De produktie van penicilline-G-Sulfoxide uit penicilline-G en waterstofperoxide

o

ü

o

ü adres:

o

o

o

, IA '. (I (" ~_ I f_

F. V.O.Nr.:

2956 I J \,,' '. I~ '_ , ( I

Vakgroep

Chemische Procestechnologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp van

A.W. van Drongelen

· ~;.. çiE: ç.J; a.uYl . . . . . .

onderwerp:

· DE. 1?RODUKTrE. YAN. r'ENJCILLI.NE-:G;-SU.LFQX.IDE UlT.

· P.ENlC.ILLlNE-.G. EN. WATt:ES:rOF.Pt:EOXW.E . . . _ . Tilanusstraat 32 opdrachtdatum: 13-12-1991 2672 BL Naaldwijk 01740-31427 (intern 2681) verslagdatum: 18-01-1993 Aubachstraat 52 1946 XL Beverwijk .J,}~51 0-451 06

T

U

D

e

I

ft

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

Technische Universiteit Delft

,

I \ ( ' ; ,. _,f"Î

J FVO 2956 v ---0

DE PRODUKTIE VAN

PENICILUNE .. G.SULFOXIDE

UIT

PENIClLLlNE .. G

EN WATERSTOFPEROXIDE

A.W. van Drongelen

Tilanusstraat 32 2672 BL NAALDWIJK M. de Grauw Aubachstraat 52 1946 XL BEVERWIJK TU Delft 11-1991/01-1993

'-' FVO 2956 1 INHOUDSOPGA VE Pagina 1. Samenvatting 3 2. Conclusies en aanbevelingen 4 2.1 Conclusies 4 ,-,' 2.2 Aanbevelingen 4 3. Inleiding 5

4. Uitgangspunten voor het ontwerp 8

4.1 Exogene gegevens 8

' - ) 4.2 Endogene gegevens 9

4.2.1 Fysische constanten 9

4.2.2 Corrosie aspecten 11

4.2.3 Giftigheid, veiligheid en milieu 11 5. Beschrijving van het proces 12 ' _ /

5.1 Het ontworpen proces 12

5.1.1 Proces beschrijving 12

5.1.2 Procesbeheersing 14

5.2 Het Gist-Brocades proces 15

6. Keuze en berekening van de apparatuur 16

6.1 Opslag 16 6.1.1 Waterstofperoxide 16 6.1.2 Overige 17 '-, _{6.2 De reactor 18} 6.2.1 Volume 18 6.2.2 Viscositeit 19 6.2.3 Toerental 20 6.2.4 Menging 22 6.2.5 Warmte 22 6.3 De warmtewisselaar 27 6.3.1 Afmetingen 27 6.3.2 Warmteoverdracht in de buizen 29 6.3.3 Warmteoverdracht in de shell 30 6.3.4 De totale warmteoverdracht 31 6.3.5 Drukval 31 6.3.6 Eindresultaat 32 -' _{6.4 De kristallisator 33} 6.4.1 Volume 33 6.4.2 Toerental 34 6.4.3 Menging 34 0 6.4.4 Zuurtoevoer en pH-regeling 35 6.4.5 Warmte 35 6.5 De voordroger 36 ,--' AWvD &MdG

'-~ y ' '-' FVO 2956 6.6 De droger 6.7 De menger 6.8 Rendement 7. Economische analyse 7.1 Kosten 7.2 Rentabiliteitsberekeningen 7.2.1 Pay-out time 7.2.2 Return on investment 7.2.3 Internal rate of return 7.3 Resultaten 8. Specificatiebladen en stofbalansen 8.1 Specificatiebladen 8.2 Stotbalansen 9. Symbolenlijst 9.1 Standaard 9.2 Grieks 10. Literatuurlijst Ilo Dankwoord Bijlage 1: Processchema Bijlage 2: Berekening V r Bijlage 3: Berekening TIr Bijlage 4: Berekening Nr,susp Bijlage 5: Berekening v stijg

Bijlage 6: Berekening d_3.2 en N r,disp Bijlage 7: Berekening Ik r en tm r _{, ,}

Bijlage 8: Warmtebronnen in de reactor en luchtkoeling Bijlage 9: Berekening NU m en NUr

Bijlage 10: Berekening temperatuurverloop in de reactor Bijlage 11: Berekening warmtewisselaar

Bijlage 12: Berekening V k Bijlage 13: Berekening Nk en TIk Bijlage 14: Berekening Ik _, k en tm _, k

Bijlage 15: Warmtebronnen in de kristallisator Bijlage 16: Kostenberekening voordroger Bijlage 17: Berekening energieverbruik droger Bijlage 18: Economische evaluatie

Bijlage 19: Gebruikt patent van NOVO NORDISK Bijlage 20: Deeltjesgrootte verdeling katalysatorbolletjes Bijlage 21: 7-ADCA en enkele cefalosporines

37 37 38 39 39 40 40 41 41 41 43 43 46 48 48 51 53 56

Er is een extra kopie van het processchema bijgevoegd in de driehoek achterin.

AWvD& MdG

'-'

'J

FVO 2956 3

1.SAMENVATfING

In dit ontwerp is de batchgewijze produktie van G (pen-G) uit penicilline-G-sulfoxide (pen-SO) m.b.v. geïmmobiliseerd lipase, waterstofperoxide en oktaanzuur ontworpen als vervanging voor het huidige proces bij Gist-Brocades. Het processche-ma is weergegeven in bijlage 1. De ontworpen installatie heeft een capaciteit van 400 ton/jaar en een capaciteit per batch van 326 kg.

De installatie wordt volcontinu bedreven en de tijd per cyclus is 6.5 uur. Er worden per jaar 1230 cycli gedraaid. Het overallrendement van de installatie is 99% en de selectiviteit is 100%.

Bij een economische levensduur van 12 jaar, een katalysatorprijs van Fl 2000,-/kg en een de activering van de katalysator per batch van 10% is de kostprijs van pen-SO Fl 33,-/kg. Met de door Gist-Brocades gegeven verkoopprijs, FI 40,-/kg pen-SO, zijn de waarden voor POT, ROl en IRR respectievelijk 1.4 jaar, 26% en 29%.

FVO 2956 4

2. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 2.1 Conclusies

- Zelfs bij de lage katalysatorprijs van Fl 500,-jkg is het proces met eenmalig

gebruik van de katalysator niet rendabel als vervanging van het huidige proces van Gist-Brocades.

- De kostprijs van het pen-Sa wordt voor een groot deel bepaald door de katalysa-tor. Door het ontbreken van gegevens over de levensduur en kostprijs van de katalysator, is het onmogelijk een duidelijke uitspraak over de kostprijs van het pen-SO te doen.

- Het dispergeren van het oktaanzuur geeft veel tijdverlies vanwege de moeilijke scheiding ervan.

- Indien de katalysator slechts één batch meegaat, geeft dit aanleiding tot een aanzienlijke afvalstroom (ongeveer 25 ton).

2.2 Aanbevelingen

- Het is aan te bevelen om de kinetiek en deactivering van de katalysator te onder-zoeken, zodat de economische haalbaarheid van dit proces beter kan worden ge-schat.

- Het is aan te bevelen te onderzoeken of de reactie met kleinere hoeveelheden oktaanzuur en waterstofperoxide goed verloopt. Het waterstofperoxide is in de huidige situatie in grote overmaat aanwezig. Voor een katalytisch substraat is de hoeveelheid oktaanzuur groot.

'-..-'

FVO 2956 5

3. INLEIDING

In de vakgroep Organische Chemie & Katalyse wordt momenteel o.l.v. Prof. R.A. Sheldon onderzoek verricht naar de omzetting van penicilline-G (pen-G) naar

penicilline-G-sulfoxide (pen-SO) m.b.V. een experimenteel geïmmobiliseerd lip ase van

~ovo Nordisk. De lipase is geïmmobiliseerd in bolletjes acrylhars.

De oxidatie van penicilline is een toepassing voor het enzym uit het patent [1]. Bij de uitvoering is het oplosmiddel tolueen vervangen door water en het decaanzuur is vervangen door oktaanzuur. Het penicilline-Vis vervangen door pen-G.

In het proces wordt oktaanzuur omgezet tot peroktaanzuur in de katalysatorbolletjes met H₂02 als precursor. Het peroktaanzuur wordt gebruikt om de pen-G te oxideren tot pen-Sa in de waterfase (figuur 1).

" "

-=

\\>

-

'~,,~cmJH - - - ' o 11 s -~

"

<

- :,1- ' /

Figuur 1: De reaktie voor de enzymatische omzetting van pen-Go

De snelheidsbepalende stap bij deze omzetting is de oxidatie van het oktaanzuur naar het peroktaanzuur m.b.V. waterstofperoxide.

,-,'

FVO 2956

In dit F.V.O. wordt de industriële toepasbaarheid van het bovenstaande proces als vervanging van de eerste stap in het proces van Gist-Brocades voor de produktie van 7-ADCA onderzocht (figuur 2).

-= '. \_ CH"COilH \ ~// , / - ----, f< ; t i .... · '--- r'l- ,

oY

',--

COOK o 11 s ----,~, ,...-// L;iJ~ + eH 7COljH .-;;' ' j ' , (001<

Figuur 2: De reaktie van pen-G met perazijnzuur,

De voordelen van het enzymatische proces zijn:

- Er hoeft niet gewerkt te worden bij lage temperaturen.

6

- Er wordt als bijprodukt water gemaakt i.p.v. azijnzuur. Het gebruikte oktaanzuur is af te scheiden en te hergebruiken. Dit zal een geringere milieubelasting tot gevolg hebben.

Het proces met de lipase is ontworpen voor eenmalig gebruik van de katalysator. De fabrikant NOVO NORDISK heeft verklaard, dat de katalysator in aanwezigheid van hoge concentraties waterstofperoxide in onbekende mate activiteit verliest.

In een later stadium zal worden bekeken, in welke mate de activiteit maximaal mag afnemen om nog rendabel te kunnen produceren bij verschillende prijzen van de katalysator.

Aangezien er (nog) geen gegevens over de kinetiek van de reactie zijn, is er vanuit gegaan dat, zoals in het patent is aangegeven, de reactie in vijf uur volledig en 100% selectief verloopt.

Het gevormde pen-SO kan in enkele stappen worden omgezet in 7-ADCA, dat omgezet kan worden in verschillende cefalosporines [2]. De reactie van pen-SO naar 7-ADCA en de structuurformules van een aantal cefalosporines zijn gegeven in bijlage 21.

fVO 2956 7

Cefalosporines zijn, evenals penicilline, antibiotica [3,4]. De werkwijze van beide typen antibiotica is de aantasting van de peptidoglycan-synthese. Allergische reacties treden bij cefalosporines minder vaak op dan bij penicillines. Cefalosporines bieden uitkomst bij resistentie tegen penicilline en worden vrijwel uitsluitend in ziekenhuizen gebruikt.

Gist-Brocades bezit een marktaandeel van ongeveer 25% van de wereldmarkt voor penicilline en ruim 50% van de wereldmarkt voor 7-ADCA.

__ J

FVO 2956

4. CITGAl"lGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP

In dit ontwerp is gebruik gemaakt van de Engelse schrijfwijze van getallen met een "decimal point".

4.1 Exogene gegevens

De capaciteit van de pen-SO-fabriek van Gist-Brocades is ongeveer 400 ton/jaar. Er is naar gestreefd om deze produktie bij de te ontwerpen installatie te benaderen. Er is hierbij uitgegaan van een totale produktietijd van 8000 uur/jaar.

8

Het te verwerken pen-G, het oktaanzuur en de SOWO/O waterstofperoxide-oplossing zijn ZUIver.

Er zijn enkele afvalstromen aanwezig in het ontworpen proces:

- De waterige oplossing uit de voordroger, waarin een spoortje oktaanzuur en een beetje pen-SO aanwezig zal zijn, welke 6150 m3 per jaar bedraagt.

- De katalysator, welke deactiveert in de loop van de tijd. Gezien de onbekende deactiveringssnelheid, kan de jaarlijkse hoeveelheid niet gegeven worden.

- Het oktaanzuur uit de reactor, dat slechts een beperkt aantal batches meegaat. Er is aangenomen, dat het oktaanzuur gelijk met de katalysator vervangen wordt. Het is mogelijk om de katalysator te verbranden. De andere twee afvalstromen kunnen verwerkt worden in de afvalwaterzuiveringsinstallatie, welke aanwezig is op het terrein van Gist-Brocades in Delft.

Er zijn enkele aanvullende voorzieningen [5] noodzakelijk:

- 20% CaCl₂-brijn op een temperatuur van 0 °C en een druk van 3 kPa t.b.v. de koeling van de reactor en de warmtewisselaar.

- Water op een temperatuur van 0 °C t.b.V. de banddroger.

FVO 29.56 ~.2 E;Jdogene segevens ~.2.1 Fysische constanten oktaanzuur. 20°C p = 910 kg/m3 [6] 17

=

S.828*10-3Pa.s [6] a

=

7.0*1O-3pa/m [7] Oplosbaarheid in water is 0.07 w%, 15°C (6] 9

Reactiewarmte van de vorming van peroktaanzuur is 6.4 kj/mol [8]. Dit is geschat uit de oxidatie van azijnzuur met waterstofperoxide.

peroktaanzuur

De eigenschappen van peroktaanzuur zijn gelijk gekozen aan die van oktaanzuur.

waterstofperoxide 50 w% (60 w /v%), 20°C [9] p

=

1196 kg/m3 17

=

1.17*1O-3Pa.s Cp = 3.32 kj /kgOC waterstofperoxide 100%, 20°C [10] p = 1450 kg/rn3 77

=

1.3*10-3 Pa.s Cp

=

1.47 kj /kgOC penicilline/water-mengsel, 20°C p

=

1100 kg/rn3 [11]

77

=

1.55*10-3 Pa.s, geschat via sucrose-oplossing [13] Cp = 3.77 kj /kg°C, geschat via sucrose-oplossing [12]

À

=

0.59 W /m°C, gelijk genomen aan water

FVO 2956 penicilline-G M

=

372.4 (kaliumzout) [14] Oplosbaarheid > 20g/1

=

5.6* 10-2 mol/l [15] Stabiel tussen pH 5.5 en 8 [11] T max = 40°C [11] Oploswarmte

=

9 kj jmol [14] penicilline-G-sulfoxide

M

=

388.4 (kaliumzout) en 386 als vrij zuur inclusief 2 kristalwater [14] Oplosbaarheid

=

300 mg/l [11]

Stabiel indien pH < 8 [11]

T max

=

40°C [11]

Pstort

=

400 kgjm3 [11]

Afmetingen kristallen: cilinders met afmetingen 100

*

20 J.Lm (l

*

d) [11]

water, 20°C [16]

P

=

1.0*103 kg/m3

TJ

=

1.0* 10-3 Pa.s

Cp = 4.185 * 103 J jktC

À

=

0.59 W jmOC)

brijn (20% CaCI), O°C [17]

p

=

1190 kgjm3 TJ

=

3.14*10-3 Pa.s Cp = 3.084*103 llktC À

=

545*10-3 W ImoC lipase p

=

1200 kgjm3 [18] koolstofstaal À

=

100 W jmOC [19] glas À

=

1.1 W ImoC [20] AWvD &MdG 10

v

FVO 2956

4.2.2 Corrosie-aspecten

De gebruikte waterstofperoxide-oplossing is corrosief [9]. Bij de behandeling van de opslag in hfdst. 6.1.1 zijn enkele mogelijke constructiematerialen voor de opslag gegeven.

De reactor, waarin zich verdund waterstofperoxide bevindt, is voorzien van een glaslining. Deze lining is bestand tegen waterstofperoxide [9].

11

De brijn voor de koeling, die wordt gebruikt in de mantel van de reactor en in de warmtewisselaar is eveneens corrosief. In [21] wordt vermeld, dat de levensduur van het koelsysteem minimaal 20 jaar is bij gebruik van de brijn. Dit is langer dan de economische levensduur, waarmee in hfdst. 7 is gerekend.

In de kristallisator heerst een zuur milieu, waardoor het noodzakelijk is r.v.s. te gebruiken.

4.2.3 Giftigheid, veiligheid en milieu Waterstofperoxide [9]

Waterstofperoxide is een sterk oxidatiemiddel en is daarom gevaarlijk. Oplossingen van meer dan 20 w% kunnen brandwonden op de huid veroorzaken. Oplossingen van

meer dan 6 w% kunnen ernstige en permanente beschadigingen aan het hoornvlies

veroorzaken. Inwendig kan waterstofperoxide brandwonden en zelfs bloedingen van de slokdarm en de maag veroorzaken. Door een snelle ontleding van waterstofperoxi-de in water en zuurstof, kan waterstofperoxi-de maag opzwellen en kunnen bloedingen ontstaan. De MAC-waarde voor waterstofperoxide is 1 ppm (1.4 mgjm3).

Het grote nadeel bij de toepassing van waterstofperoxide is de bovengenoemde ontleding. Deze ontleding wordt sterk versneld door vervuilingen, leidend tot ver-hoogde temperaturen. Temperatuurstijging verhoogt de ontledingssnelheid. Hierdoor kan een gevaarlijke situatie ontstaan.

De bij de ontleding vrijkomende zuurstof zal de kans op explosies vergroten. Oktaanzuur [22]

Oktaanzuur is brandbaar en reageert met sterke oxidatiemiddelen. Het veroorzaakt keelpijn na inademing of inslikken. Het veroorzaakt roodheid en pijn in contact met ogen of huid. Een MAC-waarde is niet gegeven.

In de reactor is het oktaanzuur sterk verdund, waardoor de gevaren klein zijn. Lipase [22a]

Het lipase is bij normaal gebruik niet ontvlambaar en niet stofafgevend.

'-"

FVO 2956 12

5. BESCHRIJVING VAN HET PROCES

5.1 Het ontworpen proces

5.1.1 Procesbeschrijving

In dit hoofdstuk wordt het proces beschreven aan de hand van het processchema uit bijlage 1 en de bijgevoegde kopie hiervan in de driehoek achterin.

De opslag (Vl)

Het waterstofperoxide wordt opgeslagen in een r.v.s. tank met een inhoud van 12 m3. Het r.v.S. is gepassiveerd (geoxideerd met fosforzuur, zodat een beschermende oxide-laag ontstaat) en de tank is voorzien van de benodigde veiligheidsvoorzieningen.

De reactor (R3)

De reactor heeft een volume van 3m3. De volgende hoeveelheden worden aan het begin samengevoegd in de reactor:

2063 1. water. 100 1. oktaanzuur.

20.6 kg lip ase (katalysator).

41.3 1. H₂₀₂ (50 w%), dit is de eerste van de vier toevoegingen van waterstofpe-roxide tijdens de reactie.

Dit mengsel wordt geroerd met behulp van een propellerroerder. Het roeren dient om de katalysatorbolletjes te suspenderen en het oktaanzuur te dispergeren. Gedu-rende de eerste twee uur wordt peroktaanzuur gevormd door de reactie van oktaan-zuur met waterstofperoxide. Na twee, drie en vier uur worden gelijke hoeveelheden pen-G (105.8 kg

=

284.2 mol) en waterstofperoxide (41.3 1,722 mol) toegevoegd. De temperatuur wordt op 20°C gehouden gedurende de reactie.

N a vijf uur is het pen-G volledig omgezet in pen-SO [1]. Het roeren wordt stopgezet om een goede scheiding tussen water en oktaanzuur te verkrijgen. Voor deze schei-ding is een half uur uitgetrokken. Het oktaanzuur wordt afgescheiden en eventueel hergebruikt. Er wordt na afloop geanalyseerd op de aanwezigheid van waterstof-peroxide. Eventueel aanwezig waterstofperoxide wordt geneutraliseerd. Het overbren-gen van het reactiemengsel naar de kristallisator duurt een half uur. Voor het klaar maken van de reactor voor een volgende batch is een half uur uitgetrokken.

- '

FVO 2956 13

De warmtewisselaar (H7)

De pen-Sa oplossing uit (2) wordt in een half uur via deze warmtewisselaar naar de kristallisator gepompt. In de warmtewisselaar wordt de temperatuur van de oplossing van 20 naar 9°C verlaagd voor optimale kristallisatie. De katalysatorbolletjes worden niet naar de kristallisator gepompt. Deze worden bij het verlaten van de reactor afgescheiden met behulp van een zeef en zijn geschikt voor hergebruik.

De kristallisator (M8)

De kristallisator, met een volume van 3 m3, is uitgerust met een turbineroerder (0.61 çl). De kristallisator is vooraf voorzien van 300 I water met een pH van 3.5 [11]. De pH wordt gedurende het vullen op 3.5 gehouden. Hierna wordt de pH verlaagt naar 2.0 en constant gehouden [11]. Het gebruikte zuur is zwavelzuur. Het pen-Sa is na deze stappen volledig uitgekristalliseerd, maar er blijft een kleine hoeveelheid pen-Sa in oplossing.

De voordroger (M12)

Als voordroger wordt een banddroger gebruikt. Hierin wordt het water van de kristallen afgescheiden en worden de kristallen gewassen met water van 0

oe

[14]. Het restvochtgehalte is 20 w% [11].

De droger (M16)

am het restvochtgehalte van 20 w% naar 1 w% terug te brengen wordt gebruik gemaakt van een vibro gefluïdiseerd bed.

De menger (MI8)

De batches worden verzameld in een conische schroefmenger met een volume van 1300 1. In deze menger wordt de produktie van één reactorbatch gehomogeniseerd. De gehomogeniseerde inhoud van de menger wordt in grote zakken gestort. Het ge-droogde produkt is gereed voor het gebruik in de volgende stap van het cefalospori-neproces, nadat een monster van deze batch is geanalyseerd.

FVO 2956 14

5.1.2 Procesbeheersing

De waterstofperoxide-opslag (V 1)

De waterstofperoxide-opslag is voorzien van een breekplaat in het geval van extreem hoge drukken. Tevens is de opslag voorzien van een hoogniveau alarm om te

voorkomen dat er bij het vullen te veel waterstofperoxide oplossing in de tank gepompt wordt. Er is een aanwijzend temperatuursalarm, afgesteld op 35°C [9], aanwezig, welke is gekoppeld aan de waterleiding om bij te hoge temperaturen in de tank de inhoud te kunnen verdunnen om de temperatuur in de tank omlaag te

brengen, de concentratie waterstofperoxide te verlagen en zodoende de ontleding te beperken.

De overgepompte hoeveelheid uit de opslagtank wordt geregistreerd.

De reactor (R3)

De reactor is voorzien van een pH-regeling om de pH in de buurt van 7 te houden. Hierbij dient rekening te worden gehouden met de mengtijd (hfdst. 6.2.4). Pen-G is stabiel in het pH-gebied 5.5-8.

De temperatuur wordt geregeld door het debiet van de brijn in de koelmantel. Het debiet uit de reactor naar de kristallisator wordt geregeld, omdat dit de regeling van de warmtewisselaar vereenvoudigt en het controleren van de kristallisatie

vergemakkelijkt.

De warmtewisselaar (H7)

De ingangstemperatuur van de kristallisator wordt geregeld door het debiet van de brijn in de warmtewisselaar (H7).

De kristallisator (M8)

De pH in de kristallisator wordt geregeld op de waarde 2 of 3.5, afhankelijk van het stadium van het kristallisatieproces.

De kristallisator is voorzien van een indicatief alarm voor de temperatuur, om aan te geven of de temperatuur te veel afwijkt van de gewenste 10

0c.

De kristallisator is voorzien van een pH-alarm, dat aangeeft wanneer de pH te sterk afwijkt van de ingestelde waarde.

Het debiet uit de kristallisator naar de banddroger wordt geregeld, omdat het belangrijk is, dat de dikte van de laag op de band niet te sterk varieert.

'--.

fVO 2956 1S

De tluïde bed-droger (M 16)

~fet een temperatuurregeling via de luchtverwarming M 15 wordt de temperatuur van de inlaatlucht constant op 55°C gehouden. Hiermee wordt een te hoge temperatuur en daaruitvolgend degradatie van het produkt in de droger voorkomen. Het debiet van de inlaatlucht wordt geregeld.

5.2 Het Gist-Brocades proces

Gist-Brocades heeft een beknopte beschrijving van het reeds bestaande proces gegeven. Het bestaat uit de volgende onderdelen:

- Reactor waarin de omzetting van pen-G naar pen-SO m.b.V. perazijnzuur plaats-vindt bij 0-3 °C (hfdst. 3).

- Kristallisator. welke op dezelfde wijze wordt bedreven als in het ontworpen proces. - Een batchgewijs bedreven centrifuge als voordroger.

- Conische vacuümdroger met mengschroef, welke meteen als menger fungeert. In de praktijk blijken hieraan een aantal niet nader genoemde nadelen te kleven.

' J

FVO 2956 16

6. KEUZE EN BEREKENING VAN DE APPARATUUR 6.1 Opslag

6.1.1 Waterstofperoxide [9]

Vanwege de corrosieve eigenschappen en de ontleding van H₂₀₂ door aanwezigheid

van verschillende metalen zijn slechts de volgende constructiematerialen geschikt:

- R.V.S. 304L en 316L na zorgvuldige passivering

- Aluminium (AL > 99.5% en Cu < 0.5%), na zorgvuldige passivering

- HDPE voor minder dan 10 m3

Het waterstofperoxide kan goedkoper ingekocht worden als er per keer minimaal 8

m3 wordt afgenomen. Aangezien er 50% overcapaciteit dient te zijn in de tank, is

een tank van minimaal 12 m3 nodig. Hierdoor valt HDPE af als constructiemateriaal.

Aluminium is 3 à 4 maal zo duur als r.v.s. [23]. Er is daarom gekozen voor een r.v.S. opslagtank.

De opslagtank dient voorzien te zijn van de volgende appendages: - Vulleiding

- Ontluchting

- Noodontluchting, minimaal 200

cm

2

/ton

H₂₀₂ 100%

- Aftap - Afvoer

Verdunningsleiding, om de inhoud van de tank te verdunnen bij eventuele calami-teiten

- Niveaumeter

- Temperatuurmeting en alarm op 35°C - Hoogniveau alarm

Het verdient aanbeveling een afdak boven de tank te plaatsen om zonlicht tegen te houden. Een sprinkler installatie is boven de tank aangebracht i.v.m. het explosie-gevaar. Tevens biedt dit de mogelijkheid bij warm weer de tank af te koelen, waar-door de ontleding van het waterstofperoxide beperkt blijft.

Bij opslag onder normale condities zal het verlies aan waterstofperoxide maximaal 2% per jaar bedragen.

v

FVO 2956 17

6.1.2 Overige

Het gebruikte pen-G komt rechtstreeks van een fabriek op hetzelfde fabrieksterrein. Het pen-G zal daarom slechts kort opgeslagen hoeven te worden. Er is hieraan geen aandacht besteed.

Het geproduceerde pen-SO zal snel in een vervolgstap worden omgezet, waardoor ook hiervan de opslag van korte duur zal zijn.

Het gebruikte lipase dient koel te worden opgeslagen. Bij een temperatuur van 0

oe

is het 6 maanden houdbaar [22]. Gezien de kleine benodigde hoeveelheden, is hier geen aandacht aan besteed.

De hoeveelheden gebruikt zuur en base voor de regeling zijn gering. Hierom is er geen aandacht aan besteed.

Als wordt verondersteld, dat het oktaanzuur los van de katalysator wordt hergebruikt, zal de hoeveelheid benodigd oktaanzuur gering zijn.

FVO 2956

6.2 De reactor

Er is alleen de totale reactietijd voor een batch bekend [1]. Gezien het complexe reactiemechanisme (enzymreactie met twee reactanten), is het bepalen van een kinetisch model zonder voldoende gegevens onmogelijk.

Gezien de lange verblijf tijden in de reactor [1], geniet een tank de voorkeur. De polyacrylaat katalysatorbolletjes zijn sterk genoeg om de krachten in een geroerde tank te weerstaan.

18

Om de produktie te bereiken, die in hfdst. 4.1 is gegeven, is het patent opgeschaald met een factor 137500. De toegevoegde hoeveelheden per batch zijn:

water : 2063 1

lipase : 20.6 kg

oktaanzuur : 91 kg (100 1)

=

623.5 mol

waterstofperoxide(50w%) : 165 I

=

2887.5 mol (in 4 stappen) pen-G (kaliumzout) : 317.5 kg

=

852.5 mol (in 3 stappen)

Bij berekeningen is er vanuit gegaan, dat de temperatuur 20

oe

blijft. Dit zal in de loop van deze paragraaf een redelijke aanname blijken te zijn.

6.2.1 Volume

Het volume van het totale mengsel wordt benaderd door:

(1)

Het volumeaandeel van de .50 w% waterstofperoxide-oplossing is niet geheel correct, omdat het waterstofperoxide tijdens de reactie in water wordt omgezet. De invloed hiervan is gering, aangezien het volumepercentage waterstofperoxide kleiner is dan

2.8

v% en het dichtheidsverschil tussen water en de waterstofperoxide-oplossing slechts 196 kg/m3 is. Tevens is het verloop van het waterstofperoxide-verbruik onbe-kend.

Voor het volume van de pen-G-oplossing is de volgende formule aangenomen:

(2)

De toename van de dichtheid tijdens de drie toevoegingen van pen-G is lineair verondersteld. Het maximale volume wordt bereikt na de laatste toevoeging na vier uur: 2.45 m3 (bijlage 2).

-FVO 2956

Er is gekozen voor een tank met. een standaardvolume van 3 m3 [24] en een

diame-ter jhoogte-verhouding van 1. Voor een inhoud van 3 m3 is de diameter 1.56 m. De

hoogte van de vloeistof in de reactor is na de toevoeging na 4 uur 1.29 m, zonder rekening te houden met het volume van de roerder.

19

Vanwege het feit, dat de lipase gevoelig is voor sporen zware metalen is er gekozen voor een reactor voorzien van een glazen binnenlaag. De dikte van de glaslaag is 1

mm [25] en de dikte van de stalen reactorwand 7 mm [26]. 6.2.2 Viscositeit

Een relatie voor het effect van het waterstofperoxide op de viscositeit van water wordt gegeven door [27]:

waann:

TJi

=

viscositeit water

TJj

=

viscositeit waterstofperoxide

Xj

=

molfractie water

~

=

molfractie waterstofperoxide

TJij

=

viscositeit van het mengsel

(3)

De maximale toename van de viscositeit door de aanwezigheid van waterstofperoxide is 0.7% (bijlage 3). Door het reageren en het ontleden van het waterstofperoxide, zal deze maximale toename niet worden gehaald en is dit effect in de verdere berekenin-gen niet meeberekenin-genomen.

De viscositeit van de pen-G oplossing is benaderd met de viscositeit van een sucrose-oplossing [13], daar beide stoffen ongeveer dezelfde molmassa hebben. Er is tevens verondersteld, dat de bijdragen aan de viscositeit van pen-G en pen-SO gelijk zijn. De viscositeit van de dispersie kan worden berekend m.b.v. [28]:

(4)

Hierin is oktaanzuur de disperse fase en de pen-G-oplossing de continue fase.

De viscositeit van het reactie mengsel is aan het begin van de batch 1.1 * 10-3 Pa.s,

wanneer geen pen-G aanwezig is. Na de toevoeging op 4 uur is de viscositeit 1.7* 10-3

Pa.s, wanneer alle pen-G is toegevoegd.

De viscositeit op de tijdstippen 2 en 3 uur ligt tussen deze waarden (bijlage 3).

FVO 2956

De invloed van de katalysatorbolletjes op de viscositeit is gegeven door [29]:

Tlsusp 1 +O.5e

--::---Tl, (l-e)2

De toename van de viscositeit door de aanwezigheid van de katalysatorbolletjes is 1.8% (bijlage 3). Gezien de onnauwkeurigheid in de benadering van de viscositeit m.b.v. sucrose, is deze afwijking in de verdere berekeningen niet meegenomen. 6.2.3 Toerental

20

(5)

De katalysatorbolletjes dienen gesuspendeerd te zijn. Het minimale toerental N (s-l) hiervoor volgt uit [30]:

(

dO.2] (

]0.45 (]0.1

(D

]A

N, =1.3 - p -

*

g~p

*

~ *X~·13*_,

.rusT' do.as p p d

r,r C C ',r

(6)

Er is gekozen voor een propellerroerder (n

=

0.8), omdat deze roerder voor het

suspenderen het laagste vermogen vergt. Dit wordt veroorzaakt doordat het

stro-mingsprofiel naar de bodem is gericht. Er ontstaat hierdoor een verticale stroming in

de reactor, waardoor de deeltjes makkelijker gesuspendeerd worden [31]. Dit lage vermogen is ook noodzakelijk om de afscheiding van het oktaanzuur aan het einde te vergemakkelijken, omdat bij een lager vermogen de druppeltjes groter blijven.

De toerentallen aan het begin en na 4 uur zijn resp. 0.48 en 0.33 ç 1 (bijlage 4). Het oktaanzuur dient gedispergeerd te zijn. Voor een goede stofoverdracht zijn zo klein mogelijke bolletjes noodzakelijk. Daarentegen dienen de bolletjes niet te klein te zijn vanwege de scheiding na afloop d.m.V. segregatie. De segregatietijd neemt toe als de diameter van de bolletjes afneemt. Er is een half uur voor de segregatietijd gekozen in samenspraak met Gist-Brocades. Deze tijdsduur is een compromis tussen goede menging en snelle segregatie.

Met behulp van de volgende formule is de minimaal noodzakelijke stijgsnelheid ust van de oktaanzuurdruppels, die vanaf de bodem opstijgen, na afloop van de reactie berekend:

HVl

U : :

-st t

st

De stijgsnelheid ust is 7.17*10-4

mis

(bijlage 5).

AWvD & MdG

.J

,--'

FVO 2956

De diameter van de kleinste druppel, die in een half uur volledig op kan stijgen, wordt berekend via [32]:

u

J

dmin)2*(Pc-Pd)*g

st 18

"c

Hieruit volgt dat d_min 1 * 10-4 m is (bijlage 5).

21

(8)

Gevonden is dat d_{32 .} 4 maal zo groot is als d _mrn . [33]. De hoeveelheid oktaanzuur, die zich in de bolletjes met een diameter kleiner dan d_min bevindt, is geschat op 2% [34],

zodat de afscheiding van het oktaanzuur goed is. Het toerental N r,disp' dat minimaal

nodig is om het oktaanzuur te dispergeren, volgt uit de volgende drie formules [35]:

( 06

1 ("

]0.25 d =0.11 cr' *ho.5_*-f!. 3.2 0.4 0.6 " €r,wP c c

P,

€ = -',W

_{P, ,}

V (9) (10) (11)

Hieruit volgen voor de benodigde toerentallen op t = 0, t = 2, t = 3 en t = 4 uur respec-tievelijk de volgende toerentallen (Nr,disp) en vermogens (Pr): 0.63 s-l en 3.2 W, 0.60 s-l en 2.9 W, 0.57 s"1 en 2.6 W en 0.55 s-l en 2.3 W (bijlage 6).

Om formule (11) te gebruiken werd

Po

afgelezen uit een figuur van

Po

tegen Re [36],

waarbij Re_r in eerste instantie turbulent verondersteld is.

Deze waarde is ingevuld in formule (17) voor Re. Re_r is 9.5*104 op t=4 uur. Op de andere tijdstippen is het Reynoldsgetal hoger (bijlage 6). De waarde van Re_r op t = 4 uur is in het turbulente gebied, wat overeenkomt met de vooraf gemaakte aanname.

De waarden voor Nr,disp zijn hoger dan de waarden voor Nr,susp' De reactor wordt

bedreven bij 0.63 s"1 op t=O uur, aflopend tot 0.55 s-l op t=4 uur (Nr,disp)' omdat er dan aan het suspensiecriterium én aan het dispersiecriterium wordt voldaan. Het is noodzakelijk dat het toerental aflopend is, omdat d_min dan constant 1 * 10-4 m is. Als

het toerental op een constante waarde van 0.63 s-l gehouden zou worden zou d_min te

klein worden. De segregatietijd zou in dat geval te lang worden.

FVO 2956

6.2.4 Menging

De kolmogorov lengteschaal is de lengte tot waar er convectief gemengd wordt. Op kleinere schaal geschiedt menging d.m.v. diffusie.

Voor de kolmogorov lengteschaal geldt (37]:

22

_( v;

]0.

25

11,,- - (12)

er,v

De kolmogorov lengteschaal is 4.45*1O-

s

m op t=4 uur. Dit is ongeveer 1/4 van de diameter van het kleinste katalysatorbolletje (bijlage 20). Op t = 0, 2 en 3 uur is deze nog kleiner (bijlage 7).

Voor de mengtijd geldt (37]:

2

11_"

t = -m,r 2Diffr

(13)

De mengtijd bedraagt 10 s op t = 4 uur. Op t = 0, 2 en 3 uur is de mengtijd nog korter (bijlage 7). Dit is, gezien de totale reactietijd van drie uur, een acceptabele waarde. De gebruikte waarde voor Diff_r is geschat uit [38]. Dit is hoogstwaarschijnlijk een te lage waarde, zodat de mengtijd kleiner zal zijn dan de berekende waarde van 10 s.

6.2.5 Warmte

Warmteproduktie in de reactor

De volgende warmtebronnen spelen een rol in de reactor:

- Roerwarmte: dit is de warmte die aan de reactor wordt toegevoerd door de roerder.

- Oploswarmte: dit is de warmte die vrijkomt, als pen-G aan het reactiemedium wordt toegevoegd.

- De reactiewarmte van de reactie:

H₂₀₂

+

_C7H_1SC02H -+ H₂₀

+

C7H_1SC03H

- De reactiewarmte van de reactie:

~HlSC03H + pen-G .... C_{7H 1SC02}H + pen-SO - De decompositie van waterstofperoxide:

2 H202 -+ 2 H20 + 02

De decompositie van peroktaanzuur: 2 C7H1SC03H .... 2 C7H 1SC02H + 02 Eventuele mengwarmtes zijn verwaarloosd.

De grootte van deze warmtebronnen is gegeven in bijlage 8.

~.'

FVO 2956 23

De temperatuurstijging in de reactor zonder koeling is berekend m.b.v.

tlT

=

Q,

, V C

,Pr p.'

(14)

De temperatuurstijging is 41.2

o

e

(bijlage 8). Aangezien de begintemperatuur

ongeveer kamertemperatuur dient te zijn voor een goede reactie, zal dit leiden tot

een temperatuur boven de maximaal toelaatbare temperatuur voor het pen-Sa. Voor koeling door de omringende lucht geldt [39]:

(15)

waann

(16)

De temperatuur van de omringende lucht is ongeveer gelijk aan de reactie

tempera-tuur. Hierdoor valt luchtkoeling direct af als koelmethode.

Warmteoverdracht in de reactor

De warmteoverdrachtscoëfficiënt h_r in de reactor kan worden berekend m.b.V. de

volgende drie formules [40]:

Nd2 Re = r

,.,P

r r

TI,

Pr

=

T1,Cp ,r , À

_,

h

n

(D

1°.4(

b

1°

.

13 Nu =-'--' =0. 112Reo.7sPro.44 ' -, À

_,

r , d D ~

,

(17) (18) (19)

De minimale waarde voor NU_r is 2170. Hieruit volgt voor h_r de waarde 820 Wim

(bijlage 9).

'~.

FVO 2956 24

Warmteoverdracht in de mantel

Aangezien de werktemperatuur van 20°C vrij laag is, geeft rivierwater of eenvoudig koelwater een te laag temperatuurverschil over de wand, om een goede warmteafvoer te bewerkstelligen [40]. Erg lage temperaturen zullen de kosten voor de koeling sterk verhogen. Er is gekozen voor brijn, omdat dit niet toxisch en goedkoop is. Organische koelmedia (bv. een alcohol/water-mengsel) zijn afgewezen, omdat deze gevaarlijke situaties op kunnen leveren indien zij in contact komen met de waterstofperoxide oplossing [9].

De brijn is een 20% CaCl₂ oplossing [17]. De gekozen ingangstemperatuur van de brijn is 0

oe.

Om niet te veel brijn te gebruiken en tevens een goed temperatuurver-schil te behouden is gekozen voor een opwarming van 5 °C van de brijn.

Aangezien de reactor eenvoudig schoon te maken dient te zijn, is er gekozen voor een koelmantel i.p.v. een koelspiraal.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt hm in de mantel kan worden berekend m.b.v. de volgende vier formules [41]:

(20)

(21)

(22)

(23)

De term (Dm/Dr)0.53 is op 1 gesteld.

Voor NU_{m wordt minimaal 5.15 gevonden. Hieruit volgt voor hm de waarde 140.3} W /m20C (bijlage 9).

De brijnsnelheid bedraagt ongeveer 0.04 mis (bijlage 9).

v

FVO 2956 25

Warmtebalans

De warmtebalans over de reactor is:

aT,

v

_{" "' at}

p Cp -=-U Ä (T -T )+'"

14" m,m/ 't'w",

(24)

Het uitwisselend oppervlak ~ bestaat uit het bodemoppervlak en het bevochtigde

gedeelte van de wand: 2

1tD,

A =--+1tDH_{, 4 ' I}

y

Het uitwisselend oppervlak is 8.23 m2 (bijlage 8).

De overdrachtscoëfficiënt uit formule 24 kan worden berekend met de volgende formule: 1 1 l I d i dw = + + + + -U, hna h, hf,m ÀI Àw (25) (26)

Aangezien de reactor frequent zal worden schoongemaakt, is er geen fouling-coëf-ficiënt aan de binnenzijde van de reactor meegerekend.

Bij hoge concentraties van het oktaanzuur en het waterstofperoxide zal het lipase verzadigd zijn. De kinetiek is dan pseudo nulde orde en hiermee is de koeling doorgerekend.

De warmteproduktie tijdens de eerste twee uur van de batch is gering, omdat er geen omzetting van pen-G plaatsvindt en er een periode van twee uur is tussen twee

toevoegingen i.p.v. één uur zoals later in het proces.

De vrijgekomen warmte in de reactor Or voor de verschillende perioden tijdens het

proces is weergegeven in bijlage 8.

Uit de tabel in bijlage 10 blijkt, dat de temperatuur in de reactor toeneemt. Deze berekening is uitgevoerd m.b.v. RRStiff. De warmteafvoer door de mantel is onvol-doende. De beperkende factor is de overdrachtscoëfficiënt in de mantel, veroorzaakt door de lage snelheid in de mantel.

Er is daarom gekozen voor een mantel met een tangentieel inspuitende nozzle [42], waardoor de snelheid in de mantel sterk toeneemt. De meest optimale waarde voor de mantelsnelheid is volgens de fabrikant 1 mis [42]. Als deze waarde wordt gebruikt,

wordt de overdrachtscoëfficiënt in de mantel 1804 W /m2

oe

Lp.v. 140.3. De overall

overdrachtscoëfficiënt is hierdoor 307 W /m2

oe

geworden i.p.v. 102 W /m2

oe.

v

' - . }

FVO 2956 26

De koeling is met deze nieuwe waarde voor de overall warmteoverdrachtcoëfficiënt doorgerekend en gesimuleerd met RRStiff (bijlage 9 en 10). Hierbij is de warmteba-lans over de mantel ook doorgerekend. om eventuele opwarming in de mantel te kunnen berekenen: o TE"PR )( TE .. P?1 9 o Q o _Q o /_--~l~<----__ ~l< ______ ~)(~ ____ ~l~< ______ ~~ ______ ~~~ 0 . 0 0 . 5 t .0 1 .5 2 .0 T ( / 1 E 3 ) 2 .5 3.0 3 .5 (27)

figuur 3: De reactortemperatuur Ctempr, °C) en de manteltemperatuur Ctempm,

°C) als functie van de tijd CT, s) .

Het resultaat van de simulatie is weergegeven in figuur 3.

Uit bovenstaande figuur blijkt de mantel met nozzle goed te koelen. De temperatuur in de reactor neemt zelfs af. De reactor zal worden voorzien van een regeling om de temperatuur op 20

oe

te houden.

Vanwege de goede warmte afvoer neemt de temperatuur in de mantel licht toe. De maximale temperatuurstijging is ongeveer 0.5

oe.

De aanname van een constante manteltemperatuur in de simulatie van de standaard mantel koeling blijkt aanvaard-baar.

- - -

-FVO 2956 27

6.3 De warmtewisselaar

Er is voor een warmtewisselaar gekozen, omdat een kristallisator met koelmantel weinig overdragend oppervlak heeft en een inwendige koelspiraal problemen tijdens het kristallisatieproces oplevert.

Er is gekozen voor een one shell-two passes buizen-warmtewisselaar, aangezien de benodigde capaciteit van de warmtewisselaar niet erg groot is. Er is gekozen voor een driehoekige opstelling van de buizen, omdat de warmte-uitwisseling hoger is vergele-ken met een vierkante opstelling. De warmtewisselaar wordt in tegenstroom bedreven voor een betere overdracht [43].

Om slechts één koelmiddel te hoeven gebruiken, is er voor hetzelfde koelmiddel als in de reactor gekozen.

Het koelmedium is, zoals is geadviseerd in [44], aan de pijpzijde geplaatst.

Omdat de warmtewisselaar, gezien de gevoelige aard van het produkt en de corrosie-ve aard van het koelmiddel relatief vaak schoongemaakt zal worden, is er gekozen voor het floating head type, omdat deze makkelijk schoon te maken is [43]. Gezien de corrosieve eigenschappen van de brijn, is het nuttig de warmtewisselaar na elke keer schoon te spoelen met water, om corrosie tijdens stilstand te voorkomen.

Voor het ontwerpen van de warmtewisselaar is gebruik gemaakt van de methode van Kern [43]. In deze iteratieve methode wordt eerst met een geschatte overall over-drachtscoëfficiënt de warmtewisselaar doorgerekend, waaruit een nieuwe waarde voor de overall overdrachtscoëfficiënt volgt.

De benodigde berekeningen zijn uitgevoerd m.b.v. het computerprogramma Mercury. Hierbij is er steeds doorgerekend totdat gebruik gemaakt diende te worden van een figuur ter bepaling van te gebruiken coëfficiënten of er een afronding plaats diende te vinden.

6.3.1 Afmetingen

De warmtestroom ~w _, WW' die door het koelmedium dient te worden afgevoerd, wordt gegeven door:

(28)

De benodigde stroom koel medium wordt gegeven door:

(29)

",-FVO 2956 28

Het logaritmische temperatuurverschil ~Tlm tussen de twee stromen in de warmte-wisselaar is:

(30)

De correctiefactor F voor ~Tlm wordt berekend m.b.V. de volgende drie formules:

R- (T;-T) (tu -ti)

s=

(tu -ti) (Ti-ti)

Door correctie van ~ T_1m met F volgt het gemiddelde temperatuurverschil ~ T ww tussen beide stromen in de warmtewisselaar:

(31)

(32)

(33)

(34)

De eerste waarde voor de overall warmteoverdrachtscoëfficiënt U_ww is geschat. Het benodigde overdragend oppervlak van de warmtewisselaar wordt berekend m.b.v. de volgende formule:

(35)

De oppervlakte At per buis in de warmtewisselaar is:

(36)

Het berekende aantal buizen n' l' dat nodig is om het gewenste warmteoverdragend oppervlak te verkrijgen, is:

Aww

n ' =

-r A r

(37)

Dit getal dient naar boven afgerond te worden op een veelvoud van twee (two passes) om het werkelijke aantal buizen nt te verkrijgen.

---FVO 2956

De bundeldiameter voor de driehoekige opstelling van de buizen is:

De clearance cl is afgelezen. De theoretische shelldiameter D's wordt:

D' =D +cl _{S B}

29

(38)

(39)

Voor de werkelijke diameter Os van de shell is een veelvoud van 5 cm genomen [44].

6.3.2 Warmteoverdracht in de buizen

De gemiddelde temperatuur van het koelmedium in de buizen is:

t+t t =_1_"

171 2

Het doorstroomde oppervlak van een buis A' te is:

2

rtdj

A' =

-t,c 4

Het aantal buizen per pass is:

nt

n=-p 2

Het totale doorstroomde oppervlak van de buizen is:

De lineaire koelmiddelsnelheid is:

~t u = -t A-t.eP-t AWvD & MdG (40) (41) (42) (43) (44)

FVO 2956

De overdrachtscoëfficiënt hl kan worden uitgerekend m.b.v. de onderstaande drie formules: Re

=

pfi;ut t

"t

Pr

=

CP,t"t t À. t

jh werd afgelezen. De factor (rit/TIl _, w) is bij deze berekeningen op 1 gesteld.

6.3.3 Warmteoverdracht in de shell De baffle spacing lb werd gekozen als:

Ds 1 =

-b 5

De pitch pt van de buis is:

pt=1.25d_u

voor de gekozen driehoekige opstelling van de buizen. Het doorstroomde oppervlak in de shell is:

De massastroom-dichtheid is:

De equivalente diameter de van de shell is:

AWvD &MdG 30 (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52)

,--'

FVO 2956 31

De gemiddelde temperatuur in de shell is:

T+T

T =_t_u

s,m 2

(53)

De overdrachtscoëfficiënt werd berekend m.b.v. de onderstaande drie formules:

(54) Pr

=

CP.s"s S À s (55) h d

(]0

.

14

~T _ S e _ . R P 0.33 Tl s HU _s ----J _{À h} e r _{s s} -s Tls•w (56)

De waarde voor jh werd afgelezen.

De factor (T/s/r1s w) _, is wederom op 1 gesteld.

6.3.4 De totale warmteoverdracht

De overall warmteoverdrachtscoëfficiënt U_ww werd berekend met:

(57)

De gevonden waarde van U_ww wordt gebruikt als startwaarde voor een nieuwe berekening van de warmtewisselaar en zodoende kan de warmtewisselaar iteratief worden doorgerekend.

6.3.5 Drukval

Drukval over de buizen

De waarde van Re_t wordt berekend m.b.v. formule 45. M.b.v. deze waarde voor Re_t wordt de waarde voor jf afgelezen. De drukval over de buizen is:

(58)

''-J

' J

'--.'

FVO 2956 32

Drukval over de shell

De lineaire snelheid in de shell wordt gegeven door:

(59)

M.b.V. Re_s uit formule 54 wordt de waarde voor jf afgelezen. De drukval over de shell

is:

(60)

De factor (1]s/1]s _, w) is wederom op één gesteld.

6.3.6 Eindresultaat

Voor de in- en uitlaattemperatuur van de warmtewisselaar zijn de volgende tempera-turen genomen: resp. Oen 5 oe. Dit zijn dezelfde temperatempera-turen als bij de standaard mantelkoeling. De temperatuur van de inkomende pen-Sa oplossing is 20 oe. De uitlaattemperatuur voor het produktmengsel dient 9 oe te zijn (hfdst. 6.4.).

Aangezien de warmtestroom in de warmtewisselaar niet erg groot is, is gekozen voor

de kortste standaard lengte van 3 m.

Met de standaard buizen uit [44] bleek de warmteoverdracht zeer ongunstig te zijn

door de te lage snelheden van de brijn in de buizen. U_ww had een waarde kleiner dan

325 W /moC, terwijl de startwaarde 600 W /moC bedroeg [43]. Er is hierom gekozen

voor buizen met een buitendiameter van 16 mm en een wanddikte van 1.6 mm [43].

Als startwaarde voor de overdrachtscoëfficiënt is wederom 600 W /m2°C gekozen.

De berekende warmtewisselaar heeft de volgende eigenschappen (bijlage 11):

àT_ww 10.9 oe U_ww 686 W

/m

2°C ,., ~ 8.0m-ifJ_{www ,} 58.6 kW ifJ_t ifJ_s nt 3.80 kg/s 1.39 kg/s 54 Ut 0.92 mis Os 25 cm àP_t 13.3 kPa àP_s 84.1 kPa

De overall overdrachtscoëfficiënt U_ww heeft nu een goede waarde. De drukvallen

over de mantel en de shell zijn aanvaardbaar [43].

FVO 2956 33

6.4 De kristallisator

De oplossing uit de reactor bevat het kaliumzout van pen-S~. Het pen-SO

kristalli-seert uit als vrij zuur in de kristallisator:

De tank is vooraf voorzien van 300 1 water met een pH van 3.5. Zoals eerder is

aangegeven, wordt de pen-SO-oplossing in een half uur overgepompt. Hierbij wordt de pH op 3.5 gehouden. In deze periode vindt de kristallisatie reeds grotendeels plaats. Daarna wordt de pH naar 2 verlaagd, waarna in vijf minuten volledige

kristallisatie optreedt [11]. Op deze wijze krijgen de kristallen de optimale

eigen-schappen voor verdere verwerking.

De tank dient te worden uitgevoerd in roestvrijstaal, vanwege de corrosieve werking van het zuur in de kristallisator.

Er is gekozen voor een turbineroerder, omdat deze roerder een hoog vermogen toevoert aan de oplossing. Dit hoge vermogen staat garant voor een korte mengtijd van het zuur. Dit is noodzakelijk om een effectieve pH-regeling uit te kunnen voeren.

De gevormde kristallen zijn staafjes. De afmetingen zijn: 100 JLm * 20 JLm [11]. Deze

deeltjes dienen niet te bezinken, omdat deze zich kunnen afzetten op de bodem van de kristallisator.

6.4.1 Volume

Voor het volume van de pen-SO-oplossing is aangenomen dat:

v

pen-SO.9· C

=v

pen-S0,20· C (61)

Dit is gerechtvaardigd, omdat de dichtheid van water weinig afhangt van de tempera-tuur.

Het volume van de vloeistof in de kristallisator is benaderd met:

(62)

Het volume van de vloeistof in de kristallisator is 2.66 m3 (bijlage 12). Er is gekozen

voor een standaard tank met een inhoud van 3 m3.

:-..J

FVO 2956

6.4.2 Toerental

Het toerental om de kristallen in oplossing te houden wordt berekend met de volgende twee formules (zie ook formules 5 en 6):

(

dO.2](

ga P

]0

.

45(" ]0

.

1 (D ]1.3

NA:

=

1.3 ~ _ _ A: ~ X~·13_k d

_r.k

o.sS p p d k Ic

r.k

34 (63) (64)

Voor de cilindervormige kristallen is een equivalente diameter berekend via [45]:

4

Tt(de.k]3 =1t(db,k]2 d

3 2 2 [,Ic

(65)

De situatie waarin alles is uitgekristalliseerd vereist het hoogste toerental. X_k en

(àPk/ Pk) zijn hierbij het grootst. De viscositeit 77k is in dit geval wel kleiner dan voor

een pen-SO oplossing, maar deze heeft weinig invloed. Voor de volledig uitgekristalli-seerde situatie is het benodigde toerental 0.61 s-l (bijlage 13). Het hierbij behorende

vermogen P_k is [35]:

(66)

Het vermogen bedraagt 53 W (bijlage 13). Er is een iets hoger vermogen genomen

van 75 W. Het hierbij behorende toerental is (formule 66) 0.68 s-l.

6.4.3 Menging

De kolmogorov lengteschaal Ik k _, voor menging en de daarbij behorende mengtijd tm _, k

zijn [37]: [2 k,k t = -m,lc 2Difflc AWvD & MdG (67) (68)

'\-...J

'-...J

FVO 2956

De waarden voor tm.k en lk.k zijn resp. 2 s en 2*10-5 m (bijlage 14). De mengtijd is gezien de procesduur van een half uur redelijk.

6.4.4 Zuunoevoer en pH-regeling

3S

Voor de pH-regeling en kristallisatie is zwavelzuur gebruikt. De hoeveelheid zuur die nodig is. bestaat uit de hoeveelheid zuur in de oplossing en de hoeveelheid zuur. dat reageen met het pen-SO. Er is in totaal 438.25 mol zwavelzuur nodig (bijlage 12).

6.4.5 Warmte

De warmtebronnen in de kristallisator zijn: - Meng'>\'armte zuur

- Kristallisatiewarmte - Roerwarmte

- Warmteuitwisseling met omringende lucht

Aangezien de uitwisseling van warmte met de omringende lucht gering is (zie hfdst 6.2), is deze in de verdere berekeningen niet meegenomen.

De warmtebalans over de kristallisator is:

(69)

De warmteproduktie Ok is:

Qi=Qrou +Qkrist +Q I1ILng (70)

Een grote warmtebron is het oplossen van het zwavelzuur. De temperatuur in de kristallisator zou, indien geconcentreerd zwavelzuur gebruikt wordt, 3.1

oe

oplopen (bijlage 15). Om de temperatuur in de kristallisator onder 11°C te houden wordt ver-dund (50%) zwavelzuur toegevoegd. De temperatuurstijging bedraagt in dit geval slechts 1.2

oe

(bijlage 15).

Met een ingangstemperatuur van 9

oe

zal de temperatuur dicht in de buurt van de gewenste temperatuur van 10

oe

liggen.

- - -

-FVO 2956 36

6.5 De voordrager

De kristallen in de oplossing uit de kristallisator dienen afgescheiden en gewassen te worden om daarna de uiteindelijke draogstap te ondergaan.

De apparaten. die geschikt zijn voor deze filtratie. zijn een centrifuge en een continu bandfilter [46]. De centrifuge kan zowel continu als batchgewijs worden bedreven. De kostprijzen voor de aangeven apparaten met een goede capaciteit voor de te produceren hoeveelheden zijn [47,48]:

- batch centrifuge: 105 kDM (120 kFL.)

- conto centrifuge: 350 kDM (399 kFl.)

- conto bandfilter: 130 kD M (148 kFl.)

Uit kostenoogpunt valt de continu bedreven centrifuge direct af. Aangezien het restvocht gehalte voor zowel de bandfilter als zowel de batchgewijze centrifuge ongeveer 20% bedraagt. dient te worden bekeken of de meerprijs van de continue bandfilter opweegt tegen de uitgespaarde loonkosten t.O.v. de batchgewijze centrifuge, welke geleegd en gevuld dient te worden.

Op basis van annuïteiten is de maximale meerprijs bepaald. Deze bleek 596 kFl. te bedragen (bijlage 16). Aangezien de meerprijs slechts 29 kFl. bedraagt. is er gekozen voor de continue bandfilter.

De oplossing uit de kristallisator wordt batchgewijs op het doek van de bandfilter gebracht. waarna zure waterige oplossing wordt afgezogen. Hierna wordt nog enkele malen gewassen met ijskoud water. Er is aangenomen, dat er voor het wassen

evenveel water gebruikt wordt als er aan zure waterige oplossing afgezogen wordt. De

totale afvalwaterstroom bedraagt hierdoor ongeveer 5 m3 per batch. Per jaar is de

totale afvalwaterstroom 6150 m3.

v'

,-,,'

'--.-'

FVO 2956

6.6 De droger

Het vochtige produkt van de banddroger dient verder gedroogd te worden tot een vochtpercentage van ± 1% [11].

Er is eerst een voorselectie gemaakt m.b.v. de volgende factoren: - maximale temperatuur

- afmetingen kristallen - te drogen hoeveelheid

37

Bij bestudering van de literatuur [46,49] lijken de volgende drogers in aanmerking te komen:

- geroerde vacuümdroger - roterende vacuümdroger - vibro gefluïdiseerd bed

De te verwerken hoeveelheid van 60 kg/uur (20% vocht) is juist een grensgeval tussen batchgewijze en continue uitvoering [46,49].

Tijdens overleg met Gist-Brocades bleek, dat de daar geïnstalleerde conische geroer-de vacuümdroger problemen oplevergeroer-de in geroer-de praktijk, waarop vergeroer-der niet werd ingegaan.

Wel bleek, dat één van de problemen het gevaar was van een te hoge wandtempera-tuur, dat kan leiden tot degradatie van het produkt. Dit probleem zal zich ook in de roterende vacuümdroger voordoen. Daarom is er voor de fluïde bed-droger gekozen. De specificaties van de droger zijn verkregen van Ventilex [50]. Het bleek wegens een gebrek aan gegevens en de niet ronde vorm van de kristallen onmogelijk een ontwerp

te maken met formules uit de literatuur.

De warme lucht komt op een temperatuur van 55

oe

van onderaf de droger in en verlaat deze op een temperatuur van 25-30

oe.

Een grotendeels verticaal gerichte schudbeweging zorgt ervoor, dat het produkt wordt getransporteerd en niet agglome-reert, zodat voldoende warmte- en stofoverdracht plaatsvindt.

Het energieverbruik van de luchtverwarmer is 17.5 kW (bijlage 17). 6.7 De menger

De produktie van een batch dient gehomogeniseerd te worden, voordat deze afgele-verd wordt. Bij navraag bij een leverancier bleek een conische menger met een

schroef de meest gebruikte en beste oplossing te zijn [51]. Dit type menger geeft geen produktbeschadiging.

Het volume van droge pen-SO voor één batch is:

Wh

V . = -_l7U.'C

Pstort

(71)

Het volume van één batch is 0.82 m3 voor een batch van 326 kg. Er is gekozen voor een standaardmenger met een inhoud van 1.3 m3 [51].

FVO 2956 38

6.8 Rendement

Indien alle pen-G (852.5 mol/batch, 317.5 kg) wordt omgezet in pen-SO zou 329 kg produkt ontstaan. In de kristallisator lost 0.8 kg pen-SO op (bijlage 12). In de vervolg-stappen zal een gering verlies optreden. Er is aangenomen, dat het overall rendement 99% is. De produktie per batch is 326 kg.

FVO 2956 39

7. ECO:\O:vlISCHE ANALYSE [5 21

Aangezien Gist-Brocades een grove schatting van de kosten van haar produktiestap heeft gegeven, zal alleen de kostprijs van de bewerking worden berekend. De kosten van het pen-G zullen niet worden meegenomen in de verdere berekeningen.

7.1 Kosten

De totale kosten ~ worden gegeven door:

K =K -K +K +K_{r a 0 p ,} .+K[ (72)

De algemene kosten Ka bedragen 5% van de omzet.

Voor de indirecte kosten Ko wordt 4% van If en 45% van Kl genomen.

Voor de produktievolume afhankelijke kosten ~ zijn de grondstof- en elektriciteits-kosten genomen.

De volgende grondstofkosten zijn van belang: - Water. zowel in de reactor als in de wasstap - Waterstofperoxide

- Katalysator. Aangezien de deactivering van de katalysator afhankelijk is van het aantal batches, is dit als onderdeel van de produktievolume afhankelijke kosten genomen. De kostprijs van de katalysator zal worden gevarieerd, in samenhang met de deactiveringssnelheid. Hiermee kan worden bekeken welke prijs van de kata-lysator bij een gegeven deactiveringssnelheid een kostprijs oplevert, die gelijk is aan die van Gist-Brocades. Er is vanuit gegaan, dat aan het begin van elke batch, de totale enzymactiviteit weer op het oorspronkelijke niveau is teruggebracht door toevoegen van extra katalysator.

- Oktaanzuur, waarbij is aangenomen, dat het oktaanzuur evenveel batches meegaat als de katalysator.

- Zuur voor de kristallisatie

FVO 2956 40

Voor de semi-variabele kosten KI zijn de loonkosten genomen.

De investeringsatbankelijke kosten bestaan uit rente en afschrijvingen.

De berekening van het fixed capital If is uitgevoerd met de methode van Lang en de gedetailleerde methode van Holland-Chilton. Deze methode gaat uit van een

vermenigvuldigingsfactor voor de kale instrumentatie kosten fL' welke is opgebouwd als:

~l is afhankelijk van de aard van het proces, ~2 en ~3 zijn afhankelijk van andere variabelen van het proces.

Hierin zijn echter nog niet de kosten van het werkkapitaal Iw en de niet tastbare zaken 1₁ begrepen. Voor het werkkapitaal Iw en de investeringen in niet tastbare zaken 1₁ zijn toeslagen van respectievelijk 7.5% en 17.5% op Ir berekend.

(73)

De rentekosten worden berekend over 60% van de investering. De afschrijving W off

geschiedt rechtlijnig. Er wordt van uit gegaan dat het werkkapitaal niet wordt afgeschreven.

7.2 Rentabiliteitsberekeningen

7.2.1 Pay-out time

Bij de berekening van de Pay-out time (POT) wordt ervan uitgegaan, dat de investe-ringen (I_f en 1₁₎ uit het exploitatie overschot Eo wordt betaald:

(74)

Het exploitatie overschot is als volgt berekend:

(75)

'--' '-, '-./ '-.... FVO 2956 41 7.2.2 Return on investment

De return on investment ROl is gedefinieerd als:

W_nmo

RO/=-- (76)

If+lw

De nettowinst W netto is gegeven door:

W MtlD =(E 0 -K.)*B , (77)

7.2.3 Internal rate of return

De internal rate of return IRR wordt gegeven door: It

1

LC/,,--

..

=0 (78)

j=O (1+ly

De cashflow Cf tijdens de produktie is:

Cr

W lIdtO + W_off (79)

7.3 Resultaten

In bijlage 18 zijn de kosten per kg pen-SO berekend en weergegeven voor verschil-lend katalysatorprijzen en levensduur van de katalysator. De levensduur van de katalysator is de tijd, waarin de katalysator zijn activiteit volledig verliest.

Het minimale aantal batches, dat de katalysator mee moet gaan om winst te maken, is weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: Minimaal aantal batches voor winstgevende produktie bij verschillende katalysatorkosten Kostprijs katalysator (Fl) 500 1000 1500 2000 2500 3000 minimaal aantal 2 4 6 8 10 12 batches

Dit minimale aantal batches per katalysatorlading is het aantal batches wat minimaal noodzakelijk is om goedkoper te produceren dan Gist-Brocades.

.-.J

FVO 2956

Uit tabellen bijlage 18 blijkt dat de kostprijs voornamelijk door de katalysator wordt bepaald.

De economische evaluatie is uitgevoerd voor een kostprijs van FI 2000,- voor de katalysator en een levensduur van 10 batches van een katalysator lading.

De POT is 1.4 jaar. Dit voldoet ruimschoots aan de voorwaarde. dat de POT

mini-maal drie mini-maal de levensduur dient te bedragen. De economische levensduur lt is

12 jaar.

De ROl is 26% en de IRR 29%. Deze twee waarden liggen dicht bijelkaar.

AWvD & MdG

-..)

FVO 2956 43

8. SPECIFICATIEBLADEN EN STOFBALANSEN 8.1 Specificatiebladen

Tabel 2: Pompen en compressoren

I

Apparaat no. _{I1 P6}

Ipll

I

_C14

Benaming, centrifugaalpomp centrifugaalpomp compressor

type

Te verpompen pen-SO oplossing pen-SO kristallen lucht

medium 2.31 m3/h 0.44 m3/h 1500 m3/h

Dichtheid 1100 llOO 1.2

(kg/m3)

Eff. druk (bar) 1 0.1 3.5

Temp (in/uit, °C) 20/20

10/10

20/20

Capaciteit (m3/h) 6.3 6.3 2000

Vermogen (W) 550 550 170*103

Speciaal te 316 L staal 316 L staal 316 L staal

gebruiken materiaal

De pompen en de compressor zijn afkomstig uit het Webci prijzenboekje [24]. Er is voor de kleinst mogelijke capaciteit gekozen.

AWvD & MdG

FVO 2956 44

Tabel 3: Reactoren en vaten

I

Apparaat no. _{I1 VI} 1 V4,5,9,10 _{1 R3 1 M8}

I

Benaming opslagtank opslagtanks reactor kristallisator

H")ü") _zuur/base Abs. druk 1 1 1 1 (bar) Temperatuur 20 20 20 10 (OC) Inhoud Cm3) 12 0.1 3 3 Diameter (m) 1.56 1.56 Speciale bolletjes vulling geïmmobili-seerd lipase (katalysator)

Speciaal te gepassiveerd 316 L staal koolstofstaal, 316 L staal gebruiken 316 L staal aan de

bin-materiaal nenzijde

voorzien van een glaslaag

FVO 2956 45

Tabel 4: Warmtewisselaar

I

Apparaat no.

_II

_H7

_I

Benaming, type koeler

Uitvoering floating head, one shell-two passes Capaciteit (kW) 58.6 Warmtewisselend 8.0 oppervlak (m2) Overall-warmte- 686 ,--,' _{overdrach tscoëffici ë nt} (Wjm2K)

Logaritmisch temperatuurverschil (OC) 11.7

Correctiefactor 0.93

Gecorrigeerd logaritmisch 10.9 temperatuurverschil (OC)

BEDRIJFSCONDITIES

I

Mantelzijde

I

Pijpzijde

I

Fluïdum pen-SO opl. brijn

Massastroom (kgjs) 1.41 3.80

Warmtecapaciteit (kj jkgOC) 3.77 3.08

Temperatuur IN CC) 20 0

Temperatuur UIT (OC) 9 5

Drukval (kPa) 84.1 13.3

Materiaal 316 L staal 316 L staal

- - - _ . -

-FVO 2956 46

v 8.2 Stotbalansen

De stromen in de onderstaande stotbalansen zijn afgerond op kilogrammen. Tabel 5: Stotbalans over R3.

~'

1 Stof 11 IN (kg/batch)

I

UIT (kg/batch)

I

Water 2063 2160

'-<' Water in waterstofpe- 97

roxide-opl

Water uit ontleding 52

waterstofperoxide Waterstofperoxide 98 Pen-G (kaliumzout) 318 Pen-SO (kaliumzout) 331 Zuurstof 33

I

Totaal 11 2576 12576 1

Tabel 6: Stotbalans over M8.

I

Stof 11 IN (kg/batch) 1 UIT (kg/batch)

1

Water 2212 2506

Water (opleg) 300

pen-SO (kaliumzout) 331

pen-SO (vrij zuur, kris- 328

tallen)

Pen-SO (vrij zuur) in 1

oplossing

Zwavelzuur 43 1

Water (in zwavelzuur) 24

Kaliumsulfaat 74 ',-,' 1 Totaal 11 2910 1 2910 1 AWvD & MdG

FVO 2956 47

Tabel 7: Stofbalans over M12.

I

Stof

I

IN (kg/batch) UIT, stroom 6 UIT, afvalstroom (kg/batch) (kg/batch)

Water 2506 65 2441

Spoelwater 2500 2500

Pen-SO (vrij zuur, 328 326 kristallen)

Pen-SO (vrij zuur, 1 3

in oplossing) Zwavelzuur 1 1 Kaliumsulfaat 74 74

I

Totaal 11 5410 1 391 15019 1

Tabel 8: Stofbalans over M16.

I

Stof 11 IN (kg/batch) 1 UIT (kg/batch)

1

Pen-SO (vrij zuur, kris- 326 326 tallen)

Aanhangend water van 65 3

de kristallen Verdampt water 62

I

Totaal 11 391 1391

I

AWvD & MdG