Opwerking van Penicilline-G

(1)

December 1992

-:.r

Vu

~")o

\

6 Opwerking van Penicilline-G

30 '1-~

i

,uP

VERTROUWELIJK

G-Groep najaar 1992

POTAS SlUM

PENlClLLlN-G

Harmful Nocif Nocivo Nocivo Schadelijk

(ANTIBIOTIC)

Sensibilisierungdurch Einatmen möglich. May cause sensitization by inhalation.

Peut entraÎner une sensibilisation par inhalation. Puä provocare sensibilizzazione per inalazione. Puede provocar sensibilización al inhalarse. Kan overgevoeligheid veroorzaken bij inademing.

Staub nicht einatmen. Do not breathe dust

Ne pas respirer les poussières. Non respirare Ie polveri. No inhalar el producto. Stof niet inademen.

(2)

(3)

Penicilline opwerkingsproces

Rapport G-Groep najaar'92

Lab. Apparatenbouw Procesindustrie TUDelft, december 1992.

De opwerking van penicilline G

AR.Aalbers R.E.ABuijsse I.C.Cusell )( Y.I.Dwiananto R. Gerri tsen

X

B.J.G.Goetzee W.RJackman H.Jaddoe D .AAMartens R.J.C.Smeets W.Swaan lA.T.Verploeg R.PJ.v.Weersch M.A Wesselingh

i

Begeleiding: ing.A.de Bruin dr.O.S.L.Bruinsma prof.J.de Graauw prof. Grievink ir.M.Kraaijenbrink drs.F.A.Meijer dr.Z.Olujic

(4)

Penicilline-opwerking VERTROUWELIJK

Voorwoord

De G-groep najaar'92 is een Gecombineerde groep vierdejaars-studenten van de TUDelft; richtingen Werktuigbouwkunde en Scheikundige Technologie. Dit fabrieksvoorontwerp is een verplicht doctoraal examenonderdeel en in opdracht van de industrie gemaakt. Deze opdracht voor het penicilline opwerkingsproces is verstrekt door Gist-Brocades, en ondersteund door het laboratorium voor Apparatenbouw Procesindustrie.

Dit rapport had nooit tot stand kunnen komen zonder de hulp van talrijke mensen. Naast de begeleiding en de mensen van Gist-brocades willen wij speciaal bedanken: de heer van Zoeren, de heer van der Kooi, voor zijn hulp bij de reactieve extractie en de heer van der Wiel, voor zijn hulp aan de adsorptie-groep.

Aangezien dit rapport vertrouwelijk is, dient het alleen in handen te komen van de doelgroep: de mensen van Gist-brocades, de begeleiders en de makers zelf. Zij worden allen verondersteld voldoende voorkennis te hebben.

(5)

Samenvatting VERTROUWELUK

Samenvatting

Vanuit de opdracht is gewerkt aan het penicilline opwerkingsproces en aan vervanging van processtappen in het huidige proces. De opdracht was 3-delig; ten eerste is het huidige proces doorgerekend. Ten tweede is onderzoek verricht naar reactieve extractie en ten derde is de opwerking m.b.v. adsorptie (iogene of niet-iogene adsorptie) onderzocht.

Bij alle onderdelen speelden rendement en milieu een belangrijke rol. De alternatieven zijn daarnaast vooral ook op praktische haalbaarheid onderzocht, hetgeen bij het huidige proces al aangetoond is.

Het 'klassieke' proces zoals het huidige proces tijdens de opdracht werd genoemd, kreeg als opdracht mee een overall rendement te behalen van 92 %. De produktie is 3000 ton/jaar. Doordat het proces verdeeld werd in vier opwerkingsstappen, was het belangrijk na enkele eerste berekeningen een indruk te krijgen welke stap een duidelijk lager rendement op zou leveren dan andere stappen. De stap waar men het goedkoopst het rendement kon verhogen moest de prioriteit krijgen. Uiteindelijk is dankzij een recycle stap in het kristallisatiedeel een overall rendement van 94,9% verkregen.

De eerste stap behelst de filtratie van de broth, waar het mycelium wordt afgescheiden. Hiervoor is een roterend vacuümfilter gebruikt, met een rendement van 98,25%. Een koelstap is vervolgens vereist om een zo min mogelijke degradatie van de penicilline te krijgen. Tevens wordt er met zwavelzuur aangezuurd tot een pH van 2,7. Bij deze pH is de degradatie van de penicilline groot Hierna volgt de solvent extractie. Er is gekozen voor twee Podbielniaks D-18 in serie, daar deze in de praktijk een goede werking hebben. Om het laatste water te -verwijderen wordt een coalescentiefilter gebruikt. Deze eerste opwerkingsstap heeft een rendement van 96,25 %.

De tweede stap bestaat uit het ontkleuren van de stroom door middel van adsorptie aan actieve kool. Hier zijn twee processen bekeken: het batchproces en het continue proces. Voor beide processen is gekeken naar de verblijf tijd en hoeveelheid benodigde kool. Een belangrijke factor in de beslissing een van beide processen te adviseren was de vraag: wat doen we met de vervuilde kool. Er is gebleken dat de kool gebruikt in het continu proces als enige recyclebaar is. Het nadeel van een langere verblijf tijd in dit proces wordt volledig gecompenseerd door de winst behaald met de recyclebare kool en het ontbreken van een filter om de kool af te scheiden. Het rendement bedraagt 99,7 %.

De derde stap is de kristallisatie stap. Men kristalliseert in een meertraps geroerde tank. Hieraan wordt een kaliumacetaatoplossing toegevoegd, welke voor een deel komt uit de recycle stap. De ontstane kristalslurry wordt in een roterend vacuümfilter afgescheiden. De kristalkoek wordt verder getransporteerd naar de was- en droog sectie. Het moederloog gaat naar een settler waar de zware en lichte fase van elkaar worden gescheiden. In de lichte fase bevindt zich de butylacetaat. Deze wordt vervolgens teruggewonnen. De zware fase bestaat uit een oplossing van kalium-pen in water en wordt teruggevoerd naar de

(6)

kristalli-Samenvatting VERTROUWELUK

beide processen kunnen geschieden op hetzelfde apparaat. De operatie onder vacuüm houdt de produktietemperatuur laag. Daar is aangenomen dat alleen de opgeloste penicilli-ne verloren gaat, is in deze stap een rendement van 99,7 % behaalt

Voor de stroom van afvalstoffen is in enkele gevallen een oplossing gevonden. Bij andere stromen was de samenstelling te complex om hier een werkend proces voor te ontwerpen. De aandacht is vooral uitgegaan naar stromen en stoffen die het proces verlaten, zoals bijvoorbeeld het afgewerkte beslagfiltraat en de vervuilde actieve kooL

Reactieve extractie bleek, m.b.t. het rendement, een veelbelovende vervanging voor de huidige extractiestap. De reactieve extractie is in feite een extractie waarbij, door toevoe-ging van een reactant (een secundair amine) aan de organische fase, de penicilline een grotere affmiteit krijgt voor deze fase. Een tweede voordeel is dat bij een hogere pH geëxtraheerd kan worden en bij lagere pH terugextractie kan plaatsvinden. Als vervolgstap zijn er twee vormen van kristallisatie uitgewerkt: 'kristallisatie uit waterige fase' en 'kristallisatie uit organische fase'. Combinaties van berekeningen en schattingen leverden totaalrendementen op van respectievelijk 80% en 96%. Een groot deel van het verlies is daarbij te wijten aan het verval van de penicilline. Met betrekking tot de milieu-effecten lijken beide processen op het klassieke proces. De haalbaarheid van het 'waterige fase' alternatief is nu moeilijk aan te geven. Dit vergt verdere optimalisatie en onderzoek. Het 'organische fase' alternatief is goed haalbaar.

Bij de adsorptie groep is onderzoek naar de iogene adsorptie uitgesteld in afwachting van resultaten m.b.t. kristalliseren vanuit een waterige fase. Er zijn twee processen voor de niet-iogene adsorptie uitgewerkt, namelijk een Simulated Moving Bed (S.M.B.) en een Cloete-Streatkolom, met als adsorbent Amberlite XAD-4. Voor capaciteitsverhoging is de pH 3,5. In beide processen wordt als voeding beslag gebruikt, om een hoger rendement te verkrijgen, en gedesorbeerd met butanol, zodat het gebruik van butylacetaat wegvalt. Bij het S.M.B.-proces worden 3 reactoren in serie geplaatst, en wordt de, meest met penicilline verzadigde, reactor gedesorbeerd. Door het lage dichtheidsverschil is het proces onmogelijk, aangezien het reactorvolume te groot zou worden. Bij een twee maal zo zware adsorbent is een opwerkingsrendement van 91 % haalbaar.

In een Cloete-Streatkolom stroomt de vaste fase (adsorbent) in tegenstroom met de vloeistoffase. Om het zakken van de adsorbent te bewerkstelligen wordt de voeding pulserend toegevoegd. Een eerste ontwerp is gemaakt met variatie van bedporositeit. Het lage dichtheidsverschil zorgt ook hier voor grote dimensies, wat gezien de afbraak van penicilline het proces onhaalbaar maakt Alleen bij neutrale pH is dit proces inzetbaar. Milieutechnisch is het wegvallen van butylacetaat het meest belangrijke voordeel.

Gezien het hoge rendement van het klassieke proces kan gesteld worden dat alleen het alternatief reaktieve extractie, met de vervolgstap kristallisatie uit de organische fase, een goede verbetering op het bestaande opwerkingsproces is. Zowel de extractie als de kristallisatie lijken in fysisch opzicht sterk op de bestaande onderdelen. De andere alternatieven missen op dit moment praktische haalbaarheid. Mogelijk kunnen deze alternatieven in verband met milieu-effecten in de toekomst wel interessant zijn.

(7)

Inhoudsopgave

Inhoudsopgave 1. Inleiding

2.0pdrachtsomschrijving 3. Het klassiek proces

3.1 Inleiding 3.2 Filtratie en vloeistofextractie 3.3 Ontkleuring

3.4

Kristallisatie 3.5 Drogen en wassen 3.6 Massabalans

3.7 Milieu-effecten van de afvalstromen 3.8 Conclusies

4. Alternatief reactieve extractie

4.1 Inleiding 4.2 Extractie

4.3 Koolbehandeling 4.4 Terug-extractie 4.5 Osmose

4.6 Kristallisatie uit water

4.7 Kristallisatie uit ButylAcetaat

4.8 Massastromen, energie en milieu-effecten 4.9 Conclusies en Aanbevelingen

4.10 Symbolenlijst reactieve extractie 4.11 Literatuurlijst reactieve extractie

(8)

Inhoudsopgave

5. Alternatief adsorptie

5.1 Inleiding

5.2 Theorie 5.3 Adsorbentia

5.4 Keuze van het adsorbtieproces 5.5 Simulated Moving Bed proces 5.6 Cloete-Stteat kolom

5.7 Downstteam procesvoering

5.8 Massastromen, energie en milieu-effecten 5.9 Veiligheid en kosten 5.10 Procesvoorstel en knelpunten 5.11 Conclusie en aanbevelingen 5.12 Symbolenlijst adsorptie 5.13 Literatuurlijst adsorptie 6. Vergelijking processen 6.1 Inleiding 6.2 Praktische haalbaarheid 6.3 Verwachte recovery 6.4 Vergelijking milieu-effecten 6.5 Conclusies 7. Conclusies Bijlagen BI

B3

B4

B5

Bijlagen algemeen

Bijlagen hoofdstuk 3 Klassiek proces Bijlagen hoofdstuk 4 Reactieve extractie Bijlagen hoofdstuk 5 Adsorptie

(9)

Inleiding VERTROUWELIJK

1.

Inleiding

In het kader van de G-groep heeft Gist-Brocades opdracht gegeven op basis van het bij hen in gebruik zijnde Penicilline opwerkingsproces te onderzoeken of er mogelijkheden voor verbetering van het rendement zijn. Daarnaast bestond de opdracht uit het ontwerpen van twee alternatieven voor dat proces. Het ene alternatief moest uitgaan van reactieve extractie, het andere van adsorptie.

Het doel van dit rapport is enerzijds het weergeven van de resultaten van het onderzoek en eventuele daaruit voortvloeiende aanbevelingen. Anderzijds het weergeven van de werkzaamheden van de verschillende groepjes zodat hierover een waardeoordeel door de begeleiding kan worden gegeven.

In dit rapport wordt het tweede hoofdstuk gebruikt als verzameling van toelichtingen op de theorie zodat die altijd eenvoudig terug te vinden zijn en er in verschillende hoofdstuk-ken naar gerefereerd kan worden.

Hoofdstuk drie tot en met vijf geven de resultaten van de werkzaamheden van respectie-velijk de Klassieke groep (8 personen), de Reactieve extractie groep (4 pers.) en de Adsorptie groep (3 pers.) weer.

In hoofdstuk zes worden de verschillende processen vergeleken. Voor- en nadelen worden tegenover elkaar gezet en er wordt een beschouwing gegeven van de praktische haalbaar-heid.

(10)

(11)

Opdrachtsomschrijving VERTROUWELIJK

'l.Opdrachtsomschrijving

De opdrachtsomschrijving als gesteld door Gist-Brocades is: maak een fabrieksvoorontwerp voor de opwerking van penicilline-G kalium zout als droog kristal met een zuiverheid van 99.5%. De fabriek heeft een capaciteit van 3000 tonijaar.

Hierbij moet allereerst het huidige fysische extractie proces met butylacetaat beschouwd worden als basis.

Verder dienen twee alternatieven ontwikkeld te worden, het eerste op basis van het reactieve extractie proces.

Het tweede op basis van adsorptie aan een iogene of niet-iogene drager.

De terugwinning van oplosmiddelen moet in de beschouwing opgenomen worden. Ook moet bijzondere aandacht besteed worden aan milieuaspecten bij de behandeling van de afvalstromen, het afgewerkte beslag filtraat en de emissies van stoffen en oplosmiddelen. Het penicilline is zeer instabiel. De stabiliteit is een functie van de pH, de temperatuur en de tijd. Van groot belang is de keuze van de extractor en de keuze van het oplosmiddel. Gegeven is dat de fermentor een bruto inhoud heeft van 150 m3 _{en dat de fermentatieduur}

200 uur is. De concentratie pen is hierbij 45 gril, de precursor, dit is phenylazijnzuur, concentratie 1.5 gril en het droge vaste stof gehalte is 45 gril.

Het huidige proces heeft een rendement van 92 % .

Met een eindproduktie van 3000 ton/jaar is bij een rendement van 92 % de produktie uit de fermentoren 3261 ton/jaar. Dit met de concentratie pen uit de fermentor levert een volumestroom pen van 72500 m3_/jaar._{Eén jaar komt overeen met 300}_'_{dagen, dit zijn 7200}

produktieuren. Dus de inkomende stroom van het opwerkingsproces is 10 m3_/hr.

Eén fermentor heeft een vullingsgraad van 80% en zodoende een netto inhoud van 120 m3 •

Deze wordt 36 keer per jaar gebruikt, berekend door de produktieuren te delen door de fermentatietijd.

Dus één fermentor geeft 120

*

36 = 4320 m3_{/jaar. Totaal}_p~r_{jaar nodig is 72500 m}3_/jaar

en daardoor zijn 18 fermentoren nodig (72500 /4320). Hierbij is één extra voor noodgeval-len opgenomen.

(12)

(13)

Hoofdstuk 3. Klassiek proces

Inhoudsopgave hoofdstuk 3. Het klassieke proces 3.1 Inleiding

3.2 FJltratie en vloeistofextractie 3.2.1 Inleiding

3.2.2 Het roterend vacuümband filter 3.2.2.1 Inleiding

3.2.2.2 Filtratie berekeningen

3.2.2.3 Rendement van de filtratiestap 3.2.2.4 Dimensionering van het filter 3.2.3 Afkoelen en aanzuren

3.2.3.1 Theoretische achtergrond

3.2.3.2 Dimensionering van de koelmachine 3.2.4 De extractor

3.2.4.1 Solventkeuze

3.2.4.2 Opbouw van de extractor 3.2.4.3 Werking van de extractor

3.2.4.4 Dimensionering van de extractor 3.2.4.5 Het proces in de extractor 3.2.5 Het coalescentie filter

3.2.6 Randapparatuur 3.2.7 Conclusie

3.2.8 Literatuur Filtratie en vloeistofextractie 3.2.9 Symbolenlijst Filtratie en vloeistofextractie 3.3 Ontkleuring 3.3.1 Inleiding 3.3.2 De probleemstelling 3.3.3 Adsorptie 3.3.3.1 De adsorptie-isotherm 3.3.4 Adsorbents

3.3.4.1 Wat is actieve kool? 3.3.4.2 Activeringsprocessen 3.3.4.3 Typen actieve kool

3.3.4.4 Keuze van type poederkool

(14)

Hoofdstuk 3. Klassiek proces

3.3.5 Het batchproces 3.3.5.1 Inleiding

3.3.5.2 Procescondities, -parameters en -eisen 3.3.5.3 De adsorptie-isotherm

3.3.5.4 Het rekenmodel

Het shrinking-core model

De bruikbaarheid van het s.c~model

3.3.5.5 De resultaten 3.3.5.6 De conclusies

3.3.6 Het two-stage countercurrent batchproces 3.3.6.1 De werking

3.3.6.2 Schatting van actieve kool besparing 3.3.7 Continue adsorptieprocessen

3.3.7.1 Gepakte kolom 3.3.7.2 Keuze granular kool 3.3.7.3 Continuous moving bed 3.3.7.4 Multi-stage fluidized bed

3.3.8 Vergelijkend overzicht van de behandelde processen 3.3.9 Experimentele oplossingen

3.3.9.1 Lab. proeven met actieve poeder kool 3.3.9.2 Ber. van de meest economische actieve kool 3.3.10 Recycling actieve kool

3.3.10.1 Methoden van regeneratie 3.3.10.2 kostenoverzicht

3.3.11 De randapparatuur

3.3.12 De afbraak van penicilline 3.3.13 Conclusies en aanbevelingen 3.3.14 Literatuurlijst Ontkleuring 3.3.15 Symbolenlijst Ontkleuring 3.4 Kristallisatie 3.4. 1 Inleiding 3.4.2 Beschrijving proces 3.4.3 Ontwerpschema kristallisator 3.4.4 Roeren 3.4.5 De kristallisator 3.4.5.1 Inleiding

3.4.5.2 De tubular (plug) flow reactor 3.4.5.3 De geroerde tank

3.4.5.4 De meertraps geroerde tank 3.4.5.5 Afmetingen

(15)

Hoofdstuk 3. Klassiek proces 3.4.6 De recycle 3.4.6.1 Inleiding 3.4.6.2 Beschrijving 3.4.6.3 Vervuiling 3.4.6.4 "Afval"-stromen 3.4.6.5 Uitwerking recycle 3.4.7 Het kristal-filter 3.4.8 De geroerde tank 3.4.9 Degradatie 3.4.10 Conclusies en aanbevelingen 3.4.11 Literatuurlijst Kristallisatie 3.5 Drogen en wassen 3.5.1 Inleiding

3.5.1.1 Keuze van de droger 3.5.1.2 De bandfilter

3.5.1.3 Het wassen 3.5.1.4 Het drogen 3.5.2 Het roervat

3.5.3 Dimensionering was sectie 3.5.4 Dimensionering droog sectie 3.5.5 De menger-transporteur 3.5.6 Randapparatuur

3.5.6.1 Vermogensberekening pompen 3.5.6.2 Vermogensberekening van de roerder 3.5.6.3 De warmtewisselaar

3.5.7 De veiligheid 3.5.8 Aanbevelingen 3.5.9 Conclusie

3.5.10 Symbolenlijst Drogen en wassen 3.5.11 Literatuurlijst Drogen en wassen

(16)

Hoofdstuk 3. Klassiek proces

3.6 Massabalans

3.6.1 Omschrijving werkwijze 3.6.2 Aannamen en formules 3.6.3 Resultaat

3.7 Milieu-effecten van de afvalstromen

3.8 Conclusies

(17)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

3.1 Inleiding

Het klassieke proces is een afspiegeling van de huidige methode die Gist Brocades hanteert voor de opwerking van penicilline. Figuur A, Process Flow Diagram, geeft een overzicht van de opbouwen het verloop van de achtereenvolgende processtappen.

Zoals in elk produktieproces streeft men naar een zo hoog mogelijke opbrengst en zuiverheid. Dat impliceert dat de ontwikkeling van en onderzoek naar mogelijke verbete-ringen nooit stilstaat. Zo zal men aan de ene kant zoeken naar verbetering van het bestaande proces, aan de andere kant wordt winst gezocht in de alternatieven voor bestaande stappen. Om hier echter aan te kunnen werken is het van essentiëel belang om een goed begrip te hebben van wat zich afspeelt in het proces.

In dit hoofdstuk worden alle apparaten en stappen in het traject besproken en doorgere-kend uitgaande van een uiteindelijke produktie van 3000 ton per jaar penicilline. De eis van een hoge zuiverheid van 99,5 % en een overall rendement van 92 % was hierbij de be-palende factor.

Tijdens het werk werd al snel duidelijk dat theorie alleen de lading niet dekt. Van een aantal processen en gegevens bleek geen theoretische kennis voorhanden of was deze bij andere omstandigheden opgesteld. Door contacten met fabrikanten en mensen uit de praktijk was het mogelijk om theorie en praktijk te combineren en zo waar nodig verantwoorde aannames te maken. Bovendien leidde dit tot een bredere kijk op de zaken die een aantal alternatieve stappen en aanbevelingen heeft opgeleverd waarmee een hoger rendement kan worden behaald.

Gekozen is voor een indeling van het proces in vier delen die elk een belangrijke stap bevatten. De opsplitsing is in de figuur aangegeven. De verschillende stukken zijn aan elkaar verbonden door middel van de massabalans die in feite als rode draad fungeert. Zodoende wordt uiteindelijk een goed inzicht verkregen in het penicillineopwerkingspro-ces, de rekenmethoden en de moeilijkheden die daarbij komen kijken. Veel leesplezier!

(18)

(19)

3.2 FIltratie en vloeistofextractie

3.2.1 Inleiding

Stap één omvat het penicillineopwerkingsproces van de fermentor tot aan de koolbehande-ling.

Op het moment dat het uit economisch oogpunt het voordeligst is wordt de fermentor geleegd. De inhoud is samengesteld uit enerzijds een waterige oplossing waarin ook het penzuur opgelost is en anderzijds mycelium, een schimmelcultuur.

In een continu proces wordt eerst de substantie door een roterend vacuümfilter heengeleid waarbij het mycelium als afval achterblijft. Het filtraat wordt, vooruitlopend op het aanzuren, gekoeld tot een temperatuur van 4

oe

en opgeslagen in een buffervat wat het mogelijk maakt om eventuele onregelmatigheden in het voorliggende traject te vereffenen. Omdat extractie van de penicilline van de waterige oplossing naar butylacetaat beter verloopt bij lage Ph wordt het filtraat vervolgens aangezuurd met zwavelzuur. In een centrifugaal extractor wordt de waterige oplossing in intensief contact gebracht met butylacetaat en vindt overdracht plaats van de penicilline uit het water naar butylacetaat. Het butylacetaat en het water verlaten de extractor als twee gescheiden stromen. Slechts zeer fijne druppeltjes water verlaten de extractor met het butylacetaat in gemengde vorm. Daar dit niet wenselijk is wordt dit water tot slot met behulp van een coalescentie filter afgescheiden. De uiteindelijk stroom gaat door naar de koolbehandeling.

(20)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELUK

3.2.2 Het roterend vacuÜDlband fIlter 3.2.2.1 Inleiding

Het beslag uit de fermentor wordt gefilterd met behulp van een roterend vacuümband fIlter. De werking van dit filter is uitgelegd in hoofdstuk 2. Door middel van deze filtratiestap kan men het beslag ontdoen van het mycelium. Het mycelium vormt zich als een koek op het fIltermedium. Dit afvalprodukt wordt over het algemeen verwerkt tot veevoer. Het filtraat wordt verder bewerkt in het proces.

Aan de hand van paragraaf 2.4 kan men het filter doorrekenen, dimensioneren en het rendement bepalen.

3.2.2.2 Filtratie berekeningen

Allereerst moeten er een aantal aannamen worden gemaakt. Over de dichtheid van biomassa is het volgende bekend:

"Because the cells have a water content of 70% - 80%, the density is about 1100 kg/m3

."

Hieruit volgt er een aanname voor de dichtheid van het mycelium, namelijk 1400 kg/m3 •

Voor het drukverschil wordt over het algemeen een waarde genomen van 0,7 bar. En bij dit soort filtraties neemt men meestal een onderdompeling van 25 % aan.

Verder zijn er een aantal gegevens bekend. De drogestof-gehalte van het mycelium is gelijk aan 15 %. De grootte van het mycelium bedraagt 10 bij 300 micron. De viscositeit van het beslag is 2 ·1Q3 Pa· s.

Met deze gegevens en formule 2.4-4 kan men de vormfactor van het mycelium en daarmee de permeabiliteit uitrekenen.

2 ( 300) "3 ~=1 30- 10 =0 41 , 1 300 ' + -2 10

K=.J:...

0,853 18 (1-0,85)2

(21)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VER1ROUWELIJK

a= 1 =1,29'107m/k

1400'(1-0,85)'3,70'10-10 _g

De massa gedeponeerde koek per eenheid filteroppervlak is als volgt te bepalen:

M

w =

-..!

"1t 'D'B'n

4

Waarin: M

=

406,6 kg/uur

D is het diameter van het filter (m) B is de breedte van het filter (m)

n is het aantal omwentelingen per uur (uur-I)

1,4 is de factor voor de onderdompeling van het filter

Wetende dat dV/dt gelijk is aan 8,64/3600 komt men met behulp van de wet van Darcy tot de volgende formule:

(3.2-1)

In de wetenschap dat er (406,6/1400=) 0,29 m3 _{per uur op het medium terecht moet}

komen, komt men tot de volgende formule:

( 1-e)

,l:.

'n 'D'B'n'l:. 'd=O 29

4 2 '

Waarin: 1/2d is de gemiddelde dikte van de koek (m) e is de porositeit van de koek (-)

Uitwerken leidt tot:

D'B'n'd=4, 92 (3.2-2)

Als men formule 3,2-1 invult in formule 3.2-2, volgt voor de koekdikte een waarde van 6,4 mm, Een aannemelijke waarde voor n is 50 omwentelingen per uur, Dan is de onderdompelingstijd van het filter 18 seconden per omwenteling, hetgeen boven de minimumeis van 15 seconden ligt, Dit leidt tot:

(22)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

D·B=15,4

Volgens Amafilter kan je dan het best een filter kiezen met: diameter D

=

3,63 m

breedte B = 4,56 m

3.2.2.3 Rendement van de nItratiestap

VERTROUWELIJK

Het rendement is afhankelijk van de hoeveelheid wasvloeistof, die tijdens het wassen wordt gebruikt. Er wordt over een kwart van het filteroppervlak gewassen. Tijdens het wassen is er nog x m3 _{penicilline houdend waterige vloeistof aanwezig in de koek.}

x=e·l:

"Tt ·D·B·n·d

4

Als er per uur 8,64 m3 _{penicilline houdend waterige vloeistof wordt gefilterd, dan komt}

daarvan 5,35 m3 _{niet in aanraking met de was sectie, maar wordt direct via het}

pijpenstel-sel in de trommel afgezogen.

Met behulp van figuur 2.4-3, waarbij '\, 10 micron is, berekent men de benodigde hoeveelheid wasvloeistof voor een filter rendement van 98% als volgt:

5,35+y·3,29 =0 98 - y=O,95

8,64 '

Het rendement van de wassectie moet 95 % zijn om een rendement van 98 % te halen voor de gehele filtratie stap. Uit de grafiek volgt dat Rv gelijk is aan 1,20.

Rv= Vwasvloeistof =1,20 - Vwasvloeistof=4, Om3

Vkoekvloeistof

Naast dit rendement, zijn er ook voor een aantal andere rendementen de hoeveelheid benodigde wasvloeistof berekend. Deze waarden zijn in tabel 3.2-1 gegeven. In verband met de hold-up van de extractor is er gekozen voor een rendement van 98,25 %, met een hoeveelheid wasvloeistof van 4,01 m3

(23)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELIJK

Tabel 3.2-1 Hoeveelheid wasvloeistof voor een bepaald rendement

Rendement wasvloeistof Hoeveelheid verhouding ~ wasvloeistof 98,0% 1,20 3,95 m3 98,25% 1,22 4,01 m3 98,50% 1,41 4,64 m3 98,75% 1,63 5,36 m3 99,0% 2,44 8,03 m3

3.2.2.4 Dimensionering van het ÏIlter

De uiteindelijke gekozen dimensionering van het roterend vacuümband fJlter luidt:

Tabel 3.2-2 Filter dimensies

Diameter trommel D 3080 mm

Breedte trommel B 4560 mm

Hoeksnelheid 8,7

*

10-2 _rad/s

Onderdompeling 1/271" rad

Hoeveelheid wasvloeistof 4,01 m3/uur

(24)

3.2.3 Afkoelen en aanzuren 3.2.3.1 Theoretische achtergrond

De volgende belangrijke processtap na de filtratie is de extractie van de penicilline uit het water naar een solvent.

Vooruitlopend op de bespreking van deze stap blijkt 'het gunstig om deze bij een Ph van ongeveer 2.7 te laten plaatsvinden.

Dit aanzuren gebeurt met zwavelzuur, molmassa 98. De reactievergelijking luidt:

De Ph voor deze vergelijking laat zich als volgt berekenen: [H+] 2 [802-]

pH = -log 4

[H₂S0₄]

De concentratie H+ is 10-2

•7 dus moet er 0,5.10-2,7 mol/l worden toegevoegd. Omgerekend

naar de massabalans komt dit neer op 1,075 kg/uur. Dit wordt natuurlijk in waterige oplossing toegevoerd.

Penicilline heeft de eigenschap dat het snel vervalt in een omgeving met een hoge of lage Ph en bovendien zal bij stijgende temperatuur de stabiliteit ook afnemen. Deze verbanden zijn grafisch weergegeven in figuur 3.2-1a en figuur 3.2-1b biedt een duidelijke indruk.

Time in minules

Fig. 3.2-1a Verval penicilline bij verschillende temperaturen

3.2-6

(25)

::.:: ~

~

a ~

~

<::>

-I\) e.. :. ....

....

I ' l ". I 0. .~.

..

I <-'I

-,.

....

Fig. 3.2-1b Overzicht verval in tijd, temperatuur en pH

I f'v ~.

...

-

~ -.

..

-.

_...

3.2-7 -.

(26)

Nu blijkt uit figuur 3.2-lb, aangegeven met lijn A, dat het verval van de penicilline bij 25

°

C en een Ph van 2.7 heel snel verloopt, wat zou betekenen dat onnodig veel verloren gaat als gevolg van het aanzuren.

Een oplossing voor dit dilemma tussen enerzijds een hoog extractie rendement en anderzijds verlies kan gevonden worden in het koelen van de waterige oplossing. 4

oe

blijkt een goed haalbare temperatuur. Uit figuur 3.2-1b blijkt dan volgens lijn B dat de vervaltijd is toegenomen tot een veel veiligere waarde, lang genoeg om door de extractie-stap te gaan.

Voor het koelen kan gebruik gemaakt worden van een koelmachine. Vanzelfsprekend wordt de koelstap voor het aanzuren geplaatst.

3.2.3.2 Dimensionering van de koelmachine

Een compressie-koelmachine bezit in zijn eenvoudigste vorm vier hoofdcomponenten (zie fig 3.2-2a):

- compressor - condensor - smoororgaan - verdamper

In het circuit circuleert een koudemiddel, dat bij acceptabele drukken en temperaturen kan verdampen' en condenseren. In dit geval betreft het de chemisch stabiele stof R-22 , chloordifluormethaan. Een koelmachine neemt warmte op uit een medium met een temperatuur lager dan die van de omgeving en geeft warmte af aan een medium dat tot de omgeving behoort (bijvoorbeeld beschikbaar koelwater). Het eerste medium dient als warmtebron, het tweede als warmteput. In dit geval is de te koelen waterige stroom de bron en fungeert rivierwater als put.

De berekeningen voor dit proces, evenals het km~lmiddel diag!am van R-22 staan in de bijlage. De massastroom koelmiddel die vereist is voor dit proces bedraagt 1,21 kg/s. Om dit koelmiddel telkens te laten condenseren is 42 m3/uur rivierwater van ongeveer 17°C noodzakelijk. Verder is er in dit kringproces nog een compressor aanwezig, die 50 Kw levert.

C.ON()E~SO~

(27)

3.2.4 De extractor

Vanwege de slechte eigenschappen van penicilline in water en voor het vervolg van de opwerking moet het overgezet worden naar een andere drager. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van tegenstroomextractie, met behulp van een solvent.

Uit de voorgaande paragrafen is duidelijk geworden dat de penicilline in het aangezuurde filtraat snel vervalt. Daarom is het zaak dat het extractieproces zo snel mogelijk plaats-vindt. Conventionele apparatuur waarbij de stofoverdracht onder invloed van de zwaarte-kracht plaats vindt voldoet niet daar de doorlooptijden vele malen te groot zijn.

Een centrifugaalextractor biedt de oplossing; door gebruik te maken van de centrifugale versnelling als drijvende kracht zijn de doorlooptijden van deze machine erg klein.

3.2.4.1 Solventkeuze

De keuze van het solvent is van een vele factoren afhankelijk; niet alleen de te bereiken verdelingscoëfficient is van belang, maar ook dient bijvoorbeeld te worden gekeken naar prijs, milieufactoren en inpassing in het proces. Ook van belang is dat het solvent en het water slecht in elkaar oplosbaar zijn. Afgewogen is de verstandigste keuze butylacetaat. Om de waarde van de verdelingscoëfficient te bepalen dient eerst een aantal aannamen gemaakt te worden. Zo moet men er van uitgaan dat de penicilline niet dissociëert en goed oplost in de solvent fase en dat geen rekening dient te worden gehouden met

dubbelmoleculen en associatie. Verder kan aangenomen worden dat penicilline een zwak

zuur is met een pK van 2,75.

De verdelingscoefficiënt van het ongedissocieerde penicilline tussen water en butylacetaat is gedefinieerd als:

«= concentratie pen. ild butylacetaat

o concentratie pen. ild waterige oplossing

De waarde van ao is aan de hand van experimenten in de praktijk bepaald en kan 90 genomen worden. Echter, zoals reeds gesteld in paragraaf 3.2.3, afkoelen en aanzuren, is de effectieve verdelingscoëfficient, a, afhankelijk van de pH.

«0

« =

--~--[1 + 1()PH-pK]

(28)

3.2.4.2 Opbouw van de extractor

Een centrifugaal extractor is opgebouwd uit een as met daaraan vast een rotor waarin een groot aantal geperforeerde concentrische ringen zijn aangebracht. Figuur 3.2-2b toont een opengelegde extractor van het merk Podbielniak.

Het geheel van as en rotor (1) is ondersteund door een zware basis (2) die de krachten op kan vangen en draait in stevige (3) kogellagers. Aan een uiteinde van de as (4) wordt de rotor aangedreven door een multi-V-riem systeem. Het geheel is zo opgehangen en uitgebalanceerd dat het vrijwel trillingsvrij opereert.

Vloeistoffen worden met behulp van distributiebuizen (6) in de rotor verdeeld. In deze buizen zijn op een bepaalde afstand van de as gaten geboord waardoor de vloeistoffen aldus via deze openingen de rotor binnenstromen. Een aantal buizen (7) wordt niet gebruikt voor vloeistoftransport maar zijn noodzakelijk om het systeem schoon te kunnen maken. Deze zogeheten "Asco" buizen worden verwijderd, zodat het mogelijk is om vervolgens de rotor door te spoelen.

De as is opgebouwd uit twee concentrische pijpen die de uitlaatpoorten (8) aansluiten op verschillende rijen distributiebuizen. De verticale poort is aangesloten op de rij buizen (A) en de horizontale op (B). Aan de andere kant van de as zijn de inlaten, verbonden met de rijen (C) en (D).

Figuur 3.2-3 laat een doorsnede van de as zien waarop de aansluiting van poorten en buizen afgebeeld is.

(29)

(30)

3.2.4.3 Werking van de extractor

De V-riemen drijven de as aan waarbij toerentallen, afhankelijk van het type, gehaald worden tussen de 1000 en 6000 toeren/min. Hierdoor kunnen in de rotor centrifugaal krachten ontstaan die vele duizenden malen de zwaartekracht bedragen. De scheidende werking van de extractor is gebaseerd op dichtheidsverschil tussen solvent en de, in dit geval, waterige fase. Door de grote versnelling is het mogelijk om ook stoffen waarbij dit verschil zeer gering is goed te scheiden.

De fasen worden dan ook onderscheiden in een zware (HL, heavy liquid) en een lichte (LL, light liquid) fase. Via de distributiebuizen wordt de zware fase dicht bij de as in de rotor geleid (HLI, heavy liquid in). Dit is te zien in figuur 3.2-4. De lichte vloeistof komt dicht bij de buitenkant binnen. Als gevolg van de centrifugale kracht wordt de zware fase naar buiten geduwd waardoor de lichte fase aldaar verdrongen wordt en naar de as-zijde toe beweegt. Aldus ontstaat een tegenstroom in de rotor waardoor de fasen met elkaar in contact worden gebracht en extractie plaatsvindt. De vele gaten in de concentrische ringen zorgen voor een goede verdeling en coagulatie. Het is in te zien dat de ringen in feite fungeren als schotels zoals die bij destillatie worden gebruikt. Het resultaat is een schei-dings- en extractieproces van meerdere trappen wat op een effectieve manier twee scherp verdeelde uitgangstromen levert. De zware fase verlaat de rotor vervolgens aan de buitenzijde (HLO, heavy liquid out) en de lichte bij de as (LLO, light liquid out).

B

uo

Fig. 3.2-4 Doorsnede rotor

C LU

Light-liQuid clarification

(31)

3.2.4.4 Dimensionering van de extractor

De Podbielniak extractoren worden geleverd in vijf standaard maten met als verschil de grootte van de nominale volumestroom die gewenst is. Hier wordt gekozen voor het D-18 dat model kan 15 m3/h verwerken.

Dit apparaat heeft een rotorstraal van 18 inch, 45 centimeter. De zware fase (HLI)wordt op 25 % van deze lengte, 11,25 cm., ingevoerd en voor de lichte fase (LLI) invoer wordt 80% van de straal genomen, 36 cm. Met een breedte van 45 cm. is de holdup van de rotor 220 liter. Het nominale toerental is 2100 tImin .. Vaak is het voordelig om als de effectiviteit er niet onder leidt beneden dit toerental te werken daar dit energie- en onderhoudskosten bespaart.

Er zijn 49 concentrische ringen, op korte afstand van elkaar. Als men de ringen van binnen naar buiten nummert, dan zijn de eerste elf elk voorzien van 393 gaaljes met een diameter van 0,62 cm .. Dan volgen tot aan ring 41 "schotels" met 2280 gaatjes van 0,31 cm .. De laatste 9 hebben 4310 3,1 mmo perforaties.

Bij de bespreking van het proces in de extractor zal naar vo-ren komen dat om iets over overdracht te kunnen zeggen wordt gerekend met een zogenaamd 'principal interface' (PI). De ligging hiervan kan beïnvloed worden door de drukken in de uit- en ingaande kanalen te regelen, en wel met name de druk van de LLO. Met behulp van manometer analogie, door evenwichten te stellen tussen de drukken kan men de waarden uitrekenen. Er volgt dan (zie figuur 3.2-5):

HLO

circuit

(32)

~~~

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VERTROUWELUK

Uitgaande van 2000 tlmin, straal van interface (RpJ= 0,40 m., de constante K= 5,483.10-3 _{en Pm.o, deze wordt atmospherisch genomen, dus= 1,013.10}5 _N/m2 _{dan volgt:}

PLLo= 5,33 bar PHL1= 4,99 bar

PLLI= 1,83 bar

Als gevolg van de weerstanden in de machine zal er bij de D-18 een drukverlies van 1 bar optreden als de rotor 2100 tlmin draait. Dat wil zeggen dat

PLLo

=

6,33 bar

Pm.I= 5,99 bar

P_LLI= 1,83 bar

3.2.4.5 Het proces in de extractor

Als men er van uit gaat dat tijdens de totale extractiestap 98 % van de penicilline behouden blijft, moet er, uitgaande van 1 % verlies als gevolg van het aanzuren over de extractor zelf een rendement van 99 % gehaald worden.

Stel, de machine is gelijk aan twee theoretische trappen, dan valt de benodigde hoeveel-heid butylacetaat om tot een rendement van 99 % te komen uit te rekenen. Er geldt:

In [_1_(1-1.) +1. ] l-R

r r

N = -Inr Waarin: R=rendement N = aantal trappen r = extractiefactor

Met de gegeven waarden komt men dan tot r=9,462 Deze factor is gedefinieerd als:

r

= ex V butylacetaat V waterige opl.

J'

~

\

N

-

_-

_l

I

i ." 00 lil

-=

o

-t",-L

~. ,-\"\-'1

-

1 3.2-14

(-::

'/~

N

-;:. _{\., .. !l} _{( \_}_\2 ₎ ) .... ~\t

o

_

J

,

Jl::i

'v-~ -;:.

12

~ (;.~3'

(33)

Dit levert een verhouding wateropl : butylacetaat = 1 : 0,199. Met een ingaande water-stroom van ruim 10570 kg/h wordt de hoeveelheid butylacetaat (veilig afgeschat) dan 2,100 m3

/h.

De vraag is nu of de twee theoretische trappen in de extractor haalbaar zijn. Om deze vraag te beantwoorden moet gekeken worden naar het proces dat zich afspeelt in de machine. Hierbij stuit men al snel op problemen daar echt theoretisch onderzoek naar het inwendige van een dergelijk apparaat zeer moeilijk is. Zo is het bijvoorbeeld onmogelijk om een exemplaar van plexiglas te maken om te kunnen zien hoe de stromen lopen en de overdracht plaats vindt, daar de optredende G- krachten veel te hoog zijn. Bovendien is onmogelijk een model van het verloop over de vele concentrische ringen en door de perforaties op te stellen. Bij elke schotel ontstaat een scheidingsvlakje tussen lichte en zware fase, waarvan de parameters variëren per laag en experimenteel bepaald dienen te worden. Druppel- en gatgrootte, vloeistofsnelheden, G-krachten, aantal gaatjes en drukken zijn afhankelijk van de plaats in en het toerental van de rotor.

Als men naar de vulling van de rotor kijkt dan is er aan de as- zijde een laag vloeistof die alleen maar uit de LLO bestaat, de zogeheten LLO clarifying zone, Daarna volgt een gebied waar de twee fasen in contact zijn, dit is de werkelijke overdrachtszone. Tenslotte bevindt zich aan de rand van de rotor een laag zware fase, de HLO clarifying zone.

In de overdrachtszone bevindt zich zowel lichte als zware fase en vindt dus de eigenlijke extractie plaats. Dit gebied strekt zich uit over een dertigtal schotels uit en kan, zoals reeds eerder opgemerkt, niet door een model omvat worden.

Om nu toch enig idee te krijgen wordt gewerkt met een zekere scheidingslijn die de scheiding tussen zware en lichte fase voorstelt. Deze wordt de Principal Interface (PI)

genoemd en de ligging ervan is van groot belang voor de werking van de extractor.

Hoe meer het PI naar buiten ligt, hoe groter het contactoppervlak tussen zware en lichte fase. Afhankelijk van het proces kan het PI door middel van variëren van de PLLO (zie

paragraaf 3.2.4.4, dimensionering van de extractor) op elke plaats in de rotor afgesteld worden. In het geval van het penicilline proces is het efficiëntst om het PI zo dicht mogelijk aan de buitenzijde van de rotor te leggen. Hierdoor is de extractor gevuld met de langzaamst stromende fase, het butylacetaat, en zal de zware fase daarin dispergeren, zie figuur 3.2-6. Door de ligging van het PI moeten de gedispergeerde druppels een maximale afstand naar de buitenzijde overbruggen en is de contacttijd zo lang mogelijk. Om te voorkomen dat er lichte fase met de zware fase bij de HLO mee gaat, rimflooding,

moet er een zekere veiligheidsmarge aangenomen worden. Daarom wordt RpI= 0,4 m ..

Als het PI binnen RLLI ligt, zie figuur 3.2-7, zal ook de lichte fase een stukje dispergeren

in de zware. Dan is het contactoppervlak echter kleiner en dit blijkt in de praktijk bij dit proces doorslaggevend.

(34)

De stofoverdracht in het apparaat laat zich niet goed berekenen. Er bestaan (nog) geen theorieën die voldoen. Bijlage 3.2.2 bevat enkele opgenomen theorieën over stofover-dracht en druppelvorming.

B

LLO

Fig. 3.2-6 PI aan buitenkant

C

LLI

B c

LLO LLI

II--~- - - p\

Fig. 3.2-7 Beide fasen dispers

In de praktijk moeten de uiteindelijke procesparameters zoals druk en toerental experi-menteel vastgelegd worden. Voor dit proces raadt de fabrikant aan om twee extractoren in serie te plaatsen zoals getoond in figuur 3.2-8.

fresh

rlch extract solvent

broth

spent broth

Fig. 3.2-8 Twee extractoren in serie

Het solvent wordt in tegenstroom door de beiden extractoren geleid waardoor het verse butylacetaat eerst wordt benut om de reeds eenmaal geëxtraheerde waterstroom nogmaals

(35)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

VERTROUWELIJK

voor de tweede maal te extraheren. Met deze opstelling kan

het rendement van 99 %

behaald worden.

Butylacetaat en water lossen slecht in elkaar op; 2 massa % van de uiteindelijke lichte fase-stroom uit de extractor bestaat uit opgelost water. Het zwavelzuur

en de ionen

verlaten het systeem met de zware fase. Een probleem vonnt het

fenylazijnzuur dat zich

met een verdelingscoëfficient a= 42 (zie figuur 3.2-9) over beide

stromen verdeelt zodat

slechts een drie-en-veertigste deel met de waterige fase afgevoerd wordt.

100r---~~---~ • :s 0

..

:s r:r 10 <

-

ë 11 > "ö en .2

..

g: c .2 ; .t:I ;:

..

iS ~

_..

11

0

Acettc Acid 0.1 L.._..J.._.oI-i.-_....:-_--'--II.-~-~:__-~ 1 l 3 " 8 pH

(36)

3.2.5 Het coalescentie Ïllter

Een extractor kan onmogelijk 100% scheiden. In de stroom butylacetaat uit de extractor is er naast het opgeloste water, nog een gedeelte meegestroomd water aanwezig. Dit is niet te voorkomen. Een gedeelte van het water in de extractor wordt namelijk zo fijn gedisper-geert, dat de wrijvingskrachten op de druppels groter wordt dan de daarop werkende centrifugaal kracht. Men kan hierbij denken aan een hoeveelheid water van ongeveer 0,1% (2 kg) van de totale hoeveelheid organische fase die de extractor verlaat. Let wel, het butylacetaat is reeds verzadigd met water, zoals besproken in de voorgaande paragraaf zodat deze druppeltjes niet oplossen. Het gevolg is dat die zeer kleine druppels met de lichte fase (het butyl-acetaat) meestromen.

Het gebruik van een gewone settler is af te raden. Enerzijds omdat de waterstroom ten opzichte van de butyl-acetaat stroom veel te klein is. Anderzijds omdat het water te fijn in het butyl-acetaat is gedispergeerd, en om dezelfde reden als bij een extractor niet van de butyl-acetaat stroom zal worden gescheiden.

Een coalescentie filter (fig. 3.2-10) heeft deze nadelen niet. Zo'n filter is zelfs zeer geschikt voor het scheiden van kleine hoeveelheden gedispergeerde vloeistoffen uit grote stromen. Volgens de literatuur worden de twee fasen zelfs volkomen gescheiden, op het opgeloste water na natuurlijk.

Het filter bestaat uit twee pijpen van elk een meter lang die in elkaar geschoven zijn. De binnendiameter van de binnenste buis is 93 mmo en die van de buitenste 150 mmo De ruimte tussen de buizen is opgevuld met een soort glaswol.

t'

411 9in 1.45m)

~

Fig. 3.2-10 Het coalescentie filter

Woter- phase oullet

• ..

~ Hydrophil ie ~ seporotory membrones Pressure- gouge / connection -f V \ \ Coolescing membrones Emulsion inlet

r---

Hydrophobic seporotory r... membrones Orgonic phase oullet 311 2in IO.97m) J

(37)

De stroom beladen butylacetaat komt door de binnenste pijp instromen en wordt aan het eind gekeerd en door de glaswol weer naar buiten geleid. De zeer fijne druppeltjes water blijven aan het glaswol haken alwaar zij coaguleren tot druppels en door de stroom losgetrokken en meegevoerd worden.

Om een goede werking te garanderen moet de stroom laminair blijven daar de gevormde druppels anders weer stuk geslagen worden. Dit kan men bereiken door een aantal filterbuizen parallel te plaatsen. Uitgaande van een Reynoldsgetal van 2000 laat het aantal zich makkelijk uitrekenen:

Re = pud

11

De oppervlakte van de binnenbuis is het kleinst en dus maatgevend. Met een stroom van 2,1 m3 _{butylacetaat komt men dan op een totaal van zes buizen.}

Vervolgens komt de stroom in het settler huis waar de zware druppels onder invloed van de zwaartekracht uitzakken. Omdat de hoeveelheid water zo klein is verlaat de water-stroom het filter via een hydrofiel membraam en wordt vervolgens teruggevoerd naar de extractor. Aangezien in deze stroom nog penicilline aanwezig is, is dit een rendabele recycle stroom.

(38)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces VER1ROUWELIJK

3.2.6 Randapparatuur

In dit deel van het proces zijn 10 voedingspompen nodig; een om de fermentor leeg te pompen, een tussen de filter en de koelsectie, een voor de toevoer van zwavelzuur, twee voor de waterige fase en twee voor de organische fase in de extractiecascade, een voor transport naar de coalescentiefilter, een voor de afvoer van het water uit deze ontwate-ringsstap en ten slotte een voor doorvoer van het penicillinerijke butylacetaat naar de kolingstap.

Volgens Touber geldt er voor een algemeen geval, waarbij rekening wordt gehouden met hoogteverschil, drukverschil, en stromingsweerstand voor de "delivery head":

pl'Qt[n+ 1] -pl'Qt[n] Il.Pleid

Hpomp

=

pg + Hgeom +

pg

In dit proces worden de pompen voornamelijk gebruikt voor het overwinnen van de leidingweerstanden en hoogteverschillen. Om deze te berekenen wordt gebruik gemaakt van:

Hierin wordt f berekend met de kwadratische weerstandswet:

Bij ruwe buizen kan een k- waarde van 0,15 genomen worden.

(39)

3.2.7 Conclusie

Over de eerste stap, van de myceliumfiltratie tot en met het coalescentiefilter, wordt een rendement gehaald van 96,3 %.

In dit deel van het proces is het verval van penicilline in water met de tijd een belangerij-ke factor. De temperatuur waarbij de fermentatie plaatsvindt blijkt al hoog en zou tot veel degradatie kunnen leiden; de oplossing is koelen.

De berekening van met name de filter en de extractor blijkt met theoretische modellen niet geheel te ondervangen; een aantal waarden moet aan de hand van proeven in de praktijk worden bepaald.

Het rendement van een roterend vacuüm filter is sterk te beïnvloeden door de hoeveelheid waswater die men gebruikt. Dit geeft echter een grotere stroom in het vervolg van het proces. Uiteindelijk is gekozen voor een filter met een rendement van 98,25 %.

De extractor kan worden gezien als een aantal theoretische trappen. De berekening ervan is zeer complex en niet nauwkeurig dus moet men de werking in de praktijk toetsen. De beste oplossing blijkt een seriescakeling van twee D-18 Podbielniak extractoren met een totaal extractierendement van 99 %.

Met 1 % verlies als gevolg van het aanzuren en degradatie komt men dan tot bovenge-noemd rendement.

Het water wat bij het coalescentiefilter wordt afgescheiden bevat nog een klein beelje penicilline. In het huidige proces wordt dit weggegooid. Om dit te voorkomen zou een mogelijkheid zijn om een hoeveelheid extra butylacetaat toe te voegen, genoeg om het water op te lossen, en vervolgens mee te voeren naar de koolstap.

(40)

3.2.8 Literatuur

[1] Touber, S., Pompen en Compressoren, TU Delft, Delft, 1990.

[2] Touber, S., Thermische machines: Een compressie-warmtepomp, TU Delft, Delft,

1992.

[3] AmarIlter, Vacuum Drum Filters, brochure.

[4] CouIson, J.M. en Richardson, J.F., Chemical Engineering (volume 6), Pergamon

Press, Oxford, 1983.

[5] Perry, J.H., Chemical Engineers Handbook, Mc Graw-Hill, New York, 1984. [7] Baker Perkins, Podbielniak contactor , Brochure.

[8] Asenjo, J .A. (Ed.), Separation Processes in Biotechnology, Marcel Dekker, Inc., New York 1990.

[9] Jackson, A.T., Process engineering in Biotechnology, Prentice Hall, Englewood

Cliffs, 1991.

[10] Diversen, G-groep verslag: "De industriële zuivering van Caprolactam", TU Delft, Delft 1992.

[11] Zuiderweg, Prof. F.J., Fysische scheidingsmethoden (deel 1 en 2), TU Delft, Delft, 1987.

[12] McNeil, B. en Harvey, L.M. (Ed.), Fermentation, a practical approach, !RL Press, Oxford, 1990.

[13] Thornton, J.D. (Ed.), Science and practice of liquid-liquid extraction (volume 1), Clarendon Press, Oxford, 1992.

[14] Wesselingh, J.A. en Krijgsman, J., Advanced course on downstream processing, TU Delft, Delft, 1992.

[15] Rehm, H.J. en Reed, G. (Ed.), Biotechnology (volume 5), Verlag Chemie, Wein-heim, 1983.

[16] Hudson, M.J. en VerraU, M.S. (Ed.), Separations for biotechnology, Ellis

(41)

[17] Gerhartz W. (Ed.), UIlmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume B2 Unit Operations , VCH, Weinheim, 1988.

[18] Hobby G.L., Penicillin, meeting the challenge, Yale University Press, London 1985.

[19] Rousseau, R.W. (Ed.), Handbook of separation process technology, J. Wiley and

Sons, New York

1987.

[20] Lo, T., Baird, M. en Hanson, C. (Ed.), Handbook of solvent extraction, J. Wiley and Sons, New York, 1983.

[21] Krijgsman,

J.,

Extractie van penicilline, intern rapport van Gist-Brocades.

[22] Telefoongesprek met J. Root, medewerker van Baker Perkins, Engeland, 20-10-1992.

[23] Persoonlijk onderhoud met de heer Couperus, medewerker van AmaFilter, Alkmaar, 12-11-1992.

(42)

3.2.9 Symbolenlijst

Latijnse symbolen

B (m) breedte filter

Bi' (-) getal van Biot

d (m) dikte koek

<4

(m) deeltjes diameter

d (m) diameter

D (m) diameter filter

E (-) extractief actor

Fo (-) getal van Fourier g (m/s2

) versnelling zwaartekracht h (kJ/kg) enthalpie

Hgeom

(m) geometrische opvoerhoogte

K (m2) permeabiliteit

K (-) stofoverdracht

K_LZ (-) dimensieloos vloeistofkental

m (kg) massa

N (-) aantal trappen

n (l/uur) aantal omw. per uur Pvat (bar) druk in vat

R

(%)

rendement

R,. (-) verhouding wasvloeistof- koekvloeistof PLLI (bar) druk light liquid in

PLLO (bar) druk light liquid out PHLO (bar) druk heavy liquid out PHLI (bar) druk heavy liquid in

Q (J/s) warmte

RLLI (m) straal light liquid in R LLO (m) straal light liquid out R HLO (m) straal heavy liquid out R HLI (m) straal heavy liquid in RpI (m) straal interface

Re (-) Reynoldsgetal

Sc (-) getal van Schmidt

Sh (-) getal van Sherwood

T (K) temperatuur

u (m/s) snelheid

VI (m/s) valsnelheid

V (m3) volume

(43)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces _{VERTROUWELIJK}

W (J/s) vermogen

Griekse symbolen

E ( -) porositeit van koek

<I> ( -) vormfactor

r

( -) extractiefactor p (kglm3 ) dichtheid TI (Nmls) viscositeit c.> (radis) hoeksnelheid 0 (NIm) grensvlakspanning

y ( -) rendement van de wassectie

cx (m/kg) specifieke koekweerstand CXo (m3/m3) verdelingscoefficiënt

cx (m3/m3

(44)

(45)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces _{VERTROUWELIJK}

3.3 Ontkleuring 3.3.1 Inleiding

De tweede grote stap in het opwerkingsproces van penicilline-G kaliumzout is de ontldeuringsstap. In deze stap moet de stroom nadat deze de ontwateringsstap heeft gepasseerd, ontdaan worden van kleurstoffen. De enigszins troebele oplossing van penicilline in butylacetaat moet worden omgewerkt tot een heldere vloeistof. Een vaak gebruikte zuiveringsmethode in dit geval is de adsorptie van de verontreinigingen aan actieve koolstof. Het is hier echter onduidelijk om welke stoffen het precies gaat. Analyse van de oplossing is een tijdrovende zaak _{maar ook niet nodig omdat experimenten in het}

verleden hebben aangetoond dat met een kooladsorptiestap voldoende verontreinigingen worden verwijderd. In het vervolg zullen we echter niet meer spreken over verontreini-gingen maar over kleurstoffen. We bedoelen er echter dezelfde stoffen mee. .

In deze paragraaf zullen we allereerst een nadere toelichting geven over het verschijnsel adsorptie. Vervolgens wordt het een en ander uitgelegd over actieve kool, wat is het precies en hoe wordt het gefabriceerd'? In de volgende paragraaf zetten we onze pro-bleemstelling uiteen. Waar hebben we mee te maken en tot welke oplossingen moeten we komen? We laten allereerst de theorie los op het batch-proces, zoals we dat in de op-dracht als base-case mochten beschouwen. Daarop volgt de theoretische achtergrond van het shrinking-core model zoals Gqrdon McKay dat in twee artikelen uiteen heeft gezet [13], [14]. We passen dit model toe en we laten de invloed zien van diverse parameters op de contacttijd en inhoud van de reactor. Er zijn enkele alternatieven voor het geroerde batchproces. Deze alternatieven worden behandeld in de paragrafen 3.3.6 en 3.3.7.

Hier worden vooral verblijftijden en hoeveelheden benodigde kool met elkaar vergeleken. De eerste is van belang voor de afbraak van penicilline gedurende het proces. Hier is het een ander over geschreven in subparagraaf 3.3.11. De processen worden vergeleken en van commen taar _{voorzien in 3.3.8. Welk proces is ons inziens aan te bevelen?}

Een goed alternatief voor de theoretische oplossingswijze is de experimentele bepaling. In deze paragraaf zetten we uiteen hoe een van de grootste producenten van actieve kool, Norit N. V ., _{experimenteel tot de juiste procesparameters en apparaat keuze komt voor}

haar klanten. Hoewel deze tests niet zijn uitgevoerd voor ons specifieke proces, kunnen we toch enige voorzichtige conclusies trekken aan de hand van een vergelijkbaar onderzoeken door de firma Norit, uit de resultaten van onze theoretische oplossing en gegevens uit de literatuur.

In paragraaf 3.3.12 wordt een nadere toelichting gegeven over de benodigde randappara-tuur. We sluiten de paragraaf af _{met een zeker niet onbelangrijk onderdeel van deze}

(46)

3.3.2 Opdracht en probleemomschrijving

Het in deze paragraaf 3.3 behandelde deel van het proces bestaat uit de behandeling van de stromen 10 tot en met 15. Zie hiervoor de algemene flow-sheet.

Er moet hier een geschikt adsorptieproces gevonden worden om uit een butylacetaat-stroom, waarin penicilline is opgelost, de ongewenste kleurstoffen te verwijderen. Dit wordt onder andere gedaan om een gewenste zuiverheid van 99,5% te realiseren.

Op de volgende vragen zullen we moeten proberen antwoord te geven om tot een ontwerp te komen:

1. Welk type adsorbent is geschikt?

2. Wat is de benodigde verblijf tijd?

3. Hoeveel adsorbent is nodig om een gewenste eindconcentratie te bereiken?

4. Welke apparaten komen hiervoor in aanmerking?

Bij het aanpakken van dit probleem gaan we uit van de volgende beginconditie en randvoorwaarden:

1 kg kleurstof per uur is opgelost in een BA stroom van 2,5 m3 _{per uur.}

de binnenkomende kleurconcentratie moet van 0,4 kg/m3 _{terug worden gebracht tot}

0,03 kg/m3

. Dat wil zeggen een rendement van 92,5 % met betrekking tot de hoeveelheid binnenkomende kleurstof.

(47)

3.3.3 Adsorptie

Adsorptie is het proces waarbij moleculen in een vloeibare fase zich concentreren op een vast oppervlak zonder dat er sprake is van enige chemische verandering. Dat adsorptie optreedt is te wijten aan onverzadigde krachten in het oppervlak welke bepaalde molecu-len, 'de adsorbate' aantrekken en vasthouden. De stof waaraan de moleculen worden geadsorbeerd wordt de 'adsorbent' genoemd. De adsorptie-energie geeft weer met welke kracht het desbetreffende molekuul wordt geadsorbeerd, vergeleken met andere moleculen

. in het systeem.

De geadsorbeerde stoffen vormen een grenslaag op het oppervlak van de adsorbent. In het engels wordt deze laag 'monolayer' genoemd, wat slaat op de aanwezigheid van slechts één laag moleculen. Deze methode beperkt zich in het algemeen tot moleculen met een moleculair gewicht tot 2000 grimol, omdat de toegankelijkheid van het oppervlak beperkt is. De concentratie van de oplossing in de adsorptie techniek is meestal minder dan 1000 ppm (parts per million). Boven deze concentratie moet men eerder denken aan chromato-grafische reinigingsmethoden .

Adsorptie, voornamelijk een oppervlak actief proces moet niet verward worden met absorptie, wat een penetratie impliceert van de ene component in het lichaam van een tweede. Ook moet adsorptie niet verward worden met bleken. Bij adsorptie verwijdert men de kleurdeeltjes terwijl bij bleken de gekleurde verontreiniging wordt omgezet in een kleurloos deeltje.

Het gebruik van adsorptie processen voor het reinigen van drinkwater, wijnen en oliën met behulp van vaste adsorbents, voornamelijk actieve kool, wordt al meer dan honderd jaar toegepast. Door de uitbreiding van de activiteiten van de chemische industrie en de ontwikkeling van biotechnologische toepassingen in de laatste twintig jaar is het aantal stoffen, behandeld met het adsorptieproces, enorm toegenomen.

Adsorptie wordt veel gebruikt bij fermentatie opwerkingsprocessen: (a) om de schadelijke moleculen, zoals kleurstoffen, uit de oplossing van het fermentatie produkt te verwijde-ren; (b) om het fermentatie produkt te adsorberen om zodoende de concentratie te vergroten wanneer het produkt weer wordt verwijderd van de adsorbent.

3.3.3.1 De adsorptie-isotherm

Ondanks de lange geschiedenis van de toepassing van adsorptie, is het toch pas zo'n zeventig jaar geleden dat voor het eerst theoretische beschrijvingen van het proces zijn gegeven. Freundlich heeft het eerst, na diverse experimenten, een relatie opgeschreven

(48)

Hoofdstuk 3 Het klassieke proces

adsorbent. De vergelijking ziet er als volgt uit:

x

m

1

a

*

C

n VERTROUWELUK vgl. 3.3-1

met daarin: X is het aantal mol kleurstof opgenomen per m kg adsorbent, C is de concentratie van de kleurstof bij evenwicht, Ct en n zijn constanten. De Freundlich vergelijking is gebaseerd op een benadering welke alleen geldig is voor verdunde oplos-singen. Er zijn diverse pogingen ondernomen om een algemene vergelijking te verkrijgen voor de adsorptie-isotherm. Er zijn er vele verschenen waarvan die van Langmuir de meest bekende is.

'"

-< cr C) ... _on w ...J

I

c u -<

...

o :z: o t- "-cr o '" c <

.

t-:z: w cr < Q. "-<

.

~ BUTYRIC ~CID PROPIONIC ACID

CO~CENTRATION OF ACID IN LIQUID PHASE, MOLES/LITER

(49)

Als men de Freundlich vergelijking toepast en voor een bepaalde stof de benodigde parameters bepaalt, dan ontstaat er een curve, zie figuur 3.3-1. Het valt op dat hoe kleiner de concentratie, hoe meer adsorbent nodig is om de kleurstof te verwijderen. Adsorptie-isothermen worden experimenteel bepaald. Hoe dat in zijn werk gaat staat in paragraaf 3.3.9. Doordat industriële adsorbers zo dicht mogelijk tegen isothermische condities moeten opereren, is dus evenwicht bij constante temperatuur in de vorm van de eerder beschreven adsorptie-isotherm van groot belang. De vorm van deze isotherm geeft de intensiteit van interactie weer en, dus, de affiniteit tussen de kleurstof en de adsorbent.

3.3.4 Adsorbents

Inleiding

De belangrijkste industriële adsorbents zijn (1) zuurstof-houdende stoffen zoals silicagel, actieve alumina en zeolieten en (2) adsorbents met koolstof als belangrijkste component koolstof (actieve kool, actieve coke), welke van nature hydrofoob zijn. Omdat in het adsorptieproces waar wij hier over spreken actieve kool als enige bruikbare naar voren komt, zullen we verder alleen nog maar actieve kool behandelen.

3.3.4.1 Wat is actieve kool?

Alhoewel het nu bekend is dat de poriën-structuur de belangrijkste eigenschap is van actieve kool, dacht men vroeger dat de kool chemisch of door een hitte-behandeling geactiveerd moest worden, voordat het de mogelijkheid had kleurstoffen te verwijderen, vandaar de naam actieve kool. Nu is bekend dat de verwijdering van verontreinigingen uit vloeistoffen met actieve kool gebeurd door adsorptie en dat het activeringsproces slechts het interne oppervlak van een koolstofdeeltje vergroot en daarmee het aantal plaatsen beschikbaar voor adsorptie.

Actieve kool kan in de laboratoria worden geprepareerd uit een groot aantal materialen maar meestal worden uit commercieel oogpunt de volgende basisstoffen gebruikt: turf, kool, bruinkool, hout en kokosnootschillen. Het produkt na verkoling en activering heeft een groot poriën volume en doordat dit samen gaat met een hele kleine porie diameter is het interne oppervlak erg groot. Actieve kool heeft een intern oppervlak tussen de 500 en 1500 m2/gram. Dit zeer grote oppervlak maakt de kool zeer bruikbaar voor adsorptie doeleinden.

Het interne oppervlak van de actieve kolen kan worden bepaald door de adsorptie van stikstof maar dit geeft geen garantie dat al dit oppervlak ook werkelijk beschikbaar is