De fermentatieve bereiding van xantan

o

o

·

0

,

o

o

1

0

i

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

I ; ,

'.

1. Nr: 2505

.

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

... ~~ ... ~9.gg ... ~J). ••• W!_~t •.... G.r.9.9.h ... _ .. _ ... .

onderwerp:

.... .ne._i~rmentatie.v.e. .. bereidi.ng .. 1Can..xanth.an.. ... _

adres: Px:uimentuin 18, 2991 TP Barendrecht. opdrachtdatum : Sept. 1980

B

-

D

--

-8

0

0

0

0

B

0

D

-

0

. a

0

D

0

q

.

~

, . l . r ' l. r , l ,

[1

n

n

n

n

\~

L

I

De fermentatieve bereiding van xanthan.

Fabrieksvoorontwerp no. 2505 Juni 1982 M. Bode Pruimentuin 18 2991 TP Barendrecht 01806-3757 W.J. Groot Toussaintstraat 58

2406 XR Alphen aan den Rijn

[~

r ' l • r , l •

[

, l,

[1

n

n

n

II Samenvatting.

In dit verslag wordt een voorontwerp van een fabriek voor de bereiding van xanthan behandeld. De jaarproductie van de fabriek bedraagt 4153 ton, "food grade" xanthan uit 6494 ton glucose.H₂0. De bereiding van xanthan vindt plaats in 16, speciaal voor deze fermentatiè ontworpen fermentoren met een werkvolume van 105 m3 In een volcontinue dienst worden per jaar (= 300 werkdagen) 720 fermentaties uitgevoerd. De hoofdfermentatie is fed-batch, de bereiding van medium verloopt continu en de opwerking tot een poedervormig product semi-continu.

De productiekosten van xanthan zi~ f 9,86 per kg. Bij een marktprijs van f 13,00 per kg bedraagt het rendement op geinvesteerd vermogen na aftrek van 48

%

belasting 9,9

%.

111

o

1 Inhoud I . r ' [ . r ' I .

[]

n

pag Titelblad. I Samenvatting. 11 1 Inhoud. 111

2 Conclusies, aanbevelingen en knelpunten. 1

3 Inleiding. 2

4 Uitgangspunten voor het ontwerp. 3

4.1 Fysische en chemische eigenschappen van produkt,grond-

3

en hulpstoffen.

4.2 Aannamen.

6

5

Beschrijving van het ontwerp.

7

6

7

8 5.1 De fermentatie.

7

5.2 Computersimulaties. 12 5.3 Reaktorontwerp'. 13 5.4 Procesuitvoering. 5.5 Afvalstoffen. Pro ce son twerp •

6.1 Bereiding van de media. 6.2 De hoofdfermentatie. 6.3 De entfermentatie. 6.4 Opwerking produkt. 6.5 Terugwinning hulpstof. 6.6 Pro c aas chema".

Massa- en warmtebalansen. Apparatenlijsten.

9

Kostprijsberekening en rentabiliteit. 10 Lijst van gebruikte symbolen.

15

1€ 19·.· 19 22 31 33 37 41 42 50 59 63 68 11 Literatuurlijst. Bijlagen: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Computerprogrammao 70

Rheologische eigenschappen van xanthanoplossingen. 74

Zuurstof overdracht naar xanthanoplossingen. 76

Vermogenskental turbineroerder en propeller.

77

Berekening warmtewisselaars. 78

Hittesterilisatie van media. 81

Luchtsterilisatie. 82

Dimensionering van de koelinstallatie. 83

Dimensionering van de compressor. 84

Y-X diagram van het systeem isopropanol - water· 85 T-Y-X diagram van het systeem isopropanol- water. 86

u

[

[

:

r' I I , 1

-2. Conclusies, aanbevelingen en knelpunten. Conclusies.

De prijs van xanthan van f 13,00 per kg is scherp concurrerend met de huidige prijs van "food grade" xanthan (geschat op f 25,00/kg). Dit is het gevolg van:

i de verlaagde investeringen aan fermentatieapparatuur (de kosten-bepalende post) vanwege het fermentorontwerp dat opschaling mogelijk maakt.

ii het toepassen van een fermentatie tot een hoge productconcentra-tie hetgeen kostenbesparend werkt bij de opwerking. Dit betekent ook dat indien het fermentatiebeslag niet opgewerkt maar opge-slagen wordt zodat direct toepassing van het product mogelijk .ia, de prijs van xanthan weinig lager ligt: f 12,00 per kg xanthan voor een 49 kg/m3 Kanthanoplossing.

Aanbevelingen.

1 De grondstofprijs bepaalt voor 24

%

de kostprijs van xanthan. Dit percentage is laag voor een biotechnologisch proces. Niettemin is het interessant te bekijken in hoeverre een goedkoop substraat als wei of melasse na een noodzakelijke voorbehandeling besparend werkt. 2 Er dient verdere optimalisatie plaats te vinden van de

warmtehuis-houding van de opwerking en de terugwinning van de hulpstof bij de

L •

.c

l

'.1' :' opwerking. Voor de destillatie in de opwerking kan vanwege d_~zel!de r " l ' , \ g!,ootteorde van de warmteinhoud van top- en bodemprodukt gedacht

I " l J I.

n

n

r

r

l

worden aan compressie van het topprodukt waarna condensatie onder opwarming van het bodemprodukt.

Knelpunten.

Er bestaat weinig literatuur over de eigenschappen van extreem pseu-doplastische oplossingen. Verschillende relaties zijn tot ver buiten het geldigheidsgebied gebruikt. Met name rezen er problemen wat betreft a. de zuurst of overdracht naar

b. de warmteoverdracht in c.\ de menging in

U

o

[

r '

L •

r '

\ l . l . r ' l .

n

n

n

n

- 2

-3

Inleiding.

Waterige oplossingen van het microbiele polysaccharide xanthan kenmerken zich door de extreme pseudoplasticiteit. Van deze eigen-schap wordt gebruik gemaakt in voornamelDk twee industrieen:

1 De olieindustrie.

Bij de "Enhanced Oil Recovery" (EOR), methoden om moeilijk winbare olie boven de grond te halen, kan gebruik worden gemaakt van een circa 500 ppm xanthanoplossing om de olie uit de grond of poreuze gesteenten te persen.

2 De voedingsmiddelenindustrie.

Xanthan wordt gebruikt als verdikkingsmiddel in verschillende voedingsmiddelen. Tevens is voor de levensmiddelenindustrie van belang de eigenschap van xanthan om met andere polysacchariden

een gel te vormen.

Verwacht wordt dat de unieke rheologische eigenschappen van xanthan-oplossingen hun toepassingen zullen vinden op vele gebieden. De

grootste toekomstige afnemer van xanthan lDkt de olieindustrie, echter een doorbraak in de vraag naar xanthan voor EOR heeft nog niet plaats-gevonden. Dit blDkt ook uitdè voor 1979 opgegeven productiecapaciteit

(tabel 1) en de voor 1980 geschatte jaarproductie van 8000 ton (waar-van de helft afgenomen door de voedingsmiddelenindustrie:

(1)).

Het Gulf Consortium schatte in 1976 de vraag naar xanthan voor EOR voor 1980 op 1200-3300 ton en voor 1985 op 10.000-19.000 ton/jaar bij verschillende energiescenario's

(2).

De prijs van "food graden xanthan bedroeg in 1980 ongeveer f 21,00 per kg (11).

We hebben xanthan als onderwerp van het fabrieksvoorontwerp gekozen omdat we ideëen hadden over het opschalen van fermentaties met hoog visceuze vloeistoffen en omdat xanthan in de belangstelling staat. Tabel 1. Productiecapaciteit van biopolymeren (v.n.l. xanthan; (2)).

Company Affiliates Location Capacity" Date

KELCO Merck San Diego 3,500x Existing subsidiary

KELCO Merck Oklahoma subsidiary

BIOSYNTHESE- Rhone Poulenc }lelIe MELLE General Mills (France) GENE RAL MILLS Rhone Pou1enc Iowa TATE t. LYLE

TATE & LYLE

Hercules Inc. NAO

Hercules Inc. NAo

Total known capacity by end 1979

10,000 End 1976

2,000 Existing

2,500 Mid 1977

NAO

18,000+ Metric Tons

Estimated "conventionéll" markets by end 1979 15..,16,000 M Tons

x Being expanded to 5,OOot/yr but includes development

.facilities.

u

r'

L

f '

i

l r ' .,

.

I ,

~l

~l

n

n

[1

. n

3 -4 Uitgangspunten voor het ontwerp.

4.1 Eigenschappen/gegevens van product,grond- en hulpstoffen. 4.1.1 Xanthan.

Xanthan bestaat uit een hoofdketen van cellulose met per eenheid van 2 glucQse moleculen een zijketen met een glucuronzuurmolecuul en 2 mannosy.l-groepen waarvan één veresterd met azijnzuur (fig. 1). Per 4 eenheden zijn 1 tot 2 moleculen pyrodruivenzuur als acetaal aan een mannosemolecuul verbonden. Naarmate xanthan meer pyrodruivenzuur bevat stijgt de mate van pseudoplasticiteit van de xanthanoplossing. De hoeveelheid pyruvaat is afhankelijk van het gebruikte organisme en de omstandigheden tijdens de groei (pH, T, medium).

"

Figuur 1. Structuur van xanthan (M

=

Na +, K+, tCa +2: n ~ 2000; (32)). Enkele eigenschappen/gegevens van xanthan:

1 Xanthan is een zwak zuur. Als poeder komt het voor in de zuur- of zoutvorm (met Na+, K+ of i Ca+2 ). In de zoutvorm lost xanthan snel op in water. Xanthan bevat als poeder circa 7

%

water en de

overall dichtheid is ongeveer 600 kg/m3 (3).

2 Xanthan geleert. uit met galactomannan, een ander polysaccharide. Ook ontstaat bij hoge concentraties aan Ca+2 of Al+3 een gel. 3 Xanthan precipiteert uit een waterige oplossing indien methanol,

ethanol, isopropanol of chloroform wordt toegediend (1). 4 Xanthan is van "food grade" kwaliteit indien opgewerkt met

isopropanol (1) •

5 De elementairformule en het C-molgewicht is voor xanthan berekend op grond van figuur 1 en 2 mol pyruvaat per twee eenheden:

Zuurvorm: CH1,4000,82

Kaliumvorm: _CH1

_,

36

00 82KO 042

_,

_,

M

=

26,52 glC-mol M

=

28,11 glC-mol

u

lJ

[

r ' l, I l, r--,

l

J

1

n

n

n

n

r

4

-4.1.2 De rheologie van xanthanoplossingen.

De rheologie van een xanthanoplossing is met de power-law

te

beschrijven, (4) :

(4.1) Xanthanoplossingen vertonen ook een zekere mate van yield-streas, met name als de oplossing calcium ionen bevat. In de praktijk wordt echter gewerkt bij .hoge afachuifsnelheden en geldt de power-law.

De viscositeit van een pseudoplastische vloeistof wordt bepaald door de afschuifsnelheid en voor rekendoeleinden wordt altijd gewerkt met de schijnbare viscositeit ("apparent viscosity") welke voor xanthan-oplossingen kan worden beschreven met:

•

I'a

=

K.(~

)n-1 (4.2)

waarin K de consistentie in Nsn/m2. De consistentie en de power-law index n is bij xanthanoplossingen afhankelijk van de concentratie aan dit biopolymeer. Bij benadering gelden de volgende relaties (4):

K

=

a.cxa

b (4.3)

en n = p + _{q.log CXa} (4.4) In bijlage 2 zijn de constanten in deze relaties afgeleid uit een

aantal literatuurgegevens:

K

₌

_0,089.CXa 1,98 _{voor voor CXa}

_<:

_{9,55 kg/m}

3

_(4.3a) K

₌

_0,52.CXa 1 ,20 _{CXa .>9,55 kg/m}3 _(4.3b)

en n

₌

0,56 O,42.log C_{Xa voor CXa <5,6 kg/m}3 (4.4a) n

₌

0,34 0,125.log C_{Xa Cxa ?5,6 kg/m}3 _(4.4b) De viscositeit van een xanthanoplossing is nagenoeg onafhankelijk van de ionensterkte, de temperatuur tussen 20 en 100

°c

of de pH tussen pH 2 - 10 (1). De viscositeit is van weinig invloed op diffusie-coefficienten (5) of de warmtegeleidingscoefficient (6). De opper-vlaktespanning kan bij hoge viscosi tei ten

(f'a"~

1 Ns/m2) met ongeveer 10

%

dalen (23).

4.1.3 Constanten/thermodynamische gegevens.

- In tabel 2 zijn enkele stofconstanten van produkt en grondstoffen weerg~geven.

- Glucoseoplossing: cp

=

1 - (0,6 - 0,0018.T).C_S/1000 cal/gOC

. ' . 0 '

u

o

u

,-'

I l _ , , I , J l • l ,

I'

l j

[1

n

n

n

n

n

n

l J -- -- 5 - Water (T in K): Vloeistof: cp Gas

=

0,10416 -

1,8091.10-4~T

+ 2,161.10-1 .T2 kJ/moloC

=

0,011631 - 1,8808.10-4 .T + 2,0981.10-1 .T2 kJ/moloC - Isopropanol (IPA; M

=

60 kg/kmol; T in K)

Vloeistof: cp Gas • c _{• p}

=

0,19895 - 1,0906.10-3 .T + 3,25.10-6 .T2 kJ/moloC

=

0,59155 - 2,355.10- 3.T + 2,9286.10-6 .T2 kJ/moloC - .ó.H _cond,W

=

2258 kJ/kg - hH cond,IPA = 616 kJ/kg

-

~

=

0,63 W/moC

Tabel 2. Stofconstanten van product en grondstoffen.

Component Elementairformule M (kg/kmol) Biomassa _{CH1,800,5NO,2PO,0055S0,0045 (1)} 24,91 Xanthan _{CH1 ,4000,42} 26,52 Glucose _C6H1206 180 Zuurstof _°2 32 Ammonium NH+ 4 18 Fosfaat _H2P0'4 97 Sulfaat SO-2 4 96 Koolzuur CO₂ 44 Water H₂0 18 Vormingswarmte H (kJ/kg) -4704,1 (18 ) -6632,1 ( 1 ) -7048,3

°

-8083,3 -13537,5 -9460,4 -8945,5 -15846,7 4.1.4 Toxicologie en explosiegrenzen.

Ammoniumnitraat: - niet vluchtig, explosief.

Isopropanol: u

.

30 25 15 10

- geeft in contact met org~ische oplosmiddelen

aanleidipg tot broei met als gevolg explosiegevaar.

J

[/'"

Vi

-co:-. _{FIRE POINT}

~F'Ri POIN

J

I

I longen: prikkeling ademhalings-wegen en suf gevoel. huid: prikkelend op de ogen. maag: onverdund: sterk brandend

gevoel;tast maagwand aan. - zelfontbrandingstemperatuur:

T = 455 °C.

i~vlampunt (39). Figuur 2.

o 20 40 60 _ 80 100 WATER IN ISOPROPYL ALCOHOL, % by vol

Flash points of isopropyl alcohol-water mixtures

i

u

o

.[

[

:

[

l 0 l o l. r'

l

~

n

n

n

n

r

6 -4.2 Aannamen.

- Afgeleid uit gegevens over oplossingen van glucose of dextran (9): Beslag entfermentatie :

p

=

1010 kg/m3

Beslag hoofdfermentatie (constant):

p=

1030 kg/m3 - cp,xanthan

=

cp,cellulose

=

1340 J/kgOC

- Oplosbaarheid van 'zuurstof in medium (p = 1 atm, T in °C; (10)): CI = 14,161 - 0,3943.T + 0,007714.T2 - 0,0000646.T3 mg/l

- Diffusiecoefficient van zuurstof in medium/beslag: m.b.v. Wilke-Chang formule met

'L

=

10-3 Ns/m2: ID

=

2,06,_10- 9 m2/s (29)

- Citroenzuur zal door organismen worden gerespireerd volgens: C6HS07 + 4t 02 ~ 6 CO2 + 4 H20

in kg: 01 00,750 1,375 0,375

B~ de berekeningen is aangenomen dat geen citraat wordt omgezet_ - Aangenomen is dat Xanthomonas-cellen uit een 49 kg/m3

xanthanoplos-sing kunnen worden afgecentrifugeerd indien:

.

/

J.: a. isopropanol wordt toegevoegd tot 15 w/w ~ (30),

b. de temperatuur van afcentrifugeren wordt verhoogd tot 60

°c,

c. en afgecentrifugeerd wordt met een continue schotelcentr~fuge

met "light skimmer phase", speciaal voor visceuze media' (31). Het vermogenskental van een roerder in een beluchte pseudoplastische oplossing blijkt bij grote Re onafhankelijk van de mate van beluchting en pseudoplasticiteit. Voor een beluchte, met een turbine geroerde xanthanoplossing

Np, t

=

1 Voor een roerder

is voor het vermogenskental aangenomen: voor Ret

=

p.Nt .dt 21"a,t

>

350 (bijlage 4)

met 3 tU~bines: 'Np,t

=

3.1

=

3 (21).

- Onderzoek aan pseudoplastische oplossingen wordt meestal verricht aan papierpulp of oplossingen van CMC (Carboxy Methyl Cellulose) met K

~

1 Nsn/m2 en n .?J- 0,5. De volgende relaties zijn daarmee sterk .

geextrapoleerd: - mengtijd van een turbineroerder (verg. (6.24). - grootte (verg. (6.19)) en stijgsnelheid (verg.

(6.20)) van gasbellen.

Voor de zuurstofinbreng in extreem visceuze media zijn geen adequate gegevens bekend. We hebben aangenomen dat de formule van HenzIer

(22), afgeleid uit een aantalliteratuurgegevens, geldt, welke dan is gecorrigeerd voor een tweetal metingen van Charles (27) aan xanthanoplossingen door te vermenigvuldigen met een 'factor 2 (zie bijlage 3):

met turbineroerder(s) geroerd vat:

u

_{- 7}

o

5 Beschrijving van het ontwerp.

c

r '

l ,

I . , , 1.. ", I • r ,

l

j

~l

~

n

n

n

n

n

r'

I , 5.1 De fermentatie. 5.1.1 Microbiologie en metabolisme.

Xanthan wordt geproduceerd door verschillende bakterieen van het

geslacht Xanthomonas. Deze aerobe microorganismen zijn plantenpathogeen en verankeren zich aan een plant doordat het exopolysaccharide xanthan een gel kan vormen met polysacchariden van de plant. De commerciele productie van xanthan door submerse kweek van Xanthomonas campestris NRRL-B 1459 werd rond 1960 ontwikkeld naar aanleiding van onderzoek aan het Northern Region Research Laboratory te Peoria, Illinois in de Verenigde Staten. Met regelmaat verschijnen patenten en publicaties betreffende de microbiele productie van xanthan.

De syntheseroute van glucose naar xanthan is vermoedelijk als volgt

(12): - opname van glucose door de bacterie

- modificatie van glucose en opbouw van subunits - uitscheiding van subunits in het medium

- polymerisatie van subunits tot xanthan door de actie van

een exo-enzym.

Xanthan is een niet groei-geassocieerd product hoewel de

reductie-graad van xanthan lager is dan van glucose en het organisme dus

energie win~ bij de synthese van het polymeer. Naast substraatverbruik

voor de opbouw van het polysaccharide en celmateriaal treedt dus ook oxidatie van glucose naar water en koolzuur op.

5.1.2 Kweekmethode.

Als fermentatietype is gekozen voor een fed-batch fermentatie zoals

beschreven in.een octrooi van Wernau (14). In deze fermentatie wordt

over een periode van 127 uur een glucoseoplossing geprogrammeerd toegediend aan de cultuur. Na 137 uur resulteert bij volledige omz et-ting van substraat een (voor de opwerking gunstige) hoge

xanthan-concentratie van 51 kg/m

3

(tabel

3).

De volgende kweekmethoden komen

niet in aanmerking voor een crommerciele toepassing:

1 Batchfermentat'ie (figuur 3).

In batchfermentaties worden geen hogere xanthanconcentraties

gehaald dan ca. 30 kg/m3• Het succes van een fed-batch fermentatie

is waarschijnlijk gelegen in het verdunnende effect en de constante glucoseconcentratie.

U

o

l.

[

~

r~ I l , , l . ,

,

l

J

r'l

I •

l

[1

n

n

- - - -- 8

-Figuur 3. Verloop van een batch xanthan-fermentatie van een complex medium met 5 ~ glucose. pH-controle met KOR (19).

pH 16 --..,.-- - - - --:"':--:-::"-":":--~_-:--- -2 Continue fermentatie. Xanthan , ......... 11'

..

---~.,. . •. " ,,~' - ... --... ~..ItrDten ,~#... ,.,~,,~ .. "'~

,

,

" ,.' eells , :?j -:;( " " . , .' ~ ... , °O~~20~-4~O--~60~~8~0~~--~

fermentatien A&e. Heurs

0.8 ~ à; 0.6 ::: ...

-o .g . ~ z 0.2 ~ c; ..,.

Een continu cultuur van X. campestris kent het nadeel van dege-neratie waarbij de kwaliteit van xanthan wat betreft de rheologie

achteruit gaat (13). Tevens is het succes van een continue fer-mentatie in de . praktijk vermpedelijk gering omdat de fermentatie zeer gevoelig is voor infecties.

3 Dialysecultuur.

Een octrooi (12) beschrijft een continu proces met een reactor waarin een cultuur van groeiende Xanthomonas cellen via een semi permeabel membraan stoffen afgeeft die afgevoerd naar een tweede reactor de aldaar toegevoegde &lucose'doet'polymeriseren tot xanthan. Procestechnisch gezien heeft deze enzymatische bereiding veel voordelen boven andere productiemethoden, echter zij lijkt ons op dit moment (nog) niet technisch uitvoerbaar.

Tabel 3. Verschillende fermentatietypen voor de productie van xanthan. Fermentatietype Batch .Continu)E Continu)E)E

( 11 ) ( 1 3) ~ (15) Fermentatieduur (hr) 72

-

-React orvolume (m3 ) . 5,5 8. 1 0- 3 Verèunningssnelheid

-

0,023~ _0,05 ( 1/hr) ~ 0, 196 Productiviteit ----:..." I· 0,20 0,34 ---7' 0,35 (kg Xa/kg.hr) -..0,84 J Xanthanconcentratie 14,5 14,8~ 0,7 (kg Xa/kg) ~3,4 Conversie (~) 100 81 ~89 58 Productofbrengst kg Xa/kg S) 0,65 0,8~0,4 0,60

~ Complex medium (overigen synthetisch medium).

~I Ammonium gelimiteerde cultuur.

Fed-batch (14 ) 137 7,1.10 -3

-0,37 51 , 1 100 0,70

i

_L.J

1

c

5.1 .3 Kinetiek.

9

-De kinetiek van een xanthanfermentatie is volgens (16) met de volgende

vergelijkingen te beschrijven (r in kg/m

3

hr):

r:

.

'

J

<.

,

c

'

VO:::::

V::::l~:::tische ;~ei:~m::~~:

1

_e:

_:::~:band

_tus

_.

_sen

_:~.

1)

! (/À.J" _{ . / '

r

,

\' ('

,

1 , gro.eisnelheid en de substraatconcentratie. Dit is :v~, echter

l.

deze vergelijking is wel in staat het maximum in de

biomassaconcen-tratie te beschrijven (figuur

3).

l.

l,

l . r -, , ., I •

[1

[J

o

n

n

n

I _{Xanthanproductie .l (5.2)}

De productiesnelheid van de secundaire metaboliet xanthan bestaat dus uit een groeiafhankelijke en een groeionafhankelijke term.

Substraatconsumptie of met verg. (5.2)

=

rx!YSX - rxalYSX~ - ms·CX = - _{P.CX - q.rX} (5.3a) (5.3b) Voor de rekendoeleinden is met de volgende parameterwaarden gewerkt:

6 -1

IJ., = 0,1 hr Afgeleid uit resultaten ,van groei van

I max

c

max

₌

1,6 kg/m

3

X. campestris op een medium met een suiker en citroenzuur (17).

X _{Gegevens van een ammoniumgelimiteerde}

n

₌

0,22 kg Xa/kg DS.hr

m

₌

0,36 kg Xa/kg DS continu cultuur (15).

p

₌

1,83 kg S/kg DS.hr _{Overgenomen uit (16).}

q

₌

2,00 kg S/kg DS

5.1.4 Massabalans over de fermentatie.

Om het zuurstofverbruik en de warmteproductie tijdens het fermentatie-verloop te kunnen volgen is een massabalans over de fermentatie

opgesteld. Het systeem is daartoe opgevat als een black box, als substraat dient glucose (7):

S C 6H1206

CH1,8~0,5NO,2PO,0045S0,0045

X °2 °2 CH1 ,4000,82 Xa Amm NH+ 4 CO2 CO2 Fos _H2P04 H₂0 W' Suf SO-2 4 Warmte

u

U

L

l

~

l . l . r-' I l J

: 1

n

n

n

10 -De elementbalansen zDn (r' in kmol/hr): 6r

s

+ri+r xa +rCO 2 C-balans:

°

=

H-balans:

°

=

12rS+4rlmm+2rFos+1,8rX+1,4rXa+2rW O-balans:

°

N-balans:

°

=

=

6rs+2r02+4rFOS+4rSUf+o,5rx+o,82rxa+2rco2+2rw rÀmm+O,2rX P-balans:

°

=

rFos+O,0055rX S-balans:

°

=

rSuf+O,0045rX

Uit deze 6 vergelijkingen met 9 onbekende snelheden volgen met bekende r X' r

Xa

en rS (5.1.3) 6 snelheden: r' °2 r eo 2 rVI r' _Amm r' _Fos r Suf Of met behulp r O ₂ r_CO 2 = _{6rs+1,0189rx+O,94rXa}

=

-6r'-r'-r' _{. S X Xa}

=

-6rS-O,49~8rX-0,7rxa

=

-O,2r

_X

= -O,OO55 r

X

= -O,OO45r

_X

van de molgewichten (tabel 2):

=

1,0667rS+1,3086rX+1,1342rXa

=

-1,7664rS~1,4667rX-1,6591rXa

=

-O,6000rS-O,3593rX-O,4751rXa r Amm

=

_-O,1445rX rFos

=

-~,0212rX r Suf

=

-O,0173r X in kmol/hr in kg/hr

Ook is nu de warmteproductie te berekenen met behulp van de de vormingswarmten uit tabel 2:

r_H = iri .AH_i

u

U

[

[

:

[

r '

l~

r'

II

D

n

n

n

r

11 5. 1 .5 Medium.

Xanthomonas campestris is in staat verschillende suikerhoudende media in xanthan om te zetten. In de praktijk kunnen de volgende groeimedia worden gebruikt;

1 Een complex medium met een suiker en een stikstofbron als gist-extrakt of pept on. Een dergelijk medium is kostbaar.

2 Een synthetisch medium met een suiker en een geschikt stikstof bevattend zout. Voorwaarde hierbij is dat de ent of voorent opgebouwd wordt met een complex medium om het organisme vol-doende reservestoffen mee te geven.

Voor de toepassing van"xanthan voor EOR in de olieindustrie is het aan te bevelen dat -het xanthan geen stof of andere verontreinigingen bevat in verband met het mogelijke dichtslibben van porien in

gesteenten. De volgende natuurlijke media komen derhalve niet in aanmerking als groeimedium:

3

Melasse. 4 Wei

(2).

Gekozen is voor een synthetisch medium (14) bestaande uit een

glukoseoplossing en een mineralenmedium dat zouten bevat in concen-traties van kg per m3 leidingwater:

1,0 NH 4N03 citroenzuur.H₂0 1,2 KH2P04 MgS0 4e7H20 FeS0₄ e 7H20 MnS0 4 Ca(OH)2 pH =

6,8

1,

°

0,1 0,03 0,01 0,01

Een tweetal opmerkingen:

i Xanthan reageert zwak zuur terwijl het micro organisme alleen

xanthan produceert bij een constante pH (pH

=

6,8).

Er is derhalve citroenzuur aan het medium toegevoegd: door consumptie van het zuur blijft de pH constant (17). Tevens doet citraat de groeL-ii

snelheid van X. campestris verhogen. De concentratie NH

4N03 is zo gekozen dat de hoeveelheid ammonium-stikstof toereikend is voor de toename in biomassa bij de

fed-batch fermentatie. X. campestris is in staat nitraat als stikstof-bron te gebruiken maar verbruikt dan meer zuurstof. Indien het medium zuurstofloos is kan het organisme juist weer nitraat als electronenacceptor gebruiken en blijft het in leven (40}.

u

o

r ' , . l , , ,

~l

II

n

n

n

r

- - - -- 12 -5.2 Computerprogramma (bijlage 1).

Om het verloop van een fed-batch xanthanfermentatie te simuleren is een CSMP-computerprogramma opgesteld analoog aan dat in (18).

Voor de ophoping van de verschillende componenten (5.1.3-4) geldt:

dM. / d t = r. ( 5 • 5 )

1 1 max

biomassa: dMx/dt = rX = f'max.MX. (1 - Cx/C

_{x )}

substraat: dMs/dt = FS + rS (5.6)

met FS de toeloopsnelheid

M.=M. _{1 1,}

°

voor t=O. Voor de

dG/dt = Fw

van substraat in kg/hr, r i in kg/hr en massa van het fermentatiebeslag geldt:

+ _{FS - r O - r CO} + rW -

~w

(5.7)

2 2

met ~=GO voor t=o en in kg/hr FW de toeloopsnelheid van water en ~w de verdamping van water. Na integratie van bovenstaande differentiaal-vergelijkingen volgt voor elke component de massa Mi en de concentratie ei =Mi/p als functie v8.!1 de tijd.

Het computerprogramma is doorgerekend voor een batchfermentatie en een fed-batch fermentatie bij verschillende toeloopsnelheden van de

oplos-sing van substraat (tabel 4; bijlage 1). Voor -het ontwerp is verder

gerekend met de gegevens van de fed-batch fermentatie met de constante

toeloopsnelheid van glucoseoplossing van F = FS + FW = 96,43 + 56,64

=153,07 kg/hr. Dit op grond van de overweging: er is weinig verschil tussen de xanthanopbrengsten bij een stijgende verdunning van het begin-volume. Een minimale verdunning is aan te bevelen in verband met de

~~actorconfiguratie. Practijkgagevens zijn echter bekend voor de

grootste verdunning van het beginvolume. Als compromis is genoemde toeloopsnelheid genomen.

Tabel 4. Computersimulaties.

Fermentatietype Batch Fed- Fed- Fed-

Fed-batch batch batch batch

Toeloopsnelheid

-

constant constant constant variabelI

Ms,o

( kg) _8070,4 140,8 140,8- 140,8 140,8 FW ( kg/hr)

-

64,29 96,43 128,57 I F_S (kg/hr) 0 56,64 56,64 56,64 0,5874 FW Einde toeloop (hr)

_-

140 140 140 140 Fermentatieduur (hr) 174,3 157,2 153,6 150,31 153,9 M_Xa eind (kg) 5091 5107 5111 5116 5112 .G eind (kg) 85112 102726 107370 112004 107359 ._-GO = 90196 kg I Vrij naar (14); FW in kg/hr:

Mxa,o

= 86,8 kg

o

--

~t

<

20 hr _{FW = 43,66.exp(0,044.t)} . 20~t

<

90 hr _{FW = 105} 90~ t

<

140 hr _FW = 95

u

r '

l .

l .

r

l .

II

~1

n

n

n

n

5.3 Reactorontwerp. 5.3.1 De fermentor. - 13

-Literatuurgegevens over schaalvergroten van aerobe fermentaties met extreem visceuse media zijn schaars. De problemen liggen op het gebied

van zowel me~ging, zuurstofoverdracht en warmteoverdracht. De grootst

bekende reactor voor een xanthanfermentatie heeft een volume van 5,5 m3 (tabel 3,(11)). Daarbij is de xanthanconcentratie maximaal 14,5 kg/m3 ; in dit ontwerp is dit bij de hoofdfermentatie 49 kg/m3 • We hebben gemeend de schaalvergrotingsproblemen op te kunnen lossen met het volgende reactorontwerp:

Fermentor. î .. ., ----+---~-

-dl

=

0,95.D d_t

₌

0,2.d_d b

₌

0,1.D dd

=

0,8.D s

₌

_dl Maten fermentor. V t (m3 ) V w (m3 ) nt n l H (m) D (m) d t Cm) dl Cm) dd (m) b Cm) s (m) . Hd Cm) Hb (m)

6

(m)

-- ent-12 10 1 1 2,75 2,35 0,37 2,23 1,88 0,235 2,23 2,00 0,35 0,005 hoofd-130 112 3 3 12,00 3,70 0,59 3,515 2,96 0,37 3,515 8,00 0,75 0,01 Stromingsprofiel ontwikkeld door lintroerd~r.

['

r -,

! i . f~ I L r ' I l , r , , , ( , l J ' I I I

~l

II

n

[l

'--1 ( I I I I • -

-- -

14-De fermentor bevat twee typen roerders:

1 Turbineroerder. Een turbineroerder bi'nnen een draft tube verzorgt de micromenging en met de gasdispersie de zuurstofoverdracht. De roerder heeft een kleine diameter, ontwikkelt derhalve een hoge omwentelingssnelheid en afschuifsnelheid en verlaagt aldus de viscositeit van de pseudoplastische oplossing.

2 Lintroerder. Om de draft tube draait met lage snelheid een lint-roerder. Deze roerder verzorgt met de circulatiestroom de macro-menging en de warmteoverdracht.

De hoofd- en entfermentor is Juitgevoerd met een koelmantel met een lengte van ongeveer het hoogste vloeistofniveau +'10

%

gas hold up. Bij de hoofdfermentor is ook de draft tube gekoeld.

5.3.2 Modelma~ige beschrijving van de fermentor.

De reactor is modelmatig te beschrijven als een geroerde tank (compar-timent met turbineroerder) met als externe loop hieraan gekoppeld een propstroomreactor (compartiment met lintroerder):

Compartiment 2 Geroerde tank - . . - . _ -Compartiment 2 Propstroomreactor Spui (Feed) Lucht Figuur 6. Reactormodel.

Voor de zuurstofoverdracht naar het systeem moet gelden (geen over-dracht in compartiment 2:: kla gebaseerd op ~eactorvolume V

1):

r

°

2 • ( V 1 t V 2) = k l a. V 1 • (C I - C 1 ) ( 5 • 8 )

Indien C2~0 volgt voor het zuurstofverbruik in compartiment

2:

/\\. \;" .. -..;' _{rO .V2}

=tf

_{v·(C 1 - C2 )} (5.9) 2

en voor de gemiddelde zuurstofconcentratie in het systeem:

(V1 + _{V2 ).C} = _V1.C1 + V_{2.(C1 + C2 )/2} (5.10) De voor C2

>

0 te ontwikkelen circulatiestroom

r/J

_v is nu te berekenen indien bekend is: r_O (OUR),

TI,

C_{2' V1 en V2 • De volumina V1 en V2}

2 .

volgen reeds uit de reaGtDrconfiguratie (figuur

5):

V

1

=

(dd/D)2.V

=

0,64.V

.

o

l

[

~

[

I'

l . L • , , l , l ,

~l

[1

n

n

n

n

I , - 15 -5.4 Procesuitvoering.

5.4.1 Bereiding van de media.

Het medium met zouten (voor concentraties zie 5.1.5) en, apart, een

37 w/w 1~ige glucoseoplossing wordt continu met hitte gesteriliseerd

door middel van stoominjectie ,na aanmaak in een mengtank.

5.4.2 De,fermentatie.

Een reincultuur van Xanthomonas campestris NRRL-B1459 wordt vanaf een heiligebuis op een complex medium in schutkolven en beluchte fermen-toren opgekweekt tot een massa van 450 kg. Deze cultuur dient als 5 1~ige labent voor de entfermentatie in de entfermentor CR 19) van 12 m3 waarin 8100 kg zoutenoplossing en 730 kg glucoseoplossing. Na 35 uur fermentatie wordt deze cultUur als ent afgevoerd naar de

hoofdfermentor (R 21). Deze reactor met een werkvolume van 112 m3 is dan reeds gevuld met 81000 kg zoutenoplossing. Vervolgens wordt

21430 kg glucoseoplossing constant over een periode van 140 uur toe-gevoegd. De fed-batch fermentatie is na 154 uur beeindigd en de

104,24 m3 cultuur bevat dan 5111 kg xanthan. De fermentatietemperatuur is 28 oe, het totale roervermogen loopt voor de hoofdfermentatie op tot 4 kW/m3 en de beluchting is 0,5 vvm; lucht wordt gesteriliseerd

met behulp van een PVA-filter (T 17). Een gesloten circuit van

koel-water, waarin opgenomen een koelinstallatie (M 22), verzorgt de

koeling van de fermentoren. In verband :met de fermentatietijden is

gekozen voor 1 entfermentor per 4 hoofdfermentoren. De tijdsindeling

per fermentor is:

Vullen Fermentatie Legen Schoonmaken Steriliseren (totaal) Overigen 5.4.3 De opwerking. Entfermentatie 0,5 35 0,5 1 1 2 40 uur Hoofdfermentatie 1 154 1 1 1 2 160 uur

In verband met de verschillende toepassingsgebieden van xanthan (zie inleiding) zullen twee typen opwerking van het fermentatiebeslag

u

l , r , l ,

n

n

n

n

l.

- 16 -Opwerking I.

Xanthan wordt opgewerkt tot een poedervormig produkt. De bepalende stap in deze opwerking is de precipitatie van xanthan uit de waterige oplossing door toedienen van isopropanol. Deze stap wordt uitgevoerd

zoals beschreven in een octrooi van Bouniot

(3).

Alternatieve

opwer-kingsmethoden komen niet in"aanmerking omdat het xanthan dan-niet als

food grade aan de levensmiddelenindustrie kan .worden afgezet (1). De

opwerking bestaat uit de volgende handelingen:

1

Toedienen van KCl (V

27).

Xanthan gaat van de zuur- in de.zoutvorm over. Hierdoor wordt de

precipitatie vergemakkel~kt (1). Tevens lost xanthan in.de zout~

/ .

-vorm sneller op in water. KCl wordt toegediend tot 0,57 w/w

%;

per

fermentatiebeslag st~gt het gewicht aan xanthan van 5111 naar 5418

kg.

2

Toedienen van isopropanol tot 15 w/w

%

(V

27).

Isopropanol zal de configuratie van xanthan doen veranderen

waardoor de viscositeit van het beslag zal dalen en centrifugatie

. mogelijk wordt (zie aannamen; 4.2).

3

Pasteurisatie (H 29 - H

31).

Pasteurisatie van het beslag is noodzakelijk omdat enzymen in het het beslag zoals xanthanasen en cellulasen geinactiveera moeten worden (1). Deze enzymen kunnen namelijk de hoofdketen van

xanthanmolekulen afbreken. Tevens dienen de plantenpathogene X. campestris cellen ged.ood te worden. Aangezien 1;. campestris een bDzonder hittegevoelig organisme is, is een temperatuur van

pasteurisatie van 60

°c

voldoende hoog.

4 Centrifugatie (M 30).

Verwijdering van celresten. 5 Precipitatie (V 37).

Het xanthan wordt al§ granules geprecipiteerd door het toevoegen

van isopropanol tot

53

w/w

%

(3).

6 Wassen (V 37).

De xanthangranules worden gewassen met 65 w/w

%

isopropanol

(3).

7

Drogen (M

53).

De xanthangranules worden geslurried, gezeefd (M

39),

getrans-porteerd naar de droger

(m

49) en gedroogd tot xanthan

7

%

water

bevattend.

8 Malen (M 60).

De xanthangranules worden vermalen tot poedervormig xanthan, 5768 kg per fermentatie.

u

o

L • r ' I I L._ , . r ' l.

, 1

, j

n

fl

n

n

I I . - 17

-Per uur wordt 1/10 van het fermentatiebeslag opgewerkt. -Per uur wordt ook 2 maal 1/20 van het beslag verwerkt door de 2 precipitatoren. Het

tijdschema voor precipitatie + wassen luidt:

PreciEitator 2 PreciEitator 1 Minuten Vullen 10 15 Overigen Precipiteren 10 Legen ₅ 10 Vullen Vullen ₅ 10 Precipiteren Wassen 10 _{5 Legen} Legen _{5 5} Vullen Overigen 15 10 Wassen 5 Legen TerugwinninB hulEstof.

De isopropanol/water mengsels na precipitatie, wassen, zeven en

drogen (+ condensatie van de drooglucht) worden verzameld als een

60 fo-ige isopropanoloplossing

Cv

42) en gedestilleerd (T 50) tot bijna

zuiver water en 83

ia

isopropanol (V 47) dat weer gebruikt wordt bij

de precipitatie-en wasstap. De warmteinhoud van het top- en bodem~

produkt van de destillatie wordt gebruikt voor de sterilisatie van

het beslag (H 29) en voor de gedeeltelijke opwarming van de destillatie

(H 31, H

44,

H

45).

Deze voeding wordt uiteindelijk op kooktemperatuur

met behulp van een trimheater (H 46).

Bij deze opwerking verlopen de pasteurisatie en centrifugatie van het beslag en de destillatie continu. De precipitatie-en wasstap verlopen discontinu.

Opwerking 11.

Deze methode van opwerking is niet opgenomen in het processchema (6.6)

maar komt verder aan de orde bij afvalstoffen (5.5) en kostenberekening

(9) •

De opwerking bestaat uit een pasteurisatie van het beslag door warmte-wisseling met stoom, afkoeling van het beslag door warmtewarmte-wisseling met koelwater waarna de xanthanoplossing opgeslagen wordt. Na verdunning

kan de xanthanoplossing direct voor EOR in de olieindustrie worden

u

U

l

~

r ' l , r 1 , l , r

1

, J

f1

[1

18

-5.5 Afvalstoffen; vestiging van de fabriek.

Er is aan twee mogelijkheden voor de plaatsing van een xanthanfabriek gedacht, juist ook voor de rentabiliteitsberekening van het proces:

1 Plaatsing van de fabriek bij een suikerverwerkende industrie vanwege het grote verbruik van glucose als grondstof. In dit geval wordt het xanthan opgewerkt tot een poedervormig product dat ook aan de levensmiddelenindustrie kan worden afgezet, en kent de fabriek de volgend'e afvalstromen:

i Met isopropanol verzadigde lucht: 7,7.106 m3/jaar

me~

0,01 kg IPA-per kg droge lucht; temperatuur T

=

14 oe.

Van

de volgende afvalstromen wordt aangenomen dat zij kunnen worden gebruikt/verwerkt in de suikerfabriek:

- in een anaerobe afvalwaterzuivering, die tegenwoordig vaak deel uitmaakt van een moderne 8uikerverwerkende fabriek; Hierbij

wordt biogas, een eH

_4/c02

mengsel, gewonnen.

ii Een (gepasteuriseerde) celmassa: 6.105 kg/jaar. naast water bevattend 1,2.105 kg biomassa, 7,2.104 kg ïsopropanol, 2.104

o

kg xanthan; T

=

60 C.

- in de (energieintensieve) suikerfabriek vanwege de warmteinhoud: iii Afvalwater: 1,1.10

8

kg/jaar bevattend een hoeveelheid zouten

en 1,34.104 kg isopropanol ; T

=

57 °C. iv Koelwater: 3,51.106 m

3

jjaar; T

=

60 oe.

2 Plaatsing van de xanthanfabriek bij een EOR exploratiegebied van olie. In dit geval bestaat de opwerking uit een pasteurisatie 'van het fermentatiebeslag en is er een afvalstroom in de vorm van koelwater (van koelinstallatie en pasteurisatie-beslag): 2,2.106 m3j j aar , T

=

40 oe.

û

t1

,-.> f , I L. ,--, r '

I

i I' l.

'1

_{• I}

n

n

r

I

I

n

6 Procesontwerp •

6.1 Bereiding van de media. 6.1.1 Medium met zouten. Mengen

- 19

-Het mineralenmedium wordt aangemaakt in mengtank

V

1 .welke een werk-volume heeft van 0,8 m3 en is uitgevoerd met een propeller. Aan vermogen is nodig:

3 5 3 5

P

=

_{Np,p.p.Np .dp}

=

0,2.1000.12,47 .0,22

=

200 W (0,25 kW/m3 ) N _p,p

=

0,2 bij Re

=

6.105 (bijlage

4).

Sterilisatie

Het mineralenmedium wordt gesteriliseerd met behulp van continue hittesterilisatie.

Bij een be'Paalde temperatuur zullen microorganis'men volgens eerste orde kinetiek afsterven en geldt voor het aantal levende organismen als functie van de tijd:

N

=

N .exp(-k.t) o

No beginhoeveelheid cellen kafsterfsnelheid

De afsterfsnelheid is afhankelijk van de temperatuur volgens een Arrhenius-vergelijking:

k

=

ko.exP(-Ea/ReT)

Voor de constanten in deze vergelijking zijnde gegevens van sporen van Bacillus stearothermophilus aangehouden (28):

ko

=

2.1037 s-1 en Ea

=

288 kJ/mol

o -1

Met de sterilisatietemperatuur van 120 C volgt k

=

0,101 s • De hoeveelheid microorganismen in leidingwa~er is gesteld op

No

=

109/m3 (28). Per ent-en hoofdfermentatie moet 89,1 m3 mineralen-medium worden gesteriliseerd en indien de kans dat een organisme de sterilisatie overleeft gesteld wordt op 1 op 100 volgt:

N/N_o

=

1/100.1/(89,1.109 )

=

1,12.10-13

zodat met vergelijking (5.1) de sterilisatietijd berekend kan worden als t

=

295 s. Deze tijd wordt bereikt door de stroom door een goed geisoleerde wachtpijp te leiden. Het debiet door deze pijp is 89,1 m3 per 10 uur; met een pijpdiameter van D

=

0,15 m volgt voor de

vloeistofsnelheid en de stroming:

I

i

I

I

I

u

II

l~

[

, , I ,

II

[ 1

n

n

n

n

n

20 -v

=

~~(1f/D2)

=

2,475.10-4/(~/4.0,152)

=

0,14

mis

4 en Re

=

2,1.10 -

-Uit het hoge Reynolds getal is op te maken dat de stroom zich als een propstroom gedraagt en de lengte van de wacht pijp is derhalve te

berekenen als: L = v.t

=

41,3 m.

De sterilisatietemperatuur van 120 °c wordt bereikt door de voeding met het steriele medium van 20 naar 100 °c op te warmen en vervolgens

o

lage druk stoom (3 atm, 190 ' C) te injecteren. Voor de grootte van de

stoominjectie x geld~:

(<Pm - x)·~p,L·llT

=

_{x.(cp ,G· l1T} + _{.4Hcond )}

(2,475 - x).4,2~4~20

=

x.(1,98.70 + 2258)

x

=

0,0843 kg/s

Er wordt dus 0,0843 kg/s lage druk stoom geinjecteerd. Ook kan nu worden berekend dat het medium afgekoeld wordt tot 42,9 °C:

?m.Cp.AT

=

~m·Cp.AT

2,475.4,195.(120 - T)

=

(2,475 - 0,0843).4,185.(100 - 20)

T

=

42,9 °c

Voor de gegevens van de warmtewisselaar H 8 zie bijlage 5~

6.1.2 Glucoseoulossing.

De berekeningen voor de bereiding en sterilisatie van de glucose-oplossing verlopen analoog aan die voor het mineralenmedium. Mengen

Continu wordt per 1'O'uur 9020 kg glucose.H₂0 met 13140 kg

leiding-water tot een 38,1-·1o-ige oplossing gemengd. Vermogensverbruik mengvat

V 4: P

=

200 W Np

=

_{11,85 s-1 bij dp}

=

0,22 m, N _p,p

=

0,2 (Re

=

1,5.103 ) Sterilisatie Sterilisatietemperatuur Afsterfsnelheid microorganismen Beginhoeveelheid organismen Sterilisatietijd Wachtpijp: D

=

0,075 m

J

tfv

=

0,528.10- 3

m

3

/s

: T

=

120 °c : k

=

0,10'1 s-1 : N

=

Mlp.10 9

=

1,9.1010 o -13 N/No

=

5,29.10 : t

=

280 s v

=

0,120 mis Re

=

2065

u

l

~

r ~ l, r , l . r .., l. r 1 I "

[ 1

n

n

n

n

r~

I

I . - 21

-Bij Re = 2065 is de stroming niet turbulent en zijn gegevens over de

dispersie in de wacht pijp nodig:

Péclet getal Pe

=

v.L/IDd

=

v.D/ID_d • L/D

Bij Re

=

2065 is IDd/v.n 8 zodat Pe = 1,61.L (bijlage 0).

De relatieve snelheid van afsterven van organismen in de wachtpijp is:

Damköhler ~etal Da

=

k.L/v

=

0,845.L

Di t getal is via N/N 0 gekoppeld aan de dispersie

«

28); bijlage 6).~

Na enig proberen volgt voor de lengte van de wachtpijp L

=

45 m.

De stoominjectie bedraagt 0,0177 kg/s (3 atm, 190 °C). De

glucose-oplossing wordt in warmtewisselaar H11' (bijlage 5) afgekoeld tot

44,2 °C. Verdere gegevens van de stromen:

ia

glucose stS_m (kg/s)

f'

(kg/m3 ), (9)

~(Ns/m2),(9)

cp (kJ/kgOC) Voor sterilisatie. 38,1 0,5979 1166 -3 5,06.10 100-+120 °C: 3,546 20~100 °C: 3,402 Na sterilisatie. 37,0 0,6156 1158

8

-3

4,4 .10 1 00 ~44, 2 °C: 3,486 •

l .

r 1 i l J

[l

n

n

n

n

r

22 -6.2 De hoofdfermentatie. 6.2.1 Omwentelingssnelheid lintroerder.

Met behulp van gegevens over de zuurstofverbruikssnelheid bij de fer.mentatie en de te ontwikkelen circulatiestToom (5.3.2) is de omwentelingssnelheid te berekenen.

Maximale zuurstofconsumptiesnelheid , (bijlage 1) :

t

~

=

153,6 hr OUR = 22,46 kg/hr bij V = 104,24 m3 We nemen aan:

r_O = 22,5/3600/104,24 = 0,060.10- 3 kg/m3 .s

2

- de gemiddelde zuurstofconcentratie in de fermentor (19):

ë

= 2.10- 3 kg/m3

- de zuurstofconcentratie in de circulatiestroom voor hernieuwde

beluchting: C₂)-0 = 0,5.10-3:kg/m3

Hieruit volgt voor de zuurstofconcentratie in het compartiment met turbineroerders (verg. (5.6)):

(V1 + _V2

)·C

_{= V1·C1} + _{V2 .(C1} + _C2)!2

V.2.10- 3 = V.O,64.C

3

+ V.O,36.(C1 + 0,5.10-3 )/2

C₁ = 2,33.10- kg/m3

zodat volgt voor de circulatiestroming en de circulatietijd :

;~V _{= V2/V • r O /(C 1 - C2)}

. ~1

1/e

_c = {>./V = _0,0118 s

Aangenomen is dat de circulatietijd van een door een roerder

ontwik-kelde stroming

t

bedraagt van de mengtijd (20). Voor de mengtijd van

een lintroerder geldt (20):

2 6

3/

8_{m = 2.10 ·1i,l·D} P_l

Het vermogensverbruik van een lintroerder is (20):

3 5 '

Pl

=

Np,l·P·Nl .dl

waarin het vermogenskental van een lintroerder N 1:

p,

Np,l = 74,3.f' _{D - dl )-0,5.( n l .dl )0,5.( e.Nl.dl \-1}

\ dl - s

h,l

J

of ingevmld (zie figuur 4): Np,l = 972.Rel - 1

Zodat volgt voor het vermogensverbruik:

: .P l

=

561 ·ra,l· 1lJJ N 2 d 3 ' · 1

3

2 = 24,4.10 .jt,l.Nl (6.3) (6.4) (6.5) (6.6) (6.7a) (6.7b)

'---'

- - j ---,

-' =:J =:J

..---,

~----' ---,

Tabel 5. Procescondities en -gegevens van de ent- en hoofdferment~tie.

Fermpntatie Hoofdfermentatie Tijd .(hr) 20 40 60 80 100 V (m3 ) 89,90 92,33 94,77 97,22 99,67 CXa (kg/m3 ) 5,4 12,3 18,96 25,45 31,80 K (Nsn/m2) 2,51 10,57 17,76 25,28 33,03 n (-) 0,252 0,204 0,180 0,164 0,152 PI (kW) 0,60 2,32 3,75 5,19 6,64 JA'a 1 , (N6/m2 ) 0,683 2,64 4,26 5,90 7,55 P_t (kW) 49,40 97,63 146,25 194,81 243,3 6 f'a,t (Ns/ma) 0,105 0,300 0,406 0,496 0,575 Nt (6- 1 ) 6,07 7,62 8,72 9,59 10,33 Re (1 Ol) 20,7 9,1 7,7 6,9 6,4 (P t/ V1 ) (kW/m3 ) 0,86 1,65 2,41 3,13 3,82 (q/V₁ ) (m3/m3s) 0,0152 0,0148 0,0144 0,0141 0,0137 (p 0,6/p ) b t (-) 0,989 0,990 0,989 0,989 0,989 kla (6- 1) 0,0169 0,0119 0,0119 0,0120 0,0120 C₁ (10- 3kg/m3) 2,14 2,31 2,32 2,32 2,32 AC_1n I, (1 0-~kg/m3) 8,21 8,08 8,15 8,22 8,29 OTR (kg/hr) 28,74 20,46 21,18 22,09 22,85 OUR (kg/hr) 8,20 12,72 19,95 20,51 21,04 P (roeren) (kW) 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 P (reactie) (kW) 41,0 83,4 88,5 91,0 93,3 P (verdamping) (kW) -25,0 -25,0 -25,0 -25,0 -25,0 P (totaal) (kW) 66,0 157,4 213,5 266,0 318,3 -120 : _{140 154} 102,12 104,59 104,24 38,00 44,08 49,03 40,90 44,88 55,54 0,143 0,134 0,129 8,10 9,53 10,74 9,20 10,83 12,20 291,90 340,47 389,26 0,648 0,651 0,756 10,97 11 ,55 12,08 . -6,1 6,4 5,7 4,47 5,09 5,84 0,0134 0,0131 0,0131 0,989 0,988 0,988 0,0121 0,0129 0,0126 2,32 2,32 2,33 8,3 6 8,43 8,41 23,80 26,21 25,14 21,5 6 22,09 22,46 300,0 350,0 400,0 95,6 98,0 99,4 -25,0 -25,0 -25,0 370,6 423,0 474,4 ~ ) Entfermentatie 20 35 9,134 9,105 4,17 9,53 1,50 7,73 0,30 0,22 0,072 0,320 0,389 1,720 4,928 9,680 0,059 0,175 8,89 11 ,14 20,9 8,8 0,843 1,662 0,0128 0,0129 0,997 0,997 0,0235 0,0165 2,13 2,33 6,26 6,06 3,10 2,10 0,71 1,78 5,00 10,00 3,75 7,96 -2,15 -2,15 6,60 15,81 I r - - - ' l

c:=

N ....,

t

f

I . .! k

1

~

, 1

I I

U

24 -De circulatietijd wordt nu:

e

_c

=

t.e

_m

=

i.(2.106~(D/dl)3/(561.N12»0,5

=

84,75 s

=

_16,12/Nl

Hieruit is de omwentelingssnelheid van de lintroerder te berekenen

1 -1

als N_l

=

0, 9 s • Deze snelheid wordt gedurende ge gehele fermentatie

constant gehouden.

6.2.2 Zuurstofoverdracht in het compartiment met turbineroerders.

De zuurstofoverdracht naar de fermentorinhoud door .roervermogen 'is

te berekenen met: (6.8) l_ met hierin: r '

l

l . r~ I I . , , f

i

l J

l]

rl

II

l1

n

r, I 1 2 V₁ = 0,64.V (6.9) k l a = 3,26: 10-4 • (Pt/V 1) 0,6 • (qjv1 ) 0,4. (Pb 0 ,6

/p

_t

)

.fá,

t -0, 7 (6.10)

Het ingebrachte roervermogen P is verdeeld over de turbine-en lintroerder: P

=

P_l + P t Met Pl (verg. (6.7»: en Pt: waarbij N _p, . t

De schijnbare viscositeit fa is te beschrijven met:

fA-a

= K. (

~

)n-1

(6.11) (6,7c) (6.12)

(6,13) Hierin is de konsistentie en de power-law index als functie

van de xanthanc.oncentratie te berekenen met verg. (4.3~4· ).

Verder is voor roerders de opgewekte afschuifspanning bij benadering evenredig met de roersnelheid:

•

~ = B.N (6.14)

Voor een turbineroerder is B = 11,5; !oor een lintroerder:

B

=

30 (20).

- De beluchting is ingesteld op q/V

=

0,5 vvm (atmosferische druk)

druk) bij het maximale volume van V = 105 m3 •

- De relatieve druk op het punt van beluchting (H

=

Pb = _(Patm + _{p.g.(H - Hb»/Patm}

De relatieve druk· op halve vloeistofhoogte:

P

_t

=

_(Patm + _{t.p.g.H)/Patm}

V/(-n;/4.D2) ): (6.15)

J

[

:

[ . l j

[

~

r'

I " , . I " l . , l , j

[ 1

II

3 25 -AC ln = (C~ - CI)/ln((C~ _{- C1)/(C}I - C,) (6.17)

In deze vergelijking is rekening gehouden met het positieve ( = verhogendey"ëffect van de vloeistofdruk op de verzadigings-concentratie van zuurstof in het medium •

.

e

I

Voor C', geldt (verg. (5.9) en (5.10»: C_{1 = C} + _0,362 _.r

02• V/2r!v (6.18)

TI

₌

2.10- 3 kg/m3 <PylV = 0,0118 s-'

r O = OUR/(3600.V) ₂

Met deze vergelijkingen is de zuurst of overdracht te berekenen. Met

het volume van het beslag V verandert ook

qjv

₁, Pb' Pi en C~. Omdat

aan het einde van de fed-batch fermentatie veel roervermogen nodig is om de zuurstof over te dragen (4 kW/m3 ) wordt per tijdsinterval van 20 uur de roersnelheid van de turbineroerders verhoogd om het

negatieve effect van de, viscositeit op de zuurstofoverdracht te

overwinnen. In tabel 5 zijn de procesgegevens en - condities voor de gehele fermentatie gegeven.

6.2.3 Zuurstofoverdracht in het compartiment met lintroerders. De fermentorinhoud wordt belucht met een sparger gemonteerd vlak

onder de turbineroerder. De gegenereerde gasbellen zullen een volume Vb hebhen van (41):

Vb

=((

)~:~:~

H

4:t

3

•

t

;4n

r

qg n ) 3/(1+3n) (6.19) V_b : volume gasbel

qg : gasdebiet per gat van beluchting X : X = CniReb met CD de dragcoefficient

en X

=

X (n) !!!. 1 , 2 (6).

Bij de maximale viscositeit (tabel 5, t := 154 hr) is het aantal gaten in de beluchter van weinig invloed op de belgrootte (zie ook (21». Met vergelijking (6.'9), ingevuld V

b

=

4,12. qgO,28, is te berekenen

dat, rekening gehouden met de invloed van de vloeistofdruk op qg' zelfs bij 10000 sparger-holes bellen worden gevormd met een volume

J

[

:

[~

r ' 1 l • , . r-, l , , 1 I IJ

n

26

-Deze bellen zullen door de hoge afschuifkrachten rond de turbine-roerder worden gedispergeerd tot kleine bellen: bij Re_t )200 ontstaat een "hubble cloud" (bijlage 4). Deze kleine bellen coalesceren niet door het hoogvisceuze karakter van het medium. De circulatiestroom

zal ~us een hoeveelheid niet-coalescerende bellen meesleuren die in

het compartiment met de lintroerder nog zuurstof · overdragen~ Alleen die bellen worden gecirculeerd die een stijgsnelheid kleiner dan de vloeistofsnelheid in de draft-tube hebben:

De stijgsnelheid van v - ..:...'....;. ... g'-'-._-( L1 21 +n b - K.X of ingevuld: v

=

~vfV

• V/(1!/4.dd2)

=

0,0118.104,24/(~/4.2,962)

=

0,18 mis bellen is (41): ( 41t)(2-n)/3 ) 1/n (1 +n)!3n

.

.

~ 3 11 0,28 v b

=

7,04.10 .Vb en bij hogere Re (hierbij db> 0,7.,10-3 m):

v

b = 25. Vb1/ 6

v_b : stijgsnelheid gasbel (10-2 mis) V_b : volume gasbel (10-6 m3 )

(6.20)

(6.21)

Te berekenen is dat gasbellen met db<6~4.10-3:m meegesleurd worden. Ook is nu af· te schatten wat de zuurstofoverdracht zal zijn. Daarbij is gebruik gemaakt van de volgende relaties:

Voor niet stijgende. bellen (v_b ~ 1 m/hr):

Sh_b .

=

k_l ~ d_b/[) = 2 (wederzijdse diffusie)

Voor stijgende bellen: (41) : 1. n 2-n

0/

Sh

b

=

0,65. Peb2 voor Reb = db .vb ·T' K~1 Pe_{b =} dd. v-JID ~1

1.

Sh_b

=

_{1, 13.peb2 voor Reb} ~1 en Pe_b»1. (6.23)

Met het specifiek oppervlak a

=

6(1-€.)/d_b is ... nu de volumetrische overdrachtscoefficient per volumefractie gas k

la/(1-e) te berekenen. De resultaten voor verschillende beldiameters zijn weergegeven in tabel 6 • Uit deze resultaten mag blijken dat reeds bij een gas--hold-up in het compartiment met de lintroerder van (1-&) = 0,01 de

ki

a van

dezelfd~ orde is als die in het compartiment met de turbineroerder

(tabel 5), en hiermee is de zuurstofoverdracht naar de fermentor

voldoende overgedimensioneerd. Van groot belang voor de hier berekende

n

zuurstofoverdracht i!? wel de b,ij de turbineroerder gegenereerde

bel-grootte, ook in verband met het ontsnappen van gas uit de

fermentatie-r vIoeistof.

1 J

I

u

u

[

~

[

:

[

~

l~

l~

r'

, . l 1

rl

L J

[l

~J

n

n

n

n

r

27

-Tabel 6. Zuurstofoverdracht door gasbellen.

Beldiameter Stijgsnelheid k -I k JEI _k

l a/(1-S) 1 1 d b(10-3m) vb(10-2m/s) (10-5m/s) . (1 0-5m/ s ) (s-1) 0,1 3,2.10 -7 4, 1 2,5 0,3 4,9.10 -3 1,4 0,27 0,6 2, 1

.

17 .1,7 1 ,

°

7,1 25 1 ,5 3,0 12 19 0,4 6,4 18 16 0,15 I Volgens Sh

=

2. I~ Volgens verg. (6.23).

6.2.4 Menging door de turbineroerders.

Bij de maximale xanthanconcentratie is de mengtijd in het compartiment met turbineroerders te berekenen als (24):

( 3 ( ( / ) / )(2-n)/3 ( )1-n)-1

9

_m

=

4.e

_c

=

_{4.7,8. n • 0,035. Pt V1 dd • 100.dt}

=

28,5 s (6.24)

Pt /V1

=

6,25 kW/m3 n

=

0,129

De karakteristieke tijd voor zuurstofconsumptie is:

t =

c

_{1/rO = 2,33.10-}3/0,06.10-3

=

39 s.

2

Het compartiment met de turbineroerders is dus goed gemengd. 6.2.5 Koeling van de fermentor.

I Voor de koeling van de fermentor moet maximaal aan warmte worden

afgevoerd · (tabel 5; t = 154 hr): 1 Het ingebrachte roervermogen:

P =·400 kW

2 De compressieenergie.

Deze is nul wanf.de lucht komt op 28-oC binnen (zie 6.2.3).

3 De reaktiewarmte:

r H = 99,4 kW (bijlage 1; tabel 5). De koeling door verdamping van water is:

4 Verdampingswarmte.

Gewerkt wordt met lucht van 25 °C, 70

%

verzadigd: fractie water

is 0,014 kg/kg droge lucht (25). Bij 28

°c

bevat verzadigde lucht

f 1 r'

I

~

f ' r '

l

J , J

~l

~

]

n

n

n

28

-P

=

~W.

Hcond = (0,025-0,014).(1-0,014)·fluCht·Q •AHcond

=

25 kW

Q

=

0,5.105/60

=

0,875 m3/s

flucht

=

1,168 kg/m3 (28 oe).

Totaal moet aan warmte worden afgevoerd:

p

=

400 + 99,4 -:25

=

474,4 kW

,Dit vermogen wordt afgevoerd door koelwater van 9 tot 14 oe op te

warmen. Aan koelend oppervlak is nodig: A

=

Q!U.AT_ln

waarin ~ln = (14 - 9)/ln«28 - 9)/(28 - 14)) = 16,4 oe.

Voor de warmteoverdrachtscoefficient U geldt:

1/U = _1/ot1 + "~w~a!Àstaai + 1/0(2 + f (6.25)

De warmteoverdrachtscoefficient aan beslagzijde "1 volgt uit het Nusselt getal voor de lintroerder. Deze is gedurende de gehele fermentatie (20): Nu

=

OC_1.D/À

=

4,2.(p.N l .dl2 .c /

~

)1/3 p' 2 / ) 1/3

=

4,2.(1030.0,19.3,515 .4047 0,63

=

1048 ~1

=

1048.0,63/3,7

=

178 w/m2oe (6.26)

De warmteoverdrachtscoefficient aan koelwaterzijde 0(2 is te benaderen met het Nusselt getal voor stroming door concentrische cilinders met een gekoelde buitenkant (26):

Voor Re =

p.v.b/'l.<

2300:

(

0, 1 9 (Re. Fr • biL )

° ,

8 ) Fr 0, 11

Nu

=

NuoO + f( (D+S)/D). 1+0,117. (Re.Fr.6/L)0,467 • Fr

w (6.27)

met L

=

lengte koelmantel

= 10,545 m

en voor dit systeem: NUd:)

=

5,8

f ( (D+S) /D ) = 1 +0, 1 4 ( (D+ S) /D) = 1, 1 4

Verder wordt aangenomen Fr

=

Fr_w

Aan koelwater is nodig: ~v

=

Q/(p.Cp.bT)

= 0,0227 m3/s

zodat v

=

~/(1r.D.~ _{+ 7C.dd}

·h)=

0,0227/0,209

= 0,109

mis

en Re =

p.v.6/q

= 1000.0,109.0,01/10-3

=

1086

Tevens geldt: Fr

=

D/a

=

p:c/A

=

10-3 .4 187/0,63

r ". I l .

r'

_I t r , , I I , .1 r'

I

I LJ r 1

J

fl

Er volgt nu: - 29 Nu

=

0( 2. ~/>.

=

6,58 "'2 = 415 W/m2oC

De overall warmteoverdrachtscoefficient wordt (verg. (6.25)): U

=

113 W/m2oc

(d_wand

=

0,006 m

~ 16,56 W/moC

'staal

=

f

=

0,5 m2oc/W (42)). Er is nodig aan koelend oppervlak:

A = 256 m2 Aanwezig is aan koeloppervlak:

A

=

oppervlak koelmantel + oppervlak draft tube

= ~.(3.s).D + 2.1C.d_d.H_d

= 271 m2

Het koelend oppervlak is dus voldoende. 6.2.'fj Sterilisatie fermentor.

De fermentor wordt gedurende 30 minuten met stoom bij 120 °C'en 3 bar gesteriliseerd. Om de druk bij sterilisatie te kunnen weerstaan moet de fermentorwand minstens een dikte hebben van:

d = 2.P

₌

_{0,005 m} w " D.P N P = druk

₌

2.105 N/m2 "2 P_N

=

normaalspanning staal

=

740 N/m D

=

diameter fermentor

=

3,7 m

Gekozen is voor een wanddikte van 6.10-3 m.

Voor de sterilisatie is nOdig aan stoom (190 oe, 3 bar):

Vullen van de fermentor: M

=

V.fstoom,120 oe

=

130.1.122

=

145,9 kg

Hierbij komt een warmte vrij van:

" (- ) ( 3 8 3)

M. c .AT +AH 0 d = 145,9.1,98.10 .70 + 225 .10

P c n 6 " 8

= 145,9.2,40.10 = 3,50.10 J

Voor het opwarmen van de fermentor (koelmántel niet meegerekend) is nOdig aan warmte:

cp, staal. f'staal • V staal. AT

=

503. 803~. 1 ,482.100 "

=

5,99.10 J Vstaal: fermentor (dw

=

0,006 m): V

=

(1tD.H + t.1l;.D2).d_w draft tube(d = 0,006 m): V = 2.1C.d_d.H_d .d

=

₌

= "1 0,966 0,446 0,035 m2 m2 m2 lintroerder(d

=

0,003 m): V

=

3.~.b.dl ~d turbineroerder • V - V _{• - lintroerder} = 0,035 m2 totaal 1,482 m2

û

f

1

[

~

1 _ r '

~l

[ l

II

II

n

n

n

r

- 30

Het verlies aan warmte tijdens de sterilisatie door afkoeling aan de buitentemperatuur is, aangenomen dat door het wandoppervlak omgeven door de koelmantel geen warmte verloren gaat:

U.A.~T.t

=

5.38,4.(120-20).1800 -" 7

=

3,46.10 J U

=

(2.(1/«gas,vrije convectie))-1

=

(2.(1/10))-1

=

5 W/m2oC A

=

(~.D~(H-3.s)+t.it.D2)

=

38,4 m2

Naast het vullen van de fermentor is dus nog aan stoom nodig: ' _M

₌

(( _{5,99.10 + 3,46.10 - 3,50.10 ) 2,40.10 )} 8 7 8 / 6

=

118,2 kg stoom

Totaal is aan lage druk stoom (190oC, 3 bar) nodig 264,1 kg.

6.2.1 Sterilisatie lucht.

De proceslucht wordt gesteriliseerd door filtratie met een PVA (Poly Vinyl Alcohol) filter (28).

Gedurende de fed-batch fermentatie moet aan lucht worden gesterili-seerd:

_

y

=

<Pv.t = 0,5.105.154 = 4,85.105 m3

Lucht bevat ongeveer een

hoe~eelheid

organismen van 104/m3 (28).

Aangenomen dat slechts één organisme niet afgefiltreerd wordt volgt voor de fractie afgevangen organismen:

1 - N/N

=

1 - (1/4,85.105 .104 )

o _ -9

=

1 - 2,06.10

Bij een optimale superficiele gassnelheid door het filter van 1 mis

wordt bD een dikte van het PVA-filter van 3.10-

3

m een fractie van

0,99995 afgevangen (bijlage

7);

-

Het filter moet derhalve een dikte

hebben van:

d

=

3(lOg 2,06.10-9 )/(log(1-0,99995))

=

18,10-3 m

De drukval over het filter is bij de superfic~ele gassnelheid van

1 mis 1,37.103 N/m2 per 10-3 m filter (42) zodat:

P

=

18.1,37.103

=

0,25. 105 N/m2

Koelinstallatie: bijlage 8. _