L-Cysteïne produktie

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

adres:

•

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

onderwerp

:

.

...

~.::Ç.Y.ê.t~Jn~

...

p.r.9.9).;lJSt-.~.E?

...

..

...

...

... .

Oude Delft

106, Delft

Roland Holstlaan 288, Delft

opdrachtdat

'

u :

verSlagdatLm:

dec 1982

jun 1983

•

INHOUD

SOPGAVE

BLZ.

•

1 .

Inleiding

1

2.

Ajinomoto proces

3

2.1

Optrdende reakties

3

2.2

ATC produktie

₃

•

2.3

Celproductie

en

enzyminduktie

₅

2.4

L-cysteïne productie

6

2.5

Opwerking

van L-cysteïne

8

2.6

Proces

overzicht

8

•

3.

Groei

1

Î

3.1

Inleiding

11

3.2

Exponentiële groei

Î

1

•

3.3

Zuurstofoverdracht

14

3.4

Lineaire groei

15

3.5

De groeicurve

18

•

4.

Nedia

21

4.1

Lab.medium

21

4.2

Cultuur medium

21

4.3

Industieel medium

21

•

4.4

Inductie medium

23

5.

Filtratie

24

6.

Warmte overdracht

2

8

•

6.1

\varmte

product ie

2

8

6.1 .1

Glucose verbranding

28

6.1.2

Roeren

28

6.1.3

ATC conversie

29

•

6.2

Warmte afvoer

31

6.2.1

ivarmte

opname van de lucht

32

6.2.2

Verdamping van water

32

6.2.3

Vlarmte

verliezen aan de omgevin

g

₃₃

•

6.2.4

i.Jaterkoeling

34

•

•

bl

z

.

7.

Fermentoren

ontwerp

35

8. Reàctoren ontwerp

38

9. Processchema

41

•

10.

Aannamen en Conclusies

49

11 . Literatuurl

ijst

50

•

12.

Symbolenlijst

52

Bijlagen:

Bijlage-1 : Steriliseren

Bijlage-2 : O

ptimale biomass

a concentratie

•

Bijlage-3 : Apparaten specificaties

B

ijlage-4 : Nassa- en warmtebalans en

A

pparaten strom

en

Bijlage-5 : Thermodynamische berekeningen

•

•

•

•

•

•

•

.)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

SAMENVATTING

Cysteïne is een aminozuurdat gebruikt wordt in de

voedings-middelen industrie. Alleen het L-isomeer is bruikbaar.

L-cys-teïne werd vroeger verkregen door h

y

drolyse van haar.

Ajinomoto heeft e

e

n

proces ontwikkeld

waarb

ij

L-cysteïne

wordt geproduceerd via een fermentatieve route.

Als

grondstof

wordt ATC gebruikt dat wordt gesynthetiseerd uit

methylacryl-aat

en thioureum. Met behulp van Pseudomonas thiazolinophilum

wordt ATC omgezet in L-cystelne. L-cysteïne

wordt

uit de

fer-mentatie vloeistof

gewonnen d.m.v. filtratie,

oxidatie,

elec-trochemische reduktie en kristallisatie.

In dit fabrieksvoorontwerp wordt het gehle proces

kwalita-tief beschreven. Voor een fabriek met een jaarproduktle

van

100 ton L-cysteïne,

z~n

de Pseudomonas-kweek en de omzetting

van ATC in L-cysteïne kwantitatief uitgewerkt.

Normaal gesproken wordt, voordat er een ontwerp gemaakt

wordt van een celkweek, eerst het te kweken micro-organisme

gekarakteriseerd. De gegevens over

Pseudomonas

thiazolinophilum

waren echter summier.

W~

hebben daarom eerst een model van

de

groei opgesteld. Dit model diende als basis voor het

fabrieks-voorontwerp.

Er

z~n

twee manieren van sterilliseren

bekeke~

batch of

continu.

Batch-gew~ze

sterillisatie was op deze schaal

goedkoper.

Verder hebben we nog

gekeke~

tot welke maximale biomass

a

concentratie de celkweek het voordeligst kan

geschieden.

•

•

_1.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

- 1 -Inleiding.

Het aminozuur L-cysteine wordt veel gebruikt als v6edsel addi-tief. (lit. 1) L-cysteine wordt gemakkel~k geoxideerd. Het wordt daarom veel gebruikt als anti-oxydant in allerlei vruchtensappen.

Het voorkomt dan de bruinkleuring en de oxydatie van ascorbine-zuur.

Het wordt gebruikt b~ het broodbakken, 50 ppm in meel, om de kwa-liteit van het brood te verhogen. (lit. 2)

Het reactieprodukt van L-cysteine en suikers wordt vaak toegevoegd aan vervangende vleesextracten als een speciale smaakstof.

L-aminozuren werden vroeger verkregen door de hydrolyse van ei-witten. Eiwit is een dure grondstof. Voor enkele L-aminozuren is daarom later een chemische of een fermentatieve productiew~ze

ontwikkeld.

L-cysteine is moeilijk chemisch te synthetiseren. In een chemische synthese wordt nl. altijd een racemisch mengsel gemaakt. Alleen L-cysteine is bruikbaar. öm een zuiver product te verkr~gen moeten de L- en D-isomeren gescheiden worden. Dit is een zeer kostbaar proces. Tot voor kort was er nog geen fermentatieve produetiewijze van L-cysteine ontwikkeld. L-cysteine werd verkregen door de hydro-lyse van het eiwit keratine dat veel in haar voorkomt.

Paarde-( lito 1) en mensenhaar Paarde-(lit.

3)

zijn het goedkoopst voorhanden. Ajinomoto ( lito 4, blz.

316,

tabel-8) heeft als eerste een fer-mentatieve route voor de L-cysteine productie ontwikkeld: Hierbij wordt DL-2-aminothiazoline-4-carboxylzuur (ATC) met Pseudomonas thiazolinophilum in L-cysteine omgezet. ATC is in grote hoeveel-heden voor handen tegen lagere pr~zen dan haar. (lit.

5)

In een ander fermentatief proces worden ~-chloroalanine en Na 2S omgezet in L-cysteine met behulp van Enterobacteriaceae.

L-cysteine moet heel zuiver worden geproduceerd omdat het ge-bruikt wordt als voedsel additief. De kwaliteits eisen volgens

•

•

•

•

•

•

•

•

'

.

•

•

•

2

-Japanese Standards of Food Additives en USA Food Chemical Codex (lit. 1) zijn: - water gehalte

<

0,3% - chloride gehal te

<:

0,02% - ammonium gehalte <0,02-0,04% - sulfaat gehalte <0,02-0,05% - anorganische zouten <0,1-:0,3% zware metalen <10 ppm

tevens mag in een 10!1 g monster m.b.v. dunnelaagchro-motografie geen ander aminozuur worden gedetecteerd •

3

-2. Ajinomoto proces.

Ajinomoto heeft een fabriek gebouwd waarmee 100 ton L-cysteine per jaar wordt geproduceerd. Men laat hiertoe methylacrylaat

reageren met thiourea tot 2-aminothiazoline-4-carboxylzuur. (=ATC) Dit ATC wordt omgezet in L-cysteine doormiddel van fermentatie. Ajinomoto gebruikt hiervoor het micoorganisme Pseudomonas thia-zolinophilum •

We zullen de verschillende proces stappen wat nader beschr~ven:

+ N_C_C~O 11 I 'OH "C CH2 H N \ /

2

S

N_C_C~O 11

I

'OH "C CH2 H N \ I 2 S + MeOH + 2HCl Pseudomonas thiazolinophilum ---~ H C-SH

2,

H N-C-H 2

I

COOH

Van reactie-1 konden w~ geen Ajinomoto publicatie vinden. Na uit-voerig doorzoeken van Chemical Abstracts vonden we een artikel uit 1940 van C.S.Marvel e.a. (lit.

6)

z~ beschr~ven reactie-1. Men lost methylacrylaat op in methanol terw~l de temperatuur op

o °c

gehouden wordt. Daarna leidt men gedurende enkele uren C1

2

(1 )

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4

-door ervoor zorgende dat de temperatuur niet boven de 40

°c

komt.

Vervolgens destilleren we MeOH af.

Als laatste stap destilleren we

methyla,~-dichloropropionaat

onder

Vacuum af. De

uiteindel~ke

gehaalde opbrengst bedroeg

85%

.

Van reactie-2 hebben we wel een Ajinomoto patent kunnen vinden.

(lit.

7)

In dit patent

bl~kt

reactie-2 uit drie deelreacties te

bestaan. Ajinomoto voert ze achtereenvolgens in één vat uit. De

reacties

z~n:

CH

-CH-C~O

1

2

1 '

Cl

Cl

OMe

CH

=C-C~O

2 I !I"

OM

Cl

e

+

NaOH

o

i

uur

• 1:1

(mol)

• 97,5%

+ • 1:1

(mol)

• 7 uur

I

CH =C-C'*O

2

J "

Cl

OMe

..:;0

NH -C-S-CH -CH-C7

2 11 2 I

'OH

NH

Cl

• zuur milieu (regeling met HCI)

• 89%

;:0

NH -C-S-CH -CH-Cv

2 11 2 J 'oH

NH

Cl

60

oC

---~ H 20

N-C-C~O

11 I 'OH

,..C CH

₂

H N \ I

2

S

+

HCI

(ATC)

• pH instellen met NaOH, daarna

met NH

4

0H op

7,5

regelen

· i

uur

+

MeOH

(4)

(6 )

•

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-

5

-Vervolgens afkoelen tot

5

°c

en na

,12

uur

affiltreren. De

op-brengst is 73% t. o. v. methylet,P -dichloropropionaat. (reactie-4)

Reactie-4 die volgens Ajinomoto in één

~

uur zonder

katalysator

en

b~

een temperatuur 50

0

C verloopt is niet in overeenstemming

met twee andere patenten.

Bayer, lit.8, voert dezelfde dehydrochlorering uit

b~ 0

°c

gedu-rende 10 uur in aanwezigheid van polymerisatie inhibitoren.

De

NaOH-conc. was ook h.oger, nl. 1 : 1,2

5

a 2,5

m

ol.

Tevens wordt de

me-thylester verbroken:

CH

_C_C~O

+

NaOH

1 2 1

"-Cl

Cl

OMe

-5

tot +30

°c

'

---~ H 20 ~O

CH

=C-CV + 2 I

'OH

Cl

MeOH

Borg-Warner, lito

9,

dehydrochloreert weer anders. In

plaats

v

a

n

NaOH en H

₂

0 gebruiken

z~

NH

4

0H en methanol. Na 12 uur

b~

kamer-temperatuur wordt NH

4

Cl afgefiltreerd en MeOH afgedestilleerd.

Opbrengst 75%. De reactie is als

volBt~

.. 0

CH -C-C'"

+

I 2 I "

Cl

Cl

OMe

20

°c

---~

MeOH

CH

=C_C~O

2 I "

Cl

_ OMe

+

Het probleem van het gevaar tot polymerisaties en/of ontestering

komt

b~

Bayer en Borg-Warner

duidel~k

naar voren. Ajinomoto uit

zich niet over deze problematiek in

z~n

patenten.

W~

he

b

ben

het

vermoeden dat, als Ajinomoto echt de reactie

(

nr.4) bjj

<

5

0

°c

en in een

~

uur uitvoert,er een katalysator wordt gebruikt.

ATC wordt met behulp van Pseudomonas thiazolinophilum omgezet in

L-cysteine.

W~

hebben geen inzicht in de stabiliteiten van de

werkende enzymen. Zodoende kunnen we niet nagaan of

de

micro-organismen met reeds geinduceerde gewenste enzymen te recyclen

z~n

of dat de enzymen te inmobiliseren zjjn. We kiezen dan ook

•

•

•

•

•

•

I

I

I

'

.

•

•

•

•

1

--- 0

-voor het steeds opnieuw kweken en

induceren

van het microorganisme.

!.

Iet

enzym wordt geinduceerd in de laatste fase van de

celproduc-tie. Dit is noodzakelijk omdat de enzyminductie groei-geassocieerd

is.De inductie vindt plaats door ATC toe te voegen. Door dit aan

het eind van de celkweek te doen wordt zo min mogelijk ATC

ver-bruikt.

De gewassen cellen worden nu in anaerobe reactoren in contact

--gebracht met ATC. Het geinduceerde enzym in de cellen

zet

dit

ATC om in L-cysteine. De optimale temperatuur voor deze omzetting

bedraagt 40 °C, het pH optimum bedraagt 8,2 • De omzetting

ver-loopt als volgt: (lit.

2)

--DL-ATC

I

,

.

ATC-racemase

H

2

C-CH-COOH

I I S N

'ç~

(L-ATC)

NH

2

I I I I

,

H

2

C-CH-COOH

I I

S NH

2

I

L-ATC hydrolase

C=O

I NH 2

(SCC)

~ I

HO"

I 2

\1

SCC-hydrolase

1, I \

C

O

+

NH

3

J '

...

2

,

H

2

C-CH-COOH

I I HS NH 2

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

7

-Deze reactie kost energie:

'

..

AH = + 752 kJ/mol.

ATC ...-.cysteine

Wanneer-de onder aerobe condities (t~dens celkweek) opgeslagen energie in de cel verbruikt is zal de ATC omzetting stoppen. Ajinomoto noemt een reactiet~d van 48 uur op laboratoriumschaal met een omzetting van 100%. W~ nemen aan dat wanneer er op indu-striele schaal met een factor 5 maal geconcentreerder geprodu-ceerd wordt dezelfde condities bl~ven gelden.

De reden dat er anaeroob geproduceerd wordt zit in het feit dat cysteine wel goed oplost in water en cystine zeer slecht. Cystine is niet te scheiden van de microorganismen aan het eind van de reactiet~d. Wordt er aeroob geproduceerd dan oxydeert cysteine

onmiddell~k tot cystine:

2 H2 C-f-H H2N-?-H COOH + ---~ H C-S--S-CH 2

I

I 2 H N-C-H H-C-NH 2 , I 2 HOOC COOH

Daar gewerkt wordt met een zeer groot aantal Pseudomonas

thiazo-L linophilum cellen is een steriele productiew~ze overbodig. De mate van contaminatie met ongewenste organismen is dan relatief ge-zien laag. Bovendien z~n er weinig groeibevorderende condities aanwezig zodat een infectie zich ook niet sterk kan uitbreiden. Ajinomoto ' gebruikt op laboratoriumschaal 50 g natte cellen/l om 10 gATC/I om te zetten in 6,0 gL-cysteine/1 (100%) (lit.10)

(10 )

' - - - We stellen dat 50 g natte cellen overeenkomt met

8

g DS.WD

wer-1ken een factor 5 x geconcentreerder. In hoofdstuk 2.6 wordt

bere-'Y}{/';(.r'kend dat

R,'

4

e

-

;R18

-voor de productie van 413 kg L-cysteine 690 kg ATC en ~50 kg DS moeten bevatten. Vereiste capaciteit van R14 en

R18

is 550/40= 13,8 m3 vloeistof.

,'1"'" ,~

1

.

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-

8

-Nadat de cellen uit de oplossing zijn gefiltreerd beluchten we de oplossing. Reactie-10 treedt dan op. L-cysteine wordt geoxydeerd tot L-cystine. Dit L-cystine lost zeer slecht op in water zodat we dit weer gemakkelijk kunnen affiltreren.

L-cystine kan weer worden omgezet in L-cysteine d.m.v. electro-chemische reductie in een zoutzuur oplossing: (lit. 11)

NH.HCl I NH.HCl

,

1-CH2~CH-COOH S-CH -CH-COOH

2

I

+ 2 H 20 + 2 e

----._2

HSCH2-CH-COOH + 2 OH NH.HCl

Als laatste volgt nu kristallisatie van het gevormde L-cysteine. L-cysteine moet zeer zuiver verkregen worden (

>

98,5%) omdat het gebruikt wordt als voedingsadditief.

Bt

de opwerking treden enige L-cysteine verliezen op. We zullen deze trachten te kwantificeren:

Rendementen:

• oxydatie 95% (lit.12) • filtratie 99%

• reductie 92% (lit. 11) • kristallisatie

Het totaal rendement bedraagt dan ca. 83%

2.6.

Procesoverzicht.

Het proces is weergegeven in fig. 1

(11 )

Ajinomoto produceert 100 ton L-cysteine per jaar. Vanwege opwerkings-verliezen moet er 100/0,83

=

120 ton per jaar geproduceerd wor-den.Het batch proces heeft een cyclustijd van 60 uur. De celkweek heeft een tijdsduur van 26 uur. Dit is minder dan de helft van de

•

,

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

9

-cyclust~d,zodat er per cyclus twee keer een celkweek uitgevoerd kan worden. Het is dan voordeliger om twee productie reactoren te installeren.

(R14

en

R18)

Elke 30 uur wordt met één van de t wee reactoren een nieuwe ATC omzetting gestart. ( zie tUdschema van het proces in fig. 3)

Per jaar kunnen er Nb

=

365 x 24/60

=

146 cycli worden doorlopen. De productie per reactor

(R14/R18)

is:

120.00/146 x

t

=

413 kg L-cysteine Hiervoor is nodig: 10 x 413 / 6,0

=

690 kg ATC

0,8 x 690

=

550 kg DS

De biomassaproductie verloopt optimaal b~ een eindbiomassa concen-tratie van 35 kg DS / m3• (zie ook

b~lage-2)

Elke 30 uur moet er dus 550 / 35

=

16 m3 celsuspensie geprodu-ceerd worden. Inductie ferment or

R8

(zie proceschema) moet dus 16 m3 celsuspensie kunnen bevatten. Wanneer we de celkweek tel-kens met een factor 10 opschalen ziet de fermentatietrein er als volgt uit: lab1 (10 schudkolven) 1,6 1 lab2 16 1

R3

0,16 m3

R6

1,6 m3

RB

16 m3

•

•

•

•

•

•

•

REINCULTUUR _ _ CBLPRODUCTIE _ _ ENZYM INDUCTIE _ _ FILTREIlEN + \-IASSEN - - - . . .

---l~-ISOLZRING

ATC

~

CHLORERII:G VAN METHYL-ACRYLAAT _.DEHYDROCHLORERING .ADDITIE VAN THIOUREA • RINGSLUITItlG

•

•

•

•

L-CY3TEIHE PRODUCTIE ~CELLEN AFFILTRiO,lEN --~ _

~_OXYDATI'; L-CYijTEINE _ _ _ _ - ISOLATIE L-CYSTINE--.- Ri':DUCTIE L-CYSTINE --ISOLATIE L-CYSTEINE

FIG. 1: OVERZICHT AJINOMOTO PROCES

•

t-> o

•

•

•

•

•

•

I

.

•

•

•

•

- 11 -Groei.

Normaliter wordt de samenstelling v~n een te kweken

micro-organisme eerst gemeten. Aan de hand van die metingen en aan de hand van biokinetiek metingen zoals de yield (y), de

groeisnel-heid (~) en de maintenance (m) wordt een ontwerp gemaakt. W~

beschikken niet over deze gegevens. Daarom zullen

WD

zelf een model opstellen. We nemen daarbij het volgende aan:

1. Het gistextract en het pepton kunnen direct als bouwstenen voor de biomassa van het microorganis-me gebruikt worden.

2. Het gistextract en het pepton worden niet als energiebron gebruikt.

3~ Het glucose wordt gedeeltel~k gebruikt als brand-stof en gedeeltel~k als bouwstof.

4. Het zuurstof verbruik wordt alleen bepaald door het als brandstof gebruikte gedeelte van de glucose.

Hierb~ dient het medium dat door Ajinomoto op laboratoriumschaal is gebruikt als basis voor het door ons gebruikte medium. (zie hoofdstuk Media).

Het Ajinomoto medium bevat: (lit.13) gistextract

5

gil

pepton

5

gil

glucose 20 gil

5.

Het glucose verbruik t~dens exponentiële groei is evenredig met de biomassa concentratie (c ).

x

De yield van een Pseudomonas op glucose ligt gewoonl~k in de buurt van 0,5 gDS/g glucose (lit.4). Het lab.medium bevat echter

•

•

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

- 12

-ook pepton en gistextract. De yield ligt dan een stuk hoger en bedraagt dan ca. 0,75 gDS/g glucose. (lit.14)

De optimale biomassa concentratie bedraagt 35 gDS/l (zie bijlage-2) Hiervoor is dus:

e

_x

e

s = - = _y

sx

35/0,75

=

46,7 g glucose per liter nodig

Het cultuur medium moet dan 46,7/20

=

2,33 maal geconcentreerder worden dan het lab.medium:

11,7 gil gistextract 11,7 gil pepton 46,7 gil glucose

Tijdens de celproductie worden de ferment oren telkens met 10% ge= ent, d.w.z.

e

°

=

3,5 gDS/l. Het cultuur medium wordt daardoor

x,

10% verdunt:

10,5 gil gistextract 10,5 gil pepton 42,0 gil glucose

Er wordt ontworpen naar een biomassa concentratie van 35 gDS/l aan het eind van de celproductie. De biomassa die tijdens de produc-tie gevormd wordt is dan: 35 - 3,5

=

31,5 gDS/l. Het gistextract en het pepton worden volledig in biomassa omgezet. De hoeveelheid glucose die in biomassa wordt omgezet is dan:

31,5 - 10,5 - 10,5

=

10,5 g glucose/l.

Er wordt dan 42 - 10,5

=

31,5 g glucose/l als brandstof

ver-t~

bruikt.

'~~~wf~'

Aanname

5 kan als volgt worden geformuleerd:

~~/

de

s

- - = K . C t

dt s x,

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

13

-waarbij K

=

K

+

K

s

verbr.

bouw.

Kverbr. :

~ouw.

=

31,5

10,5

=

3

1

De biomassa productie wordt gegeven door:

Integreren van

°

naar

t:

dC

t x, d - - - < - -:;; f.l. t C

x,O

C

_x,t

₌

C

_x,O·e

f.l.t 't ,\ \' ) , '\

dC

_x,

t

dt

C

x,t

Het verband tussen het glucose verbruik en de biomassa

pro-ductie is:

dC

s

dt

=

1 y

sx

•

dCx,t

dt

dC

Invullen van _ _

s

en __

dC

x_''--

t

_{met vergl.13 geeft:}

dt

K.C

_s

_x,

t

=

K s _y

sx

dt

1 f.l.C

t .

-x,

y

sx

De groeisnelheid is bepaald met lit.14j de verdubbelingstijd

-1

is 2 uur zodat

f.l

=

ln2/2

=

0,347 hr

•

Uit vergl.21 volgt:

K

=

0,347/0,75

=

0,463 hr-

1

s

Nu kunnen K

en

~

worden bepaald met vergl.14 en 15.

ver br.

-oouw.

K -1

verbr.

=

0,347 hr

K

=

0,116 hr-

1

bouw.

(14 )

(16 )

(17 )

(18 )

(20)

(21 )

•

•

•

•

•

•

14

-Glucose wordt met zuurstof verbrand tot e0

2 en H20 volgens onder-staande reactievergel~king:

Het zuurstof verbruik t.g.v. glucoseverbranding is dan:

r

02

= (- ::

sLrbr. ·

_:_1_°=2_

.

6

glucose Met vergl.13,14 en 18 wordt dit:

r

o

=

K

•

e

2 verbr. x,O

fJ-.t

MO e

2

6

M glucose

De exponentiële groei stopt op het moment dat de zuurstofover-dracht niet meer toer~kend is. Vanaf dat moment wordt de groei niet meer beperkt door de maximale groeisnelheid maar door de

i

.

zuurstofoverdracht • 3.3. Zuurstof overdracht.

,

e

!

De zuurstof overdracht (OTR) wordt gegeven door:

OTR (lit.15)

e

400 hr-1 (lit.15)

=

7,52 mg/l (30 oe, lit.16)

•

T~dens zuurstof limitatie wordt vr~wel alle zuurstof in het

•

(22)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-'

•

15

-medium verbruikt. C is dan vr~wel nul. De zuurstofoverdracht °2,1

is dan maximaal: OTR

max.

=

400 x

Tot het moment waarb~ zuurstoflimitatie optreedt is de groei maximaal, dus exponentiëel. Op het moment zelf geldt nog net vergl.24 waarb~ r

O 2

=

OTR max. OTR

=

K

max. verbr.

eoe

x,

!l.t M glucose __

1_1n~

Mglucose • OTR

MoJ

t = max !l

6 • K

•

verbr. C x,o • 1 1 { 6 180 . 3,0

3.5 • 3

2 } = 0,347 • 0,3 4 7 • = 2,42 uur

• 6

Na 2,42 uur treedt er zuurstoflimitatie op en verloopt de groei verder evenredig met de zuurstofoverdracht.

De lineaire groei treedt op na 2,42 uur. De groei in de line-aire fase verloopt minder snel dan in de exponentiële fase. De maintenance mag nu niet meer worden verwaarloosd.

(26)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

1 Y

ox

dC

_x, t

dt

- 16

-+m.C

'

t

o x,

(lit.16a) = r.Y

_o

_ox

- m.Y

.c

t 0

ox x,

Dit is een eerstegraads lineaire differentiaal

vergel~king.

Deze kan worden opgelost m.b.v. Laplace transformatie. Vergl.

31 is te

schr~ven

als:

(29) (30) (31 ) A +

B.C

t (32)

x,

of als:

C'

=

A

+

B.C

Laplace transformeren:

~ ~ ~ waarb~

A

=

_rO.Yox

B

= -m

_{o ox}

.Y

L{C.J

=

L{A}

+

B. L[C}

s.~

- C(O)

=

A/s

+ B.~ (s-B).~

- C(O)

₌

A/s

1

=

C(O)

+

A/s

C(O)

=

s-B

s-B

Breuksplitsen:

A

-A/B

+

A/B

Terugtransformeren:

C(t)

s.(s-B)

s

s-B

C(o)

A/B

- - +

A/B

s-B

s-B

s

Bt

=

C(O).e

Bt

- A/B

+

A/B.e

Bt

=

-A/B

+ (

C(O)

+

A/B

).e

A

+

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

17

-A en B substitueren:

C

x,t

r

o

=

- + m o

(C(O)l'

_l.m.

-__ t 1

= -

~T

_m

_.~ .In o ox

c

C

,

x,

t

x,Ol'

_l.m. r O -m. Y

.t

) 0

ox

- .e m o m o

~

m o

C

is de biomassa concentratie aan het begin van de

x,Ol'

_l.m.

lineaire groeifase. Deze kan worden berekend met vergl.18

c

₌

C

=

C

,u.t

x,Ol'

_l.m.

x,2.42

x,O

e

.

=

3,5

.

e

0,347

x

2,42

=

8,1 gDS/l

De maintenance van Pseudomonas thiazolinophilum op glucose

is niet bekend. In lit.4,blz.143

z~n

voor enkele Pseudomonassen

de maintenance waarden gegeven. Met behulp van deze waarden is

een schatting gemaakt van de maintenance van

Pseudomonas

thiazo-linophilum op glucose:

m

=

0,024 g glucose/gDS.hr

s

Hiermee kan de maintenance op zuurstof (m ) worden berekend:

o m o

=

m

s

=

0,024

6 .

M O· _ _ _ 2 M

glucose

6

x

32

=

180

.

( " (34)

(18 )

I

I

.

I

:

I

.

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

- 18

-De yield t.o.v. zuurstof (Y ) kan worden bepaald uit de ox

yield t.o.v. glucose.

M

') Y

₌

Y

.

glucose ,- , ox sx 6 _x

_Mo

:,. 2

'.

' 0,75 180

=

.

h 6 x 32

=

0,70 gDS/g0 2

Nu z~n

Y

en m berekend en kan vergl.34 worden uitgerekend; ox 0

t

=

1 0,0256

=

15,8 uur 1 f35 - 3,0/0,0256 ] x 0,7'

n~,1

- 3,0/0,0256

De groeicurve kan nu als volgt beschreven worden:

In de periode van

°

tot 2,4 uur verloopt de groei exponentiëel. De groei wordt dan beschreven door vergl.18:

c

=

3,5 . eO,3 4 7. t x,t

In de periode van 2,4 tot 18,2 uur verloopt de groei zuurstof-gelimiteerd en kan beschreven worden met vergl.33

C

=

117 - 109 . e -0,018(t-2,4) x,t

De volledige groeicurve is gegeven in fig.2.

uit deze groeicurve blijkt dat bij toenemende biomassa de groei afneemt. Dit wordt veroorzaakt door de maintenance, die b~

I

•

•

•

•

•

•

•

•

--

•

•

•

.. --r;-'- - . . , " _." ._: . _{." : :"} . . . _.: . . _{. . .} . ' . .. _:: . . _{: ...}1 .. , _{. ':,:. . .} . _{' I . ,;.'. " ,} I" I ' , • . . , , : , ,

I

.

.

I '

I

I ./ . . 1 ,

1

_B

-T-.---

T

iJ

-'

-

fTh

,.

1-'1

-CX

!

-I~~

:::

:

:

:

.

:

·.

1

-

'~"I:::-

:-'--I'::C

'1:··:

,

....

-

:::

t

:~~

.

~---:.

iT10o.- ..

--

..

_t---

_Jo.

_i

-I , /:

~

I

, . -- -;--- - ;

~

-:.

; -. , -:

i . i . : ' . . ::

I..

,::.':'

"'r-' .

I '

~

.

;'JI

I

"

I !

-

.

---t----1--

/

--,--

-

__

! ___

1.-:-

Tfli

' _______

1. __

:

_J

_:-_~

.-_. - - - t - - , - - - ' . . : - - - '--~I

I

-~"

'"

' "

I . I " , ' ! ' " • r • ! ! '.' , . j • 1 '; : , I ' I , r/ 1 : 1 I ~ ! ~

c..'h

V

j

.,

..

j - - , .

I

.~..

:

:

.. ,. .

i

'"

I " -.! ',; "

I !

I

/

i

i

,

I

i . '

I :

I '

Ö

-

"

.

i

1 i ' .', I.. , .. 1 , , I '__ I :... ___ 1 __ / ; (' '_ __i __ I _ _ _ _ _ J_ I -- ---- - ï I i ;--:--

ï---

~--~-.-

----:-·

r-

:-rl

.

-

r

r : : ,

'

i

, i

I

I -! !

~

,

I

.

1-

!

J

'

,I ' f , -- . - -

I

- -

-~

-

,-

'I

I

/i

k

'

I

,'! .-.-

.

.

· " " I ' I , i ,( ' I ' 1 ' " , f ' I i 1 I . 'J... ' , I ___ ._ ... __________ --'--_ . ___ . __ ... ~_ .. '

3ö-.l

-

ï

-I----

---l---.i-r-

_{j - ---:--'---ï','}

·,--,i----·I---~

--,---,.-,----

---1---

r'

Jt"

I

I ! . .

~

,

I :

, I , I

I '

I

'

I , I j / , tI

I

'

I .

I

'

.

,

I

--1'

i - " t . i . I . . ; I I

o.

-.

. -

-

-

f--'

-

-

I ' / . I ,.t' , I : - . .

·

'

"

, ,

' .

.

.

. .

"

I

)

,

'~ , I '

.

I '

I

--i~..:-..r;-L--TI-!

!

--1'-

'-

~--

--f--

-I

"-

-i

--..

..

. -

-,--:-

,:..

_J-

,

--

: t n

y

-1'---"

i

-1--1 -

..

-I' . ;

----1'--

···

I I

T l i ' ,

' 1 1 ' _{! ~ ,} . " .:

-1

_,

'

/

_I

'1

.

I I ' , r , I J • 4 _ : · --- - , -- - I - --I --- :

-H

' "

I i - . - '. - ) I . ,

I

i i : ~ , i ' I , ! 1 ' • r ' , I . ! , I

! ' I '

I

:

I

-I-Ij--l--

'ï: --

I;, I ' .

~

I

/

î-l

--r-I-l'

-'/'--

-"-!,--

"

-ï

·

--~

~t

---I

' I '

I , , I

H'I'

.

,

I ! - -, ,- i .--I -- : - . ,---. -. :- - - -- -. j --/ I , i - , , I . i ! I ' . I . . .1 , . , 1 1

:

I

,

I

--~---- ...L

_

L~-I_..

--r---'--~

--.!.- '

-I

--"~

-#-~

1-'

---j----.--.. ___

L-_I_

.

" I I

1 H

·

,

1

1

1 ' : I I I

I

)

.

I " • I . • • I . I , I ! '

.--

o.'

I'

-

(

-

I

-

I

"

.

,

ï I .. · - ---;-- I : -

y

-

I

1·--:

, I I , ' I ! I : I i ' " I I ' I I , "

j

-_E~+C-t-:--f'--'~--"-'--+--

-

i-l-

v

-

--+--'>--'-1

-

-

-

----'

--:--

I I : , I j : I r f I I ' I " ! J I I ' : : I

-

·

1

,

. '

i

' I

.

.

, .1_ .. - -' - / , " .. -. -I ! I , I , I ' I . , 1 , . / . ' , . . 1.::_ ... I _ I I

I

i

I . .

~:

I I 1

~

" .- . - ... - 1-- .' 1 '

j

,

! ' . I ' " . '

I

.

I . ' . I . , I I "

-+A

! I

---1--~'

-i---:

-

-.. -.

L_

+-j,---

~

_1

+"i-'-l--

- I

1 ,--; -J

-1---

--~:--

-!

I

'

.

'I

I I

/

1

1 ·

I : 1 --1- -I

I ;

i : ; i

l

I;!{~ ! ---n

I

i

1

-

--

---

--I" .. :

'.

I .. ,

I I

I I :

~

i i : /. :

,'I

, ! . i _

_ !

L_l __

L_

__:

_

1_ ! ---j---t---.- - - -. LT---j---,-·- --"

,

1--,-

, _.L ___ 1 .. - J 1 ~

I '

t I 1

I I

!

J

"

1 I

I

1 !

rr

I · 1

' I

'

! i · I . - -

4:"

"

:

I -

-

.

-_.-

-

,

.-.

-,

--

I ,

I

I ' I ;i" I ,. . I

---.

-

,

..

-

-

-!--tT~----t-

I

-~- f..--~-;,

--

r-

-

!.--1:-+:

4

""

~+J--L-;::--

-

:

---t~:

-

ï--

--:--:

-

-:--T---:"

: I

:,J'lo

'ti

":~

~I,·,!

)f<l

\I~!

(l

éi :. -:-,"-

-i..-:

_

-~

_~

-

.

ï

.~

I

-

.!

___

.!

___

1_

J

!

_

;

,

I I ; j _ .'. ___ .. l _ _ I ____ ~_._~ I I . I

_

~

~

l

___

~

___ .

-;----j--

-;-'-

,

l--j'-~l"-

t

i---

---'I~--

i ...

~ ~-~

I

~l---

r--;-'

r

--l'

,

:rl~'

!

1 :

I

.

I I " , ,

I k ,

I I . I I

i :

i'i " I 1 • '+~'

-

.

I , I . ! .

/0

+

t-I---p~i-

-b

~

'4

_

I

-j-:,

~j-~-I

--i-'1"-';-

--

-j" ::

":~I<

fig. 2: De groeicurve van Pseudomonas thiazolinophilum

I

I ·

i'- I I , "1 .-,

I

! . I

J

I

- .- : ____ L - - J~' '.,' --;~ . ...:.--

i---

--'--

--I. -l---·":';' .. -;-·--r-- - - volgens het model van hoofdstuk

3.

De biomassa

I . I ' " I I . .

!

i ... "

-

f

~-.

·

1

1

.!

'

:

:

.

i ..

1

I '.

-- ... :::

I. '.:

:-...:.

r

__

~

(ex) is uitgezet tegen het tijdsverloop na

ent-1

1

"

l i J

l:

J .

, .

T~

----

-

·

---[---!·1

~=r

-

-t-~ --r:T-C----l~I--C'

--I

.. 7--f:

ing (t). Na 2,4 uur treed 02-limitatie op. De . ' t -I ..

I ...

.

.

~

.

..

i •..

1rr

...

I . • . .

J

'

.•

!

[...:...LJ.

i.: •. __

1

t. ' . stippellijn geeft aan hoe de groei zonder

main--

--

[

---

+

-

- I

i -

4-"""-

I

·

I

I

'

.',

!i~I

I

·I:--I

J

i-

I

!'

i

J:::,,~

::J

-~

.

tenance zou verlopen.

r-

---...

lD

,---:--.

- :

1

1

4

-

'

i~-I··I-

-

I-

.•

H-·--

1-

-i

I'.'

" i ..

'-I"

T

-

r~l-T-Il-

-

:

--.. :

-;.

-~-

-"'I-

-

:

I--~

':

... · .... _1_:_: -. 1.· .. ·1 ... -::.' ...

1... ... ---

----

.

..

..~

..

-.

.

1"

1

' .:.... ...

I -. : : - :.-. : .

. " ! .

!,.

i .

, .

:.

•

'

.

:...:: . . ; " • .

.1... .:. :

I

:. .

! . ~ . . • I ! __ __ ___ _

t;) ₂

_;-

_1/

₈

la /<. /7

It

/J

:zo

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

20

-toenemende biomassa een steeds grotere rol gaat spelen. Daardoor neemt het glucose verbruik toe, zodat het cultuurmedium meer glucose moet bevatten dan het medium dat nodig is b~

exponen-ti~le groei. We gaan nu een Bchatting maken van de extra beno-digde hoeveelheid glucose per liter.

18,2 e l ' g ucose,mal.n • t

=

J

rs,ma~nt.

oL

=

2,4 18,2

f

m.e

_s

_x,

t· dt 2,4

met behulp van vergl.22: 18;2 -0,018(t-2,4))

=

f

ms • (117 - 109. e

jdt

2,4 (38)

[

r

-0,018(18,2-2,4) )

=

0,024 (18,2-2,4)x117 + 109/0,0181e -1

=

8,4 g glucose/l

Om onder de gekozen condities een biomassa Van 35 gDS/l te verkrijgen moeten we dus 8,4 g glucose/l extra toevoegen. Het medium wordt dan:

• 10,5 gil gistextract • 10,5 gil pepton • 50,4 gil glucose

Opmerking: dit z~n dus de concentraties vlak na het overenten!

··7·

\'

(40)

•

•

•

•

I

·

•

•

•

•

•

•

21

-4.

Hedia. 4.1. Lab.medium.

Het door Ajinomoto gebruikte groeimedium op laboratorium-schaal had de volgende samenstelling:

4.2. Cultuur medium. gist extract peptone glucose NaCI KH 2P04 MgS0 4·7

H

20 FeS0 4·7H20 MnS0 4·5H20 pH

=

7

(lit.10) gil

5

5

20 2,5 1 0,5 0,01 0,007

De optimale biomassa concentratie bedraagt 35

gDs/I (

zie

b~lage-2 ). In het hoofdstuk groei werd reeds beschreven dat daartoe het lab.medium 2,33 maal geconcentreerder gemaakt moest worden: gil gist extract 11,7 peptone 11,7 glucose 46,7 NaCl 5,8 KH 2P04 2,33 MgS0 4·7 H2O 1,2 FeS0 4·7 H2O 0,023 MnS0

4

·5H2O 0,016 pH

=

7

•

•

•

•

•

I

.

•

•

•

•

- 22 -4.3. Industrieel medium.

Het door Ajinomoto op laboratorium schaal gebruikte medium

be-vat als N-bron eiwit in de vorm van pepton en gist extract. Op

industriele schaal z~n dit te kostbare grondstoffen. In de

prak-t~k wordt Gorn Steep Liquor (G.S.L.) gebruikt.

Als G-bron bevat het laboratorium medium glucose. Ook dit is een te kostbare grondstof. Hiervoor wordt molasse gebruikt.

Met behulp van de eiwit- en glucose gehalten van gist extract, G.S.L. en molasse vertalen we het lab.medium naar industrieel medium.

In lit.4,blz.59 vinden we voor molasse, G.S.L. en gist extract de eiwit- en glucose gehaltes:

eiwit gluoose

gil gi l

gist extract 430 400

molasse 30 540

G.S.L. 240 58

Het industrieel medium bevat dan per m3: (zonder maintenance)

93,2 1 molasse 58,25 I G.S.L. 5,8 g NaGI 2,33 kg KH 2P04 1,2 kg MgS0 4

·7

H2O 0,023 kg FeS0 4

·7

H2O 0,016 kg MnS04·5H20 pH

=

7

In het hoofdstuk groei hebben we reeds gezien dat bij 02-gelimi-teerde groei de maintenance niet meer te verwaarlozen is. Het

•

•

•

•

•

•

I

I

,

.

•

•

•

•

•

23

-molasse extra worden toegevoegd. Het glucose verbruik als gevolg van de maintenance bedraagt

B,4

g glucose/l (zie hoofstuk 3.5). Er moet dus

B,.4/540

=

0,016 1 molasse aan 1 1 medium extra worden toegevoegd t.g.v. de maintenance.

Het industrieel medium bevat dan per m3: (met maintenance)

109,2 1 molasse

5B,25

1 C.S.L.

5,B

g NaCl 2,33 kg KH₂P04 1,2 kg MgS0 4·7H2O 0,023 kg FeS0 407H2O 0,016 kg MnS0 407 H2O pH

=

7 4.4. Inductie medium.

Uit de patenten van Ajinomoto is niet na te gaan wat de optimale inductie ATC-concentratie is t.o.v. de celconcentratie. Op lab. schaal voegt Ajinomoto 2 g ATC/l toe (lit.13) aan het lab.medium b~ celdichtheden van 10 gDS/l.

In ferment or

RB

is de uiteindel~ke celdichtheid 35 gDS/l. Dus 3,5 maal geconcentreerder. Als we de verhouding celdichtheid ATC-conc. gel~k willen houden dan moet de ATC-conc. ook 3,5 maal groter worden: 7 gATC/l.

Fermentor

RB

heeft een volume van 16 m3, zodat er in totaal

~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

24 -Filtratie.

Na de celkweek moeten de cellen worden afgefiltreerd en gewassen.

---

-

...

--Een tweede filtratie is nodig aan het einde van de omzetting van ATC in L-cysteine. Deze filtraties worden uitgevoerd met één filter. De biomassa concentratie bedraagt tjjdens de celkweek

35

gDSjl en

.~ tijdens de ATC

4JV-V'

voor 40 gDSjl

.

35

gDSjl.

conversie 40 gDSjl. Dimensioneren we het filter dan is het filter ook te gebruiken voor C . d

=

x,eln

Het filter is een "rotating drum filter". Gekozen is voor filtratie bij constante druk. We zullen een formule afleiden waarmee de tijd

(tv) is uit te rekenen als functie van de gewenste koekdikte (d k):

Stel AA is een stukje oppervlak van het totale filteroppervlak A. We kunnen dan een massabalans over dit stukje opstellen:

In

=

Uit + Oph. AA. V.C

=

0 + s x dL AA.C k . -x, dt

waarin V de superviciële vloeistofsnelheid door de koek is en s

gegeven wordt door de Kozeny-Carman vergelijking: (lit.17)

V

=

s

1

5

Vergl.42 invullen in 41 geeft:

of: 2 2 dL C .

-x,k

dt

5

(1-f) • a • 1J • C k dt = ---=3---...;;x~,L--. LdL f .AP. C

x

(41) (42) (44)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

25 -Het C =

(1-

i

)'P

k

wordt dit: x,k 5 (1_ E

)3.

a 2

_.1]'Pk

dt =

₃

.LdL i .AP.C x

t

dk Fdt 5

3

2

f

LdL (1_f) .a • 1] •

Pk

.

=

3

_{dk 0}

°

i .4 p. C x

,

l/"" i.["-~yt,-'\. -'" V . ju .. "V'I'"

G

(

3

2 ) '"

~

=

?

J

1-E) .a

_.1].Pk

2 2 v

3

.(dk - dk,O ) 2E • .t:IP.C X

met: f

=

fractie open ruimte in de koek. We stellen deze 0,6.

Dit is echter een zeer belangrtke variabele die met proeffiltraties nauwkeurig bepaald moet worden.

1]

=

viscositeit van het medium (=water

=

1.10-

3

Ns/m2)

4P

=

aangelgd drukverschil

=

0,8 bar. P

k

=

dichtheid koek (> H20)

=

1012 gil.

C

=

biomassa concentratie medium. We stelden reeds dat x

40 gDS/l

=

250 g cellen/I.

= minimale koekdikte = 1 mme Deze koekdikte moet t~dens het afschrapen van de koek gehandhaafd worden om het filterdoek niet te beschadigen en om het filter beter te laten werken.

a

=

oppervlak van een cel/volume van een cel

Voor een staafje van 1,75 ~m bt 0,7 ~rn vinden we

8

6

-1

6,

.10 m

Stellen we als te halen koekdikte d

=

7

rnrn dan is hiervoor een k t~d t nodig van: v t v

3

6

2

-3

2

2

__ 5 (1-0,6) • (6,8 10 ) .10 _- • 1012 _{• .} (7 10-

3

_{- 1.1} 0-

3 )

3

5

2. 0,6 • 0,8.10 • 250 =

1,4

min.

(46 ) (47) (48) (47)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

- - - -- -- - - -- -- 26

-Ca. 30% van de t~d is het filterdoek beschikbaar voor koekvor-ming. Dan is er minimaal 1,4/0,3

=

4,8 min. nodig voor 1 omwen-teling van het filter. Nadat in 1,4 min. de koekopb~uw heeft plaatsgevonden moet er vervolgens gewassen worden. Nagegaan zal worden of hiervoor voldoende t~d over is:

4,8 - 1,4

=

3,4 min.

Stel:

3

maal het volume van de koekdikte is nodig om de cellen te wassen

De snelheid van de wasvloeistof door de koek vinden we weer met de Kozeny-Carman vergel~king:

v

s

=

=

1

5".

1

o

,

6 3

5·

2 0,4 • (6,9.10 ) • 6 2

=

1,64 10 -4

mis

Daaruit volgt voor de wast~d t was 10-3 t was = - - =

-3

3 . 7.10

=

128 s

v

s

=

2,1 min. 1,64.10

-4

0,8.10

5

7.10-3

Er is dus voldoende t~d over om na de koekopbouw te wassen en te drogen.

•

[\:-./.r-Met de gegeven t

=

4,8 min.,

t

d

k'

=

6

mmo en C

=

250 g cellen/l

omw. x

zal het filteroppervlak berekend worden. Beschikbare t~d VOor filtratie

=

3,5 uur.

I I I I

•

•

I

-•

•

•

•

•

•

•

27

-W

e weten reeds dat de

productie

reactoren

R14

en

R18,550

kgDS

bevatten.

,

.

550 kgDS = 550 x 6,25 = 3437,5 kg cellen.

3437,5 kg cellen/ 3,5 uur = 982 kg cellen/uur

= 982/1012 m

3

cellen/uur

,....

3

= 1,0 m cellen/uur

_____

1~,0~m~3

__

c~e~1~1~en~/~u7ur~---=

162 m

2

filterdoek/uur

6 • 10-3 m

3

/m

2

filterdoek

Stel:

1 omwenteling

= 10 m filterdoek

2

-

, , ...

-.. , I .

Er

is dan 16,2 m

2

filterdoek/omwenteling nodig.

Stel D = 1

m.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

6.

- 28 -Warmte overdracht.

Tijdens de celkweek wordt de warmteproductie bepaald door de

glucose verbranding en de roerenergie. Tijdens de enzym inductie

komt er een derde warmteterm b~ t.g.v. de ATC omzetting. We

zul-len nu de grootte van deze drie warmtetermen berekenen.

Gedurende het grootste gedeelte van de celkweek is de glucose

verbranding evenredig met de zuurstofoverdracht. De maximale

zuurstofoverdracht is: OTR

=

3,0 g02/l.uur ( zie vergl.26) max.

Het glucose verbruik is dan: OTR r

=

s

max. 1

·b

=

~2·

t-

=

0,015 6 mol gl ucose/l. uur (50)

De verbrandingswarmte van glucose is:~H

= _

2819,9 kJ/mol

verb.,glucose De warmte productie is dan: (lit.18)

AH

=

-r • AH verb.,glucose s verb.glucose

=

-0,0156 • -2819,9

=

44,06 kJ/l.uur

=

12,24 kw/m3 6.1.2. Roeren. -1

Om aan de vereiste kla

=

400 hr te komen is een heftige

be-roering van het ferment or vat nOdig. Een experimentele correla-tie tussen kla en F/V is gegeven in lit.19:

•

•

•

t .\

•

•

•

•

•

•

•

•

29

-We nemen een superficiële gassnelheid van V = 0,03 mis

s

Vergl.52 wordt dan:

De totale warmte product ie zonder inductie is dan:

H

= 12,24

+

2,4 = 14,64 kW/m

3

prod. tot.

6.1.3. ATC conversie.

Er wordt ATC toegevoegd om de cellen te induceren. We nemen aan

dat alle ATC wordt omgezet in L-cysteine en dat alle L-cysteine

weer wordt geoxydeerd tot L-cystine:

..

N-CH-COOH

II I

""C CH2

H N \1

2

S

+

H2N-~H-COOH

~H2

SH

De reactiewarmte Van deze reactie is bepa

a

ld

m.b.v.

lit.20

Verbroken:

N=C

CH-N

ZO

2

615

N-C

C

₆

H

5

- CH

Z-

NH2

292

S-C

C

6

H -CH -S-CH

5 2 2

259

4 x

O-H

H-OH

4 x 463

₌

1852

-t-3018 kJ/mol

Gevormd: 2 x

C=O

O:CO

2 x 367,5

=

725

N-H

H-NH

₂

391

2 x

N-H

H-N

2 x 391

₌

782

S-H

H-SH

368

+

2266 kJ/mol

'

.

•

•

,

.

•

•

•

•

•

•

•

- 30 -AH = 3018 - 2266 = 752 kJ/mol ATC --L-cysteine 2 L-cysteine +

t

O

2 ---._ L-cystine +

H

20

De reactie warmte is weer berekend met lit.20:

Verbroken: 2 x

S-H

H-S-CH

3 2 x 377 754 1 x 0=0 0=0 1 _{x 402 201} 2' 2' + 955 kJ/mol Gevormd:

-S-S-

S-S

266 2

x H-O

2 x 463 926 + 1192 kJ/mol

4H _{cys e1ne __ cys 1ne} t ' t ' = 955 - 1192

=

-

237 kJ/mol

De totale warmteproductie t.g.v. de enzym inductie is dan:

AH, d

1n •

= -

AH ATC ---cysteine + - ~ H cys e1ne __ cys 1ne t ' t '

= -

752 + 237

= -

515 kJ/mol

= -

3527 kJ/kg

Voor de inductie wordt 125 kg ATC gebruikt. De totale

warmte-productie gedurende de fermentatie is dan: -4«41 ~J.

'

De fermentatie verloopt in 18,2 uur, zodat er per sec.

ge-middeld -6,73 kW nodig is.

Dit is een gemiddeld vermogen van -6,73/16 = -0,42 kw/m3

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-- -- - -

-- 31

-Als we veronderstellen dat de ATC omzetting lineair toeneemt met de t~d dan is de maximaal benodigde warmte (na 18,2 uur) twee keer zo hoog als het gemiddelde:

.AH. d _{ln • ,max.}

=

2 x -0,42

=

-0,84 kW/m

3

In fermentor

R8

(zie processchema) is de warmteproductie dan gemiddeld:

AH d

=

14,64 - 0,42

=

14,22 kW/m

pro • ,gem.

De maximale warmte productie in

R8

is op t

=

°

.aH d = 14,64 kW/m

3

pro .,max.

De minimale warmte productie in

R8

is op t

=

18,2 uur:

6.2.

Warmte afvoer.

3

AH d .

=

13,8

kW/m

pro .,mln.

3

De geproduceerde warmte wordt op vier verschillende manieren afgevoerd:

1. De warmte opname van de lucht t~dens het beluchten

2. De verdamping van water t.g.v. de beluchting

3.

De warmteverliezen aan de omgeving

4.

Waterkoeling via de koelmantel (of zonodig ver-warmen)

We zullen nu de grootte van deze vier warmtestromen berekenen.

•

•

•

•

•

•

I

I

·

•

•

- 32 -. 0

De 1ngaande lucht heeft een temperatuur van 20 C. We stellen o

dat de uitgaande lucht een temperatuur heeft van 30

C.

De warmte opname is dan:

q1 = ~l h ' P • c • ( T . - T h · )

uc t lucht Plucht lucht,u1t luc t,1n

2

= 1/471 D • V • PI ht • c • ( T . - T h · )

s uc Plucht lucht,u1t luc t,1n

2

=

1/471D .0,03.1,17.1,0.10

2

=

O,276.D

(kW)

De ingaande lucht heeft een luchtvochtigheid van 70%. We nemen aan dat tijdens het beluchten de lucht verzadigd raakt met water.

q2 =

~

• r

°

.

.0 'Ce lucht ,mol H₂ g - - l waarbij: o ëif

=

~o

C - 0 , 7 . c t t _20 0 C verz. verz (met lit.4, blz 857,858)

af

=

0,044 - 0,7.0,024

=

0,0272 mol

H

20/mol droge lucht

=

~l _uc ht _,mo 1.34,7.0,0272

=

0,944'~1

_uc ht _,mo 1 (zie bijlage-5,.9) (59 ) (60) (61) (62)

•

•

•

•

•

•

I

•

•

•

•

•

•

33

-Bij 1,1 bar en 25 oe geldt: 1 mol droge lucht

=

0,0219 m

3

Invullen in vergl.63:

=

43·>\ucht

(kW)

2

=

43.1/47i'"D • V

s

=

43.1/47tD

2

.0,03

1,013

2

(kW)

=

D

6.2.3. Warmteverliezen aan de omgeving.

(=q )

3

De warmteverliezen aan de omgeving worden gegeven door:

q3

=

U • A. AT

=

_{Um,lucht· ( Aferm. - Akm ) • (}

Tferm~

Tomg

.

)

waarbij

1

-=----

= U

m,lucht

1 h

lucht

M.b.v. lit.4, blz 851,852:

h

=

lucht

h

₌

medium

1 h

_{me 1.um}

d"

100 w/m

2

K

5000 W/nlK

'

\d (staal, 1

%

e)

=

45

Stel d

wd

=

3 mm

dan,

1 1 1

97,4

- - - - =

- + + - =

U

100

m,lucht

5000

Invullen in

vergl~65

met T

=

20 oe geeft:

omg.

q3

=

974.(

A

-

A

km

)

ferm.

(W)

W/mK

2

Wim K

(64)

(66)

(67)

I

.

I

i

•

•

•

•

I

_I

·

!

I

!

I

.

I

i

I I I I

!

_!

.

I

i

.

I

i

•

o

_I

.

I j

i

I I

I

.

I

-

34

-Het verschil tussen geproduceerde en afgevoerde warmte moet via de koelmantel worden gecorrigeerd, zodat:

q4

=

AH .V - q - q - q

prod,tot m 1 2

3

(kW)

Opmerking: Bij R8 wordt i.p.v. AH , 4H in prod,tot. prod,gem. vergl.68 ingevuld.

q4 = U _m,kw

A

_km • LI T

= U

m,kw

.

A

km

.

( T ferm. - T kW,Ult . )

Uit vergl.68 en 69 volgt nu voor

T

kw,uit:

=

T -ferm. U • A km m,kw

Het benodigde koelwater debied is nu:

~kw

=

_p

w • ( T kw,uit -

T

kw,ln

.

)

B~ de kleinere fermentoren van 1,61 en 161 is q4 negatief. Dit betekend dat we niet moeten koelen maar opwarmen. We verwarmen dan met water van

40

oe •

(68)

(69 )

(70)

•

•

I

.

I

.

I

•

i

I

I

.

•

I

.

I

I

.

•

•

-

35

-7.

Fermentoren ontwer-E.

De fermentatietrein wordt door ons ontworpen op basis van

onder-linge gelijkvormigheid. We zullen een rekenschema opstellen

waar-mee we elke fermentor kunnen dimensioneren. De enige invoervariabele

is het medium volume V • m

- Het volume neemt toe t.g.v. de beluchting. Het volume t~dens

beluchten is:

V

V'

=

--:-_m-'---_ waarbij f

=

0,20

m 1 - (

- We stellen dat de hoogte (H) van de ferment or tweemaal de

diameter (D) is: H

=

2D zodat:

W

2V '

D _

m

-

-p

(m)

- Vanwege schuimvorming nemen we 25% extra hoogte (H'):

H'

=

1,25.H (m)

- We nemen voor de hoogte van de koelmantel (H"):

H"

=

O,8.H

(m)

- Het ferment or oppervlak (Af ) is nu:

erm.

1~D2

A

=

-"7Î,D. H' + 2

1/-ferm.

- Het koelmantel oppervlak (A

km) is: A =7Î.D.H" km (72)

(74)

(76)

(77)

(78)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

- 36

-De warmte afvoer (q ) is reeds berekend in het hoofd-afvoer

stuk Warmteoverdracht:

( k\.,r)

met vergl. 60,64en67 wordt dit:

2 2

q

=

0,276D + 1,OD + 0,974(A -A

k )

afvoer ferm ,w

2

=

1,28D + 0,974(A_ferm -Akw)

- Door het koelwater wordt de volgende hoeveelheid warmte af-gevoerd:

q4

=

14,6.v - q

m a f v o e r (kv!)

Door de enzym inductie is b~ de berekening van q4 in R8

gecorrigeerd voor de warmte opname t.g.v. de omzetting van

ATC. Verg~.68 wordt dan:

q4

=

14,2.V - q

m a f v o e r (zie ook warmte overdracht 1.3.)

(kW)

- De temperatuur van het uitgaande koelwater vinden we met vergl,70:

T

k w,uJ.t "

30-waarbij q4 in kW - Het benodigde koelwater debied is:

4200.(T k w,uJ. "t-20 ) (80) (68 ) (81) (70) (71 )

•

•

•

•

•

•

•

I

.

•

•

•

f

37

-De resultaten van de berekeningen volgens dit rekenschema staan in tabel-1.

We zien daarin dat q4 voor de laboratorium fermentor negatief is. Dat betekent dat de lab.fermentor moet worden opgewarmd.

o

Daarvoor is water gebrui~t Van 40

c.

Vergl.71 wordt dan: q4

y1 v erw • = -4-2-0-0-.-(-T--. t---4-O-) W,Ul

~e benodigde hoeveelheden stoom en koelwater t~dens de sterilli

-satie z~n berekend met onderstaand rekenschema:

- Het benodigde stoom debied is gegeven volgens vergl. 1.5 uit

b~lage-1:

y1

=

5,48.10-5.M . t

st m,nle steriel (kg/s)

- De totale massa van de benodigde stoom is dan:

M

=

3600 • y1

st st

- De benodigde koelwaterstroom wordt bepaald m.b.v. b~lage-1,

verg1. 1.

8:

(kg/s)

- De koelt~d is berekend met vergl 1.9 en 1.10 van b~lage-1:

(s)

De resultaten van de berekening volgens dit rekenschema staan in tabel-2.

(82)