De fermentatieve bereiding van butanol

1

1

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Nr: 2607

laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

... H.· .. $..~.$.ggÇj.j~.1L.~ ... k\.~.I1_~.ç.!.p..~.t.p.!?J .... _ .. _ ... .

onderwerp:

.... 'Y.9J1 ... P.gt.9J1.9.À-... .

adres:Roland Holstlaan 1119 ,Delft opdrachtdatum : Juli 1984 verslagdatum:Augustus 1984

I

I

I

I

.

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

- - -1 Same:'Jvatting

In dit verslag wordt een voorontwerp van een fabriek voor de berei-ding van butanol behandeld.De jaarproduktie (gebaseerd op 8000 uur) van de fabriek bedraagt een mengsel van 2000 ton butanol ,207 ton

isopropanol ,8.64 ton ethanol en 155 ton water •

De bereiding van dit mengsel gebeurt door een kontinue fermentatie

in een 150 m3 geroerde fermentor met behulp van Clostridium beyerinckii. De fermentorinhoud wordt opgewerkt door middel van extractie en

ver-damping.

1

I

'

1

1

I

1

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

i

l

I

I

I

i

l

2 Inhoud Omschrijving 1 Samenvatting Inhoud

2 Conclusies ,aanbevelingen en knelpunten 3 Inleiding 4 De IBE fermentatie bladzijde 1 2 3 4 6 5 Procesbeschrijving 8

6 Model voor IBE fermentatie met groeiende geïmmobiliseerde Clostridium beyerinckii gekoppeld met simultane

produkt-afvang 12

8 Procesontwerp 16

Sterilisatie 16

8.1 Dimensionering van de fermentor 19

8.2 Dimensionering van de roerder 20

8.3 Dimensionering van de extractor 21

8.4 Dimensionering rotating disc column 22 8.5 Warmteberekeningen over de fermentor 27

8.6 Dimensionering filmverdamper 31

8.7 Dimensionering warmtewisselaars sterilisatie 35 9 Stroom/componenten staten + apparatenlijsten 37

10 Kostprijsberekening 44

11 Lijst van gebruikte symbolen 47

12 Literatuur 51

I

I'

I

I

I

I

I

I

I

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

3 2,

Conclusies ,aanbevelingen en knelpunten Conclusies

De prijs van het mengsel van f 3.83 /kg is (nog) niet concurrerend met de huidige prijs van benzine

(f

1.72/1)

De fabriek heeft dus geen reden van bestaan

extractie lijkt een veelbelovende opwerking voor fermentatie-produkten

Aanbevelingen

De prijs van het gistextract ten opzichte van het eindprodukt be-draagt f 1.00/kg eindprodukt.Temeer daar er nog weinig onderzoek gedaan is gedaan is naar het verbruik van gistextract gedurende fermentaties en de wetenschap dat groeifactoren in kleine hoeveel-heden verbruikt worden ,loont het de moeite om hieraan enige ex-perimenten te spenderen.

- Het lijkt waarschijnlijk dat verdere opbrengstverbetering mogelijk moet zijn door bijvoorbeeld verdere mediumoptimalisatie of een

ander mikro organisme. Het onderzoek dat hieraan verricht is be-vindt zich nog in een pril stadium.

Knelpunten

Er bestaan weinig gegevens omtrent extractiemiddelen die geschikt zijn om bij fermentaties te gebruiken.

Met name ln de berekening van extractor en verdamper was het nood-zakelijk om enige gegevens af te schatten met behulp van een analogon.

I

I

I

I

'

I

I

I

I

I

.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

'

I

4 ~ Inleiding

De produktie van bulkchemicaliën uit groene grondstoffen is ,sinds de oliecrisis in 1973 ,opnieuw in de belangstelling komen te staan. Met name de fermentatieve bereiding van ethanol uit koolhydraten met als toepassing: bijmenging met benzine (Brazilië ,VS).Deproblemen van dit mengsel kunnen gedeeltelijk worden ondervangen met een ander mikrobieel produkt: n-butanol (voortaan aangeduid als butanol). Vergeleken met ethanol komen de chemische eigenschappen van butanol beter overeen met die van benzine en is de verbrandingswarmte per

volume eenheid hoger.Butanol is tevens een belangrijk oplosmiddel voor de lak- en verfindustrie. Andere waardevolle organische verbindingen zoals ethanol of aceton kunnen ook door mikrobiele fermentatie uit groene grondstoffen worden verkregen.

Binnen de vakgroep Bioprocestechnologie is een onderzoek gewijdt aan de A(I)BE (aceton/isopropanol ,butanol,ethanol)fermentatie op glucose of wei met behulp van de obligaat anaerobe sporevormende bakterie Glostridiu.m beyerinckii.Bij deze fermentatie treden drie

moeilijkheden op :

1.Lage produktconcentraties.Het nadeel hiervan is tweeledig ( 2 w/w%

voor een IBE fermentatie met geïmmobiliseerde Clostridium beyerinckii):

groot reaktorvolume en kostbare opwerking.

2.De grondstofprijs 3.Produktinhibitie

De volgende oplossingen zijn hiervoor bedacht

ad 1.-proceskosten kunnen worden verminderd door de toepassing van

een kontinue fermentatie met behulp van geïmmobiliseerde Clos-tridium beyerinckii.

-f ysische scheidingsmethoden berusten op het creeeren van een hulpfase.Deze hulpfase kan ontstaan door toevoeging van een

hulp-stof (extractie ,gasabsorptie) of door toevoeging van warmte.

---~~

De algemene eisen waaraan een van deze methoden moeten voldoen

zijn :

-hoog scheidingsrendement en produktopbrengst

-betrouwbaar en robuust, ongevoelig voor beslagkwaliteit -vergelijkbare procestijden voor produktie en opwerking

- grote volumereduktie

I

I'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

r.,. \, I ,,eJ'ft" , 5

Minier en Goma (1) vonden dat met behulp van extractie

(extractie-middel :dodecanol) de ethanol fermentatie met Saccharomyces cere-,

'--...---"w>

J'

I

'J"""

visae verhoogd kon worden met een faktor 5.Dit gaf aanleiding tot

een analóDg ~erzoek voor de IBE fermentatie met behulp van Clos-tridium beyerinckii (Soedjak,1984).

c'

ad

,r"~/ ,.,..-J ,

2.Het beste alternatief voor glucose als grondstof

(f1.=/kg)

lijkt het ultrafiltraat van wei (een afvalprodukt uit de kaasbereiding).

---Vanwege de goede balans van de hierin aanwezige eiwitten wordt het Y. "r

1l.!'~ ~+ ..

' " , " "

in veel landen (waaronder ook Nederland) verwerkt in de veevoeder-industrie.In de VS en Canada wordt het echter als afvalprodukt ge-loosd ,waarvoor moet worden betaald.Het lijkt aannemelijk dat in

deze landen de transportkosten (van kaasfabriek naar fermentor) een rol spelen.

-1/

ad 3.Het is uit onderzoeken gebleken dat de aktiviteit van Clostridium

beyerinckii wordt geremd door de metabolische produkten (in het bijzonder butanol ,boterzuur en azijnzuur (2)) als deze een be-paalde concentratie hebben bereikt (produktinhibitie).De groei-inhibitie van Clostridium beyerinckii in aanwezigheid van alifa-tische alkoholen kan worden verklaard door het feit dat deze de de lipide dubbel-laag van het celmembraan kunnen verbreken (3). Volgens de literatuur (2) treedt er 50% groeiinhibitie op bij

70% van de maximaal haalbare butanolconcentratie (10.3

gil).

/É~~-Td-[ voor ~e processen dat alkoholvorming optreedt

tijdens de groeifase :50% groeiinhibitie betekent 50% reduktie van

de produktvormingssnelheid.

De oplossing voor produktinhibitie ligt voor de hand :afvang van

de produkten tijdens de fermentatie.Dit kan tot verhoging van de

substraatomzetting en procesproduktivitèit leiden.In dit fabrieks-voorontwerp is gekozen voor isopropylmyr~stat (IPM) als

extractie-middel gedurende de IBE fermentatie met behulp van geïmmobiliseer-de Clostridium beyerinckii.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

6

:L

De IBE fermentatie

De IBE fermentatie kan worden uitgevoerd door verschillende bakteri~n

van het geslacht Clostridium.Bij de fermentatie wordt naast de

hoofd-produkten butanol,isopropanol en ethanol ook boter- en azijnzuur gevormd

i

en komt een gasmengsel van CO₂ en H

2 vrij.Ten grondslag aan deze

pro-duktvorming ligt een komplex metabolisme dat weergegeven is in figuur 1.

Volgens Thauer et al. (1977) kan aan de hand van dit schema het totale produktenpakket opgebouwd worden geacht uit de afzonderlijke

deelreak-ties.Uitgaande van een C-6 suiker luiden deze:

Butanol Isopropanol H20 + _{C6H1 206} ----. _C3H70H + _{3C0 2} + 3H2 Ethanol _H20 + C₆H₁ 206 --+ 2 C₂H 50H + 2C02 Azijnzuur 2H 20 + C₆H₁ 206 --+ 2 CH 3,COOH + 2C0 2 + 4H2 Boterzuur

In dit fabrieksvoorontwerp wordt uitgegaan van Clostridium beyerinckii

LMD 27.6 ,een obligaat anaerobe sporevormende bakterie die niet

patho-geen is .Het groeioptimum ligt tussen 30 (op wei) en 37

°c

(op glucose)

en tuss~~ de pH waarden 5.0 en 6.3.Het organisme is afkomstig uit het

laboratorium voor algemene en technische mikrobiologie te Delft.

Immobilisatie van Clostridium beyerinckii

Een overzicht van de verschillende methoden voor het immobiliseren

met de hieraan verbonden voor- en nadelen wordt behandeld in het

proef-schrift van Krouwel (4).

Binnen de vakgroep Bioprocestechnologie is gekozen voor de

immobilisa-tie in calciumalginaat.De calciumalginaatmatrix heeft - in vergelijking

met andere dragers - enkele specifieke voordelen: niet toxisch ,stevig,

bolvormige deeltjes van instelbare grootte zijn te verkrijgen op grote schaal en hoge celconcentraties zijn toepasbaar.De fermentatieduur kon hiermee uitgebreidt worden tot 215 uur (gepakte kolom fermentor) .In een

CSTR werd drie keer achtereen gebruik gemaakt van dezelfde

geimmobili-seerde Clostridia zonder dat dit merkbare gevolgen had voor

produktivi-teit en levensvatbaarheid.De experimenten werden afgebroken bij een

to-tale levensduur van 2 maanden.Het blijkt dat de produktiviteit van de

,-

---

---gepakte kolom fermentor 3 - 4 maal hoger en de reaktor~uktiviteit

~'" ~

-t~· 6 - 16 maal hoger is dan de gewone batchfermentatie met vrije cellen (4).

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

GLUKOSE

2A:pA~:~i

. 2ATP" ~ [MP PATHWAY 2NAOH+2H' ; CH,COCOOHNAOH + H+ (PYRUVATE) / -CO, COA~ NAO' • ATP AOP 0 H C A

CH,COOH~ACETYL-®--L-CH,COCOA '1 CH,CHO --",,'"..----lc,H,oHI (ACETICACID) t(ACETYLCoA) /1 (ACETALDEHYDE) ( \

C o A J : A D H NAO· NAOH NAD· (ETHANOL)

+ +

H· H·

CH,COCH.COCoA eH,coeoA CH,CH.CH.COOH

r

(ACETOACHYLCOA) (ACETYLy-=(B~TYRlC ACID) ATP

ACETIC ACID

f

CH,COOH

NAOH+'" (ACE TIC ACID)

ACETYLCoA CH,CH.CH.COCoA

NAO· NAO· ",,~UTYRYLCoA)

CH,COCH.COOH CH,CHOHCHaCOCoA NAOH+H· --! ~CoA

(ACETOACETIC ACID) Ul-OH-BUTYRYLCoA) CH CH.CHCOCoA NAOH +W

~

C~OTONYLCOA) NAO' CH,CH.CHjCHO (BUTYRALOEHYOE) Ha O NADH+H· CoA (ACETONE) (BUTANOL) Figure 1. Metabolie pathway (or glucose utilization by Clostridium bacterie.

1

I

"

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

!

I

-1

1

1

1

1

1

1

7

De hoge produktiviteit was haalbaar ten gevolge van een hoge celcon

-centratie in de reaktor en een hoge verdunningssnelheid zonder uitspoe-ling van de cellen.

Bovendien werd de opbrengst van alkohol op substraat (0.37 gi g bij

D ~ 0. 72 u- 1) verbeterd en werd minder zuur gevormd (5% voor de kontinue versus 15% voor de batchfermentatie).

I

I'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

'

I

I

I

8 5. Procesbeschrijying Fermentatiemedium en sterilisatie

Voor de bereiding van het medium moeten de wei - en

gistextractop-lossing apart worden gesteriliseerd om caramellisatie te voorkomen. De hittesterilisatie geschiedt konTInue door middel van stoominjektie

en de beide oplossingen gedurende een bepaalde tijd bij deze tempera-tuur door een goed geïsoleerde lange pijp te laten stromen.

Teneinde de matrix van de alginaat bolletjes sterk te houden dienen Ca++-ionen in het medium aanwezig te zijn. Vanwege de gunstige prijs wordt CaC1

₂

2H₂0 gekozen. Zoals bij de onderzoek van Krouwel (12) wordt hier ook 5 kg/m3 CaC1₂-oplossing gebruikt. Volgens Krouwel treedt er geen negatief effekt op de fermentatieaktiviteit bij de aanwezigheid van 5 kg/m3 CaC1

2-oplossing, echter wel bij 20 kg/ffi3•

CaC1 2 .2H20 kan samen met wei in dezelfde vloeistof worden opgelost en gesteriliseerd.

Aangezien de samenstelling van kraanwater niet konstant en niet overal dezelfde is, wordt voor de meeste onderzoeken gedestilleerd water

ge-bruikt. Echter kan voor de commerci~le toepassing kraanwater worden

gebruikt. Uit de proeventest van synthetische media van Soedjak (8) (media met minder gistextrakt: 1 of 2 kg/m3 , met toevoeging van ammoni-umchloride (als extra stikstofbron), sporeelementen en vitamines) bleek

dat gedestilleerd water met sporeelementen en vitamines vervangen kon worden door gewoon kraanwater. In dit FVO wordt een gistextraktconcen-tratie van 2 kg/m3 aangehouden. Bovendien bevat wei een zodanig hoeveel-heid zouten dat deze niet hoeven worden toegevoegd. Bij het onderzoek voor kontinu kultuur met gèIDmobiliseerde cellen is tot nu toe gistex-traktpoeder gebruikt (gistexgistex-traktpoeder bevordert de ontkieming), echter

het bleek uit het laatste onderzoek van Schoutens dat vervanging van gistextraktpoeder door pasta

(f

200,-/kg en

f

7,-/kg) mogelijk was (13). Lab- ent

Kweken (14)

Om voldoende sporen voor het immobiliseren te hebben werd vanuit een kleine ent in 2 fasen een kweek opgezet. Eerst werd 500 ml medium

(20 kg/m3 glucose en 13.3 kg/m3 gistextraktpasta)

ge~t

met 15 ml spore-suspensie die een hitteschok heeft ondergaan (1 min. bij 1000C en

ver-volgens 1.5 min. bij oOC). Deze werd voor 3

dag~~eroob

ge-________ --- ,---0

1 ~~~)\r

'

,

I

I

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

9

kweekt. Tenslotte werd deze voorkweek in een fermentor met 1.2.10-2m3

medium gebracht. Na 3 tot 4 dagen waren de cellen gesporuleerd en de

sporen konden worden afgecentrifugeerd. Immobilisatie

De immobilisatie geschiedt zoals de procedure beschreven door van der Laan (15):

Aan ongeveer 30 gafgecentrifugeerd sporepasta in 500 mI gedestilleer water wordt 40 g natriumalginaat geleidelijk onder sterk roeren

toege-diend. Deze suspensie wordt in een 20 kgjm3 CaCl

2-oplossing gedruppeld door dunne naalden waarlangs perslucht wordt geblazen. Hieruit ontstaan bolletjes met diameter van ca. 2 mm die uiteindelijk in 5 kgjm3 CaCI₂ -oplossing bij 40C worden bewaard. De bolletjes worden hard door de zeer

. . . + C ++ .

snelle ultwlssellng van Na - en a -lonen.

Enten (14)

De alginaat bolletjes met 50% alkohol worden in de fermentor gebracht.

Na 30 minuten roeren wordt de fermentor leeggepompt, 3 maal gespoeld met steriele 5 kgjm3 CaCI₂- oplossing en vervolgens 3 maal met het het medium. Hierna kunnen de mediuminvoerstroom en het waterbad (30oC) ingesteld

worden.

Om de produktiviteit (kgIBjm3s) zo hoog mogelijk te maken moet de volu-mefraktie alginaat

(1-f)

zo groot mogelijk worden. In een kontinu geroer-de tank wordt meestal een (1-~)-waarde van 0.3 gebruikt.

Koeler

Om de fermentortemperatuur konstant bij 300C te houden worden de

reak-tiewarmte, roerderdissipatiewarmte en warmte uit de voedingstromen

afge-koeld m.b.v. spiraalmantelkoeler. Aangezien het extraktorvolume en de fermentatievloeistofstroom van de fermentor naar de extraktor groot zijn

en het temperatuurverschil tussen de vloeistof en de omgeving relatief klein is, kan het warmteverlies van de vloeistof in de extraktor als

verwaarloosbaar aangenomen. Volgens de berekening kan de warmte afgekoeld worden m.b.v. spiraalkoeler in de vorm van een half cilindrische pijp met

de diameter van 0.05 m en een lengte van 1091.6 m. Hierbij is een

koelwa-terstroom van 44.43 m3ju nodig, waarbij het water van 90C tot 140C

I

I

'

I

I

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

10 Extraktiemiddel (8)

De voorwaarden die een geschikt extraktiemiddel moeten voldoen zijn o.a.

nontoxisch voor het microorganisme

hoge distributiekoefficient en selektiviteit

vormt geen emulsie met het fermentatiernediurn

extraheert geen voor de groei essenti~le komponenten

gunstige stofeigenschappen (dichtheid, viscositeit, grensvlakspanning, kookpunt en veiligheid)

gunstige prijs.

Uit Soedjak (8) bleek dat isopropylmyristaat (de tot nu toe gevonden)

meest gunstige -eigenschappen als extraktierniddel bezit (selektiviteit:

730), de distributiekoefficient is echter erg laag (=1.4).

Extraktor

De extractie van butanol uit het fermentatiemediurn vindt plaats

in een Rotating Disc Column (RDC).De afmetingen van de kolomdiameter en de kolomhoogte worden door de in te stellen druppelgrootte be-heerst.Deze druppel grootte kan worden beYnvloedt door het toerental

(N) van de rotorschijven.Er moet dus voor een gegeven voedingshoeveel-heid en systeemeigenschap het toe te passen toerental worden gevonden. Hierdoor kunnen de diameter en de lengte van de kolom worden vastgelegd.

Om 250 kg butanol per uur te extraheren moet 19.29 m3ju

fermentatie-vloeistof (met een concentratie van 12.96 kgjm3 butanol) en 37.62 m3ju isopropylmyristaat naar de RDC gevoerd worden.Daartoe moet de RDC

een diameter van 1.8 m en een lengte van 7.3 m hebben.

Verdamper

Omdat de dampontwikkeling bij het gebruikte debiet en ,zodoende ,de

stripcapaciteit klein is ,is de toepassing van een destillatiekolom voor de opwerking onbruikbaar.

Er is gekozen voor een vallende filmverdamper die doorstroomt wordt met lucht om de ontstane gassen uit de verdamper te strippen (zie bere-kening).De eigenschappen van een vallende filmverdamper zijn

Lage kosten

Groot warmteuitwisselingsopp~rvlak ln éen lichaam

Lage hold up

Kleine vloer ruimte nodig

I

I

'

I

1 1

De meest voorkomende moeilijkheid bij dit type verdamper is de

slechte voedingsdistributie over het apparaat.Op zich is dat in deze

fabriek niet zo erg omdat de bedrijfsvoering hierdoor niet zou veran-deren doch slechts het rendement.Dit rendement is in dit FVO gesteld

_

I

op (analoog aan die van een tegenstroom warmtewisselaar) de maximaal

'7 bereikbare waarde van 87"/0.

l

~vr~~

Het

uitgaande gasmengsel bevat butanol,ethanol ,isopropanol en water

b

(en kan ,zonder verdere opwerking ,gebruikt worden als autobrandstof.

I

Afvalstoffen ;vestiging van de fabriek

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Er zlJn twee mogelijkheden voor de vestiging van de fabriek :

1 )Plaatsing bij een kaasfabriek die de vereiste hoeveelheid wei pro-duceerd.Deze kan dan meteen worden geUltrafiltreerd en zonder be-langrijke transportkosten gebruikt worden. Bovendien kan de afval-stroom van 1.79

m

3

ju

met een samenstelling van :

1 kgjm3 vrije cellen van Clostridium beyerinckii

5 kgjm3 CaC1₂

0.1 - 0.3 kgjm3 Azijnzuur en boterzuur

,~

overblijfselen van het gistextract

in de tegenwoordig vaak bij een kaasfabriek aanwezige anaerobe af-valwaterzuivering verwerkt worden.

De koelwaterstroom van 44.43

m

3

ju

en een temperatuur van 140C kan zo aan de omgeving worden afgestaan.

2)Plaatsing van de butanolfabriek in een petrochemisch aktief indus-trieel gebied zodat van de afzet en opslag capaciteiten van deze industrie gebruikt gemaakt kan worden.

1

I-1

1

·

1

I

I

1

'

I

I

1

I

1

1

1

1

I

I

I

I

I

6.

Moopl yoor IBE-fermentatie met groeiende gelmrnobiliseerde Clostridiuro beyerinckii gekoppeld met simultane produktafvang (8)

Produktvorming en substraatomzet zijn belangrijke aspecten van

indus-tri~le fermentatieprocessen en het beschrijven van de kinetiek ervan is dan ook voor dit soort toepassingen van groot belang. Het opstellen van

, I

een mathematisch model is industrieel gezien nuttig om b. v. de verdun- "

ningssnelheden, de substraatconcentratie, de produktafvang, etc. zoda-nlg in te stellen dat een optimaal proces kan worden bereikt.

Bij dit model is van de volgende aannames uitgegaan: a ideaal geroerde fermentor

b geen stofoverdrachtslimitering van substraat naar de matrix en geen diffusielimitering van substraat in de matrix (16)

c de verdelingskoefficient van zowel substraat als produkt (alkohol) in calciumalginaat ongeveer gelijk één is (16)

d stationaire toestand

e toepassing van de vereenvoudigde Monod-kinetiek voor groei

- Cs Cs

( r = U • C • , waarbij C ,.-...J 1 )

x

r

max x Ks + Cs Ks + s

gekombineerd met het produktinhibitiefactor van de vergelijking van Hinshelwood (17) (voor butanolinhibitie geldt er: CB ) :

1 - C B,max r x waarin: C B,max fmax C x de biomassaproduktiesnelheid

=

de butanolconcentratie

=

de maximaal halbare butanolconcentratie

=

de maximale groeisnelheid

=

de biomassaconcentratie

=

de Monod-konstante voor groei

(kgjm3.u) (kg/m3) (kgjm 3 ) (u-1 ) (kg DS/m3) (kgjm3) Ks

f de specifieke produktstroom

0

is behalve van de produktconcentratie

p

C ook van de afvangfactor A afhankelijk:

0

= ~·C

p

r

p

r

p

~wordt be!nvloedt door de conditie van het afvangproces zoals tem-peratuur, druk, etc. Het produkt bestaat voornamelijk uit butanol en isopropanol in een konstante verhouding k: = ~.C

CB k+1 p

Volgens Roels (18) k~nen de prodillctconcentraties, bepalend voor de pro-dillctiviteit van het systeem, worden berekend aan de hand van een reduk-tiebalans over de fermentor.

In steady state worden voornamelijk butanol en isopropanol als produkten '

I

I

·

I

s

N

.

'

.

1 3 koolstofbron (wei/lactose C12H22011)

stikstofbron (gistextract CHl.6200.55NO.24)

1

(1

x B I

1

biomassa (CH1_7100.51NO.23 (19)) butanol (C 4H100) isopropanol (C 3HSO)

I

1

I

''-..

:

I

1

:

1

1

I

1

1

,

I

:

1

!

:

1

.

1

:

1

I

I

I

ff

de flow aan C-equivalenten (mol/u)

t:

de reduktiegraad (-)

'[. =

4 + a · - 2b. - 3c. voor een komponent met een elementaire

1 1 1 1 samenstelling van: CH .0b.N. (lS) a l 1 Cl Hieruit volgt:

Os

-

~ - CH22/12011/12 = 4 = 4

IN

=

Y

CH 1.6200.55NO.24

r

=

r

=

4 x CH1.7100.51NO.23 Aannames (20):

TH

0

=

rCO 2 2

OH

2

OB

= 2 = 0

=

6

=

6

- de flow aan reduktieequivalente van H

2 kan geheel gecorreleerd aan

de isopropanolproduktie, de enige deelreactie waar H

2 bij vrijkomt:

1/2 H20 + 2 CH22/12011/12 ~ _{CH S/ 30 1/ 3} + _{CO 2} + _H2

zodat

ff

_H =

i"I

2

de flow aan reduktieequivalente van stikstof kan worden verwaarloosd

met de aannames dat:

~ biomassa slechts 12% stikstof bevat en e~n klein deel van

delacto-se in biomassa wordt omgezet

b geen alkoholen uit de stikstofbron worden gevormd •

Hieruit volgt:

4

·C0

_s - ix)

=

S

·(§B

+§r) ~ 4· (~s

-I

x

)·

(k + 1) Voor k

= ~Br

=

9 J ~ F PB +

Fr

=

6k + 5 (g/u) ( g/u) (2)

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

I

.

I

I

I

I

I

}6B + }6I 4· (k.MB + MI) 95_s

=

6k + 8 YSp , IB }6B + }6I

=

₀

s }6x Y Sx

=7;

YSp , IB = 1 - _{1.20. YSx} 2.68 14 1 }6~ 1 (

- -

~.- ) MS S Mx ( leS[ Produkt kg Substraat ( kg: Biomassa kg Substraat

Voor YSP,IB

=

_{0.36 geldt: YSx}

=

0.029

(4) )

)

(s)

Groei en substraatkonsumptie door de biomassa in de vloeistof:

Groei:

_~

C ) = _D.CxL B,max (6) r _x L =JJ. _{I max} .C L· (1 _x Substraatkonsumptie:

waarbij: D

=

de verdunningssnelheid (u-1 )

m

=

de maintenancekoefficient

s (kg S/kg DS. u)

De zogenaamde schijnbare yieldfactor wordt gedefini~rd door de relatie:

1 r _SL 1 ms

Y'

=:c--- =

y - + LL • (1 C-/C )

SxL xL Sx,max '-max - F B,max

(8 )

Groei en substraatkonsumptie door de biomassa ln de bolletjes:

Groei: C B C ) B,max r = i l ·C ·(1 xS rmax xS Substraatkonsumptie: r xS rSS - Y + _ms·CxS Sx,max (10) 1 rSS Y SxS

=

rxS m 1 + s

= YSx,max #max· (1 - CB!CB,max) (11 )

ui t ( 8) en (1 1 ) :

Substraatbalans:

• dCs

t

Cs = ( i t = - _{.rSL - (1 -f)·rss} + _D.(CSO - _{CSL )}

I

I-1

I

I

I

I

-

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1 5 C so = de substraatconcentratie ln de toevoerstroom •

In steady state (wordt met ~ aangeduid) is Cs konstant. Met

C~L

=

Y~x·(Cso

-

C~L)

volgt uit (13):

.' (1 -

f )

·

C*s • (1 - C* IC ) *= x B' B~ax ( ) Cs 0 - Cs L = Y s•x · • (D

7

I U max - ) p. (1 - C* CB ,max ) ) 1 4 (15) Produktbalans: D.C _. }6 P P ( 16) Met C

B = k+1

.l..c

P en

0

_{P I P}

=

~·C volgt uit (15) in steady state:

~=

k. (1 - P ) • C*s • Y I • D. (1 -C* I C ) ) x SP Ir B,max ---~---~- D lk + 1 ).Ys' • (D/j.l - F. (1 - c*/C_B )).C*B x I max ) . . B ' , max

In vergelijking (14) is de afhankelijkheid van de substraatomzet

(C

so - C~l) van enkele parameters beschreven.Om deze substraatomzet te

verhogen moet de volumefraktie van de bolletj es (1 -

r)

zo groot mo-gelijk en de butanolconcentratie C~ zo laag mogelijk worden gehouden.

Bij dit systeem wordt de butanolconcentratie laag gehouden met behulp van opwerking door middel van extractie.De extractor ~C) wordt zodanig

ontworpen dat de extractiesnelheid in dezelfde orde van grootte ligt als de butanolproduktiesnelheid.

Indien een grote (1 -

r)

gewenst is ,zou men een ander systeem

,bij-voorbeeld een kolomfermentor ,kunnen gebruiken.

Bij dit FVO is een CSTR gekozen omdat .uit vroegere onderzoeken bleek dat bij kolomexperimenten in de bolletjes slechts 15 - 60% ontki eming was opgetreden (v.d.Laan ,Groot).Dit verschijnsel deed vermoeden dat bij het opstarten van een kolom een gradi~nt ontstaat die het ontkiemen in bepaalde bolletjes bemoeilijkt (Groot).Tevens ontstonden bij de

I

I'

I

1

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

l

8.

Procesontwerp Sterilisatie

16

Het mineralenmedium (wei + _{CaCI 2 ) en de gistextractoplossing worden}

beide gesteriliseerd met behulp van continue hitte sterilisatie in een daarvoor goed geïsoleerde lange pijp van een bepaalde lengtè.

Bij een bepaalde temperatuur T zullen de mikro-organismen volgens een eerste orde kinetiek afsterven en geldt voor het aantal levende organismen als funktie van de tijd:

N = No ~ exp(-k~) met :

No beginhoeveelheid mikro organismen k = afsterfsnelheid

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

k

=

k _o ~ exp(-E _a

IRT)

Voor de constanten in deze vergelijking zijn de gegevens van Bacillus stearothermophilus aangehouden (21.)

ko 2 ~ 1037 s-1 . E =288 , a kJlmol

Met de sterilisatie

-1

k = 0.101 s

o

temperatuur van 120 C volgt:

(2)

Met No = 10-9 en de 1 op 100 is volgt:

kans dat een organisme de sterilisatie overleeft

N

I

N = 10-11

o

Uit vergelijking (1) t = 251 s

volgt dan :

Deze tijd wordt bereikt door de stroom door een goed geïsoleerde pijp te leiden.

Wei + CaCl₂ oplossing

De doorvoer van deze oplossing is :

rJ.

31

-4

31

Pv

=

1.29 m u

=

3.58

*

10 m s

Met een pijpdiameter van 0.05 m volgt voor de vloeistofsnelheid en

de stroming : v

=0

_v

I

(ïl.

'*

R2 ) waarin

0

_v debiet

~

m

3

/s)

~v vloeistofsnelheid

(mis)

R pijpdiame~er (m) Uit (3) volgt: v = 0.18

mis

Re =

JvDI'l

= 9000

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

17

dat de vloeistof zich als een propstroom gedraagt.

Met behulp van b~jlage 1 kunnen het Péclet getal en het Damköhler ge-tal bepaalt worden.

Er geldt :

Pe = 40

*

L

waarin :

L = pijplengte (m)

Da = kL/v = 0.56

*

L

De beide getallen geven de mate van dispersie ln de wachtpij p (pe) en de

relatieve snelheid van het afsterven van de organismen (Da) aan.

Het Da getal is via N/N_o gekoppeld aan dispersie (21 )(bijlage 6).

N

9";;;

ig

itereren

~Olgt

voor de lengte van de wachtpijp :

L = 45

m

--.J

~tLv\vVIJ,{~ f~V0.~~~?

Voor de grootte van de stoominjectie x (kg/s) geldt

(~m - x)

*

ëp,L

*

T = X I (ëp,G

*

T + _{Hcond )}

ofwel :

(0.358 - x)

*

4.224

*

20 = x

*

(1 .98

*

70 + 2258)

Hieruit volgt:

x = 0.012kg/s stoom

De grootte van de aanvoer stoom moet aangepast worden aan de

hoeveel-heid stoom die wordt toegevoegd en bedraagt :

~v,voor

= 0.346 m3/s

met een weiconcentratie respektievelijk CaC1

2 concentratie van (wei) = 620.8 ~g/m3 (CaC1 2) = 5.17 kg/m 3 Gistextract

Voor de gistextractstroom van ,uiteindelijk, 0.5 m3/u worden

de-zelfde

berekenin

~

en

uitgevoerd ,eveneens met behulp van bijlage 1.

Er geldt :

v = 0.07 mis ; D = 0.05 m

Re= 3514 (geen propstroom)

Dd/vd = 0.7

Pe = 28.5

*

L

Da = 1.44 }f L

L

=

19 m

x = 2.38

*

10-3 kg/s stoom

De oplossing die de stoominjector binnentreedt heeft een debiet van

~v

=

1.37

*

10-4 m3/s

en een gistconce1tratie van :

I

I

I'

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

1

I

I

(

(

18

Sterilisatie vanl de stikstofstroom

I

Om een schatting te maken voor de stikstof stroom voor het anaeroob houden van de fermentor is aangenomen dat de binnenkomende wei- en gistextractstroom met zuurstof verzadigd lSo

In totaal komt dan de fermentor binnen :

~~T

== 4.79 3E 10-4 m3/s ()

v

met een zuurstoffocentratie van 1}~A;h-v \1!"--'! '

(0 2 ) == 0.5

*

10-3 kg/m3

Dit betekent dat er 0.19 ~ 10-3 m30₂/s uit de fermentor verwijderd

moet worden.Aangenomen wordt dat een stikstofstroom van 0.2

*

10-3 m3/s (tesamen met de ontwijkende CO₂ en H₂ stroom) voldoende is om de fer-mentor anaeroob te houden.

De sterilisatie wordt bereikt door filtratie over een polyvinylace-taat (PVA) filte~.

Bij een werktijd van 8000 uur moet 5760 m3 (met een concentratie mikro-organismen van 10-4/m3 ) worden gefiltreerd. Indien er niet meer dan 1 mikro organisme per m3 in leven mag blijven geldt :

1 - _N/No == 1 - 1/5760 3E 104 == 1 - 1.74 3E 10-8

Bij een optimale superfici~le snelheid van 1 mis wordt met een PVA filter van 3

*

10~3 m dikte een fraktie van 0.99995 afgevangen (bij-lage 2).

De dikte van het filte

B

wordt dan :

d == 3(log 1.74 3E 10- )/log(1 - 0.99995)

*

10-3 == 7.25

*

10-3 m Het filter wordt in een standaard filtervatting gemonteerd.

I

I'

I

-

I

'

I

,

:

1

I

~

I

1

i

l

I

.

I I

I

:

1

;

1

I

I

1

I

I

Tabel 1 Ge~evens over de IBE fermentatie van Clostridium be erj l:H::kj j

t

5 ~

medium Temp (oC) D (u- 1 ) C

s (kg/m 3_{) Prod I~} YSp,IB (KgIB/m u) (KgIB/kgS) 1 )E)E 37 0.35 1 37 0.10 1 37 0.23 2** _{30 0.24} 2 30 0.31 2 30 0.40 2 30 0.47 2 30 . 0.67 2 30 1 .00 2 30 0.19 D

=

verdunningssnelheid C

=

substraatomzet s 1 5.5 1.9 16.2 0.46 18.0 1.5 10.5 0.46 9.2 0.58 8.2 0.63 7.7 0.65 7.7 1 .0 5.8 1 .1 9.7 0.64 = mediumtoevoerstroom ~m fermentorvolume V f

Prod

=

produktiviteit van butanol en isopropanol

0.35 0.29 0.36 0.19 0.20 0.19 0.18 0.19 0.18 0.35

Y

=

yield van butanol en isopropanol op substraat sp,IB Y sp,B vèn butanol op substraat : YSp,B (kgB/kgS) 0.22 0.16 0.23 0.17 0.18 0.17 0.17 0.18 0.17 0.27 1*'* =

=

yield 20 kg/m3

=

50 kg/m3

glucose + 10 kg/m3 gistextract poeder + 5 kg/m3 CaC1

2.2H;

wei + 10 kg/m3 gistextractpoeder + 5 kg/m3 CaC1₂e2H 20

I

I·

I

I

I

I

I

I

19 8.1

-Dimensionerinrr van de fermentor

Uit tabel 1 blijkt dat de produktieyield op wei lager is dan op glu-cose.Door mediumoptimalisatie van wei zou men kunnen verwachten dat de produktiviteit ,yield en substraatomzet op wei in de toekomst even zo hoog zou kunnen zijn als die op glucose.

Om die reden worden produktiviteit ,yield en substraatomzet op glucose genomen voor de berekening van dit fabrieksvoorontwerp:

Ysp,IB= 0.36 kg IB/kg S - Prod TB = 1.5 kg IB /m33E u

delta Cs circa 20 kg/m3

Een vergelijk tussen de experimenten met glucose als substraat met die van wei als substraat laat zien dat de totale alkoholconcentratie bij de weifermentatie voor een groter gedeelte uit butanol bestaat : (5)

glucose y ly JE 100% 55 65%

sp,B' sp,IB

wei Ysp,r!YSp,IB JE 100% = 75 - 90%

Dit betekent dat in het gunstige geval 9 maal zoveel butanol dan iso-propanol (k=9) wordt geproduceerd.

Hieruit volgt:

I

De De produktiviteit yield van butanol op voor butanol wei = 0.324 kg op wei = 1.35 B/kg wei kg/m3

*

u

Door middel van extractie wordt een substraatomzetsverhoging met een faktor twee aangenomen :

I

Produktiviteit voor butanol substraatomzet delta Cs circa

Hierui t volgt voor 250 kg butanol per uur IVloeistofvolume fermentatie = 92.6 m3

Met een volumefraktie van de calciumalginaat bolletjes (gebaseerd op het totaalvolume) van (1 - )) = 0.3 volgt:

IHet totale volume is dus: 132.3 m3

De fermentor die in dit fabrieksvoorontwerp wordt gekozen heeft de volgende afmetingen (zie ook figuur 2) :

Volume = 150 m3

Werkvolume 132.2 m3 Diameter = 4.57 m

Totale hoogte 9.14 m

Om de dispersie van de bolletjes naar alle kanten te verzekeren wordt gebruik gemaakt van een roerder met optimale diameter. Volgens Nagata

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

I

20 I d = 0.4 D = 1.83 m En voor de hoogte : Ib",,0.1 - 0.2D : b = 0.18 m Figuur 2 Fermentordimensies $L1

Dlmensionering van de roerder

De roerder dient zodanig te funktioneren dat de vloeistofconcentra-tie overal ln de fermentor hetzelfde is.Bovendien moet de roerder in staat zijn om de alginaatbolletjes op te wervelen.

Het opwervelingscriterium kan worden afgeleidt door de valsnelheid van de deeltjes gelijk te stellen aan de in het geroerde vat opgewekte vloeistofsnelheden.

Het toerental

Het kritisch toerental ,Ns ,kan worden uitgedrukt door middel van (7)

Ns 1 .3 dO. 2

b

*'

(g 'IE

tlf

)0.45

*'

(k

) 0.1

*'

xO.

13

_*'

_{(D )n} do. 85

fc

_'lc

d

Voor turbineroerders geldt n = 1 .3 g = valversnelling

db= calciumalginaatbolletjes diameter : aanname _db=0.002 m X = concentratie vaste stof in suspensie

~= dichtheid fermentatie vloeistof

6;= dichtheidsverschil bolletjes - fermentatievloeistof 7c= viskositeit fermentatievloeistof

Aangenomen wordt (4) dat Hieruit volgt Ns :

Ns = 1.3

*'

(0.002)°·2 (1. 83)°·85

= 0. 21 s -1

= 50 kg/m3•

Voor verdere berekeningen wordt aangenomen dat Ns Het roerdervermogen = 0.25 s-1 (gew%) (kg/m3 ) (kg/m3 ) (Ns/m)

De r elatie tussen het vermogenskental P en het Reynolds getal is afhan-v

kelijk van de roerdergeometriën.In het laminaire gebied is het

I

I

I

I

'

I

I

I

I

-

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Figuur 3

Overzicht van de belangrijkste stromen rondom de fermentor

3

1

4

Tabel 2

stroom debiet (m3ju) kenmerk I

1 17.45 terugvoer medium

2 1 .29 wei + _{CaC1 2}

3 19.29 lnvoer medium extractor

4 1. 79 spui

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

21 lS Pv konstant.

=

0~25

*

1.832

*

1030

=

8.62

*

10-5 10-3

Voor een turbineroerder in het turbulente gebied geldt P _v = 5

en voor het benodigde vermogen

P = P _v

*

_c

*

N3

*

d5

Hieruit volgt:

P

=

5

*

1030

*

0.253

*

1.835

=

1651.51 J/s

8.3

-

_{Dimensionering van de extraktor} 1_. ._ _I~ • L";-~

I'"'i ,1\'\ ...

~~ ~ Itl/~

In figuur 3 zijn de belangrijkste stromen rond de fermen~or weergege-ven.Een massabalans over deze stromen leidt tot het volgende:

---~2 + ~5 + ~1

=

~3

~4 + ,01 = ~3

Di t leidt tot :

1~2 + ~5 = ,04

Voor de berekening wordt aangenomen dat de extractie?nelheid gelijk is

I

aan de produktiesnelheid ,dat wil zeggen dat de butanolconcentratie in

I

I

I

de fermentor als constant beschouwd kan worden,.

Voor het geval dat y B =0.324 en delta C_s= 12.96 kg/m3 is de

butanol-sp, 3

concentratie in de fermentor

Cs

= 12.95 kg/m •

Om 250 kg butanol per uur te extraheren moet

~3~19.29

m3/u zijn.Voor

het geval dat alle butanol in ~3 moet worden geêxtraheerd is ,03 = 19.29 m3/u.

De wei en gistextract stroom worden zodanig afgeregeld dat de

toegevoeg-de hoeveelheid onmidtoegevoeg-denijk door het mikroorganisme gecons~eerd wordt.

I

Dit betekent dat de substraatconcentratie in de fermentor gelijk is aan nul.

I

I

I

I

I

Voor een butanolproduktie van 250 kg/u en een yield Ysp,B

=

0.324 moet per uur :

771.6 kg/u wei

worden toegevoegd. In de literatuur is tot nu toe nog niets verschenen over de verbruiksnelheid van gistextract.Wel wordt in .dit geval ge-bruik gemaakt ' van een concentratie van 2 kg/m3.De feedstroom

~

5

zorgt ervoor dat deze concentratie in de fermentor bereikt wordt en heeft een

'

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

J -ZWQr~ fosf' in~====r

licht~ fas. in-e=::=:t

-"'""",,~_hchtf' tasf' uit

V.rhouding van d. ofmf'tino.n

O,m Ö.OÇ"O"J 0.3-1,0 11.0 VO 0.7 0,7 0,7 IVO 0.5 0,5 0.5 tv\l 0.3 0,2 0.1 rataHt' snf'lhl"id N(S-l) Roe. gf'omf'trif'

Fig. 4 Principe schets Rotating Visc Contractor (RDC)

0.01 _{+--:"'+-++++4+;--f-~H-,}

+-, H+,I--f-HH-++t+i --0.01

Fig. 5 Disperse fase hold-up bij flooding als functie van de verhouding van de fasen debieten

(IL/u c)· 0.01 , ot i . 7. 'lO .. i . 7 " te

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

22

massastroom van :

0

₅

=

50 kg/u gistextract

waardoor tevens de behoefte van groeifactoren van het mikro-organisme

zijn toegevoegd.

Om de sterilisatiekosten zoveel mogelijk te drukken worden de tot nu toe

bekende maximale concentraties voor beide stromen gebruikt

O

₂ 600 kglm3 wei

~5

100 kg/m3 gistextract

Hierdoor zijn de volumestromen bepaald

O

₂ 1.29

m

3

/u

~5

0.5 m3/u Dè spuistroom

0

4 is gelijk aan

~4 =

1.79 m3/u Om de CaC1

2 concentratie van 5 kg/m3 ln de fermentor constant te

hou-den moet 8.95 kg/u CaC1₂ (opgelost in

O

₂) toegevoegd worden:

O

₂

=

600 kg/m3 wei + 6.94 kg/m3 CaC1

2

Uit extractie experimenten van Soedjak (8) bleek dat de concentraties

van azijnzuur en boterzuur niet toenamen door ophoping (Slechts butanol

ethanol ,isopropanol en water worden geëxtraheerd ,de rest gaat terug

naar de fermentor).De concentraties waren constant en lagen tussen de

0.1 en 0.3 kg/m3 .Dit betekent dat de medilxmstroom zonder verdere

bewer-king wordt teruggevoerd naar de fermentor

0

₁ = 17.5 kg/m3

Aangezien

0

1 geen butanol meer bevat ,kan

0

1 als verdunningsstroom

be-schouwd worden.De fermentatie heeft dus een verdunningssnelheid van :

D =

O

2 +

0

5 +

0

1 = 0.15 u-1 V f 8.4

Dimensionering Rotating Disc Column (RDC)

Als extractor wordt een RDC gekozen.De algemene uitvoeringsvorm van

een RDC is geschetst in figuur 4.De kolom bestaat uit een serie boven

elkaar geplaatste compartimenten ,onderling gescheiden door

statorrin-gen.Aan het eind van het apparaat bevindt zich een rooster dat er voor

dient om de turbulentie veroorzaakt door de rotatie van de schijven ,

uit te dempen ,zodat een fase scheiding kan worden bewerkstelligd.

Het grensvlak tussen de fasen bevindt zich beneden het onderste rooster

voor het geval dat de lichte fase de kontinue fase is en dat de zware

grens-I

I

I

I

I

·

I

I

'

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

23

vlak boven in de PJ)C wordt gehandhaafd ,wordt de zware fase kontinu en zal de lichte fase in druppelvorm opstijgen.

De geometrie van de RDC kan worden aangepast aan de specifieke bedrijf-condities.De ontwerpberekeningen hebben betrekking op de kolomdiameter

(capaciteit) en de kolomhoogte (scheidingseffektiviteit ,aantal theo-retische scheidingstrappen).

Berekeninq ; theorie

De lineaire snelheden op het nauwste punt (dit is in de stator schij-ven)

(mis)

(mis)

u

d = snelheid disperse fase U

c snelheid continue fase De werkelijke lokale snelheden fraktie disperse fase)) geldt:

ln de RDC (bij een hold up h (=volume

snelheid disperse fase : udlh snelheid continue fase : uc/~1-h)

(mis)

(mis)

De relatieve snelheid wordt gegeven door : Us = udlh + uc/(1-h)

Deze is experimenteel gevonden als

-h

Us = Uo * e

(mis)

Voor een vaste verhoudingoc= .ud/u

c ,volgt dat de een maximale waarde gaat als funktie van de hold

u = u ~e c 0 -h D( + 1

-

-h 1-h

(mis)

(1 ) .

/(

(2) ~ verhouding

u

~

)

door

up (zie

figu~

~

)

: (3)

met u = valsnelheid enkel~ druppel

(mis)

o

Voor het bedrijven van een RDC wordt 75% van de flooding hold up (h*)

aanbevolen.De valsnelheid-druppel grootte relatie is gegeven door

4

*

t:.p

*

dg

*

g = 2.35

* (

1,

c ) O. 2 (4)

3

fc

*

u;

U

o

*dg

*

Pc

Voor de toepassing van (4) blijkt dat

10~Re cC1360 We-1 • 2

met We =

tc

*

u;

*~

en Re =

tc

*

N

*

R2

l..c

(5)

Het kritisch We getal is in vloeistof - vloeistof dispersies ongeveer gelijk aan 1.0 , en hiermee volgt dan voor N ,u_o en dm :

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

24 2 10 <

Cc.

*

N

*'

R < 1360 u

₌

0

o.

9 tz}E (Ar:.

*

g) 5/21

*

6 6/21

_(mis)

f

10/21 11121 c }E c d

₌

(Pc 3E

u~

)-1

(mis)

m G

waarin dg = druppel diameter (m)

<5

=

grensvlakspanning disperse fase

(Nim)

dm = maximaal bestàanbare druppelgrootte (m)

(6)

(7)

(8}

Uit metingen aan druppeldispersies blijkt dat dg = 0.5 dm.De

druppel-grootte kan in verband worden gebracht met de vermogens toevoer per

massa eenheid vloeistof ( (m2/ s3)):

d = O. 25

t

-0. 4 (G) 0 • 6 (m ) ( 9 )

g

-Fc

Voor de RDC stator doorsnede

0

_s geldt :

0

_s

=

rr/4 }E S2

= 0

d +

0

c (m

2

) (10)

Hieruit volgt de diameter opening ~an de RDC stator ring S (m) en met

..;

de in figuur 4 gegeven verhoudingsgetallen ,eveneens de kolomdiameter

D (m) ,de diameter van de RDC schijf R (m) en de hoogte van een RDC

-compartiment H (m).

Voor de hoogte van een extractie trap geldt :

HETS

=

lnE }E HTUo*c

_,

(11)

1

1~

HTU 3E is de hoogte

o,c

definieerd op basis

van een effektieve overall stofoverdrachtstrap

,ge-van de hoofdweerstand in de continue fase.HTUo*c

_,

is groter dan de ware overall stofoverdrachtshoogte HTU c :

0,

HTU _o,c

=

HTU_c + HTUd/E (12)

met : HTU

C

=

Vc/(a

*

kc)

=

hoogte stofoverdrachtstrap continue fase (m)

HTU_d

₌

Vd/(a :IE k_d)

=

hoogte stofoverdrachtstrap disperse fase (m)

E

₌

vd/(m }E V_c)

=

extractiefactor

a

₌

6 * h

I

_dg

₌

grensvlakdispersie

(m

2

/m

3 ) kc,kd

=

stofoverdrachtscoeffici~nten

m

₌

verdelingscoeffici~nt

=

1.4 voor een butanol - IPM systeem

(1 3) (14) (15) (16)

I

_Vd'Vc

=

de superfici~le snelheden in de RDC

I

I

1

1

1

I

I

I

-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

1

V d = (S /D ) 2 3E V

=

(S/D)2 3E c Uc Kd en Sh d kc kunnen worden = kd I dg 25 (17) (18)

berekend met behulp van het Sh getal :

(19)

(zie figuur 6) met t

=

kontakttijd van de druppels (s)

De diffusiecoeffici~nt van butanol - isopropylmyristaat (D

d) is in de

literatuur niet bekend.Deze wordt berekend met behulp van Wilke & Chang

formule (9).De diffusiecoeffici~nt van kleine concentraties A in B is :

Db = 7.4 3E 10-8

'*

{"'r' 3E M)t

*'

T (cm2/sec) (20)

1

*'

'V

0.

6

waarin

M = molekuul gewicht van isopropylmyristaat

T = absolute temperatuur

1

=

viskositeit IPM

(K)

(cp)

V = molekulair volume van butanol

~= 2.6 voor water

(cm3

'*

g / mol)

1 .9 voor methanol

1 .0 voor benzine ,ether ,heptaan etc.

Bovendien geldt

Sh _c

=

k

c

'*

dg

=

2 + 0.42 3E ( d~·33*,Eo.33*,

f

c)0.62

*'

Dd _'Zc

HTU 3E

=

HTU + HDU

o,c o.c o,c

(1c,)0.36

-D c

*'A

c (22) (21 ) \ -./ '

voor (1-h)

*'

IDe,c

/v

_{c + h}

*'

_{IDe.d /V d :}

- kleiner dan HTUo,c geldt HDUo,c = (1-h)

*'

De,c/Vc + h

*'

De,d/(E

'*

_{Vd )}

(23)

- groter dan HTUo,c geldt: HDUo,c

en voor de effektieve diffusie

= (1-h)

'*

_{IDe,c/(EIVc )} + IDe,d/Vd (24)

~e,c

=

_{0.5 x Vc}

*

H /(1-h) + 0.012

'*

R

*

N

*'

H

*'

(SjD)2 (25)

De,d

=

_Vd

*

H /h + 0.024

*'

R

*

N

*

H

'*

(S/D)2 (26)

Voor de lengte van de RDC geldt :

L

=

nt _,s 3E HETS

waarin

(m)

nt,s

=

aantal vereiste theoretische extractietrappen,

Er wordt nog wat extra ruimte toegevoegd voor zowel de top als

bodem-sektie :

~ . . _- ..

I

I'

I

i

l

f

l

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

"1',1 ·1 I 'I" .. J .• J.., ,j 1'1' ~ I I ::!, I

:

·

·++=1·/-III

_I!11 "f . • .• ,U L I I . , ••• • J I • • , I I ! lid' ·1 ~

i;

::d ''±-:o _,...

.

.. r:: fO_₇ Fig. 6 . Sherwood getaZ disperse fase

aZs functie van FouriergetaZ

en extractiefactor. ... bsorpli.; .... l/KG: (I-I). Y,- Yu ~,-/-:...;..c--t,...-t 05

-1-1. ___

~YiC-.::K.: •• ~-:-_~ l'l • Stripping: S. K G/ l: (I·I·'.~ 'öYI/K

I

t,.<'--::b--+---t--0,3

/

.... Sol E E.lrocll.; E. K SiR

(1-1-'.

·R,i-·R.u 'RF ·S.IjK O.'-b-4---+---t--t-'--O.1----+---t----t--; O~~+-~+---+---+---+---~--i---1_--jlO 1 2 3 4 5 6

!

l

I

I

I

_

I

I

I

I

I

i

I

l

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Berekening i uitkomsten

Met 0( = 1.95 volgt h* = 0.45

,

h = 0.34 - u ₀ = 0.072 mis 10-4 d = 9.36 3E m g m2/m3 E = 0.035 - u _s = 0.031 mis 10-3 - u _c = 4.28

_*

mis 10-3 mis - _{u d = 8.35} 3E Voor _yic = 19.29 m3

/u

en - yi = 1 .25 m .,.. S = 1 .26 m - D = 1 .80 m - R = 0.90 m - H = 0.18 m en tenslotte 26 - Vc = 2.09

*

10-3

m

3

/u

b

V

2

= 4.09

*

10-3

m

3

/u

E = 1.40 ; a= 2179.5 m

Im

7.643E 10-5 N 1.04

*

10-2 ; gekozen 0.01 s-1 -10 2

1

D d = DB = 4.63

*

10 m s Fo = 0.019 ; Sh, = 10.5 ; kd = 5.19 3E 10-6 mis Sh_c = 45.41 kc = 2.25 3E 10-§ mis - HTU = 0.04 m HTU d = 0.36 m ; HTU = 0.30 m c -4 2 0, c -3 2 - ID _{e, c} = 2.95 3E 10 m

Is ;

ID _e, d = 2.18 3E 10 m /s

- HDU = 0.52 m ; HTU 3E = 0.52 m ; HETS = 0.61 m

o,c o,C

Uit figuur 7 volgt dat voor E = 1.40 , n= 10 en (1-f) = 1 (10) ,dit

bete-kent dat alle butanol ge~xtraheerd wordt uiteindelijk geldt :

- L = 6.10 m ; Lb d _{o ,} t _op = 1.20 m zodat:

ILtotaal = 7.30 m

Voor de berekening werd-aangenomen dat voor IPM de volgende getallen

gelden :

~= 10-2 Nim

I

.

1

I

I

I

1

1

I

I

I

:

1

1

I

I

I

I

I

I

I

27

~

Warmteberekeningen over de fermentor

Reaktiewarmte

Volgens Thauer (11) kunnen butanol en isopropanol worden gevormd Vla

de volgende deel reakties :

Butanol :

Biomassa

.

_C12H22011

---..

IX. CH 1 • 71

° ° .

51 NO. 23

.

De reakties (1 ) en (2) zijn gekoppeld met (3).Verder 1 mol CO

2 produktie = 2 mol C4H10O + 3 mol C3H80

1 mol H

2 produktie = 3 mol C3H8O

1 mol H₂0 produktie = 1 mol C

4H100 - 1.5 mol C3H80

Voor het proces gelden de volgende cijfers .

Butanol 3378.38 mOl/u Isopropanol Lactose CO 2 H 2 463 mOl/u 2256.14 mOl/u 8145.76 mOl/u 1389 mOl/u geldt H 20 Biomassa 994.69 mOl/u 895.2 mOl/u (Y

SX=0.029 zie Model vergelijking 5)

2256.14 C12H22011~ 3378.38 C_4H100 + 463 _C3H80 + 895.2 CH1.7100.51NO.23 + 8145.76 CO 2 + 994.69 H20. Volgens Thauer (11): - ~G (250C) Stof kcal/mol kj/mOl O(-Lactose 362.15 1515.24 n-Butanol 41.07 171. 84 Isopropanol 44.44 185.94 CO 2 92.254 394.359 H 2

°

°

H 20 56.687 237.178 Biomassa 30.18 126.27

(N.B. Omdat de biomassa en lactose dezelfde reduktiegr~d hebben, is voor de vormingswarmte van biomassa dezelfde waarde genomen als voor lactose gebaseerd op koolstofbron).

~

I

I

I

I

.

I

I

I

I

I

I

28 De reaktiewarmte ç6rw = -3378.38 ·171 .84 - 463.94 °1 85.94 - 895.2 ·1 26.27 -8145.76 ·394.359 - 994.69 ·237.178 + 2256.14 .. 151~.24 = ~' 809346.72 kj/u = - 224.82 kW

Er wordt 809346.72 kj/u warmte vrij gekomen uit de reaktie. De stromen

}6 2 (t=40.7oC) el" ~5 (t=4L!. 50 C) nemen ook warmt'e mee. Het warmteverl·ies

in}61 wordt verwaarloosd aangezien het kolomvolume en de stromen}6a en }61 erg groot zijn.

Om de temperatuur in de fermentor konstant bij 300C te houden moet er

aan warmte worden afgevoerd:

+ ~ _rw + roerdervermogen P }6w = m2 · cp . .1.t₂ + m 5 ' cp oAt5 = 1.29·, 121 0 ,. 4.1 9 . 14.5 + 5945.44 0.5 · 912 · 4.1 9 ' 10.8 + 809346.72 +

=

930759.55 kJ/u

Als koelapparaat wordt een spiraalmantel gekozen in de vorm van een halve

pijp (omringt de buitenkant van de fermentor) dat met koelwater wordt

doorgestroomd.

De warmteoverdracht naar de spiraalmantel wordt berekend m.b.v. de

for-mule voor de warmteoverdracht naar een mantel om een vat (7):

Nu

=

1 met: ~ ·D 1 ).. Nu = Nusselt getal Re Pr Re Pr c _p

=

de warmteoverdrachtskoefficient = de thermische gel eidbaarheid

= de verhouding viscositeit aan de wand

ln de hoofdmassa (hier is 1~1 =1) = Na d2 •

.fc

= 0.2· 1.832'1 030 = 6. 9'10 5

1,

10-3 c

01

_{4.1 9 • 103'1 0-} 3 6.98 = p c ;::: =

ft

0.6

=

Reynold getal = Prandtl getal = de soortelijke warmte tot viscositeit

(-)

(J/s.m2

oc)

(J/s.m2oç)

(-)

(-)

(J/kgOC)

1

I

·

1

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

29 NU₁ = 0.112· (6.9.105 )3/4. (6.98)°·44. (4.57/1.83)°·4. (0.18/1.83)°.13. 1 = 6714.55

Turbines geven in werkelijkheid ca. 30% betere overdracht dan wordt

be-rekend. NUt

=

1.3 NU₁

=

Nu ./\ t 0( = -...,.,;;--1 D 8728.92'KO.6 = .o-.:..--'-~---,:,:~...;;. 4.57 = 1146.03 8728.92 2 J/S m oe

Aan de mantelzijde wordt de warmteoverdracht beschreven met (7):

~ ·D / / _2_ = 0.020. Re4 5.pr1 3. (D /D ) .À 1 2 waarbij D 1

=

D

=

de vatdiameter (m) D 2 = de manteldiameter (m) Er wordt gekozen: urn· de·

P

_kw Re = 1kw

met U

=

de gemiddelde lineaire snelheid in de mantel

m

= de viscositeit van het koelwater

de dichtheid van het koelwater

diameter van de mantel equivalente _ D 2 1 = 0.1 m -D 1 + P2 Bovendien geldt urn =

0

_{kw /} Am met :

d = volumestroon van het koelwater

)Vkw

Am

=

doorsnede oppervlak van de spiraal

0/ 2 2

=

~ 2 'K r

=

0. 004 m (m/s) (Ns/m2) (kg/m3) (m) Voor m

het geval dat het koelwater wordt opgewarmd van 9 oe naar 14 oe geldt :

Ow

= ,0kW

*'

_{c pw}

*'

t _kw

,0kw

=

930759.55 / (4.19

~

5)

=

44427.66 kg/u

=

44.43 m3 /u

Urn

=

44.43 /0.004

=

11107.5 m/u

=

3.09 mis Re

=

3.09 ~ 0.1

*

1000/10-3

=

3.09 'K 10 5

1

I·

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

30

~2

= 0.6

*

0.02

*

(3.09

~

105).8

*

6.981/ 3 / 4.67 = 151.74 J/sm2K

De in de warmtewisselaar overgedragen hoeveelheid warmte kan worden ge-schreven als

0

_w = U

*

A ~ ó TIn

waarin :

A = het oppervlak waardoor de twee fluida warmte uitwisselen (m2)

U = totale warmte overdrachts coeffici~t . waarvoor geldt:

1/U.

=

1/0<:1 + ~/..Àw + 1/~2

met d

w

=

dikte van de vatwand

=

5

*

10-3 _m

Àw

=

het geleidingsvermogen van de vatwand ;~w,staal = 16;56

1/U

=

1/1146.03 + 5

*

10-3/16.56 + 1/151.74 ; U = 463.64 kj/urn K

~Tln

=

18.39 Hieruit volgt :

A 930759.55 /(463.64 ~ 18.39) = 109.16 m 2

A

=

2 ~ r_m

*

Ls ,waarbij Ls de lengte van de spiraal is.

Ls = 109.16 /0.1 =1091 .6 m

De omtrek van de fermentor = ~

*

D = 14.36 m ,waardoor het aantal

omwentelingen no = 1091.6/14.36 = 76.02 is.

I

I

I

.

1

I

I

I

I

'

I

,

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

1

I

I

I

I

i

I

. _

-A

JîIT5

stoom ----..

IIII I1

(

IIIII1

IIIIII

111111

11 1111

IIIIII

111111

111111

/as

.

111111

'lllllllr-n

condensaat produkt