Productie-eenheid voor algen met een hoog lipidengehalte

.

'

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

...

~

...

~~rr~~.~

...

~.~

..

~:.~.~.~.~J~?:y.~.~.<:1:

...

.

onderwerp:

PRODUCTIE-EENHEID VOOR ALGEN MET EEN

... _ ... -_ ... ---_ ... ---_ ... -_ ... ..

HOOG LIPIDENGEHALTE

.. _ ... --_ ... -_ ... ----_ .... _-_ ... -. __ ... ---_ ... .

adres:

R.BLeijerveld

Doedesstraat 72

b

3

022 vj

R~DAM

opdrachtdatum : jan. 1985

mrt. 1986

verslagdatum :

•

•

•

•

•

•

•

•

•

l

I

.

•

PRODUCTIE-EENHEID VOOR ALGEN MET EEN HOOG

LIPIDENGEHALTE

opdrachtdatum:jan. 1985 verslagdatum :mrt. 1986 P.Koppert Ossenstraat 12 3034 ZJ R'dam R.Bleijerveld doedesstraat 72b 3022 VJ R4am

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~.

•

Inhoudsopgave Samenvatting 1. Konklusie 2. Inleiding 3.Uitgangspunten 4.Procesbeschrijving 5.Proceskondities

5.1.Model voor algen groei 5.2.Lipiden-ophopingsmodel 5.3. De airlift

5. 4. Zuurstof-voorziening 5.5.Medium

5.6.0pwarming van de algenkultuur 6.0ntwerp apparatuur 6.1.Fotobuisreactor(R1) 6.2.Airlift(T1) 6.3. Airlift (T2) 6. 4. Lipiden-ophopingskanaal 6.5.Koeler(H1) 6.6.Centrifuge(M3) 6.7.Ventilators(M1 en M2) 6.8.Centrifugaalpomp(P1) 6.9.Voorraadvaten(V1,2,3,4) 7.Massa en Warmtebalanzen 8.Kosten en Baten

8.1.Berekening van de totale investeringskosten 8.2.Berekening van de totale jaarlijkse kosten 8.3.Baten symbolenlijst Literatuurlijst Bijlage 1 I 11 1 3 4 7 7 10 14 18 20 23 26 26 28 30 31 35 37 41 42 43 44 53 53 54 56 57 59 61

•

•

•

9

•

•

•

•

•

•

•

•

I

Het voorliggende fabrieksvoorontwerp is een produktieeenheid voor algen met een lipidengehalte van 50%.De fabriek kan in drie onderdelen verdeeld

worden:een fotobuisreactor waarin de algen gekweekt worden, een lipidenopho-pingskanaal en een centrifuge.De fotobuisreactor is een glazen buis waarin onder optimale omstandigheden door intensieve belichting en maximale benut-ting

:~onlicht

(~IO=38.4

W/m2) exponentiele algengroei (r =2.2g/m2u)

~_ x

gerealiseerd wordt.In het lipidenophopingskanaal,een betonnen goot, vindt onder N-limitatie lipidenophoping plaats waarvoor een veel lagere benutting van het zonlicht vereist is.Rondpompen van de cultuurflow en C0

2voorziening worden door een a~rlift gerealiseerd.Met een centrifuge wordt de cultuurflow

(

~

k

=0.77 10-4 m /s)met 0.1% d.s. algen ingedikt tot

25%drO~~

et ,u

~~t is 90%.De algenproductie van de productieeenheid 's 0.7 productie van 3 kg/dag oftewel 1080 kg/jaar.Dit betekend 540 jaar.De opbrengst hiervan is ongeveer fl 600,-.Deze opbrengs om de jaarlijkse kosten fl 260.000,- te dekken, terwijl de

fl 480.000,- bedraagt.De procuctieeenheid heeft economisc

geen kans.

veel te laag ook al

I

•

•

•

•

I

_I

.

I

•

•

I

.

•

•

11 1.Konklusie

De in dit verslag beschreven productie-eenheid voor algen is beperkt van omvang.De productiekapacoteit is 1080 kg per jaar met 50% lipiden maakt 540 kg lipiden per jaar.Het door de installatie bestreken oppervlak is slechts 500 m2,dit is weinig voor een landbouw bedrijf.Opschalen van de instalatie kan eenvoudig door meerdere fotobuisreactoren en lipidenophopings-kanalen te bouwen.Het opschalen van FBR en LOKlevert problemen met de CO

2 voorziening.De beide airliften en de centrifuge kunnen wel opgeschaald worden

,zodat zij de cultuurflow uit meerdere FBR en LOK-eenheden verwerken

3

De algenconcentratie die in de FBR gehaald wordt is slechts 0.3 kgjm . Voor het oogsten zou het aantrekkelijk zijn een hogere concentratie te hebben Een hogere concentratie leidt echter tot een kleinere diameter van de glazen buizen om voldoende belichting voor exponentiele groei te krijgen. Indien het mechanisch mogelijk is met glazen buizen met een kleinere diameter dan 0.08m te werken,dan verdient dat de voorkeur

alL

~

De verblijf tijd in het LOK om het lipidengehalte van 50% te bereiken is erg

lang,302

~

~

r.Deze

verblijf tijd is gebaseerd op een lipidenophopings-model dat afgeleid is uit gegevens van één experiment van Spoehr en Milner (lit 10).Het verdient aanbeveling dit model te kontroleren en zo nodig te verbeteren door aanvullende experimenten

De grote verblijf tijd en de eis van turbulente stroming leiden tot een kanaal van 423 m lengte en een circulatietijd van 18.6 uur.Dit betekend dat in de airlift een grote concentratie CO

2 ingebracht ~oet worden en het LOK met glazen platen afgedekt moet worden om ~02-verlies naar de buitenlucht te voorkomen.Een meer gespreide beluchting van de cultuurflow in het LOK zou dit probleem kunnen ondervangen. Dit verdient nadere aandacht

•

•

•

•

•

•

7

•

•

•

I • • ~.

•

III

Vanwege de kleine afmeting van de algen (6 um) is centrifugeren de betrouwbaarste en meest efficiente oogst-methode,maar ook een dure. Een goed-koper alternatief zou zijn sedimentatie voorafgegaan door flokkulatie.Om hiervoor een ontwerp te maken moet er meer bekend zijn over het flokkulatie-gedrag en de methode hiervoor van algen.

Uit de kosten/baten beschouwing blijkt de produktie-eenheid absoluut onrendabel te zijn.De kosten stijgen ver uit boven de baten.De tegenvallende baten worden veroorzaakt door de lage lipidenprijs van fl1.10 per kg.

2

Bovendien is de algen-opbrengst per m land laag door de grote verblijf tijd voor lipidenophoping en het daaruit voortvloeiende ruimtebeslag.De FBR

~~~trijkt

25 m2 -odat de produktiekapaciteit 42 g/m2 dag is,dit is een goed

~

---

~

..,

resultaat in vergelijking v~rmeldingen in de literatuur (5-45 g/m~ dag)

2

De lipidenophoping,het-LOK bestrijk 425 m ,brengt de productie-kapaciteit terug tot 7

~

.GeZien

het lipidengehalte na de FBR van 20% en na het

2

LOK van 50% is roductie-kapaciteit van de FBR 8.4 gim dagen van de FBR en LOK same dag. Dit zal de baten onvoldoende verhogen ook al omdat de investeringen voor de FBR groter zijn dan voor het LOK.

De bulk van de kosten zijn de chemikali~n en de centrifuge. Voor het ~ zou, zoals al genoemd,een goedkoper alternatief de kosten kunnen

drukken. De chemicali~nkosten blijken ook aanzienlijkte zijn (41.000,- per jaar).Deze kosten kunnen aanmerkelijk teruggebracht worden indien de

effluentflow gerecirculeerd wordt naar de FBR om weer als cultuurvloeistof te gebruiken.Zo wordt voorkomen dat de fosfaatbuffer en de spore elmenten groten deels onbenut blijven.Om ophoping van verontreinigingen te voorkomen kan een deel gespuid moeten worden ..

Toch zal de som van deze maatregelen waarschijnlijknog niet voldoende zijn om de productie van algen met lipiden economisch rendabel te maken

tr "

C3?~

F8R

LÁ

•

2.

•

•

•

•

•

•

•

•

'

.

•

1 INLEIDING

Op elk moment van de dag krijgt de aarde een geweldig kado aangeboden, zonne-energie! Het is vooral via de land-en bosbouw dat de mens hiervan aktief gebruik maakt. Daarnaast wordt opportunistisch ingeteerd op de door de miljoenen jaren heen vastgelegde zonne-energie, de fossiele

brandstoffen. Sinds de rapporten van de Club van Rome en de energiekrisis in de jaren zeventig is men zich ervan bewust dat de konsumptie van

fossiele brandstoffen veel sneller gaat dan de aanwas ervan. Ook is men zich bewust geworden van de dreigende verstoring van de CO

2-balans op mondiaal niveau. Er wordt daarom naarstig gezocht naar andere energiebron-nen. Naast de snelle ontwikkeling van de omstreden kernenergie, wordt er ook gewerkt aan alternatieve, duurzame energiebronnen, zoals waterkracht, windkracht en zonne-energie.

Voor het benutten van zonne-energie staat ons onder meer een exploi-tatie van de fotosynthese tot beschikking. Hiermee kan door assimilatie van CO

2 de zonne-energie vastgelegd worden in chemische energie in de vorm van biomassa, eiwitten, vetten, koolhydraten en lipiden. Op dit moment wordt dit vooral gedaan middels land- en bosbouw, waarmee nog slechts 0,2

%

van de totaal op aarde ingestraalde zonne-energie benut wordt (lit.1). De produktiviteit van kultuurland is gemiddeld 1,1 à 4,1

ton/(ha.jaar) voor gewassen, terwijl het theoretisch maximum 318 toni (ha. jaar) is bij 6,6

%

benuttingsefficiency voor zonnestraling. Voor het verbouwen van suiker zijn opbrengsten van 140-190 ton/(ha.jaar) bereikt. Voor algenkweek op grote schaal wordt melding gemaakt van 91-164 ton/(ha. jaar) (lit.2).

Het verbouwen van algen heeft enkele voordelen boven het verbouwen van gewassen. De grote oppervlakte/volumeverhouding van algen geeft een snelle groei, niet fotosynthetiserende weefsels ontbreken, algen hebben een hoge voedingswaarde, er kan gebruik gemaakt worden van zeewater en de bodem hoeft niet bewerkt te worden. Een nadeel is het moeizame en kostbare oog-sten van de algen uit de kultuurvloeistof door de kleine afmetingen. Het grote struikelblok voor de ekonomische toepassing van algenkweek op grote schaal is echter vooral het ontbreken van een technologisch kader voor een efficient reaktorontwerp. In 1953 presenteerde Burlew (lit.3) een overzicht van de ontwikkelingen op ~et gebied van algenkweek waaruit produktieresul-taten blijken van 16 g/~m .dag)' bij een algenkoncentratie van 0,03-0,3 gil (Davis,lit

2

4), 3,5 g/(m .dag) bij algenkoncentratie 0,9 gil (Mituya,lit.5)

en 11 g/(m .dag) (Burlew,lit.6). ~helef en Soeder spreken in een ov

₂

rzicht uit 1980 (lit.7) van 15 á 30 g/(m .dag) met een ma~imum van 45 g/(m .dag). In 1983 maakt Cysewsk~ (lit.8) meldiY.g van 43 g/(m .dag) op laboratorium-schaal en 5 à 10 g/(m .dag) in kweek~ijvers/sloten. Het moge duidelijk zijn dat de ontwikkelingen niet snel gaan.

Laboratorium-experimente~ van Pirt (lit.1) hebben een produktiesnel-heid opgelever~ van 2,2 g/(m .uur), in een buitensituatie met 12 uur zon is dat 26 g/(m .dag) hetgeen ongeveer 94 ton/(ha.jaar) is. Dit resultaat is bereikt in een fotobuisreaktor (FBR). Tot nu toe werden slechts open-kanaalsystemen op grote schaal toegepast, de zogenaamde high rate algal ponds (HRAP) (lit.7). Het voordeel van Pirts gesloten buissysteem is dat het proces beter te kontroleren en sturen is, de kans op kontaminatie vermindert en het systeem

_._-

y .xi-jwel-overaL-waar de zon voL oende schijnt

~-

---toepasbaar is.

Om de meerwaarde van de algen te vergroten kunnen de algen gekweekt worden voor menselijke konsumptie. Deze toepassing heeft alleen in Azië

2

•

•

•

•

•

•

•

•

\

e

I

•

•

2

op redeli jke schaal doorgang gevonden. Dubinsky (lit.2) stelt lipidenpro-duktie door algen voor. In de literatuur worden enkele algen met een hoog lipidengehalte genoemd,

Botryococcus braunii

met tot 53

%

lipiden (lit.2)

en

C

hlorelZa pyrenoidosa

met tot 80

%

lipiden (lit.8). De lipiden kunnen

uit de algen gewonnen worden door middel van extraktie.

Lipiden is een verzamelnaam voor de met apolaire oplosmiddelen extra-heerbare' fraktie van een cel. Het omvat vooral verbindingen met lange vetzuurketens bijvoorbeeld veresterd aan glycerol. Lipiden worden vooral gebruikt in de voedingsmiddelen-industrie voor toepassing in konsumptie-produkten en daarnaast ook voor technische doeleinden als toepassing in kosmetika, zeep, oplosmiddelen en verven (lit.9). De huidige lipiden-markt wordt gevormd door plantaardige en dierlijke oliën en vetten. Naast genoemde toepassingen zouden de lipiden ook als (diesel)brandstof gebruikt kunnen worden.

Om het ekonomisch rendement te vergroten is naast produktie van hogere meerwaarde een geïntegreerde procesvoering een mogelijkheid. De CO

2 -behoefte zou gedekt kunnen worden door rookgassen van een bestaand ver-brandingsproces, in het proceswater en de nutrienten zou voorzien kunnen worden door een geschikte (industriele)afvalwaterstroom. In de V.S. zijn enkele waterzuiveringsinstallaties die met algen werken. Het gebruikte proceswater zou gebruikt kunnen worden voor irrigatie van land. In onder-staande figuur is een schets gegeven van een geïntegreerd proces.

riool/afval-water

+

]voorbehandeling

I

t· --.

medium ~p-I-g-en-k-w-e-e-k""l

t - -

cul tuurflow

""lo-o-g-s-t~e:"n""l

.. effluent -+-irrigatie

. , _ - algen

I---~' biomassa ipiden

In dit fabrieksvoorontwerp wordt een produktie-eenheid voor algen,met een hoog lipidengehalte beschreven, dit is het omkaderde deel van boven-staand geïntegreerd proces. Het proces bestaat uit drie fasen: algenkweek in een fotobuisreaktor; lipidenophoping in een kanalensysteem; oogsten van de algen met een centrifuge.

I "

,

! ! ;1 1

3.

•

•

•

•

~.

•

•

I

•

3 UITGANGSPUNTEN

Uitgangspunt bij het ontwerp is het kweken van algen met een hoog lipidengehalte. De hiervoor gekozen algensoort is

Chlorella

pyrenoidosa.

Voor deze algensoort is gekozen aangezien zij in staat zijn onder stikstof-limitatie 80

%

van hun drooggewicht aan lipiden te bevatten (lit.8).

Voorts heeft deze soort bij 25

°c

een der hoogste groeisnelheden ten aan-zien van andere algensoorten (lit.10).

Het voor algengroei essentiele zonlicht moet om de algen niet licht

-2

gelimiteerd te laten groeien minimaal een intensiteit van 89 W.m

hebben (lit.1). Wij gaan uit van klimatologische omstandigheden waarbij het zonlicht gemiddeld gedurende 12 uur per etmaal met een intensiteit

-2

van 250 W.m beschikbaar is (lit.11).

De gemiddelde samenstelling van

Chlorella

pyrenoidosa

is 45

%

C, 6

%

H, 10

%

N, 23

%

0 en 16

%

as (lit.3). De in deze samenstelling genoemde as bevat S, P, Ca, Mg en diverse sporenelementen. In welke hoeveelheden deze verschillende elementen aanwezig zijn is niet nader gespecificeerd. Op grond van bovengenoemde samenstelling gaan we uit van de volgende bruto-samenstelling, C H N 0

0 4' Op basis van een medium beschreven

1,7 0,2 ,

door Spoehr (lit.l0) beschouwen we de volgende nutriënten als essentieel voor algengroei, NH

4CI, KH2P04, MgS04, CaCl2 en FeCI2• De koolstofbron is

CO2 ·

We gaan ervan uit dat de lipiden uit de algen dezelfde kwaliteit hebben als de lipiden uit lijnzaad en aardnoten. Dit houdt in dat de lipiden

geschikt zijn voor technische toepassingen, zoals lijnzaadolie en gebruikt kunnen worden als substituut voor aardnootolie in voedingsmiddelen.

Het ontwerp is gebaseerd op Pirts fotobuisreaktor (lit.l) waarmee op

-2 -1

laboratoriumschaal algenproduktiesnelheden zijn gehaald van 2,2 g.m .u

-1

Op basis hiervan streven we naar een produktiekapaciteit van 90 ton.ha . jaar -1

4.

,

•

•

•

•

•

•

4 PROCESBESCHRIJVING

Het produktieproces voor algen met een hoog lipidengehalte valt glo-baal uiteen in drie onderdelen:

- algenkweek in een fotobuisreaktor (FBR) - lipidenophoping ineen kanalensysteem (LOK) - oogsten van de algen met een centrifuge

In een glazen fotobuisreaktor (Rl) wordt exponentiële groei van algen gerealiseerd. De algen bevinden zich in een kultuurvloeistof waarin

nutri-3 -1 enten en CO

2 opgelost zijn. De kultuurflow (flow 6, 0,83 m.u ) stroomt turbulent door de FBR om ervoor te zorgen dat alle algen optimaal belicht worden. Over de lengte van de buis neemt zo de algenkoncentratie toe van

-3 -3

0,2 kg.m tot 0,3 kg.m . De kultuurflow gaat na de FBR door een warmte-wisselaar (Hl) om te voorkomen dat de temperatuur in het systeem boven de 35

°c

uitkomt.

Om

de beginkoncentratie in de FBR in stand te houden wordt

3 -1 een groot deel van de kultuurflow gerecirkuleerd (flow 7, 0,55 m.u ), de uitgaande flow (flow 10, 0,28 m3.u-1) wordt naar het lipidenophopings gedeelte gevoerd. Bij de recirkulatieflow wordt vanuit een voorraadvat

3 -1

(V1) een mediumflow (flow 5, 0,28 m.u ) gevoegd.

Het kontinu rondpompen van de kultuurflow geschiedt door de airlift (Tl) als pomp te gebruiken. In de airlift wordt tevens CO

2 vanuit de met kool-zuurgas verrijkte luchtstroom (flow 3) overgedragen naar de kultuurvloei-stof. De luchtstroom wordt door een ventilator (M1) rondgepompt en het gewenste CO

2-gehalte wordt bereikt door bijmenging van CO2 en lucht (flow 1).

Om

drukopbouw te voorkomen wordt lucht gespuid (flow 2) .

Voor en na de FBR zijn aftappunten voor monstername voorzien. Tussen airlift en FBR zijn een flowmeter, een pH-meter en een CO

2-meter aangebracht om de proceskondities te kontoleren. Na de FBR is een loog-dosering (V2) geplaatst die

pH korrigeert.

gestuurd door de pH-meter na de FBR de In het lipidenophopingskanaal LOK (R2) produceren de algen onder stikstof-limitatie lipiden.Het lipidengehalte neemt in het kanaal toe van 8

%

tot 50

%

van de biomassa. De algenkoncentratie neemt hier toe van 0,95

-3 -3

kg.m tot 0,99 kg.m In de airlift worden de kultuurflow uit de FBR en de recirkulatieflow uit het LOK (flow 16, 4,25 m3.u-1) verrijkt met CO

2 volgens hetzelfde principe als bij de airlift voor de FBR. Ook hier

funk-3 -1 tioneert de airlift als pomp om de kultuurflow (flow 15, 4,54 m .u ) tur-bulent door het kanaal te laten stromen. Tussen de airlift (T2) en het LOK

•

•

•

•

•

•

I

•

'

.

I

•

5 zijn een CO

2-, pH- en flowmeter geplaatst om de proceskondities te kon-troleren. Aan het eind van het kanaal wordt een gedeelte van de

kultuur-3 -1

flow afgetapt en naar het oogst-gedeelte gevoerd (flow 18, 0,28 m.u ), de rest wordt teruggevoerd naar de airlift. Het LOK bestaat uit betonnen goten en is afgedekt met glazen platen.

De uit het lipidenophopingskanaal afgetapte flow wordt naar een centri-fuge gevoerd (M3) waarin de algen uit de kultuurvloeistof gewonnen worden.

-3

De ingaande flow heeft een algenkoncentratie van 1 kg.m (0,1

%

ds.). -3

Deze wordt ingedikt tot 25

%

ds (250 kg ds.m .) en de massastroom is

-1

0,25 kg ds.u (flow 19). De ingedikte algenmassa wordt verzameld in een kontainer (V3) en is gereed om verwerkt te worden in een lipiden-extraktie.

-3

Het effluent heeft nog een algengehalte van 0,1 kg.m en de flow bedraagt

3 -1

0,27 m.u (flow 20). Deze stroom wordt verzameld in een vijver en kan gebruikt worden als irrigatiewater.

In de nacht treedt geen groei op van algen , maar er is zuurstof nodig voor de respiratie door algen. Daarom wordt ook 's nachts de kultuurflow rondgepompt met de airlift. Deze recirkulatie dient ook om te voorkomen dat de algen bezinken. Er wordt echter geen produkt afgevoerd uit het LOK en dus ook geen kultuurvloeistof van de FBR naar het LOK gevoerd en geen medium aan de FBR toegevoerd. Om te voorkomen dat al het CO

2 uit de kul-tuurvloeistof verdreven wordt wordt de airlift 's nachts met dezelde gas-samenstelling als overdag bedreven.

Als het proces opgestart wordt moeten eerst de gewenste algenkoncen-traties bereikt worden voordat er produkt afgetapt wordt. Dit gaat in twee fasen. Eerst wordt de FBR gevuld met medium waaraan een algen-ent toege-voegd wordt. De kultuurflow wordt net zolang in de FBR rondgepompt totdat de gewensrealgenkoncentratie bereikt is. Vanaf dan wordt een gedeelte afgetapt naar het LOK en wordt vers medium toegevoegd. In het LOK wordt de algenflow uit de FBR bij een rondcirkulerende mediumflow gevoegd. Deze Deze flow kan zo klein genomen worden dat nog juist een goede cirkulatie door de airlift mogelijk is. Zolang de vloeistofdiepte in het kanaal nog geen twintig centimeter is wordt er nog geen flow afgetapt. In de periode dat het LOK vol loopt (19 dagen) wordt de gewenste algenkoncentratie op gebouwd. Vervolgens wordt ook vanuit het LOK afgetapt. Aanvankelijk zal het lipidengehalte niet aan de gestelde waarde voldoen (50

%)

omdat daar-voor een verblijf tijd van 300 uur nodig is. In een later stadium (na totaal

•

•

•

•

-

.

•

6

25 dagen) wordt dit gehalte bereikt.

Overbelichting in geval van sterk zonlicht zal naar we mogen aannemen in het LOK niet tot negatieve effekten leiden. Voor de in de literatuur (lit.7) beschreven produktie systemen die ook met kanalen werken, wordt hierover niets vermeld. Schadelijke gevolgen kunnen wel optreden bij de FBR omdat deze op intensieve belichting ontworpen is. Daarvoor kan een zonwerende voorziening aangebracht worden van schermen die in voorkomende gevallen boven de FBR ontrold worden, zodat de lichtintensiteit geredu-ceerd wordt.

Algengroei aan de buiswand kan de lichtintensiteit sterk verminderen. Pirt (lit.1) vermeld dat onder goede proceskondities (nutiënten, turbu-lente flow) geen wandgroei werd waargenomen. Als er sprake is van wand-groei dan is dit meestal het gevolg van sterk ongunstige proceskondities. Een goede kontrole hierop zal wandgroei voorkomen, anderzijds zal wand-groei een aanwijzing kunnen zijn voor gebrekkige proceskondities.

Ophoping van verontreinigingen wordt in principe voorkomen door toe-voer van schoon medium en aftoe-voer van kultuurvloeistof (effluent). Mochten er toch verontreinigingen ophopen dan zal een extra deel van de recirku-latieflows gespuid moeten worden en extra schoon medium toegevoerd. In geval van ernstige mikrobiële verontreinigingen met negatieve gevolgen moet het proces gestopt worden en de procesapparatuur schoongemaakt. Kompartimentering is mogelijk door de FBR en het LOK apart en naar keuze te behandelen.

Het hier besproken systeem is beperkt van omvang. Het geheel is op basis van dezelfde principes in produktie-kapaciteit op te schalen door eenvoudig_ het aantal FBR's te vermenigvuldigen. Opschalen van de FBR leidt tot zeer dunne buizen, lage algenkoncentraties of lange cirkulatietijden met evenrearg grote CO

2-behoefte. De bijbehorende airlift kan wel

opge-schaaid worden en dan meerdere FBR's bedienen. Ook voor het LOK geldt dat opschalen problemen geeft met de CO

2-behoefte, bredere kanalen of meerdere

kanalen parallel zijn geschikte mogelijkheden voor opschalen. Voor de centrifuge kan naar behoefte een grotere genomen worden.

•

5.

•

•

•

•

•

•

•

•

7 PROCESKONDITIES

In dit hoofdstuk worden de proceskondities geformuleerd en worden de theoretische modellen beschreven voor algengroei, lipidenophoping, CO

2 -overdracht en airlift ontwerp.

In de fotobuisreaktor vindt exponentiele groei van algen plaats om zo snel mogelijk algen-biomassa te produceren. Pirt (lit.l) heeft een groei-model voor algenproduktie ontwikkeld en de waarde van de verschillende

parameters experimenteel bepaald. Dit model is geschikt voor het ontwerpen van de FBR. In het model zitten de volgende aspekten verwerkt:

- groeisnelheid van algen, lichtbehoefte voor groei, - CO

2-behoefte voor groei.

De groeisnelheid van de algen is bepalend voor de tijd die nodig is om een bepaalde algenkoncentrate-toename te realiseren. Voor een

buis-reakto~ bij tie va t /

benadering ideale propstroom volgt deze tijd uit

integra-r x

n

dxldt

=

11.X ---:? hetgeen resulteert in 1/11 . ln(I+6x

Ix

)

f f,O (5.1.1) (5.1.2)

De waarde voor de specifieke groei snelheid 11 is door Pirt bepaald op -5 -1

6,1.10 s

-8 -1'

De lichtbehoefte voor groei Y

l is door Pirt bepaald op 1,6.10 kg.J Deze yield heeft betrekking op de maximaal benutbare lichtintensiteit ~I ,

o

-2

volgens Pirt is dat 38,4 W.m ,~is hierin de voor fotosynthese geschikte

-2

fraktie van het zonlicht, zodat I 89 W.m is. Is de opvallende lichtin-o

tensiteit groter dan deze waarde dan wordt het meerdere niet benut en daalt de schijnbare yield. Voor het ontwerp wordt gerekend met de maximaal

benutbare lichtintensiteit en gegeven yield. Op basis hiervan valt een

•

•

•

•

•

I

.

I

.

•

-

.

~

•

8

relatie voor de straal van de fotobuisreaktor af te leiden. De op de FBR

ingestraalde hoeveelheid benutbare lichtenergie is,

E

=

<PI

I 0

Deze moet de lichtbehoefte voor algengroei 6x

f dekken,

6~. V f / Y_I

Uit gelijkstelling volgt voor de straal van de FBR , met voor de volume/oppervlakteverhouding van de FBR,

V a Vf / Af

=

rf (5.1.3) (5.1.4) (5.1.5) (5.1.6)

In het voorgaande is met betrekking tot de yield op licht aangenomen dat deze nauwelijks negatief be invloed wordt door respiratie van algen die in het donker zitten. Deze aanname is toegestaan als de stroming van de kultuurflow door de buis turbulent is zodat alle algen regelmatig in kontakt komen met de lichtstraling, waardoor zij een hoeveelheid licht-energie op kunnen nemen waarmee de fotosynthese voor korte tijd bedreven wordt (intermiterende belichting, lit.6 ). Hieruit volgt de proceskonditie dat de flow door de buis turbulent moet zijn, aannemende dat dit tevens voldoende menging inhoudt. Dus Re

=

2000 en voor de vloeistofsnelheid,

Re .

n

p . r

f

(5.1.7)

Tenslotte volgt de lengte van de buis uit het produkt van v

f en tf aangezien we stellen dat 6x

f gerealiseerd wordt in één cirkulatie door

de FBR,

(5.1.8)

De CO

2-behoefte is via de groeiyield op CO2 Yc te berekenen uit de gewenste algenkoncentratietoename,

•

•

I

.

•

I

.

•

'

.

•

9 (5.1.9)

In figuur 5.1.1 staan de bovenstaande relaties en de onderlinge beïnvloeding in een blokschema. Hieruit blijkt dat een vergroting van

6

x

f leidt tot een kleinere straal en dat een hogere algenkoncentratie x

f

,

0 tot een kortere cirkulatietijd en dus een kleinere straal.

Re

n

p

~ ~ ~

Lf

n

Re

----

=

v f tf ~

....

vf

=

r

..

f p

...

.

~ A~

-

tf

=

1/f.! ln(l +

6x

f

/x

f 0)

-

rf

=

<PI Yl tf /

6x

f

-

,

-

0

t

t

f.!

6x

figuur 5.1.1 Algengroeimodel in blokschema.

..

• 10

•

•

•

•

•

I

.

•

~.

•

Voor het opstellen van het lipidenophopingsmodel gaan we uit van algen-groei in drie fasen. Deze fasen zijn achtereenvolgens een exponentiele algen- groei-fase, een lineaire groeifase en een stationaire groeifase (lit.7).

De exponentiele groeifase treedt alleen op indien voldoende licht, CO 2, stikstofbron en overige nutriënten voor de algen beschikbaar zijn. De bio-massa zal in deze fase exponentieel toenemen en hierin zal een vast percentage stikstof en lipiden aanwezig zijn. In het voorliggende ontwerp zal de exponentiele groeifase in de fotobuisreaktor gerealiseerd worden.

De lineaire en stationaire fase vinden beide in het kanalenstelsel plaats. Beide groeifasen treden op onder stikstoflimitatie, dus door het kreëren van een laag stikstofgehalte in de kultuurvloeistof gaat de expo-nentiele groei over in lineaire en later stationaire groei. De lineaire fase is de groeifase waarin de biomassa lineair toeneemt. Het in de bio-massa aanwezige stikstof dient als stikstofbron. Het onder zonlicht

• 1

geassimileerde CO

2 wordt dan gedeeltelijk in celmateriaal en gedeeltelijk in lipiden vastgelegd. Op het moment dat de algen een minimale hoeveel-heid stikstof bevatten gaat de lineaire groei over in stationaire groei.

In deze fase wordt prakties al het geassimileerde CO

2 in lipiden vastge-legd, er kunnen geen nieuwe algen meer geproduceerd worden aangezien de hoeveelheid stikstof hiervoor onvoldoende is.

Met de volgende gegevens voor experimenten met

Chlorella

pyrenoidosa

(lit.7) hebben we een kwantitatief groeimodel opgesteld.

na exponentiele groei

na lineaire groei (8 dagen)

%

N

%

lipiden 7,4 3,1 14,4 35,8 -3

Na exponentiele groei stellen we de algenkoncentratie op x kg.m ,voor de N-koncentratie betrokken op de vloeistof geldt dan,

-3 a

=

x . 0,074 kg.m

en voor de lipidenkoncentratie betrokken op de vloeistof,

•

•

•

•

•

•

•

•

•

-3 y = x . 0,144 kg.m 11

Uit de gegevens volgt dat na 8 dagen N-limitatie de hoeveelheid stikstof in de algen de minimum waarde van 3

%

heeft bereikt. Omdat de algen in een stikstof arm medium verkeerd hebben mag aangenomen worden dat er geen N uit het medium is opgenomen, zodat de stikstofkoncentratie a onveranderd verondersteld kan worden. We stellen de algenkoncentratie na 8 dagen li-neaire groei x I kg.m -3 waavan 3,1

%

stikstof en 35,8

%

lipiden is, zodat

x' = a / 0,031 kg.m -3 en y' = X' 0,358 = a 0,358 / 0,031 kg.m -3

In 8 dagen zijn dus de volgende toenamen gerealiseerd voor respektievelijk -3

biomassa, lipiden en celmateriaal van 18,8.a, 9,S.a en 9,2.a kg.m Dit een produktiesnelheid voor algenbiomassa r '=O,l.a

x resulteerd in

-3 -1

kg.m .u , voor lipiden r ,= 0,05.a kg.m-3.u-1 en voor celmateriaal

1

rm~=

0,05.a kg.m-3.u-1 . De CO

2-assimilatiesnelheid is te bepalen met de lipiden/C0

2-yield en de celmateriaal/C02-yield. Het molgewicht van de alg

-1

bedraagt 25 g.c-mol , _{0,568 is. (Ymc )} Wanneer we voor lipiden een gemiddelde samenstelling nemen van C

60 Hl16 Os

-1

vetzuren) dan is het molgewicht 932 g.mol zodat de yield van celmateriaal op CO

2 (glycerol met drie veresterde C18

-1

ofwel 15,5 g.c-mol . Aannemende dat één gassimileerde CO

2 leidt tot één c-mol lipiden volgt hieruit dat de lipiden yield op CO

2 0,35 g.g-l is.(Ylc) De CO

2-assimilatiesnelheid in de lineaire fase volgt uit, r = 0,225 . a

c

-3 -1

kg.m .u

zodat,

Het enige verschil tussen lineaire en stationaire fase is dat dat er in de stationaire fase alleen lipiden worden gevormd en geen celmateriaal. Het fotosynthese-apparaat van de algen blijft in omvang gelijk, op basis hiervan stellen we dat de CO

2-assimilatiesnelheid in beide fasen gelijk is. Uit de CO

2-assimilatiesnelheid kan met de lipiden yield op CO2 de

lipiden-I "

produktiesnelheid in de stationaire fase berekend worden. Dus r = r

-3 c c

rï = r~ . Y

•

•

I

.

•

•

•

I

•

•

~.

12

Op basis van bovenstaand model zijn samenvattend de volgende groei-, produktie- en konsumptiesnelheden

-

lineaire fase, algengroeisnelheid celmateriaal-produktiesnelheid lipiden-produktiesnelheid CO 2-konsumptiesnelheid

-

stationaire fase lipiden-produktiesnelheid CO 2-konsumptiesnelheid afgeleid: r' x

=

0,1 r' 0,05 m r'

=

0,05 1 r'

=

0,225 c r"

₌

0,08 1 r"

=

0,225 c a a a a a a (5.2.1) (5.2.2) (5.2.3) (5.2.4) (5.2.5) (5.2.6)

Op grond van deze waarden en het stikstof-en lipiden-gehalte in algen na de exponentiele groei (resp.

Y

n en

Y

l) kunnen de tijdsduur van en de algenkoncentraties na de lineaire en stationaire groeifase berekend worden. De algenkoncentratie in de uitgaande FBR flow en het N-gehalte bepalen de faktor a,

(5.2.7)

Omdat de lineaire groei voortduurt tot het N-gehalte in de algen 3

%

is, geldt voor de algenkoncentratie na de lineaire groei,

x' a I 0,03 (5.2.8)

en voor de tijdsduur van de lineaire groei,

6t '

= 6x'

I r~

=

(a/0,03 - x

f,l) I (o,l.a) (5.2.9)

Het lipidengehalte na exponentiele groei wordt op basis van literatuur gegevens (lit.3,7) geschat op 20

%,

zodat voor de lipidenkoncentratie betrokken op de kultuurvloeistof geldt,

y

=

0,2 . x f

,

1

Na de lineaire fase is dit,

y' y + 6y'

=

O 2 x

_{, . f 1} + _u At' _.

r'

₁

,

(5.2.10)

-I

-•

•

•

•

'

.

•

~.

13

Het lipidengehalte na de stationaire groei is, 6y" + y' r" 6t" + y'

Y

"

= =

_r~

(5.2.12)

1 6x" + x' 6t" + x'

1

Hieruit volgt bij gesteld lipidengehalte de stationaire groeitijd,

6t" = y' - x' .

y"

rï . (Yï -

1)

En de algenkoncentratie na de stationaire groei is, x"

=

x' + 6x" x' + r" . 6t"

1

(5.2.13) ( 5.2.14)

I

.

•

•

•

•

•

•

•

I

I

-~.

14 5.3 De airlift

De airlift wordt voor twee doeleinden gebruikt. Deze zijn enerzijds het overdragen van CO

2 van de gasfase naar de vloeistoffase en anderzijds het turbulent rondpomp en van de kultuurvloeistof door de FBR. Hiertoe wordt met CO

2 verrijkte lucht door de vloeistof in de airlift kolom geblazen. Voor de overdracht van CO

2 van de gas naar de vloeistoffase is de spe-cifieke overdrachtskoëfficiënt van belang. Voor zuurstof geldt de volgende relatie met de superficiele gassnelheid (lit.12),

= 0,32 . v 0,7. Hieruit volgt de kla voor CO

2 volgens,

g,s (D

CO / DO )0,5 . kla(02) . Met voor de diffusie-koëfficiënten

2 2

-9 2 -1 -9 2 -~

D van CO

2 en 02 resp. 1,6.10 m.s en 2,3.10 m ,s zodat vOQr CO2'

=

0,27 . v

g,s

0,7 _(5.3.1)

De overdrachtstijd T welke nodig is om de vloeistofstroom de airlift in

o

met CO

2-koncentratie Cl,i op een CO2 uitgangskoncentratie van CI,u te brengen volgt uit de differentiaalvergelijking,

~=

d t k I a . (C 1

* -

C ) I (5.3,2)

*

Hierin is Cl de CO

2 verzadigingskoncentratie in de vloeistof behorende bij een bepaalde CO

2 gaskoncentratie. Bovenstaande differentiaalvergelij-king dient voor twee gevallen opgelost te worden, te weten:

- Het geval waarbij C

l

*

over de airlift konstant is. Dit is zo als de gasverblijftijd zo kort is dat de CO

2-koncentratie in de gasfase nauwelijks afneemt.

Het geval waarin C

l

*

niet konstant is over de airlift. Dit is het geval als de CO

2-koncentratie in het gas wel aanzienlijk verandert.

*

Het oplossen van de differentiaalvergelijking voor konstante Cl '

cr

1

z;,

C dCl = k l a [ dt C !f _ /' 1 1 0

, integreren geeft voor de overdrachtstijd,

~i _C

_*

_{- C} 1 ln( 1 l.u T = _{C !f} ) 0 _kla - C 1 l , i (5.3.3)

•

•

1

.

•

•

•

•

•

•

•

•

I

i 15

Voor het oplossen van de differentiaalvergelijking bij niet konstante ClK dient eerst een CO

2 balans over de airlift opgesteld te worden om ClK als funktie van Cl te krijgen.

!3_g , C g,u

-91

1

,

C l,u C _Cl g 1 !3

,

C

g,i.

~

91

1

,

Cl . g ,1

•

Uit bovenstaande figuur volgt voor de CO

2 balans over de airlift met Cl,i

=

°

C .

g,1 Cl . . Het is bekend dat C K = C ,1 1 g

1

H (wet van

Henry), zodat Cl . -K

(91

191 ) .

(Cl/H) . Wanneer we dit in vgl (5.3.2)

,1 1 g

substitueren dan volgt daaruit de differentiaalvergelijking,

~=

d t Substitueer F =

_<Si\/!3

_g t=O, Cl . en t=T _{,1 0 ' Cl ,u '} K Cl . 1 ln(

!il

T F 0 _{kla Cl .} ,1

-1 - + 1) H 1/H + 1) en zodat voor C F l,u ) F _{Cl .} ,1 C ) 1

integreer tussen tussen de de overdrachtstijd geldt, De overdrachtshoogte H is vervolgens als volgt gedefinieerd,

o

met vI de superficiele vloeistofsnelheid in de airlift, 2

91

1

1

(0,25 . TI . Ta . (1 - E»

De hold-up E is hier gelijk aan (lit.12),

(5.3.4) grenzen (5.3.5) (5.3.6) (5.3.7) (5.3.8)

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

.

•

I - - - -- - -- - - - -- - -- - - -16 -1 De bellenstijgsnelheid v

b wordt op 0,25 m.s gesteld. De vloeistof-cirku-latiesnelheid v is een funktie van de diameter van de airlift en de

l,c

superficiele gassnelheid (lit.12),

v

l,c 0,9 . (T a . g •

v

g,s )1/3 (5.3.9) Met bovenstaande vergelijkingen is het mogelijk een airlift voor een gewenste CO

2 overdracht te ontwerpen. Wanneer de diameter van de airlift T en v gekozen worden kan de hoogte van de airlift berekend worden.

a g,s

De keuzes van T en v zijn niet geheel vrij aangezien voor een goede a g,s

airlift-pomp werking aan een extra voorwaarde voldaan moet worden. Dit is de vvm-waarde die tussen 1 en 2 moet zijn. De definitie van vvm luidt als volgt,

volume gas vvm

volume vloeistof . minuut vvm =

----~~g~---­

(1 - E:) . V a waarin ~ g 2 =

i_TI.T

a v g,s . 60 3 -1 m .min. en V a zodat, 2 = i.lT.T a H a (5.3.10) 3 m .

De pompwerking van een airlift berust op het volgende. Doordat er in de airlift gas wordt geblazen zal er tussen de onderkant van de stijgbuis (airlift) en de onderkant van de valpijp een drukverschil heersen. De foto-buisreaktor bevindt zich tussen deze twee punten (zie fig. 5.3.2). Het drukverschil tussen punt 1 en 2 moet groot genoeg zijn om de kultuurflow turbulent door de buis te laten stromen. De druk op punt 1 P1=Po+P

1.g.Hc en de druk op punt 2 p =p +p 2.g.H en aangezien P1=p2.(1-E:)=P is, 2 0 c w t.p a (5.3.11) l

I

r - ï

!

f

!

~

LJREAK-

U

~ i /. - TOR. , ::( • ~

~

•

•

•

I

-I

•

I

i

&

•

•

•

17

Dit door de airlift gerealiseerde drukverschil moet groter zijn dan de drukval over de reaktor (FBR of LOK). Deze drukval is gelijk aan het druk-verlies door wrijving, ~p - A •

p.

A is de energiedissipatie in het

r wr w wr

reaktorsysteem ten gevolge van friktie in de buis cq het kanaal f en in de bochten en appendages k , w A

=

f .

v .

L /

r

+ L (k wr w 2

.

! .

v )

(5.3.12)

De hoogte van de airlift die nodig is om de vloeistof door de reaktor te pompen H is dus,

c

H

c A wr / (E . g) (5.3.13) Het vermogen dat de airlift moet leveren om de vloeistof rond te pompen is het vermogen dat nodig is om de rond te pompen vloeistofstroom van de hoogte 0 tot de hoogte van de airlift te brengen. Dit vermogen is,

p

a (5.3.14)

Dit vermogen wordt geleverd door het ingeblazen gas en door het stuwvermo-gen van de recirkulatieflow,die immers van de koogte H komt stromen en

a

waarvan nog niet al het vermogen gedissipeerd is in de buis cq het kanaal indien de airlift voor de CO

2 overdracht hoger moet zijn dan voor het rond-pompen nodig is. Het vermogen van de recirkulatiestroom is het vermogen vóór de reaktor minus het vermogensverlies in de reaktor,

p

r (p r . g .

H -

a

P

r

. A )

wr ~r (5.3.15)

Het vermogen dat geleverd wordt door de isotherme expansie van gas van druk p tot atmosferische druk p is als volgt gedefinieerd,

o p

g (5.3.16)

Hierbij dient aangetekend te worden dat voor het overbrengen van vermogen van de expanderende gasstroom naar de vloeistofstroom een efficiency-faktor

e

n

optreedt waardoor het effektieve vermogen van de gas flow P

=

n

g P g .

en

n

en vgl 5.3.16 de druk van de gasflow p aan de Zodat met P

=

P + pe

a r g

•

•

•

:

.

!

-I

.,

'

.

I

/

.

•

Ta---+ v ~g,S kla=0.27.v g,s 0.7 vl=<P_I/(0.25.n.Ta.(1-E»

<PI~

~---~

v

g~1

vb----t E=v /(v -v ) g,s b l,c

t

v g,s--+ vI =0.9(Ta.g.v ) Ta--+ ' c g,s 17a Cl o!{-F.C_I ,1 ,u To=l/(kla.F).ln(C -F C I i!{ . l , i ) Ho=vl.TO

---t.--

_Ho v.v.m.=$g/(l-El.Va

'I~

v.v.m.

t

<P

=f.n.Ta2.v .60

I

4

Ta g g , s 0 " ' " " ' " -~~~----~---- ~v g,s • Ta Va=!.Ti.Ta.Ho ~

'---~----~

~

Ho

,--_A_w_r_=_f_._V_.

-:-1/_r_+-:-~_k_W_.

_!_.

v _ _

----t~~--I

He=Awr / (E . gl

1_

He

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

~--- - - - -- - - - _ . -18

In het donker zullen de algen zuurstof verbruiken om door respiratie te voorzien in hun maintenance-energie. De maintenance-snelheid b is 0,005

-1

à 0,01 uur (lit.13). De respiratie-snelheid m

02 volgt met de yield op zuurstof Y02 = 0,65 kg ds.kg °2-1 uit (lit.1),

b / Y

02 (5.4.1)

-6 -1

zodat m

02 bij benadering 4.10 s is. Vervolgens volgt de zuurstof-konsumptiesnelheid r 02 u i t , r 02 = m02 . x (5.4.2) -3 met

x

de algenkoncentratie. In de FBR is

x

f=0,25 kg.m (gemiddelde waarde -6 - 3 - 1 over de lengte -3 x k=l kg.m van de FBR) en dus r 02=1.10 kg.m .s . In het LOK is -6 - 3 - 1 en r 02=4.10 kg.m .s

In de FBR met een cirkulatietijd van 1,8 uur moet 's nachts de kultuur--3 vloeistof aan het begin van de buis een zuurstofgehalte van 0,006 kg.m hebben om zuurstof gebrek te voorkomen. De gasflow door de airlift bestaat voor 16

%

uit 02 ' de daarbij behorende evenwichtskoncentratie 02 in de

-3 1

kultuurvloeistof is 0,006 kg.m . Dit is juist voldoende om de zuurstof-behoeft te dekken.

In het LOK met een cikulatietijd van 18,6 uur zal zeker niet voldoende 02 in de kultuurflow opgelost zijn na de airlift. Ook het gebruik van lucht

K

of zelfs zuiver zuurstof zal geen oplossing bieden ( e

02 resp. 0,008 en 0,04 -3

kg.m ). Bovendien verdient het aanbeveling ook 's nachts de airlift met met e0

2 verrijkte lucht te bedrijven zodat in de kultuurflow voldoende e02 aanwezig blijft om geassimileerd te worden zodra het weer licht wordt. In-dien we het e0

2 uit de kultuurflow zouden verdrijven door gebruik van lucht dan zou de situatie zich voordoen dat in grote delen van het kanaal de vloeistof geen e0

2 bevat terwijl de algen weer belicht worden. Deze situatie ontstaat doordat de flow slechts om de 18,6 uur door de airlift stroomt. Dit probleem voor de zuurstof-voorziening vindt zijn oplossing in de dif-fusie van 02 uit de lucht boven de vloeistof naar de vloeistof,

oplosbaarheid O

2 bij 25 oe en Po is 12,6 . 10-4

•

•

•

•

•

•

•

: I

I

I

.

I

i

.

I

19 OTR (5.4.3) -4 -1

met bij benadering voor een oneindig grote bel k

l=3.10 m.s (lit.12) en -1 -3 -1

A=5 m ,zodat ~Sa=1,5.10 s . Stel de zuurstof-koncentratie in de vloei-stof C

O2=0 kg.m en de evenwichtskoncentratie voor zuurstof in de vloeistof is bij 15

% O

2 in met CO2 verrijkte lucht, 0,006 kg.m-3

, zodat dan OTR -6 -3 -1 -6 - 3 - 1 9.10 kg.m.s Dit is groter dan de r

02 (=4.10 kg.m .s ) zodar er

K

een waarde voor C

O2 tussen nul en CO2 is waarvoor de zuurstof-transport-snelheid over het vloeistofpooervlak gelijk is aan de zuurstof-konsumptie-snelheid.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

20 5.5 Medium

De funktie van het medium is te voorzien in de nutriënten-behoefte, de behoefte aan spore-elementen eneenbufferweking om verzuring door

+ toevoegen van CO

2 en het konsumeren van

NH

4 tegen te gaan. De verzurende

+ . +

werking van de

NH

4-konsump t1e berust op het feit dat voor elk

NH

4-ion dat door de algen verbruikt wordt een H+-ion ontstaat. Dit is analoog aan de waarneming dat voor elk gekonsumeerd N0

3,al g en een OH in de kultuurvloei-stof brengen, bovendien doseert Pirt (lit.1)

NH:

als

NH

40H evenredig aan de pH-daling.

Voor de stikstof-behoefte wordt uitgegaan van de brutosamenstelling van de algen, C H

1,7 NO,2 00,4' Per c-mol algenproduktie is de stikstof-konsumptie 0,2 mol, omgerekend is per gram algenproduktie de

NH

4 CI-kon-sumptie 0,47 gram. Spoehr en Milner (lit.10) nemen een ondergrens voor de N-koncentratie waarbij nog geen sprake is van N-gelimiteerde groei van

-3

0,001 M. Voor

NH

4CI betekent dat 0,054 kg.m , dat is dus de minimaal toe-laatbare ammoniumchloride-koncentratie aan het eind van de

FBR

(C 1)' Aan

n,

het begin van de

FBR

dient de

NH

4CI-koncentratie te zijn,

C

n,O C n, 1 + 0,47 . 6xf (5.5.1)

Uit een

NH

4CI-balans over de

FBR

volgt de koncentratie

NH

4CI in het vers toegevoerde medium. li'f

_,

air-..

J I l i f t

FBR

I C _li'f

•

•

li' i n,i

_,

C C f, u n,O n,l

-li' _f,r

NH

4C1-balans: li'f ,1 . C n,i + li' f,r C n,l li'f C n,O (5.5.2)

omwerken met: _{li'f .} = _li'f (1

-

_{x f o/xf 1)} (5.5.3)

,1

,

,

en 121 = _{li'f X} f 0

/

x f 1 (5.5.4) f,r

,

,

geeft: C = 0,47 _{x f 1} + C (5.5.5) n,i

,

n,l

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

21 -3

Voor de in de FBR gerealiseerde groei van 0,1 kg.m en een algenkoncen--3

tratie van 0,3 kg.m FBR, volgt voor de begin NH 4 Cl-aan het eind van de

-3

koncentratie C 0=0,1 kg.m envoor het NH

4CI-gehalte in het toegevoerde

n, -3 medium C .=0,2 kg.m

n,1

Naast een N-bron zit in de kultuurvloeistof fosfaat voor groei en bufferwerking. De mate van fosfaat-konsumptie is niet bekend. Op basis van 3

%

as voor de algensamenstelling en stellende dat dit allemaal fosfor zou zijn, is de elementair-samenstelling 0,03 mol P per c-mol alg. Op basis hiervan zou de P-konsumptie 0,0013 mol per gram algenproduktie zijn. Dit is door de aannamen een hoge schatting. De bufferwerking is gewenst om verzuring van de kultuurvloeistof door het oplossen van CO

2 tegen te gaan.

-3 Als zonder buffer 0,18 kg.m CO

2 opgelost wordt zoals in de airlift voor

de FBR, dan is volgens Umbreit 99% als CO

2 in de oplossing en 1% als HC03. -5 +

Hierdoor zou dus 4.10 M H gevormd worden, een pH-daling van 4,4. Een

2-bifosfaatbuffer van 0,01

M

HP0

4 en 0,0 1

M

H2P04 met een pH van 7,2

beperkt de pH-daling tot ongeveer pH 6,9. Tijdens de groei in de FBR wordt CO

2 gekonsumeerd waardoor het evenwicht CO2 + H20

~

HC03 + H+ naar links verschuift en dezelfde hoeveelheid H+ weer weggenomen wordt. Omdat er ook

+

nog H ontstaat door de konsumptie 2-

-+

van NH

4 (0,0009 M), zal de verhouding HP0

4 /H2P04 niet volledig hersteld worden. Om te voorkomen dat de

buffer-werking op den duur afgebouwd wordt doordat steeds meer H

2P04 ontstaat,

wordt er een loogdoseringssysteem voor NaOH geïnstalleerd aan het eind van de FBR die gestuurd door een pH-elektrode bij pH lager dan 7,2 loog inbrengt.

De afname van fosfaat door de konsumptie (0,00013 M) wordt gekompen-seerd door fosfaat via het medium toe te voeren. Het fosfaat-gehalte in het toe te voeren medium volgt uit een fosfaatbalans,

~f _,1 . . C _p,1 . + ~ _f,r . C _p, 1

=

~f C

p,O (5.5.6)

en met als fosfaat-bron KH

2P04 (MW=136) en dus een konsumptie van 0,18 g KH

2P04 per gram algenproduktie, zodat,

(5.5.7) geeft met 5.5.3 en 5.5.4 na omwerken,

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

22 Cp,i = 0,18 . xf,O + Cp,O

-3 Dus met 6x f=0,1 kg.m , -3 C 1=2,70 kg.m p, -3 x f _, 0=0,2 kg.m _-3 en C .=2,74 kg.m p,1 (5.5.8) -3 en C 0=0,02 M =2,72 kg.m wordt p,

Rest nog enkele nutriënten en spore-elementen waarvan de konsumptie kwantitatief niet bekend is. Pirt (lit.1) heeft in zijn medium een magne-siumsulfaat-gehalte van 0,006 M en een calciumchloride-gehalte van 0,001 M en voorts nog een oplossing van verscheidene metaalzouten die evensnel als de stikstofbron toegevoegd wordt. Van deze metaalzouten wordt door Spoehr en Milner (lit.10) aleen het ijzerzout gebruikt. Wij zullen aan het medium ook alleen het spore-element FeCl

3 toevoegen.

Komponent Gehalte in kul!~ur- Gehalte i~3medium

vloeistof kg.m kg.m NH 4CI 0,1 0,2 KH 2P04 2,72 2,74 MgS0 4 0,73 0,73 CaCl 2 0,11 0,11 FeCl 3 0,06 0,06

tabel 5.5.1, samenstelling van kultuurvloeistof en medium. Voor MgS0

4, CaCL2 en FeCl3 moet een bepaald gehalte in de kultuurvloeistof gehandhaafd blijven. Omdat niet bekend is hoeveel van deze komponenten ver-bruikt wordt door de algengroei,wordt in eerste instantie het gehalte aan deze stoffen in de mediumtoevoer hetzelfde genomen als in de kultuurvloei-stof. In de praktijk zal dan moeten blijken met hoeveel de medium-koncen-tratie verhoogd moet worden om de konsumptie te kompenseren.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

23

De temperatuur in de fotobuisreaktor zal door diverse faktoren op kunnen lopen: straling, konvektie, reaktiewarmte en wrijving.

De hoeveelheid straling die de opwarming veroorzaakt (1 ) is de totale w

stralingsintensiteit die op de buis valt (1 ) verminderd met de gereflek-zon

teerde straling (1 f) en de straling benut voor fotosynthese (1 ),

re fs

I

=

I - 1 - 1

w zon ref fs (5.6.1) Voor de intensiteit van het zonlicht nemen we 250 W.m -2 (lit.11), we stel-len dat hiervan ongeveer 10

% gereflekteerd wordt. Voor fotosynthese wordt

-2 -2

89 W.m gebruikt, zodat voor opwarming 136 W.m resteert. De warmteflow naar de reaktor ten gevolge van straling is,

(5.6.2)

2

Met het oppervlak van de fotobuisreaktor Af~37 m (dat belicht wordt) is

Q = 5,6 kW. s

Voor de opwarming door konvektie moet een schatting gemaakt worden van de overall-warmteoverdrachtskoëfficiënt

U

om de konvektieflow te bepalen uit,

(5.6.3) De overall-warmteoverdrachtskoëfficiënt

U

is samengesteld uit een overdrachtskoëfficiënt van de buiswand naar de kultuurflow hl' een warmte-doorgangskoëfficiënt door de buiswand À /d en een

warmteoverdrachtskoëf-w warmteoverdrachtskoëf-w

ficiënt van de lucht naar de buiswand h

2,

(5.6.4) De warmteoverdrachtskoëfficiënt van de buiswand naar de kultuurflow volgt uit de vergelijking van Nusselt voor turbulente buisstroming,

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

24 Met Re=4000 en pr(=c

p. n/À)=6 is Nusselt 37,1. Hieruit volgt voor hl' (5.6.6) 3 -1 0 -1 -3 - 1 - 1

waarin voor de kultuurflow c =4,2.10 J.kg . e , n=0,9.10 kg.m .s

-1 0 -1 P

en 1.=0,6 W.m . C

De warmtedoorgangskoëfficiënt door de buiswand met een dikte d van

-1 ~ -1

0,05 m en een warmtegeleidingskoëfficiënt voor glas >-w=0,93 W.m e is

-2 0 -1

186 W.m .

e

.

De warmteoverdrachtskoëfficiënt van de buitenlucht naar de buiswand volgt uit de vergelijking voor natuurlijke konvektie (lit.16),

Nu

=

a . ( Gr . Pr ) m (5.6.7)

Hierin zijn a en m konstanten afhankelijk van de vorm van het oppervlak (buis) en het produkt Gr . Pro Voor het kental Grashof geldt,

3 2 2 Gr = (2r

f) .

P .

g .

8

.

6T

/

n en voor Prantl geldt,

Pr

=

c .

n /

À p

(5.6.8) (5.6.9) -3 0 -3 -6

Met de waarden voor lucht van 8=3,2.10 C, p=1,46 kg.m , n=17,1.10 -1 -1 3 -1 0 -1 -3 -1 0 -1 . 5

kg.m.s c =1.10 J.kg . C en 1.=24.10 W.m . C 1S Gr=6.10 en

p 5

Pr=0,7. Het produkt is 4,2.10 zodat a=0,53 en m=0,25. Invullen in 5.6.7 geeft voor Nusselt een waarde van 13,5. Volgens 5.6.6 volgt hieruit h

2 =

-2 0 -1

3,7 W.m . C De overall-warmteoverdrachtskoëfficiënt U volgt vervolgens

-2 0 -1

uit vgl. 5.6.4, U = 3,6 W.m . e

Voor de berekening van de warmteflow door konvektie hbben we nu nog het temperatuurverschil tussen de algenkultuuren de omgeving nodig. We gaan hiervoor uit van de gemiddelde temperatuur van de kultuurvloeistof over de FBR (30 °C) en een omgevingstemperatuur van 35 oe. Dus met

6T

o

van 5 C wordt Qk= 1,3 kW.

De QPwarming door reaktiewarmte wordt verwaarloosbaar klein veronder-steld. De opwarming door wrijving in de FBR wordt ook verwaarloosd omdat de vermogensdissipatie in de FBR erg klein blijkt. De totale warmtestroom

•

•

I

I

.

•

•

•

•

•

25

naar de fotobuisreaktor is dus de stralingsflow van 5,6 kW en de konvektie-flow van 1,3 kW, totaal qt = 6,9 kW. Uit een warmtebalans beschouwing over de FBR kan de temperatuurstijging in één FBR-rondgang berekend worden,

~

=

Q + Q - Q

dt f t f,in f,uit (5.6.10) We beschouwen de totale warmteinhoud van de FBR konstant, de maximale

temperatuur is aan het eind van de buis bereikt en het temperatuur-profiel over de buis blijft onveranderd. Met deze aannamen volgt uit 5.6.10,

T

f ,U1t . )

Hieruit volgt voor het temperatuurverschil over de buis,

T f ,1n . Tf ,U1t . c p,f (5.6.11) (5.6.12) zodat 6T

f 7,1

°c

bedraagt. De opwarming ten gevolge van straling is tempe-ratuuronafhankelijk , dit is het grootste deel, 5,SoC. De opwarming t.g.v. konvektie is temperatuurafhankelijk en is hier gebaseerd op een

tempera-o

tuurverschil tussen omgeving en FBR van 5 C.

Om

te voorkomen dat de tempe-ratuur in de FBR hoger dan 35

°c

wordt,zal een koelvoorziening gerealiseerd moeten worden waardoor de temperatuur aan het begin van de FBR niet

o

hoger dan 25 C zal zijn.

In het kanalensysteem kunnen we globaal dezelfde warmteflow per opper-vlak verwachten. Voor de FBR werd hierdoor een temperatuurstijging per

o -2

oppervlak berekend van 0,2 C.m . In het LOK is de oppervlakte/volume -verhouding een faktor 10 kleiner dan in de FBR, zodat de

temperatuurstij-o -2

ging per oppervlak in het LOK ongeveer 0,2 C.m zal bedragen. Dit zo~

o

een temperatuurstijging over de lengte van het LOK van S,5 C betekenen, ware het niet dat de cirkulatietijd lS,6 uur is en de veronderstelde situatie van T

k=30

°c

en T omg =35

°c

hooguit enkele uren per dag voorkomt, zodat voor het LOK geen koelvoorzieningen getroffen hoeven te worden.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

6. 26 ONTWERP APPARATUUR

In dit hoofdstuk wordt beschreven voor welke apparatuur gekozen is en de afmetingen van de apparatuur worden berekend op basis van de in hoofdstuk 5 beschreven theorie.

6.1. Fotobuisreactor (Rl)

De fotobuisreactor is ontworpen aan de hand van het ontwerp van Pirt's fotobuisreactor (lit.1).Pirt gaat er in zijn ontwerp van uit dat het voor de algengroei noodzakelijk is dat de stroming in de buis turbulent is,dit geeft de eerste eis voor het ontwerp.Deze is dat Re betrokken op de straal 2000 dient te zijn,dit geeft bij vaste straal de vloeistofsnelheid in de buis

We gebruiken de fotobuisreactor voor biomassaproductie,we gaan er daar-bij vanuit dat er geen lichtlimitatie optreedt,zodat de yield op licht zijn maximale waarden van 1.6 10-8 kg/J heeft. Volgens Pirt treedt er geen

licht-limitatie op wanneer er 38.4 W/m2 licht

op~enomen

wordt,dit correspondeert

W 2

met een hoeveelheid opvallend zonlicht van 89 /m .

De limiterende factor voor groei is nu de hoeveelheid CO

2 in het medium. De CO

2 wordt via een airlift in het medium gebracht. deze hoeveelheid CO2 kan door dimensionering van de airlift geregeld worden.De hoeveelheid CO

2 in het medium bepaald via6

CC02=~/YC

de toename aan biomassa.

Met deze drie aannames en na integratie van vergelijking (5.1.1) is een model,aan de hand waarvan de fotobuisreactor te dimensioneren is,ontstaan. Dit model is weergegeven in figuur(5.1.1).In dat geval is als variabele voor optimalisatie de biomassa toename gekozen.Het is ook mogelijk de straal als variabele te nemen. In beide gevallen zal de uitkomst van optimalisatie het zelfde zijn,namelijk dat bij de kleinst mogelijke srraal de grootste biomassa toename optreedt.

We kozen voor de optimalisatie met6 x,omdat we dan zelf de biomassagroei in de hand hadden en dus de benodigde hoeveelheid CO

2 (eis voor de airlift). We kozen voor een biomassatoename van 0.lkg/m3 bij een biomassaconcentratie van 0.2kg/m3,hiervoor werd gekozen omdat de bijbehorende straal van de

foto-bu~sreactor niet te klein was en de CO

2 behoefte niet te groot,zodat dat laatste met een redelijke airlift in het medium te brengen was.

•

27

De fotobuisreactor is in dit geval als volgt gedimensioneerd:

•

r f=0.041m Lf=293 m 3 V f=1. 55 m ₃ 4>f=2.31 10- 4 m /s

•

</l;~f ~=O. 46 10-4 kg/ s x 0 4> =0.69 10-4 k g/ s 4>xf1 =0.41 10-4 k g/ s cfo

•

•

•

•

•

1

•

I

~ ~

•

_I

J

'

.

•

•

•

'

.

•

•

•

•

•

•

28 6.2. Airlift(T1)

Op deze plaats is voor een airlift gekozen,omdat we het ontwerp der groeisectie naar de idee~n van Pirt hebben gericht.Deze werkte in zijn ont-werp ook met een airlift,welke in het ontont-werp ten doel had om ten eerste het groeimedium voor de algengroei in de fotobuisreactor van CO

2 te voorzien en ten tweede het vermogen te leveren om het groeimedium door de fotobuis-reactor te laten stromen.De dimensionering van de airlift wordt dus in sterke mate door het ontwerp van de fotobuisreactor bepaald. Zoals in paragraaf 5.3 is afgeleid geven bovenstaande doelen twee eisen aan de hoogte van de airlift (vergelijkingen 5.3.6 en 5.3.13)

De in vergelijking 5.3.6 genoemde overdrachtshoogteHo wordt onder andere bepaald door het percentage CO

2 in het gas.In de literatuur vonden we dat het grootstedeel der CO

2 verrijkingssystemen met gas welk met 5% CO2 verrijkt was werkte.Wanneer wij bij onze gas- en vloeistof debieten deze gasconcentratie gebruikte,rezen er problemen met de CO

2 massabalans.Wij waren door deze massa-balans genoodzaakt

kg 3

met minstens 20% CO

2 in lucht te werken, wat neerkomt o~ een

~ -4 m

Is

C . van 0.36

Im

.

De

30verdrachtshoogte wordt,bij een I van 2.31 10 en

g1 -4 m

een ~ van 3.14 1 0 1 s e n een gewenste CO

2 verrijking van het medium van

k~

3

0.18

Im

wetende dat de CO

2 concentratie in het medium onder in de airlift nul is,2.06m bij een gekozen diameter van 0.1 m.

De hoogte van de airlift die nodig is om de vloeist~door de reactor te pompen Hc volgt uit vergelijking 5.3.13.Deze hoogte wordt bepaald door de energiedissipatie in de reactor en door de holdup in de airlift.De holdup in de airlift bedraagt bij de reeds genoemde gas- en vloeistofdebieten 7.2%.De energiedissipatie in een gladde buis van 293m lengte met een straal van 0.041m en een

~nelheid

in de buis van 4.4 10-2m/s bedraagt bij 10 bochten in de buis

m 2 .

0.198

Is

.In d1t geval bedraagt de hoogte om het algenmedium door de buis te pompen 0.28m.

Uit bovenstaande volgt dat de airlift als volgt gedimensioneerd dient te worden: Ha =2.06m Ta =0.1 m 3 ~ =3.14 10-4 m g 10-4 3/s ~l =2.31 m Is Cgo=0.36kg/m 3 E =7.2% v~1.25

•

I

:

.

•

•

•

•

•

i

.

•

29

De airlift,waar dus nu voor gekozen is,werd aan de hand van paragraaf 5.3 gedimensioneerd.De airlift werd in dit geval bedreven met 27~ verrijkte CO

2 in

-3 m

van 1.26 10

Is

en een ~ van

g

lucht.De ov

₃

rdrachtshoogte wordt ,bij een ~l

-4 m

4.32 10

Is

en een gewenste C0

2verrijking van het medium van 0.1 k g

/m3 wetende dat de CO

2 concentratie in het medium onder in de airlift nul is,3.03m bij een gekozen straal van 0.05m.De hoogte van de airlift die nodig is om de vloeistof door een betonnenkanalensysteem van 423m met een diepte van 0.2m en een breedte per kanaal van 1m te pompen bedraagt 0.0012m.Deze hoogte is zo ge-ring aangezien de ener

2

iedissipatie in het betonnen kanalensysteem zo laag is

Awr is namelijk O.OOlm Is2.Uit bovenstaande volgt dat de airlift als volgt ge-dimensioneerd dient te worden:

Ha =3.03m Ta =0.1 m 3

~l

=1.26 10-3 m 3

/s

~

g

=4.32 10-4 m

Is

C =0.48 k g/m 3 g E =9.3% vvm=1.2