Bereiding van melkzuur langs fermentatieve weg

voor Chemische

Techno

'

log

~

le

Ve~rslag behorende

onderwerp:

·,"i' _{" ...} .c.l:B.er~i4lng van melkzuur lang$- ';'" " ~ -...

-.

," te-ment~tiev:e weg ,', '.,

... -... _ .. _ ... · ... 6 ... _ ... ~ ... _ .. __ ... ...

BereidinG' v<J.n melkzuur d·Jor Cont inuo fermentatie. Capaciteit: Bedrijfsuren.: Renderr.ent: Grondstof: Proceseenhedon: Knelpunten: 4000 ton/jaDr 2/3 jaar/ ja2.l' 96~~

vruchtvlû.ter aardappelmeelindust rie st eri Ii S.J.t i ese ct i e ejecteur buisrc::Jctor -.flashverda~per fermentatiesectie - 2 fOl'mentorcn coagulatiesectie co aeul at i eV;].t kl a.ri nest D.nk

roterend vacuum filter verdamper

aunzuringssectie

aon.zuur"tank

roterend V3cuwn filter verda.mper

ext r3.ctiesect i e

2 ext ractoren (zeef~üa"tkolonme1j)

2 verdam~)er8

\.,armt ehui shouding

- 1 -nmcUD I 11 111

IV'

v

VI mo~elijke bcreidin18wijzcn 2 • 1 .0:!':';:~~~~~ 2. 2 El~!.~::! . .:1:':::':::~~_È~=~~~~~2E~~1~~:; ui tgaw;SDuEten voor ~et Ç?ntHcrp 3.1 a~rda~~clmeclafval

eindnro~uct en afvalstromen , -corr03ie ~8chri j v s Véln het ...P..~

4.1

EE~E~~È.~.:::~E!l~~~~ •

4.2

~E~!.0:E!~:;_~~_E!!::E~l!!~~!_~~E_2:~_~22~EE:!~~E 4. 3 ~~~!i:~_~ kinetiek

5.1

~!rr~~~~:Q;

5.

2 ~!!!:~!~

.

.9.!.::_.~~~_9:~_~~~:!~~~~E~~E:::!~E!.l apDarn:t cn bc:,ckeninc;

6.1

fcrme:rtoren 6.1.1 a.lgemecn

3

3 6

7

7 7 9 11 11 13

14

15 16

16

17 19 22 22 22

27

27

27

6.1.2

optimali se.tie van inhoud en aa.nta.l fermentoren

29

6.1.3

verdere dimensionerin~ van de fermentoren

31

6.2

6.3

DH beheorsin,3 Ji.. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ sterilisatie 6.3.1 algemeen

6.3.2

berekening ~assa en warmtebalans

6.3.3

dimensionering buisreactor

R3

6 • 4 ':::~E:~~~2 t i ~._.~~_!~!!E2!!~ coaGul3.tievat k.la.rir.L:jst ~,l11~ , . en 0 ma. S s 0.

44

49

49 51

53

53 53

56

58

6.5

extrD.ctie

6.5.1

voorl,euerlcing

6.5

.2

enige fysische ~egevens

6.5.3

berekening tra.nspoI'teenhed.en

6

.

5.3

.1

eerste kolom

6

.

5

.3.2

tweede kolom

6.5.4

dimensionerin:; extractiekolommen

6.5.4.1

eerste kolom

6.5.4.2

tweede kolom

6.5.5

nabewerking

VII massa en warmte balans VlIr conclusie appendix symbolenlijst li tera.tuur •

59

59

59

62

62

64

65

68

78

82

83 91

92

94

98

3

-I -INLE-ID-ING

1.1 Algemeen (1,2,3,4,5)

Melkzuur of a-hydroxypropionzuur (CH

3-CHOH-COOH) werd in 1780 door Scheele ontdekt in zure melk. In 1847 ontdekte Blondeau het als een produkt van fermentatie, dat pas in 1881 door Avery van Littleton, Mass. op commerc .ële basis werd gemaakt, vooral

~m de tartraten in bakmeel te vervangen.

Door zijn struktuur heeft melkz~ur een optisch aktief koolstof-atoom, waardoor er twee optische isomeren voorkomen, het L(+)-melkzuur (linksdraaiend) en het D(-)-melkzuur (rechtsdraaiend). Daarnaast komt ook het racemisch mengsEl voor, het DL-melkzuur.

Melkzuur kan twee manieren gev)r~d worden, homofermentatief en heterofermentatief. Bij de homofermentatieve mrthode is het ei~d­

produkt meestal het L(+)-mell:zuur, bij de andere methode ontstaat

, naast het D(-)-melkzuur ook nog CO

2 en ethanolo Toch zal het eindprodukt vaak een racemisch mengsel zijn, omdat het enzym

racemase, dat do~r verschillende bakteriën, ook sommige

melkzuur-bl~teriën, gevormd wordt, het produkt optisch inaktief maakt.

Het melkzuur kan uit velerlei soorten uitgangsstoffen gevormd

worden, zoals uit wei, corn sugar, blackstrap melassen, aard-appelen (na hydrolyse) enz., zolang er maar een suikerbasis is.

De zuiverheid van het produkt hangt geheel en al af voor welke

doeleinden het gebruikt moet ivorden. In grote Ij jnen zijn er

drie graden van zuiverheid:

r) de ruwe of technische graad melkzuur waarin nog vrij vee: . verontreinigingen voorkomen, echter vrijwel geen zHavelzuur

en calciumlactaat. Djt melkzuur vindt vooral zijn toepassing bij het ontlijmen van huiden en het maken van 1gero

worden; vooral moeten hieruit vaak koper- en ijzerzouten

verwijderd worden met ferrocyaniden. Dit melkzuur vindt voaral zijn toepassjng als zuur in de textiel-industrie, in extrakten, vruchtsap en essences, in limonade, pickles, siroop,

melk-produkten enz .. Het wordt gebruikt bij de bierfermentatie en

andere dranken, waar het bij pH-regelingen dienst kan doen.

Een geheel andere toepassing he~ft het in de chemische

indus-trie, waar het gebruikt wordt bij het verven van diverse textielsoorten (o.a. zijde) en als bijtrJiddel voor \vol. Onder deze eetbare graad valt ook de z.g. plastic graad die een iets grotere zuiverheid heeft en die toegepast wordt in de plastic-.industrie.

3) de U.S.P. graad. Hierbij wordt tot een erg grote

zuiverings-graad gegaan. Dit melkzuur wordt gebruikt in de geneesmiddelen

ini.ustrie.

Naast het ~alkzuur vinden ook de daarvanafgeleid(! lactaten, esters

en ethers een ruiDe toepassing, o.a. in bakme~l, geneesmiddelen,

tabak- en m(:ta:::.lindustrie, inkten, plastics en lakken.

o-ver de jaarproduktie voor de gehele wereld is \..reinig te zeggen.

In Amerika werd in 1917 500 ton geproduceerd en dit is tot de

tweede wE~reldoorlog opgelopen tot 2500 ton. Tijdens de~;e corlog is de produktie sterk gestegen (tot 4500 ton) omdat kalimn- en 'I (

( ) na trLunlactaa t gebruikt Wf rden als koelmiddelen in tanks. Na de oorlog viel de prod~ktie weer terug tot 2500 ton en deze is toen gestegen tot meer dan 4000 ton in 1966 met een gemiddelde prijs van 37 dollarcent per pound.

European Chemical News (6,7,8) geeft enige prijzen voor 80% eetbare graad voor de Verenigde Staten en enkele Europese landen (tabel 1.1). Helaas wordt hierin de prijs voor Nederland niet vermald.

Op-vallend in deze tab~l is de relatief lage prijs in Franl:rijk en de relatief hoge prijs in Engeland.

USA

US cts/lb

(6)

:

33,50

(7)

:

33,50

( 8 \ î • I ·

33,50

Frankrijk België Duitsland Italië

Fr/kg US cts/lb Fr/kg US cts/lb DM/kg US cts/lb lire/kg US cts/lb

2,65 21,7

35,00 31,9

2,66

33,0

448

32,7

2,65 21,7

35,00

31,9

2,66

33,0

448

32,7

2,65 2I,7

35,00 3I,9

2

,52

3I,3

448

32,7

Tabel. 1. 1. Enige prij zen voor 80% eetbare graad ID,ûkzuur.

~I

1 I

1

1 1

k

J'

(I

Ili

....

~

. r

:.:,j

1.1

J

- - - j - - 1 - - 1 I - " , I , y _OIr· t-

r-'i.;

I

r

'I

1

-t-~It;

-

I.

b~J\

--t---t--+--~---+---!/- - \ /"

Figurc 3. Comro~; I :un of A'IlH:OllS Lactic Acid

SolutiollS 'lIlU DdlyJratl'd Lllclic Aciu

Fig. 1.1 Samenstelling melkzuur (9)

Engeland

1/100

kg US cts/lb

28,10

30,5

33,00

36,0

33,00

36,0

\ .. -'1

- 6

-In Nederland wordt jaarlijks 3000 tot 10.000 ton op fermentatieve

wijze geproduceerd door de Chemie Combinatie Amsterdam C.C.A.

te Schiedam.

1. 2 Chemi Boht" en fysisc;he ej p;c.w~chappen (5)

MelLzuur heeft z01,,81 een hydroxyl- als een carboxyl groep en ka,n

dus zelfverestering ondergaan bij voldoende concen~rering.

Hier-door ontstaat er polymelkzuur. Dit polymeer kan donr koken met

water of natronloog weer overgaan in het me'nomsre zuur. In Fig.

(1.1) (9) is duidelijk te zien in hoeverre ingedampt kan worden

zonder al te grote hoeveelheden poly~elkzuur te krijgen.

Zowel het L(+)- ),ls het D(-)-Ti101kzuur hebben een srneltp"Wlt van

52,8 °C, terwijl het racemisch mengsel smelt bij 16,8 °C. Het

kookpunt is erg moeilijk te bepalen door de zelfverestering,

maar wordt op ongeveer 190

°c

gesteld. Hierdoor worden de

eigen-schappen va~ de waterige oplossingen belangrijker dan die van het

zuur zelf.

De viskosi tei ~ ligt voor oplossingen o::'lder de

50%

tussen I en

4 cP, terwijl de dichtheid dan variëert van 1000 tot 1100 kg/m3

(10).

De oplosbaarheid van melkzuur in water en verschillende organische

oplosmiddelen als alkohol PYl aceton is Arg goed. D2 verdelings

-coefficiijnt met water variëert van 1,5 voor alkoholen tot 20 ;

-

7

-2.1 al,'remeen.

De ver8chill~,:mde bereidi nc:sh'ijzen van melkzuur zijn rmme:; i11 t~·;ee

categorieen onder te verdelen n.l. de synthetische en de fermentéJ.tic'le

methode.

In het a.leemeen ka.n men stellen dat in het eerste

z

e

val de "?rijs Vé:n

de te gebruiken grondstof het l:nel pu..'1t is, ter,lijl bij fermentatie de zuiverinG' va.n het G'evormrlC' product het Grootste probleem li.jkt.

De l aatste jaren is het synthetisch bereide Melkzuur sterk na~r voren gekomen ten koste van het fermen.tatieve product.

Als gevolg hierva.n moesten in de Verenigde Staten alle bedrijven, die

melkzuur l an,';'s fcrment a.tieve Vle:; bereielden hun poorten sluiten.

Ook in Europa Hordt mell:zuur lanzs synthetische \-leg ,c:~eproducecrd (BASIi' en wellicht binnenkort TIh6ne Poulenc), maar dankzi j Geavanceerde

produktie en zuiverin.';3methoden kon de f8rmeat.:.tie zich hier':,,01 staande houden.

Belan3rijk hierbij is het feit dat bij synthese al t i jd 0011 racemisch

mengDel gevormd ~ordt, ter~ijl bij ferment atie vaak sl echtD één optisch

i someer ontstaat.

Vooral voor babyvoedin:; i e het belan~rijl~, état het a.l s COll scl'verincs-middel toeGevoeGde mclkzuQr linksdraaiend ( L(+) ) is.

Het D( -) i~Jomee~ is voor de mens een lic~aé:-msvreemde Gtof, · zorlo.t het dan ook te ver\!achten i s dat binnen korte tijd melkzuur m. b.t. h3.::;.r

optische isomerie onder de, l'Varemlet gebracht za,l '·lOrden.

2.2 synthet~sche berciclinsl':ijzen

a. Uitgan,lc stcffen: (12, 13) aceetaldetydc, CO , H 20 Neven-;Jrorluctcn: meth2.nol Rendement : 45:i~

o

plne rl~i:n ,'I~~!!.:.

de proccsconditie8 voor deze reactie zijn erg ongunstig door de

b.

c.

d.

lie,;in,3' vO.::1 het evemá cht: zeer hoee druld::en zi jn vereist.

UitganCGstoffen: (5) aceetaldehydc en HeN TU8:~ennroduct :

lactoni tril

Rendement:

•

niet gepubliceerd, maar gezien de concurrerende prijs van het

eind-product zal dit vrij hoog li~zen.

Op:nerkinG'en:

Het lactonitril ontstaat als bijproduct bij de acrilonitrilberciding.

'r,~onsa.nto ' sla,3S'de er hierdoor in melkzuur tegen een zodaniGc pri js

te produceren, dat het iich in de V.S. een monopoliepositiè verwierf.

Ui tg2..ng-sstoffen:

chloorpropiol'J zuur

Opmerkin,.-;en:

• (hydrolyse)

Door cie hoge kosten van het uitgangsproduct is dit proces nimmer op

commerciele schaal toegepast, en is als zodarüg dan ook een typische

laboratoriumreactie.

UitsanJsstoffcn:

(1

4)

(patent

BASF)

propyleen, stikstof oxiden, zuurstof. Tus~enproè.u.k:t:

mel:czuurni traat

Opmerkins:;en :

De reactie vindt pla~ts ·in twee reactoren bij resp. 8 en 15°C.

Stikstofoxiden \Vorden vervlijderd door het ni tra.;:.t gedurende 7 uur

bij 15 200 onder ve.cuum te houden, ~·l3.arna. het ni tr3.at met ~'later

( 1:10 ) bl'J' 1000C \-101' dJ. " oméjcze'." ln me.L " ] :zuur.

Zui vering guschiedt door enre.ctie met een mengsel va.n 750 mI ZHa.re

gasolie en 250 mI Amberli te LA I. Het IDm 3 cehal te in de melkz

uur-oplossing daalt hierdoor tot beneden de 0.01% •

De voorzienin:;en 1;:elke men moet treffen ter voorkoming van stikstof-~

oxiden overlast, lijken te worden Gecompenseerd door de aantvekk

- - - -- - -

-_. 9

-De fermentatie V!ln melkzuur vindt plaa.t:::; onder anaerobe omstandigheden,

wat het reactor ontwerp vrij eenvoudig maakt.

In t abel 2.1 sca::.n de meest bekencle combina.ties van homofermentatieve

microorganismen lTlet hun mogelijke voedingcn weergegeven. (Hetero

-fermentati e ' is" vanzelfsprekend cOl:unercicel niet aantrekkelijk.)

microorganisl7lc voedinó t~ülperct:tuur

Lacto bacill us Delbrueckii dextrose ,mal tose

45

°C

L.

Bulgaricus l a.ctose,wei,mclk,

dext ro se, ma,l t 0 sc

45-50

o

C

L. Pentosus pentose,dextrose,

maltose

30°C

L. Casei melk, \'lei

30°C

L. Lei clunani i dextrose, maltose

30°C

Streptococcus Lactis melk, wei

30°C

L. Pentoaceti CUG xylose 300C

tabel 2.1

In het algemeen wordt de voorkeur gegeven aan de L. Delbrueckii met

een voeding op Clucoscbasis. Dit microorganisme is n.l. "lürkza~lm hij

een vrij hoge temepera.tuur

(4

5

°C),

vJaardoor de kans op besmetting met

andere microorc-anismen vrij Gering is.

De verdere proceszang onderscheidt zich voornamelijk naar het ver~chil

in type :mi vering van de \'Ja.t erige melkzuur oplossing \'Jelke uit de

fermenteren komt.

Voor de verschillcmde graden van zuiverheid kent men:

a. Techmische CTaad.

Affil tratie van de biomassa en vervlijdering van de meest storende

bestanddelen. b. Eetbare graad.

Na de bovenvermelde behrrndelinz slaat men het melkzuur neer als

cél,lciuml actan.t.. Eekriste.llisatie, a.anzurir,.3' met z"Jave]zUilr en

affiltratie v~n het 38vormde ~ipB eeeft dan het ~ewenste eindproduct. c. Pl~stic graad.

gee)..'i;raheerd met isopropylether.

d. Farmaceilt is che (lL3?) gra.El.d.

Al s uit~anesproduct neemt men weer het technisch zuivere melkzuur.

Men heeft nu de keus uit:

stoomdcstilla.tie ender vacuum ( te duur)

het melkzuur omzetten in zijn rnethylester, fractioneren,

hydro-lyseren en destilleren. •

het melkzuur omzetten in een a.lkylaminezout gevolgd door extra.cti(~.

Ionenwissclaars en actieve kool worden vaak toegenast als nazuivering.

VI

De hele fermetatie ka.n zOvlel continu als in batch geschieden. Continu

werken vra,3,gt echter om een betere steriliaa:tie en procesbehee:!'-'sing en YlOrd"'; daarom, hoel·:el het procestechnisch eenvoudiger en ~)roduktiever

is, minder toegepast. (17)

Voor melkzuur is een procestijd voor continu werken ~erapporteerd van

60 dagen, voor batch

5

-

10 dagen.

Met de toenemende concurrentie van synthetisch melkzuur lijkt het even~el

beslist noodzakelijk de mogelijkheden van continue fermentatie verder

te onderzoeken.

Voor het onderhaviee procesvoorontwerp ,:!erd. mede hierom gekozen voor

een bereiding vÓla continue fermentatie.

Een tweede over'.Ieging, Helke a:m deze keuze ten grondslag ligt 1 is

het feit dat grote hoeveelheden aan hoogwaardig organisch

voedings-materiaal, die' jaarlijks verloren gaan en bovendien ean er~8tige

belas-ting voor het rnilieu vormen, hierMee ten nutte gemaakt kunnen vIorden.

Al s voeding werd daarom het vruchtv!ater va.n de Groninger

'

..

.. ti,;

- 11

-111 UITGANGSPLJTJTEN

3.1

Aa~dappelrueelafval (IB)

Zoals in het vorige hoofdstuk reeds gesteld is, is een van·de

8,rg-Qf;1enten om op fermE,n ta tieve wij ze melkzuul' te maken het over-schot aan biologische afvalstoffe~ in Nederland. Door de lozing

hiervan in riolen en kanalen wordt de belasting voor de natuurlijke

afbraakstaffen zo groot dat op verschillende plaatsen sprake is van biologisch dood water.

In een poging hiervoor een oplossing te vinden is met dit ~roces­ voorontwerp nagegaan hoe de th30retisJhe mogelijkheden zijn om de Buikerlozing te reduceren.

Een van de grootste probleeBgebieden op watervervuiling zijn in

Nederland de aardappelmeelindustrieên in Oost-Groningen. Volgens Peters (19) ,,,ord.en door deze indust:_'ie;?:'l jaarlijks gel"osd:

.15.000 ton eiwitten 15.000 ton amin~zur8n

5.000 ton suikers

150000 ton mineralen, (voornamelijk K

2HP0

4

).

Bij de aardappelmeelpro~uktie wordt op verschillende plaatsen

waswa~er gebruikt, nl.:

a) bij het wassen van de vuile aardappelen, het waswater; b) bij het raspen en zeven, het pulpperswater;

c) bij het concentreren van de zetmeelsuspensie, het vruchtwater; d) bij het wassen van het zetmeel, het zetmeelwaswater; en

e) bij het ontwaten,n En drogen van de zetmeelbrij.

De stroom waar de meeste biologisch afbreekbare stoffen in aanwezig zijn, is het vruchtwater.

Zoals het vruchtwater uit de fabriek komt is het erg ve~dund

Veendam heeft voor dit vr~chtwater een kcagulatieproces ontwikkeld dat een groot deel van de eÏ\ritten verwijdert, maar de suikers voor een groot deel in het restwater terecht doet komen. Dit restwater heef~ een droge st~fgehalte van

3

,5

à

4%,

waarvan de

sLmenstelling globaal is:

20'/0 suikers voornamelijk saccharose, glucose en fructosE

, 33% aminozuren

rv.-f +

I~ kalium als K

verder organische zuren als citroenzuu~ fosfaten

oplosbare koolhydra.ten, die na hydrolyse gemakkelijk suikers geven (20)0 Er zit zeker geen zetmeel in, zodat er geen last zal zijn van verstijfseling van de fermentatievloeistof.

Wanneer aangenomen wordt dat door hydrolyse nog

5%

aan suikers gevormd wordt, dan kan dt" samenstelling van de droge stof gesteld worden als: 25% suikers (voortaan glucose genoemd)

33% aminozuren 42% reststoffeno

Gezien de lage concentrati e aan droge stof is het van belang het restwater in te dampen. Bij de reedsgenoemde AVERE is men bezig een zo gun~~tig mogelijk indikprocédé te onbrikkelen, met-behulp waarvan de juiste samenstelling verkregen kan worden. Deze

samen---

---stelling wordt bepaald door de fermentatie omdat de ingaande

stroom een suikerconcentra'tie van 50 kg/m3 moet bevatten. De

uiteindelijke samenstelling kan nu berekend worden uit de sterili-satie-gegevens en zal behandeJ.d worden in hoofdstuk

6.3.

,-î

- 13

-( 16, 21 )

Als microor3'a,ni sme \,rerd de Lactob;;;,cillus Del brueckii geko:,;en, vo

or-namelijk vanwe~e het feit, dat dit bacil werkza~m is bij een

tempe-ratuur die voor andere microorganismen minder gunstig is.

Bi j continue fe:Cr:1cntatie i c deze eigenscha.p V3,n ext ra groot belang.

Voor zijn ,:;-roei is een ze8r ~ecompliceerd pakket a'ln voeriin,3'sstoffen nodis- bestaande uit een veert iental aminozuren, vier vitamines, en

sporen ijzer, mangaa,n, fosfaê1.t,ka,lium en magnesium, alsmede geringe

hoevealheden uracil, hypoxanthineen onverzadi~de vetzuren. Acetaat

schijnt de groei opr:1erkelijk Ge versnellen,

De voor het verrichten van de levensfunctiEE benocti'1de enercie wordt

geleverd door anaerobe om~etting van suiker in melkzuur.

De inge1-Jikkelde samenstelling van dit voedselpak:-:et verklaart de

voor-keur voor voedinGen als 'dei, melk en suikerbietenafval daar de7.e doo

r-gaans vele van de benodi~de aminozuren zullen bevatten.

Voor proefner:1in::;en en produk.tie op kleine schaal is in het verleden vaak een voeding eebruikt van de samenstelling: (22)

elucose 5,I:> 11 gi st ext raat 3" (J (aminozuren) gil MgS0 ₁ 0,6 Lt PeSO 4 0,03g/1 r.1nS0 4

°

,03g/1 Nat ri umacet aat 1 gil K2HP04 0,5 gil KH₂PO

4

0,5 gil

Het gistextri.'tct i:: hierbi j in overmaat a,:;,m,ezió•

Vele van deze stoffen bovinden zich eveneens in het :r'estHiJ,~~eI' van de

,I, •

aa,rdappelmeelindustrie. Dacr het echter niet precies bekend is in

hoe-verre de in dit afval ,·,a.ter aam.;ezige amino7.u:ccn de behoeften van het

L. Del brueckii dekken, i s in het vooront,·:er~) rekening gehouden met een

ext r3. tocvoe,-;in . .:; van ~~istextract.

AJs ui t eindeli jl:e va edil1C"sa!ilcnGt elI ing ,lord r~Gko zen:

I I1

!

1

I

I 11 I I

e;luco::::e

zistextract

amino:3uren

5

%

rest

7

%

(o.a. kalium en fosfaten)

spo ren ma:~ne si urn, manga.;:J.n en ij z er

Proefnemingcn op l aboratori umscho.:J.I zi jn echt er noodzakeli jk om

de werkzaamheici va.n do?:c voecling te testen.

3.3 ca.naciteit, jaarprodukti e en bedri.1fs::ren

Produktieci. jfers va.n besta.0.nde melbmurfc.bri Jken ~'iOrde::1 uit con curren-tieoverwegingen niet verstrekt, ~odat een capaciteitsbepaling enizszins

arbitrair moet zijn.

Als minim-,lm produktieca.paci tei t \';ordt in het voorontvICrp een jaa

r-produktie va.n

4000

ton a.;mzehoudcn.

De dimensiol1cTin.; van de api"lar2.tuur vindt pla.::;.t s op baci s van een effec

-tief gebruik van 2/3 jaa.!' per ja'3-r. Dit komt dus neer op cen vereiste

.

_-

---uurproduktie van;

3/2

x

4000

=

0.

684

ton/h

8760

of 0 , 1 9 kZ/ s

Do resterende tijd k~n gebruikt worden voor sterilizatie en

ond.:;rhoud van de appa:ra.::buur, en op~'lCrking van de culture tot de in d.o

fermen~oren vereint e conccrrtrati e aan biom~sca..

Een goede procesbeheersing kan deze tijd echter aanmerkelijk bekorten.

3.4 eindproduct en afva18tromen

Het proces i s er op gericht mel!~zuur te vel'krijb'en van een

zuiverheids-gr3.ad >omlke de eetDélre en pla~ti c G'ra.:,d. ~oed ben3.dert.

Het· !:.i!!.dJ2.r2.d2:i~c!. vmrdt geleverd in een concentr2.tie va.n 24%. Door ~

verdere inclc.mpint; kunnen da.n alle sel·.'enste s~Jecificetie38"eleverd \!Oru.cn.

~:aast het einè.prodl.~d moeten echter ook nOi; een aC:l.lrb l afvél.l stromen

verHer:~t ;,·:orcl·::n.

1\:2n bio;TI;·,.ssa

Dit bCVJ.t nac,st G'cco,;~,;-ule(;rc: colm-.;-t.eri~.··,l v:=.;n de bactcriecn ook l!()~ het niet ver"tJrui ,tor:ir.;-textract en 8.:7!in0:3l..:J'cn.

- 15

-Proefnel:!in,;en kunnen de benodi:;de hoeveelheid gi st ext ra ct no.dor

be~alen, zod2.-~ r.1cn k,:;.n B.3.n'1emCn Q2.t bi j een OI)tima."J.l .;or:ccnde ~rod'..lktic

in deze él.fvalstrooni c-een .'~intc:-::tr:).ct meer zal voorkoGlen.

Het materia.:ü \:O.t men dC.n n0E; overhoudt i s rijk aan eiui tten en a.mino-zuren en kan niet crespuid worden, daar dit een te grote belastin1 von

het o}Jfiervlél.~dec·i2.ter met zich nee :eou brengen.

Na. verder dro~inJ is het wellicht te Gebruiken als toeDlag in veevoer

of als voedin~Gverstcrker bij verschill ende ferP.'lentatien. Na.dere studi e

is echter \;01 vereist, el;).D.r mog'elijk (;ifti.:;e stoffen in dit product

voorl::omen. In cla.t E;eval is verbranclin; de eEige oplN}sin,'j.

Aan:22.~ i:iOrclt :per uur 583,2 kg' afcefiltr'ecrd (= 3tr

oo

ton/ja.'H). Verdere verhan~clin~ is hier niet 1ehecl uit~cnlotcn.

De!,8 ~ i; E,t EO S?.l~ , "'[elke de eer;.;"t e c:;: t racti ekol om verla:J.t (2105 ke;/h of

12000 ton/ja.:::.r) bevat ni_'.D.ct 40% 'flater, resten meltkzuur on calcium, de niet ver\!crkte stoffen ui i: het a.fviJ.hï3.ter d2.t al s vocriing 'I,-or<1. ge

-bruiJ.ct. Het is moeiliji~ é'.'J.n te ~even om '.le1ke f,itoffcn hei hi er !"recic3

ga.at , ma,~.r in ied.er :,;ev2.1 heeft men dit a.fval in eon beduidend gocon~ ccntreerdere vorm verkre~en.

corrosi.e

He'~ melkzu,\.l.r is ook in verdunde vorGl betretckcli jk corroDief f zodi:!.t voor

vaten, leid,in::;cn e.d. hoog'vlilJ.rdige ste.û.lsoortcn of andere corrosi

e-bestend.ige mO.terialen zoals hout :;ebruikt moeten \'lorden.

Bovendi en ve2'di ent het aanbevel ing z·o \'Jeinie in()~l i jk

delen in de appar~tuur op te nemen.

IV ALGEMENE PROCESBESCHRIJVING

In dit hoofdstuk worden achtereenvolgens behandeld:

4.1 procesbeschrijving

4.2

opstarten en steriliteit apparatuur

4.3

dialyse-systeem.

4.I Procesbeschrijving

(23)

In de voorgaande hoofdstukken is de motivatie naar voor gekomen voor zowel fermentatief, continu als de te gebruiken voeding. Hoe nu is de loop van dit proces?

Voordat de voeding in de fermentatiebakken stroomt moet deze eerst gesterilise8rd wordel1, teneinde nevenreakties van andere bakteriën tegen te gaan. Dit gebeurt met de z.g. HTST-methode (High Temperature Short Time), zoals die beschreven wordt in hoofdstuk

6.3.

De fermentatie van melkzuur is vrij uitgebreid onderzocht door

Luedeking en Piret

(24,25),

die voor verschillende pH-niveau!s

zowel het batch als het continu proces bestudeerd hebben. Zij

kwaIllen tot de conclusie dat de continue fermen ta tie optimaal

verliep bij een pH

=

6,0 en een temperatuur van

45

oe, waarbij uitgegaan werd ven een voeding die

50

~g/ml glucose en

3%

aan gistextrakt bevatteo

In dit voorontwerp is naar dezelfde voorwaarden gestreefd. De pH-regeJ.ing wordt verzorgd door een gecontroleerdA toevoer van gebluste kalk. In het batch-proc~d~ wordt de pH vaak op peil

gehouden door een grote overmaat aan krijt in de fermentorbakken

te storten, die automatisch de pH regelt, waardoor bovendien

door de CO

2-ontwikkeling in een zuurstofarne omgeving gewerkt

wordt,wat voor dit anaerobe proces niet beslist noodzakelijk,

, .

I

- 17

-Alvorens het gevormde lactaat op te werken moet e~rst de gevormdA

biomassa verwijderd worden. Daartoe wordt bij een pH

=

10 en een

temper;ituur = 80 oe de biomassa gedcsaktiveerd en worden bovendi€~

de nog aanwezige eiwitten (vnl. albumine on globuline)

gekoagu-leerd, waarna ze afgefil tree::-d kunnen worden (zie hoofds tuk 6.4).

Het opwerken gebeurt in de aanzuurtank, waar ~et behulp Vln een

zwavelzuuroplossing melkzuur t'n gips gevormd worden (zie

hoofd-stuk 6.4). Het gips wordt afgefiltreerd en het filtraat \v"ordt

ingedampt tot een voor de zuivering geschikte conc3ntratie.

Voor de zuivering staan ons verschillende meth~den ter beschikking

zoals uit hoofdstu,< 2 al g~bleken is. Door de grote

verontreini-gingen van de meR:kzuuropJ ossing -als gf!volg va:l ds gebruikte

voeding- zal een grondige zuj.veringsmeth~de toegepast moeten

worden. De methoden die in aanmerking komen zijn:

I) reaktie met aLkoholdampen in een gepakte toren (26); deze

methode wordt veelal teegepast voor de produktie van lactaa

t-e3terSj

2) extraktie met isopropylether en re-extraktie met schoon water

(27); hoewel de voorkeur van melkzuur voor de waterfase is,

kan door een grotere stroom ether een goed resultaat bereikt

werden. Jenemann merkt op dat er geen zouten, suiker~ en

kleurstoffen oplossen in de etherfase. Underkofler en Hickey

(28) merken op dat er toch nog wel enige sporen suikers en

kleurstoffen ~n oplilissen, die echter door bleken met aktieve

kool vrijwel volledig verwijderd kunnen worden. Deze methode

zal in hoofdstuk

6

.

5

beschreven worden.

4.2 Opstarten en s te:.:-ili tel t a.r'para tuur

In dit voorontvlerp wordt niet nader ingegaan op het opst1::.rten,

dat bij het begill en het "rernieuwen va.n de bakteri2k"~11 turen van

I

I

I

J' Fermentor A ... _- -.

_

_

._ -.-Fig. 4.I (30) model voor aseptisch enten van

een f C1ÜlC:1 tor

De kulturen moeten genomen worden van "voorr9-ad kultureri", die

in verschillende vormen te verkrijgen zijn, zea!s:

r) "soil stocks", waarbij een suspensie Véln het organisme gedroogd.

i3 in st~riele grond;

2) "lyophils", de kulturen zijn bevrorpn en gedroogd onder vakwJ.m;

3) op agar basis: het organisme bevindt zich op een geschikt medium dat verstevigd is met 8.gar (29).

Deze kulturen worden eerst in een entfermentor tot ontwikkeling gebracht, van waaruit ze aseptisch worden toegevoerd aan de fermentoren. De grote van zo'n entferrr.entor is I à 2 m3 (J<'ig.4oIJ

(301. Voord:3t de entkult1.Ä.rcn aangebracht kunnen worden, moeten

de fermentoren en toevoerleidingen goed gesteriliseerd worden om verontreinigingen tegen te gaan.

19

-Friedman en Gaden zijn in hun studie naar de groei en zuurproduktie

van Lactobacillus delbrueckii tot de conclusie gekOl:rJ.en dat het

~lactaat ~d

werkt na de z.g. log-fase -dit is de fase waarin

I

À/ ~. dE' bakteriën groeien volg'ens een exponentiële

kromme-0 Zij

.T

( '

01'

hebben di t onderzocht in een batch-kul tuur onder nagenoeg dezelfde

\Ji<

'

.o.~

omstandigheden als ~n dit voorontwe~p b~schreven (nl. T = 42 oE en pH = 5,8). Eerl schematis :::he tekening van hun dialyse-sYl;teem is weergegeven in Fig. 4.2. Zij vonden dat zowel de bakteriegroei (Fig. 4,3) als de melkzuurproduktie (Fig. 4.4) toenamE·n bij

gebruik ervan.

De vraag rijst nu of dit ook rIogelijk toepasbaar is op een continu pr_'JCe3 en welke de specifü,ke mOEJilijkhed n zijn? De vraagt,~kens

mreten vooral geplaatst worden achter:

a) zijn de resultaten van een 0nderzoek in batch zonder meer

te gebruiken in een continu systeem? b) waar kan een dialyse ingeschakeld worden?

c) hoe een goede referentievloeistof te ki,~zen?

d) is het eigenlijk wel een haalbare kaart?

Ad a): Onderzoekingen van L~edeking en Piret (24,25) hebb~n

aangetoond dat de reeultaten voor melkz~ur in een batch-kultuur zo te gebruiken zijn voor een continu proces. Men kan aannemen dat dit ook het geva] zal zijn met de

dialyse-res~ltaten, orndat het in fèite niets anders i s dan het kiezen van ee~l bepaald ,t)roduktie-niveau.

Ad b): Dialyse heeft pas effekt na de logfane van de bakteriën en zal daarom overbodig zijn in de eerste fermentor, waar aan het eind van de logfase gewerkt wordt. Slechts in de tweede fe=mentor kan het zijn nut bewijzen (zie hoofdstuk

601) •

Fig: 4.2 Schcmntic di~;;r:lm of diaiy~i9-fermcr:t:1t.ion system.

"~""~

~::

.

1

1_\

.\

\

~

o 2 4 Ó 6 10 12 14 16 lil 20 hours .•

F i g • 4 • 3. Etl'ect of dialysis on integrated specific ;;rowth. (C) run 27. (,.:,.,) run 11.

TIME, hrs.

:h'j. g. 4 .. 4. Intctir:l.tcd specific acid p~oduction.

Alle Fig. uit (22)

- 21

-Ad c): De enige twee vloeistofstromen uit het proces, die in principe in aanmerking kunnen komen, zijn de voeding en

het raffinaat van de eerste extraktiekolom. De voeding

kunnen we hier wel vergeten, omdat we dan het melkzuur in een suikeroplossing brengen wat juist een erg moeilijke scheiding met zich meebrengt. De andere stroom is wel te

gebr-uiken na eVE,ntuele verdunLing met 'Nater en op peil

brengen van pH (~et gebluste kalk) en temperatuur

(= 45 °C). Zowel farmentorvloeistof als raffinaat hebben dan nagenoeg d,?-zelfde sE.menstelling op lactaat en ~luc(lse

:1.a. De e.1.ig mcgelijke oplossing is het €,'ebruik van 'Jen

dialysator die wel lactaat maar geen glucose doorlaat.

In ho~verl'e hierin voorzien kan worden is ons niet bekend.

Ad d): Naast deze bezwaren zijn ar nog enkele praktische problemen;

r) de referentievl~eistof moet steriEl zijn; dit brengt weer een sterili3sti~ ~et ~toom met zich mee;

2) na de f 8rmenta tie moeten bDid(.) strC'men bi.j elkaar

gevoegd ,,;crden, wat vergroting van de navolgande apparatuur zal vargen.

Dit alles zal de kostprijs doen stijgen, dil! aan de andere kant verlaagd wordt doordat een kleinere tweede fermentor gebruikt kan worden.

Concluderend kan gesteld worden dat de voordelen 7an dialyse niet op zullen wegen tegen de nadelen. In de praktijk wordt het zelden in het produktieproces opgeno~en En blijft e~ meer op laboré.toriumschaal mee gewerkt worden.

5.1

alcoooen

Over de kinetiek van groei en productvorming va.n microor::;i1:rüsmen i s nog" ,':einig bekend.

Op basis van oon beperkt él.ilnt al proefneminecn zijn in de loop dc~ j~ran

cen a.'J.nta.l modelJei1 onti·;ikkeld, 1'lel](e in bepaol(:l.e gevallen redelijk

t oepasbaar ~ijn.

De ba.sisvergelijking luidt: (30)

( 5.1)

Rekenin3' houdend Qet de uitputting van de voedsel bron vindt f1onod:

C~, k

...,

..:> ~I+ Cs

(5.2)

of: dC,. l·J à.t

Dit is de z.G. ~ichaelis - Menten vergelijkinG.

Verdere verfi jningcn v~m dit model I.order;, al DuU~'1 specifiek voor bcpa::.ld o.

microorgais:,H::n en daa.rû.oor minder 2.lgemeen toepasb2.o.r.

Vermeldensë:ac.rd Zl Jn no.~" de modellen van Kano en Asa.i en die van COllst::J.rrtiniüe3 (31, 32)

Bij m81l:zu'..:2.'vorminc is er sprake van ha.lfz;ec:,.8f:'ocieerd.e ::~r()ei a,B.t \Vil z eg3"en dO.t produktvormin.:: en [;1'oei gedeel t eli jk na eU:a.iJ.r op

-treden en d3.t er nog spr';1:e iE! VéeD bepa.alde v'.).ste vcrho1.lc1.i"gen tussen

Luorlcl:in,r-; on Pil'et heb'tc:'t de kinetick VOi:i1 d.e mclkzuurvorrni2'lC 0.001' <le

L. :Jcl1:ruectii uitvocl'iU be,tun.ccrrl (24, 2::,)

Zij conclc:d.ccl'dcn (l.:lt })1".>f.1ul:'tvoriÛll2: een i\lDctie \ .. :0.:3 1f·?n de ~roeisn()J­ hGic~, en ,10 ·klctc:rieco:ncc~:lt)'o.tic v()lc:,cnr;: ( iïc. 5.1 en 5.2)

"

I w ~ a: ~

61'

0·3 o:X \.?~ 10.---r--'-,---r-,---r-,--..,.,50 . 10 - -

=1-1

Ë+·! -'::

0,

•

;! pH .5·4 1 . )..J

~'

li

I-q -

·;

-

1

"

~

0:.-

g

60

- - i -I I ~r-24 .: :; 4 , , - [ /' '+:p---: 16 .:,

- 2Lr-

-:

-

-:-~ '3 , - I , I I

°

°

4 8 12 lei

FERMENTATIO" TIME, H FERMENTAflON TIME, H FERMENTATION TI'l.E, H

Dncterinl gl'owth "nnel lactic nekl synth'lsis dUl'ing bntch ferinontutions at contlolled pT:~ J('\·c~·.·

.

,

,

I

I ,

I :

d~/dll, 0.20~ 1·0 VI

5

24

_'-

_1-

_--1--:-'-i-

t

,- 6 ~ :r ! , ; pH.'4.5

5

<;2

_°1-

_--

_-

_{PH.5,4-1- 1--;-5-1} ~0.'6-f-- -l-i- · -!-06~~

g.

Ht

I:-'I-j-j-

.

--I

i-

4

~

~

Ol'll-

-'

'-

J~

,'-

.

--

-

-

-d~;-

0

·

(;

~

~

.

;

:. "2,

-';-

'

,

-I

'

-

!

1;- ":' '," 3 -::: => , \ L' _. "'<0'06- ·1~-'1' - ·- :--.-0.4-.(~ ~ 0-81--i---r--I -- --,dN/dl - - 2 ~ V I I , ~ cS :;; ! 1 ! ! I " ~?i: 004 -Tl-~

_.,

-

:...

'0,2 0 " - 04 - : -'-"-:-r-' ~

I

,

i

L

dll<dl

.

_:

_jo ~-O. 4 12 0 10 20 30 AO~(;O ï:' a:

FERMENTATION TIME, H FERMENfATION TIME, H FERMCNTAT'ON TIME, Y

Dnctorial growth rat.e allel lactic acid s:)'JlthOBis rate VOI';'\1S timo dUl'ing untch

formontatiolls at cóntrollod plI lovols

W 1.0 0 x ~

I

pH.45 V _ó 0: 020- 1- '

dll-j-U

0·6« ei :r: k·ïT'dT I ~~~ ~I' 015 - , - ' - - ' 0·6 ww\.? U~ 0·21--i--+ b X

I

i : 1 d~

I '

=t~;>: g~ o"O~I __ ~ïï(Jï-r" : __ 10 '4 o:~-::: ~- i "./ j i I ~IA~ L;:

8

Oll--f--i-n. UI o '" 0-05 - k-:' . . . ._ ,- ,-'0·2 Ü ~ ~ I . I ! I 1 kLl 0 "- I , u. ~ 0' 0 10 20 JÖ-"o--W--tSJ--;.g Ol ""

FTRMENTATION TIME, H

Spocific mte of bactol'inl gl'owt.h alHl of lactic acid synthosis yOt',HIS timo timing hl\tch

f01'lnontntiulls ut C'ontl'ol!cd pH lovol:;

figuur

5.1

pH o 6'0 -• 5,(; • 5·4 :r • 5·2

:i

.

4'5

i

Á

i''',

I

~"

, «4

.Y\r-".1~\1

~

-

,~

-

L//iL

W

1'\

-

i-~

1·0

l.#+~btg/'

I I .

'*

~ ~c

\

. ..

cr gl • - , -:r If -<"v . .-':--"- '\ ~. 0'5

~

_pt./I

_{~'_ho-",,,,,,...}

'

ft~

_{- - - I\~}

J .

-r

I

I

'-C" _

00 2. 4 6 8

10--6ACTERIAl DENSITY (Nl, U,O.D.lMl

Bacterial growth mtcs us functions of tho bactcrinl density duri!w

• batch fermcntntions at controllccl pH lc\'cl,; 0

dl' dt 0( dN (T..J-_L .., +

(3

;-,1'

H2.a.rin 0( en ~ ),:on3t::..ntcll zijn afhn.nkelijk va.n de "!JE (ta.bel 5.1)

pIl IX P 6·0 2·2 0-55 5-6 2-2 0-49 5·4 2·2 0-32 5-2 2·45 0·2G 4·8 3·0 .0·14 4·5 3·55 0·11 cr h~. tl,e unit. nlg !actie/v.O.D. IJ ha. thc units mg (actie/ti .O.D_/h t a.bel 5.1

In een latere p1.'.olicatie (25) toonden zi j a.andat deze theorie ook hond

-baar is voor continue fermentatie.

Voor de fase ",·-:,arin IO:S-'Ti tLrlischc ,'jroei optreoclt ( kc

ceen functie van de fermcrtél.tieti jd) l eià,rleil zi j e.f:

constc.nt en en IJ. , 1. D .. i N p

s

=

p p . .. 1. e (kl -1/&)t -t/& -tie kIt e +KlIi e (e- - 1)

So ( 1 - C -t/&)+ Si e --'e/G +

u (

c -t/e)( 1_c1Cr!;)

p

=

0

.

96

en S. bc,S'inconcent ra·ti 8S aandui clcn.

1.

(

5

.

5

)

(

5.6)

(

5.7)

(c:: .J, r . \ O)

(

5

.

9)

Verder Hezen zij cr on dat bij continue fcrQcntatie in de reactoren

ee11 sto.bicl GV2n,·!icht mog-elijl:.; i s ale men 2.:.~~:lncemt d.iJt de concentr".tic a:in toxi8che :~roductcn de ~;rocisnelhcia. cLr llû,cteriE:<r'.. t1C?:.ü<t,

Zij ~telden da~rtoe:

'\ en cr _~ P _t è2.T

(3

- 0( , (- -'- +;.l'i) - 'C dt _ (5.11)

co

.r::.. --l

E

"'-

₀₎

E

0..1

1_..1 'OU (J) (0 0> +

a..

x

co

0 ...-. 0 ...

E

"'-

0)

E

...

a.

;

,

(\J

waarin P

t de concentr~~ie asn toxisch materia~l a~n~eoft \ en k filO,X do

maximale s}1Ccifiel,;:e ':roeisY'-elheid is , \/01ko tijdens 0.0 Gehele

ferr,lGll-tatie o~)tro()dt.

Zij vonden hieruit voor de r;t2ti'~,r;é-,ire toestand:

P

_t

=

(km:Jx-

1/

&)

/

Cf

N :=; P t (ex t +

(3

t & )

(5,12)

(5.13)

Friedmann en Gaden (22) toonden, zoals ook reeds in hoofdstuk

4.3

naD,r voren J:l'!am, aan dat de inhi bi tie van de Groei snelheid van (i"

ba,c-te!'ien veroorza-:kt i';ordt door het l 'Jcta,o,t.

J':et het oo~ hierop wij:"j,g-clen zi j hot model van Luedel:in.=; en Pirèt

( 1 -

~l:U

)

= CKP(1 _ N(t) ,)

P

N---max max

\1a<::,rin ()(, P een functie is van de lac-ta::J.t concentratie. ( fig. 5.1}.)

1.00 .80 .60 -~ Cl .40 '.20 p; gm/1

" • Form ofa(p) for the moclificd model; plot

oe

a(p). versus hct:lte

COll-centrati,?rf. a(p)~" (1 - P(t)!Pldu)!(l - il{(t)!N",3X'

in:

- 27

-6.1 ferme~J.toren

6. 1 • 1 _{~lr~~m_~~~}

In princi:)e is het mo:;eJijk om a,~:,ntal en inhoud van de benocli::;rle fcrmontoren te berekenen uit de in hoofdstuk

5

(ki netiek) ge:;evon formul:es.

Het is echt'er veel h9ndieer om hierbij gro,fi:sch te Hor\: te c;aan.

Hiervoor dient men zich het volce~de te realiseren.

Bi j continue fermc;)tc:tie i G ied.ere feX'mel~tor in st 'biel evell't:Ïcht ,

d.\1.z. dat de product, sub:::;'tr:,:;t en bacterie concentr;::l,ties er consta,nt

zijn.

Verder i s:

= ( in Gtabiele situatie)

i"Jaa.rin & d.e Gemiddelde verblijf tijd is.

In figuur 6.1 Gtaat drY/ dt no,,;" eens uitzezet in een groeicurve.

De helling ve,n dé: li jn door een punt op de X-as (= ci.e inGancs concen-t rat ie) en' een punt op de c'J.rve ;;eeft nu. de r.ecipFoke ,'!2,",rde van de verblijf tijd aan.

Stabiel zijn echter alleen die p1..mten vla.:1Tvoor geldt dat een toeYJar.1C

van de bacteriedichtheid, een situatie doet ontstaan waarbij de Groei

curve l ager dan de xcrkl i jn komt te li~~en.

Alleen in do.t za,l een toen.3.I:1e (resp. afname) in l)ac'~erie(Uchtheid I'Jeor oaG'ed,a()n c;emaakt '/lord.ca door een :;rotere (reGp. kleinere)klcinere uitstroming aan bactcrienn.

mentor eOÏlmaal vast dL;,~ zij;1. oo]~ Go , F en V l1epa,2,ld, ~üs tenminste

een 'bel)a.aldo produktie Der ti y.see::dlCid goh2.ald moet {,orden.

Voor de laatste fer~ontor Ce1dt iMmers:

produktie/ tijdseenheid

r

x I'

Verder i e 9 = V/Fr

IJicrui t vol,:;'t cl:,;:J dc ,';";J,J:rJ,ü V~:," IJ. (Eet 2' ni ,';,j, roacton:n 1,: no",; O:"Ü\Cné:,::,:L,).)

I

I

I

1 ! I

i

I

~

I

i

I

!

!

i

,

!

:

I

_~ I

I

_f

I

I

I

I

I

f,

,

I,

..c. ~ 0 d ::) ~I~

~

_c: Cl> -0

:g

!! _u -0 .D ' -0 Cl> -g> 0 ..c: _u ' -₀ ~ 0 cr 2-0 1-5 1-0 2 I I I N=5'35 6

Bacteria! deMity, N, U.O.D./ml

8

\

\

,

el

,

Grophica.l solution for eontinuous betie acid fermcP.tation a.t pH 6·0 usmg a holding time (/I) of 2·53 h. A stcady-state bacterial dcnsity of 5-35 U.O.D.

per mi is predictcd '

fi'jUur 6.1

6.1.2

I

-

29

-ODtimalisa~ie vun inhoud e~ alrrtal fer~entoren

_:i:-_ _ _ _ _ __ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ . _ _ _ _ __ _ _ ___ _ _

Hiervoor kun.:)en een 2.a.nt o.l criteria ge::;teld Korden ;--,03.18:

- L De investerin:;s1::os"ten ( e'l. üe da8.rrr.ee verbond ~loUlî.cnde o.f~chrijvinG)

v~n de fermentoren moe~en zo lo~g mo~elijk zijn.

In het a~gemeen wordt evenals een eewone reactor eon fermentor per

kubieke r:letel' inhouè. Goedkoper naarmate hij loter i2 (33). (fi.:; 6.2)

Om~erekend na r kubieke moters en culdens lovert fiGuur 6.2 d~ rela~ie:

kosten in guldenf:

--~ .

880 x

v

',.;

LjOOOOOO

(6.

1 )

- 11. De kosten i'!81ke zema';kt ';lol'den om het rm'Je Zl..wr op een zodani~e

specificatie te bl'8Ti_Gen d~~t het voor verr18re zuiverint; Geschikt is,

moeten eveneenc: zo la.·;.g mO,'jelijk zijn. In dit geve,l zijn dit de indamp

-kosten tot eCi1 rwlkzuurconcentratie van 440 kg/m3 •

Hierbij zal in het llavol~cnde een enercieprijs van fl 0,05 , er kWh

t-lorden a2.n,;ehouclcn (= nachtt :1ri ef elekt ri ci·t ei t)

- 111. In de meeste gevall en zullen ook de kosten van de grondstoffen

een rol spelen, zodat men er naar zal streven het verlies hior~iln zo

laa1; mo; elijk te houden. Gezien de keuz~e Vi.:l.n afval Hater a.ls .:;rondstof

is voor optimaliGati8doele~nden de prijs hiervan op nul gesteld.

- IV. Voor het type zuiveri~~ dat gekozen werd is het noodzakelijk

dc.t zoveel mogel i jl: fmi keI' verbruikt ;'JOrdt , daa.r dit zich bui t on:;e\';oon

moeilijk va.n mclk:m'\J.r laat scheiden.

( Dit is een va.n de redenen d.3.t aü.:n. batch fermentatie v8.:'.k de voorkeur

vlOrdt geGeven llQVOn continu)

Bij een bO[Çinconcclltra.tie van 50 kg suiker pcr kubioke meter en een

rendement van 96~;

(

d.e rest Hordt Gebruikt voor de en8rgie voorziening

va.n (Je r.licrooI'.'jr;.rj.smen) irapliceert dit een eindco;·'oe.ntl'atie ".::.n

11 A::J ' I j

me .(/luur van LiiJ .::: .. ;;/lll

behoort bij hot r:L.:,-:imu..:l1 V':-:1": cle curve in fi.:;lcm'

5.3.

Ö '0 10 5 ,

.

~*±1t---+- ~Ft

-H--4!

1 _{::)J 11 I}

~Corbon sleel, 1,500 psi

k-":

I I I 1111 I I

~

'

1

-

!

1

-

dlttI1304 I 300 ps$toinlcss steel, i

2" 9. ~'1' ., Corbor. ,tccl, 3Q,~ 7' :_;"1". ' , -+ _L ' / ~tÎ Carbon sleel, 50 psl

r

,

V

!ti ! ,

v4+

+

lj (0 V

11

..j. I ' _j

.

,

H

1

JI

Jon_ 1967 Copacity, çol figuur

6.2

- 31

-lr,.,./3

Dit resul teelt in esn PI

=

22 <-(:> m •

/ 3

Verder ligt d:J.s de la3.(jste concentre.tie vast n.l. Fe

=

40 k:3' m •

Tussen deze twee punten kunnen nu dus no~ een aont al fermenteren

gekozen worden van uitec~lonende afmctin3en.

Hierto e Herd een comput cr~!ro ';rá.!:tf:la :seschrevcn in CPS, i'lóW rbi j

het gebied na het maximl~ in fig 5.3 benaderd ~crd door een rechte l i jn

n.l. :

0,108 x P + 9,69 (6.2)

Na~c~;aét.n werd de effectiviteit V·3.n 2,3 en 4 feY'l~entoren in serie

werkend bij ~iteenlo)endc concent raties en debi eten.

Het gebruikte ?rc~ram~a is als appendix oPGenomen.

De berekeninz è-Jerd uitgevoerd op een IBr~ 360/65 machine.

De rosuitaten staan vermelè, in ta.bel 6.1 en 6.2.

Hieruit valt a.f te leide]'~ dat afhétnkelijk V2n de criteri2. die men

laa~ gelden al s boste o)lossin~ te bescho~~o~ 1.. u . c ·

m3

"l

(kg/m3)

criteria aantal volume in

r

(m-''jh) P

eind fermentoren V1 V2 V3 V4 I ( +III) 1

82

-

-

-

28 2<.'" 1~

4-

---I+II ( +III) 2 41 81

-

-

14 48 I+II (+III)+ IV 2 41 81

-

-

14 48

Om deze reden ';lord geko7en voor een oplossin,::; van ti'ICC fermentoren van

re2p. 41 en 81 m3 met een debiet. van 14 rn3jh en een eindconcs::J.i;ratie

")

aan melkzuur Vó1n 48 kC/m...!.

~f~e!i!23~n~

Voor beide fer~entoren werd ecn turbineroerder gekozen teneinde een

zo homoC"ee:l me ~'cl ijkc suL>str3.::.tverdeling over het vat te vericrijgen •

.:\nderc typen b::.nnen hie~' ~'lCllicht ook voor :'j'ebruiki; '1·/Orden, ma.3r gezien

het ~~ebrek a'3.:!. C'8.,,;cvcns ove:" het dis}'cr:;erenrl vermoGen v.=l.n de7,c rocrrlerG

Hord de voor~:C'ul' f..'e·jeven ,Vin een turlJine.

... ·· ·met ·de···crit er·ia·T+ 11 + IIT· ... . ... , .. n= ... 2 ... ... kg ...

pe

r.

.m.~

... . . 'PCI)' tp(2)t 'P(3)' 'P(4)C ···,· .. ··· .. ··· .. · 2 2 ... ,. 2 L. ···· · .. ··· .. ·0 · .. ··· ··············0 22 28 0 . 0 2 · .. ··· .. ··· .... · .. ···3 2 .. ···,··· ... · .. 0 ··· .. ···0 22 . 36 0 0 2 ., .. ,.,,:,. ··· .. · .. 4 0 ,· ... ,,· ... · ... 0 , .. ·,· .. ·· .. · ... 0 22 44 0 . 0

g

ll:L dens

'kosten D~r kv, nroduct' ~OOOOG7 .000105 .000130 .OOOll~9 ~OOOIGG 2·· .... ·· .. ·· .... · .... ·,,·4 8 .. ·,',···, .. · .. ·, .. ··0· .... · .... ·,··· .. · .... · .. ·0 ... , .... , ... .000182 _~OOOI93 n = 3 . m

3

/h

m

3

'F'

'VI' 'V2' 'V~'

''14'

28 ''' 82'' ... g.: ... 0 ' '' 0 , .. , ... ' .. . 24 70 23 0 0 21 " 61 '35 0 0 . 19 55 46 0 0 7·· .. 4 g ... ,. 57 O· .. O· ... ... . 15 45 69 0 0 4 ·' .. ' .. 41 ... 81 ·0··· .. · 0··· .. ··· : .. · .. ·, .. " .. ,,·,·, .... · .. · ... ~ .. P( 1 )L ... J.p (2) .•.. " ... P (3) l ... , .... ': P (4) 1 .... , ... , ko st en pP. r ' k ~Droduc t ' ... , F ' ... , VI 1 .. 1 V2 "V3 ' ... 'V4 ' .. . 22 24 4 8 . 0 .000237 11~ 41 5 71+ 0 2· ... , ... · .. ··24 ···· .... · .... · .. · ... 4 4 .. · .. .... · .... ··· .. : .... O ... · .. ~· ... · ... ··~ 00 0222 · .. ·· ... · .. · ... , .. ·' .. ····15 ·'· .. ·'·45" .. " 5 ""' 61 ... 0 22 24 40 0 .000207 17 49 6 50 0 .,··· ... ·· ... · ... ·,22 ... , .. , ... ,2 4 ·, ... · .. · .. ·-· .. ·3 6 ... ·,·" .... · .... ,·0·· .. · .. " ... ", .. ... , .. ,· .. ~· 0 0 0 19 1·' .... '·" .. , ... ··" '19 ... ,. 55 ... " ... 6 .... " 3 8 ·'···· '. 0 . 22 ' 24 32 0 .000172 21 61 ' 7 27 0

i

..

.. ·_

·

·

··

····

··

.. ····

..

·•

..

···

..

·

····

····

·\

..

·2· 2 .. · ... ·· ... · ... ·2 lt, .. , ... 2 8 .. ·· .. : ... ·· .. · ... ·· .. 0 ... ·:· .... · ... · ... ··,·~ 0001₁₁ 5 ', ... · ... 21~ ... · ... 7 0 .... · ... · 8"': ... 14 .......... · .... 0 .. 22 28 48 ' 0 . 0 0 0 2 5 3 14 41 13 62 0 2 ... ·· .. ·2 8 ·· ... · .. ·· .. · .... ···· .. ·4 4 .. · ... · ... · ... O .... ,·,· ... ··· .. · ... · .. · ~O 00238 · .... ··· .... · .... · .. · .. ·; .. : .. 15· .... '..·· 45· ... ··15 ···· 4 9 0 22 28 40 0 .000222 17 . 49 16 37 0 \'-. "; 2 2·· .. ·· ... · .. · ... ·2 8·· ... ·· .. · .. ··· .. ·3 G ... ,· ... ·,,· ... · O ·· .... ··· .. ·,·, .. ·" .... · .. · .. ·· ... .. ~ 0 0 0 2 0 1. · .. · .. · .. ,,·, .. , .. ~ .... ·'19 "· .. · 5 5 .. · .. ···18 · ·26 .. 0 22 28 32 0 .000179 21 61 2 0 1 3 0 2 · .... ·" .... · .. , .... ·28 ··· .. · .. ,,·' .. ,··23 ..

> ...

,

..

..

..

... ,

....

.

O· .... · .. ·, ... ·· ... · ... · .. ·~O 0 0 105 ... · .... · .. · .... · .. ·· .. · .. • 24 ... · .... · 7 0 .. ·· .. 2 3' " .... 0 ··· 0 .... 22 . 32 48 0 .000260 14 41 23 49 0 2···· ... · .... · .... · .. 3 2 .. · .. ·· .. · ... ·' .. ·4 4 .... '· ... ·, .. · .. · .. ·O ... · ... :, .. · .... · ... ~ 00 0:2 4 4 ·· .... ·· ... · ... ·· ... 15·:·· .. 45 ··· .... · .. ·25 ... 37 ... 0 ... ·· · ···1 22 32 40 0 .000226 17 49 28 . ·25 0 2·· ... · ... · .... 32 ... · .. · ... · .. ·36 .. ·· ... · ... ·0· .. · ... · ... · ... · .. · ... ·~·000201 ... · .. · .... · .. · .. · .. · 19· .. ·· .. ··· .. 55 .. ·· .. 31·· .. ··13 "0 22 32 32 0 .000130 21 61 35 0 0 2 .. · ... · .. · ... 3 ó .. · ... · ... · .. 4 3 :;=--· .... · .... ·· .. · .... · .. 0 ... 000263 ··· .... · .. · .. ··· .. ·· .... ·· ... ·· 14 ... · .. 41 .... · 3 4' " '37 ···· .. ···· .. ·0 ... .<. .. · .. · .... · .. J 2 2 _ 36 - - - - ·44 O · : 000 24 l. 15 4 5 38 25 0 2,·~ 36 · ... · .. ·· .. · 40 ... · .... ·· ... 0· .. · .... · .. · .. ···· .. · ... ···000219 ··· .. ·· ... ··· 17 .... · 41)· · .. · 41 ···· 12 ··· 0

---'

.

.--

' 2 2 3 6 3 6 0 • 00 0 1 4 9 19 5 5 4 6 0 0 2 .. · ·· .. ·· ... ·· .. :·40 ···· .... · .... · ... ··· 4 8 ... · ... · .. ·· .. : .... 0 .. ·· .. · ... · ... · .. · .. · ... ·: ... · .... ~OO 02 G 1 · .. .... · .. ·· ... · .... ·14 ... · 41 .. ·· .. ·· .. ·4 8 .... 25 ... '0 22 40 44 0 .000236 15 45 52 12 0 2 ·· ... ·· .. · .. :· .... ·4 0··· .. · .... · .. · ... ···4 O .. · ... · .. ·O· .... · ... · ... · ... · .... ···~OO Ol G 6 · .... · ... · .... · .. · .. ·17 .... · .. · .. 49· .. · .... 57 ··· .. ·· 0 · .. ··0 · ... · .. · .. · 2 2 4 L. 4 3 0 • 0 0 0 2 5 2 1 4 4 1 6 3 12 0 2 2···· .. ··· ... ··· 44 ·· .. ··· .. ·· 44 ... 0 · .. ·· .. ··· .... · ... · ... · .. ~O 0 0182 ·· · .. · ... · ... .. ·15·· .. · .... ·:45 ... 69 ... ·· 0 .. 0 22 48 _{_. -._-----------".} 48 _{- .,- _._ ...}

_{_}

_{... --... --} 0 _{--_ .. _-_._---- - - -.-.-}.000198 _{.. __ .•. . ..... _._------._----_ ... -._-}14 _{. .. -.------.-}41 _~ 81 I) 0

.

._-

---

-r:··:···n ,: ,4 .

L

...

.

..

..

..

.

... _

..

..

...

.'

..

r.

.

(

~

1'

...

.

..

..

...

.'

..

~(~

&'

.

...

...

t~~ ~ ~'

...

~

..

~5~

) ,

- --._---:-:~.-:::-.:-:-_~ .. ~::::::-:::::-:-::-::::::-~--::.~.~:-:-:.=-.. -. -.-. ::-:--::-:" .. - ~ - -.. _-.---: ":.--;--.--- -- _. - -:-:'.-:-::-:. 'kosten D0.r kg ~roduct' 'F' 'VI' 'V2' 'V3' 'V4'

1 2 2 . 2 4 4

,~

• 4 4 ;·· .... ·_···_·· .. ··· .. ···22 ···,···2 4··· .. ···4 [r··· .. ··· .. ···4 8 ~. 000 237·' ...•... 1 r~ ... 41· ...~. 5·· .· 74··· 0··· .. ··· .000222 15 45 5 61 0 : 22 24 ' 40 . 40 I . . -~.

oe

0290 · .. ··· ···1 r~ ... tI

r

···

5··· ·56·;···12 .000;>07 17 49 6 50 0 ~ 0002 7 5··· .. ··· .. ···15··· 4 5 ···5··· 45"'12 1····_··· .. ··· .. ··· .. ··· .. ···2 2 ··· 24 ... 4 0··· .. ···· .. ···4 I~

I'

22 24 . 40 48 1··_···2 2 ····:···· .. ··:· .. · .... ·:··:···2 4··· .... ···3 6···_···3 6 . _~• _·0 0 0 2 9 3 _{ooo 1') 1····· .. ···· .. ········· .. ····}. _{_ ..} '. _{··19···· ..} 111 _{·······55}. 4 1. _{······· .. ····6···38···}5 . 4 1 _····0 2 5

!

.

22 24, 36 40 ) .. ·_ .. ··· .. ···:··· .. ···:···22 ··· .. ···2

u

····

·

··

···

..

···3 6 ·· .. · .. ··· .... · .. ···44··· ... · ... .000259 17 49 6 34 12 i · 22

24

3 5 ' 48 \ ;000282 _{• 0 00 2 9 9} ··· .. ···_. ···15·_14' ···45··· ₄₁ .. ··5₅ ···31····_{29 ·} · _{3 7} 25 . ; 000 17 2··· .. ····~··· .. ···: 21··· 6 1··· 7 ···2 7 ···:· ·0 : e-22··· .. ··· .. ·:··:··· 24···32··· .. ···:·· .. ·.-····3 22 , / 24.' 32 36

.00021~1

19 55 6 24 13 2 ···: .. · .. ···2 4··· .... ···32·· .. ·· .. ··· .... ···4 O··· .. ·· .... ··· .. ···: .. ···· .... ···~· 0002 G 4·· .... ·· .. · .. ···_···17···49···"':"·6 ··· 21 ··· 25 22 ' . 24 32 ' 44. · .000230 15 IJS 5 19 37 2 ··· .. ···2 [r···~···3 2··· .. ··· .. · .. ··· 48··· .... ··· .. ····~· 00029 5 ··· .. ················;· .. ·········11f···-· .. 41··· ··· 5··· 18 ··· 49 22 24 .' 2S 32 .000217 ' 21 61 7 13 13 2 ··· .. ···2 4··· .. ···2 8··· .... ···3 5····-··· .. ···: .. ···, ~ 0002 11 0 ···:·· .. ··· .... ··· .. ···19:··· 55···6 ···11··· 2 ,,22 24 • 28 ' 40 .()00256 17 119 6 10 37 ····2 2··· .. ···:··· 21_{,r···· .. ··· .... ·············2 8·"""""""""""""" tI Ir"'"'''''''''''''''''''' .. ·· .. ·-·· ..} ···~O _{002 7 0············· .. ··· .. ······ ..} ····15···tI5···5···9 ··· .. ···· 4 22 24' 23 43 .000224 14 41_ 5 3 62 22···:····:···2 8·· .. ···

4

8···11· 8···;···:··· .... ·· .. ··· .... ··· ·~· 0 () 0253 ... ··· .. ··· .. ···14··· .. ···41···" 13 ···6 2-··· 0 22 28 44 44 .000238 15 115 15 49 0 2 ... , .. 2 8···,,···,·,·,···.-·,· .. ··[14 ···~·"··4 8·· .. ····,~··,·:···::·"~···e::·::.·.·:·:.~.---~. 0 0 0 3 0 5 .e:·"···· .. ,·,···:··· .. ···· .. ·· .. · 14:···:···41···13 ···4 5··:···12 22 28 40 · 40 .000222' 17 49' 16 37 0 2 2··· .. ··· .. ···2 8···40··· .. ···:··· .. ··4 4··· .. ··· .. ···~0 (l 023 9 ··· .. ···15··· .. ·· .. ···4 5···15···3 4· .. ····~·12 22 2 8 . 40 - 48 .000312 14 41 13 31 25 i ·················· 28 ···3 6···.~,····<···3 6 ···:··~ 000 2 0 4···:···1 S···· .. ··· 55··:···1 8··· 26 22 23 36 ./ 40 • 000 271 17 49 16 23 12. ···22 ... 2 3···3 6··· .. ·· .. ···4 II··· .. ············ .... ···-···~ 000 2') 3 ··· .. ··· .. ····15··· 45···15···21···2 22 . 28 , 3 6 I 48 .000310 ' 14 41 13 19. 37 2 2;···_··· .. ·· .. ···2 8··· .. ·:···3 2···:··· 3 2··· .. ··· .. · .. ·· .. · .... ···.':···c ... ~ 000 17 9··· .... ··· .. ···21··· 61···-20 ···13··· 0 22 28 _ _ _ _ 32 . 36 . . 0 0 0 2 4 7 . 19 55 18 12· 13 . ··· .. · .. ··· .. ··· .. ····2 2 ···~-·~·2·8··· .. ···3 2·· ... ' .. ··:···· .. ···4 0·· .. ··· .. ··· .. · .. ···,··· 0002 7 0··· .. ··· .. ·· .. ···17···4 9···16···11···2 5··· .. ·· .. ··· .. ·· .. ··· , .---.:.-- - --22·- · 28 · 32 .

r~4

·

. ' .' :000236 15 · 45 1 5 ' 10 37. · . 22 ··· 2 8···· .. ···3 2···· .. ··· .. ··· .. ···4 8 .. ··· .. ··:··· .. ···~ 000301 ··· .... ··· 14··· ... 41···13···~· 9 ··· 4 g ... . '22 28 28 32 . ' . .000179 21 61 20 0 13 . 22 ··· .. ··· 28 ··· 2 8 ···~·· .... ···3 G··· :··· .. · .. ···~· 000 2 0 4 ··· .. ·· .. ··· .. ···19 ... 5 5···:···18··· 0 ···26 2 2 ' 2 8 __ - - . .. . 28 4 0 • 0 00 2 2 2 . 17 49 16. 0 3 7 2···_···c_{·······2 g ........ : ... 28·;:············ 4 4 ·· .. ············· .. ·······~ 000 2 3 8 ···· .. ······· .... ········ .. ··15···· 45······ 15 ··:··· 0··········49} 22 28 28 : 48 .000253 '14 41 13 0 G2 2 2···:···32···48·:,··············· / f 8 ... ····~OO 02 6 0 ···14··· /11 ··· 23 ··· 49··· : 2 2 3 2 4 4 . 4 4 • 0 0 0 2

I~

4 15 4 5 • 2 5 3 7 0 ;··· .. ···2 2 é •••••• .. ··· 3 2· -··· .... ···4 4···:··· .. ···,~8 ··· .... ··· ... ; 00 0 311 ··· .. ··· .. ···· .. ···14···41···:·23····34 ···1 ~ 22 32 40 40 .000226 17 49 28 25 0 3 2··· .. ···4 O~:~::··::~····

...

~··· !~ 4_:-.~~;:~~:·:~·~:·~·~·:~~::.:::~::::

.. :·

~_0 0 O. 2 92···:···~.::~~·~:·~~·~:~~····) 5 .. ~~·~ 4 5·:··.~·~·._2 5 ~.::.··~2 3::·.·.·:·::·12 ~_-:-: .. ~~_._-: .. ~.

'

1