Buatnol vergisting

·

..

voor Çhemische Te

'

chilologie

/

Verslag. (behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van .;;..B.~!!.:F.:

..

~P.9.fW~l:). ... ~!L.J._ ... W.~_

.•

y.~m

..

g~.J; ... ~l9.m_.

__

"--~.V._' onderwerp: Butanol-vergisting •

...

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

.

-... ~ ... -... -... . ,J! 196,:. Delft 49-, Delft • < 1975 jan. 1976

o

o

o·

.0

ó

o

0

9

f

o

o

o

o

BUTANOL - GISTING

/ / ' Delft,' -januari 1976

J.

van der Blom H. Dolman

o

o

o

o

ö

o

o

9

o

o

o

o

Inhoud.

1.1.

. samenvatting

1.2.

doel

1.3.

konklusies 2 inleiding

3 uitgangspunten van het ontwerp

4

beschrijving van het ontwerp

\

4.1.1.

4.1.2.

4.103.

4020

4030

4 .. 4 ..

"4 ..

401.

4.'4

0

2.

mikrobiologie metabolisme

levenscyclus van de bakteriën het simulatie model

de kinetiek proceskondities entmateriaal _{I .} de pH

4.403.

de temperatuur

4.4.4.

de koolstofbron

,404.5.

de stikstof en fosfaatbehoefte

4.4.6.

infecties

4.50

het fermentatïe proces

4.5.1.

he't opstarten en de werking van de ferment or

405.2.

4.5.3.

/"

.

4.6. '

de'bereiding en stérilisatie van het medium de bereiding van het entmateriaal

de opwerking,van de fermentatie vloeistof

5.

keuze en berekeningen van de apparatuur

5.1.

de hoofdfermentor

5.2.

de entfermentor

5.3.

de sterilisator

5.4.

de gaswasser

5.50

de beerkolom

5060

de acetonkolom

5.70

de ethanolkolom

. 50

8

₀

de butanolkolom

5090

de scheidingstank

5.10 0

de apparatuur voor de warmte overdracht in destillatie-sektie

o

o

o

.

o

o

o

o

ö

o

o

o

60 de produktiekosten van n ... bu-tanol

70

alternatieven

7010

continue fennentatie

702

semi-continue fe~mentatie 7.201. kinetiek

7.202.

procesvoering

70203.

proceskon4ities

702.40

kosten berekening

8.

symbolenlijst

90

literatuurlijst simulaties bijlage A bijlage B bijlage C bijlage D processchema's en apparaattekening

apparatenlijs·~ en massa- en wanntebalansen

kostenberekening

o

o

1.1.

Samenvatting

o

o

10

I

io'

I

o

I

o

o

o

o

I· .

,In dit fabrieksvoorontwerp iS'nagegaan of een relatief

klein-,s~halige butanol produktie van 10 ton per dag door fermentatie uit molasse economisch aantrekkelijk kan ~ijn.Naast hettrqditianele batch proces hebben we een speculatieve semi-continue

proces-voering'bekeken,waarvan de produktiekosten 25% lager ligg.en. Een simulatiem6del is gemaakt van het batchproces,omdat er in de literatuur geen eenduidigheid bestaat omtrent de proces-gegevens.Aan de hand van de simulatie is debiomassa

geopti-maliseer~

op 10 kgfm

3

.ne bij de berekeningen gebruikte kinetiek-gegevens zijn ~fkomstig uit deze optimalisatie.

Voor de opwerking van de fermentatievloeistof is gebruik gemaakt van destillatieve sche~ding.

De knelpunten in dit fabrieksvoorontwerp zijn tweeledig: I)De gebrekkige kinetiekgege~ens van de butanolprodicerende micro-organismen.

2)De onderling samenhangende vestigingsplaats,butanolopbrengst en molassekost prijs.

/ '

o·

[0.

:ó

o

o

o

o

o

o

o

o

Het ontwerpen,(v.a,n een kleinschalige produk.tieeenheid voor butanol. uit molasse is als doel gesteld in dit fabrieksvoorontwerp.

De .capaciteit van IO ton per dag vormt ongeveer 0,3% van de' wereldproduktie en ligt in dezelfde grootteorde als de grote produktieeenheden voor de butanol-vergisting van rond

1945;

daarentegen beschikken de huidige synthetische butanol-plants over een 10 maal grotere capaciteit.~r

De grondstof- en butanolprijs op de wereldmarkt maken het· proces

all~en aantrekkeljjk in situaties waarbij grote overschotten

molasse aanwezig zijn.ln suikerreit producerende landen van de derde wereld worden mólasseoverschotten vaak als afv~l

gedumpt,omdat de vervoerskosten te hoog liggen.Het is echter de vraag of butanol het meest zinvolle produkt ds,wat uit molasse . gemaakt kan worden.De af~et mogelijkheden in deze gebied~n voor ( butanol en aceton zijn alleen dan voldoende

g~waarborgd,indien

in

,t'

de directe omgeving een redelij~e industiële ontwikkeling is.' .

'D~ vervoersmogel~kheden in die situaties zijn echter meestal ,zo goed dat de prijs van de molasse'te hoog is.Produktie van

.. produkten waarvoor direct een afzetgebied is ,lijkt wenselijker in agrarisch gebied. Hierbij wordt gedacht aan

singel-cel-? .,

~\

" een sterk

\' V''

protel.ne voor veevoeder of ethanol.als energiebron.

o

o

o

0,

o

o

o

:0

I, ,

:0

i

io

, , I' I iO

io

I "

'1.,3

Conclusies

I) Met de traditionele batchgew~ze pro~uktie iS'defe~mentatieve

bereiding van butanol mogel~k bij een butanolprij~ van 'fl.' 1,40 tegen-een molassepr~s van I cent/kg. '(dumppr~s ).

2) Volcontinue produktie geeft slechts een geri~geverlaging

in de invester.ings- en produktiekosten.

1.3-.-3)

Toepassing van het speculatieve

aantrekkel~k b~ een butanolprijs

molassepr~s van

5

cent/kg.

semi-continue proces 'is

van fl. I, 40/k~ en een }

'~r

f

1~.II~1r(

1c.-A-1

4)

T6epassing vna het semi-cbntinue proces heeft allen zin als een oplosmiddelen concentrati.~ van ongeveer

6

gril.

in het beslag kan worden toegestaan zonder ernstige inhibitie. EU lagere oplosmiddelenconcentraties worden de destillatie kosten te hoog.

5)

~xperimenteel onderzoek naar de semi~continue fermentatie

ontbreekt.

6) Realiseerbaarheid van d~ fermentatieve· bummol produktie beperkt zich tot landen met een landbouw ge~ichte indu~t~1e

~n ieder geval buiten West-Euröpa en de

V.S.

in c6mbinatie met een suiketfabriek.

o

o

.J

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

Inleiding.

n-Butanol behoort tot een van de belangrijkste oplosmiddelen voor de lak- en polymeerindustrie. Daarnaast vindt het toepassing als extractiemiddel en grondstof voor esters.

In 1973 overtrof de vrereldproduktie van n-butanol de -1 miljoen ton,. waarvan meer dan de helft in West Europa vTerd geproduceerd.' Deze _{, .}

_.

produktie bestaat vrijwel uitsluitend. uit synthetische butanol, waar-

_.

bij de"oxo-synthese" ( grondstoffen propyleen, waterstof en koolmo-noxide ).het belangrijkste proces is.

De ihdustri~le produktie van butanol door middel van de vergisting van koolhydraten ontstond rond 1912 door de ontdekking van de bakterie-stam ". Clostidium acetobutylicum weizmann " en gold vooral in de

Verenigde statËm van Noord Amerika tot 1948 als de belangrijkste· produktiemethode. Er zijn nog enkele landen· waar deze procesvoering wordt toegepast ( India, Zuid-Afrika, Australië',: Egypte ).

t'

Als grondstof kunnen vele koolhydraat houdende landbouwprodukten worden gekozen zoals: cassave, artisjokken, zonnebloemafval,maïs en houtsuiker. Waarbij de beschikbaarheid en de prijs de voornaamste keuzekriteria zijn. Tegen de huidige wereldmarktprijzen voor butanol . en molasse lijkt 'de butanol-aceton vergisting een weinig aantreJ:.kelijke zaak: grondstofprijs is hoger dan de opbrengst van het produkt.

~

---Transport bepaalt echter voor een groot deel de wereldmarktprijs van molasse, terwijl vooral in de Russische literatuur fermentaties te ) vinden zijn die werken

::t

(

dukten.

'.v~

. ,

~""1 ?

~ (fJ~./. ~

JP"""Y'

~.

.

.

landbouwafvalpro-o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

3.1

.3. Ui tgangspunten van het werk •. \

Kapaciteit: 3000 ton butanol/jaar

.Aantal bedrijfsdagen: 300 dagen/jaar ( vol continue dienst

Bijprodukten: ~ondstoffén: Afval: Utilities: açeton ethanol waterstof kooldioxide veekoeken molasse 600 ton/jaar 150 ton/jaar 260-ton!jaar 5700 ton/jaar, 100 ton d.s./jaar 3q.OOOton/jaar ( high stikstof (ammoniak) fosfaat (superfosfaat) CaC0 3 bla~ti'ap) 1 450 ton/jaar 40 ton/jaar 60 ton/jaar 150.000 ton/jaar

~~

'J_ mediumwa,ter

Geen specifieke afvalstromen. Alle nevenprodukten worden verwerkt, behalve kleine hoeveelheden foeselolie en ketonen. Door 'de afgassen kan stank

---overlast veroorzaakt '-Torden.

stoom (lage druk) 48.600 ton/jaar ~b

T\'

/

( ~{I\ .. :lo(""", koelwater 1.000.000 ton jaar

o

3.2.

o

Fysische konstanten:

"

~ C.,., r corrosi- gif tig-

ontbran-kg/m3 kJ/kg kJ/mol viteit

-Grondstoffen heid din~.

o

molasse

1000

4,18

-

-

-water

1000

4,18

40,7

-

-

-tussenErodukten

o

boterzuur

96q

_.

+ +-

-azijnzuur

1050

+ +-

-.' eind:erodukten

.

butanol ,

810

3,72

LlLl, 1

-

+-

1,45-11,25

o·

ethéJ.nol

790

2,47

39,5

-

~

3,85;...18,95

: . aceton

190

2,27

31,7

-

+-

2,55-12,80

H2/C02

1

1,2

-

+-

4,00-74,80

0

Opm. ++

₌

zeer +

₌

matig +-

₌

rreinig

=

niet 0

o

o

o

o

o

o

4~1.

4,.

Beschri,iving van het ontwerp. () 4.1.1. Mikrobiologie.

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

Onder anaerobe kondities lcunnen door diverse organismen een groot aantal organische stoffen gevormd worden., zie fig. 4.1. (lit. 4)

fig. 4.1. Omzetting van pyrodruivenzuur naar organische produk~en.

De

vorming van butanol en 'aceton door bakteri~n is al vele jaren bekend. ( Pasteur 1861 )

\ Een groot aantalbakteri~ri is in staat butanol en aceton of butanol en isopropylalcohoL te vormen. Enkele van deze bakteri~n staan vermeld in tabèl 4.,2. (lit.

5)

Clostridium acetobutylicum is in de industri~le fermentatie van zetmeel het belangrijkste mikroorganisme. Bij de fermentatie van, molasse wordt een saccharolytisch type bakterie gebruikt,'bv.

Cl. saccharo~acetobuty-licum.

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

S"h'cnt Rn.tios, 'ió

u,s, -But,'l l~thJ !soprop)'l

Pntcnt :\0, N n.mes of n"cterill Substrntc "IcolIOl "lcoi101 Acetone "I.ohol 1,725,033 Bccttlus sacc/w.robu- In\:crted mQI!L.'3~es, ï5 '-...·_3 35,

ly!icu.m-hcta . CaCO.

'--l,90S,3G1 Chstridiltm S!l.ccli.aro- Rtnck~t!"'n.;) mobsses. 65-S0 1S-34 1-2 hutuUt;um-(J!Jm7~c. . CaGO,

1,922,921 Clo8t~'idium l:acc/taro· J3!achtrap molasses, 64 36

bulyl-aceto71icllm CH:n ~l\1tcn. nnd. .

(Xll,',:::a,

2,017,i.i72 CI?Slridillm viscifa- In "'{'rtcd inoln.sscs, 06 -', _{3 31}

Cit;nR C"CO, ...

sacch~ro- "

2,0~0,21(J 'Cl?ol ritiiu,m Cn.!IC n~o)as~cs; de- 08-i3 1-3--'--.2<1,-32

c.cet?b utyll~r.U m,-bcla ;:!;r:lucd protei:l ~uch 3S

ar.u oamma c.:umonÎu, stecp w:!.tcr

or ~1i~tHll'Q' slop

2,003,.14~ Closiridium !Jropyl bIL- I:n'('rtcd mola~sc5, XII:, 09-iO ,1-17 14-28 (mixture

lylicum C"CO, iso;>ropyl and ethyl)

2 ,Oi3 ,12G C'ln::!ridiu.m inL'er/o- LO'l:sin.na mo~nsscs (in- GG-70 2-3 27-31

acetobutyUcum. \"cdcc!), ammonium su!ts or nlkalics

2,08f1,,,22 Clnslrirl!um sr:ccharo- Lo':i!'li~tla m,)hts~cs, OS-i3 1-3 2G-32

ace: ~bl'l!.!Z tcum .I:'\II,\,;:;O"nnu , C"CO,

2,O~O,37' CltJ$!ridiu.m sccrharo- In\"(~rtcd mc)In.:-l~cst de- LowplI; 30-38 1'rnoo-.10

" bu!yl-i""l'ropy/- t;rmleu protcin OO~iO; 2-20 10-30

aCl;lollicum H,~h.

pil,

O,j-80

2,110,109 Clo.-:lridium sa-:charo- Cuhan mtllnsscs. 08-i3 1-3 20-32

acc(.JJbtlly!icum.- (:,\II,J,SO., ,md glu-2;113.472

alpIta ten t1lc~d

Bat:Îilus tetr1l1 74 0 20

2, 132,03~ Clos!ridium propyl bu- Invcrt{'d mol!lRctec;. Oi.i-iO 3-{ 5-10 10-20

ty!iculII-alplia (Xlh',SO" enco"

, K;lf'I'O., and ;\1;:80,

2, 13~, lOS Closlrirlium sq"c},c.ro- Bhtr~<::trap mo:ut.:::'=:!"s, 58-ï4 2-0 '24-36

b',l1/l-r:CClnnir-um- (XII.',';O" eaco"

li'11l.,./Il,rÎlJn·,-oa·llma :tod P!O!i

and rldla

2,130,111 Clnt~!Ti,lium. sacrharo- CI:han molasscs. OO-GO 3~.5 20-35

b"t!ll-flClJl011 ÎCll m- IXII",,,O,, CaCO"

liqu'''!'Icicll.~-!la1ilma am!

1':0:-antI delta

2,147,487 Bacillus blllar.onc l~p rnolns.qo", C5 28

ani mal nnd \"l':::ctah!c . pru!l'in

2, 1~!l,2.l0 CltJ."'lridium cc1ui/ac- IÎ1\'cr,ed mt)!:1."'~('~. :un- GO 2 38

lor monÏ3. :lud ("aCD:

2,105,02~ Cla.ttlridlu."" orantllo- :\1 o!~\S~CS., corn ~~!Ht(>n, 00-i5 .1-10 25-30

beel"r acctobuluZi ... nmmonium salts. and

C1~m. C"CO,

2,219,426 CZnstrirlitlm tacchcro- enn!" ant.! heet mo!nsscs. 00-S5 15-40 ,0,1-4,0

bu!yl-il':oproP!lI- ( X1I,)'50" :md

ct:,.tollif!um~bcla ~"CO,

2,3~8,837 Closlridiutn, 71lcdi30nii Cuhnn b!a("k~t.rnj1. _;5-7° 4-0 li-20 X 1[,0 Ir.· (X !1,),SO"

:md C:1CO, '

2,420,008 Clostri,!ium. amylo ... In\'('rt mo!:!.<;..;c~. (~H ,h- G5-72 Tr:tcc 2-4 26-32

sar:r:harobulyl-lJrO- SO" CnCü" ai,t! 1':0,

Pu!iC'!lm . or NH,OIl :ln,1 p,a.

2,439,701 Clos!ridium $flcc],ero- In\'crt nHJlas~(·~. {~!lI\:- GO-iO 2-7 ' 18-25

n.cetopcrbutylicum SO" ('"CO" "nd P,O" or X !I.O II :mt! 1',0,

tabel 4.2. Diverse bakteriën en de verhouding van de oplosmiddelen₁die door deze bakteriën'geproduceerd worden.

4.1.2. Metabolisme.,

Het metabolisme van de butanolvo+ming door Clostridium, acitobutilicum

" '

wordt beschreven door' Aiba. 'e.a •. ( li t. 6 ). Glukose wordt ,volgens, . het glykolyse reakti~pad omgezet ,tot pyrodruivenzuur. ( zie fig.4.3. )

\

/

o

c

o

o

o

o

o

o

o

o

o.

o

Glucose Glucose.,6-P rructos,,-6·-P Fructose-I, 6-di-P Di~H-ace'tono-P

CHO CHO H,COII H,CO-Q?} II,CO-® '

I I I I I

HCOII HCOH. C=O . C - O { C 0

IIOtII~

._.;::,,' ... ). _4.c::.A ....

D~oi;1f

---'---HOtH A_Z...::,·P_-<".:::::A

-r.:,..I:I~IOClf

:

t~,OH

I I I

BeOIl BCOIl HCOH HCOH , +

. I . I I I . . ClIO

BeOIl HCOH IICOH HCOH I

I I I I HCOU

) ''''',COH H,CO':"'fl' H,CO_1ilI H CO_1flI I

I...J \V \V ' \ U H,CO-® Glyceraldehyde-3-P eo OH COOH COOH I I · . ' I CO F C O ... ®yHCO-<py'" I . . AOP 11 . I C~l, CH. . ' . CH.DH. Pyruvlc acid ATP . H,O '.' P-enol-pyrvvic acid 2-P -gl)'cerlc ócid NAO+ _i® NADH+H+ eOOH COO-® I t I HCOIl

:p;"

.

HCOH I AOP I CH,O-® . CU,O-® . ' . ATP 3-P-glyceric

acid 1,3-dl-P-glycerlc acid

. '

Summary: Glucose

+

2ATP + 2NAD+<=;::!2 Pyruvatc: +4ATP

+

2NADH

+

2H+

fig. 4.3 .. De reakties van glycolyse..

®

= H 2P03

Het pyrodrui venzuur wordt op zi jn beurt in de aamTezigheid van coenzym A (CoA') en NAD gedecarboxyleerd. ( NAD

=

nicotinamide: adenine dinucleotide) Onder deze kond i ties rTordt acetyl.-v SCoA en gereduceerd NAD gevormd .• AcetyllV SCoA is een komplex,. waarbij door hydrolyse van de acetyl-zwavel binding een hoeveelheid energie vrijgema.akt kan worden, 'gelijk aan de volgende' hydrol;y-se van de

. .

hoog e~erget~he binding ATP ( Adenosine trifósfaat ) ( zie fig·4.4~) •

...

;'

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

CII., CO· COOII

Pyruvic acid CiI"CH.OH • ElhollOl CII •• CO-SCoA + CH., COOII Atolie acid ,ZNADlk::-+21[+ 1 .' . ,. CH., CO "'SCoA . "'SCoA-A:I'P

CO~ l'I.O CoASH CH •• CO.CH· ...

.--7-'=-....

/"--CH •• CO.CII,.CO-SCOA' Acolonè' CoASH

F

FADH. FAO CH.,CHOH.CH.·CO"'SCoA

I-~I.O

_{' "}

'CH., CH = CU· CO -SCoA

~NADH+II+,

~NAO+

. CH.,CH.,CII.,CO""SCoA, -®XCOASJ.r· - - - / . ' . or i~ CoAS"-'on! / ' CH.,CH.,CH.'COOH Bulyric

..

pcld A~elo-acolyl "" CoA p-oH-butyryl-CoA Crotonyl",CoA Bulyryl-CoA CH Bulyryl-"CH"CH •• CBO aldehydo

F

NAOH+H+ , NAO+ . ' CH. ' CH. ,CH. ' CH.OH Iluloool "

fig.

4.5.

De fermentatie van pyrodruivenzuur door Clostridiumsoorten tot boterzuur,en azijnzuur of butanol, aceton en ethanol.

.

In een basisch of een neutraal milieu vorm~ hèt mikro-organisme zuren (boterzuur en azijnzuur ). Hierdoor zal' de PH dalen. Bij een'bepaalde PH gaat het mikro-organisme i.p.v. zuren alkohole~

( bu~anol, aceton, ethanol ) produceren. Als de eindprodukten van

de fermentatie zuren zijn, is het mogelijk dat de energie van het acetylrv SCoA als 1Tolgt voor de cel bewaard blijft:

Acetyl'V SeoA + H

3PO 4 ---)Acetyl fosfaat + HSCoA

'ADP

=

Adenosine difosfaat, ATP is een hoog energetische verbinding,

,

-die in de cel-van levende organismen als energie overdrager fungeert. Als de ~indprodukten volledig ,tot alkohol en worden gereduceerd,

o

o

o

o

o

o

o

o

o

,.,

o

o

o

~orden de hoog energetische verbindingen gebruikt voor deze

redukties. Dus als Clostridium glukose reduceert totbutbanol, ethanol en aceton, is de enige energie die uit glukose gewonnen 1iord t de 2 ATP verkregen ui t de reakties van de glykolyse 0

4.1p3o Levenscyclus van de bakteriën.

Tijdens de groei van butanêlvormende bakteriën in een batchlcultuur doorlopen de mikro_organismen diverse stadia. Hierbij verandert ook het uiterlijk van de bakteriën.

Het verloop van de fermentatie is te verdelen in een drietal fasen.

, " ~e_~r..ête faE.~:

In de eerste fase neemt het aantal cellen exponentteel toe. De cellen produceren in deze fase v90rnamelijk boterzuur en azijnzuur •

_.

De gemiddelde grootte van de cel~en is

4,7

x 0,

12

t'- •

-Door de zuurproduktie zal de pH dalen. TensJ.-otte gaa,t het mikro-orga.nisme but~nol,aceton en éthanol vormen. (zie fig.

406 .. )

IMclcrill ' In nullrronl Redllclion ol MClluJ'l~I1C Blue Tmlt: In t-llnulr:s s~o Acid cc.. ol o.lH in 10C,t.. , , Tllraloblc I\ód 1 IO.'lO· 520 _,

.

I

LLI

1 I, 5'

.

, _{, I}

_-i

:1 I 1 1600 - 460 410 110.' - 400

IIW 360

i-t-t

Lr

il, I ,

2t

_-~

... "

_Baderia-I I

I

EE

, !

"'{~ttrt

-f-;:p l - '-'

lI-l-

\L.-l-I- ". -

~

.

JlO / ' "-f-' 1-1-/000 280 1)110, 240 I f \ " •• 20 16

I .- -

-lll-~-

-

'lIl" . \,"

--1-- , - --1-o '. 4; :- - - .• ' ... 1-t-i-...

~!.'g"

.1 600 o

· , '

'I

.:L __

1 -'-

~... r, - r-Uil-

L}TI

Ir ' '.

+~~-".!"

...

~~-

I-400 /;:0 200 ' 80 40

,'i\f

I

I I

1-L LI:1.

~,J,.r~ I.';d.,

• f ' - - - . . ::... -::_ Rcdud.o (\

2

:8i'~\'1J.tC-IJ"\o::\.1'

_•

_{" -I}

_{I" ·}

_.'~.::r.J I ....

lIT I

_{. '} Clo:;lrod'lI

.

.~rc!!f·~'-Uf-

I I

I I

o J 6 , 12 I~ 1621 U 21 JO JJ .'11

J'

.2 4316 ~I ~f "!>O 6) bi> óY 72 7S TIME IN lIovns

fig.

4.7.

Aantal bakteriën en zuur-

_,

produktie.

~ordt ~e zuurvorming door tóevoeging van CaC0

₃

.ge~ompenseerd, dan blijft

het mikro-organisme zuren produceren en'vertonen butllanolvormende bakteriën _,

_{' .}

hetzelfde gedrag als bakteriën,die niet in staat zijn alkoholen te produ-ceren. Zie (tabel 4.8. ) lit. 9

o

o

o

, tabel

4.8 ..

o

o

ö

o

o

9

o

o

o

... ".' " .. ' Butyric acid Acctic acid CO, H, Bul.anol " ' . ' ....

.

, MOI.ES l'ER 100 MOI.ES JlEXOSE

1 . Dutylic, Un-,~trnlizcd

~

Ti'"

18 flt 12 st; 200 ~ ~ ]70 58 2 Dutylic

+

Ca CO, ïl 41 l!)0 .224 4 3 But.yrio· 75 43 195 233

.4.6 •

8&'J

Stofwisselingsprodukten van butanolvormende en boterzuurvormende bakteriën.

De tweede fase:

In de tweede fàse vindt de butanolproduktie voor het grootste gedeelte plaats .. Bij ~e produktie van alkohol en komt veel minder energie uit de 'omzetting van glukose ter beschikking van het mikro~organismeo Hierdoor zal de groei snelheid sterk afnemen •. ( zie fig.

4.7. )

Het aantal mikro-organismen blijft in deze, fase constant.De cellen i'rorden kleiner.

De derde fase:

_-

_-

-Door de toenemende butanolconcentratie zal de groei geheel stoppen en de afsterving versneld worden. In de 'deràe fase neemt het

aantal cellen sterk af. D~ gemiddelde groott~ van de cellen in deze fase is 2,6 x 0,6 ~ • Tevens treedt er sporevorm~ng op. De sporen zijn 2,4 x 1,2.

j..t "

Gedurende alle fasen wordt door de mikro-organismen gas

gepro-duceerd~ Uit de 'waarneming~n 'van Peterson en Fred blijkt, dat

r

in de eerste groeifase er evenveel Ç02 als H

2 gevormd '\-TO;;,dt. ( lito

7 )

In de tweede en derde fase wordt + tweemaau z~veel CO

2 als H2 gevormd. ( zie fig.

4.9. )

fig~

4.9.

De prod~~tie van gas tijdens de butanolfermentatie.

_. ____ ... ~~ ,'t;"

\

o

4.2.

o

,

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

_ .. ..fT Het Simulatiemodel.

--'

De voornaamste reden da,t "'N~ er toe over zijn gegaan om ·een simulatie- . model te maken, is de grote spreiding in de literatuur gegevens. Met name de gegevens van laboratorium experimenten. liijke~ sterk af van de

summiere gegevens over industriële processen~ Vooral de gegevens over

~e eindconcsntratie butanol en'de procestijd. lopen sterk uiteen. De gegevens van industriële processen ver~oonden teveel spreiding en

~aren te onvolledig om hier het procesontwerp op te baseren.

Doel van het model is zowel simulaties te inaken die goed oV,ereenkome?

me~ laboratorium experimenten, als simulaties die goed aansluiten bij

de gegeven~ van 'industriële processen, z9dat hieruit de procesgegevens

,

gevonden kunnen worden.

Het. onderzoek van Peterson. en. Fred ( li t. 7 ) is het enige onderzoek over butanol fermentatie dat een totaal ',beeld geeft van het procesver- . ,loop. Op deze gegevens hebben 'we daarom het model in eerste instantie

gebaseerd.De kihetiek gegevens die in het model gebruikt· zijn worden in

H4.3. nader toegelicht.

De waarden ,van de diverse konstanten zijn voornamelijk afgeleid uit de

"

onderzoekingen van Peters on ,en Fred en komen voor het overige deel uit andere .literatuur bronnen. lit.(5,8)

In fig. (4.10) wordt met behulp van een blokschema op kwalitatieve

wij~e de lferking van het model toegelicht. Fig. (4.11)' geE.'lft een

mathe-matischevoorstelling van het model. '

Peterson en Fred hebben bij hun èxperimenten niet de biomassakoncentratie· gemeten, maar het aantal bakteriën per mililiter. _{I .}

Het is ~chter gebruikelijk en eenvoudiger om te rekenen met biomassa-koncentraties. Als de dichtheid van bakteriën gelijkgesteld wordt aan de dichtheid van ~ater, kan uit de afmetingen van de bakteriën het ge-wicht van .een bakterie berekend worden.

Uit de experimenten van Peterson en Fred kan afgeleid worden dat: '1

ir.

bi<>massa!l

~

0,5 •. 1012 bakt./l

Deze rohatting is vrij ruw. De fout in deze rohatting heeft geen invloed op de berekeningen, omdat de yield faktor op dezelfde wijze omgerekend is.

Een simulatie met dezelfde biomassa koncentratiè als bij de experimenten van Petersol'l en Fred ( 2,3 kg./m

3

= 1,2 • 1012 bakt./l ) sluit goed aan bij deze experimenten. Zie bijlage ( A.2 ).Aan het eind van de fermentatie

o

nee

ó

o

o

o

gaspro-du-ldie-' 0" s~!31heid aantal ba.kteriën per liter totale 1---1riJ gaspro-duktie 11 groei-snelheid e 2 fase nee gr,oei-snelheid...: 1 - - _ 39, fase oplosm;. produktie snelheid qplosm., konc. oplosm. produktie-r---~~~---~ snèlh. =0

fig~ 4.10 'kwalitatief blokschema van het"simulatiemodel van de butànol 'fermentatie

w ,

o

o

o

o

o

dN - : : : 0 dt dN P -P , d t

-'ft

N

(-El..::.. -

D) p dP ~~._dt

:::

K.N ... ~

o

o

o

o

o

ö

o

o

o

o

o

4.9 '

vinden Peterson en Fred echter een geringere' afsterving t;)n een iets

I

grotere gasproduktie • lvaarschi Jnlij~ is de aanname, dat de akti vi tei t van de mikro-organismen konstant blijft,bij hogere butanol

koncentra-.

vl~~

(.t.ies,niet geheel juist. Ook is' de overgang van de 1e fase

naa~

de 2e

.;J'

n

v

~~~

1

fase niet zo scherp als in het model verondersteld .vordt..

WfV"wI·.

I

In bijlage (A.3) wordt getoond hoe de fermentatie snelheid en de eindkoncentratie oplosmiddelen van de biomassa koncentratie afhangen Tevens' bood het simulatiemodel de mogelijkheid het proces te opti-" maliseren met betrekking tot de hoogte van de biomassa: koncentratie. · De berekening en de resultaten van de optimalisatie zijn te zien in

bijlage

(A04).

Uit de optimalisatie blj,jkt dat de biomassa koncen-tratie minstens 10 kg./m3

m~et bèdragen. Of een hogere biomassa

kon-· ce11tratie gunstig is hangt af van de grondstofprijs.

· Bij een molasse prijs van

5

10 ct./kg. ligt het optimum rond de 10 kg. biomassa/m3o

Bij een molassae prijs minder dan

5

ct. maakt het nauwelijks uit met welke biomassa koncentratie. gewerkt wordt. Bij zeer lage molasse prijzen is het gunstig met een zo laag mogelijke biomassa koncen-tratie te werken.

Bij de berekeningen van het proces z~Jn we uitgegaan van" een biomassa koncentratie in de2e fase

~

10 kg.fm3 • Voor de gegevens over.

" .

· f~rmentatieduur,eindkoncentratie oplosrriiddelen en de gasproduktie hebben lie de uitkomsten van de betreffende simulatie gebruikt. Zie bijlage (A.5)

. i

..

I " .0

4.3.

De kinetiek

o

o

o

b

o

o

o

o

o

o

De kinetiekfol.'ffiu1es9 die in het simulatiemodel gebruikt zijn, '\'Torden

hieronder ko~t toegelicht. Zoals in de hoofdstukken

4.1

en 4~2 be-schreven ~s, kunnen in de groei van de bakteri~n drie fasen onder~

scheiden '\'Torden. Deze fasen word~n achtereenvolgens behandeld.

De exponenti~le groeifase:

De. groei van de bakteri~n kan beschreven '\'Torden met de Monod vergelijking. ( 1it. 10 )

dM

~

Prn0

M.(-.L)

dt Ks+S

1.

Omdat Cs veel g:r:oter is dan Ks kan vergel. 1~ .a1s volgt. herschreven

~

'\'Torden:

tL..

~""

dM

=/J. •

M

·ctJ

2. dt 'In . /,l - .

Voor de

maXi~e

groeisnelheidskonstante '\'Tordt in de littilratuur

-1 .

jlm.=

.0,36 hr g.egeveno ( 1i t. 8 )

De zuurproduktie is geassoci~erd met de groei. Voor de zuurproduktie

~ en het substraatverbruik geldt:

.!!M

=

Y M/ S

!lê.

,dt dt

De Yie1d faktor Y M/Sgeeft aan, het aa.nta1 kg. mikro-organisme:ddat uit 1 kg. substraat gevormd kun '\'Torden.

Y_M/_S ~'''':.±. 0,3 ( schatting uit lito

7 )

De lengte van de eerste fase hangt af van het verloop van de YH. 'De pH en dus de lengte van de eerste fase kan geregeld worden

door de toevoeging van calciumcarbonaat (zie blz.

4.5).

In de

,-praktijk duurt de eerste fase 'ongeveer 15 uur. De eindconcentratie bakteriën "TOrd t bepaald door de lengte van de eerste fase en 'de entkoncentratie. Een hoge eindkoncentratie heeft het nadeel' dat veel suiker in celmassa i.p.v •. in butanol wordt .omgezet. Bij een lage eindkoncentratie is de butanolproduktie langiamer en wordt een lagere eindkoncentratie bereikt. D~ optimale koncentratie

o

o

o

o

o

o

/

0-o

o ,,'

ö;

0,

o

mikro-organisme in de stationaire i'a'se zal sterk, afhangen van de grondstofprijzen. ( zie bijlage

.4..4 )

De tweede en derde groeifase:

Naar de kinetiek van de groei en afsterving van bakteriën en de produ,ktievorrning in deze fasen is geen onderzoc;!k verricht~ Ond'e'r-staande formules zijn afgeleid naar analogie met de ethanolfermen-tatie. ( li t. 11,,12 .. ) De waard.en van de konstanten zijn geschat m.b.v. de gegevens uit literatuur

5,7,8.

De gebruikte formules zullen m. b'.v. expirimenten ge'toetst moeten worden ..

In de tweede en derde f~se groeit het mikro-orga~isme zeer langzaam.

Daa.~door sp'eel t d.e natuurlijke a.fsterving een grote rol. De natuur-li jke afs'terving zàl in deze periode niet ver.'Taarloosbaar zijn. Uit de metingen van Peterson en Fred blijkt dat de afsterving in evenwicht is met de groei.

dN

4.

- ' =

dt

. jJ-7;":( D

De toenemende butanolkoncentratie is er de oorzaak van 'dat de,groei 'geremd wordtl~ De afstervingskonstante zal aanvankelijk niet toenemen,

pas bij hogere koncentratie zal de' afstervihg ,groter worden. (p). pm) Beide fasen hebben we geprobeerd te beschrijven met vgl.5."

, dN =

ft

m • ( P m - P )

'dt ' P

1·

m

Uit de simulaties ,bleek dat deze vergelijking alleen voldoef' als verondersteld uordt, da.t tot een bepaalde butanolkoncentratie de butanol-inhibi tie vervTaarloosbaar is.

,De produktvorming:

Verondersteld is dat de produktvorming evenredig is met het aantal mikro-organisrnen.De produktie van opio~middelen' wordt beschreven met:

'dP dt

K • N

6.

De produktie van oplosmiddelen vindt alleen plaats in de tweede en derde fase. De produktie van gassen wordt beschreven met:

, d~g= Kg • N '

dt

~~~~~~~~~~~~~~---~---~---~---4.4. Proceskondities • . \ () 404.1. Entmateriaal.

o

o

o

o

o

o

o

o

o

Gin bij de fermentatie goede resultaten te bereiken is het noodza-kelijk, dat gebruik gemaakt "TOrdt van aktieve en sterke

mikro-organismen~ Daarom is de selektie van een goede stam er~ belangrijk. Selectiemethoden worden beschreven in literatuur'(13 en 14,).

Enkele bakteri~n die ind.ustri~el gebruikt worden staan vermeld in tabel (4.2). Vanwege het aldoor overenten van het kweekmateriaal treedt degeneratie van de _, bakteri~n op. Dit gaat gepaard met een vermindering van het rendement bij de alkoholproduktie.

Ui t onderzoekingen is gebleken (li t. 14) dat de aktififste butanol-, producerende cellen de'meest warmte resistente sporen vorm~n.

Het kweekmateriaal kan d.m.v. selektie van rTarmt~ re~istente sporen in een goede konditie gehouden worden. De sporen ,van de kultuur 1-rorden hiertoe. gedurende 1 à 2 minuten blootgesteld aan een

tempera-°

tuur van 100 c~ Waarna de cultuur weer onder gunstige groeikoridities wordt gebracht, zodat de sporen kunnen ontkiemen en de cellen zich zullen vermeerderen. Waarna opnieuw sporulatie wordt bewerkstelligd door,kultuur bij kamertemperatuur te laten staan. De nieuwe sporen llorden opnieuvr aaj een hi ttebehandeling onderworpen enz. enz. vleizmann adviseert de hittebehandeling 100 ,à 150 maal toe te passen om de fermentatieaktiviteit te verhogen.

J)e konseniratie bakteri~n, waarmee de kweek- en hoofdferrnentor

ge~nt worden ligt tussen de 9,5 en 3,0

%

w/v e

De pH mag vari~ren van 5,0 tot 7,0. De gebruikelijke pH ,bij de aan-vang van de fermentatie is 5,5, à 6,5. De uiteindelijke pH is 4,5 à 6,2;

4.4.3. De temperatuur.

13ij de fermentatie van graan l'l'ordt ge"TOonH.jk gewerkt bij een

tempe-O .

. ratuur van 37 C als gevolg van het g,ebruik van de Vleizmann-soort van Cl. acetobutyiicum. TerrTijl bij de fermentatie van· molasse de

proces~temperatuur

tussen de 30 en 35°C ligt vanwege het gebruik

van sa'cèharolytische bakteri~nf ~ië.,tabet (4.1'2) (lit. 14).

, ,

..

.'

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

Optimum ' 'Solvents Solvcills

, "'itrogcl~ tClllperatlln: yicld ratio

SlIlisll'ale type Organism' SOIlITC oe % on sug:l\' . B::\:E Rderence

. ,

-Cl .. mee/111 ro·acc/ollll 1)'licu m

M()la,~<:s NII. 3U 22.'1 i2.!I:22JU.3 ,10

Ik<:1 1II(tla~s('s lIaril/us bularonch _{Complcx N} 37 _36.5 70:2H:2 2~ prdcl'l'cd

IIn cri IIIl1lasses /I. Iclryl ' 'NH. 35 30.0 70:20:5 2

Im'('rl lIIolasscs Cl. rrl'erif(/clor NB. 32-36 60:38:2 2:1 In\'erllllolasscs Cl, .,accllll/"O.acd"/I{'rll!llyliculII~ NB 30 29.6 75.6:22..1:2.0 <I

• ,"

NB. 30 31.2 69.:,:24.9:5,(; 1

Blad;slr:.p mC)lassc~ Cl .. !Urr"a/"O·acdo/I('rl,ulyliculllb

Blad,sl rap mol:lsscs Cl. I;/(/disfmii NB. ,3l .. 28:0 76.1: li.!1:6.0 11

;\!olasscs' 11 yd rol

COlli hydrol

Com Com .

Cl. .i(/ecll/ll'/l·11 IIlyl.(/r('/f)// ir UIII·

Ilqlll'f(/";,'"s.ddl(/ (; I. .wrrlllll'/l·(/(t'I"b 111 yliCUI/I·a Cl. al'rlolllllyliclllll Cl. aCf.'lflbulylicul/I Cl. sace//(/)"O·aCC/flllIIlylirlllll NH. NII. Complex :-.; Complcx :-.; NH. 30 31.5 6!I.2:2i.i ::1.1 9 30 33.0 67.ii:21!.1:·I.·1 :H 37 32.8 6J.:i:2!1.7:8.8 • 71 3i 31.8< 61.5:29.8:8.i 71 30 32.6 73.1 :23.0:3.9 70 • :-';alllcs cllll'loyed ill the rcfere~ccs cited.

h :\Iw re\'lncnlS sl;;rch.

/

.111 J>raclicc. ming slop.h:lck, solvcnt yields :lre genemlly :lboul 34%.43 "

tabel 4.12 Voorbeelden van enkele butanob-aceton cultures en hun toepassing.

4.4.4. De koolstofbron.

De koolstofbron voor de produ..ktie van butànol uit molasse is suiker. Er zijn twee soorten molasse van belang voor de butanol-fermentatie, nl.: blackstrap molasse en high-test molasse.

Blackstrap molasse is de moedervloeistof na de raffinage van

rietsuiker. Het bevat ±

52

%

suiker berekend op basis van sucrose~

In werkelijkheid bevat molasse 30

%

sucrose en 22

%

geinverteerde suiker. '

Als er een overschot aa.n suikerriet is, wordt het

suikerrieto\~er-schot uitgeperst en het sap gekonsentreerd tot ongeveer

70 à'75

%

,suiker in de aanwezigheid v~n een kleine hoeveelheid mineraalzuur.' De suiker wordt dus gedeeltelijk geinverteerd om uitk1'istalisatie

te voorkomen. Het verkregen produkt staat bekend onder de naam high-test molasse en bevat

50

%

geinverteeFde suike~ en

25

%

suorose.

De' optimale suikerkoncentratie bij de molassefermentatie bedraagt

5

à

7{%

suiker.

Door een deel van de vloeistof na de beerdestilatie terug te voeren wordt een hoger rendement op basis van de sucrose verkregen, zie tabel ( 4.13 ).

-..

o

o

o

o

o

ö

o

o

o

o

o

o

·.Fillaillet:r Yield Molasses Sucrose iu 10WI bascd Olf

Type of Culture slop-back origiual solvents sucrose

~rolasses used" volullle % tna'ih. 'Jó Brix' pH g p:r I %

lHacksaap :\ 10 i.50 ·LIl 6.-10 !!0.59 27.4 Blackstrap :\ 20 ï.55 5.1 G.f>O ~ J.;~~ !!8.3 Blackstrap .-\ 40 i.G:! 5.2 6.·1:" • !!!!.19· !!9.1 High-test A' 10 i.38

_.'

2.0 5.5li 2UH !!,Uj High-test .-\ 20 i:38 1.9 5.ti4 !!2.3H :l0.2 High-test .\ -10 i.53 2.2 5.69 2~.f):j 30.1 Blackstrap B 10 5.81 3.6 (i.34 l6.i8 . !!:-l.9 Blackslrap B 20 5Jl! 3.8 GA:! li.lH HU.i

Bla<:kslrap B 40 5.95 -1.3 6.51 18.:\(; ,10.9

High-l~st B 10 5.1l!! Ui 5.lij li.til ,,0.3 I.ligh-tcst B 20 5.82 Ui 5.83 llUli 31.5 High-test B 40 5.60 \.6 ii.tiO li.iti 30.:!

• Culture A is a strain of Cl .. mccllllro-bul)'l-acelolliCl/II/-li'jllt'{aciws.';'Cu.ture B is a strain of Cl. saee/w rIl-IJ ~I Iy l-aCI' 1011 ie /l1l/-1 i q lil' {aeic lIS-cl ,'1 I a.!I

.-tabel 4.13 Het effect van het gebrui~ van retourvloeistof ( Slop-Back ) op de oplosmiddele~ opbrengst van high-test en black~trap molasse.

4.4.5. De stikstof en fosfaatbehoef~e.

Destikstofbehoefte is afhankelijk van het gebruikte mikro-organisme. Sommige bakteri~n hebben organisch gebonden stikstof nodig om goede fermen-tatie resultaten te bereiken. Andere

bakteri~rt met name CI.·saccharobutylicum hebben alleen amoniakale stikstof nodig, zie tabel (4.12). Hoewel organische stikstofbindingen niet noodzakelijk zijn, heeft een toevoeging van deze ver-bindingen bv. in de vorm van gist een geringe verbetering van de op-brengst tengevolge.

Ammonia kan toegevoegd ,.rorden i:h de vorm van ammoniak of als een ammoniumzout. In dit laatste geval wordt meestal ammoniumsulfaat of ammoniumfosfaat toegevoegd.

De amm~nia behoefte is ongeveer 4 à 6

%

ammoniumsulfaat of zijn

equivalent, gepaseerd op het gewicht toegevoegde suiker.

Fosfaat kan in het bovengenoemde ammoniumfosfaat of als superfos-faat worden toegevoegd" De fossuperfos-faatbehoefte is 0,2 à 0,4

%

,fosforpentoxide gebàseerd op ~et gewicht van de toegevoegde sui~er.

De hoeveelheden toe té voegen stikstof en fosfaat worden kleiner naarmate meer fermentatievloeistof herbruikt wordt.

I

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

,0

o

4.15 .

4.4.6.

Infecties.

Om infecties te voorkomen moet steeds onder aseptische omstan-digheden gerlerkt rTorden. Hiertoe moeten de volgende maatregelen genomen.l'Torden:

- Alle apparatuur moet voor gebruik met stoom gesteriliseerd

. worden.

..

- De apparatuur mag geen kontákt hebben met de buitenluchto - .Het medium en alle toevoegingen moeten steriel zijn.

.- Het en~beslag moet vooraf op besmettingen gekontroleerd word!3n.

Bakteriële ·infekties •

. Er zijn slechts enkele bakteri~n die een besmetting kunnen ver-,oorzaken. De melkzuurbakteri~n zijn hiervan de belangrijkste

groep.

Ondanks een besmetting kan vaak het fermentatieproces gerToon 'voortgezet worden. Met de normale voorzorgsmaatregelen' is de oakteriële besmetting geen groot probleem.

~a~ter~o~g_e infect~e~~

Infecties veroorzaakt door bakteriofagen vormen een vrij ernstig , probleem. Fabrieken kunnen als gevolg van een .fage voll'edig

stil-gelegd worden.

De eerste symptomen van een fage-of virusinfektie zijn een uiterst

~angzame fermenta~iesnelheid en het ophouden,van de gasproduktie. Bij het molasseproces wordt het medium donker gekleurd. Na 24 à

·48 uur kan de, fermentatie opnieuw b~ginn,en en een kleine hoevee],.-heid oplosmiddelen produceren.

Yirussenzijn vrij specifiek, d.w.z. ze vallen slechts een of--,enkele bakterie soorten aan.

'Over het algemeen is het 'mogelijk fage resistentiesoorten te bTeken ·door bakteriën té laten gro~ien in aanwezigheid van steeds grotere

aantallen virussen. De Bakteriën die een dergelijk proces overleven 'vormen de basis voor de ontwikkeling van fage resistentiesoort.

o

o

o

o

o

o

o

,.

o

o

o

4.5e Het fermentatieproces.

Zoals in hoofdstuk 3 bescbreven is hebben Ï'Te voor dit

fabrieks-'Voorontwerp gekozen voor, een ba,tchgewijze produktie. In het bloksche-ma van' fig. (4.14 ) wordt de. opbouw van het proces vereenvoudigd weergegeven. .. In de flowsheet ( bijlage B.1 ) is een uitgebreider schema van de fabriek weergegeven~

I

In dit hoofdstuk wordt het procesverloop beschreven.

4.5.1.Het opstarten en de werking van de fermentoro'

De apparatuur wordt vooraf gesterilis~erd door deze gedurende 3 uur

,

°

door te blazen met stoom (·T

=

~ 120 C ). Tijdens het afkoelen moet in de apparatuur een geringe overdruk in ~tand gehouden riorq.en met steriele lucht of met steriele,ferrnentatiegassen.

Na o.e sterilisatie kan de fermentor gevuld '.'Torden met steriel medium. Als de fermentor voor

±

1/3 gevuld i's kan deze geënt worden. Intussen, l-Tördt het vullen van de ,ferment or voortge~et. De totale vul tijd duurt

,

±

4

uur. Direkt nadat de fermentor wordt geënt neemt het aantal bak-teriën toe, -totdat de koncentratie zuurionen zo hoog is, dat de

.

,

groei vàn de bakteriën stopt ..

Afhankelijk van de entkoncentratie en toevoegingen van calciumcar-bonaat duurt deze periode 5 à 15 uur. ( zie ook bijlage A.2, A.3,

'én

a.5 . ).Nadat de groei -gestopt is begint de butanolvorming. " Het totale fe\rmentatieproces duurt 36, à 72 uur, afhankelijk van het aantal mikro-organisme in de stationaire fase.

Tijdens het proces

w~rdt ~

0,6 m

3

Am3 fermentor volume. uur) gas geproduceerd.

\

Als de fermentatie gestopt is, wordt de fermentatievloeistof naar een

'." ... -...

buffertank gepompt~ De ferment or kan gereinigd worden en opnieuw gesteriliseerd en opgestart worden.

De fermentor'is uitgerust met een roerder, om konsentratie- en temperatuurverschillen te voorkomen en een snelle procesregeling mogelijk te maken. De warmte geproduceerd door de bakteriën en inge-bracht door. de roerder rTordt afgevoerd via een koelspiraal.

Tevens is de fermentor voorzien van een automatische pH-en tempera-tuurregeling en een automatische antischuim regeling om bovenmatige

.

,

o

water nutriënten gaswasser

...

molasse .... waterstof " ... koolstofdiÇ)xide gassohei~~---~r~---der

mengtaruc. steri~i.J----I'!~1l>I fermentor 1----j!'1>1 beerkolom I---;~~ aceton- ..

...

a~ton

sator kolom

B

A.enB zijn entfermentoren

fig.4.14 eenvoudig schema van het proces

o

o

o

o

O· Ja' ethanol-kolom butanol-kolom ethanol

...

r ... 'butanol .r ... .. veevoer

a·fsoheiding ... --flr"l opwerking

t----~ril-o-vaste stof

o

o

o

\

.

o

:0

o

o

o

0-o

o

o

o

o

ö

sohuimvorming te voorkomen~.Voor een detailtekening van de hoofdfermentorzie bijlage (. Bo2.).

4'·18

4.5.2.De be:r:eiding en sterilisatie vail het medium.

"

De fermentatievloeistof wordt voor de s"terilisàtie in een mengt ank bereid door de molasse en de noodzakelijke nutriënten met water in een mengtank tot de juiste konoentraties te

verdunnen.

Sterilisatie van het medium.

De sterilisatie gebeurt door verhitting van de fermentatievloeistof. Bo _° h ' t t t de _° k .

0 , f

~J oge empera uur s erven m~ ro-organ~smen sne~ a •

De afsterving kan besohreven worden al~ een monomoleoulaire reaktie.

.2!l

=

-k • N dt

8 •.

Hierin is keen. afsterfsnelleidskonstante.

Deze konstante is een funktie van de temperatuur.

De temperatuurafhankelijkheid kan besohreven worden met de Arrhenius

vergelijking. t

k - k - o . e - Ea/RT

Voor de sterilisatie van de voeding is het noodzakelijk dat ook

.

.

sporen die de hitte goed. verdragen vernietigd worden. Een voorbeeld van een dergelijke spore is de spore van Baoillus-stearothermophilus.

. 36 2 -1

De ko en Ea waarden voor deze sporen zijn ko

=

10 ' s ,

Ea

=

67,7 koal/mol. De berekening van de sterilisatie ( zie H. 5 ) wordt gebaseerd op de afsterving van dit mikro-organisme.

Een ongewenst gevolg van de sterilisatie is de denaturatie van'

eiwitten en vitaminen t.g.v. de hoge temperatuur en de oaramelisering van suikers.

. Door deze prooessen zal bij langdurige v~rhittingde voedingswaarde aohte:ruitgaan, zie figuur ( 4.15 ) (lit.16).

o

O'

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o·

"0 a; 100 90 -.70 ">' • E " E ';( 50 g 'ö ~ 30 10 o 10.

. . .\.irV'

~r

30 50 70 90

Durolion of sterilisolion (min)

figo

4.15

Vermindering van ,de fermentatie opbrengst als gevolg van langdurige verhitting van het medium.

Doordat de aktiveringsenergie varr het denaturatieproces veel

.lager is als van de afsterving is het gunstig om bij hoge tempe-

t"

ratuur te steraliseren. ( zie fig. 4.16 ) Bij

ba~teralisati~_-. ,~/l_

is dit niet mogelijk i.v.m. lange opwarmings-en afkoelingstij,d,- \

die nodig is b:?-j het steriliseren van grote hoeveelheden. (zie fig.

4.17 )

30 '-0 --'20--4...L0--6~ ---'81-₀ -l-LO-O ~1.J...20--..l

o (min)

\

iO I I

o

o

10

0-o

o

1,

o

o

o

o

0,1 afsterving denaturatie

2,4

2t

6

, --Ea/RT lc=k.e _ o k

-.&.-1

mlo denaturatie 1010 afsterving 1036 ,2 4.20 Ea kcal/mol 20 67.,7 fig. 4016. afstervingssnelhei en denaturatièsnel heidskonstante -funktie van de te peratuur. 2

,

8

o

o

o

o

o

o

o.

o

o

o

o

o

'.

4.21

Bij de toepassing van de ~ontinue sterilisatie zijn de opwarm- en koeltijden kort t.~.v~ de totale sterilisatietijd~ ( zie fig

4.18 )

Vooral als gebruik gemaakt wordt van stoorninjectie voor de v~rwarming

en "flash room" voor de koeling van de 'vlo~istofo

Een"flash room" is vaak minder geschikt doordat sterke schuimvorming optreedto Met goede platenkoelers kan echter ook. een redelijk snelle afkoeling pereikt worden~ Hierdoor kan bij deze wijze van sterili-seren een korte sterilisatietijd bereikt worden en dus bij hoge tempe-ratuur gewerkt worden zonder,dat de kwaliteit van de voeding achter-uit gaat. Daarom hebben·we in dit fabrieksvoorontwerp gekoz~n voor de kontinue sterilisatie. 2-3 -,_._-... ~ min 140):1----i ~

z

:: Q) a. E Ol 1-Flash cooling ... _ ,80'C ... _-37'C Time 20 ,20 144'C ··ict--2-3 .. ' --,."1 • sec 1 min Isec ,' ... ' ~ ::J ~ Q) a. E Ol I-2TC Time ~ ,

fig.

4.18

Temperatuur-tijd profielen in kóntinue sterilisa~ors,

het linker profiel behoord bij een stoominjectie sterilisator en het rechter profiel bij een platen-wisselaar sterilisator.

4.5.3.pe

bereiding van· het entmateriaal.

Het entmateriaal voor de hoofdfermentor wordt gekweekt in een

fermentor, die

een

faktor 10 à 20 kleiner ~s dan de hoofdfermentor. De werking van deze ferment or is hetzelfde als van de hoofdfermen-tor en ook de 'sterilisatie, gebeurt op dezelfde wijze."

De entfermentor wordt op zijn beurt geënt met de inhoud vàn een 1 m

3 .

laboratoriumfermentor. Deze laatste wordt met behulp van schudkol-ven geënt.

, Bij de kweek van entmateriaal wordt gestreefd naar een hoge bakterie-koncentratie. Butanolvorming is daarom ongewenst.Om de ~akteriën in de groeifase te houden wordt aan de kweekfermentoren calciuIncarbonaat toegevoegd (

6%

op basis van het gewicht van de'toegevoegde SUiker).

o

o

o

o.

o

o

0'

o

o

o

0,

4$ 6 De opvlerking van de fermentatievloeistof

De +age concentraties aan oplosmiddelen(2 gew.$b) ,naast de goede destillatieve scheidingseigenschappen van Qutanol-aceton-ethanol \o!a.termengsels ,maken destillatie de meest geschikte methode voor de opwerking van de'fermentatievloeistof.

E~ de uitvoering van de destillatie bestaat de eerste stap uit het verw~deren van 957~ van het water,\olaarmee tevens de vaste stof, zouten en suikers worden afgescheiden. Uit deze eerste kolom,de beerkolom, komt een topprodukt met tenminste 50% oplosmiddelen. Voor de,vervlerking van deze oplossing z~ diverse "methoden voorhanden,waarb~ de verschillen liggen in het aantal kolommen,het type ,de, ivarmtehuishoudl.ng en de

complexiteit van de kolomrnen,lit.

?

In dit fa~rieksvoorontwerp is gekozen voor een zo eenvoudig mogelijke, destillatie opzet. Behalve de beerkolom bestaat de opzet

, #

uit een aantal ~leine weinig kapitaalin~ensieve kolommen met een 'relatief laag energieverbruik.

Na voorverwarming in de 'condensor wordt de fermentatie-vloeistof hoog in de beerkolom TI4 gebracht. Het topprodukt bestaat uit de butanol-waterazeotroop naast enig aceton en ethanol.Dit ruwe

_-

_.

destillaat "Tordt in cde volgende kolommen gescheiden. In '"de aceton-kolom T I1 gaan alle licht kokende bestandelen zoals aceton,hog~re ketonen en aldehyden over de top.Het bodemprodukt wordt in de ethanol-kolom T 18 gescheiden in een 96%

_.

ethanoloplossing als topprodukt

'

en een bodemprodukt bestaande uit water en butanol. Vr~ van aceton en ethancl laat dit mengsel zich in scheidingstank M 21 snel scheiden in een lichte butanollaag(40 mol.% b;tanol) en een zware waterlaag

(4 moili.?~ buta.Tlol). De waterlaag \vordt teruggevoerd naar de beerkolom,

terw~l de butanollaag in de butanolkolom T 24 gescheiden wordt in

ruwe butanol als bodemprodukt en de butanol-waterazeotroop als top-produkt ,die, naar de scheidingstank wordt terue;gev,oerd.

De

ruwe butanol zal in een volgende kolom gescheiden worden ,van de .. Zivare foeselolie. Voor de ruwe aceton zijn' t",ee kleine

destillatie-,

.

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

I - , \

Het bodemprodulct van de beerkolom gaat voor ongeveer

40%

terug naar mengtank V

4.

De rest kan opgewerkt worden tot veevoeder,hetgeen aantrekkelijk gemaakt wordt door het hoge ge~lte aan riboflayine. Indamping met behulp van een meertrapsverdamper tot IO% gevolgd " door-sproeidrogen lj,J'kt de beste methode.ln

het

processcheI?a is de opwerking van het bodemprodukt van de beerkolom niet uitg~werlct,

evenals de zuivering van aceton en butanol.

De gassen, die bij de fermentatie vrijkomen bevatten een geringe hoeveelheid oplosmiddelen.- Deze oplosmiddelen worden m.b.v. een

~asyrasser ~erugge1'lOnnen.

Het

-ga~

bestaat voor

=

J/3

uit waterstof en voor

2/3

uit koolstof-dioxideo De komponenten gescheiden worden en verder'opgel'l'erkt wordenCl Het gas kan ook direkt als brandstof gebruikt wordeno

-"~~- ,,'

...-I,

o

o

o

o

o

o

o

o

ö

5 .. Keuze en berekeningen van de apparatuur_.

5~1o De hoofdferm~ntor. (R 10-2

Het "i;otaal benocligde 1oTerkvolume kan berekend ~Torden uit de maximaal haalbare eindkoncentràtie en de totale' prooestijdo De totale

proces-"

tijd is'de tijd, die nodig is voor het steriliseren en ,?pstarten, de eigenlijke procestijden de schoonmaaktijd.

Uitgaande v:an.::. 10 kg biomassajm3 in de stationaire fasë,bedraagt de totale procestij~+ 48 uur •. De maximaal haalbare eindkoncentratie butanol is dan

~4,5

kgpbutanol!m3•

Het benodigde uerkvolume kan dan berekend worden met de volgende formule:

v

='

gew'enste buo prod.)

xl

prod. tijd) totaal

(eindkonco bü.)

V

='

10~00

•

4~

=

1400 m3

tot,aal 14,5 24

In de fermentatie industrie zijn reaktoren met een werkvolume tot + 200 m

3

zeer gebruikelijk. Voor de produktie van 10 ton butanol per dag zijn dus 7,reaktorèn van 200 m3 nodig.

Mengingi

Onbeluchte fermentoren zijn vrijwel altijd voorzien van een roerwerk. De roerder (meestal een turbine roerder)wekt in het vat èen stroming

. )

op met een radiale en eerr tangentiale komponent, zodat menging ontstaat. '

~eze menging is noodzakelijk 'om koncentratie ~n temperatuur verschillen

te voorkomen. De menging wordt gekaraktiriseerd door de mengtijd. 'De mengtijd is gedefini~erd als de tijd, die nodig is om een inhomogeni~

' t e i t over het gehele vat tot op moleculaire schaal te verspreiden. Voor de biochemische reaktor wordt over het algemeen gestreefd naar een mengtijd van 10 à 60 seconden. Bij dë butanol fermentatie wordt gewerkt met betrekkelijk lage biomassa koncentratie, waardoor de con-sumptie en produktie snelheden laag zijn. ,Terwijl 'de

voedingsstoffen-, "

.koncentratiés vrij hoog zijn. Hierdoor is het wellicht mogelijk een , langere mengtijd te kiezen.

"Doordat tijdens de fermentatie gas geproduceerd wordt, is er ook zonder roerder sprake van enige menging. Dierendonek (li t. 20 ),::?,tel t voor

o

o

o

o

-', .

o

0-b

o·

o

o

o

superficiële gassnelheden

(:v

J(0.03

mis'.

,t _m =0,14 .. H/v _s + 1

De gasproduktie is tijdens de periode van grootste aktiviteit

)

3/ 3

, I ( 20- 40 uur na enten gemiddeld 1,2 m mvlouur. v_s=' 0,0028

mis

'0~

t _m = 0,14 • 9/0,0628 + 1

=

450 s

Of deze mengtijdvoldoende is en dus geen roerder noodzakelijk is,

,

zal experimenteel onderzocht moeten rl0rden.

Als voor,het mengcriterium éen mengtijd van 60 seèonden gesteld wordt, kan het toerental van de turbine roerder op onderstaande" wijze berekend worden.

Volgens Voncken (li t.21) geldt':

\n=

4t_c : 1

Hierin is t de circulatie tijd. Voncke~ geeft eveneens de relatie,

c

N. t

=

V (li t 21) -I.l- 'J,

e . - 3 "'-~

'l..-2,6vD

R ~

Kiezen 1ie de roerderdiameter 1/3 van de vatdiameter, dan is D

R= 1,8 lm Het toerental is dan: N = 200

=

~,88 s

'2,6 .(0,6)3. 15

Het benodigde vermogen kan berekend worden met de relatie:

p = p

~N3~

(lit.10)

o - R

4

P ;,:. .. 6', 3 ~voor zesbladige turbine roerders als Re>10

o stel

,~

=1000kg/m3 2 Re

=

fnD

R

=

3.

en

"7

=1 cp 10

6

I. ~

P

=

6,3 • 103 • (0,88)3. (1,8)5= 78 kW

Stel de motor' efficiijntie is 90%. Dan is het benodigde vermogen van de roermotor P

=

90 klf.

m

Aan het begin en aan het eind van het proces hoeft niet geroerd te ,worden. (De roerder werkt slechts

30%

van de-tijd.)

koeling:

Bij de berekening van de koeling'wordt

ui~egaan.van.

het moment,

\

waarop maximale warmte geproduceerd wordt. Dit is aan het eind van de exponentiijle groeifase.

De warmte balans luidt:

VoO dT - 0 _{, P}

=

warmte pr., door bakt •. + rTarmte pro roerder-dt

\

o

Q

o

0

0

o

_..

o

,Q

o

De ..:::armt~produktie ~oor mikro-0EB'anismel!.!

De overall reaktie voor de omzetting van glucose tot de eindprodul<:-ten van de' 'eerste fasEjl ,kan alsvolgd opgesteld w'orden.

4C6H1206~3C4H702H _{+ 3C2H302H +'6C02 +'6H2 + 96 kcal}

" '

Volgens Wikèn (lit.22) komt ~ 70% van deze energie in de vorm van vTarmte vrij. De overige energie vTordt gebruikt voor cel opbomi. De maximale omzetting van glucose bedraagt:

dS 'j .dM 1

.IÁ~.

M

=

1 • 0,36 • 10

=

120 kg

suiker/m~uur

Tt

= Y

M/ S

dt

= 0,30 0,30

Aan het eind van de groeifase wordt in de reaktor dus; , 3

~6

ak!;.';" 200 • 120 • 1

~6

010 • 0,7

=

280 kvT geproduceerd. ,Het warmte verlies via d'e wand:

Het warmte verlies via de wand is warmte verlies door vrije konvectie.

\

De grootste l'iamte weerstand is de 1ieerstand bij, warmte transport van de reaktorwand naar de omgeving. De,uarmtetransportcoëfficiënt voor vrije konvectie kan berekend .. rorden rne-t onderstaande relatie:

' 1 / 3

8

lifu

=

0,13 (Gr • Pr) mits Gr .Pr> 10 , dan is de stroming langs de wand turbulent.

3 ~ Nu = 0(. HT '

,

Gr = HT• g • .6~

,

Pr =\1 (lit.23) À

V1..

~w a Pr

₌

0,72 Gr

₌

(11~3.10

_{• °2°2}

.=

8 .1011 ( _{18 • 10-}6 )2. 1 0<

=

-

+ 20 W/m2.

°c

,

Het l'iarmteverlies via de .. rand is:

rI. d= A • U • AT';' jO kW

,wan a ,

( T

=

5

°c )

De koeling door de koelspiraal:

-Uit de warmtebalans kan nu berekend worden,hoeveel warmte via de spiraal afgevoerd moet w~rden.

~sPiraal

=

f

ba.kt

'7'

(>

roerder

"'Pw~nd

= 31 ° kW

Berekening van het warmtewisselend op~ervlak:

) " . 1= U • A • A TIn

'fsp~raa

1

=

1 d 1

- + +

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

De warmtel-Teerstand door de vland van de koelspiraal is verw'aarloosbaar.'

, .

De warmteoverdrachtscoëfficiënt van het medium naar de koelwand kan berekend worden met:

Nu'= 1,51 • Re 2/ 3" pr1/ 3 •

~io,14.(

_{HR )0,3(}

~

)-0,5 6 ( DH )0,13 DT DT . DT ·(iit.10) Vi

='?

bulk ~ 1

'7

wand

,

6

Re

= 3

.10 , Pr ~

1

/ 20 , 0(1= 2700'H moe

,

, Een zelfde type relatie kan worden opgesteld voor de warmteoverdracht van de wand naar het koelwater.

0,8 1/3 Nu

=

0,027 G Re • Pr

Stel koelrlaterverbruik is

±

50 m3/uur, dan is He

~105

U kan nu berekend worden ..

, 2

0(2= 2200 W/m •

°c

U = 1300 W/m2

.0C

De temperatuur van de ferment or is 30 oe • Het ,koelwater, i'1Ordt

opge-o

warmd van 20 naar 25 C. Het logaritmisch temperatuurverschil is dan:

AT

_1n

=

10 -

5

=

7,3

°c

ln( 10/5)

Het benodigde koeloppervlak is:

A =

cftspiraal'~

:310

=

33 m2

U • . TIn '1300.

7,

3

De spiraaldiameter wordt 0,10 m en de diameter van een winding l'lordt '

/

-

'

5,0 m gekozen. Voor voldoende koelkapaqiteit zijn acht windingen nodig.

_.

_.

Het koelwaterverbruik bedraagt:

J..

=

c4t>iraal

=

31Ó. 103" 3600

=

53 ,m3/uur

fV

)

f ·

Cp. T 103 • 4,2 • 103 • 5

Dit koelwaterverbrui~ is berekend voor de maximale w~rmteproduktie.

Het gemiddelde koelwaterverbruik bedraagt per ferment or 1/3 • 53m3/uur

=

11,3 kg/se

o

o

5.20 De entfermentor ( R 9

L

o

o

ö

o

o

o

o

o

o

Volume· en aantal:

Het volulJle van de entfermentor \'Tordt bepaald door de geuenste ent-koncentratie van de hoofdfermentor en de eindent-koncentratie in de

entfermentor.

entkonc .. hoofdferm. :;:'1,0 kg/m3 eindkonc. entferm.

=

20 kg/m3

/ 3 .

Het volume van de entfermentor is dus 200 20

=

10 m 0.'

De entfermentors worden geënt met de inhoud van 1 m3 fermentorso De koncentràtie van dit entmateriaal is 20 kg/m

3

0 De verblijf tijd

"Tord t berekend met: dM

t dt

=?rn

IJ ~

=

ln(M/M ) = In 10 = 6,5 uur 0 0,36

. fJm

Alle 7 hoofdfermentors moeten eens in Er zijn dus twee entfermentors nodigo Menging:

-de

De s~erilisatie-en .opstarttijd is

.±.

3,5 uur ..

48 uur geënt word~n.

Bij de entfermentors is een roer"Terk zeker noodzakelijk, doordat hier" een hogere biomassakoncentratie bereikt wordt.

De berekening van het toerental en het vermogen gaan analoog aan de berekeningen bij de hoofdfermentor~

n

=

_v.:..-__

= __ 1 .... 0 _ _ -:-_ _

=

0, 75 's-1

2,6 .. Di.

tc

2,6"

0,7

3

•

15 Re

=

~Di

=

4 •

105

"l

3 5

3

3

5

~

=

Po.~ lJ:PR

=

6,3 • 10 ... 0,75 ,,0,7 = 0,45 kW

Het motor vermogen is 0,5 klf ( eff.

=

90%).

. Koeling.!.

Ook deze berekeningen zijn analoog aan de,l;>erekeningen van

de

hoofd- . fermentor.

De warmte geproduceerd door de bakteriën:

~bakt=

28 kW