Ethanolbereiding uit suikerriet

o

o

o

o

_ .. , ' "

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

A.van Baalen en G.C. Hoogendoorn

.

..

...

...

...

-... -

...

... -

...

.

onderwerp: ~artin Qam~81aan

145

2286 SK Rijswijk

.

,V'a~'

Swd.ndenstraat

41

2862

R~'

Den Haag

."

( ( ( ( ( (

r

o

o

T n ~; t t f::; 'J I i r: k s V '1 Q r Cl n t w e r p w n r d t r i w sap, ver k reg e n u i t s u i k e r -r i.

et

,

l m CJ;" zet in 31 c (] hol.

cr ~s Jitg-gaan van een f30riek dte 100 ton riet per uur verwerkt. 'et riet geeft ne uitnersen ruwsap wat 12, 5 ton opgeloste sui~er bavat . ~eze suiker ~Qrdt met behulp van giseen in alcohol omgezet. Qe ris~en worden ~et ce~trifuQes uit de çroductstroom afges~heiden en :crug naar de f~rmcn tor gL!voerd. 11_{iet twee d25til latiekolommen} en een strinoer worDt vervJlgens absolute alcohol verkregen.

Je hocvEelheid qeproduceerde alcohol bediaagt 5,1 ton per uur,

zodat ca . 41 gew.

%

van de suiker in de alcohol komt.

l e aosolute alcohol zou aan benzine toegevoegd kunnen worden om ~in~e~ 2f~an~elijk te worden van de olie exporterende landen.

~ ~='~l~le V2n"Et ~roces hangt ten nau~ste samen met de prijzen V"J '": .~ r; L- -:-ie': ::; nee al c oh ol. '? i j ce hu i 0 i ge 0 rij z e n J 3 n j 2 LI per ton r~e~ en jJ,J~ ~2r liter alcohol wordt ongeveer in het Dreak e \/ ~! n ;J"J i. n t g 2 Ui er : t .

( ( ( ( ( ( ( (

o

-1-Inhoud31J:.Jqave 2. Inlei di ng

3. Analyse en oolossingss trategie van de oodracht 4. Keuze ~rnndstof

1". 1.JE: rietsuikerfabriek 4. 2. Anal yse van ruwsap

5. 3eschrUving van het proces 6. gesDreking apparatuur

5.1.Sterilisatie van hEt ruwsap

G . 2. ~i~ensionering f2r~entor en ~entrifuges 6 . 2.1.~euze organismen

6. 2.2.Kinetiek

::: . 2. :.~uc:,tqift

~ . =.~ . ar~~eoverdracht en roeren ~ . 2. 5. L2Y DU~ fermentor

a. 3. =~stillatie en azeotrooische destillatie

':'. 3.1. ~2stillatiekolom T1 9 ~ . 3. 2. ~zeotrope destillatiekolom T24 :::. 4. Jere:<en i _{ng warmtewisselaars} 3. 5. 3erekening :Tlengvaten IJ1 en V11 ;:;. ::.1 • --e::C]va t \J1 0. 5.2., enl:c!vat V11 7 .~osten~erekening 7.1. ~nvesteringen

7 • 2 • P IOC esa f h ank e 1 ij ke I< 0 s ten

7. 2. 1.:itoor.l en electricitc:itskosten 7. 2. 2.Koelwaterkosten

7 . 2. 3 . Fo5forzuur~os~en

7. 2. 4.suikerrietkosten 7. 3. I_o'Jnkosten

7 • 4 • \J i na s s e

7 . S. ~c~nomische evaluatie 8. ~iscussies en conclusies

9. Fysische ga]cvens 1J .Li ter:Jtuur 1 1 • :J y ril;J ol en 1 ij s t 2 3 4 4 5 7 9 9 1 1 1 1 11 1 4 1 4 1 9 20 20 2..5 28 32 32 32 33 33 34 34 35 35 35 35 36 36 39 41 43 45

( ( ( ( ( ( (

c

o

o

-7..-') '-

.

~nl ci.dinC1

Bij de val<gr02p Chemische fechnolClgie is men geïnteresseerd in het onderwero: chemicaliën uit suikers. Een van de stoffen die men uit sukers bereiden kan, is alcohol . Di t proces is niet nieuw:

reeds ~euwen]anq maakt de mens alcoholhoudende dranken (bier, wijn, etc. ) uit suikers. De l aatst e jaren is dit !Jroces in een

,c;rnteu:tidp bolangstellinr--: komen tr:è staan. rnet het stijgen van de Dlir.JCl--ijzen zou alcohol als motorbrandstof CJoedkoper '<unnen wor-[~ e n

r:

<3 n ben zin e •

ne alc~hol moet VOOl zCl'n project uit biet- of rietsuiker gepro

-d u ce,=" r d IlJ 0 r C' 2 n. De z P. ~ 1 3. n -eng e ven een m a x i mal e 'e n erg i eo 0 9 st' per ha. oer jaar.

In 3razilië, 's werelds grootste producent van rietsuiker, is in 1974 verolicht gesteld, dat alle motorbrandstof voor tenminste

1l ) vol . u i c s ~ i ; er a 1 c :J hol en voo r 9 0 ,;~ vol. u i t be n zin e m Cl e t

~c5t3an. 0it menqsel kan zoncer ~roblemen in oestaanoe motoren

r;r·::J:-ui'<tlJoroen. ~Îlcohol heeft een ca. 4F/~ lagere vcrbrandinC]s

-w~rmt2 dan Dsnzine (o~ vol . basis), de klopvastheid is echter

hog~r. Jerder kan van alcohol gezegd worden, dat het schone

ver-br3n~ ingsprCloucten oülevert (geen onverbranne koolwaterstoffen en NO

x). Het duitse Volkswagenconcern onderzoekt op di t ogenblik uit~asreid de mogel i jkheden om motoren op absolute alcohol te 1 a ten 1 Cl 'J e n ~ 1 i

t.

(1) :::; n 1 i

t.

(

2 ) ) •

Zoal s uit het bovens taande bl i jkt, bestaan er reeds fabrieken, die ~lc~hol uit su~~er produceren. In de lit~ratuur vindt men sl echts zeer globale flJwsheets, die het proces beschrijven, maar n i 0 t b e r é, ken en.

Daarom hebbp.n LUij de oodrach : gekregen, om een alcoholfabric,k te ontwerpen, En te onderzoeken hoe deze het beste aan een con-vr::nti..onrd2 rio tsuiker fabri 2k gekoppeld kan worden.

iJ ere; re; r 1 i CJ t 11 c: t i n je 0 e cl 0 ~ 1 i n 9 dat a n der e 9 roe pen z ic h g a é~ n b r, z i 9 hou d c; n .. : e ton der LU e r pen als ene r g i ~ 0 p wek ;< i n g u i t bag a s se,

vinasse v8rbrancJing, pruductie van wasmiddelen etc., zo;:at het thoma 'chemicoli~n uit suikers ' verder uitgewerkt wordt.

( ( ( ( ( (

o

f

-

~-3. Anolys8 on oplossingsstrateoie van de oodracht

CJnze oodrocht (ClntL erp een fabriek die alcohol uit suiker maakt

m.b.v. micro5rganismen en onderzoek of men ~isschien beter b.v.

ruwsao of di(sao i . ~ . v . melasse als 1rondstof kan nemen) hebben

we clls \..'01.o.t ui ~gc"I'[?rkt.

.e heb~pn eerst de sJ~kerfabriek bestudeerd. Op grond van een ana

-lyse van ruusa~ hebben we besloten di t sap als grondstof te nemen.

Hierna is bestudeerd of het financiëel voordeliger was om het

ru~sap te vercunnen of in te dikk~n.

Je verdun~ing van het ruwsao zou eventueel voordeliger kunnen zijn, o~cat de suikeromzettingssnelheid daalt bij hogere suikerconcen

-traties. De reactorkosten worden dan lager. Omdat de flow door

het verdunnen echter groter wordt, nemen andBre kosten (b.v.

~~~r]i2~ost~~ voor cestillatie) toe. Voor het indik~en van het

;:- u ~I '::; a Cl kan fT! en .::? 8 n Cl;Tl g ék eer der e een e rin 9 hou d;:; n: de fe r men t a tie-~J~{ <ost~n I.~~rden hoger, het indampen van het sap kost

I: ) f,J-.'r' \ ( e~till:::::ickosten zullen vanwege de lagere doorzet

energie, de

echter dalen •

. .tl'"-- .\. ... / .. - .

Het zal duideli jk zijn Dat ziçh ergens een optimum bevindt.

'J e -der i s c e i n v I 0 e d van d e SJ ik. e r con ver s i e 0 p d e fin anc i ë 1 e 0

p-i.JrO'llèst van het proces bestudeerd.

Gez;en het vele rekenwerk dat hierbij ontstaat, Zijn voor de twee

rck~ntechnisch lastige fabri~kssecties (het fermEntorjcontrifuge syste~m en de destillatiesectie) twee computer~odellen

ontwik-kr:ld. Ch~ze twee :ilOdellen zullen in resp . oijlage (1) en (2) be

-sprClkcn LJorden.

De uitgebreio8 bes~reking van de diverse apparaten wordt alléen

ge d a a n v 0 ~Jr het i n bij I a g e (:3) be rek end e e con 0 mis c hop ti mum.

Het blijkt het voordeliqst te zijn om ruwsap niet in te dikken of tE vsrJunn~n. Verder moet men de opbrengst aan alcohol na de

re

.r m r.:; nt c; t i [' Z':J IJ ra 0 ~ In 0 gel ijk mak en; d. w • z. 99% van de a a n w e z i 9 e

sui.k:.r ",or~ l:. 'JfIlg2zet woreen. Voor een uitgebreide beschrijving van de ~ij de o~timalisatie erkende kosten en het verloop van het

eC')lornischlptimum als functie van de suikerconcentratie in het ru lJJ s a :l r~ n des u i!< e r c :J n v fè r s ie, wor cl t ver we zen n 3 a r 0 ijl a 9 e (3).

' : t

J

75

t

ri

ct

l

~

~ ~

'5 : 'Liat2r } 'I """ ~"' . , L , .:; ,_ ~ IJ 11< ers 1, S t: Uiversen 5,3 +: '-'later } 12,5 t sui'<ers ""I , "-; t cl i ver s ~! n . i , tua te r fiber suiker ru:.L sap dun sap 23 t imbibitie water 1ûOt { 12 t water 23 t bagasse 10,S t fiber J , S t suiker ~ '----~ O ,6 t diversen '--''----...='--_-L. _ _ • 8 5 , 7 t wat e r syroop 1 S, 7t 4,67 t water Î , 5

:J

,

J t suikers melasse 3t t water

1

suiker 11 t t diversen

Figuur~~ . Schema rietsuikerfabriek

(

c

("1 " I " l (

,

(,

( ( ( ( ( ( ( (

o

-y-i: 1 . ~ c r Let 3 U i k erf ~ b r i e 4:

Het hiprnndcr grschetste oeeld van de rietsuikerf3b~iek is zeer

v I: r ': e n v 0' I ei 1. CJ~! , ~ n er zij n v oor de vcr kr e gen hoe vee lh ede n, van

b . v. r:-u w sap , ~ a CJ 3 S S e en s u i 1< e - ~ g p m i d del de wa a r den gen ome n , die

ocr str2ek ~n ~er o~qst flink ~unnen verschillen.

~ij di t vODr,nt~erp w~rdt uitgegaan van een rietSGikerfabriek

ton

die 1 0 ,-, r i r; t n '" r IJ u r ver ~ ::: r kt. Dit i s J e cao a c i t e i t van een f 1 i n k e

f2bri<=,l<.

In de fabrieK wordt het ri2t eerst schoongespoeld, waarbij modder

en andere ongewenste bestanddelen worden verwijderd. Vervolgens wordt het riet langs rollen met messen gel eid om de stengels open te snijden. Hierna wordt het riet in een molensectie uitgeperst

door z~~r~ rol12n. ji j dit orOC2S wordt imbibitie water toegevoegd

om he~ suiker ~it n2t riet te extraheren. Het zo verkregen sap

wordt ruwsao q~noemd. Een fabriek, die 100 ton riet per uur verwerkt,

maakt hi~ruit 100 ton ruwsap.

~uwsap bevat 12, 5 gew ~ suiker en 1,5 gew ~ andere vaste stoffen

(l it. (3)) . De concentratie vaste stof is dus 140Brix. Volgens

lit o :3) is oe dichtheid 1054 kg/m3• Dit betekent, dat er een

t 1 CJS

~

4:J 3/ h · d D . k

ruwsaas roo~ van 1~54

=

~ , ~m r lS gevorm. e SUl

erconcen-tratie is 132 gri l.

Tn d~ molensectie wordt ook

2

3

ton bagasse per 100 ton suike r-ri~t Qev~rmd. Di t zijn de uitgeperste stengels. Deze worden ge

-deeltelijk in ovens verbrand, om de benodigde energie voor de sui

-kerfab rick te leveren.

Het ruwsap wordt dan geclarificeerd. Dit kan gebeuren door

ver-h0 0 en van de temperatuur, toevoegen van kal k en verhogen van de

arl. Het gevormde neerslag van ei witten en zouten, wordt door

fil-t-a ti e v2r~ijdard. Joordat bij de filtratie waswater wordt to e-IJ ': v CJ r~ g d , 1,:: ver t c, e n 1 J 0 ton ru 'li sap 1 0 4 , 4 ton g e c I a rif i c eer d sap

- J

(dun sap) met ~en dr~og stofgehalte van 13,4oHrix. I ~,S

H '-; t Cl U n sap ~ 'J r ~_I t ' : é) n in een ver dam fJ in g s sec tie in g e dam p t t

°

t e e n

str08~ van 19, 7 ton/ hr met een droog stufgehalte van 72oBrix.

Git diks8P wordt tan in met stoom verhitte pannen onder vacuUm

ge-kookt , tot er pen mengsel (massecuite) van suiker~ristallen in

mlJcders"roop is gemaakt. Ce kristallen worden dan in centrifuges

van de ~ocd~rsyroop Qescheid~n. Zo ontstaat ruwe suiker. De m

oe-r_' p r s '/ r (] 0":1 ' J ' r c t ' ) 0 k u el';] e I a 5 s e gen 0 e m d • Ce fa b r i ek die 1 JO ton

(

r

( ( (

o

(î (î~ __ , ~:i~~i~

-5-r;i?t/hr v!?:-workt, levert zó 11 t ;n ruwsuiker/hr en 3 ton melasse

~er uur .oeze melasse heeft een droog st'JfGehalte van 800 Jrix.

:;tea t de rnassaoalans voor d~ze suik:.:rfaoriek vol

-!Jens lito

'::5)

.

4.2. 0nalyse van ~uwsap

n m ~rn keuze te kunnen maken, wel ke stroom uit de suikerfabriek

geschi~t is voor fermentatie, moet eerst de voedingsoehoefte van

het ~icr'1Clrganismp. bel<end zijn.:0ij hebben voor het microorganisme

bakkersgist (SacharomicC's cerevisiae) gEnomen (zie 6.';... j ) .

Uit publicaties is een gemiddel de samenstelling ven een medium berekend voor Sacharomyces cerevisiae volgens lito (4) t/m

(7)

.

E v~lg~n' e stoffen zijn aanwezig per 100 gr suiker/l. / 1 " C' r t-, LJ 9 r . S/lo gist extract .~. KH₂P04 1 ,5 r'JaH 2PO ₄ 0,5 Î'JH ₄ 50 ₄ J , 25 r~gS04. 7H₂O 0,4 ~JH 4 C 1 CJ, 3 CaC1 2 0,01

De samenstelling van gist extract 1S volgens lito

(3

)

to '~aal N a min 0 Z'J U r I~ n ir:otinezuur r iboflavine Fe 7, 6 I'i _NaCl j" 4,5 of;' P205 /" 590 ppm Ca GO ppm r~g 4 p;Jm 4 '/ p'Jm

Het totaal van het gemiddelde medium en het mgr ./ 1JO gr. Silo

Na

I~ Ca Ife 01g 1CJO Cu 451J 1 6 0, 376 60 p S Cl CJ, 07

...

/0 4 JU ~ , -t 0, 1 5 70 0,25 I ," gist extract levert mgr./ 100 gr. Silo

o

, 032 640 130 300

,

I

-._-

.

---

I

-'--'- -~

( ( ( ( ( ( ( (

o

-b-8 C 'ë: r s ~ ~;: '-' 1 'J lil l : , h C~ t 5 U i i< e r Cl r 0 ces,: i è i I' a a n lil e r '< in.J

:<

0 m t v () 0 r

f r~ " - "n ~ C' t 1, ~, ',::; h i-' t ' ~ ,,; s a 'J . C Q n i '1 : 1 i t ( 8 Gfë':ft voor de samr::n

-,e- t r.: 11 i n"" I: =: n ,~ r: ',' in" u:ll L ' j c: s t;:; n [J d!l c: n v a rl hel-, ru ', 5 a 0 de IJ 0 l ij e n -T '\ r . / 1 ' C~ ~ r l / 1 .

:

a

2"5 . / 7::J a , '\ c-p. 27 ',,1 "'1g 1 20 Cu I ' j . ....J :::1 C éJ n c. i. n ::; a p / C Cl n c . i n ';1 e c i u ,~ 2, .-:: 5 , 7 5 71 2 23 8, 25 2, 5 cJ, 62

, 'C S ,=:' 'l-n ':: t r' 11 in g van h c: t ru uJ sap fl1 0 e t Cl P g'cO:n e r ,< t 'J; 0 r 0 '" n dat de h i '_ ~ e :J ê U i ~ t. c '.11 a a r den 5 1 e c hts 9 e lil i G d 2 1 den z ij n en d 3 t in cl S ;J I' a k

->-

1 J~-"-') 'Jariati ':;s voorkomen .

" 'J (~' r ei e - '1 f) u der, d e ver bin ;j i ~ ~ en k a n het IJ 0 1 gen d e Cl c z 2 9 d :>1 0 ;:-d 2 n : ~e l~ hPt -u~sap aan~ezige ~-ver~ingdingen, die niet ~ehoren tot

~ r ,Cl ::: ~J n i _ r :, a t - n i_ t ri cc t -2 lil m -) n i u m , z u 11 en n i et co 0 T' do Cl r de 9 i. 5 t o p -." n 1" f; - ';·1:. 0 sn; :J. v. a 1 _ lil i roe en eh lor 0 f " 1 • De ::::J n :: en tra tie van

~Jr. rJ/1 i.'O gr. sui ker.\Joor het rnedium

~ ,; r' e s t i, : :,; : J

r

con :: en t r 3 ti e ,er c :< en d :) p 7 ~J f'l~; r • / 1 CJ 0 9 r . su i k er ,

z ,"l c' :-:: t e -::- 'J D 1_ 8 <" n d c s e i k:; tof a a n w e z i g i s .

-1 V e' het !' ~J ''-S 3 P .: u n ne n W'! ver d~: r C:::J nel u der n dat al l e el e men ten,

'J' r--,2 1 Ij 2 f , T :] r , i n V'-:J 1 ei 0 end ho CJ e con cc n t r 3 tie s a a n w e z i 9 z ij n • Voo r CJ 1:j '(:, d' ~ con c [; n t r <3 tie z 81

r

s wat a3 n de ho Ç] e kan t • Cl lil cat r!-r " 'i : e J i. t.:. r 3 C. u ur e.::: h ter ni ets bek end LS O ver een e ven tue 1 e

r 0: mme n r; c w '.0 r k i. r1 rJ 1/ j n C u r.è n ,e:-e 0 p d e f e r men ta t ie, hei 10 e n w ij ru w-s a 0 J 1 5 IJL)'; i.. n r', 9 L~ k n L 8 n . '~e t e l e m 8 n t f 0 s f 0 r (~ i ent , als f 0 s f a at,

t:] , . i' V 8 e Cj d t "", !JJ 0 re" n • ' e ~ su piJl e t ie Ö 2 c: r a a rJ t 640 -1 G LJ

=

4; 0 cr: 9 r P

8 e J:' 1 'J ' g r "'n rJ e Z fO' t

t

"

s u ik er.

ne spuigist,di e met het ruwsap wordt gemengd,wordt geacht de

,..) '-.-' ,~. u PB

i0:,

~

~02

~ JO ,~ r ) . . . •

j

I>

I

~ ~

-

'

"

~L~

-.

.

I

[

!~~

- (LC)---

~

-

-

-

-I

~

H3

1

6'~

(f

~:

j

t

";)

-

,- -~- ._~- ~

:

-;

:

:::-, ---. ~~~~LeJ: ~~ _llW!U

'

1

. n

f

<,i)§] I 0:-:: :1 ) {;j;,} , ,~

e...:

,--,>

,

-"'I i" ' ,- C ,Me

J

i

l~

A

'r

'

I

/ ,,)

r

/

-

j

_

-:

'

'''''~

rG

~

..

Jjt~

~

-

\Jl

.

~t

,

~

·

Jj

l

(l

.

'

~I,

o

J

[

__

~J

[

_

"

J

l

_

;r~l

r

t

" ! I 11 'f I 1-11r) , _ ,' .. r', ,," -

j

. , ... ,' ' J' " ~ 'II/.1.." TfWr"·,~,lI/~Ar. 01 '" I I I: . ,~ ,-'

.

.

,' I' f" I' '1 r'I' •• ,',jClrf: ti ] Wfdt-.nf ",,,,,,o:,r, AAQ " " (IJ (~ ~ V17 M1() 1"10 MlO "-_

l

i-

-

1

.-

--

---'.' 9 f I U'.t rHOq td l(' (I', r'1!f LK~C" V I I '.11", ;hf

H'1 \\,~II'''rWISS[lftAR

11 11 .' .. '11'.*'[."-"''"'"'(\''''' f:J r ld j',-".,I' ti I", Y. .. AI~·.1TrWI ... Sf.I.,AR H lf . ... '·\f/'.ll[W' .. ,-;rt AAr? _.- ".- -- _ ... ~--\ " r "\ ... ;1

,

.'. H.~ 1 1,"1 - -

~

]

'--P:'f f i l . ... ·' T "r' , r ' '1:.' A l,r .. '1(".1 t ',) f t : •. /\111 " 1,.\1 ",,,.,,. IJ! rv,"!, H [r ',"l! AIH I'ntOf.1 ----,

-fi3uur5

-1

c

['~ r'-'-- (' H25 1(CMe'lw~l ... P27 65 ~.~~ -H32

_.r

J5 _ETHM-Ol ~----«J5) Ilo ...,...Y!:-:~~"~

WOl ar niet v~'"rn,..1:j v~rk>Ot'i h~t PI oce~ c,-,:1er il!rn~.·~"":o.ch~ druk.

~

PROCESSCHEMA

---

VAN ET HANOLBE'lEIDI~IG

-

--1

u' T

'lUWS<\P VERKREGEN UIT SlIl~Epr'IET

,~r,';~,:::-"n

..

~-.~"-

I

( )""f'YV ,~. [-1· .... :-' fI·r (I'~ l·'t,· -:'r • .J. ' r,'

'

-

~ , ,

.~--- .

_

_

. -_. ---

-"

V 26 ~I.CON[f11.'FF[RVAT _'~_N5c5i'---J

f' '}7 J' ".'P

H2A °f!"\(ilfR

v,?P "l~r·vt.·~T·sr~lr(':R 1)1 STQ:t'lpr~

ti J:' J.JI fY)II EH

t i ) 3 WA"P' .. 1TEWI$Sf.LAAR

_._--'---

'--( ( { ( ( ( \

\b

i "

~

'0

<l

\, , (J

-

T

-ne alcohol fabriek kan in drie secties verdeeld worden :

1 . ~~,rbewsrkinossectie

2.Fermentatie

3 . ,., rJ 111 l~ r kin Cl v n d e ver k r e t] e n ol c 0 hol i s c h e 0 plo s sin g

zie f i 9 5.1)

I nJd 9 voo r c; e w :" :.-kin 9 s s 2 C tie wor 0 t het ruw sap eer s t lJ e men g d in e t fosf-:Jrzuur en i nactieve spuigist.Het mengen worot gedaan in een

men l) vat . "e 9 e hel e st roe m wo r d t ver vol gen s ges t er i 1 i s eer d j ij 1 2 5 0 C •

Dit ~Dr~t gedaan om te voorkomen dat andere ~iKroorganismen,naast

de Gewenste gisten actief zullen worden . ~e sterilisatietU~-~~­

draagt ca. 4 minuten. Na de sterilisatie vindt er intensieve warm

-tewisseling pl~ats met de binnenkomende voeding en wordt de gesteri

-s?:--':~'? stroom 00 Cr; fr::rm~nt3~ietemoeratuur georacht. :-~e ze bedraagt

I

n

twee fermentoren worten de suikers omgezet naar alcohol . De

IJ a r ïl i>:; cic h i .:; r iJ ij v r j kom t wor d t af

r:

e IJ IJ e r d met koe 1 spi ral en, c i e

lanq" de wand looen. ~m een hoge concentratie aan gist te heoben ,

w~r, en de gisten uit d~ afvoer van de fermentoren afgescheiden

'T' é~ t c <.: n t ri f u iJ es. :::: :; n g ede e 1 t e van d ~g e c 'J n c ent ree r d e gis t wor d t

terulgevoerd naar de fermentor ,een ander ged2el te wordt met warmte i nac tief g~maakt, vervolgens met fosforzuur gemengd en aan het ruw

-sap tO~lJevo2gG zio jo ven ).Het voordeel van de gistrecysle is

dat het f e I' ',1 "-n 'c. 0 rvo 1 u in e , ben 0 d i 9 dom een z e

,<

ere con ver s i e t e hal en,

kl e iner is J~n wanneer zonder cel recycle gewerkt wordt.

~)e hoofdstroom bevat nu 55, 84 gram alcohol per liter en i S klaar

om opgewerkt te worden. Dit gebeurt met destillatie waarbU azeotro

-pisr.he alcoh~l al s toporoduct verkregen wordt . De voeding van

de dest il12tiekolom wordt in een drietal warmtEwisselaars tot zijn '<:]CJ'~Qunt 'J'lCJ8IJJarmd. Tn c~e ·.erste en tllJCede warmtelllisselaar wordt

~'e v Cl 2 r i in 'j i. n t C!J e n s t r oom ] P :J e war m d met I' esp. a LJ sol u te a 1 co hol

IJit ~e azcJtr'Jpi ·che kolom en het bodemproduct van de eerste (est L 11 Cl ti, !< 0 1 :] rn. T n ce der ei e warmte wis s e 1 a a ru! 0 r d t de voeding,

o

h

e

e\-t

I

die r~ a n re> en t r; m fl P. r Cl t u u r van rll·j,

a

C met st oom 0 p z lJ n k ook p u nt van

o

c 2 . :J 5

r:

9 r:; ï ) ra c h t . "e t b, 1 d c m pro d u c t va n de eer s te des ti 11 a tie ,< 0 1 om

(

=

v i n a :J se ) lJ ;0 va t de n iet 0 m (J L.' zet t e s u i

:

<

e r e n zou ten. 0 e v i na s s e

w~rdt ~emenCJd ~et het oodemproduct van de benzeenstripper.Deze

afva Lstroom qaat naar de vinasse verbranding. De azeotropische alcohOl laat naar de azeotrope kolom.Het bodemproduct van deze kolom is

( ( ( ( ( ( (

o

o

-

8

-2 0 S 'll J t r: ~:ll C Cl hol. Het LJ O.j roU u c t is de ter n a ir e az eo t r 0 Cl p a l co h 0

1-water-0enzeen . ~ezc azco croop l dt9n we ontmengen in een ne

nzeen-r Uke 138Q en een wa ter- rijke laag.De benzeen-rijke laag gaat terug naélr de 2Zc::rJt:;èorc k,'ll·Jm. ;e l:.iaterrijke laa wardt in de benzeen strip -Der Jes -:: hei. den i. :l r. a .1 (~ n ':J C Cl Z u i ver "J a ter e n (~ '" ter n a i re a z eo t r 0 CJ P ,

( ( ( ( ( ( ( Cl ()

6: BesDreking van de apparatuur.

6.1: Ster i l isati e van het ruwsap.

De afster fsnel hei dsconstant e van bacteriën en bacteriële sporen

neemt b~ hogere temperaturen toe.Hier wordt gekozen voor een

steri lisatietemperatuur van 125°C. De druk moet dan verhoogd worden

naar 2,4 atm. om koken te voorkomen.B~ hoger e t emperaturen is de

sterilisatieduur korter , maar t reden ook ongewenste r eacties in

het te steriliseren substraat op.

B~ de ber ekeni nG van de steril isatiesectie is gebruik gemaakt

van de ~ethode, di e in ( fO ) blz.206-216 wordt aangegeven. Het te

steriliseren debiet is 102,9 m3/uur (zie 6.2.2). De sterilisatie

~ordt ui tgevoerd door de stroom te verhitten en in een

holdings-sectie op de sterilisatietemperatuur te houden.De holdingssectie is

dan een goed geïsoleerde p~p met voldoende lengte om een bepaalde

verbl~fttd te hal en.

3~

1

25

°

C

.

is de afster fsnel heidsconstante van thermofiele

bacteriële sporen: K=11 mi n: 1 Zr wordt aangenomen, dat het substraat

s

t

~

r

i

el

i s als

R

IN

=10- 16. Di t i s de verhoudi ng van het aantal

o

bacteriël e sporen na en voor de sterilisatie.B~ Fé=1000 is uit (/0)

grafi ek 8.1 9 af te l ezen:

K.L/~-::39

Di t l evert L/Vp= 39/11=3, 545min. =212,7 s. Als wordt aangenomen dat

2e=1.1 0 5 vol ;;t uit (fI )blz.284,fig.20

ID/ (K.d ) =0,2

D

Hu i s D/(v . d ).pé = m/(K: d ). (v .L)/D = 1000.0,2=200.Dus L/d =200.

p p p p p

Het te steriliseren debi et i s:

1

0:

~

,

9/3600

= 1f/4. d2.v •

P

p Di t l evert: Ook gel dt: ~dp =

I(

v

_p = Nu is de snelheid d2 = 4.102,9 p

3

600

.11.

v

200 212,7 s. }

d~ ~

(212,7/200)2. v 2 p in de p~p te ber ekenen: 4.102,9.200 2 lf·3600.212.7 = 0,318 mi s.

( ( ( ( ( ( ( (

o

-10-Dit levert L

_p

= 67, 9 m. en d_p=

(J

,

34

m.

ContrDle van het Reynoldsgetal l evert:

0,34.0,32.1054 _ 5

Re

=

°

,

001 - 1,1.10

Dus de e.:a.nnar,ie Re

=

1. 1 0 5 was goed. De lengte van de holdingssectie

is dus 67,9 m. en de diameter van de p~p is 0,34 m.

De holdingssectie wordt geïsoleerd met Telesol. Dit is witte

glaswol van het merk Isover.Volgens het bedr~f I sover heeft Telesol

een warmtegeleidingsvermogen

À

=

0,Ol~5 w/(m. oK). De dikte van één

laag is 100 mmo

=~u volgt een berekening van de benoài gde dikte aan

isolatie-materiaal om de p~p van de holdingssectie.B~ deze berekening is de

~armteweerstand van de p~pwand van de holdingssectie verwaarloosd.

Er wordt ge~ist, dat de temperatuur in de p~p over de gehele

\:

.

~</

t

l engte van de holdingssectie slechts 0,50C. mag dalen. De gemiddelde

v~ warmteafgave per eenheid van lengte p~p is dan:

"",,;., \'" Î; , .. '

.. ,\ ?v.J.Cp.b.T __ 102,9.1054.4200.0,5

= 0,94 kw/m

L

36°9

.

6

7,9

Voor het warmteverl ies per eenheid van p~plengte naar de omgeving

geldt (/2.,) :

2.1T

.Ä.~To

mg

= ln(R

2! R1)

Dit moet gel~k z~n a.an 0,94 kw/me Als aangenomen wordt,datAT

omg

=

125- 20

=

1050C. ,levert di t R

2/R1

=

1,03. Dit betekent dat de dikte

van het isolatiemateriaal gel~k is aan 1,03.0,34 - 0,34

=

0,0102

m.

Dus één laag isolatie van 100 mmo dikte om de p~p van de

holdings-sectie is ruim vol doende om een constante temperatuur van 1250C.

over de gehele holdingssectie te garanderen.

I

( ( ( ( ( ( (

o

Cl

-

11-o

.

?

Cimensionering f~rmentor en centrifuges.

1. (euze organi sme

~mcat de f2rmentatieve omz~tting van suikers naar alcohol de

laatst tUd sterk in d~ belangstelling staat ,worden er in de

lite ratuur andre micr~organismen aanbevolen dan de vanouds b

e-~ende Sacharomyces cerivisiae. De aanbevol en organismen zUn:

- Sacharomices carlsbergensis l i t(5)

Sacharomices cerevisae lit(S)

- Schizosacharomyces Gambe

- ZY~~~onas ma~ilis

l i t(S)

l i t (4 )

Hoewel b.v. de bacterie Z .mo~ilis een aantal karakteristieken

heeft, die het boven de Sacharomyces soorten plaatst,hebben wij

':. J .:: ~ 1.} 'j t ., c n q ek 0 zen voo r :J ach a rom ~/ .:: e s c ere v i s a e 0 moa t 0 v 8 r

r e Z C 'J i s t I/ e r r e weg het mee s t ge p ub 1 ie eer d i s . lh t m a a k t dek in e

-tiscne ~eroelUkingen en constanten meer oetrouwoaar.

Er is veel onderzoek gedaan aan de omzetting van suiker naar

clC:Jnol Goor c;Jisten. li t(/JtmI6)-t-6

Uit de publicaties kunnen we concluderen dat:

- Suiker remmend op de fermentatie werkt .Di t wil zeggen dat oU

h~cere s~i;<2rconcentraties de0uikeromzettingssnelheid lager wordt .

-Alcoh~l remmend werkt op J~ fermentatie. Dit wil zeggen dat de

gisten door ilun eigen uitschei dingsproduct alcohol in hun groei

en 31cohol producti2 belemmerd worden.

- \/ 0 'Î r d P. in d LJ st r i ë 1 e pro d LJ C tie van al c 0 hol de gis ten af ges C:, e i-~en van de h:Jofdstroom en terug naar de fermentor moeten word~n

p IJolulfiS': V \

r

I

~

IJ r centrifuge

x

,P,:3 r

~

\J

,P, X=O, S ' t U 1 th v ,

r

SOUl

iquurl1. Hs t fermf2ntor- centrifuge systeem met nomenclatuur

'\ '\

\

( ( (

c )

o

()

u

c

(

c

,.

..

-11)..,-T. n

r

i :] u '.J r

6.1

i. s het f e r men t eH - c ent r :. f u ges y s tee m g e t e ken d. 0 e i n

fiuur6.1 1e'Jruikte nomenclatuur zal ook in bijlage 1 aangehouden

llJorcen.

In de lit2r~tuur worden een aantal I<inetische vergelijkingen voor

-Q'~st21d O~ de suikEro~zettingssnelhoid en alcoholproductie als

Lmctie \/an de variaoelen S. , 5 en X mathematisch te oeschrijven.

1

! i ~ d i

é

ver CJ e 1 ;j kin gen h C? 0 ben wij de ver gel ij kin gen van G hos een T y a g i

g25elect~erd. Voor de motivatie van de keuze en de ~inetische ver -gelijk i.ngen llJordt verwezen naar Qijlage 1 .

:' ij ~ e -l ben h '.J n re sul t i'J ten, die 0 p I a ~ 0 rat 0 r i u m 5 c h a a I z ij n ver k reg en,

verder uitgewerkt.Zo werken Ghose en Tyagi met een settler, terwijl

dit,zoals boven betoogd,met een centrifuge moet gebeuren. Met een

=e~t~fuge zUn zowal in de rec~estroom a13 in de fermentor hogere

gistconcentratias te berei~en. Dit heeft natuurlUk geen invloed op

de door hen oeDaalde kinetische constanten maar wel op b. v. het

reactorvolume. ln

oU lage 1 zUn hun

vergelijkingen verder uitgewerkt tot een c 0 rTlPJ te r m 0 del voo r het f e r men tor -c ent

ri

f u ges y s tee m •

lij vermelden hier slecncs de resul ta ten van de berekeningen.

I ' C l

•. c;

hoofdstroom

~

is

1

û

~,

a

m3/hr. TV.

1

hoofdstroom ~

_r

_v

_o

is Ge som van drie

1

en

f

.

vfosfClrzuur

~e

ruwsapstroom

~ed

r

a

agt

94, 9 m3/hr.

flows :A,

_IV

,t

v .

ruwsap SPUl

zie4. 1)

3

De spuigiststroom i s door de computer berekend op 7,2 m jhr.

De fosfaats troom laat zich als volgt berekenen:

Uit bijlage 3 volgt délt 99% van de hoeveelheid suiker omgezet moet

worden

totaal omgezet aan suiker = 0, 99 • 12,5 = 12,38 t/hr.

Er moet

(4

.

2)

480 mgr P/1 00 gr suiker gesuppleerd worden = 4,8 kg Pi t

Je ;::: sLJutJletie bedraagt dan 12,38 . 4, 8= 59, 4 kg P/ilr

IJe H₃PC₄ sU;JiJletie bedraagt 93 • 59,4= 188 kg H3P04/hr.

TI

Per r y (I it. ('7)) ge e f t voo r de di c h th e i d van een 2 5 'Y~ f 0 s f 0 r z u u r

o plo s sin g b ij 3 DOe : = 1 , 15k g / I • Voor

1 8;;

de f~sfaatstroom geldt dan:

- r 2c;

eh

1 15 163

-

u

,

J • Tfos. zuur . , • ~ fosforzuur" =0 63 m jhr.

9

3

( ( ( ( ( (

o

-

1)-De suikerconcentratie in dE hoofdstroom bedr3agt door het

ver-dunnen van het ruwsao met de spuigist en het fosforzuur

c<J . 12:] nr/l. reze concentratie wordt vCJor

9';%

omgezet --~

~

e

oroductstroom

~

=96,95 m3/hr;de alcoholconcentratie

r

v

.

t in ;:Jec'r32ÇJt :J

=

55,2~ gr/ l . mIJ • Sui t=1 , 2 ~r/L hier-~ _{,e recyc} 1 _ever h _ou d· _{lng ,}R ₌

r

SpUl _{=(J ,1CJ2; met}

₌

_{7,2 m} 3 _Ihr ~v 1 t h · · t 1 rec. 70 6 3/ h VG g lcrUl voor ~v = , m r. recycle

: ' i t der e a k tie ver gel ij kin g C 6 H 1 ~ 0 ,...

.!. :J

>

volgt dat 1kg omgezette suiker 0,49 kg CO₂ geeft.

Oe CG

2 productie door de fermentatie vol gt hieruit:rCO =6, 2 t/hr. 3 ' 2

11et volume van cie ferrilen-::'or is berekend op 159 m Ihr.

:1t v~lum2 is,in verband met schuimvorming en CO'") holdu~ ,

net

:~e t

~erkvolume.

volume van de fermentor wordt dan: 159 =200

O,B :;] e r;1 i d del d e ver blij f t. ij d

't

i n d e f e r men tor = L 3 m •

v

fv_tot• 20;G van stroom ,t. 'f 'J ,.j, + ,.h =1 02 8

I

V

.

I

V

'

+ 70, 6 3 =1 73,4 m / hr, to t . l n rec. hieruit volgt cat't=2JC =1,1 5 hr. Î 73, Lj ne gistconcentratie X in de fermentor wordt op 80 gr 0. 5./ 1 ge -hou den (z i e Q ij 1 a g e 1)

D~ centrifuges hebben we niet m.b.v. de ' f i rst princi ples' of met 'vuistregel s ' uitgerekend. Het dimensioneren van centrifuges is vol CJ e n s

:<

0 s sen (1 i t ( Ie )) een h ach e 1 ij k e z a a k , i n die n er g een e x -peri~enten op laboratoriumschaal uitgevoerd zUn. Jaarom hebben wU

beslo ten ~ezelfde centrifuges te installeren, die ook bij 8ist- Jroca

-des in Uelft gebruikt worden.

ne zee ent rif u ges z ij n v <3 n alf a -L a val end ik ken d e gis t i n tot 1 80 g r /

L.

~

e

maximale doorzet bedraayt ca. 4û-45 m3/hr en het el ec

triciteits-verbruik 55 k ,i •

Gezien de stroom

~v

=173, 3 m3/hr zal het duidelUk zUn dat er 4

( ( ( ( ( (

o

o

- 1

~-5.2. 3 L.uchtgift

:-I')f?!_'r:l cie ; ermenta tie anaeroob moet verlopen. ,is toch een laeje zuurstofs'Janning voreist.De zuurstofspanning moet wel laag blUven,

omd~t anders de ~isten de gevormde alcohol oxideren tot koolzuur.

~et de in lucht aanwezige zuurstof synthetiseren de gisten sterolen e fi 1 i::: i C' e n wel ~< e e s 5 ent i e ë 1 z ij n voo r het c '3 1 me rn 0 r a a n. [n die n e r

, i,;:t belucht zou worden,iiloeten deze dure stoffen met de voeding

toegevoerd worden. Over de hoeveelheid lucht die per eenheid f~r­

~ent::Jrvolume oer minuut (vvm) gegeven moet :ûorden,lopen de meningen

nogal uiteen. Z6 hebben wu gevonden dat :

Chose en Tyagi l i t(/5 ) ,....!,1 25 vvm geven,

Gist-:;rocades ::,05 vvm geeft en

6

\ _Cl 1,,-6

i...J. ,--.1 vvm 0evcn.

~e l ~c~tgift van ~ist :~ocac~5 jedraagt dus ongeveer het gemiddelde

v .::: n dei n d 2 1 i ter a t u u r gen 0 e ,,', d e wa a r den en d a :3 rom zuIl e n wij hun

luC~tDift aanhouden.

3 ~

n 1 ,. ' ft , , ' '~5 2-'0 1" / " 17 '-'/

'J e . '..1:::: n t g 1 j e dra a 9 t. 0 a n .J, u • u = cJ ril m = :.J , ril S •

6. 2. 4 ~armt.eoverdracht en roeren.

8U de fermentatie komt warmte vrU.Oe warmteproductie laat zich

als volgt berekenen.

Roels (lit. (/9 )) geeft de volgende reaktie enthalpiesn op:

~ ' f ! l 6

°

i'6: 121_"'6 -+- 2 1 6 CO₂ + 6 11₂

°

f1

H lu=2829, 9~ 9 mol

?

2 CO₂ + 3 H 20

6

Halc • =1373,6E mol .

,

-Voor de reaktie +

bedraagt de reaktieënthalpie: L1H 1 _{g u} - 2. L1H _a 1 _c. = 82,7 _{- - -}kj mol

nmdat rietsuiker ( sacharose ~ jU benadering door de gist ' gezien'

wordt als tulee twee gl ucose moleculen is de totale warmteproductie

çd ij kaan : hoeveelheid sui:<er • conversie .L\~

( ( ( ( ( ( (

c

Cl

o

-

15-1 ~ = ' I G 1 : 1 lJ n 2 7 I _, ..J. 1 u .....J , ~), • u , = 1 , SS. 1 (J j k ;.J • 1 ,-b • ,~fi û LJ ~< 3. n t \J :? n j ~ r' r'~ '; il ':. i j r Ic) (l n d •

.!,~~un·'2n Gij Ce uJ,".r,nt cQ\J" rdl'acht ::5 ovc::rdracht scoëffi ciënten

on( 2~sc~~iC2n :

1. cl a l' fT: t::' ') V ::' r C r:J ,-= 11 t V i1 n iI [? C 1. u In n a ar 1< 0 els pi l' a al . ~ i2rVQ')r JeInt v~lgons ~ee\ en ~utzall (l it. (ZO~)

i-Ju 0<. . d / C A-:led n p

J

,

'i7

~

0

,

37

(

d. 1'

)

0

,1 (

d

C)

O

,

S

-= l~ t 17. ,·e • r • f) • 0 ._ ~~ z::: r ~ ~ =: -: :. e y:~ l d t IJ Cl 0 r L~ .. ::=;<"~ 2

<

2 • 1 ,J.J ~~'~:2nv~~oracnt DD~r de s~ iraal . ï - 1 1 • i 1 ' L _

G hi-=r~ij =~hor~nDe overcrach~scoëfficiënt word~ verwaarloosd. ? ~

.

'hLCJ:-~ns 1 ~t. (2.0: lJ'ê'ldt hi r::r voor : Ci 'J 3 -.:

,

u

.

_Pr" -.J ~: e Z:-~ !' c: 1 . tie g i ~ 1 cl t 3 re; voor 2.1U

<

f\e <2. 1 G~ en

;J

r;f

o

,

7

.

[) e tot al 2 w d ~":I 1:. e 0 'J '" l' d l' ac 1, t s c Cl ë f f i c i ë nt wor d t c; e g e v 2 n d 0 or : 'lJ- 1 -1 = C(1 + VlN - 1 2 r -2 )

c:

2 h 'J ." V P. e 1 h f..~ i_ óJ \LJ::3 r:~ te, rj i ':C; " e t de '< (J el s p i ral en af 9 e v oer d kan wor den, lJ.,/aarin " ~T c:

I

n

, Il;e:: [i l:. ~l i s c h t 8 m !J I . r é) t u u r ver s c h i 1 = Á T -~T . groot kl el n ~T I qroot n.6T kl el. n A lè, jj;;: [J C L! El r ïl t i:; 0 1"1 ei '.J c t i e ei 0 ~1 r h 2 t roe r 2 n en het war fT: t e ver 1 i e s ,4 ' . I 5 ~J 1 ra en

( ( ( ( ( (

r

o

o

(î .ie r, <3n ui t V·.;:l

~ :èl'J.Ja~c:r

[j-Jl: C!1:n t, ..

~!:Jc:

r3

t·_J

r

fl8[;ft van 2[JtJ C, en :'=:It i.Clt

")"

.

;

~

.]·'i8::!arcnd l:JOrl t. [li l: i s 10C l ag::::r can de fercnelltati e

-t ~ '<1 Ol C ~ a t LJ ..! l' • i3 h ;0 n CJ :; :. . d e h 'J ,: vee 1 h ~ i d I.~ 0 2 l li 3 ter v Cl 1 t t e b er:::: ken e n , , een ~

₁

= 1 ~~ ~'-' m 3/h r. v~oel 3 f~rmcntor van 20C n i~houd Als 0 1. 0 Ul ~~3an van ce i n 1 i t . (ZO ) gedefiniec;r de s tandaar d g20 -;;1 C :: ::-i. e VD l r r:: e n ier '~: 2 nt CJ l' : L 1 " = C) en 0 = 3 d - . roereer' !J

=

6, 4 m., d

=

2,1 3 m. r ,.... 1~ '"'; ~_' - 1~2 V 0 _. l' = 2.1J...."

_''L

p. v.d

_-

- 2 1

_.

_,-'

,'5)

E

= 1 0- 6 ----~)

1,

..., '1 }

;)

•.

:.

.

/.

=

i ~ -:. = ...J, ~ 1I

r='

_

":-::o//c: _, ---~) d_c= J , 27m. L • ,-' • Ij - I ~---/ ...J ' - ' - ~ n' c~ 1,,- 3 / 21 "J . , ~ u '. 4 • • c) V .J Cl 1 ' < 0 e L W Cl :: 2 r

=

A

Q , (1

=

7 lever t :

~!

iJ 0 l' h t::: t Re Cl eta 1 van d c r:::J::; l' der ne men we 2. 1 05 • n. c . L. ,) he t r::eC:i u!n ~edraagt

A-- 3 . 3 = 2, 6.1 0 .10 J , G 18,2 1 e ver t : ~J u

=

3 2 0 []i

I~

CJeeft IJ'JeH 0(1 -:::

72f~

J

/m

2

o

e

.

De t'JtélJ c

'J.J=-l:.'~te

ov

e

rdracht

sc

oëfficië

n

t

U wordt m.b. v. [3] :

U -. - 57'1 0 :,,'~!) / rn 2 Je •

Het 10:larit~isch t3mperatuurverschil wordt oerekend met het hier

-onder staande sch2tsj e :

9 ~ " :J

_e

L\_T1n = l n1U

=

i

'

:_:

•

300

e

•

fetmméor .30 0

e

290

e

( ( ( ( ( ( Cl

o

(î .6 H-i ;~ r ;il. 1, ::... ,' J • l OG 87;J. 3, ::1 71 0 2 m H c:~ '-l 1 X ; nl;3 1 c ' : n '? ] O:J:: c r v 1 iJ k d:J t q e L n s t ,~ 1 lee r d ' a n w Cl r den, 'J.J 0 r d t ;--, p. Cl:: t -:-:? i, V :1 n " e n '11 L :; cJ i. n J i 'i d::; n l[. 6 , 1:3 = 1 9 , 3 m. :-1 et .] p :J S r v 1 ::: -< véln -I et H

c

c '? X i.:-r El 1 e 3 ~: n :: ,,1 !t! i :I din 9 2 n 2 !~ 5 :::J i r C) 1 en: het 1 ~3 , :3 • dat men "IJ/.: irnale • d c

=

16, 33 2 m • ins ta 11 er e n ',a n , op:Jcrvlak wordt

hetgeen slechts 55% van het benodigde opper vlak is.

bedraagt

24.15, 33=:392m2

Di t ~p:::Jervla~ is ook niet vold02nde indi en j e st~oom naar de

rnr~~ntJ~ (s~room no . 10) afq2.<osld zou ~Drd~n t~t 20°[.

:Jgelij'< in C2ïl jak van 2,.J :n- de o9CJr ocu

-is IllEL

o

:3

l~v~rt ce ~n~tallatio van twee fermentor en rel atief ~eer ooser

-'7

1 -1 '- f ' . d 1 ~~ --l

V _ iJ!< 8 '::;. ' \ 5 '.J e l.. W 2 e 2 r men C 0 r en van l e e r l~ cJ m n e :11 en, dan WiJI'c t cie di'::::i eter Cl

=

=', ~):3;-:-J. Oe 'uar"it e:Jr:Joucti..e per feL:lentor !:::r:cra:-'c-:t J , T:. îLJ': " hc;t :<:JElwaterL.eCJiet 75 mJ/hr.

c: rl c: '::. ::' e 'J e,-,J 1 v 0 J r hl! 'L (0 c; 1 :tl2 t 2 r --l e d r (} a g t 2. 1 O....i; h i 2 r u i t v ,J 1 C] t d

=

,I, 1 ~:J5 m. c '--1 e '::. ~J u 'J p. :-. ;:11 ~ n de :J ij:] ~ 1 i j f ': c:m st:) n t :

r

Ju

~

,

=

~32'

(

~/m~

.

oC

.

899 dus :--1 e t :'1 u ge L:ll V:J éJr c' e IJ u i t en k iJ n t van ce pij;J V 2 ra n der t : Nu = 25::, --:> dus 0( 1

=

11 :37 i

/m

"'

.

oe

.

Di t ge~ft v~or U: ij -= ~:3 i, --, , o,~ '/m • 0, 79.1Q6 2 -= _{3, J .}

=

21 6 m .:.:;3/,j ;J':ènodi.g',G o,-,',r-:rvlak A

'J e ü m t rek van l. én wi n d 1. n q v 31l de k CJ els p i r éJ cl 1 bed r a a 9 t e a. :

;;r. ( :J , ~J:3 - i.! , 1 3 S) ~ 1 S , :3 6

Het '< 0 e 1 J I ) per v 1 a k van één ',;) i n d L n g van de ,< 0 el s p i r a a 1

a

e dra ag t :

..,.,- --I 1 r; 3" f" - -.: ' I , ) 1 " r: 1 5 -.: i - 6 7 c 2

Jt... C • I ...;, ~) -

,J

,

I q . .. , I J ... ) . , ~ ~ - , :J m

c

LI L e r u i t V 1 1_ ~ t é-' é) t e r 31 'ti L " di n (;) c n Il 0 d i C] zij :I , die een 0 n der 1 i n 9 e

3f::~2nc

!

,

eh; j ;" n 'J 3 n C 3 • z')dat ::. \J -1 1 L' J f; n . 5

n

-.:

--~~ 32

=

0,1 6 m, :3

( ( ( ( ( ( (

o

0

0

-

ld-3i j de "ler"-,<<::nirlqc2n moeten c;nek21e opmerkingen gemaakt worden. De in ~je

stand

handloiding Fabri2ksvo~rontwerp genoemde vervuil ingsweer

-=

'1, 5 m2. oC/kW is bi j de

be

r

ek~~i

n

gG

n

niet opgenomen.

'w

r·~ P. n '( a n a J ~ ïl := n ei a t e e n e ven tu ('! 1 ene ers 1 a g van zou ten e. d. a 1

qebeurt in de warmt~wisselaars H3, H33 en H7, zodat de koe lspira-len waarschijnl i jk vrij van aanslag zullen olijven. Verder zou de totale 'Llar~tcoverdrachtscoëfficiënt - alleen al door de bij:hage van R - al t ijd kl einer zijn dan 2000 W/m2•oC, terwijl Kossen

w

(l i t(18 )) als orde grootte van U ca. 4000 W/m2.oC opgeeft. Deze waarde is m2t bovenstaande correlaties, die vaak in de literatuur

gebruikt worden voor warmteoverdracht, echter bij lange na niet

t2 halen. Indien de vervuilingsweerstand Rw Gok meegenomen wordt,

is ~ar~t2afvlGren bi jna onmogelijk.

waarde voor 8e _r02rder 2.105 kan het ingeroerde

[(e :!:'o-,rcer d r 1 -erei<r::>nd

=

2.105 iJl 0 roen. =

p

. f'J. d 2

1

r

o

3"

---7 d _r = 1, 7 m. 5 - 3 2.10 .2,6.1 0 1

~~[]

.

(1 , 70) 2 N

Het ingeroerde verïllgen jedraagt: P = P .J.N3 .d 5 d

v roer er voor Re> 2.104 521 W. me ,- :J

₌

V P v c: ! m 'J 9 t:: n s ken tal

=

:S, L( ~ , - 3 S " 'I tJ , ...J. l 1 8 • 1 , 7 • 1 ,~_, ) =

=

0,1 8 5 - 1 (1 )

5 tel r~ e e f j' ic L C n c y van der) [; r in 0 tor op 9 0 /~, dan is ben 0 d i g dal 5

roerenergi e Dcr fermentor:

521

P

=

09

_,

= 600 W,

zodat er in totaal 120U ~ nodig is.

Ter con trole berekenen we de mengtijd. (De meng tijd t is de tijd

m

waarin een vloeistofel ementje in zijn geheel opmengt met de bulk) .

IJolCJens

:

<

0

s sen gel dt (l i t . ((!a):

0, 6

{

%

)(

B

)

0 H ( 2 ) ~J • t =

,

(h

r

= 3 = 1 m

yj

d 0 r Pv·d L

fi

1 3 r _L

₌

₁

=

d _{r 0} d _r 3

.

1 nit CJeei t vOr:Jr de ~~l(; n g tij d :

t'll

=

52 s. [li t is een redel i jke waarde, ~'ant de verblijf tijd 'JE'dr33gt 1,1 5 hr .

FRC '"---,,,,/ _L~ ..-' -'-- ] :1~.:1--''- luchfi L. C. -- ,,' . ' . ... - i , 1

u c

h

t

:

fi 1

t

e

r

s

t

o-o-m--~

0"~

(~--'\ ;~ -I i

-1

0

t t t

r

-

~

-

~~~-

-;

l

~~~~

l

I ' I I

~

D

~ID

-

-

--l.

4\

-

-

;

fU

--

r--~--~----~ I - --- - - --I i

___

fx~

\

pH-regeling , :-.-1-1

--4

0 -

-

--

--

-

-

--

-

-

-

---

_I

i

,-~

_---'--J

':

T RC )- - -

,

>

1-~ : - \

---+---~?

J<1

4aJ~ater

in of condensaat

uit.

, i , i/ , } '

[

-~ !

::><:J-

--.

---I stoom. ---~~---~ aftap (oogst) -..

fi guur 6.2: Fermentor.

( )

r)

( ,

( ( ( ( ( r \ ()

o

Ie .7i:n '--.';Jt . ~ iJannane r:3t ce warmtcçH'Jductie door de fermentati8

(

..

1

,

C:<l

J"

.

1'1

..,

3 ,.",) _{IJ veel groter is dan de warmtecr~ductie door het roe} -In f ~ ~lJUr ~. 2 sta a t cl e u 1. tv 0 e rin 'J IJ a n de fe r m 2 nt 0 r met 1 OOm 3

h::JUd. ::::::: zijn een aantal regul erende functies bijgetekend.

in-De p~ wordt net ee~ oH s~aat 00 pH

=

5 g~houden, de t emperatuur

~IJrcjt ç;f-!rc,,"elrl door meer of '::inder koelwat(;r te geven. Verder zijn nog twee level controllers aangebracht: ~~n meet de vloei

-stJfhoogte die de aftap regelt, de ander meet de schuimhoogte,

ZJd2t ~r i~di2n n;Jdig antifcam toegevoegd kan worden.

e ~i~r0n~om2nce l LJcht wordt gest ereliseerd met 2en filter.

Je f?r~entor zelf staat onder een kleine overdruk, zodat er Dij

d~ l~c~t/:~~ afvoer qeen ~nfecties naar binnen kunnen ~omen.

L:"

~et z21 cuicelijk zijn dat de onder 6. 2. 2 genoemde stromen (~ ,

v.

rh tb en d> ) en de oroductie van 'J. v. alcohol door het

hiet-iv ' I V 1v

. r u , s ' t ' d ' . t " f t 2(JO 3

onv~n ver~regen reSUl aac at nle een ermen or van m maar

?

( ( ( (

c

( (

"1

( (l ('

----6.3:

Destillatie

en azeotrope destillatie.

6.

3

.1:

Dest

illatiekolom

T

1

9

.

(~~"'"

1,

, /

B1j

de àestillat

ie

wo

rdt

geëist dat het

topproduct

8T"mol% ethanol

en 13

mol

%

water

bevat, terw1jl

het bodemproduct 0,01

mol%

ethanol

bevat.

Me

t

deze gegeve

ns

kan de massabalans

over de

destillatiekolom

op

gest

eld

w

orden. Deze staat schematisch weergegeven

in fi

g

uur

t-~

96

,

9

6

m

3

luur

55

,

849 g

ril

EtOH

R=3,5

'I'

19

figuur

6. ~

De destillatiekolom.

7,05

m3/uur

765

gril

EtOH

89,91 m3/uur

0,255

gril EtOH

B1j de

berekening van de destillatiekolom werd

aangenomen dat het

te scheiden mengsel slechts

ethanol

en water bevat.De

stoffen,die

bD

& fermentatie zDn

vrDgekomen

of niet

zDn

omgezet,worden dus

geacht rechtstreeks

in

het

bod

em

product te

verdwDnen

en geen invloed

uit

te oefenen op de

voor de

destillatie

belangrDke grootheden,

zoals oppervlaktespanning en K-waarden.

M

c

Cabe

-

Th

iel

e

berekening.

De

berekeningsmet

hode

van het

aantal theoretische

schotels

volgens

de

M

c

C

abe-Thiele

me

thode is uitgevoerd

met behulp

van

een

~

comput

e

rprogramma (zie bDlage

2

).BD de

berekening

z~n de

volgende

" .~

---gegevens geb

ruikt.

q=l(voeding

op

kookpunt)

X

b

=O,OOOl

(molfractie)

X

_f

=O,023 (molfractie)

X

_d

=0

,

87

(molfractie)

{ ( ( ( (

c

c'

( \_-'

(

)

y

--1.1-Het programma heeft hiermee het volgende berekend:

R=3,5

Nt _op =32, 5

Nbod =9,5

(L/V)top=0,78 (L7V)bOd=8,6

De berekeningen worden uitgevoerd op mol-basis omdat de in het

programma gebruikte van Laar constanten een azeotroop voorspellen

bij ;{=O, 89 (mol fractie) en omdat de verdampingswarmten in kJ/mol voor

ethanol en water ongeveer gel~k z~n.De verdampingswarmten bedragen

respectievelijk 'l..çoc)

4

'6

kJ/k~ voor ethanol en 1~~kJ/k~ voor

water. Omdat de verdampingswarmten nagenoeg gel~k z~n en dus

onafhankel~k

van de samenstelling, is de

mOlai~mpstr~om

in de

kolom constan't. '

V-'-

\

)' )"- .-,;

J.>\"z

O~ de berekende molaire stromen om te kunnen rekenen naar

gewichts - volumestromen is een gemiddelde samenstelling voor top

en bodem ge~o~en. ~ _X

-3

3

b =O,Ol ~ f;,:~, b=18,4.10 m /kmol

-

-3

3/

Xt =0,6 ~

n

",

t=41,7.10 m kmol ,-,J, _

3 3

'( -0 i',~-~ ~

p

'

f'=19~ 1

°

m /kmol ' f- , ve." ' 7

m,

L

Met deze ~aarden kunnen uit de L/V waarden de flowparameters voor

top en bodem berekend worden. (zie capaciteisberekening)

Capaciteitsberekeningen.

B~ de berekeningen is gebruik gemaakt van de methode uit (~/).

De vol gende uigangscondities z~n gebruikt.

-Er wordt gebruik gemaakt van een kolom met zeefschotels.

-Indien mogel~k, gel~ke diameter voor top- en bodemsectie.

-Belasting voor het zwaarst belaste gedeelte van de kolom bedraagt

ca. 80~ van de floodingsgrens.

-Uitstroomsnelheid van de vloeistof uit de uitstroomspleet van de

downcomers l igt tussen 0,7 en 0,1 mis.

-Overlooprandhoogte Hw=50 mme

-Overlooprandlengte b=0,5 m/m2 -St eek = 2cm.

-F= 10% vr~ oppervlak.

( (

c

( ( ( (

o

(î

0

... _

_

D

e

capaciteitsberekening

gaa

t

vo

l

gens

de volgende

procedure.

Voor de totale

vloeistofhoogte

~H

_vp

in de

valp~p

g

eldt:

Ll H

_vp

=

A H

_per

f

_.

+

_,

2.

hl

+ h

_s

., of.

(11 ... ,-...-1.,,,,- '

-Hierin

isA

H

_p

_er

f

_.

het drukve

rlies in

de perforaties

als

gevolg

van

de

versnelling van de dampstroom.Hiervoor

ge

ldt:

1 2

H

_pe

_{rf •}

=

2.

g

.(Ug

/(F

.

_{Cd ))}

_{(U g betrokken op bubbling area)}

(Cd

= 0,67

voor

zeefplaten)

hl is

de

heldere vloeistofhoogte

vloeistof- en dampstroom volgens:

=

holdup.

Deze hangt samen met

de

hl

=

0,6.

waarin b

is

b

et

ro

kken

op bubbling

ar

e

a.

h

is

de

drukval over de

s

uitlaatspleet:

1

h

_s

-

_-

₂

_.

_g

_·

(U

_{l,spleet d}

Ic

)

2

Cd

=

doorstroomcoëfficiënt

=

0,55

D

e downcome

r

capaciteit is

voldoende als:

.6.

H

_vp

<:

0,

5.

(

H

_s

+ H )

= 275 mm.

w

Ve

rd

e

r

wo

rdt

bekeken

of

de schotels

niet doorlekken. De

berekeningen

voor de top-

en

bodemsec tie

staan

weergegeven

in tabel

('1

bijlage

Î

Rendementsberekenin~

De

rendementsberekeningen

z~n

voor top

en

bode

m

van

de kolom

uitgevoerd. B~

de berekeningen

z~n

correlaties en

grafieken

uit

(~t)

geb

ruikt.

De berekeni

ng

en g

aan volgens de volgende proc

e

dure.

U

it d

e

flowparameter

k

an

het

specifiek

g

rensvlak a berekend

worden.

De

stofoverdrachtscoëffici~nten

K

g

en Kl volgen uit:

K

-

~

K

_

2,6.1

0

-

5

g-

f

g 1 -

~

1

0,25

De volumetrische verde

li

ngs

coë

ff

iciënt

wordt

berekend met

f

g

m= K •

.P

1

<. ( ( ( ( ( ( (

o

0 __ .. _1_ Kog 1

=

K

fT' o 1

+ r

1

-23-Het aantaloverdrachtstrappen betrokken op de gasfase volgt uit:

N

=

Kog·a

og

Kg

en het plaatsel~k rendement ui:

E = 1-exp(-N )

p,og og

Het Bodensteingetal voor een schotel wordt berekend met

~

I

Bo

=

1

O.~.-h

iJ

I

Hierin is

I

de lengte van de vloeistofweg.Hiervoor is b~ kolom

T 19

2 m. genomen en b~ de az eo trope destillatiekolom T 24 1 m.Met

Bo en de stripfactor

S

(=L/(V.m),L en V in m3 /s.)kan het M

urphree-rendement bepaald worden (grafisch).Met het Murphreerendement wordt

het gemiddelde schotelrendement berekend volgens:

T."' _ log ( 1 + ( S - 1 ) • Em , 0

g

)

'--"0- log S

De berekeningen staan in tabel

1

, bijlage

'1

•

Resultaten.

De kolom heeft een doorsnede van 1,9 m (0= 2,8 m2).De topsectie

heeft 32, 5/ 0,87=37 schotels.De bodemsectie heeft 9,5/0,31=31 schotels.

De schotelafstahd H is 0,5 m. De totale hoogte van de kolom is dan s

(31+37).0,5+1,5=35,5 m(1,5 m extra ruimte).

6.9.2: Azeotroue destillatiekolom T 24.

B~ de azeotrope destillatie wordt het topproduct van de azeotrope

destillatiekolom, de ternaire azeotroop,na te z~n gecondenseerd,

gescheiden in twee lagen:een benzeenr~ke en een waterr~ke laag.Zie

voor de samenstelling van deze lagen figuur 6.4 .De benzeenr~ke

laag wordt weer naar de azeotrope kolom gevoerd,terw~l de waterr~ke

laag naar de benzeenstripper T 31 wordt gevoerd.De benzeenstripper

heeft als topproduct de ternaire azeotroop en als bodemproduct een

benzeenvrij ethanol-water mengsel.Er wordt aangenomen,dat de absolute

ethanol nog 0,1 mol% water en 0,2 mol% benzeen bevat. Voor de

( ( ( ( ( ( ( (

0

o

0., .... _

x

_a =0,87 Xb=O X

_w

=0, 13 T 24

-x-=o,z

_a

X

b=0,020

~,228

_a Xb=0,539 X ,.1/=0 , 233 '; :; 1

X

=0,758 "-- _ _ .yc:.~-..,..--:::--=__~

w

Z ~~ Î X~, =0,997 ... , . =(),002 o

®

1 I, X =0 221 ,{'V"" )",-,1,

a '

.

.

[1.-L ,,... J"," X b =0,001 ,."1.,-,) X

_w

=0,778

Fi guur

6.4

:De azeotrope destillatie

e~2)

ex

in mol fractie)

Om de verschillende stromen te berekenen z~n voor ethanol,water

en benzeen massabalansen over de azeotrope destillatie sectie

op-gesteld.Stroom

~

is het destillJt uit kolom T 19.Deze is

gel~k

aan 7,05 m3/uur._Mw van deze stroom is

gel~k

aan 0,87.46+0,13.18=

~

42,36

gr/mol. De dichthei d is 800 kg/m3 .De stroom is daarom

gel~k

aan 7,05.800/42,36=133,144 kmol/uur.De massabalansen luiden nu:

ethanol:0,87.133,144 + 0,190.y 0,228.y +

0,190.G§J

= 0,997.@

benzeen: 0,536.y 0,539.y + 0,536.00 = 0,002.@

water :0,13.133, 144 + 0,097.y 0,233.y + 0,097.

®

= 0,001.

®

De oplossing van deze vergel~kingen levert de volgende stromen:

®

= 111,585 T~mol/uur

®

= 22,641 Kmol/uur / l

"

Y = 126,789 Kmol /uur

®

= 21,515 Kmol/uur " 'l-

')

1.

•

c.... / U ~

CID

= 1,126 Kmol/uur

®

= 105,274 Kmol/ uur ' ~. \ '"

Z _{= 127,}915 Kmol / uur

Repaling van het theoretisch aantal schotels.

Voor het theoretisch aantal schotels van kolom T 24 wordt uitgaande van de bodemsamenstelling een schotel tot schotel berekening gemaakt

van de bodem naar de top volgens de Lewis-Matheson methode('7).

I

j

<-( ( ( ( ( (

o

o

Fr wor dt Gebruik gema~kt van de volgende damp-vloeistof relatie: y. l,n

=

(oc . • X.) 1 ,a 1 n

2..

«

(À

.

•

X. ) L l,a 1 n

De evenwichtsge~evens (oc's als functie van de samenstelling) z~n

afkomstig uit (~~) ,zie b~lage

Voor de werklUnen in de verschillende secties in de kolom kunnen de volgende vergel~kingen opgesteld worden;

Voor de topsectie geldt: 1/V = 0,7 (zie(~l) ),y=V-1=126,789 Kmol/uur

V = L22,630 Kmol/uur

1

=

295,841 Kmol/uur

Er wordt aangenomen, dat V in de hele kolom constant is.De

vloeistof-stromen in de verschillende secties z~n:

1t _op = 295,841 Kmol/uur

1midden = 398, 11 5 Kmol/uur (= 1_top +

®

)

1bodem = 53 1,259 Kmol/uur (=L_midd en +@)

De werkl~nen z~n nu:

t

t

.

" ' 1 Y

.GD.

X

(29)

X

.Uhl.

?

opsec lej1'l.n+'=

L •

n + 1 • (31)-1 • (29)-1 ·1'1.(34)

top top top top

An+l=l , 4 2 9.Y_n + 0,373. X(31) - 0,447. X(29) - 0,356.X(34)

V

an

~

mi ddensectie:X_{n + 1=}

1

.Y +1 .X(31 ) - 1 .X(29)

midden n midden midden

Xn + 1= 1 ,053_{. Yn + 0,275. X(31) - 0,33}0.X(29)

- bodemsecti e: _Xn+,=

t

_{.Yn +}

f3I1

.X(31)

bodem bodem

In b~lage

5

staat de schotel tot schotel berekening weergegeven.

Fr zijn totaal 26 schotels nodig.

®

wordt ingebracht op schotel 21

en

®

op schotel 24.

De ber ekening van de capaciteit en het rendement gaat analoog aan de berekening b~ kolom T 19.In b~lage ~ staat de berekening voor

de drie secties weergegeven (schotel 16,22 en 25).

( ( ( ( (

c'

o

-2

6

-Resultaten.

De kolom heeft een doorsnede van 1,38 mCO= 2,41 m2).De topsectie

heeft 3/0,81 = 4 schotels.De middensectie heeft 3/0,74 = 4

schotels.De oodemsectie heeft 20/0,67 = 30 schotels. De hoogte van

de kolom is 0,5.38 + 2 = 21 m. ( 2 m.extra ruimte).

6. 3. 3: 3enzeenstripper T

31

.

In

b~lage

6

staat de Lewis-Matheson schotel tot schotel berekening

van de benzeenstripper ( uit

(

lZ

)

). Er z~n totaal 4 theoretische

schotel s nodig.

J

e

voeding van de benzeenstripper is 22, 641 Kmol/uur.(=0,160 kg/s).

Als dit boven in ~e stripper wordt ingebracht met een t emperatuur

van 65 oe. ,zal er een gedeelte van de damp in de kolom condenseren

om de voeding op kookpunt te brengen (95 ~C.)'22) . De verdamp

ings-v/armte van de damp is 36765 J/mol ( dé~verdampingswarmte van de

ternaire azeotroop). De hoeveelheid damp,die condenseert, bedraagt dan:

(Q

=

: ' _{!.~~. 'v} f ' _{f -} ( - ' 0 ' " T)

\:Ju Á '

1. p,

25, 42. 3,88.22,641.30

.)6765 = 1,822 lmol /uur •

De damps "Croor.1 in de kolom bedraagt dan 1,822 +

®

= 1 ,822 + 1, 126 =

2,948 Kmol/uur (= 0,033 kg/s. ). De vloeistofstroom in de kolom

bedraagt 1,822 +

~

= 1,822 + 22,641 = 24,463 Kmol/ uur (= 0,169

kg/s. ).

Berekening van de dimensies van de pakking.

De berekeningsmethode is afkomstig uit (~I ).Uit het type vulling

en de nomin~le afmeting van de elementen van de vulling volgt de

pakkingsfactor

F

.Met behulp van de flowuarameter en F is U

p ~ p g,max

te bepal en.Di t is de floodingsgrens.Hieruit volgt U = 0,7.U •

g g,max

~et behulp van de damp belasting i s dan de diameter van de kolom te

bereke

nen

.

::

:1~~::

:r.~fOl)

d

~

?3h

l(::~

g:

U:::~iCiël

e

vloeistofsnelheid)

\ dr·g

~e pakkingshoocte volst ui t de hoogte equivalent met een theoretische

traD (HETP) .hiervoor geldt:

HTUO~" volgt uit : ::> Hierin i s : (Re) g 2, 3.1og S HFTP

=

S - 1 . HT_Uog

FTU

., 1 (Sc) g UO_{,27 dO,}33

-

3

1 • r = 0,29. 10 • 0 ~

°

17

vl

'-:

g

,

Je

oe

rekening var! J.e diameter van de kolom en de pakkingshoogte

staan in bDlaG8 1 • De resultaten z~n:

pakkingssoort Raschig ri ngen _{d r '}

₁₅

mmo

D _kolom 0,21 m. H

pakking 2,24 ID.