurry naar de verbrandingsoven weer-geeft , bepaald de tweede ingaande stroom van de recoverysectie .

3.4 VERBRANDINGS SECTIE (Blok 4 in fig. I)

De energie opwekking is buiten de wiskundige modellering gelaten . Aaange-nornen is, dat er een droge papierstroom uit de indikker/indamper TR2 komt welke verbrand wordt . De hoeveelheid papier die aan de verbrandingssectie

naast bovenbedoelde hoeveelheid papier moet worden toegevoegd kan d.m.v.

de warmtebalans uitgerekend worden .

(19)

( ( " _c ( ( ( (I

o

- - - -

-

- -

' -- 12

-4 DE WISKUNDIGE OPZET VAN HET PROCES

4.0 INLEIDING

In figuur 4 is een blokdiagram van het wiskundige model weergegeven .

Uit-gaande van de zes regelbare ingangsparameters ,papierstroom fm (kg/hr) ,

-I

volumefractie van papier a (-) ,verblijf tijd (hr ) ,aantal tanks in ser-ie N (-) ,splitverhouding s (-) en performance b (-) van indikker

14

en de bij de uitgangspunten genoemde niet regelbare parameters wordt het hele

proces doorgerekend . Door toepassen van een soort ' trial en error '

prin-cipe is geprobeerd het geheel enigzins te optimaliseren .

4. 1 WISKUNDIG HODEL

In fig. 4 zijn de blokken genummerd. De regelbare ingangsparameters Z1Jn

®

'

als volgt weergegeven :

t ' t

etc. ,de niet regelbare parameters als volgt

;0 , fP

etc . . Centraal staat de massabalans over de hydrolysesectie (blok

I).

Ingangsvariabelen zijn hier tau , N en kr . In dit blok wordt de conversie x per procesgang berekend . In combinatie met de cellulese- en de papierbalans

over kruispunt I (zie fig. I) kan de fractie cellulose ~in) in de ingaande

hydro-lysestroom berekend worden maar ook het gedrag w van de eerste scheider

Naast x uit blok 1 zijn in blok 2 verder nodig

cp~

,w ,a ,s ,b en

C~n

In

blok 3 is naast x en ein ook

C~n

,a ,s ,b

,ct

en eO nodig.

Met de resultaten van blok 1 en 2 wordt in blok 4 de volumestroom door de

hy-drolysesectie berekend .Als andere ingangsparameters komen in dit blok fm

1n . k' . bI k 4 3 k

s en cpap voor .Met gebrulkma lng van de u1tkomsten van 0 en an

d.m.v. een volume balans over kruispunt I de volumestroom uit de

enzym-productiesectie worden uitgerekend (blok 5) . In dit blok komt echter de

per-formance y van de indikkers uit de recovery sectie voor . Deze y kan uit een

tota~e enzymbalans berekend worden (blok 6) ,hiervoor is naast fvp en w

u i t . d b d . 8 1

een Cp nod1g, deze wor tereken 1n blok . Met het resu taat van

blok 8 kan in een enzymbalans over de hydrolysesectie de uitgaande

enzyrncon-. u i t . ..

centratle cue van deze sect1e berekend worden • Ingangsparameters z1Jn 1n

blok 9 de ingaande enzym concentratie cue1n en de verdelingscoëfficient K

Tenslotte is in blok 6 nog de enzymconcentratie ,die uit de recoverysectie

met de papierstroom meekomt , nodig • In blok 7 wordt uit een enzymbalans

. , . , . ui t . bI k 9

over de recoverysectle deze cue berekend, hlervoor z1Jl'cue U1t 0

(20)

...,

_o

_':J >j ,-, ,-, ' ) ~

-

('"" in .~ in

..

v " ~~~ "f

·'.vr

2)Papierbalans over kruispunt I ";ln 3) Definitieve pap. conversie .t-. ₉₎ _Enzymbalans _hydrolyse

r '

ui(

*

;If- cp

uit cueÎn

. cp.w.(I-b+b.s) b.(I-s).cp (I-x) uit in

eln

=

~+ ~ - cp

=

cp

.

(I-x.ein) cue

(I + K.cpuit ) (I-a).s.x.cpap (I-a)s.x.cpap s.x x wt~ Ö x

~~

in ein cpap~ I) massabalans hydrolyse kr'~ 4) Overall papierbalans

~!

... I .... fm x

=

I - x N _fvp

=

~ (1+ kr.tau) I I ) l..-1..

_...

cpapln.«I-s)+s.x.ein)

@--

V

=

tau.fvp fvp (definitie) _~,

~Cf~

0) Volumebalans recoverysectie .-4 (y-a)

...

fvp fvp

~ ~

<t

Cf

I

fpro

=

O,5+fvp. (l_a).(b(l-s)+~(I-b+bs»

-w

w~ ~ _y

~

5) Volumebalans kruispunt I I

eln x _~

i!.::ll

t, ~1

cp~

_eO

~

fve

=

fvp(l-s.(I-w)- (l_a).(w.(I-b+b,s)+b.(I-s)

~ 3) Cellulosebalans kruispunt I

...

~==

\v ... ~~ uit uit

_ ein. cpap ln.(I-a)(I-s.(I-x)2 b.(I-s) _fve~lt y

cee"

~

<f

~

fvp cp _cu~

~7 Ü'

in w - ...

-~pap:':": t-_ (I-b+bs), CD. eO (I-b+b.sl

...

_",.. _{6) Overall e n z y m b a l a n s J}

w uit uit ui

(I ) fve.cee-fvp(l-s)cp .cue .K-(I-b).O-w).(I-s).fvp.cue •

V\v y

=

-a. _{(b.( )-s )+w.( )-f+fs» fvp. cue}_t I

12) Definitieve recycleverh.

®-.

_y

~ ~ue'

r

=

(!-w) s ~

uit 7) Enzymbalans van de recover~sectie

10k 9)::ue~ ₂ _uit

®-+

cue '

=-

(I-a) .y.cue

(6,328125 + 5,0635.a - 0,5625.y - 4,5a.~ proces. (Voor symbolen zie symbolenlijst)

(21)

<-J

( (

c

(

f

_i ( (

o

..

o

0

-(, - 14

-Wanneer fvp , y en w bekend z1Jn , kan met b ,a en s 1n blok 10 d.m.v. een volumebalans over de recoverysectie de volumestroom product worden berekend. De concentratie suiker is dan eenvoudig te bepalen. Blok 11 geeft uit de definitie van tau het volume van elk der hydrolysetanken .Blok 12 geeft de vergelijking voor berekening van de recycle-verhouding .

Dit model is omgewerkt tot een basicprogramma (zie bijlage 3) en ingevoerd in de Spectrum ZX homecomputer .

4.2 RESULTATEN COMPUTER BEREKENINGEN

Omdat het systeem, zoals in fig 4 te zien 1S ,vrij complex 1S ,was het onmogelijk een simpeloptimaliseringsprogramma te schrijven voor één der variabelen . Om tot een optimaal ontwerp te komen hebben we geprobeerd het geheel van ingangsvariabelen zodanig samen te stellen dat zowel de benodig-de tankvolume als benodig-de ingaanbenodig-de volumestroom enzym minimaal waren .Deze twee resultaten wilden wij bereiken binnen een redelijke grens voor wat de over-ige uitgangsvariabelen betrof • Door tijdgebrek is de uitgevoerde optimali-satie enigzins provisorisch . De resultaten zijn weergegeven in tabel 3 •

Tabel 3 : Resultaten van de computerberekeningen Regelbare ingangsvariabelen

Pappierstroom fm a

!!y~r~lx.s~s~c!i~

Verblijf tijd tau Aantal reactore N s 500 kg/hr 0, 1 7 hr 5 0,6 !n~i~ki:.n~~o~r_v~r~r~n~i~g_ f = 0,95

Niet regelbare ingangsvariabelen

reactieconstante kr I ngaan e pap. conc. d Cp1n

e .

Ing. enzymact. 1 reactor

~

Pap. conc. menger Cp

~n~~p!.o~u~ti:.e_ Uitg. enzymact -1 0,033 hr 5 % (w/w) 2₁7 Lp.u./ml 3 50 kg/m 3,25 Lp. u. /ml

(22)

( ( ( ( ( (

o

- - - -- 15

-Tabel 3(vervolg) : Resultaten computerberekeningen Ultgangs-variabelen

.!!y~r~l.ls~s~c!i~

Conversie t.O.V. cellulose x Volumevan een hydrolysereactor V

Volume stroom ingaande pap. slurry fvp

Fractie cellulose 1n ingaande pap. slurry e1n Fractie cellulose 1n uitg. pap. slurry

Uitgaande pap. conc. (laatste reactor) Cpuit Reycleverhouding r (fvr/fvp)

lndikker I4

lndikkerperformance w

Microbieëlesectie

Volumestroom enzym naar hydrolysesectie fve Volumestroom door de inductie reactor (R2) find

Biomassa recyclestroom fbior Volumestroom spui fspui

Volumestroom door de groeireactor (RI) fgr Volume groeifermentor V_g· (RI)

Volume inductiefermentor V. d _1n (R2)

Enzymrecoverysectie - - - v.i.t

Productstroom fpro

Performace ind ikker I I (= 13) y Performance indikker I2 Mengervolume MI Mengervolume M2 Mengervolume M3

=

0,646 123,3 m 3 3 17,61 m /hr 0,432 0,212 36,03 kg/m 3 0,473 0,211 3 2,97 m /hr 3 3,30 m /hr 3 0,33 m /hr 3 0,0163 m /hr 3 2,99 m /hr 12 m 3 100 m 3 3 3,18 m /hr 0,369 0,9 3

=

10,8 m 3 6,3 m

(23)

( { ( ( ( (

o

16 -5. PROCESCONDITIES 5.0 INLEIDING

Zoals meestal 1n de biotechnologie wordt ook in dit ontwep het grootste deel van de plant bij standaard druk ( I atm. ) en vrij lage temperaturen (30-50oc) bedreven Alleen bij de droging en sterrilisatie worden hogere temperaturen gebruikt • Hieronder zullen de procescondities van de verschillende onder-delen gegeven worden •

5.1 ENZYMPRODUCTIE

Zowel de groei- als inductietank worden bij 300c bedreven. Bovendien worden beide steriel gehouden . In de groeitank wordt de biomassa gemaakt volgens de standaard groeireactie :

---.,

In de inductietank vindt de volgende reactie plaats

CH 0'

2

---

..

-92

kJ

/C-moLglu

~H -165 kJ/C-mol

waarbij CH₂0' staat voor cellulose en CHI.900.54 voor cellulase .

Aangenomen is dat tijdens de inductie het organisme alleen energie nodig heeft voor maintainance • Hiervoor 1S er zuurstof (0

2) nodig . De productie van cellulase vereist geen extra 02 . In tabel 4 staan alle proces grootheden voor zover nodig beschreven. Vanuit literatuurwaarden (lit. 4,9,10) zijn de diverse cijfers naar de hier beschreven situatie omgewerkt

Zowel de groei- als de inductiereactor zijn ideaal gemengd t«tau • Voor de m

menging is in beide gevallen een Rushton. turbinroerder genomen • De reactie-warmte wordt samen met de reactie-warmte die ontstaat t.g.v. het ingebrachte vermogen afgevoerd via een op de reactorwand opgelaste halve spiraal • In beide geval-len is het zuurstof-verbruik laag . Via een standaard sparger onder 1n de reactor wordt de gesteriliseerde lucht binnen gebracht • De hold up 1S ver-waarloosbaar .

5.2 HYDROLYSE

(24)

( ( ( ( C (

o

- - - -- 17

-Tabel. 4 Proces gegevens voor de groei en inductie

Groeireactor Inductiereactor D (hr-') 0,25 0,033 T (hr) ₄ _30,30 C (gil) x 0,468 8,5 C (gil) 0,22 1,835 ·s Maintainance (g/gr. biom. /hr) 0,01 0,01 4> _{(mol ü/sec}) 3,11 10-3 _0,08

°

? 10-3 10-3 vvm 1,80 5 f 66 . -1

*'

-4 -3 kla (sec ) _{9,1 . 1}

°

_{2,8 . 1}

°

pH 4,7 4,8 T (oC) 30 30

plv

(W/m3) 100 100 N 0,625 11 7.9 . 10-4 7,9 . 10-4 t m (sec 21,8 35,1 t (sec) 1098 355 so 3 t.H groei (kJI 4,28 . 1

°

5 t.H maint. (kJI 875 1,3255 .1

°

t. H. (kJ/ 1 ,01 . 104 lnduc. C x,recycle (gil) 84,8 . 3~ h t .

gedrag in de reactoren • In het vorlge hoofdstuk lS beschreven dat we Vla een black-box benadering een eerste orde kinetiek is bepaald hebben.

De viscositiet van een papierslurry is afhankelijk van de pH ,T en de papier-consitentie . In de praktijk is het bovendien moeilijk de viscositeit van een dergelijke slurry te bepalen : meestal ,blijkt achteraf , dat men de viscositeit van water gemeten heeft . Uit gegevens verkregen van de industrie

th

( KNP- Maastricht ) is een theoretische viscositeit berekend : 11

=

0.83 Pas • ( Zie bij lage 4 voor berekening 11 th .)

Gezien deze hoge viscositeit mag verwacht worden dat ln de reactor de vloei-th

stof stroming laminair zal ZlJn . Deze 11 hebben we ook gebruikt voor de vis-cositeit in de reactoren • Aan de hand van bovenstaande en opmerkingen uit de industrie (Parenko-Renkum) over de stroming van een dergelijk geroerde slurry ,

(25)

( ( ( ( ( ( ,(

o

~--- - - - -- 18

-IS een Reynolds getal Re geschat op Re

=

100 •

Naast de stroming is het in suspensie houden van de slurry belangrijk. Een papierslurry heeft de neiging om uit te zakken . Om dit te voorkomen wordt in de industrie een vermogen van 600 W/m3 ingebracht . In het ontwerp wordt dit vermogen met een spiraal roerder ingebracht. Volgens lito 12 zijn derge-lijke roerders zeer geschikt voor het mengen van visceuse mengsels . De spi-raaI schraapt langs enkele centimeters van de koelspiraal die in deze tanks aan de binnenkant IS aangebracht

.

De koeling dient hoofdzakelijk om de in-gebrachte energie af te voeren en de temperatuur op 50 ~:C (de optimale tem-peratuur voor het enzym ) te houden •

De hydrolysereactoren bestaan uit beton + 25 cm dik met een coating aan de binnenkant (epoxyharsen of silica-beton verbindingen) . De bakken worden niet steriel bedreven maar er wordt wel een inhibitor toegevoegd •

In tabel 5 zijn de procesgegevens van de hydrolyse opgenomen .

Zoals in tabel 5 is te zien geeft de menging geen problemen: t <:<:tau en

m

t ~ t . . De warmte door het roermechanisme ingebracht is groter dan m reactIe

de reactiewarmte

5.3 ENZYMRECOVERY

In bijlage 2 is de mathematische aanpak van deze sectie beschreven .Het

WIS-kundige model (zie fig. 4) maakt middels de blokken 6 en 7 gebruik van de re-sultaten uit deze bijlage. De volumestromen worden in het programma berekend. De menging in de drie mengers wordt anàloog aan de hydrolyse uitgevoerd :

p/v

=

600 W/m3 , ingebracht door een spiraal roerder . Er wordt in deze sectie niet gekoeld omdat de temperatuurverhoging verwaarloosbaar IS • De mixers zijn van staal. We nemen aan dat de indikkers het papier volledig scheiden d.w.z. dat er 100 % papier in de onderstroom terecht komt. Het rendement voor de adsorptie van het enzym bedraagt + 96 % . De productstroom bevat naast

SUI-ker enzym ,inhibitor en andere componenten die in het papier voorkomen De proces gegevens van deze sectie zijn weergegeven in tabel 6 •

uit de tabel blijkt dat de mixers goed gemengd zIJn: t ~tau .

m

De papierslurry uit de indikker stroomt direct in de volgende menger (geen pompen ).

(26)

( ( ( ( ( ( (

o

c

'

- 19

-Tabel 5 : Proces gegevens hydrol sesectie

Aantal tanks N (-) 5 V t 123 3 m Verblijf tijd T 7 hr Omzetting ~ 0,646 pH 4,7 T 50 oe kr 0,033 hr -I t reactie 30 hr 0,83 Pas

ptv

. 600 W/m3 ~ 454 sec t m 73,8 kW II H hydro. (I _{e reactor)} _{55 kW}

r

H

"

(2e

_"

) 45 kW

"

(3e

_"

) 36 kW

"

(4e

_"

) 30 kW

"

(5e

_"

) 24 kW

I

fvp 17,67 m /hr .) ~ T

...

1n 3 cp 50 kg/m uit 3 cp 36,03 kg/m H

=

6/5 T fvr 8.34 m /hr 3 r recycle 0")473 lito 12

Tabel 6 Procesgegevens voor de enzymrecoverysectie K

*

c pap

Verblijf tijd in menger T

*

Mengervolume (liquid) 1 Mengervolume (

_"

) 2 Mengervolume (

_"

) 3 toerental n Indikker 11 Indikker 12 Indikker 13 Toerental indikker

*"

lit: 22

25 f.p.u. per gr. pap./f.p.u. per mI susp. 5 % (w/w) hr 10,5 m 3 ( T 1.306 m ) 10,8 m 3 ( T 1.318 m ) 6.3 m 3 ( T

=

I. 102 m ) ,325 sec -I 9,5 m 2 9,7 m 2 5,7 m 2 0, I sec -)

(27)

( ( ( ( ( ( (

I

I( )

o

- - 20 -Tabel 6 : vervolg Temperatuur T 45-50 oe pH 4-5 th _0,83_Pa.s n t 169 sec m 5.4 VERBRANDING

Duidelijk is dat een volledige verwerking van papierafval m.b.v. een enzyma-tische hydrolyse niet mogelijk is • De enzymaenzyma-tische onverwerkbare fractie (lignine en hemi-cellulose) kan 1n een oven verbrand worden . De uit de hy-drolyse afkomstige papierslurry zal eerst ontwaterd ~~~;~n worden voordat ze

aan de oven toegevoerd wordt .Het ontwateringssysteem in dit ontwerp is door de papierfabricage geïnspireerd .Bij de papier~ereiding wordt gebruik ge-maakt van een foudriniermachine waarvan de foudrinierdraad een belangrijk on-derdeel is . Deze draad bestaat uit een transportband van fijnmazigmateri-aal welke in beweging is (lit. 13) • De papierslurry welke na het recycle-punt gedroogd moet worden komt op een soort foudrinierdraad van 25X2 m. Via een drainagesysteem wordt het overtollige water naar de enzymrecovery gevoerd •

Aangenomen 1S dat na de eerste uitlek/zeef stap de water/papier verhouding

I : I is . Een tweede transportband van dezelfde afmeting loopt door een ver-warmde kamer. Door condensatie van de stoom ,afkomstig van de oven ,wordt de nodige energie voor het droog proces geleverd . Om alle water te verdampen 1S een extra ovenbrandstof nodig . De benodigde hoeveelheid brandstof komt overéén met 180 kg papier/hr. Met de hoeveelheid van 250 kg/hr dat via het droogproces de oven binnen komt betekent dit dat er in totaal 430 kg pap./hr de oven ingaat.

Omdat het ontwateringsproces 1n hoge mate afhangt van de soort vezel, pH en temperatuur is het proces 1n hoge mate gevoelsmatig .Te meer daar literatuur gegevens ontbreken zijn de transportbandsnelheid en het benodigde uitlek/ drogings opppervlak slechts indicatief. zie tabel 7.

De afgassen van de oven worden na warmte-wisseling met de droogsectie gespuid. Oventemperaturen rond de 600-700 oe kunnen gehaald worden .(lit. 24)

(28)

(

- 21

-(

Tabel 7: Procesgegevens voor de verbrandingssectie

Transportband Transportband 2

Transportbandlengte 1 25 m 25 m

r

Transportbandbreedte b~ 2 m 2 m

Papierdichtheid op de band 0,083 kg/m 2 0,083 kg/m 2

Temperatuur buitenlucht 100 oe

Transportsnelheid 25 m/min 25 m/min

( (

c

(

o

()

(29)

( ( ( ( ( ( I

o

22 -6a WARMTEBALANSEN 6.0 ENZYMPRODUCTIE

Zowel bij de groeireactor als bij de inductiereactor 1S gekozen voor een op

gelaste halve koelspiraal .In bijlage 5 zijn de beschrijving en de warmte-overdrachtscoëfficienten van deze constructie gegeven .

~a~m~e~v~r~r~c~t~c~ë!f!c!e~t_v~n_d~ ~r~e!r~a~t~r_

De totaal af tevoeren warmte is als volgt samen gesteld

---Ingebracht vermogen m.b.v. roerder

---Warmteproductie t.g.v. groei ---Maintenancewarmte productie ---Totaal 1200

kw

1432

kw

243 kW 2875 kW o

De reactortemperatuur is 30 e .De koeling vindt plaats door een waterstroom

met ingangstemperatuur van 15 oe . Aangenomen word dat de uitgangstemperatuur

25 oe is (T

=

_{10 oe ). De geometrie van de koelspiraal is in fig. 5}

weer-gegeven .

~l~

~ 15 cm Tabel 8 K I

=

0,075 m 0,02 X

=

0,95 e = m 0,005 E

=

0,43 S

=

m w I I _e

~:~mm

S

w _{(zie bij lage} 5)

Fig. 5 Geometrie van de koelspiraal

De totale warmte overdrachtscoëfficient wordt gegeven door I/a.

beslag K

+ l/(C:'a . )

bU1s + S w /(E·X"À ) w + f

Voor de geometrie 1n fig. 5 gelden de gegevens 1n tabel 8 .

---Berekening abuis

( I )

(30)

( ( ( ( ( ( (>

o

23 --5 3 = 6,87 .10 m /sec

Met een overdimensionering van 25 % betekend dit

( 2 )

-5 3

~ _{v, oe}k 1 = 816 .10 m /sec

Met de gegevens uit tabel 9 vinden we voor het Re-getal 1n de buis

Re

=

(p' v·d.)/n

=

5853 (-)

1

Tabel 9 Fysischegegevens voor À staal 15,92 W/mK -4 n_H

a

7,98 10 Pas 2 _{-5 2} \) 10 m /sec 9t8 m/sec 2 g

!

oul. 5.10-4 m2K/W bepaling van PH

a

2

~2a

a U s

Het kengetal van Prantl Pr 1S te berekenen met

Pr cP' n/À ( 3 ) 1000 kg/m 3 0,623 W/mK 0,073 kg/m 2 1,74.10 -4 m/sec ( 4 )

en bedraagt Pr = 5,359 . Met vergelijking I en 2 1S nu het getal van Nusselt Nu te bepalen: (lit. 12)

abuis 1S nu m.b.v. vergelijking 6 te berekenen

a

_{b ·}

_U1S = Nu'" _-H

a/do

2 1 Berekening a _beslag

2

858,9 WIm K

( 5 )

a 1S berekend m.b.v. de volgende vergelijking afkomstig uit lito 18:

beslag a beslag

a

265« )/ ) 1/3 (p/(a'g»I/I.2 U sl / 3 , ÀH O· Cp • P • g \) • 2 ( 6 ) 2 Met de gegevens uit tabel 9 1S nu ~ _{bes ag}1 te berekenenen ab es ag 1 = 315,4 WIm

(31)

( ( ( ( ( (

o

(' 24

-Alle gegevens z~Jn nu bekend om m.b.v. vergelijking I U

f uit te rekenenen :

U

f= 113,5 W/mK. Het totale oppervlak kan nu met vergelijking 7 worden

bere-kend :

2875/(113,5'9,12) 2,77 m 2 ( 7 )

Met dit resultaat is het aantal omwentelingen van de spiraal op de reactor-wand uit te rekenen • Het oppper-vlak van één omwenteling bedraagt

2

0,323 m

S = lengte van een omw .• d.

omw. ~ n02,57° 0,04

Het aantal omwentelingen bedraagt dus 2,77/0,323 ± 9

Warmteoverdracht in de inductiereactor

De enzyminductie-reactor wordt op dezelfde manier uitgerekend als de

groei-reactor .De geometrie van de spiraal is nu anders 0 (Zie tabel 10 )

Tabel 10 : Geometrische gegevens van de koelspiraal van de inductiereactor

IK=

0,075 m e = 0,03 m Sw= 0,005 m X 0,95 -L\ 4 Verder is ~= 5010 , U = 3,5 0)0- m/sec , T s reactor Tuit

=

25 oe . w

De totaal af te voeren warmte bedraagt

---Ingebracht vermogen m.b.v. roerder ---Reactiewarmte t.g.v. enzymproductie ---Maintainance warmte productie

---Totaal ---Berekening a . bu~s 10000 W 2805 W 36819 W 49625 \V

Benodigde volumestroom (25 % o~erdimensionering )

Re b u~s . Pr b u~s . NU b u~s . 78872 5,359 257,56 a bu~s . = 2674, 33 ---Berekening a beslag o 15

e

en

(32)

( (

c

(

c

(

o

25

-Uit vergelijking 6 volgt

. 2 voor a_b 1 : a b 1 = 400 WIm K U f wordt nu pervlak van A koelspiraal . 2 es ag es ag

WIm K . Dit geeft een benodigd warmtewisselend

op-wat overéénkomt met ± 20 omwentelingen van de

Het resultaat van de warmtebalans berekeningen 1S 1n het blokschema van

van de microbieële sectie weergegeven .Vermeld dient nog te worden dat dicht-heids-effecten t.g.v. biomassa productie zijn verwaarloosd evenals het ef-fect van de biomassa op de warmtegeleidingscoëfficient ÀH 0 .De in en uit-gaande warmtestromen zijn dan ook niet helemaal kloppend :

In de blokschema's zijn de gegevens berekend uitgaande van de vormings-enthal-piën hij 25 oe en een druk van 1 atmosfeer .(Vcrmings-enthalpie van de elementen is nul ).

6.1 HYDROLYSE

De warmte-afvoer wordt in deze reactoren bewerkstelligd door een koelspiraal die aan de binnenkant van de reactoren is aangebracht .De reactiewarmte is

voor alle vijf reactoren ongelijk ,vanwege de verschillende conversiegraad .

3 Het ingebrachte vermogen is wel gelijk voor alle reactoren en bedraagd 600 wIm

(zie tabel 11).

Tabel 11 : Warmte gegevens voor de hydrolysereactoren 1n serie

Reactornr. conversie reactiewarmte Roerwarmte Totalewarmte

kW kW kW RI 0,187 55,1 73,8 128,9 R2 0,153 45,1 73,8 118,9 R3 0,123 36,2 73,8 110")0 R4 0,100 29,8 73,8 103,5 R5 0,082 24,2 73,8 97,9

De volgende aanname's Z1Jn ergedaan bij berekening van het benodigde koelop-pervlak van de koelspiralen

th

:a =

slurry aH 2 0 = 0)623 W/mK ,Re tan k= 100 ,

~wand =~

=

0183 Pas

---Berekening a 1 (voor alle tanks gelijk) :

s urry 4

M.b.v. de bovenstaande gegevens vinden wij voor Pr : Pr = 1,047·10

Invullen van de gegevens 1n vergelijking 8 (lit. 12) geeft de waarde van Nu

(33)

{ ( ( ( ( (" (

o

26 -Nu

=

338,02 . M.b.v. vergelijking Sa 2

1S nu 0 uit te rekenen , deze

slurry bedraagt 0 1 _{s urry}

=

338,02 W/m K .

~--Berekening obuis (per reactor verschillend )

b Ok ° dO 1n 0

De ge rU1 te gegevens Z1Jn 1n 1t geval : T

=

IS e ,

w

Tuit w vergelijking 2

T = 50 oe . Invullen van de waarden in

reactor

o

=

45

e

en geeft weer de benodigde hoeveelheid koelwater .

komt dit neer op

~

k 1 = 1,28 10-3

v, oe

Met een overdimensionering van 25 %

m3/sec • Uit vergelijking 3 volgt

Re

=

5L200 en uit vergelijking 4 Pr

=

5,379 . ÀH 0 en n

H 0 Z1Jn in tabel

2 2

weergegeven

Voor de koelspiraal geldt (lit. 12 )

Nuspiraal _0,0225'(1 ₊ _{(3,5'0,04)/5,45)'ReO.}8_'PrO.4 _{( 10 )}

Invullen van Re en Pr geeft : Nuspiraal

vergelijking Sa obuis

=

3687 .

236,77 en hieruit volgt met

De spiraal heeft een dikte van 5 rrnn , À 1

=

15.92 \.J/rruz en de

vervuilings-staa

factor

~=

5 10-4 rruz/W • De overall warmte-werstandcoëfficient wordt nu

be-paald volgens ( lit. 11)

I/U

f = 1/0 s urry 1 + .I/ob U1S ° + d w w /À + f ( 11 )

Voor de eerste hydrolysereactor wordt U

f = 48,92 W/rruz . Uit vergelijking 7

is nu het totale koeloppervlak te berekenen: AI = 171 m2 . Met een

buisdia-meter en een spiraal-diabuisdia-meter van 0,04 m respectievelijk 5,14 m 1S het opper-, 2

vlak van een omwenteling 2,061 m . Voor de eerste reactor zijn er dan 1n totaal 83 omwentelingen van de spiraal nodig .Deze passen in de reactor 1n-dien de afstand tussen twee omwentelingen 0,065 m bedraagd . De overige koel-spiralen zijn op dezelfde manier uitgerekend .Tabel 12 geeft de berekende oppervlakken met het bijbehorende aantalomwentelingen van de spiraal .

Deze resultaten z1Jn ook weergegeven 1n het warrntestroomschema van de hydro-lysesectie .

(34)

( ( ( ( ( ( ( ( i

o

27 -6.2 ENZYMRECOVERY

Ge-zien de problemen die het S/L-systeem ons gegeven heeft is het niet gelukt de warmtebalans van de slurry in detail uit te werken .Deze warmtebalans is dan ook niet helemaal kloppend • Wel kan opgemerkt worden dat de enthalpie verandering van de slurry in deze sectie niet groot zal zijn daar het 1nge-brachte energie via de roerder laag is en de

ook gering is •

zwellingswarmte van de vezel

Tabel 12 : Resultaten van de koelspiraal berekeningen

Reactornr. Koel oppervlak Aantal omwentelingen

R3 171 m 2 83 R4 158 m 2 76 R5 70 m 2 71 2 R6 137 m 66 R7 129 m 2 63

6.3 ENERGIE-OPWEKKING (zie gegevens van tabel 3)

In het computermodel is de aanname gedaan dat 95% (f=0,95) van flow 27 wordt terug-gevoerd naar de recoverysectie.Slechts 5 % van de inkomende massastroom verlaat het drainagesysteem TR I via de transportband-naar TR 2 en oven.Deze 5 % van flow 27 betekent een massaflow van 0,077 kg/s voor flow 28;het blijkt nu dat deze flow 28

(277,2 kg/uur) te klein is om 250 kg papier/uur ~n 250 kg water/uur te omvatten. ~

Deze verhouding van water:papier = I I komt overeen met hetgeen in de literatuur gevonden kan worden voor een slurry nà een transportband als _de~ onderhavige.Bij de keuze van de 6 regelbare ing~ngsparameters 1S een tegenstrijdigheid begaan.De eerste 5 parameters leggen randvoorwaarden aan de 6e (dit is f) op.

Om een realistische warmtebalans te krijgen is dan ook niet uitgegaan van hetgeen een f = 0,95 voorspelt.Als basis zijn de eerste 5 parameters gebruikt, een papiercon-versie van + 50% wordt gehaald,met genoemde lito waarde voor het aanwezige water, betekent dit voor flow 28 een massastroom van 0,138 kg/s .(lit. 7)

In bijlage 7 is een computer berekening zonder deze tegenstrijdigheid gegeven.

Tabel 13 : Enthalpie gegevens voor de warmtebalans berekeningen

~~~~~~~~~L-__ ~~ __________ ~

Vrebrandingswarmte van papier

~Hverbr.

16000 kj/kg papi

Condensatiewarmte water ~H ~

-H 0

V_{ormlngswarmte}· stoom (100 °C, I _atm2) H _{f H 0} , 2 Vormingswarmte papier H _f,pap.

22600 kj/kg 2530 kj/kg 8262 kj/kg

(35)

I~

( ( ( ( ( (î

• o

o

, 28

-De berekening is als volgt opgezet

---250 kg water wordt per uur,door stoomcondensatie van het in de verbrand-sectie gegenereerde stoom in de roterende rollers,verdampd • De benodigde energie hiervoor is als volgt te berekenen

7 5,25.10 kJ /hr 9 5,65.10 kJ/hr ~~----~~~· on9~~~---5,70.10 kJ/hr

---Deze energ1e moet worden geleverd door de verbranding van papier . Uit verdere berekening zal blijken dat de 250 kg papier/hr uit de droogsectie niet

genoeg is om de benodigde energie te leveren ; er moet dus extra papier worden toegevoerd aan de oven . Met een oven-rendement van 80 % betekend dit dat er in totaal

1600/0,8/ aan papier de oven 1n moet . Er bij gestookt .

Hverbr. = 2000/IQ800 = 0,1190 kg/sec pap.

moet dus ongeveer 180 kg papier worden

o

---De 1600 kJ/sec wordt overgedragen door door stoom van 100 C te laten con-denseren. Hiervoor is 0,0711 kg stoom/sec nodig. De gecondenseerde stoom in de roterende rollers H2 wordt gerecirculeerd naar de oven. Er is dus een

gesloten stoom/water circuit tussen de oven en de droogsectie. De afgasstroom wordt berekend uit de reaktievergelijking:

+ +

uit vergelijking 12 volgt dat de afgasstroom 0,241 kg/s bedraagt.Het afgas (12)

bevat in onze aanname in eerste instantie alle warmte,welke bij de verbranding vrijkomt.Het afgas staat deze warmte vervolgens af aan de warmtewisselaar en komt enthalpie arm de oven uit.In de roterende rollen van TR 2 condenseert de stoom op de binnenwand,via de rolwand bereikt de warmte dan de

(36)

1'''''1 > GEMALEN PA-PIERAFVAL Nulrienlen Kw. ")

o

Asepl icum ':) t:) ,""l

,

-,

"""

~

~-_·_---_·_---~ONZUIVERE SUIKERS (bv. voor ferm. induslrie)

Koell./aler dra i nage-slroom Bloma .... a Sysleemdruk is almosferisch Afvol-papier

DE ENZYMATISCHE HYDROLYSE VAN PAPIERAFVAL TOT SUIKERS

.

0

Slroomnummer

D

Temparatuur In oe Elvls Blekman

Ren. KlelJnlJens Fabrleksvooronlwerp No.2591 Okt.ober 1984 ~ ,-.,. V VOORRAADVAT -ASEPTIKUM V VOORRAADSILO MET PAPIERAfVAL V 3 ALS V 2 V 4 NUTRIENTENVAT V 5 ENZYMINDUKTOR-VOORRAADVAT V 6 CENTRAAL WACHTVAT R 1 SCHIMMELKWEEK R 2 ENZYMPRODUKTIE-TANK R 3 CELLULOSE HYDRO-LYSE TANK R 4 ALS R R5 .ALSR3 R 6 ALS R R ALS R M MENG ER : UITGAAN-DE PRODUKTSTROOM MET INGAANDE PAP,

(ENZYMRECOVERY) MALS M 1 M 3 ALS M 1 INDIKKER S/ L-SCHEIDING IN DE RECOVERY. ALS I 1 ALS I 1 INDIKKER S/ L-SCHEIDING TBV. DE RECYCLESTROOM. TR DRAINAGE/TRANSPORT -SYSTEEM TR DROGINGS/TRANSPOR1' -SYSTEEM o PAPIERAFVALVER-BRANDINGSOVEN F MYCELIUM/ENZYM-FILTER H WARlITE tiISSELLAAR TBV ENZYMSTROOM-OPWARMING. H 2 STOOMROLLEN TBV SLURRY DROGING C LUCHTCOHPRESSOR C ALSCl P 2 PRODUKTSTROOM-POMP P VOEDINGSSLURRY-POMP P 12 SLURRY RECYCLE-STROOM P 11 ENZYMPOIIP P 13 SUIltERSTROOMPOHP P 3 PRODUKTSTROOMPOMP ,'-"

(37)

( ~. -( (

'

e

(

c

'

(

c

o

Cl 29 ~.

IN

_waarts

Yoor-

Massa -en

Retour

M

, 0;829

-0,0858 - -4 5,1.10

-1,186

-2, 101

Warmtebalans

M

ENZYMPRODUCTIE

Q

nutriënten 11145,0 11 RI 1,2 1147,8 koeling

_.

Q,828 ₁₃₎

,

_...

11138

<$

induktor 12 4 2 R2 12,3 158116 koeling _

,

1 ~

86,22 Hl ~

-

-28262,7 ~

Totaal

M àssa in kg/s

Warmte in kW

.

_.

-®

r-~

spu~ 19a ~

M

Q

o

0870 11154,2 - -- - -

-UIT

M

Q

0.0858 - 1157,8 I, 186 15916,0 0,0046 62,3 0,825 12633,. I 2, 101 29768,4

Fa bri eks vooront werp

(38)

~

- - -

-30

r

_\

._

-VOOI~

-

I

IN

Massa -en

: r) - 4.

our

U

I

,-waarts

'i\L" l

Warmtebal ans

M

HYDROLYSE SEKTIE

M

Q

M

Q

<-Q

Q

( uitstr. rec. 1,·749 21680, 15

~

..

~

-

6 V4

--( _stro 0,825 1263.3,1 enz 19a

..

.

4,892 22 66804,4

c

1,284 17177,0 . koeling

---

R3

--

1,284 17334,4

-

73,8 ( ~ ( 1,1849 15852,0 koeling 1,1849 15996, I R4

-

73,8

-

-o

,

I

koeling 1,096 14662,2 R5

..

1,096 14796,1 ~

o

-

73,8

_.

-o

1 , 1,0314 13798 koeling _{_1Ii.} 1,0314 13924,3 R6

-

73,8 jl I

I

.

₂₀

o

~

.

(39)

-( 0,976 (

-(

-( ( (

o

8,1463

o

-- -31 1 ~

...

13057,6 _R7

...

0,976 71,8

~

2,3166 ?P.t...?7 7

--recyCle

-24 1 , 0297

-27 _1,540

1

""""-naar de

_1·

energie opW. naar de

109235, 1

«

Massa in kg/s

Warmte in kW

-

recovery '

-Totaal

~ 8,142

Fabri eks vooront werp

No:

2591

13176,1

14814~0

19861,2

(40)

( (

-( ( ( (

c

o

- - - _. -32

IN

Yoor-

Massa -en

waarts

M

0,139

-2,493

-2,632

War

-

mtebalans

M

ENZYMRECOVERY SEKTIE

Q

pap.instr. 1148,5 1 -.

.

-

...

6 MI

.

2,91 I

_~

---0-37142,5

-1,974

_VL;'\

Z4öll,J

--1~ M2 6 I 2.ill

_~

38 I 13,2 ['-V

I

-n ?7??

V8'

2830 6

I-® ';

32447,0 t----prod.stt M3

_~

6

_,

---

~ 2,765

~

35280,8 3

J

1

.bron.str. naar een traal waehtvat 33607,5

-cE

Totaal

~

Massa in kg/s

Warmte in kW

- - -_ . _-

-Retour

UIT

M

Q

2,722 j~ö~ I , ~

.

I 021 15002,3 1,749 21680,2 0.8844 11459,0 2,633 33139,2

Fabrieks vooront werp

No:

₂₅₉₁

I

I I , I I ,

(41)

( (

c

( (

o

- - - - _. ~ --13

IN

_waarts

Yoor-

Massa -en

Retour

M

-: I 54 0,071 1 f--0,05 0,1295 0,0711 -1,862

Warmtebalans

Q

M

. ENERGIE OPWEKKING

Q

slurry _~geSlr pap. TRI 19861 2 27 26

.

(\ 1 'l.-Q 1511 6

~

verdampd TR2' slurrywatet:,. 179,8 r"

..

stoom water

o

0694

VzQ\

I'=Y

573,4

,

413,0 extra ·pap.

~

31 p 0 _{afg as}

-

_~O2

---..

V B 20

..

r---<w

976,5

...

E ketelwater _N -- . - I r -21430,5'

-<

Totaal

~ I

M àssa in kg/s

Warmte

in

kW

M

Q

, ..

UIT

M

Q

1,40 I 18349,6 0.0694 938 2 0,0711 976,5

~

0,,241

•

_986,4 .-

-

_{f - -}_-_-

-

-0,0711 179,8 ---

.

_

-i

I --I ,1,85'3 21430,~ " --,

Fa bri eks vooront werp

No:

2591

(42)

( ( ( ( ( (î

o

34

6b DE STROOH- EN COMPONENTEN STATEN

Ter vereenvoudiging hebben we de volumestromen uit het computermodel rechtstreeks naar massasstromen omgerekend,de dichtheid is als die van water aangenomen.Van-uit deze massastromen is er een splitsing in componenten gemaakt, elke component heeft een massastroom welke correspondeert met het gewichtspercentage dat die oomponent t.o.v. de totale stroom inneemt.

Voor de asepticum concentratie is een massaflow van 9.10 -5 kg/s in elke stroom

aangenomen.Dit is een gemiddelde waarde,de concentratie asepticum (bv.

sorbine-zuur)ligt dan in het systeem rond de 10 ppm. (lit. 25)

Probleem bij deze manier van berekenen iS dat ze nogal afwijkt van de fysische werkelijkheid.Het effect van vezels op de dichtheid van de slurry is aanzienlijk,

3

een dichtheid van 1100-1200 kg/m kan verwacht worden.Tijdgebrek dwong ons tot deze simplificering,de balansen met dienen met deze aanname geinterpreteerd te worden.