De bereiding van itaconzuur uit melasse

o

o

o

o

o

o

o

o

_-

-o

'.

.

Nr:

2494

Laboratorium voor Chemische Technologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

_',..

Jaap van Duijn en Piet van Egmond

onderwerp:

melasse

'.

adres: Roland Holstlaari 260, 2624 GL Delft _, -oordeinde 16, 2445 XD Aarlan4erveen

opdrachtdatum : juni 1980 ve~slagdatum: aug. 1981

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

( ( (

(

( ('

(

;

() ()

o

DE BEREIDING VAN IïACONZUUR UIT MELASSE

Fabrieksvoorontwerp

juni 1980 - augustus 1981

Afdeling der Scheikundige Technologie Technische Hogeschool Delft

Jaap van Duijn, Roland Holstlaan 260, 2624 GL Delft Piet van Egmond, Noordeinde 16, 2445 XD Aarlanderveen

l ( ( ( ( (

r

o

() Samenvatting

In dit fabrieksvoorontwerp wordt de produktie van itaconzuur uit beetwortelmelasse behandeld. De kapaciteit van de fabriek bedraagt 1247 ton/jaar. Voor deze produktie is 3600 ton melasse nodig. De omzetting van melasse naar itaconzuur wordt uitgevoerd met een schim-mel, Aspergillus terreus ATTe 10020, in drie fermentoren met een werkvolume van 100 m3. Aangenomen is 8000 bedrijfsuren per jaar waarin 150 gistingen uitgevoerd worden. De melassebehandeling en de opwerking worden kontinu bedreven, de vergisting fed-batch. De produktiekosten bedragen ongeveer f 4.80 per kg itaconzuur

(prijspeil 1980). De marktprijs is (volgens opgave van Pfizer) ongeveer f 8.50 per kg. fJt.." '~'''''-'

I

~

l:\"y

Bij een kostprijs van f 5.00 per kg en een verkoopsprijs van f 8.00 per kg itaconzuur is het rendement op geïnvesteerd vermogen

L ( ( (

c

(

o

o

Inhoudsopgave

1. Konklusies, aanbevelingen en knelpunten 2. Inleiding

3. Uitgangspunten voor het ontwerp

4.

3. I. Fysische en chemische eigenschappen van itaconzuur 3.2. Procesuitvoering 3.3. Procesgrootte Procesontwerp 4.1. Melassebehandeling 4.2. De entferrnentatie 4.3. De hoofdferrnentatie 4.4. De opwerking 4.5. Processchema 5. Afvalstoffen 6. Massa- en warrntebalans 7. Apparatenlijsten 8. Personeelsbehoefte 9. Grond- en hulpstoffenverbruik

10. Verbruik van stoom, elektriciteit, lucht en koelwater 11. Kostprijsberekening en rentabiliteit 12. Symbolenlijst 13. Literatuur Bijlage I 2 3 3 4 5 7 7 12 20 25 30 31 32 42 53 53 54 54 58 60 11 - I3

( ( ( ( (

o

o

n

(î

1. Konklusies, aanbevelingen en knelpunten

De produktie van itaconzuur uit·melasse door fermentatie met ,

Aspergillus terreus ATTC 10020 is goed uitvoerbaar. Er zijn een

aantal chemische processen bekend maar geen van allen worden in de praktijk toegepast omdat de fermentatieve route het goedkoopst is. Dit blijkt OQk uit een vergelijking tussen de kostprijs van ongeveer f 4.80 per kg itaconzuur (overigens zeer grof geschat) en de markt-prijs van ongeveer f 8.50 per kg. Door dit grote verschil wordt het hoge rendement op geinvesteerd vermogen (33 %) verklaard.

Dat Pfizer Rotterdam ons een marktprijs van f 8.50 per kg opgeeft verbaast ons, gezien de prijs van ongeveer f 5.60 per kg itaconzuur in de Verenigde Staten in 1979 (1 ). Bij een verkoopsprijs van f 5.60

per kg itaconzuuur is het rendement op geinvesteerd vermogen 9 %. Een aantal knelpunten die in dit fabrieksvoorontwerp zijn opgetreden, staan hieronder vermeld:

1. Er z~Jn geen kinetiekgegevens bekend en de overall-reaktiever-gelijkingen zijn berekend uit verschillende literatuurgegevens. 2. Er ~s niets bekend over bijproduktvorming.

3. Er ~s geen relatie bekend tussen de hoeveelheid biomassa en het zuurstofverbruik.

4. Er zijn geen gegevens over eventuele praktische problemen zoals het werken met een kontinue melassesterilisatie en het gebruik van K

4Fe(CN)6 in de entfermentor.

Gezien de al bestede tijd aan dit fabrieksvoorontwerp is geen poging gedaan om het gebruik van hulpstoffen, stoom, water, lucht en elektri-citeit te minimaliseren. Hierin zitten nog mogelijkheden om de kost-prijs te verlagen (bijvoorbeeld het hergebruik van verdampt water uit de opwerking).

( (

r

( ( ()

o

o

2. Inleiding

Itaconzuur ~s een onvèrzadigd dicarbonzuur met de volgende struktuur-formule:

Het ~s een stof die dankzij de onverzadigde binding gepolymeriseerd

kan worden tot polyitakonaat of met andere monomeren tot copolymeren.

Door het polaire karakter van itaconzuur (twee carbonzuurgroepen) kunnen gemakkelijk andere molekulen (bijvoorbeeld kleurstoffen) ver-bonden worden.

Copolymeren van bepaalde monomeren (styreen-butadieen en "acrylic

latexes") met 1 - S % itaconzuur vertonen een veel beter hechtings

-gedrag aan substraten (bijv. papier, textiel en verf) dan de copoly-meren zonder itaconzuur. Ook wordt de stabiliteit van de

polymeer-emulsie verbeterd (1).

De gepolymeriseerde methyl-, ethyl- of vinylestersvan itaconzuur worden gebruikt als plastics, lijmen, elastomeren en coatings (2).

Acrylonitril, gepolymeriseerd met een gering percentage itaconzuur tot garens, vertoont na het verven een diepere kleur dan gepolymeriseerd

zonder i taconzuur (1 ).

Verder worden itaconzuur-acrylzuur copolymeren ~n de tandheelkunde gebruikt als vervangingsmiddel voor natuurlijk tand cement (1 ).

Itaconzuur wordt door middel van fermentatie uit koolhydraten gemaakt. Vele chemische processen zijn mogelijk voor de itaconzuurproduktie maar geen van allen wordt commercieel gebruikt. (1 ). In Nederland wordt geen itaconzuur geproduceerd. In de Verenigde Staten is Pfizer de enige fabrikant terwijl volgens ( 1 ) er nog tenminste vier fabrieken buiten de VS zijnDe prijs bedroeg in 1979 in de VS $ 1.93 - 2.04 per kg in zakken van 22.5 kg.

Uit telefonisch kontakt met Pfizer Rotterdam bleek het volgende - de wereldjaarproduktie is ongeveer 2000 ton

de verkoopsprijs van itaconzuur in Nederland ~s ongeveer E 1715 per ton 99.9 % zuiverheid (dit is ongeveer f 8.50 per kg).

Enige toxikologische gegevens:

Bij ratten is de LDSO 4000 mg/kg lichaamsgewicht

de toxische effekten voor grote doses natriumitaconaat z~Jn gelijk aan die van natriumcarbonaat.

( ( ( ( ( ( ('>

o

0

0

- itaconzuur en d-n-butylitaconaat zijn in de VS toegelaten voor het gebruik ~n voedsel verpakkingsmaterialen.

We hebben dit fabrieksvoorontwerp gemaakt als illustratie van het feit dat groene grondstoffen gebruikt kunnen worden voor de produktie van hoogwaardige chemische stoffen.

3. Uigangspunten voor het ontwerp

3.1 Fysische en chemische eigenschappen van itaconzuur

Molekuulgewicht 130.10 smelpunt 167 - 168 oe soortelijke dichtheid 1632 kg/m3 vormingswarmte 840 kj/mol verbrandingswarmte 1.98 MJ/mol bij 25 oe is pk I 3.85 z, pk 2 _z, 5.45

In tabel 1 ~s de oplosbaarheid van itaconzuur (in g/IOO mloplosmiddel) bij 25 oe ~n verschillende oplosmiddelen gegeven.

Tabel 1 Oplosbaarheid van itaconzuur in verschillende oplosmiddelen

( in g/IOO mloplosmiddel) azijnzuur 5.8 ethylether 1.4 aceton 8.7 ethyleenglycol 25.2 benzeen 0.01 methanol _"- 35.8

---

-I-butanol 6.8 methylethylketon 3.7 n-butylacetaat I .6 methylisobutylketon I • I chloroform 0.01 I-propanol ]0.7 cyclohexaan 0.01 2-propanol ]2.5 dioxaan 14. I propyleenglycol 7.2 ethanol 19.8 tetrahydrofuran 23.6 water 9.5

De oplosbaarheid van itaconzuur als funktie van de temperatuur in water

~s als volgt: 20 oe 8.3 gram/I 00 gram water

50 oe 29.2 11

60 oe 45.9

"

70 oe 72.6 11

l l

r

(

r

r

r

o

n

3.2. Procesuitvoering

Er is tamelijk veel lîteratuur over de itaconzuurfermentatie bekend.

De hoeveelheid bruikbare informatie voor een fabrieksvoorontwerp 1S echter zeer klein doordat meestal een aantal essentiele gegevens niet vermeld worden. Ook de oktrooiliteratuur is nagezocht op bruikbare

informatie. Na vergelijking van diverse oktrooien en literatuurgegevens is als basis voor het fabrieksvoorontwerp het oktrooi von Fries ( 3 )

genomen.

Dit omdat - het hierin genoemde voorbeeld met 400 1 reaktorvolume

4

~

~~. beschreven wordt

l ' ,

~~ j~/~- ~ er tamelijk veel gegevens over de procesvoering vermeld zijn.

\ Nadeel is dat er geen gegevens over de kinetiek en over de hoeveelheid biomassa vermeld Z1Jn.

Onderscheid wordt gemaakt 1n twee fasen van de fermentatie: a) entfermentatie

b) hoofdfermentatie

ad a) Inde entfermentatie (batch) vindt de groei van de schimmel bij

"

----35 °c plaats. Daar geen kwantitatieve gegevens in het oktrooi

von Fries over biomassa gegeven Z1Jn, hebben we de volgende

reaktie-vergelijking aangenomen:

C_6H1206 + 1.60 02 ~0.65 _C5H6

₀₄

+

1.44

CO

₂

+ 0.89 CHI.SOO.5NO.2 + 3.20 H

20

Deze reaktievergelijking is gebaseerd op de koolstofbalans uit

(4).

De invloed van metaalionen is belangrijk op het fermentatiegedrag

van A. terreus (4,5 ). IJzer remt de itaconzuurproduktie en

stimu-J,.F" leert de groei en zink heeft precies het tegenovergestelde effect.

Omdat 1n de entfermentatie groei moet plaatsvinden wordt ijzer aan

-:-;;..

medium toegevoegd in de vorm van K

4Fe(CN)6'

ad b) In de hoofdfermentatie (fed-batch) vindt met de in de entfermentatie gevormde biomassa de eigenlijke omzetting van melasse in itaconzuur plaats (bij 35 °C) volgens de volgende reaktievergelijking:

Door toevoeging van ZnS0

4 wodt Zn2Fe(CN)6 neergeslagen en het restant zink remt de groei van de schimmel.

c

( ( ( ( (

o

o

o

o

3.3. Procesgrootte

Zoals in hoofds tuk 3.,2. vermeld is, ~s het fabrieksvoorontwerp gebaseerd op het oktrooi van Fries.

Hieruit is het volgende tijdschema voor de ent- en hoofdfermentatie gehaald:

5

entfermentatie I _{uur vullen}

hoofdfermentatie 120 uur fermenteren

:1

uur steriliseren 12 uur navergisten

48 uur fermenteren 28 uur diversen

I _{uur leegpompen} 2

totaal 50 uur totaal 160 uur

Gezien de cyclustijden van 50 en 160 uur ~s het voor een goede proces-voering verstandig I entfermentor op 3 hoofdfermentoren te kiezen. Het aantal werkuren per jaar wordt gesteld op 8000. Dit betekent dat

I hoofdfermentor 8000/160

=

50 fermentaties per jaar kan uitvoeren. Indien we de grootte van I hoofdfermentor stellen op 100 m3 ( de

'---

-opschalingsfaktor is dan 100/0.4

=

250) is de produktie aan itaconzuur per fermentatie 8453 kg (zie beneden).

We kiezen voor 3 hoofdfermentoren gezien de verhouding cyclustijd ent-fermentatie / cyclustijd hoofdent-fermentatie. Dit betekent dat de bruto-produktie 3 x 50 x 8.453

=

1268 ton itaconzuur per jaar is.

Aangenomen dat het opwerkingsrendement 99 % is,betekent dit een netto-~--;;

jaarproduktie van 1247 ton. Dit is ongeveer de helft van de wereld-jaarproduktie.

De produktie per fermentatie is als volgt berekend:

Per fermentatie is 24 ton melasse nodig

=

12 ton glukose. Hiervan gaat 10 % naar de entfermentatie (3) waarvan 840 kg wordt omgezet in o.a. 394 kg itaconzuur en 102.5 kg mycelium. Het restant (1200 - 840 = 360 kg)

+ de overgebleven melasse (10800 kg) wordt in de hoofdfermentatie omgezet in o.a. 8060 kg itaconzuur. De totale produktie aan itaconzuur per fermentatie is dus 8060 + 394

=

8454 kg.

Omdat kontinue processen proces technisch veel gemakkelijker zijn, ~s voor de volgende procesvoering gekozen~

melassebehandeling entfermentatie hoofdfermentatie opwerking kontinu batch fed-batch kontinu

( ( ( ( ( (

o

o

o

o

6

De melassebehandeling bestaat uit - een verdunning

- centrifuge (voor afscheiding zwevend vuil

kationenwisselaar (voor verwij-dering kationen)

'

-- sterilisator

De opwerking bestaat uit - een filter ( voor myceliumafscheiding) - een kristallisatie

- een herkristallisatie met aktief koolfil ter

- een droger (voor droging natte kris-tallen)

- een molen ( voor het malen van gedroogde kristallen)

De motivatie en de uitwerking van de diverse onderdelen van dit fabrieksvoorontwerp zal gegeven worden in hoofdstuk 4.

( ( ( ( (" ( '1\ I' \ .w! v'J IJ.. \ , ' (

o

o

n

o

' - .1 4. Proces ontwerp 4. I. Melassebehandeling

Zoals al in hoofdstuk 3 is gezegd worden met één fermentor 50

vergis-tingen per jaar uitgevoerd. Per vergisting is 12 ton glukose = 24

7

ton melasse nodig. In totaal zijn er drie fermentoren zodat er 150 vergistingen per jaar uitgevoerd worden. Hiervoor is nodig aan melasse

ISO x 24

=

3600 ton. Het aantal bedrijfsuren bedraagt 8000 per Jaar

zo-dat de kapaciteit van de melassebehandelingsinstallatie 3600/8000

=

0.450 ton/uur

=

0.125 kg/sec moet zijn.

Omdat melasse in een beperkt aantal maanden per jaar (sept. - dec.)

geproduceerd wordt, is opslag noodzakelijk voor de rest van het jaar (8 maanden). De grootte van deze opslag is:

2/3 x 150 x 24

=

2400 3 p= 1430 kg/m

3 opslagvolume 1700 m

Om het zwevend vuil ln de melasse te verwijderen is de volgende stap ln de melassebehandeling een centrifuge. Het dichtheidsverschil tussen het vuil en de melasse is echter te klein voor een goede scheiding.

Daarom moet de melasse eerst verdund worden tot een dichtheid van 1200 kg/m3 (6).

1liervoor is 360 kg/uur

=

0.100 kg/sec water nodig. De totale melasse-stroom wordt nu 810 kg/uur

=

0.225 kg/sec met een dichtheid van 1200

kg/m3.

Om de grootte van de centrifuge uit te kunnen rekenen gebruiken we de volgende formule

(7):

v

<p xl8T)x v ln(r 2/r I) 2

Apx

d P 2

xro

Voor de berekening van het volume van de centrifuge lS het volgende aan-genomen:

I. de viscositeit van melasse met een dichtheid van 1200 kg/m3 is gelijk aan die van een sukrose-oplossing met dezelfde dichtheid

T)

=

0.0103 Pa sec

2. Het toerental van de centrifuge is 5000 tpm ~ro = 524 sec 3. <p

=

0.225 kg/sec } m . 3 <Pv

=

0.188 I/sec p:% 1200 kg/m 4. r

=

0.15 m ; r l 0.02 m 2 3 5.

Ap""

1430 - 1200 = 230 kg/m 6. d = 10-5 m p -I

( ( ( ( (

o

o

o

o

8

Invullen van de gegevens op de vorige bladzijde levert:

v

11.1 1. De afmetingen van de centrifuge zijn dan d ~ 0.3 m en

h = 0. 16 m.

De verblijf tijd van~de vloeistof in de centrifuge is 59 sec.

Vanwege de grote invloed van kationen op het gistingsgedrag van Aspergillus terreus (zie hoofdstuk 3) is besloten om in de melasse-behandeiingsinstallatie een kationenwisselaar op te nemen. Gekozen is voor een sterke kationenwisselaar met een kapaciteit van 1.5 kmol/m3 nat volume.

Vanwege een minimaal vereiste superficiele vloeistofsnelheid (40 - 80 1/m2 min) nemen we een kolom met een diameter van 0.5 m (8).

Indien de hoogte van de ionenwisselaar in de kolom (totale hoogte 8 m) 5 m is, dan hebben we 1 m3 nat volume ionenwisselaar in de kolom. Als het kationengehalte van de melasse bekend is, kan uitgerekend worden na hoeveel tijd de ionenwisselaar geregenereerd moet worden.

Volgens (g) bevat 100 kg melasse de volgende hoeveelheid kationen:

0.4 kg CaO M 56 7. J mol Ca2+ 0.05 kg MgO M = 40 1.3 mol Mg2+ 3.4 kg K 20 94 72.4 mol + M K 0.03 kg A1 203 M 102 0.6 mol A1 3₊ 0.01 kg Fe 203 M 160 0.2 mol Fe 3₊

Totaal 81.6 mol kationen

De zu~vere melassestroom is 0.125 kg/sec. Dit betekent 0.102 mol/sec

kationen. Eén ionenwisselingskolom heeft een kapaciteit van 1.5 krool. Dit betekent dat de kolom na 1500/0.102

=

14700 sec ~4 uur uitgeput is en geregenereerd moet worden.

Met automatische regeneratie is dit gemakkelijk uitvoerbaar (10). Voor een goede procesvoer~ng kiezen we 4 ionenwisselingskolommen. De regeneratie moet uitgevoerd worden met 3-6 %,HCl 0~. Per regene-ratie is nodig 2 kmol HCI

=

73 kg 100 % HCI

=

243 kg 30 % HCl.

Na de ionenwisselaar stroomt de gezuiverde melasse naar een buffervat. Dit is gedaan om storingen in het proces te kunnen opvangen:

( ( ( { ( ( (

c

o

o

De gecentrifugeerde en gedeioniseerde melassestroom moet verder

verdund worden om de in het patent genoemde suikerkoncentratie van

160 gr / 1 te b ere~ken~ . (3) De verdunn~ng • • wordt ~n twee stappen u~tge-. voerde Allereerst wordt de melassestroom verdund door het toevoegen van proceswater. Deze verdunde melassestroom wordt in een warmte-wisselaar opgewarmd tot 100 oe met de gesteriliseerde melassestroom van 128 oe. In de stoominjekteur vindt een verdere verdunning

plaats door kondensatie van de stoom, die het medium tot 128 oe moet verwarmen.

Te verdunnen melassestroom:

1.875 10 -4 3 m /s = 0.225 kg/s P 1200 kg/m3 Proceswater:

x m3/s =1000x kg/s P = 1000 kg/m3

Verdunde melassestroom na de warmtewisselaar: 0.225 + 1000x kg/s

Medium na sterilisator:

3.906 10-4 m3/s=0.4277 kg/s p

T= looe

T= looe

De grootte van de stoominjektie wordt gegeven door het verschil ~n grootte van de verdunde en de gesteriliseerde melassestroom. De stoominjektie is dus:

0.4277 - 1000x - 0.225 = 0.2027 - 1000x kg/s

De hoeveelheid warmte die nodig is om de verdunde melassestroom

o 0

van 0.225 + 1000x kgf s van 100 e tot. 128 e op te warmen moet geleverd worden door de kondensatiewarmte van de geinjekteerde

stoom ( 190 oe, 3 bar) en de afkoeling van de stoom van 190 oe naar 128 °C:

<P _m . c _p • AT ₁ =<P _m,stoom ( c _p,stoom . AT ₂ + AH _condensatle . )

waar~n: <Pm

=

0.225 + 1000x kg/s c 0.225 3.22 + 1000x . 4.184 kJ/kg ok p 0.225 + 1000x AT ₁

=

128 - 100

=

28 oe c _p,stoom 2.28 kJ/kg oK 62 oe AT ₂

=

190 - 123

=

AH . = 2260 condensat~e kJ/kg 9

Hieruit volgt dat de grootte van de verdunningsstroom 0.1844 kg/s ~s.

De stoominjektie is dan:

( ( ( ( ( 0 0

o

o

10 -4 De verdunde melassestroom (0.225 + 1000 x 1.844 10

=

0.409 kg/s ) '0 0

moet opgewarmd worden van 10 e tot 100 e. Het totale warmtetransport is dan:

x c

p x flT 0.409 x 3p4 x 90

De gesteriliseerde melassestroom koelt af tot:

(128 - T. )

u~t Q t / ~ m x c p

134 kJ/s

134 / 0.4277 x 3.68 85.07 oe uit 128 - 85.07

=

42.93 oe

De grootte van de gebruikte warmtewisselaar kan berekend. worden uit de hoeveelheid warmte die getransporteerd moet worden, de warmte-overdrachtscoefficient U van de warmtewisselaar en het logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil van in- en uitgaande stromen. Dè warmteoverdrachtscoefficient U van de gebruikte warmtewisselaar is

2 0 • 2 0

gesteld op 1.278 kW/m e met een foul~ngsfaktor van 0.529 m e/kW.(a) De totale warmteoverdrachtscoefficient is dan:

/ U

f / U + f

/ 1.278 + 0.529

0.763 kW/m2 oe

Voor het logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil wordt gevonden:

flT - flT kl flT ln gr _met: In (flT / flT kl) gr ' flT kl (128 - 100 ) 28 oe flT ( 43- 10 ) 33 oe gr 30.43 oe flT ln

De oppervlakte van de warmtewisselaar kan nu gevonden worden uit:

A

A

Qt /

U_f x flT_ln

133.99 /0.763 x 30.43

=

5.77 m 2

De sterilisatie van het medium wordt kontinu uitgevoerd. De melas-sestroom wordt door de stoominjektie tot 128 oe verwarmd en gedurende enige tijd op deze temperatuur gehouden door de stroom door een goed

<.

( , _, ( ( ( (

o

(i 11

geisoleerde buis te leiden. Er 1S gebruik gemaakt van een buis met

een diameter van 2 inch

=

0.0508 m. De stromingsnelheid van de vloei -stof in de' ,buis is dan:

4>v

0.4277

I

1095 v I

14

x TI x D2 1/4xTI 2 = 0.193 mis x (0.0508)

Gesteld dat de viskositeit van de sterk verdunde melassestroom ge-lijk is aan die van water, zodat

Re P D p x v x D 5.3 10-4 Tl 3 1000 kg/m 0.0508 m v = 0.193 mIs 10- 3 Ns/m2 Tl

De stroming in de buis is dus turbulent en kan opgevat worden als een propstroming. Dit betekent dat het koncentratieverloop van mikro-organismen in de buis gegevèn wordt door: (7)

Cl/CO exp (-Da)

Da ( k x I )/ v

We willen steriliseren bij een temperatuur van 128

°c

tot een kon-centratie van 103 mikroorganismen per m3. De lengte van de sterili -sator kan berekend worden uit:

L

v x In ( CO/Cl)

ka exp ( - Ea/ RT )

ka afsterfkonstante van de mikroorganismen

=

1.323 1037 lIs 287.44 kj/mol

E

a

Co koncentratie mikroorganismen

=

1012 11m3

Cl

=

konc. mikroorganismen in sterilisaat

=

103 l/m3 v stroomsnelheid

=

0.193 mis

T

=

temperatuur

=

400 K R 8.314 10-3 kj/mol K

We kiezen voor een sterilisator van II m lang met een diameter van 2 inch. De steriele melasse stroomt via de eerder genoemde warmte-wisselaar naar een wachttank. Deze wachttank is noodzakelijk omdat de melasseopwerking kontinu verloopt en de fermentatie batchgewijs. Het volume van de wachttank is 100 m3.

( ( ( ( ( ( ()

o

Cl 12 4.2. De entfermentatie

In de entfermentor vindt de groe

_.

i van de schinMel plaats. De hiervoor benodigde sporen worden in de voorentfermentor gemaakt. Na 48 uur groeien in de entfermentor wordt de vloeistof overgepompt naar de fermentor waar de eigenlijke produktie van itaconzuur plaats vindt. De werkwijze voor de entfermentatie is gebaseerd op het oktrooi von Fries (~).

De bruto-inhoud van de entfermentor is 50 m3, de netto-inhoud 33 m. 3 De entfermentor wordt gevuld met 8213 kg gesteriliseerde melasse en

-25000 kg water. De volgende zouten worden toegevoegd:

2.75 kg (NH4)2HP04 (gecorrigeerd voor het fosfaat aanwezig in de melasse)

25 kg (NH4)2S04 12.5 kg MgS0

4 0.875 kg K

4Fe(CN)6 doseren als een 10 % oplossing

Hierna kan enting plaatsvinden met 104 sporen/mI (3). Volgens (6)

~s

10

10 sporen I gram nat materiaal

=

!

gram droge stof.

Dus nodig aan sporen voor de enting 33 x 106 x 104 / 1010 x 4 8.25 gram droge stof.

Deze 8.25 gram sporen worden in de voorentfermentor van 300 1 gemaakt, Omdat in het oktrooi von Fries (3) alleen gegevens over itaconzuur-produktie staan en niets over biomassa is een schatting gemaakt voor de benodigde eindhoeveelheid biomassa op grond van de reaktievergelijking voor de entfermentatie:

C₆H_I20₆ + 1.60 02 ~ 0.65 C₅H₆0₄ + _{1.44 CO 2} + 0.89 CHI.800.5NO.2 +

+ 3.20 H 20

Von Fries geeft aan hoeveel glukose verbruikt wordt ~n de entfase (840 kg) en uit dit verbruik is de hoeveelheid gevormde itaconzuur en bio-massa te berekenen: na 48 uur groeien ~s de biomassahoeveelheid 102.5 kg,

de itaconzuurhoeveelheid 394 kg en de C02-produktie 296 kg. We kunnen nu uitrekenen met welke groeisnelheid p de schimmel moet

groeien om in 48 uur uit 8.25 gram sporen 102.5 kg biomassa te vormen. We gebruiken hiervoor de lineaire groeiwet met verwaarlozing van

( ( ( ( (

"

\

c

(')

o

o

dX/dt = J.lX na integratie X X

o

exp (J.lx t) 102.5 0.00825 exp(J.l x 48) - 1 J.l = O. 196 uur 13

Deze waarde van J.l is aannemelijk voor de groei snelheid van schimmels.

Beluchting

uit de reaktievergelijking voor de entfermentatie en. de hoeveelheid

omgezette glukose is af te leiden hoeveel zuurstof tijdens de 48 uur vergisten nodig 1S.

Verbruik 840 kg glukose = 4.67 kmol ~nodig 1.6 x 4.67 zuurstof 1n 48 uur.

7.47 kmo 1

Omdat er 1n de literatuur geen bruikbare relatie gevonden is tussen de hoeveelheid biomassa en het zuurstofverbruik is aangenomen dat de

benodigde zuurstof met een konstante snelheid in de tijd verbruikt wordt. Deze verbruikssnelheid Volume is 33 m3

~

rO 2 1S 7.47/48

=

0.156 kmol/uur

=

1.39 g/sec. 3 0.042 g/sec m

We nemen aan dat de diameter van de luchtbellen in de entfermentor db

=

5 x 10-3 m is en bovendien is de luchtsnelheid door de gaatjes van de luchtleidingen zo groot (va

=

100 m/sec) dat het jetregime van toe-passing is. Volgens (7) is de stijgsnelheid van de luchtbellen in deze situatie v

b

=

0.22 m/sec. _{, -3}

We hebben te maken met niet-starre bellen en bovendien is db > 1.5 x 10 zodat we de stofoverdrachtskoefficient k

l kunnen berekenen met het

Higbie-penetratiemodel (7): _ ' / v_b x ID k l - 1.13 \ --:::d~­ b D zuurstof 1n water

-4

Uitrekenen geeft k l

=

3.2 x 10 m/sec -9 2 1.8 x 10 m /sec Stel AC

O is het zuurstofkonsentratieverschil over de grens laag

gas-" I 2

~

vloeistof

naar de bulkvloeistof

=

2 x 10-3 kg/m3• Voor het zuurstofverbruik geldt:

z1Jn bekend dus het vereiste specifieke oppervlak a 2 3

kan nu uitgerekend worden: a

=

65 m

Im •

De vereiste gas holdup (1 - E) 1S nu bekend:

( { ( ( ( ( (

o

() a

=

6 (1 -E) db ~ (I - E) = 0.05

Stel de afmetingen van de entfermentor zijn d = 3 m en h =8 m

14

(de vloeistofhoogte lS 5 m). De verblijf tijd van een luchtbel kan nu berekend worden: t

s

=

h/vb

=

5/0.22

=

23 sec.

Met de aanname dat er geen koalescentie van de luchtbellen optreedt, kan nu het vereiste luchtdebiet berekend worden:

IA

=

(I - E) x V / t

=

0.072m3/sec

=

260 m3/uur.

~v s

We moeten nu nog nagaan of er genoeg lucht ingebracht wordt om aan de verbruikssnelheid te voldoen:

toevoer 72 I/sec

20 vol % zuurstof ~ 14 I O/sec 3

p = 1.43 kg/m ~21 _{g °2/sec}

verbruik 1. 39 gO/sec

konklusie: de zuurstof toevoer lS 15 maal groter dan het zuurstofver~ bruik.

De luchtinbreng gebeurt met 6 blaaspijpen van 1" diameter' en" 1 meter lengte onderling verbonden door een buis van 2" diameter (zie figuur 1). Figuur 1 Schema luchtinbrengpijpen entfermentor

We nemen aan dat de diameter van een gat in de blaaspijpen 2 mm is. De uitstroomsnelheid V

o

=

100 m/sec ~(j>v

=

0.31 I lucht per sec per

gat. Het luchtdebiet moet 72 I/sec zijn zodat er 233 gaatjes ln totaal nodig zijn. Dit betekent dat elke blaaspijp 40 gaatjes van 2 mm

diameter heeft.

Menging

Om de menglng ln de entfermentor te bekijken, vergelijken we de mengtijd met de zuurstofverbruiksstijd en de stofoverdrachtstijd voor zuurstof. Substraat is niet-limiterend zodat hier niet naar gekeken hoeft te wor-den.

( { (

c

( (

c

o

o

('

Volgens (19) is de mengtijd in een bellenkolom u

=

~

/A

=

260/!rr32

=

37 m/uur

=

0.01 m/sec s v h = 5 m 15 t

=

0.14 h/u + I m s t

=

70 sec m De zuurstofoverdrachtstijd t so = I/kla

=

1/65x3.2xIO -4

=

48 sec (7) De zuurstofverbruikstijd t

o

Co /rO (7 ) 2 2 2 0.042 3

I

r O g O/m sec 2 3 t o 192 sek Co

=

8 g O/m (aangenomen) 2 2

Het blijkt dat de zuurstofoverdrachtstijd 70 % van de mengtijd is. Aangezien de zuurstofverbruikstijd 192 sec ~s, is dit geen onover-komelijk probleem en is de menging door de beluchting voldoende.

De warmteproduktie tijdens de entfermentatie ~s te berekenen uit de reaktievergelijking

C

6HI206 + 1.6 02~0.65 C5H604 + 1.44 CO2 + 0.89 C1Hl.800.5 + _{3.2 H20}

en de molaire enthalpien van de in deze reaktievergelijking voorkomende stoffen suiker AH298 '= f 1265.9 kj/mol itaconzuur 841 . 19 CO 2 = 395.2 H 20 286.9 biomassa = 91.5

De warmteproduktie per mol omgezette glucose is berekend op 866.05 kj/mol. Tijdens de entfermentatie wordt 70.2% van 1200 kg melasse gebruikt. Dit komt overeen met 4.67 kmol glucose. De warmteproduktie per entfermen-tatie is dus:

4.67

~

866.05

=

4.042 109 J

4 Een entfermentatie duurt 48 uur, dus de warmteproduktie 1S 2.36 10 W.

( ( { ( ( { (

o

o

o

16

Als koelingsmethode 1S gekozen voor een op de wand van de fermentor

gelaste koelspiraal bestaande uit een halve ronde pijp. Aangenomen is dat het gebruikte koelwater van 20 oe tot 30 oe opgewarmd wordt en dat de fermentor op 35 oe blijft. Aan koelwater is dan nodig:

o

. . -rek 4 3

- - - =

5.64 10- m

Is

c H 0 x ~Tx P p, 2 4

Q

_re k

=

2.36 10 W c H 0

=

4.184 kJlkg p, 2 . ~T = 10 oe

De koeling wordt 25% overgedimensioneerd:

~

=

7.04 10-4 m3/s

v

Bij de berekening van de koeling is geen rekening gehouden met even-tuele warmteverliezen door het verdampen van water ten gevolge van de beluchting.

Voor de diameter van de halfronde buis wordt 0.04 m gekozen. De ge-middelde stromingssnelheid in de buis is dan:

~v>

_=4>

I

( 1/8 ~rr x D2 )

₌

I. 12 mis v

10.-4 4>v

=

7.04 mis D 0.04 m

De stroming in de koelspiraal 1S turbulent als Re groter 1S dan 4 x 103

Re ( p x

~v>

x D_ )

In =

5.6 104 1 <v> n P D. 1 1 .12 mis 7,98 10-

4

Nslm 1000 kg/m3

4 x doorsnede van de fermentor

I

omtrek D 0.04 m

Voor de warmteoverdrachtscoefficient a

2 aan de koelwaterzijde geldt de relatie: (13) Nu

=

0.027 ReO•8 prO. 33 Pr > 0.7 a₂ x Di - - - = 0.027 <v> x À Tl D. = 0.04m 1 104 Re

₌

5.6 À H20

=

6.23 10-4 kW/m oK TlH20

=

7.98 10-4 Ns/m2 c

=

4.184 kJlkg oK p

( ( (

c

( ( 0 ()

o

o

Hieruit volgt dat-a

2 = 4637 W/m 2

oK.

Voor het warmteoverdrachtscoefficient a) aan de beslagzijde geldt de relatie(6) a

=

I 0.265 : À = 6,23 10-4 kj /m s K . P 1000 'kg/m3 , V 10-5 m2/s cr = 0.073 kg/s2 c 4.184 kj/kg oe p 2 g

=

10 mIs _{_.} u

s superficiele gassnelheid, het luchtdebiet gedeeld

door het oppervlakte van een doorsnede van de ent~ -2 '

fermentor = 7.22 10

I

7.068 = 0.0102 mIs

2

De ' warmteoverdrachtscoefficient al ~s 1233 WIm K. De overall 17

1/3

warmteoverdrachtscoefficient U

f wordt mede bepaald door de straal van de koelwaterbuis, de symmetrie van de k?elspiraal en de foulingsfaktor.

I, De , ~

..

À = w X s w f =

e-

s + + Vol + f (11) en bijlage] al e x a 2 E .x X x À "- w

.

,. o . , '\ korrektiefaktor= fee/l,s

/1)

w warmtegeleidingscoefficient van 0.43 staal = korrektiefaktor = feÀ /a 1s ,s /1)

=

0.55 w w w 15.92 Wim K

dikte van de wand van de fermentor = 0.005 m foulingsfaktor = 0.5 m2 K/kW (12)

2

overall warmteoverdrachtscoefficient is : U

f = 74.5 WIm K.

coefficient is betrokken ,op de binnenwand van de fermentor. Het opper-vlak van de entfermentor dat bij de koeling betrokken is wordt gegeven door:

A _{Qrek / ( U f x (f::, T ) In >.}

(AT) In logarithmisch gemiddelde temperatuursverschil

T _{koelwater,uit} - T _koelwater,in

In (

, Tentfermentor Tkoelwater, in )

T - T

( ( ( ( (

o

o

o

o

T koelwater, in T koelwater~ uit T . entfermentor 35 oe Q _re k = 1.25 x 2.36 104 W

Het oppervlak is 43.5 m: Dit betekent dat de hoogte van de koel-spiraal 43.5

I

1r x D · = 4.62 m is. Het aantal omwentelingen

fermentor

van de spiraal om de entfermentor kan nu berekend worden. Bekend is dat de buizen op 10 centimeter afstand van elkaar zitten. Er zijn ongeveer 47 omwentelingen nodig om aan een koelend oppervlak van

2

43~5 m te komen.

De totale lengte van de koelspiraal 1S ongeveer 47 x'n x D De drukval in een rechte buis wordt gegeven door:

t.p A~ 4f p <v> = I). 1

-t.x 2 4f X -21 x <v> X p X - = 1.88 bar. (13) D . .

gemiddelde ruwheid van1de buis

=

0.001 friktiefaktor

=

0.027 bij Re

~

5.6 104

1000 kg/m3

1.12 mis

Dbuis = 0.04 m

443

.

m.

Een korrektie op de drukval ten gevolge van de kromming van de koel-spiraal wordt gegeven door:

t.p

=

t. P e D ent ferment or Db . _U1S + 3.74 X Db . U1S . ) (14) Dentfermentor 3.0 m 0.04 m

De totale drukval over de koelspiraal 1S nu 1.97 bar.

Sterilisatie.

3

m •

Het bruto·volume van de entfermentor is 50 Er wordt gedurende 30 minuten bij een temperatuur van 120 oe gesterilisee~d ·met behulp van stoom van 190 oe en een druk van 3 bar. (15)

Voor het vullen van de entfermentor 1S nodig:

50 x 1.12 (dichtheid van stoom bij 120 oe ) = 56 kg stoom.

Voor het opwarmen van de entfermentor tot. 120 oe is nodig:

L l ( ( ( ( ( ()

o

o

19 cp

stoom -,V_s_t_a_a_l_X_P_X_C p.::....:.., s_t_-a_a_l_ x _(_1_2_0_-_2_0_) -:--_ _ _ _ = 54.5 kg AH _con d _{ensat~e,stoom} . + (c x 70) p,stoom Pstaal = 3 7600 kg/m _, c == 0.53 kj/kg oe p,staal c p,s 'oom t = 2.28 kj/kg oe AH d t

=

2260 kj/kg con s,s oom 3 V t 1 == 0.33 m diameter entfermentor 3 m s aa hoogte dikte wand 11 7 m 0.005 m 2

De oppe.cvlakte van de entfermentor is 65.97 m • Het warmteverlies

door dit oppervlak gedurende de sterilisatietijd is:

Q - U x t x 65.97 x-Llr

Q 1223 ,x 60 x 30 x 65.97 xIOO

-.

Om dit warmteverlies te compenseren is:

8

1.452 10 J.

1.452 '108 / 2420 103 == 60 kg stoom nodig

i ...

stoom

In totaal is dus 171 kg stoom (190 oe, 3 bar) nodig voor het steriliseren van de entfermentor.

De entfermentatie vindt plaats bij een temperatuur van 35 oe. De

·1· d I t t t 35 oe, wordt

gester~ ~seer e me asse, me een empera uur van voor de fermentatie verdund met 25000 kg ~ater van 10 oe. Er ~s dus een hoeveelheid stoom nodig om de verdunde melasse op 35 oe te brengen. Het opwarmen van 25000 kg water kost aan warmte-25000 x 4.184 x

( 35 - 10 )

=

2.6i5 106 kj. Aan stoom is nodig:

Stoombehoefte Q w AH + ( c x 90 ) konds,stoom p,stoom

~ =

2.615 106 kj AHk _on d . _{ensat~e,stoom} 2260 kj/kg c t

=

2.28 kj/kg oe p,s oom

Elke entfermentatie kost dus 1061 kg stoom voor het opwarmen van het medium tot 35 oe.

r" , r '" r -,'

:-)

2> 20 4.3. De hoofdfermentatie

Na de entfermentatie van 48 uur \'JOrdt het beslag Qvergepompt naar

"f '":" , ! 3 '

één van de drie grote fermentoren van 100 m . Door toevoeging van 750 gram ZnS0

4 wordt de groei gestopt en wordt de toegevoerde melasse uitsluitend omgezet in itaconzuur volgens de volgende reaktieverge-lijking:

De hoofdvergisting duurt 120 uur met 12 uur navergisten (3).

De vergisting wordt als fed-batch uitgevoerd met een. konstante toeloop

van 616 kg/uur

=

0.171 kg/sec gesteriliseerde melasse.

Beluchting

De methode voor het uitrekenen van de beluchting van de hoofdfermen-tatie is geheel identiek aan die van debeiuchting van de entfermen-tatie. Daaram zal dezè beknopt worden weergegeven.

Tijdens de hoofdfermentatie wordt 10800 kg glukose toegevoegd. Tesamen met het restant van de entfermentatie (360 kg) wordt dit omgezet in itaconzuur.

11160 kg glukose = 62 kmol glukose ~1 .5 x 62 nodig. De CO

2-produktie is 2728 kg.

93 kmol zuurstof LS

Aangenomen wordt dat het zuurstofverbruik konstant LS Ln de tijd:

93/120

=

0.78 kmol/uur

=

6.93 g 02/sec.

Doordat het totaal volume verandert tijdens de hoofdvergisting, wordt voor het berekenen van de beluchting uitgegaan van t\l7ee situaties:

DJ

V b . 33 3 0.21 _°2/m 3 m ~rO g sec egLn 2 [ï] V

=

90 3 3

eind m ~rO

=

0.08 g °2/m sec

2

Co

hebben dezelfde waarden als bij de entfermentatie en daarom 2

1S a en (1 - t ) direkt uit te rekenen:

ro

a = 329 m2/m3

III

a = 121 m2/m3

--~~- (1 - t )

--~~- (1 - t ) Stel diameter fermentor 1S 5 m dan

[J

h

₌

1. 70 m ~ t = 8 s

III

h

₌

4.60 m ~ t = 21 s 0.27 0.10 kan de sec sec

l ( ( ( (

c

o

0

o

21 Het vereiste luchtdebiet 1S nu:

[] _{(j}v =} 1. 11 m 3 /sec = 4000 m luur 3

3 3

[IJ _(j}v 0.43 m /sec ,= 1550 m luur

Het luchtdebiet tijdens de hoofdvergisting loopt lineair met de tijd af van 4000 tot 1550 m3/uur.

We kontroleren of er genoeg lucht ingebracht wordt om aan de verbruiks-snelheid te voldoen We kiezen hiervoor de situatie met de kleinste

luchttoevoer [ZJ • toevoer verbruik 431 I/sec 20 vol % zuurstof p= 1.43 kg/m3 ~86 I02/sec ~ 123 gO/sec 6.9 gO/sec

Konklusie: de zuurstoftoevoer is 18 maal groter dan het zuurstofverbruik

De luchtinbreng gebeurt met 10 blaaspijpen van 2" diameter en 1 m lengte onderling verbonden door een buis met diameter 8" (zie figuur 2)

Figuur 2 Schema luchtinbrengpijpen hoofdfermentor

Het luchtdebiet per gat is 0.31 I/sec (zie entfermentatie). Het lucht-debiet moet 431 I/sec zijn, zodat 1400 gaatjes nodig ZlJn.

Dit betekent dat elke blaaspijp 140 gaatjes van 2 mm diameter moet hebben. Menging We u s t so

bekijken de menging voor de O.4311!1t52 = 0.022 m/sec

h 4.60 m

= 8/0.08 100 sec

1/121x3.2xl0-4 = 26 sec

situatie met het kleinste

}

t = 30 sec

m

Konklusie: menging door beluchting is voldoende.

l l ( ( ( ( (

o

o

o

o

()

WarmteEroduktie en koeling van de hoofdfermentor

---

---De warmteproduktie tijdens de hoo'fdfermentatie kan berekend worden

,

met behulp van de reaktievergelijking en de molaire enthalpien van

de in deze reaktievergelijking voorkomende stoffen.

e

6 Hl 20 6 + 1.5 O₂

:>-

e

5 H 6 0 4 + CO 2 + 3 H₂₀ suiker itaconzuur

H~98=

1265.9 kj/mol = 841.19 = 395.2 = 91.5 22

De warmteproduktie per mol omgezette glucose is berekend op 831,2 kj/mol.

Tijdens de fermentatie wordt 11150 kg glucose omgezet, de

warmte-produktie per fermentatie ~s

831 . 19 103 x 11150 103 / 180 51.47 109 J

De fermentatie duurt 120 uur, de warmteproduktie is dus 119.14 kj/sa

. (3). .

In het patent van Von Fr~es ~s gegeven dat gedurende de fermentat~e

10% van de~fermentorinhoud verdampt, in ons geval komt dit overeen met

la ton water of 2.552 107kJ aan warmteverlies per fermentatie.

gecorrigeerd voor dit warmteverlies is er aan koelwater nodig:

Qreaktie - Qverdamping

120 xAT x c_p,H20 ~ 3600

-3 3 1.436 l a m / s

Het luchtdebiet is niet konstant gedurende de fermentatie, dit bete-kent dat ook het warmteverlies door verdamping niet konstant is. Aan het eind van de fermentatietijd is het luchtdebiet het kleinst, nl.

3

0.43 m Is. Aannemende dat .er met droge lucht gewerkt wordt en dat de verdampingswarmte van water 2426 kj/kg ~s, blijkt de warmteafvoer

. ten gevolge van de verdamping van water

0.43 x 2426 x 0.03 = 31.3 kJ/s te zijn, indien de lucht die uit de ferment or komt verzadigd is aan waterdamp en lucht van 35 oe en JOO% relatieve vochtigheid 0.03 kg water per m3bevat.

Dit betekent dat er 119.14 - 31.3 = 87.85 kJ/s afgevoerd moet worden, overeenkomend met een koelwaterstroom van 2.1 10-3 m3 /sec.

Aan het begin van de fermentatie is het luchtdebiet 1.11 m3/s. Met dezelfde aannamen als hierboven volgt hieruit dat het warmteverlies door de verdamping van water 80.8 kJ/s is.

<-( ( ( ( ( (

o

o

o

23

De koeling is berekend voor het kleinste luchtdebiet, dus voor de grootste hoeveelheid af te voeren warmte. De koel ing vlOrdt 25% over -gedimensioneerd:

warmteafvoer koelwaterdebiet

].25 x 87.85

=

109.81 kW 2.62 10-3 m3/s

De koelspiraal is op dezelfde manier berekend als bij de entfermentor. De pijpdiameter is 0.06 m gesteld. Voor de berekening wordt verwezen naar het voorgaandehoofdstuk, volstaan wordt met het geven van de resultaten: <v> 1.85 mis al 1593 W/m2 K rt 2 6338 W/m 2 K J~e 1.4 105 ₂ Ui _{0.022 mis} U _f

=

139.8 Wim K s 10-3 2 f 0.5 m

K/w

1 1 . 1 864 m e

=

0.03 koe sp1.raa 1 0.05 lip e

=

5.4 bar X 0.63 E: 0.65 3

De fermentatie wordt gestart met 33 m beslag, de vloeistofhoogte is dan 1.68 m. Het warmtewisselend oppervlak is dan 1.68 x n x Df

2 . ermentor

26.39 m , de maksimale ~varmtestroom is 26.39 x 162,2 x 9.1 = 38.95 kW.

Dit is groot genoeg om de reaktiewarmte, gecorrigeerd voor verdampings-verliezen, nl. 119.1 -80.8

=

38.3 kW af te voeren.

Na de fermentatïe vindt een navergisting van 12 uur plaats, het lucht-debiet is dan 600 m3 luur ( 3 ).

Omdat de opwerking van het beslag kontinu wordt uitgevoerd, is het noodzakelijk om tussen de fermentor en de opwerking een wacht tank te

=

3

L ( ( ( ( (

c

o

o

o

24 Sterilisatie'van dehoofdfermeritor

Het bruto volume van ge fermentor is 150 m. 3 Er wordt gedurende 30

o

minuten gesteriliseerd bij een temperatuur van 120 C.met behulp van stoom van 190

°c

en een druk van 3 bar. (15)

Voor het vullen van de fermentor is nodig:

150 x 1.12 (dichtheid van stoom bij 120 °C) = 168 kg stoom. 0('

Voor het opwarmen van de fermentor tot 120

C

is nodig:

(j) stoom Pstaal = c p,staal Vstaal x P x C I x_p,staa : (120 - 20)

AH

_{con ensat1e,} d . _stoom, + (c _p,stoom x 70)

3 7600 kg/m = 0.'53' kj /kg c p,stoom o 2.28 kj/kg. C

AH

d ' =,2260 kj /kg con s, stoom 3

Vstaal " 0.55 m

1

diameter fermentor hoogte dikte wand ti 5 m 7 m = 0.005 m 91 kg stoom

De oppervlakte van de fermentor 1S 110 de sterilisatietijd is:

2

m. Het warmteverlies gedurende

Q Uxtxl10xAT

Q = 12.23 x 60 x 30 xlI 0 x 100 = 2.422

Om dit warmteverlies te kompenseren 1S

2.422 108 /2420 '10 3 100 kg stoom nodig.

In totaal is dus 359 kg stoom ( 190 oe, 3 bar) nodig voor het sterili-seren van de fermentor.

---_... .~. -~~. ~--..:.~-~

I .1

( (

c

{ ( ( (

c

o

o

o

4.4. De Opwerking. 25

Het beslag wordt kontinu opgewerkt. De eerste stap is de filtratie

van het beslag te.neinde het mycelium te verwijderen. Er wordt

-3 ' -4

4.7 10 kg/s nat mycelium, dit is 5.9 JO kg D.S./s, afgefiltreerd.

Het filtraat bevat 93.7 kg/m3 itaconzuur.

Het zuur wordt gewonnen door het indampen van de stroom en het laten uitkristalliseren van het zuur. Dit gebeurt volgens het onderstaand

schema: Beslag A dampwater Kristallisator K24 Zeefplaat Kristallisator 2 Zeefplaat 2 Z22 Proceswater Heroplostank Aktief-kool filter T29 Zeefplaat 3 Z31 ITACONZUUR

I ....

Na het indampen van het beslag in de eerste kristallisator wordt het zuur uitgekristalliseerd en op een zeefplaat van het eerste filtraat gescheiden. Het eerste filtraat wordt opnieuw ingedampt en een tweede oogst kristallen wordt naar de eerste kristallisator teruggevoerd, het tweede filtraat bevat zo weinig itaconzuur dat het niet verder opge-werkt worQt. De eerste oogst kristallen wordt opgelost, de gevormde

itaconzuuroplossing wordt ter zuivering door een aktief-kool filter geleid. Hernieuwde kristallisatie en scheiding van kristallen en derde filtraat levert het (vochtige) eindprodukt op. Het derde fil-traat wordt haar de eerste kristallisator teruggeleid.

,( ( ( { ( ( (

o

o

0

Om deze opwerking te kunnen berekenen z1Jn een aantal aannamen

gemaakt:

26

1.

2.

De dichtheid van een itaconzuuroplossing is te verge-lijken'met dè dichtheid van een citroenzuur oplossing. Het filtraat heeft een temperatuur van 20 oe en is ver-zadigd aan itaconzuur. De oplosbaarheid van itaconzuur 1S 0.0766 kg/kg opl. bij 20 oe.

3. De kristallen bevatten 10% vocht.

4. Er \vordt ingedampt bij een temperatuur van 70 o e. De

oplosbaarheid van itaconzuur bij 70 oe is 0.42063 kg/kg opl.

5. Het rendement van een zeefplaat is 90%. Dit betekent

dat 90 gew% van: de hoeveelheid itaconzuur in de in-gaande stroom kristalliseert, 10 gew% aan itaconzuur blijft in het filtraat achter.

Het beslag bevat 93.7 kg/m3 itaconzuur. Aangenomen dat de dichtheid 3

van deze stroom 1036 kg/m is komt dit overeen met 0.486 kg/s.

Gebruik makend van de hierboven genoemde aannamen levert een massabalans de grootte van de stromen op. Gevonden is:

stroom totaal itaconzuur c

-3 10-3 kg/s p 10 kg/s kj/kg 19 5.39 4.85 3,347 20 124.19 53.88 3.807 21 12.42 5.39 3.807 22 7.03 0.54 4. 121 23 (water) 43~.72 4.184 24 53.88 48.49 3.347 25 70.31 5.39 4. 121 26 115.29 48.49 3.807 27 (water) 57.89 4.184 30 48.17 43.35 3.347 31 67.12 5.14 4.121 PW4(water) 61 .41 4.181

In de eerste kristallisator (K24) moet dus 0.4347 kg/s water af ge-dampt worden. Dit gebeurt bij een temperatuur van 70 oe met stoom

o

van 190 e en een druk van 3 bar. Voor het opwarmen van de ingaande stromen is aan stoom nodig:

stroom _m c _p T. T 1n eind -3 10 kg/s kj/kg oe oe oe 18 486 4.1;84 35 70 31 67.12 4.184 20 70 19 5.39 3.347 20 70 oe

<.

( ( ( ( (

o

0

0

o

27 -3 -3

Het warmtetransport is dan (486 10 x 4.184 x 35) + (67.12 10 x 4.184 x

50) + (5.39 10-3 x 3.347 x 50)

=

86.1 kH. Deze warmte moet geleverd

wor-den door het afkoelen van stoom van 190 oe tot 100 oe en de kondensatie van stoom bij 100

oe.

Q Stoombehoefte

AR

+ ( c x AT ) -konds,stoom p,stoom

AH

-

2260 kj /kg Kondensatie,stoom -c

=

2.28 kj/kg oe p,stoom Q

=

86. I kW AT

=

90 oe Stoombehoefte 3.49 10 -3 kg/s . ':':3

Er moet 434.72 10 kg/s water afgedampt worden. Dit kost aan stoom:

lq;' x H d ' m ver amp~ng,water Stoombehoefte AH + ( c x AT ) konds,stoom p,stoom AH .

=

2330 kj/kg bij 70 oe verdamp~ng,water cfJ = 434.72 10-3 kg/s m Stoombehoefte

=

0.441 kg/s

Totaal is er dus 0.446,kg/s aan _stoom nodig. De hoeveelheid stoom die nodig is om 57.89 10-3 kg/s water te verdampen inde·tweede kristalli-sator (K28) is op dezelfde wijze berekend. Het opwarmen van stroom 25

-3

kost aan energie 70.31 10 x 4.184 x 50

=

14.71 kW, overeenkomend met 5.97 10-3 kg/s stoom. Het verdampen van 57.89 10-3 kg/s water kost

5.47 ]0-2 kg/s aan stoom. De,.,. totale stoombehoefte is dus 6.07 10-2 kg/s.

Het omkristalliseren van de itaconzuurkristallen gebeurt bij een tempe-ratuur van 70

oe.

De waterstroom PW4 is zo berekend dat er een verzadigde itaconzuur

stroom moet (stroom 24) nodig:

oplossing ontstaat nl. 0.42063 kg/kg oplossing. Deze

water-o 0

van 10 e tot 70 e opgewarmd worden, de kristalstroom

moet van 20 oe opgewarmd worden tot 70

oe.

Er is aan energie

Q

= (

(j}m

_,

24 x cfJ_m,24 = 53.88 61 .4] c _p, 24 x AT 1 -3 10 kg/s -3 10 kg/s ) +

(cp

m,PW4 x _{cp ,H20} x _{AT 2 )}

l ( ( ( ( (

c

I I

io

j

I

I

1

°

l

a

i

c p,24

=

3.347 kj/kg oe Q = 24.43 k\.J' , -3 0

Dit betekent dat er 9.91 10 kg/s aan stoom van 190 e nodig 1S.

Drogen van de kristallen.

28

De kristallen die van zeefplaat Z31 komen bevatten nog 10 gew. % aan vocht. Daarom worden de kristallen gedroogd in een roterende droogtrom-mel, waar droge lucht doorheengeblazen

wordJ~)De

verblijf tijd van het vochtige eindprodukt (48.17 10-3 kg/s, p

=

1632 kg/m3) bedraagt 1 uur.

3

Het volume van de te drogen kristallen is 0.11 m . We nemen verder aan dat de luchtholdup 90% is en de inhoud van de droogtrommel 3 maal het volume van het te drogen produkt is. De trommelinhoud is dan 3.3 m3•

-3 -4

Er moet 10% van 48.17

la

kg/s, dit is 48.17

la

kg/s aan water ver-dampt worden. Aangenomen is dat de lucht, die voor het drogen gebruikt wordt, een temperatuur van 25 oe heeft en 22.9 10 -3 kg/m3 (70% relatie-ve vochtigheid) aan "tV'aterdamp bevat. De lucht die de droogtrommel verlaàt 1S voor 50% verzadigd aan waterdamp en·bevat dus 48.5 10-3kg / m3 water bij 50 oe. Er wordt bij 50 oe gedroogd. De lucht die door de droger

, ' · -4

geblazen wordt moet 48.17

la

kg/s aan waterdamp opnemen, de

lucht--4 -3 -3 3

stroom moet 48.17

la

/

(48.5 10 - 22.9

la )

= 0.188 m /s zijn. Deze lucht moet opgewarmd worden, de warrntebehoefte is:

a) Voor het opwarmen van de itaconzuurkristallen 43.35 10-3 x 3.347 x (50-20)

=

4.35 kW

b) Voor het opwarmen van het kristalwater tot 50 oe en het verdampen van het kristalwater bij 50 oe

48.17 10-4 x

4~184

x (50-20) + 48.17 10-4 x2330 11.82 kW

Totaal is dit 16.17 kH. Gegeven is dat de temperatuur van de uitgaande lucht 50 oe iso De temperatuur van de ingaande lucht wordt dan gegeven door: Q _w = cp _lucht x p _lucht x c _{p, uc} 1 ht x ( T. _1n - 50 ) p _{lucht -}- 1.23 kg/m3 c p,lucht

o

.

7I I 3 kj /kg 0 e Q _w = 16 •_. . 17 kW

( ( {

c

( . ( G

o

IC

29

Hieruit volgt dat de temperatuur van de ingaande lucht 148.3 oe moet z1Jn. De lucht wordt opgewarmd met stoom van 190 oe en een druk van

3 bar 1n een warmtewisselaar. Als de stoom bij 100 oe kondenseer'_t

~

geldt voor de stoombehoefte:

<P xP xc xln

St oom e oe b h ft e

= ______

lucht lucht

-'-__________ _

p,lucht

~H + (90 x c ) konds,stoom p,stoom ~T

=

148.3 -25

=

123.3 oe l'lH .

=

2260 kj/kg kondensat1e, stoom c

=

2.28 kj/kg oe p,stoom Stoombehoefte

=

8.22 10-3 kg/s

De laatste stap in de opwerking van het eindprodukt 1S het vermalen en verpakken van de gedroogde itaconzuurkristallen.

")

o

o

() ' Î

_""

MELASSE

P13 F16

.4

V 1 OPSLAGTANK MELASSE VlO WACHTTANK V19

P 2 POMP PIl POMP P20

C 3 CENTRIf"UGE F12 FERMENTOR F 21 S 4 STERILISATOR P13 POMP zn T 5 IONENWISSELAARKOLOM P14 POMP J 23 I 6 STOOMINJEKTEUR P15 POMP K 24 V 7 WACHTTANK F16 VOORENTFERMENTOR Z25 P B POMP F17 ENTf"ERMENTOR J 26 H 9 WARMTEWISSELAAR P18 POMP ,... ""' ,'-" Afvalwater Ol WACHTTANK V21 HEROPLOSTANK POMP K28 KRISTALLISATOR 2

MYCELIUMFILTER T 29 AKTIEF-KOOL FILTER ZEEFPLAAT P 30 POMP

TRANSPORTLADDER Z 31 ZEEFPLAAT

KRISTALLISATOR I J 32 TRANSPORTLADDER ZEEFPLAAT D 33 KRISTALDROGER TRANSPORTLADDER M34. MOLEN ,-., t"'" ITACONZUUR

L.

ITACONZUUR FERMENTATIE Piet van Egmond

Aug Jaap van DUljn 1981

V

Proó.JctlOn

0

T .. mp In ·C

o

Stroomnr

0

Ef Druk.n Bar

I

( ' .I:"-\.J1 "'d ti o n (1) C/l C/l n ::r (1)

s

Pl W 0

( ( { ( ( (

o

Cl

o

o

5. Afvalstoffen

We hebben de volgende ,afvalstromen:

1. Zwevend vuil uit de centrifuge. Er z1Jn geen gegevens bekend over de aard en de hoeveelheid van dit vuil • .

31

2. Na regeneratie van de kationenwisselaar blijft er een sterk zure vloeistof met een hoog gehalte aan kationen over. Het zuur kan

geneu-traliseerd worden en de overblijvende kationen (0.1 mol/sec) kunnen verdund worden met de koelwaterstromen van de ent- en hoofdfermentoren. 3. Het afgefiltreerde mycelium-kan als veevoer gebruikt worden (16).

Wel moet nagegaan worden in hoeverre verontreiniging met Zn

ZFe(CN)6 schadelijk is voor het gebruik als veevoer.

4. Het afvalwater uit de tweede kristallisator (stroom 22) bevat een hoog koolstofgehalte (aan itaconzuur alleen al 8 gew. %) en kan, indien aanwezig, met anaerobe zuivering grotendeels gezuiverd worden. Indien dit niet mogelijk is, is lozing op het riool de oplossing omdat alle stoffen biologisch afbreekbaar zijn. Wel dient hiervoor natuurlijk een zuiveringsheffing betaald te worden.

5. Indampstromen (stroom 23 en 27) bevatten zuiver water en kunnen na kondensatie weer in het proces gebruikt worden.

( ( ( ( ( (

c'

o

o

6. Massa- en warmtebalans . h 0

oe.

De warmte ~s gegeven ten opz~c te van

Er zijn vier balansen uitgerekend: - melassebehandeling

- entfermentatie - hoofdfermentatie

opwerking.

- - ----.-

_

... - ... __ ... ..

-33

IN

Voor-waarts

Massa -en

Retour

UIT

Warmteba

l

ans

(

M

Q

M

,

M

M

Q

Q

MELASSE OPHERKING

Q

( we melasse Ru 0.125 3.03 1

-( 0.100 4.184 pwl C3 Stof

-

-

--Ve rd. water 0.225 7.217 ., (

0----,

( T5 I I I

Q---.

I (

v

erd. water V7 0.1844 7.715 _.\ 0.4094 14.93 , ; (

~

0)--- ---,

Cl

o

..

, '. ()

o

- _{.. .} 0.0183 0.4277 0.4094

-0---,

_Steriele 14.93 _melasse

-

8

-

0.4277 , H9

-p.4093

-8----149.31 ~toom STl 52.51

-67.45

....

Mássa in kg/s

Warmte in

kW

·7 0.4277

-

--_.-200.94 16

r

-Totaal

•

0.l~277

Fa bri eks vooront werp

No:

-~ '-'--- --- -, 34 67.50

I

I

! _I i

:

!

:

, i 67.50

I

I , ') _':)

A pparaa t sTroom

f

Componenten

Melasse Verdunningswater Verdunnings\va ter Stoomin;ektie

Totaal:

--A_pp_araatstroom

, Componenten

Melasse Verdunningswater Verdunningswater Stoomin;ektie

Totaal:

M

in kg/s

Q

in

kW

C) ,,..., _--' 1

M

Q

0.125 3.033 0-;-125 3.033 8

M

0.

0.125 13.04 0.100 17.99 0.1844 33.18 0.0183 3.29 0.4277 67.50 ,..., r"\ , r ' . r ' .. 2 t/m 4 5

M

Q

_M

_Cl

_M

0.125 3.B33 0.125 3.033 0.125 0.100 4.184 0.100 4.184 0.100 0.1844 7.715 0.1844 0.225 7.217 0.4094 14.932 0.4094

M

Q

M

Q

M

Stroom /Componenten staat

A ,-.. 6

0-

M

30.33 0.125 41.84 0.100 77.15 0.1844 0.0183 149.32 0.4277

Q

M

r , 7

Q

38.83 53.55 98.76 9.801 , 200.94

Q

I 1 I I I

I

I

I

r '~ t""'

>

(/'l gJ t:d

~

t j t>j t""'

!2l

o w (JI

L

c

c

(

c

( ( (

o

o

o

Massa- en Warmtebalans voor de entfermentatie.

Stroom l.n Nummer Massa (kg) \-larmte (kj)

Steriele melasse 12 8213 1.058 106 Verdunningswater PW3 25000 1.046 106 Stoom (opwarmen)

-

1061 3.059 106 Stoom (sterilisatie) ST5 171 0.499 106 Koelwater KWI 97468 8.155 106 Lucht Ll 15350

-Reaktiewarmte

-

-

4.042 106 147263 17.86. 10 6

Stroom uit Nummer Hassa (kg) Warmte (kj)

Entvloeistof 1 1 32917 4.677 106 Stoomkondensaat

-

·1061 0.444 106 Stoomkondensaat ST5 171 0.072 106 Koelwater KWI 97468 12.23 106 Lucht LI 15350

-CO 2

-

296

-Warmteverlies1)

-

-

0.133 106 Warmteverlies2)

-

-

0.145 106 147263 17.70 106

De massa en warmte is gegeven per entfermentatie.

I) Di.t is het warmteverlies tijdens de sterilisatie van de entfer-mentor, nl. de warmte die nodig is om de wand van de fermentor op te warmen.

2) Warmteverlies tijdens de sterilisatie ten gevolge van de warmte-afgifte aan de buitenlucht.

-._. - -"

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

.-~ ... "-.::; ---~.: ---"

( ( ( ( ( ( ( ()

o

o

37

Massa- en \-1armtebalans voor de fermentatie.

Stroom in

.

Nununer Massa (kg) Warmte (kj)

Steriele melasse 9 73920 9.52 106 Entvloeistof 11 32915 4.67 106 Stoom (sterilisatie)

-

359 1.035 106 Koelwater KW2 620352 51.91 106 Lucht L2 418446

-Reaktiewarmte

-

-

51.47 106 1.146106 118.6 106

Stroom uit Nununer Massa (kg) Warmte (kj)

Beslag 10 94155 ~EL51 106 Stoomkondensaat

-

359 0.15 106 Koelwater KW2 620352 77.86 106 Lucht L2 '418446

-. 1 ) 0.42 106 Warmteverlies

-

-Warmteverlies 2)

-

-

0.22 106 Verdampingsverlies

-

10000 26.98 106 CO₂

-

2728

-1.146 106 119. 1 106

De massa en warmte is gegeven per fermentatie.

1)':Dit is warmte~erlies tijdens de sterilisatie van de fermentor, nl. de warmte die afgegeven wordt aan.de omgeving.

2) Warmteverlies tijdens de sterilisatie ten gevolge van het opwarmen van de wand van de fermentor.

{ 38

IN

_waarts

Voor-

Massa-en'

Retour

UIT

I

Warmtebafans

(

M

.

M

tv1

Q

PRODUKTOPHERKING

_M

Q

Q

~g

I

Q

0.4906 70.56 15

----*

,

r

( Mycelium

..

_{17 0.0047} 0.69 : \ ( I F21 , 0.486 18 ---~r 69,87 _~fdampwater ( Stoom 23 0.4347 11.40. 16 0.446 1286. 1 sr2 . p

-0.446 186.6 ( K24 0.1242

----*

20 33.25

r

,- , _> ~ ( ~ ~ Afkoe-

.

*"-

"

-

- -

23.77 ling

-0.0703 25

-5.8 ( Z25 0.05388

-

"'---*r

3.7 24 • Stoom ST3 0.00991 28.58

I

..

-

0.00991 4. 15 Water PW4 0.0614 2.57

o

V27

l

~ -0.1153

---"1

26

-30.93

r

'

o

0.04817

-0-

...

..-- L-~-

-(0-

0.06712 3.31 5.53

o

~--- --Afkoe- -ling 22.09 Z31

•

(2}

_G

.

G)

_.

-

' , : ,

---.. ----... ( ( 0.0607 ( ( . -( 0.0082 ( 0.2312

c

( ()

o

1.308

o

0

8

₈

(8

39

r

, Afdamp-water

.

0.0703

-r~~

27 5.8 25

r

0.0579 · Stoom 175.034 ST4

o

01242 ₂₁

_.

3.32 0.048;0 3.31 30 -I/. Stoom 23.70

-}.ucht

-4. 11 ]590.7

...

Massa in kg/s

Warmte

In

kW

-

K28

.

-

_0.0607 ----~

r

r

,

_ .. *

,,

-

0.0054 19 0.37 a... 22 Afval 0.00703 Z22

--

--

-Afkoeling r Stoom

-

...

_0.0082 Lucht r _D33

-

_0.23]2

-

-

_0.00482

r==

Kristalvocht .,

I;

.- ...

--

_{30 0.04335} ~

.

~

.

ITACONZUUR ,

Totaal

~ _J.308

Fabri eks voorontwerp

No:

.'" . 151.84 25.39 0.58 2.354 3.44 8.22

I

11.24

I

7.26 I I 1 ~I

j

I I )587.8

~

o

ApparaatsTroom

, Componenten

itaconzuur water mycelium

Totaal:

...

Apparaatstroom

, Componenten

itaconzuur water

Totaal:

·

M in

kg/s

U

in

kW

o

15

M

0.0439. 0.442 0.0047 0.4906 21

M

0.00539 0.00703 0.01242 ,-.., ~ 5. 14 Q 64.73 0.69 70.56 Q 1.263 2.06 3.32 ,-.., ""'I ,...,

_'"

'-, 17 18

M

U

M

Q

_M

0.0439 5.14 0.00485 0.442 64.73 0.00054 0.0047 0.69 0.0047 0.69 0.486 69.87 0.0054 22 23

M

Q

_M

Q

M

0.00054 0.036 0.0485 0.00649 0.543 0.4347 1140.16 0.00539 , 0.00703 0.58 0.4347 1140.16 0.05388

Stroom /Componenten staat

~ ,-.., 19

Q

M

0.325 0.0539 0.045 0.0703 0.37 0.1242 24 Q

_M

3.25 0.0054 0.451 0.0649 3.70 0.0703 ,-.. 20 Q 12.63 20.59 33.25 25

Q

0.36 5.432 5.79

I

I

I , , ,... o '1:l ~

~

H Z Ç) .t-o

'~ ,... 'J

A pparaa tstroom

f

Componenten

itaconzuur WIlt"pr 'l; " I

I

' ",

Totaal:

...

Apparaatstroom

':

, Componenten

itaconzuur I J ,' water ':.,.'

Totaal:

'

.fr

'.

'.

:,;

,

'

M

in

kg/s

" Q

in

kW

o

':) 26

M

Q 0.0485 11.364 0.0668 19.564

o

~ 1153 30.93 - - - -._ -31

M

Q 0.00514 0.344 0.06198 5.186 0.06712 5.53 () t""I

""'

,... 27 28

M

D-

M

Cl.

M

0.0485 11.364 0.0485 0.0579 '-151.84 0.0668 19.564 0.0668 0:0579 151.84 O. 1153 30.93 0.1153 - - - _.- I 32

M

Q

_M

_Q

_M

0.04335 7.26 0.04335 7.26

Stroom /Componenten staat

,... ,... 29

D-

M

11.364 _0.04335 19.564 0.00482 30.93 0.04817

Q

_M

,...,

30

Q

2.902 0.403 I , 3.31

Q

I

,...,

o

~

~

I~

_o ~

42 ( 7. Apparatenlijsten ( ( ( ( (

o

o

o

o