Bereiding van glucosesiroop door zure hydrolyse van cassavezetmeel

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

,~J.vander Eij~ en H.Wa~enaar ,

...

...

...

_ ... _

...

,,:.

-

...

.

onderwerp:

.

...

~.~~.~~~~~.ç ... y.~~

..

~.~.1:1.c:.~~~~J:E~.C?P.

..

~9.9.!.

zure

....

",pydrolyse 'van cassavezetmeel ... -... ··-·· ... · .. · ... ,.. .... r···· .. · __ ... · ... ..

adres:

Harmenkokslaan 49

Prof • Oudemanss Delft

-u

.,

l~

l:

L

'[

[

C

L

l

~

[~

I

~

[

IC

r~

"

, j

n

0

n

L--'

n

"-~

n

n

-

;

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

-J.J.van der Eijk H.Wagenaar

BEREIDING VAN GLUCOSESIROOP DOOR

ZURE HYDROLYSE UIT CASSAVE ZETMEEL

- - - _ . _

-april 19ï4

I . l. r ' I J

n

n

n

Q

,...,

l1

n

INHOUDSOPGAVE

PROBLErilATIEK TEN AANZIEN VAN DE ONTWIKKELINGSLANDEN

CONCLUSIES

lliLEIDJNG

TOEPASSINGEN VAl~ GLUCOSE

BESCHRIJVING PROCESSCHD~A

BEREKENJNG VAN DE APPARATUUR

BIJLAGE A B C D E F G H I J SYMBOLEN LIJST LITERATUURLIJST

3

5

7

19

20

27

57

58

59

60 61

62

64

65

66

67

70

2

\

I

~J ( , I L _

r

~

r

' .

0J)~r/

I)

[:

~),,~" ~

l:

rJ

n

n

n

I'

_l

PROBLEMATIEK TEN AANZIEN VAN DE ONTWIKKELINGSLANDEN

Aangezien er een tendens is om in ontwikkelingslanden steeds meer tot industralisatie over te gaan om de eigen welvaart omhoog te brengen door vermindering van de werkeloosheid,

-

-

----.

ligt het voor de hand om dan juist diê produkt en te gaan

produceren, waarvoor de grondstoffen door het land zelf worden

.voortgebracht. Bedrijfstakken die agrarische grondstoffen

verwerken zijn hiervoor dus bij uitstek geschikte

11.

In dit

licht moet men dit fabrieksvooror-twerp over de bereiding

van glucose-siroop uit cassave-zetmeel dan ook zien.

In het algemeen zal men een fabriek in de ontwikkelingslanden

met een hoge arbeidsintensiteit :t en een lage

kapitaalsin-. . ~x b d k

tens1te1t pro eren om te zetten, om at er veel wer elozen

zijn en meestal niet veel geld is.

Cassave is een eetbaar, tropisch knolgewas, dat in een groot

aantal ontwikkelingslanden wordt verbouwd en als hoofdvoedsel

dient. Bovendien wordt er zetmeel van gemaakt.

Dit zetmeel werd dan meestal direct uitgevoerd, maar men kan dit zetmeel gemakkelijk tot de "duurdere" glucose-siroop ver-werken, wat natuurlijk veel aantrekkelijker is om uit te voeren of eventueel zelf in eigen land te gebruiken (import vervanging).

Op deze manier kunnen deze landen hun handelsbalansen wat meer

naar een evenwichtstoestand brengen of misschien zelfs wel

in evenwicht.

-%(1) de cijfers tussen haakjes verwijzen naar de literatuur van

de literatuurlijst.

~ arbeidsintensiteit l k l k k · l · _{ap~taa slntens~telt} . .

[

:

( ,

I.

[

l .

[ ]

[J

n

n

r

verhouding loonkosten tot de totale

...

_---produktiekosten (d.w.z. verbruikte arbeid ten opzièhte van andere produktiemiddelen).

verhouding kapitaal ten opzichte van jaaromzet (d.w.z. verhouding tussen waarde geinvesteerd kapitaal en waarde produktie per tijdseenheid).

r:

f :

f .

l . l •

r ;

l ,

n

n

n

n

r

l CONCLUSIES

Uit de kostprijsberekeningen blijkt dat het mogelijk is op

deze manier concurrerend op de wereldmarkt glucose te pro-duceren. Het resultaat stemt redelijk overeen met (2) waarin een literatuurstudie over een glucosefabriek voor een ontwikke-lingsland gemaakt is met behulp van Amerikaanse gegevens.

De investeringskosten bedragen f 50.000,- per man en dit

is toch wel aanzienlijk hoog voor een ontwikkelingsland. Er

kan op de stoomkosten bespaard worden door een cassavestengel

als brandstof te gebruiken (dit verdient een beter onderzoek

dan hier gepleegd is) en door meer verdampers achter elkaar te plaatsen; in dit type industrieën worden vaak series van 6 verdampers gebruikt. Dit betekent een besparing op de

stoomkosten van 30%, waarmee de kosten van deze. extra

ver-dampers in 2 jaar terugverdiend zouden kunnen zijn.

De enzymatische omzetting is geen alternatief als men het enzym importeert en niet zelf maakt (zie bijlage)\). Als voort-zetting van dit fabrieksvoorontwerp zou men het beste een studie kunnen maken van een glucosefabriek in een bepaald land, zodat met veel meer faktoren rekening gehouden kan worden, zoals lonen, bouwgrond, cassaveareaal, beschikbare apparatuur, etc. Deze

fabriek kan dan het beste worden gebouwd in combinatie met een cassavezetmeelfabriek of bij een al bestaande cassavezetmeel-fabriek.

Aangezien in veel ontwikkelingslanden een overvloed aan suiker-riet aanwezig is, zal de prijs van sucrose lager zijn dan van glucose en is het de vraag of een glucose industrie wel economisch

l

r~

c

L

[J

,

t:

I

;

.

1'

Jî

n

n

n

tl

0

n

n

n

n

v~

')~ Ü L~ ~ " . / ,,/ r

haalbaar ;~_ Dit zal ook Van de ~it~~tie in het land afhangen.

, In vele Westerse landen heeft men extra belab ting op glucose

\ om te voorkomen dat sucrose weggeconcurreerd wordt, of andersom.

'Dit vanwege het feit, dat bij vele toepassingen zowel glucose

i

als sucrose gebruikt kunnen worden.

Getracht Zeil. ~'lorden om nog voldoende informatie te verkrijgen van een aantal fabrikanten, zodat de apparatenlijst vollediger wordt, in die zin dat ook de kosten van de apparaten up-to-date zijn en de fabrikant en de specificaties van de fabrikant ver-meld worden.

Er dient verder bestudeerd te worden, in ho~verre het mogelijk

is,

met één koolzuivering te volstaan, zodat men geen kaarsen-filter nodig heeft.

L

[

r

r :

[

:

( ,

I.

n

n

n

n

INLEIDING

Zetmeel is een polymeer van ex-glucose. Karakteristiek voor zetmeel zijn de glucopyranoseringen: zes ringen met éen O-atoom en vijf C-atomen.

H

H

0:

-D-GLUCOSE

O~

OH

H

~ -D-GLUCOSE

Middèn in de zetmeelketen bezitten deze ringen drie OH-groepen.

~- --...

---

-

---Eén van deze OH-groepen wijkt af van de andere twee. Deze OH-groep kan door oxidatie overgaan in een zure groep.

o

De glucopyranoseringen zijn verbonden door waterstofbruggen, die

zich steeds aan dezelfde kant van het molekuul bevinden. Dit laatste is een markant verschil met cellulose, waar de waterstof-bruggen afwisselend aan verschillende zijden van het molekuul liggen. De polymerisatiegraad van zetmeel ligt in de orde van grootte van duizend.

Natuurlijk zetmeel bevat naast lineaire ook vertakte molekulen. Het lineaire gedeelte noemt men amylose (zie fig. 1), het ver-takte amylopectine (zie fig. 2).

L

L

[

1 .

( . { .

.J.

( . )

r

:

r '

1

r'

t

i

n

n

n

n

n

I'

I

\

o

' 0

fig.l Amylose fig.3 Amylopectine

Het vertakte amylopectine is gekenmerkt door l-OX-glucosidische bindingen (~ 5% van het totaal aantal bindingen in cassave-zet-meel). De bindingen in het amylose-molekuul zijn uan het 1-4~­

glucosidische-type.

L

[

( ,

L

r

(

-fl

n

n

n

r

r

I

Glucose is een aldohexose met de molekuulformule C6H,206. De door Fischer opgestelde configuratie bevat 4 asymmetrische koolst6fatomen.

Gewone glucose behoort tot de D-reeks. Dit is in te zien door de stand van de groepen rond C-atoom 5 te bekijken en die dan te ver-gelijken met D-glucer-aldehyde. Glucose bevat niet alle aldehyd-eigenschappen, zo geeft het bijvoorbeeld geen dimethylacetaal zoals de aldehyden, maar een mengsel van twee verschillende mono-methylglucosiden:

H

~

- C. -

OH

+

\-tOCH?>

1 OCH?,

H

R-

c..-

OH

I

OC\1;

~

'R _

c - oe

H

3

-+

H

₂

0

I

OeH-;

(Cl::.

H

I\

0'5 ') OCH;

+

HzO

me.~"''1

\

~-'"D-qtl.t

cos

i

de

ert

Me1-h", \

~_'D_ "ll.tcoside..

I • I - ( ( , r ' r ' r .

Men verklaat dit door aan te nemen dat glucose niet, zoals

de Fischer-formuleaangeeft, als aldehyde aanwezig is, maar

vrijwel' geheel als een inwendig half-ace~aal, gevormd tussen

de alcoholische OH-groep van het C-atoom 5 en de carbonylgroep

Hierbij wordt het C-atoom 1 asymmetrisch, zodat er twee asymmetrische

diasteromere half acetalen ontstaan, die men als ~-D-glucose en

~-D-glucose aanduidt.

In de oplossingen ontstaat een evenwicht tussen molekulen met een open keten en die met een ringstructuur.

H

-c.=

0

I

'"D-

Cl ll.4.cose

HO,C- H

I

H

-C~-OH

2.

I

HO-c.~-H

0

3

I

i'

H -C

-OH

'i

\

H-C~---'

5 1

H2.

COH

~_v_ Gl\l.4.cose

Men noemt dit evenwicht van twee isomeren, die zich-slechts

onder-scheiden door de plaats van één waterstof atoom tautomerie. D-glucose en d-D-D-glucose zijn dus tautomeren evenals D-D-glucose en ~-D-glucose.

f

( , • L ( , r • (

-,

,

, ' , I , , , , r , f'"

Om glucose-siroop uit cassave-zetmeel te maken kan men drie

processen gebruiken (3,7,16,23,34)

1. zuur proces

2. .zuur-enzym proces

3. enzym-enzym proces

Het proces bestaat uit twee onderdelen, namelijk de vervloeiing van zetmeel en de verdere versuikering van het zetmeel tot de

(

,gewenste DE'(dextrose equivalent) (zie bijlage B) •

1. zuurproces

De beide stappen worden hier uitgevoerd met behulp van zourzuur door zetmeel hiermee te laten reageren bij een temperatuur van

1400 C en een druk van 3'ata. (4, 5, 6,24,25,26,32)

2. zuur-enzym proces

De vervloeiing gebeurt hier ook met zoutzuur en weer bij een

o

temperatuur van -140 C en een druk van 3 ata, maar hierna wordt

de oplossing geneutraliseerd en laat men de versuikering door

en-11

)t

zymen geschieden. Men gebruikt hiervoor transglucosidase (3,27

Im

32)

3. enzym-enzym proces

Hierbij geschiedt zowel de vervloeiing als de versuikering met

behulp van enzymen. Voor de vervloeiing gebruikt men~-amylase

en soms ~-amylase. Bij de versuikering gebruikt men weer

, l • . , r .

I

(

I

·l r' r '

In de ontwikkelingslanden kan men het beste het zuur proces toepassen daar er niet veel hulpstoffen nodig zijn die niet in het land zelf geproduceerd worden. Als men namelijk de omzetting met behulp van enzymen zou doen plaats vinden, is het wenselijk dat deze ook in het land zelf gemaakt kunnen worden en dat is nogal een moeilijke opgave. Dit komt o.a. omdat de enzymen in steriel milieu moeten aangroeien en dit zal een nogal kostbare aangelegenhéid worden. Met enzymen importeren is een

ontwikkelings-. land niet gebaat, daar dit een veel te grote post op de begroting van de fabriek zou uitmaken (zie Bijlage A) daar dan de verhouding geinvesteerd kapitaal ten opzichte van het aantal werkplaatsen

. \ .. '

te hoog komt te liggen. Wil men eventueel toch een enzymatisch proces daar ontwikkelen dan is dat misschien een goed opdracht voor een volgend fabrieksvoorontwerp (7, 8, 9, 10).

De volgende reacties treden op bij de zuurgekatalyseerde hydrolyse.

1

dehydratatie ) hydroxymethylfurfural polymeren levine-zuur + m1erezuur + 0.)

(eb

l-I'00.

5

)x

+

X

~20

_ _

_hydrolyse

4~30

_ _ _ _

...

x

eb

H'2.?6

zetmeel dextrose 12

l _. r -I l .

f

r

-!

r . , \ (/""'"' -/

Volgens (11) bezitten de 1-4- en -e 1-~-glucos~dische

bindingen dezelfde aktiviteit ten opzichte van de zuur-gekata-lyseerde hydrolyse. De reactiesnelheidsvergelijking voor de

omzetting van zetmeel in dextrose (= 0( -d glucose) luidt (12):

-d( 100-z)

d t

=

0.325 x k x n x (100-z)

z

=

het produkt van de hydrolyse uitgedrukt in

%

van de

totale droge substantie

n

=

de normaliteit van de s~spensie

k

=

de reactiesnelheidsconstante, uitgedrukt in (min. ) -1

t

=

de tijd in minuten

o -1

Bij 140 C blijkt de waarde van k 0.470 (min.) te bedragen.

De temperatuurafhankelijkheid van k wordt gegeven door

Arrhe-nius: k

₌

=

2.06 x 1016 (min.)-l

=

31 Kcal./Mol o = 1.987 cal./ K.Mol.

(100-z) is de hoeveelheid nog niet gehydrolyseerde zetmeel,'

.

"

uitgedrukt in

%

van de totale hoeveelheid droge stof (100-z)

als een functie van t luidt:

( , l , l.

I

r r . (100-z)

=

100 x exp(-0.325 x k x n x t) of in grafiek: (IOO-z)

r

dextrose recombinatie

t"'"

'Iiij + H , hydrolyse tijd in minuten gentiobiose

De aktiveringsenergie voor de recombinatiereactie blijkt 35 Kcal./ Mol. te bedragen. Hieruit mogen we concluderen, dat bij hogere temperaturen de recombinatiere~ctie'belangrijker wordt dan bij hydrolysereactie onder a). '1t..::

C

t-v.-(

Seaman (13) vond behalve dit, dat de recombinatiereactie van de eerste orde was. De evenwichtsvergelijking luidt:

2 _ A x 9

K - 100(100-q) ) .~

K

=

evenwichtsconstante r /

A

=

de initiële glucose-concentratie, uitgedrukt in gew.

%

van de aanwezige hoeveelheid water

q

=

hoeveelheid dextrose bij de evenwichtstoestand, uitgedrukt in

%

van de initiële hoeveelheid.

, . ( , I r_, ' , ' r '

K blijkt in een bepaalde range (8.6-62-9

%

initiële glucose-concentratie) en bij 100

oe

259 te zijn, zodat

q

=

100 (1 + 0.015444 A - 1)

0.007722 A

De dextrose-evenwichtswaarden bij 1000

e

worden in tabèlvorm hieronder weergegeven.

·~l

_{" tv ...}

_J

/

initiële initiële gebaseerd procenten

concentratie concentratie ,~' t...,d op dextrose dextrose van zetmeel' gewichts- gewichts- (op droge gewichts- procenten procenten stof basis)

15

procenten ~n de massa van water bij evenwicht

<;:'A ... J,«._ t'-.'-<..-. ~é • ....c_',· 0.0 0.0 0.00 100.0 4.5 5 5.26 98.1 9.0 10 11. 11 96.0 13.5 15 17.65 94.0 18.0 20 25.0 91.8 22.5 25 33.3 89.6 27.0 30 42.9 87.4 36.0 40 66.7 82.5 45.0 50 100.0 77 .1

-54.0 60 150.0 71.9 63.0 70 233.3 63.6

I

,

,

r

, I

. ,

r

-De evenwichtsvergelijking en de hydrolysevergelijking uit a) kunnen we nu kwalitatief in grafiek weergeven.

16

dextrose eone. vgl.a

Cone.

--

- - - - dextrose eone. ---~ tijd

(inkl. het rekom

bi-natieevenwieht)

zetmeel eone.

De hoeveelheid dextrose wordt uitgedrukt in DE (zie bijlage B).

c) Andere nevenreacties

De dehydratie van dextrose naar hydroxymethylfurfural~ gevolgd

door reactie naar levuline-zuur en mierezuur is kwantitatief te verwaarlozen. Deze nevenreactie blijkt nl. slechts 1% dextrose te verbruiken.

Wel is deze reactie kwalitatief belangrijk, omdat zij de kleur en de smaak van dextrose nadelig beinvloedt. Deze reactie blijkt

bij hogere temperatuur =n zuurgraad in omvang toe te nemen, zodat

. ""."

L~"

(

,~./ "....,-. ,\1, ) temperatuur en zuurgraad laag gehouden dienen te worden.

,

'

I

I

Reactiewarmten _{(14, 15)}

d) _{De omzetting van zetmeel in dextrose}

=

=

678 - 673

=

_{5 Kcal./Mol. dextrose}

De reactietemperatuur _{wordt voor deze berekening op 140}0

C ge-houden. Deze temperatuur ligt binnen de range waarbij op

in-dustriële schaal gewerkt wordt.

17

T

s

.6 Hl

=

5

L.

Cp _{reaktanten dT}

=

_{-2.16 - 5.18}

₌

_{-7.34 Kcal. /Mol. dextrose}

AH r T r T

=

S

2:..

Cp producten T s

=

á HO _r,s + 6. Hl dT

=

7.41 Kcal. /1-101. dextrose

=

5.1 Kcal. /r101. dextrose

/

/

/

"

e) Het recombinatie-evenwicht van dextrose

6H, Ä H 2 A H r +

=

673 - 231

₌

442 Kcal./Mol. dextrose 0 . \"v~ \,.{.. \ .~""'""V l. ' I ' \ T

=

r~

C reaktant'en dT

₌

-7.2 Kcal. /Mol. dextrose p

T r

T r

=

~

Z-.

Cp producten dT

=

1.08 + 7.2

=

8.3 Kcal. /Mol. T

s

=

6 HO + 6 Hl + A H

2

=

443 Kcal. /Mol. dextrose r,s

De reactiewarmte die aan deze reactie moet worden toegevoegd is een factor honderd maal zo groot als die onder d).

Verandering van de reactietemperatuur zal weinig invloed hebben o

op~ H , omdat bij beide reacties in de berekening van öH ,A H

r r r,s

de bepalende term is.

18

r

I

1 .

"

TOEPASSINGEN VAN GLUCOSE (16, 17, 18)

De belangrijkste toepassingen van glucose-siroop zijn:

inblikken van fruit suikerwaren

jam ijs

bakkerij producten geneesmiddelen

grondstof voor fermentatie leerlooierijen

bierbereiding textielindustrie dranken

Het Hordt hierbij vaak gebruikt in combinatie met sucrose. Glucose

heeft minder zoetkracht en is gemakkelijker om te zetten dan sucrose.

Verder kan glucose dienen als grondstof voor andere chemicaliën:

1. Reductie met waterstofgas met behulp van ,een nikkelkatalysator

bij hoge druk en temperatuur levert sorbitol:

HCo:::o I

HO-C

~

"~I/ HO-Cl-t I WC-OH

,

HC-oH I H1.COH D-GLUCOSE ~l.COH ( +I C-Ot-i I HOC H I ~C-OH

,

H C-OH

,

H2.C - OH SORBITOL

Dit wordt gebruikt voor cosmetica, farmaceutische bewerkingen,

en in de druk-, hars- en lij!"industrie en voor de bereiding van

ascorlinezuur (vitamine

cl.

1 • I

,

. , .

l

r . \ r • r . i I

.

r' 2. 3.

Bereiding van eetbare proteïnen.

Oxidatie van glucose tot o.a. citroenzuur, glucosezuur en

melkzuur.

HC=O

I H C-OH I HD-C H I H C-OH I H C-OH I Hz.C-OH D-GLUCOSE HC=o I H C-OH I H O-C 1-1 I He-OH I i-I C. -OH I H C.-OH 2.. HO-C=o I H-C-OH ' c l ' I HO-C =-0 I He-OH I HO-c H

ox~ at~e HO-

eH

oxidatie

It" .. i

in alkal:lSch (1

C-OH

~r

met H

~-OH

milieu H ' salpeterzuur H C-OH

C-OH I .

,

H2.C - OH HO

-c

=-0 D-GLTJCONZUUR HO-C = 0 I CHz. I oxidatie H D-C - CClOt; ---~.~ _met I salpeterzuur CHz _I

coat-!

SACCHARlNEZUUR D-GLUCOSE CITROENZUUR 20

Alleen punt 1 (fabricage van sorbital) vindt op dit moment cOTnmerciële

. ,

r .

I

BESCHRIJVING PROCESSCHE~ffi (zie processchema op blz. 21)

Het proces valt uiteen in de volgende delen of sekties:

2.

Ferrr:entatie

Hi~ wordt de zetmeel met behulp van zoutzuur omgezet in glucose-siroop.

Zuivering

Door filtratie en behandeling met aktieve kool wordt de glucose-siroop gereinigd.

3. Indamping

De glucose-siI'oop "Tordt ingedampt, waarna het opgeslagen wordt.

Tussen deze 3 delen of sekties staan buffervaten, zodat deze 3 sekties onafhankelijk van elkaar kunnen werken. Dit is gedaan om de volgende redenen:

a. Storingen in één sektie hebben niet tot gevolg, dat de andere 2 sekties stil komen te liggen.

b. De eerste sektie werkt niet continu, de tweede en derde wel. Vandaar dat in ieder geval tussen de eerste en tweede sektie een buffervat moet komen te staan.

c. Na de tweede sektie is een controle nodig op zuiverheid en daar moet eventueel de glucose-siroop opnieuw gezuiverd kunnen worden, dus teruggevoerd worden naar het begin van de tweede sektie. Vandaar dat ook tuSsen de tweede en de derde sektie een buffervat noodzakelijk is.

~ FERMENTATIE - - - . . . 00II ZUIVERING

(v,~v'-,....,

I.-{. ( f- '-, '-<::' "-..é "-'"'-<)~.~ .: 2...'-'-..

:';-J

~

"1->/"" ... 7" . . , ZOUTZUUR

naar louhuur afvang pot

ZETMEEL SLURRY

~

@J

J

STOOM V:

I

VOO~RAADVAT P2 PO~!P R11 REACTOR

V. NEU TRA LI SA TIE IOUFFERVAT

VS KSO~ STOF"SLURflYB'J'FERVAT F"6 TRfj"lMELFllTER P 7 H 8 V 9 VlO Pil 1'12 R3 POMP VOORVERWARMER

KOOL STOF AANMAAKTANK

MENGTAI>fK POMP POMP ( 17) Walor ~ \,~~ _v' ... L..\.~""" '·"l. ~ 'J" _ H \r-'V" - , V 13 FH MIS V 16 P 17 Hla " #v'"

₊

_...

ï

""""""":, . - .J

• KAARSENFI L TER IONENWISSELAAn DUNSAPBUFFE R VAT POMP WA R!'1 T E. vlLSS~J.AA R V 19 FILMVERDAMPER C 20 CYCLOON V 21 FILMVERDAMPER C22 CYCLOON M 23 FLASH TANK PQ.M1'

VERDAMPING • ~ MENGING EN OPSLAG - . . . .

Stoom V 21 ... :: ... Oamp V25 OPSLAG VAT V 26 ~~~GTANK V 27 OPSLAGVAT V 20 MENG TANK P 29 PO~P

.---

-

._-

-,

1 1 1 I

§

1 1 1 1 1 I '1 _, V 25 V 27

,

1 1 I ---- ___ J ~ RGLUCOSESIROOP =~

!

@

BEREIDING VAN GLUCOSE SIROOP door ZURE HYOROLYSE uit CASSAVE ZETME EL

J.J. VAn d.r Eijk .n Februari 1974

H. Wlgonur

Ostroomnvmmtr

c:::n in 'c

S~teemdruk 'atm

UP in atm.

0

0

. \ , I r ' /l..-V 'I J 'Y' , l (...-, l:-22

Per dag wordt 10 ton zetmeel verwerkt en per uur 1 ton; er wordt gewerkt in twee ploegen.,

· \

Fermentatie

De fermentatie vindt plaats in de reactor R

3, Haarin een discontinu

proces plaats vindt. De benodigde hoeveelheid zoubzuur wordt ver-dund en met stoom aan de kook gebracht. Daarna wordt er gedurende 12 minuten zetmeelslurry ingepompt, die met behulp van de

stoom-dippijp meteen aan de kook gebracht wordt. Daardoor vindt de

ver-vloeiing direct plaats en kan de versuikering dan ook meteen be-ginnen. Als alle zetmeelslurry zich in de reactor bevindt wordt

de reactor afgesloten en met behulp van stoom gedurende 12 minuten

op 3 atm. gebracht en gehouden door middel van een regelventiel, dat bovendien de ontwijkende zoutzuur moet opvangen. Daarna wordt de reactor dpor de hoge druk leeggeblazen in het

neutralisatie-en buffervat (V4). (Deze manier van leegmake~ is gelijk aan die van

een montejus). Nu wordt de omgezette zetmeelslurry geneutraliseerd met behulp van soda. Opgemerkt dient nog te worden dat de mate van omzetting (DE) geregeld kan werden door de hoeveelheid zoutzuur in de reactor.

Nu moet de glucose-siroop gereinigd worden van vetten, eiwitten,

etc., die bij de vervloeiing en de versuikering vrijkomen, zodat

we nu de volgende sektie krijgen.

. l

r .

!

I

Zuivering

In het buffervat V4 wordt aan de glucose-siroop aktieve kool toegevoegd, die al een keer gebruikt is uit het vat VS.

Daarna wordt het gefiltreerd op een roterend vacuüm trommel~

filter (F6). Omdat het moeilijk te filtreren is ("slijmerig") wordt een precoat toegepast.

In het algemeen is een tweede zuivering noodzakelijk. Daarvoor wordt het in de mengtank VlO gepompt en er opnieuw aktieve

kool aantoegevoegd. Omdat voor het goed functioneren van aktieve kool een temperatuur van 750 C gewenst is moet het eerst opge-warmd worden met behulp van warmtewisselaar HB. Dan wordt de glucose-siroop gefiltreerd in het kaarsenfilter F14 en van Calciumionen ontdaan in de ionenwisselaar M1S. Dit laatste is noodzakelijk in verband met de smaakbedervende eigenschappen van Calciumionen. De glucose-siroop komt terecht in de dunsap-buffer, de vaten V13 en V16 en kan bij onvoldoende zuiverheid

gerecirculeerd \-lOrden van de dunsapbuffers naar het neutralisatiel buffervat V4.

In het processchema is verder aangegeven, dat de ionenwisselaar gereinigd moet worden met behulp van natriumchloride-oplossing (stroomnummer 19), dit gebeurt bij dezelfde temperatuur van het proces dus SO-600C. De aktieve kool wordt tweemaal gebruikt. De eerste maal via de koolstof aanmaakt ank V9 voor de reeds eenmaal gezuiverde glucose-siroop. Daarna wordt het van het kaarsenfilter

(F14) verwijderd met behulp van water en via het koolstofslurry-buffervat VS aan de ongezuiverde glucose-siroop toegevoegd.

(stroom-nur~er 17). Samen met de precoat wordt het van het trommelfilter

verwijderd en weggegooid.

r

-1

Het reinigen van de ionenwisselaar en het opbrengen van de

\ pre coat op het trommelfilter moet éénmaal per dag gebeuren, zodat

dit proces verder gedurende één dag continu werkt.

l ,

. \

(

.

Verdamping

Nu moet de glucose-siroop ingedampt worden. Niet alleen vanwege

de hoge vervoerskosten van niet-ingedampt product, maar ook vanwege

de geringe houdbaarheid van niet-ingedarnpte glucose-siroop. In

Nederland is het om die reden bij wet verplicht in te dampen tot

een concentratie van 800 Brix. Dit indampen geschiedt in twee

-verdampers in serie, waarbij de stoom uit de eerste verdamper

gebruikt wordt in de tweede. Daarna wordt geflashed.

In de mengtanks V26 en V28 wordt het product op specificatie

gebracht, voordat het naar de voorrraadtanks V25 en V27 gepompt wordt.

Omdat het product bij lage temperatuur moeilijk stroomt en

moeilijk na afkoelen weer op te Harmen is, wordt de ~

o

waarin zich de voorraadtanks bevinden, op 40 C gehouden en

bevindt deze zich op zodanige hoogte, dat de glucose-siroop

door de z\'o'aartekracht naar de verpakkingsruimte of tankauto kan stromen.

.

\

DE BEREKENING VAN DE APPARATUUR

De in het vorige hoofdstuk aangebrachte verdeling in drie sekties

(fermentatie, zuivering en verdamping) zal ook hier gehandhaafd

worden. (Zie voor de massabalans bijlage C en voor de apparaten-lijst bijlage D).

N.B. De vaten en pompen worden aan het eind van de drie sekties besproken en berekend •

Fermentatie gedeelte

Vanuit het slurrybuffervat wordt de zetmeelslurry (bestaande uit

3

2.10 kg water en 1.10 kg zetmeel in de convertor met een inhoud

3

van 5 m gepompt. In de convertor bevindt zich 300 I water en de benodigde hoeveelheid zoutzuur (4,6 I van een geconcentreerde,

d.i. 65% zout-zuuroplossing, die met behulp van een stoomdippijp

,---'

verwarmd wordt tot 1000 C. Gedurende 12 minuten wordt de slurry in de convertor gepompt en t egelijk met behulp van stoom verwarmd, zodat de vervloeiing direct plaats vindt en de versuikering start.

3

Als 3.10 kg slurry erin gepompt is, wordt het vat afgesloten en met behulp van de stoom op een druk van 3 atm. en een temperatuur van 1400 C gebracht. We gebruiken hiervoor stoom van 10 atm. en

1800 C. (stroomnummer 4).

Voor het opwarmen van de slurry van 200 C tot 1400 C is nodig

o

=

Cp.~T

=

0.83.120

=

100 kcal/kg

=

420 kJ/kg.

*

De reactiewarmt~ (zie hoofdstuk 3: glucosebereiding) is ten opzichte

hiervan te verwaarlozen.

*

voor waarden van C Zle (37,38)

p

• Î

(

De stoom levert bij condensatie 2270 kJ/kg.

Dus is

~;~O

=

~~

~,185

kg stoom per kg slurry nodig. Voor 3.103 kg slurry: 0,55 ~ stoom. Verder moet die 300 1 opgewarmd worden. Totaal is 0,61 kg stoom nodig.

Samenstelling

s

i\\

~3voor

conversie:

1.

~

kg zetmeel en

3

2.10 \ kg water

dus 33

J

Bri~

(%

droge stof) Idem na conversie:

'r)

3 .

1.0~?, kg omgezet ze~meel met DE

=

64 en 3

(' (2~~O,61 0,05)10 kg water

=

2,86.10 kg water,

dus 270 _{Brix. ' , ' - .}

I

' Î

"-- ,

Na de conversie wordt de slurry met behulp van de druk die

in het vat heerst getransporteerd naar het filterbuffervat (montejus») waar het flasht naar een druk van 1 atm.

Berekening flash

Hierbij komt warmte vrij:

d~

=

CpdT + Vdp ( de term Vdp is te verwaarlozen) kJ

=

0,85.4,2.40 = 143 /kg slurry.

Deze warmte wordt gebruikt voor de verdamping van water. Per kg slurry 143

wordt dan 2200

=

65 g water verdampt.

3

Totaal 3,96.10 kg slurry, dus verdampt er 260 kg water.

Samenstelling slurry voor flash:

3

1,05.10 kg glucose en

3

2,86.10 kg water dus 270 Brix

Samenstelling slurry na flash:

3

1,05.10 kg

3 3

(2,86-0,26).10

=

2,60.10 kg water dus 290 Brix

In het filterbuffervat wordt er naast aktieve kool soda aan de slurry toegevoegd. De neutralisatie warmte die vrijkomt door toevoegen

van soda is 1.6 kJ/kg slurry en is te verwaarlozen (verdampings-kJ

warmte water

=

2200 /kg).

Per dag worden zo 10 porties behandeld.

I·

I

I

Zuiveringssektie (19, 20~~

Allereerst wordt hier met behulp van een trommelfilter de

kool en de verontreiniging ontstaan bij de reactie afgefiltreerd.

De algemene vergelijking om aan een filter te rekenen is:

waarin

dV de

=

A.é::,P

v

=

vollli~e filtraat dat afgeleverd wordt in tijd

e

A

=

oppervlak van het filterend deel P

=

drukval over het filter

(1 a)

~

=

weerstand van de koek, dus van zuivere filteraid (precoat) en een deel filteraid die verstopt is met

r-

kool, vetten, etc.

Rf

=

weerstand van het filterdoek, waarop precoat is aangebracht.

jf

=

viskosi tei t van het filtraat

Als nu ~f de fraktie van het oppervlak is, dat ondergedompeld is in de slurry en AD het totale oppervlak van de trommel, dan is A (d.w.z. het effectieve filtrerende oppervlak) gelijk aan

~f.AD

en de

verge-l " "k" 1J 1ng IA gaat over 1n "

dV de

=

tV

f~AD·t.P

(Rk+Rf)r

~ varieert met de dikte van de verstopte laag van de filteraid.

(Ib)

30

I

Bij een continu filter verandert de dikte van de verstopte laag op een bepaalde plaats op het ondergedompelde filtrerende opper-vlak niet met de tijd. De dikte verandert echter met de plaats als de verstopte laag opgebouwd wordt gedurende het passeren in de slurry. De dikte van de verstopte laag filteraid, die de filter zone verlaat is een functie van de slurry concentratie, koek dichtheid en van het vólume van het gevormde filtraat per om-wenteling. De dikte kan als volgt uitgedrukt worden:

31

Lbij het verlaten filtreer zone

=

(lU)

w

₌

=

=

is het aantal kilogrammen droge vaste stof per deel filtraat vol.

volume filtraat afgeleverd per omwenteling

koek dichtheid in kilogrammen droge koek per deel volume van de natte koek die de filtreer zone verlaat.

Een gemiddelde dichtheid gedurende het afsnijden van de verstopte laag kan aangenomen worden als de helft aan de dikte bij binnenkomst plus die bij het verlaten van de filtreer zone. Daar er geen ver-stopte laag meer om het filter zit als deze de filtreer zone inkomt betekent dit dus:

Lgemidd.

=

w V .

. R.

2

J

_{c AD}

(IV)

Als V F is de fictieve volume filtraat per deel filterend oppervlak dat nodig is om een verstopte laag dikte te krijgen van Lf dan is dat gelijk aan de werkelijk verstopte laag dikte pil.us de fictieve verstopte laag dikte

=

Dat wordt hier dan

w(V+A.V f)

Jc

A w(VR/2 + AD~FVF)

L

+

L

=

L

+

L

=

f gemidd. f

f

c AD Combinatie van Ia, II, en VI geeft met 0(

=

Cl? c

dV

de

Integratie tussen de waarden V

=

0 en V

=

V

R en

e

=

0 en 8

=

1/NR als N

R het aantal omwentelingen per tijdseenheid voorstelt, geeft

2

2A_D

Y

f AP

o<w

f1

N_R

of als de verstopte laag samen drukbaar is, kan een ruwe correctie voor de verandering van~ met de drukval (óP) gemaakt worden door

de volgende empirische vergelijking te gebruiken:

5

0<

=

ex' (6P) waarin 0 ( ' en 5 constanten zijn.

2A~'r'f(.!)P)

1-5 0<. 'w N_R

I'

32

(v) (VI) (VII ) (VIII)

Vergelijking VIII wordt vaak gebruikt in de volgende vereenvoudigde vormen, die gebaseerd zijn op de aanname dat de weerstand van het filtermedium verwaarloosbaar en de filterkoek niet samendrukbaar is.

Volume filtraat per omwenteling

V =A

~

J

Volume filtraat per tijdseenheid

J

2~NR"P

VRN R

=

AD 0< w

r

Gewicht d~ogc koek per tijdseenheid

=

B

c

Om de grootte van het trommeloppervlak met behulp van vergelijking B te berekenen is er een noodzakelijk gegeven niet bekend, nl. de constante

ex.

Alle andere symbolen zijn bekend of kunnen geschat

m3

worden. Het volume filtraát per uur is bekend, dit is 3 /hr; de fraktie 'tlfis 0,4 (40% van de tr'ommel bevindt zich ~n de slurry); het toerental wordt ingesteld en is dus ook bekend, bijv. lom· wenteling F~r minuut; het drukverschil is ongeveer 0,7 atmosfeer; voor w,d.w.z. het aantal kilogrammen vaste stof per deel filtraat volume, zou men een waarde moeten schatten al naar gelang de hoe-veelheid vetten, proteïnen en koolstof samen, de viskos:iteit van het filtraat is 5 cP, maar de constante 0( is in het geheel niet

bekend en deze is alleen langs empirische weg te vinden en speci-fiek voor de omstandigheden en samenstelling verontreiniging. Dus het oppervlak is op deze manier niet te berekenen en daarom hebben wij ons gewend tot de Machinefabriek NIVOBA N.V., die ons schreef dat zij uit ervaringen met 45 proccntige oplossing~n, een opper-vlak noodzakelijk

ach~n

van

7;

m2• Verder hebben wij een bezoek gebracht aan de glucose fabriek van Honig in Koog aan de Zaan, waar

2

men schatte dat er voor ons geval een oppervlak van 6 m nodig was.

2

Als we dus een trommelfilter nemen met een oppervlak van + 8 m is dat zeker genoeg.

J

Er is ook een vacuümpomp nodig voor de werking van een roterend vacuüm trommelfilter en dan moet bij het ontwerp de grootte van de pomp en de benodigde hoeveelheid kracht voor een bepaalde filtratie unit geschat worden. Daar luchtlekken in een vacuüm-systeem een groot gedeelte aan lucht kosten, die door de pomp gaan, moeten ont~erpmethoden, die de luchtzuigingssnelheid voorspellen, beschouwd worden als een benadering voor het geval

er geen luchtlekken zijn. De snelheid waarmee de lucht wordt gezogen door een ontwateringssèktie van het rotel'end vacuûm-trommelfilter kan uitgedrukt worden in een vorm die overeen-komt met vergelijking Ib.

waarin V

=

a dV a

de

volume

=

lucht bij temperatuur en druk van de omgeving

(IX)

van de koek waardoor heengezogen vlOrdt in een tijd

e

Va

=

fC

a

=

als men onder koek verstaat het verstopte deel van de filteraid.

fraktie van het totale oppervlak dat beschikbaar is voor zuigen.

viskositeit van lucht bij de temperat~ur en d~uk van de omgeving.

De koekweerstand ~' is direct afhankelijk van de verstopte laag dikte L, en de filtermedium weerstand kan aangenomen worden als direct afhankelijk van de fiktieve koekdikte Lr'. Terwij IC' de directe afhankelijkheids constante is.

R ' + R'

_L

_r

=

C'(L+L ')

_r

r '

Als de koek niet samendrukbaar is, zal L gelijk zijn aan de

dikte van de koek als deze de filtreer zone verlaat. Daar

geldt met behulp van 111 en V

L

+

L

I

r

als V

r

'

het fiktieve filtraat volume is per eenheid van lucht

zuigend oppervlak nodig om een koekdikte te krijgen van

Lr'.

Combinatie van

IX

en

X

dV a de

waarin ~ gelijk is aan

koek weerstand waardoor heen lucht wordt gezogen.

Integratie van

XI

tussen de waarden V

=

0

en V

=

V ,als

a a aR

VaR het volume lucht per omwenteling voorstelt, geeft

2 ADVa Á P

=

_~w(VR+ADlfla VF,) {'i aNR

35

(x) (xI)

(XII

)

Als de koek samendrukbaar is, dan kan een ruwe correctie voor de

verandering van ~ met de drukval .6 P gemaakt worden door de volgende

empirische vergelijking te gebruiken:

~

=

r'

(óP)SI waarin

r'

en S'

constanten zijn.

Als we de weerstand van het filtermedium verwaarlozen kan vergelijking

XII

vereenvoudigd worden.

Volume lucht per omwenteling

=

_{~ wVR}

A~

Y-'a

hP NRra

.,

Volume lucht per eenheid van tijd

=

Vergelijking A, C XIV kunnen gecombineerd worden en geven dan:

A 2

\V

r

_"f1

NR toP

Volume lucht per eenheid van tijd

=

D a

~

ra

2w

'f

f

Volume lucht per eenheid van tijd

Va

1:.

ol.

=

Gewicht droge koek per eenheid van tijd

_IY

f (a 2fw

Om het vermogen van de pomp te berekenen gaat men met behulp van P2

Power

=

Pi Vi In

FT

te werk, of als men dit wil uitdrukken in paardekràchten:

Power benodigde hoeveelheid arbeid (Nm/kg) P

1 buitendruk (kgf/m2)

v

1 specifieke volume van lucht bij de inname condities dus van de omgeving (m3/kg) 1

-55

P 2 uiteindelijke druk (kgf_{/m 2)} 36 (XIV) D E . 3

Qfm cubieke m lucht per minuut bij omgevings omstandigheden.

Eenvoudig voor een ideaal gas dat een isentrope compressie

(pvk

=

c) ondergaat, geldt de volgende vergelijking. Voor een eenstaps compressor.

Power

=

_{k-l •} k

hp

₌

k

₌

-5 3,03

x

10 k k-l kappa.

c

=~ C v

=

5 3 (mono-atomig gas)

Ook het vermogen van de vacuumpomp is niet te berekenen daar van de constante

Qfm

de waarde niet bekend is en deze bovendien niet te schatten is. (Zie formule D: hierin zijn~ en ~ beiden onbekend).

Uit dit deel van de berekening van filter is dus te concluderen

dat daaraan weinig te rekenen valt en bijv. het oppervlak empirisch gevonden"zal moeten worden, evenals het vennogen van de pomp. Het vermogen van de vacuümpomp is 25 pK, deze informatie kregen wij bij Honig in Koog aan de Zaan.

,I ' , J • l I l

:....

\,

~'!'{\

:-""

\'r\;' VerdampingäS~~tie 3 GÜ./(C'·)t 3

De slurry bevat 10,5.10 kg water en 26,0.10 kg water per dag. Er wordt 50 kg aktieve kool gesuspendeerd in 250 1 water toe-gevoegd. Bij het verwijderen van het kaarsenfilter wordt er nog

3

eens 250 1 water gebruikt, zodat totaal 0,5.10 kg water wordt toegevoegd. Verder wordt in het eerste vacuümfilter een

hoe-lh 'd d k 1 d 1 f 750 t~5~00 C·. vee el water ver ampt en oe t e s urry a van v~

kJ · kJ

~

=

CpAT

=

4,2.0,8

=

180 /kg. Verdampingswarmte

=

2200 /kg 180

dus 2200

=

40 g water verdampt per kg slurry.

Slurry bevat na toevoeging kool per kg 285 g glucose en 715 g water,na trommelfilter 285 g glucose en 675 g water dus 300 Brix.

Nadat het filtraat het trommelfilter verlàat is de temperatuur afgekoeld tot 500 C en nu zal de slurry met de actieve kool-stof opgewarmd moeten worden met behulp van een warmtewisselaar tot 750 C omdat bij die temperatuur de actieve kool het gunstigst werkt.

Berekening warmtewisselaar Ht8: 0

=

CpA!; 0rn

=

250.103 kJ/hr. Oppervlakte

A

=

U~T

=

0,4 m2•

Nu \lOrdt de vloeistof gefiltreerd met een kaarsenfilter en net als bij het trommelfilter zal het oppervlak van het filter empirisch bepaald moeten worden.

Hierna worden de calciumionen uit de glucose siroop gehaald

met behulp van een ionenwisselaar. De glucose-siroop is inmiddels afgekoeld tot ~ 550 C en wordt over een kolom geleid, die gevuld is met een sterk zure kationenuitwisselaar in de Na-vorm.

De looptijd (= cyclusduur tussen twee regeneraties) van een harskolom is afhankelijk van het kalkgehalte van de glucose-siroop, maar dit gehalte is niet zo erg groot en ligt in de orde van grootte van 0,2-0,5%. Gewoonlijk heeft men één kolom in bedrijf en één kolom in regeneratie, zodat er continu gewerkt kan ~orden, maar aangezien er hier niet continu gewerkt wordt, het kalkgehalte laag is en het bovendien om (voor een installatie op industriële schaal)

geringe hoeveelheden gaat, is het mogelijk om met één

ionen-wisselaar te werken.

Per dag moet er door de ionenwisselaar 30 ton glucose-siroop gaan. Bij een soortelijk gewicht van 1,18 ton/m3 betekent

3

dit dat 30 : 1,18

=

25,5 m siroop per dag behandeld moet worden. Daar we uitgaan van een 'derkdag van zestien uur, waarvan tien uur beschikbaar is voor het behandelen van de siroop met de ionenwisselaar, zal er dus 2,55 m3 siroop per uur behandeld moeten worden. Bij een doorvoersnelheid van

\, 3 volume/uur zal de harskolom 850 1 kationenuitwisselaar

')

moeten bevatten. De installatie bestaat dus uit één kolom en er kan gedurende tien uur gepercoleerd worden en dan blijft er dus nog zes uur per dag over waarin de kolom "afgezoet" en geregenereerd kan worden.

De installatie bestaat uit een geëboniteerde stalen kolom -

._-

---met bolle boven- en onderzijde. In de onderkant van de kolom bevindt zich een ingelaste vlakke bodem met polypropyleen verdeelsproeikoppen, welke dient als ondersteuning van de 40 cm dikke grindlaag waarop het hars komt te liggen. Als sterkzure kationenuitwisselaar wordt het H1AC C12 gebruikt van het gesulfoneerde polystyreen type, dat ongeveer 9% divinylbenzeen bevat.

Regeneratie

De IMAC C12 regenereert men met behulp van170 kg Natrium-chloride (NaCl, technische hlaliteit) per regeneratie.

Het regeneratie zout wordt toegediend in één uur en Hel als

een verdunde pekel met een concentratie van 11-12% bij een

o

temperatuur van! 55 C.

Het water dat voor de regeneratie gebruikt wordt mag geen

zwevende bestanddelen bevatten en dient niet al te

kalk-houdend te zijn. De hoeveelheid water bedraagt 9 à 10 m3

per regeneratie en wordt gebruikt voor de volgende

re-generatie "stappen":

- afzoeten opspoelen

- verdunnen van het regeneratiemiddel

- uitwassen van de overmaat regeneratiemiddel

- laatste maal opspoelen

De totale regeneratie duurt 4 ä 5 uur.

De ontkalkte glucose-siroop gaat nu naar de dunsapbuffervaten, waarna het wordt ingedampt.

Nog even enkele opmerkingen over het trommelfilter en kaarsen-filter.

\-lat betreft het vacuûmfilter, hiervan is een schema te zien op

blz.

4

2_{, dit is "namelijk noodzakelijk omdat men het filter}

pre-coaten moet en vooral omdat het niet mogelijk is de stroop door de vacuümpomp te sturen daar dan door het stoom/luchtmengsel, de kans op oxid~tie zeer groot is. Er dient dus na het vacuûm-filter een zogenaamde vacuüm afscheider te Horden ingebouHd met een aparte pomp. Tevens dient een geheel aparte installatie gemonteerd te worden voor het precoaten van het vacuÜInfilter.

Uit een en ander volgt dus dat dit een vrij kostbare en inge-wikkelde installatie wordt (zie bijlage E).

Daarom is het veel beter om voor de ontwikkelingslanden, in plaats van een vacuûmfilter althans voor deze capaciteit een precoat drukfilter te gebruiken bijv. van het type Niagara.

Het voordeel is dan dat slechts de kleine filterpomp \.,elke een opvoerhoogte heeft van minstens 45 meter voldoende is, zodat de stroomkosten aanmerkelijk lager zijn. Om dit filter

te precoaten kan men de dunsapbuffertank gebruiken of anders een apart tankj e van + 500 1 en dezelfde filterpomp kan dan

als precoatpomp gebruikt worden.

Men kan dan ook een zelfde type filter (niagara) gebruiken om

het glucose-sapfiltraat met actieve kool te filtreren in plaats van het kaarsenfilter. Er zit nl. een nadeel aan het kaarsen-filter en dat is dat het vrij moelijk te reinigen is (hoewel

dit niet onoverkomelijk is) daar dit met terugspoeling moet geschieden. Als men een filter heeft met een filtrerend

V1

Filtraat_

afvo er

V1 VLOTTERTANK

P2

VAKUÜMPOMP

SCHEMA

VAN

EEN

VAKUÜM

TROMMELFILTER

Wasv{oelstof

t

F

8

lP

Fit

t

ra a

t

I

F

i

l

t7>e r koe k

VI.

_Toevoer

Filtraat

recirculatie

>-PS

"'Overloop

Water

,.Precoa1.

toevoer

V6

P31 FllT

RAAT

PO

MP

P51

FILTRAATPOMP

P71 PRECOATP OMP

Vit

I

FILTRAAT

AFSCHEIDERI IV61 PRECOAT MENGTANK

I IFSI

TR OMME

LFI

L TER

_.J::,.

r ' r -, I L )

~l

1 k van 2 ~a 3 m2

opperv a dan zal de terugspoel vloeistof steeds de weg van de minste weerstand volgen en zal de reiniging zeer onvolkomen zijn. De kaarsen. uit kaarsen-filter moet men daarom uit het kaarsen-filter halen en reinigen in grote bakken met warm water.

Bij de Niagarafilter wordt echter met behulp van een waterstraal de filterkoek afgespoten zodat een volledige reiniging gegarandeerd is.

.

,

r ,

Indamping

Hierbij voor de berekening de volgende opmerkingen:

in verband met het gevaar van caramelvorming en verkleuring kan de hoogste concentratie niet de hoogste temperatuur hebben (dus geen tegenstroom, maar "fo~"ard feed")

warmteoverdrachtscoëfficienten van suikeroplossingen uit Perry (21) zijn gebruikt, omdat deze hetzelfde zijn voor glucose-siroop (zie bijlage F) •

continu proces

bij geconcentreerde oplossingen is de viskositeit hoog en de warmteoverdracht gering. Vandaar de flash.

3

Voor de berekening gaan we uit van een slurry van 3.10 kg/hr van 300 Brix die we indampen tot 800 Brix. Dat betekent:

900 kg glucose

J

2100 kg water

J

moet \-lorden omgezet in

ç

900 kg glucose

L

212 kg water We gaan uit van een druk in de eerste verdamper van 3 atm., in de tweede van 1 atm. en in de flash van 0,07 atm.

De eerste verdamper

N.B. alle hoeveelheden genomen per uur.

Voor opwarmen van 300 naar 1300 C is nodig

CpAT

=

0,8.4,2.100.3000

=

1.0.106 kJ

voor verdampen van 900 kg

= 900.910.2,33

=

1.91.106 kJ

Totaal is nodig 2.91.10 6 kJ

Berekeni.ng totaal oppervlak warmtewisselaar:

2910.103

=

650 x 20,5 x 50

=

2

4,4 m

Samenstelling slurry in 900 kg glucose

7_

2100 kg water

5

uit: De tvleede verdamper 900 kg glucose

1

1200 kg water

J

dus 300 Brix dus 430 Brix

Hierin t-lOrdt de damp van de eerste verdamper gebruikt

(1300 C, 3 atm. 900 kg)

Energiebalans

Warmtei.nhoud damp

=

verdamping water + warmte nodig voor

expansie

900.910.2,33

=

X.970.2,33

x

=

920 kg

-199.000

Berekening oppervlak:

A

=

~

₌

1910

=

6.8 m 2

U6T 550 x 20,5 x 25

óT

=

300 kookpuntsverhoging

=

300 50

=

250

Sé'Jnenstelling slurry in 900 kg glucose

1

1200 kg water dus 430 Brix uit: 900 kg glucose

~

280 kg water dus 760 Brix

Economie van de tHee verdampers

De economie is de hoeveelheid verdampt water gedeeld dool' de hoeveelheid stoom.

De hoeveelheid verdampt water is 1820 kg.

De hoeveelheid stoom benodigt in de twee verdampers en de warmte-wisselaar voor de eerste verdamper is 1440 kg.

D us e econom1e van d . d· 1 t proces 15 . 1820 1440

=

1 26 , .

Flash CpdT

=

4,2.0,6.'180.60

=

d0 + Vdp (te verwaarlozen) kJ 1105.2,33.X /hr X

=

70 kg.

Samenstelling slurry in 900 kg glucose

~

280 kg water 900 kg glucose

1

210 kg water uit: dus 760 Brix dus 800 Brix 46

Berekening pompen en vaten

Om eenvoud te bewerkstelligen en daarmee vervangen goedkoper

en onderhoud te vergemakkelijken, _{is geprobeerd steeds} de-zelfde typen pompen en vaten te gebruiken. Materiaal:

roestvrijstaal.

Vaten

3

De _{volgende vaten van 10 m zijn nodig:}

1. _{Voorraadvat met roerder}

2. Filterbuffervat _{V4 en VlO; 2x met roerder}

3. Dunsapbuffer V13 en V16; 2x' zonder roerder

4. _{Voorraadtanks V25 en V27; zonder roerder}

De afmetingen van de vaten zijn:

D

vat

H

D

roerder

Vermogen roerder:

3 Vaten van 5 m :

=

0,7 m

=

2,5 m

=

0,4 m

=

0,5 KW

Diksapmengtanks V26 en V28: 2x met roerder

De af~etingen _{van de vaten zijn:}

D _vat

=

0,55 m

H

₌

_{1,7 m}

D _roerder

₌

0,3 m

3

Vaten van 0,1 m :

1. 2 kooltanks met roerder 2. Sodatank 1x met roerder

3. Zoutzuurtanks 1x zonder roerder

De afmetingen van de vaten zijn:

D vat H D roerder Vermogen roerder Pompen

=

=

=

=

25 cm 50 cm 30 cm 0,1 KW

Er zijn totaal 7 pompen nodig:

Deze hebben allemaal ongeveer gelijke vermogens behalve een pomp nl. de aktief slurrypomp, P11, die naast een flinke opvoerhoogte een hoge druk (4 atm.) moet leveren (en bovendien moet deze pomp bestand zijn tegen het corrosieve aktieve kool (titaan).

Berekening pompverrnogen:

P

=

Q H 0

4500?( ) p.k.

Q

₌

capaciteit in I/min

H

₌

man. opvoerhoogte in m.

f

= soortelijke massa in kg/l

7I

= pomp rendement P

₌

500 x 20 x 1,150

₌

4500 x 0,8 ( 21) 3,2 p.k.

₌

2,4 KW 48

Er is uitgegaan bij de elektriciteitskostenberekening van 3 KW en voor de aktief slurrypomp Pll van 10 KW. Zie verder de apparatenlijst (bijlage D).

Stoom

Per dag is aan stoom nodig:

In de reactor In de zuivering In de verdamping Totaal 6.1 ton 1,1 ton 17.8 ton 25,0 ton ' 48

r '

Kostprijsberekening

Er zijn 3 kostprijsberekeningen gemaakt:

A. In de Westeuropese situatie

B. Deze Westeuropese situatie overgebracht naar een ontwikkelingsland

C. Met behulp van cijfers uit de ontwikkelingslanden zelf.

A. In de Westeuropese situatie

Investeringen:

50

Procesapparaten (incl. roerders en pompen)

(zie bijlage D)

f 357.000,- (1970)

Voor 1974 : (indèx

=

135 t.o.v. 1970) f 480.000,-Deze zijn dan echter nog niet geinstalleerd.

Met behulp van tabel 17, uit Peters en Timmerhaus (22) kunnen

-we de totale directe en indirecte apparatenkosten berekenen: (uitgezonderd eerste hulp, kantine, etc.)

Procesapparaten

Installatie 39%

Instrumentatie en regelapparatuur 13%

Pijpverbindingen geinstalleerd 31%

Gebouwen 29%

Grond 6%

Bouwrijpmaken grond 10%

f 480.000,- (a)

610.000,-r

Engineering en toezicht

Verdere kosten bij fabrieksbouw

Totale directe en indirecte apparatuurkosten

Werkkapitaal

Productiekosten per jaar:

Afschrijving en verzekering Onderhoud Lonen en laboratorium Grond- en hulpstoffen Stoom en electriciteitsverbruik Totaal 32% van Ca) 34% van Ca) 15% van investering 10% van investering 6% van investering zie bijlage zie bijlage zie bijlage f 130.000,-f 160.000,-f 1.400.000,-f 210.000,-f 1.610.000,- ---f 161 .000,-f

-

97.000,-G f 690.000,-H f 48(3.000,-I f 762.000,-.... / ' ~?

2.414.000,-==t=============

c

Er wordt 2600 ton glucose geproduceerd, dit brengt

f

1,~ per kg op.

Dit levert f 2.600.0005 - , Dit betekent dat er f 450.000,-\ winst

ge-maakt wordt of 22% voor belastingaftrek.

51

• J

1 '.

,-/ ' / .----i I .

52

B. De kostprijs in een ontwikkelingsland vanuit de Westeuropese situatie berekend

Hierboven is uitgegaan van een fabriek in Nederland. Dit is echter niet de bedoeling en daarom zal nu getracht worden één en ander te vertalen naar een ontwikkelingsland, alhoewel dit moeilijk is aan-gezien de situatie per land verschillend is.

De investering:

Er zijn vele speciale apparaten, die waarschijnlijk in het land zelf niet gemaakt worden, en daarheen getransporteerd moeten worden, zoals de filtratie-apparatuur, ionenwisselaar en verdamper. Om toch de inve~teringskosten te drukken, kan men de vaten van hout maken, en de reiniging in één stap uitvoeren (het kaarsenfilter weglaten dus) en de ionenwisselaar weglaten. Het weglaten van het kaarsen-filter zal betekenen, dat er meer aktieve kool nodig is en dat er meer gerecirculeerd moet worden. Het weglaten van de ionenwisselaar heeft tot gevolg, dat de smaak verslechterd, dit hangt echter ook van de hoeveelheid anorganische ionen af in het gebruikte zetmeel. Door deze maatregelen zullen de investeringskosten verminderen, maar aan de andere kant zullen deze toenemen door de extra hoge transportkosten en de extra engineeringskosten, zodat het netto resultaat gelijk blijft.

Lonen:

Deze zullen waarschijnlijk veel lager zijn zodat een hernieuwde berekening ons leert, ~ls ieder f 6:000,-/jr. verdient, daarvoor

f 140.000,- nodig is.

' , -

c

Grond- en hulpstoffen

,/ De prijs voor cassave-zetmeel zal iets lager liggen in verband

.\)0;'f~;,

met

de gemakkelijker beschikbaarheid. Het omgekeerde geldt voor

[

\

Energie- en stoomverbruik

Als voornaamste besparing zou men kunnen overwegen, cassave-stengels als brandstof te gebruiken, hetgeen een besparing oplevert, die de stoomkosten enorm drukt (zie bijlage K).

Dan zijn de produktiekosten:

Afschrijving en verzekering Onderhoud Lonen en laboratoriumkosten 10% 6% van investering f 161.000,-f 97.000,-f

140.000,-53

Grond- en hulpstoffen Stoom- en stroomverbruik (schatting) f 456.000,- 'iv-~: L--'" f 400.000,-Totaal f

1.254.000,-Dit is dan per ton glucose f

650,-C. Kostprijsberekening vanuit situatie in ontwikkelingsland

Hierbij is gebruik gemaakt van een FAO-rapport (23). De gegeven

getallen daarin zijn echter van onbekende datum (het rapport zelf

is van 1971) en betrokken op een cassavezetmeelfabriek, zodat

de nauwkeurigheid niet groot is.

De berekening valt uiteen ln 5 tabellen:

Tabel 1 ~nvesteringskosten

Tabel 2 Lonen

Tabel 3 Grond- en hulpstoffen

Tabel 4 Stoom- en electriciteitsverbruik

Tabel 5 Totale kosten

Tabel'l Investeringskosten

Apparaten (zie bijlage

9)

Installatie 20% van apparaatkosten

Engineering en design 10% van apparaatkosten

Opstartkosten

Verdere kosten bij fabrieksbouw

10% van apparaat- en installatiekosten

Kosten grond, en grondvoorbereiding etc.

Gebouwen voor apparaten, opslag, laboratorium

reparatie etc. Totale investering f 480.000,-f 96.000,-f 48.000,-f 20.000,-f 115.000,-f 20.000,-f 200.000,-f

979.000,-54

?\ {~ û" ... Î ( _ij"

"

[, jtl'"

Lj,. (.'

, l

Tabel 2 Lonen

In het algemeen variëren de lonen in het FAO-rapport tussen

$ 400 en $ 12.000. Daarom is als gemiddelde DF 7.000,-

ge-nomen, zodat dan voor 20 man aan lonen DF 140.000,- nodig is

(zie bijlage G).

Tabel 3 Grond en hulpstoffen

Vergelijking met het FAO-rapport leert, dat hiervoor dezelfde

n

bedragen gebruikt kunnen worden als in bijlage fo.i'!

-Tabel 4 Stoom- en electriciteitsverbruik

6

Er zijn 10 gallons olie nodig per jaar

Kosten stoomgenerator, etc. per jaar

Electriciteit~ 62.500 KWh per jaar à 4 ct

Totaal

Tabel 5 Totale kosten

Afschrijving 10% van investering (tabel 1)

10% afschrijving werkkapitaal (zie hieronder)

Belasting en verzekering 1% van investering

Onderhoud ~an inves'tering

Lonen (tabel 2)

r'

Grond- en hulpstoffen (bijlage

A'

Stoom- en electriciteitsverbruik 1 1 1 I I I I I I I I 600.000,- 150.000,- 3.000,-753.000 ,-100.000 ,- 40.000,- 10.000,-30.000,"': 140.000 ,- 480.000,- 756.000,-I 1.556.000,-

---55

56

Dit lS per ton glucose f

600,-Het werkkapitaal is de kosten van 3 maanden produceren f

390.000,-Vergelijking van de laatste 2 kostenberekeningen:

Het blijkt dat de kosten in beide gevallen in dezelfde orde

van grootte liggen: in het ene geval f 480,- in het andere

geval f 600,- per ton glucose bij een geschatte

Vlereldmarkt-prijs van f 650,- per tOn glucose. Het grote verschil ontstaat

door lagere stoomkosten door het gebruik van de cassavestengel

als brandstof. Globaal blijkt, dat de vertaling van de

West-europese situatie naar een ontvlikkelingsland (B) een even hoge

kostprijs geeft, als een berekening met getallen die voor

I '

!

BIJLAGE A

De enzymatische omzetting als alternatief:

Bij dit proces is een vervloeiing en daarnaast nog eens een

enzymatische omzetting nodig, zodat de hier gebruikte appa-ratuur uitgebreid moet worden. Verder neemt de ingew ikkeld-heid van het proces toe. Enzymen kosten : f 20,-/kg. Gesteld dat er ~% op d.s. nodig is kost dit f 12.500,- x 20

=

f 250.000,- per jaar extra, terwijl er f 6.000,- per jaar minder hoeft betaald te worden (geen zuur en geen soda). Extra kosten dus f 244.000,- per jaar. Als men dit bijelkaar optelt (hogere investeringskosten, ingewikkelder proces en duurdere hulpstoffen) komt men tot de slotsom, dat een volledig zuur proces de voorkeur verdient. De zuiverheid bij enzymatische omzetting is natuurlijk wel hoger.

r '

,-5

8

BIJLAGE B

Dextrose Equivalent (DE) (3).

DE

=

totale hoeveelheid _{totale droog}reducerende suikers _geVlicht (uitgedrukt als glucose)

Maltose-dextrines DE

<

20

Lage conver sie siropen. DE 20 - 38

Normale omgezette siropen DE 38

-

42

Hoge omgezette siropen DE '"'-' 65

I

,~room

_1,2

I

5 7 Stof num-mer Z~TI,:I;EL 10.103 3 3 e-:t/of 10,5,10 10,5.10 GLUCOSE . YlA'l'E,.,{ 20.103 28,6.10

31

26,3.10

3

AKTIEVE 50 KOOL VE:1 ON 'EE I 50

I

50 50 VE'I,/SIHIT -- - -- - - ---- - - --- _____ ~i Per dag

l8,12,13

10,5·10 3 24,3.10 3 I 1 - zoutzuur soda 15,18 20,21,24 27 28 ;0,5.10 3 10,5·10 . 3 10,5·10 3 10,5·10 24,3.10 50 3 24,5·10 3 14,0.10 3

I

, ~~ 46 1 geconcentreerd (65%) 106 kg watervrij 3,3.10 N 0 r.:: r+ 29,31,33 N .: c '3 ,

I

CD ~ 3 . 3 10,5·10 Cl) 0 Po. Pl

-

_N

...

u. 3 _2,6.10 3 1 •

i

t

I

; j Cl 'D ~ r+ <: (D ~ (1) f-'

I

Po.

ct

rr; (fJ (U CF. r+ » 0 :=J Ir, .... 1-'. ; j ~\-CCi ... p.. !l> (Jq

.

..,." (:J-C1 0~

g

'

Pl f-' P! ~ (J) V1 \0 t;:l H c... t-< > Cl t'1 ()