-
JFABRIEKSSCHEMA
~CE1rONBEREIDING LANGS MICROBIOLOGISCHE WEG
J . F . STOUTJESDIJK.
MEI 1952
\
...
--~'.-, ' ,*,,4E*
~-
I
~ll.Cl;-- I,
I- - . J
..-,
Y .
,_t~J ~-...~
!
- - -, I i
I
J
-
"'i'
:[ i.
E=~1
I
j
r ..,
I I
'\
7
• ' - '.x
I
"-
-
" -- "ic__ --1-
- -1'r--
i
':
'---.
,I
-
"
c.!
__ .
~
I I
~~~-
_l: I1
.'....
~
r I
Inhoud Inleiding. -I II Eigenschappen van Clostridium aceto-butylicum. 111 Grondstoffen. IV Keuze van het fabricage-schema. V Beschrijving van het schema. a. Bereiding van de entvloeistof. b. Bereiding' van het beslag. c. Gisting. d. Terugwinning van oplosmiddelen uit het gistingsgas. e. Destillatie . VI Verwerking van de b~producten. a. Gassen. b. Residu. VII Berekeningen betreffende destillatie-kolom D. a. Aantal schotels. b. Toe te voeren hoeveelheid voeding. c. Diameter van de kolom. d. Toe te voeren hoeveelheid warmte. VIII Literatuur.
,--------------- - -
- - - - --
----
-----------'-------,'='~.
- 1 -
"I
!nle iding. De microbiologische acetonbereiding werd het eerst op grote schaal toegepast in de eerste wereldoorlog in Engeland en later ook in de Verenigde staten. Kort daarvoor was dit proces ontwikkeld met de opzet butanol te verkrijgen voor de bere iding van synthetische rubber. Aceton werd hierbij als bijproduct gevormd. De geschiedenis van de aceton-butanol-gisting wordt uitvoerig beschreven in de literatuur (1, 2, 3, 4, 11 en 17). Aceton werd hoofdproduct in de eerste wereldoorlog, toen grote hoeveelheden nodig waren voor de vervaardiging van cordiet. Als grondstof werd mais gebruikt. In de Verenigde Staten werden 2 fabrieken in Terre Haute ingericht voor de §ceton-butanol-gisting. Na de wapenstilstand werden deze fabrieken gesloten. Men had toen grote hoeveelheden butanol opgeslagen, waarvoor men geen afzet had. Na intensief onderzoek vond men, dat butyl-acetaat een uitstekend oplosmiddel was voor nitro-ce llulose-lakken , en veel beter voldeed dan amyl-acetaat bereid uit foezelolie, dat men tot dusver gebruikte. Deze ontdekking leidde tot een geweldige groei van het proces. Er werd opgericht de Commercial Solvents Corporation ' of Mary1and, die in 1920 de 2 fabrieken in Terre Haute weer in bedrijf stelde. In 1923 werd een branderij in Peoria gekocht. Deze fabriek werd voortdurend uitgebreid en eind 1927 werkte men reeds met in totaal 148 gistingsketels van 50 000 gallon. Als grondstof werd mais gebruikt. Omstreeks 1930 moest men gaan concurreren tegen andere butanol-bereidingswijzen en ging men gedeeltelijk over op de vergisting van Oubaanse melasse. Hiervoor was veel research nodig, want de oorspronkelijk gebruikte bacterie, geisoleerd door WEIZMANN, die na nader onderzoek C1ostridium aceto-butylicum werd gedoopt, vergistte aanvankelijk geen melasse. Men heeft echter nieuwe stammen geisoleerd, die een behoorlijke opbrengst uit melasse gaven. Verder is men erin geslaagd de verhouding, w~arin butanol en aceton gevormd werden, ten gunste van de butanol te veranderen: aanvankelijk werd twee maal zoveel butanol gevormd als aceton, later kreeg men een verhouding van drie op een. Tevens worden kleine hoeveelheden aethanol gevormd. Men heeft aanvankelijk zeer veel moeite gehad met verontreinigende micro-organismen. In 1923 kon men in Terre Haute geen enkele gisti~ ketel zuiver houden. Het bleek, dat er een bacteriophaag in het spel was. Te~en.oordig gebruikt men resistente staamen. De aceton-butanol-gisting is zeer gevoelig voor infecties; het steriliseren moet zorgvuldig worden uitgevoerd. Om het proces zonder storingen te doen verlopen is zeer veel ervaring nodig. Het gevolg hiervan is, dat in de Verenigde Staten slechts enkele fabrieken de microbiologische butanol-productie aangedurfd hebben. Toch wordt daar een zeer grote hoeveelheid butanol langsgistingsweg geproduceerd.
"
"
., - 2 -
Totale productie in de Verenigde Staten (5, 6, 7): (uitgedrukt in 1000 lb) 1946 1947 19~8 1949 Butanol
gisting 126200 140100 andere pro- 104300 116000 cessen totaal 230500 . 256100
Aceton
gisting 37400 andere processen 298000
357200
443700
totaal
397200
470600
335400
140200
120000
1950 147300
40000
413100
481600
In 1948 werddus slechts 5,8% van de Amerikaanse ~ceton-productie
lang microbiologische weg verkregen als bijproduct van de butano1bereiding. Als men alleen aceton nodig heeft, kan men het goedkoper op andere wijze maken, b.v. uit propeen. Het aceton wordt voor een groot deel gebruikt voor de productie van azijnzuur~anhydride, dat gebruikt wordt bij de bereiding van cellulose-acetaat. Verder is er een aanz!Ï.anlijk verbruik van aceton als oplosmiddel voor cellul"o se-acetaat, nitro-cellulose, aethyn enz. Het wordt steeds belangrijker als uitgangsstof in de chemische industrie. Door NORTHROP, ASHE en SENIOR (8) werd in 1919 een bacterie geisoleerd, Zymobacillus 1&1".,XIXltI aceto-aethylicMS, die uit zetmeel behalve aethanol in hoofdzaak aceton produceerde in verhoudingen, varierend van 6,1 tot 2.5:1. Deze verhouding was afhankelijk van de pH: bij een pH van circa 6 werd een maximum ppbrengst van ongeveer 10% aceton verkregen (9, 10). Dit proces is echter nooit technisch toegepast.
I I "
I I I I I
11.
,
Eigenschappen van Clostridium acetobutylicum. Cl. acetobutylicum is een bewegelijke, sporevormende, staafvormige, anaerobe bacterie, die vele sacchariden en polysacchariden vergist, waarbij als voornaamste producten optreden 002' H2' butanol, aceton, aethanol, boterzuur en azijnzuur. H~t mechanisme van deze gisting is nog niet geheel opgehelderd. Men sttelt zich voor, dat uit de po1ysacchariden eerst glucose gevormd wordt en "" dat de glucose-afbraak aanvankelijk op dezelfde wijze verloopt als bij de alcoholische gisting. Hierbij wordt pyrodruivenzuur gevormd, dat door decarboxylatie aceetaldehyde geeft. Hydrogenering hiervan geeft aethanol. Deze aetàano1-vorming vindt ook plaats bij dè aceton-butanol-gisting, maar daarnaast heeft ~en een aantal andere reacties, waarbij ook energierijke phop~horverbindingen in het spel zijn (12).
------
-
- 3 -
.,
Mogelijke vorminswi,jze.
Gistingsproducten. Aethanol
CH COCOOH 3 CH CHO + 2H ~
3
CH CHO + CO 2 3 CR CH2 0H
3
Mierenzuur Koolzuur, waterstof Boterzuur
HCOOR 2 CH COO(P0 H ) + H 0+=. CH COCH COOH + 2 H P0 2 2 3 3 2 3 4 3 ~ C~gH2CH2COOH
CH COCH 2COOH + 4H 3
+H20
Azijnzuur Butanol
I,
ACETON
Acetylmethylcarbinol Afhankelijk van de omstandigheden treden één of meerdere van dese producten op de voorgrond bij de gisting. Voegt men b.v. biJ de gisting krijt toe, dan wordt v.n.l. boterzuur en ~: azijnzuur gevormd. Laat men de gisting in zwak zure oplossing verlopen, dan worden de organische zuren voor een groot deel omgezet in aceton en butana>l. In de practijk controleert men de hoeve~lheid titreerbare zuren en de gasontwikkeling tijdens de gisting . Bij optreden van verontreinigende micrG-organismen krijgJt men afwijkende hoeveelheden zuur en gas. Door PETERSON en FRED (13) zijn uitvoerige onderzoekingen verricht over het verloop van de vergisting van maismeel door Cl. acetobutylicum. De volgende grafieken zijn aan dit artikel ontleend. Het beslag bevatte 6 % maismeel, d'. i. circa 3 % zetmeel. - , _.
-r---' T
...,
/500f-'--!lY- - r---'r-
---I+---~-_t_--'--
._-
-r
-
• -.. , -
F-tC;.2. ·:
, i i t-,
' ~
-
!
j
:
I>
0.1 ~
lIJ
~I~~~~-~-,-,Lr- ~~~~~~~~~------l
-J
r ~ ~oo~~~,-,
I-
..J
~
l
..
>1<>
TUI) IN UREN ,;
."
- 4 -
Het ontwikkelde gas vestaat aanvankelijk uit 70% H2 en 30% CO2 • Daarna wordt meer C?2 gevormd en tenslotte verkrijgt men een mengsel .et maar 40% H2 • . ' Tijdens de ' gisting worden afbraakproducten van de eiwitten uit het maismeel gevormd, die het beslag een zekere bufferende werking geven. Hierdoor blijft de pH na een daling tot ca 4 vrijwel constant ondanks de omzetting van de grootste hoeveelheid zuur in neutrale producten. Bij de vergisting van melasse en andere :-, " ',:_,_ ,: eiwitarme suikeroplossingen moet een extra N-bron toegevoegd worden. NH4-zouten als enige N-bron zijn in het algemeen niet geschikt: men moet te~ens maismeel, mout, gistautolysaat , e.d. toevoegen (14,15). VI"V' I Men heeft al spoedig ontdekt, dat de bacteriën, waarvan de sporen het : ~~.\~.~ . \\ best tegen hoge temperaturen bestand zijn, de hoogste opbrengsten geven. Men laat daarom de bacteriën een z.g. "heat shocking" ondergaan. Men Wf brengt een sporesuspensie 1 à 2 min. op 100 0 C, waardoor de vegetatieve \ cellen en de zwakkere sporen worden gedood. Men ent dan deze sporen in een geschikt medium. Na 4 tot 7 dagen cultiveren laat men de cultures enige dagen bij kamertemperatuur staan om sporevorming te verkrijgen. Dan kan men weer een "heat shocking" toepassen, cultiveren, enz. WEIZMANN herhaalt dit 100 à 150 keer om actievere cultures te verkrijgen. De gunstigste temperaturen voor Cl. acetobutylicpm liggen tussen 37 en 420 C, de gunstigste pH ligt tussen 5 en 7. Er worden in het algemeen 6 dln butanol op 3 dln aceton en 1 dl aethanol gevormd. Door selectie heeft men wel stammen verkregen, die de oplosmiddelen in andere onderlinge verhoudingen produ~eren (1, 32, 38).
V/
111 .
I " I
Grondstoffen. In de V.S. werd voor het aceton-butanol~proces aanvankelijk alleen mais verwerkt en wel hoofdzakelijk goedkope, minderwaardige soorten, die voor veevoeder minder geschikt waren. Omstreeks 1930 werd door de toenemende concurrentie van andere butanol-syntheses zelfs deze mais te duur, zodat men Cubaanse melasse ging verwerken (16). In de tweede wereldoorlog, toen er gêbrek aan tankschepen voor het vervoer van de melasse was, moest men weer overgaan op mais (17). Over de vergisting van mais en melasse is veel gepubliceerd: een goed oVi05ia~dr~ä~ft PRESCOTT & DUNN (1). Men heeft talrijke andere XItMIlXhoudende stoffen tot aceton en buwanol trachten te vergisten (1): rijst en andere graansoorten, aardperen (Helianthus tuberosus) (47), houtsuiier (20, 41, 43), afval sulfiet loog (7, 28), paardenkastanjes (~esculus hippocastanum) (11, 25, 42), zeewier (o.a. Macrocystis) (24, 27~" _" wei (22, 26), xylose, verkregen door zure hydrolyse van lege maïskolven, ~pas, enz. (19, 21, 44, 45), pulp, die men krijgt bij de aardappelmeelbereiding (46) enz. Melasse is~ nu~ de voornaamste grondstof voor de aceton-butano1gisting. In het hier beschreven schema wordt melasse als grondstof gebruikt. Elkè andere grondstof kan echter gebruikt worden na de ev. noodzakelijke voorbewerkingen. Het zal daarbij nodig zijn telkens de juiste omstandigheden voor een goede gisting te bepa~ ,n.
-- -
- - - - - - --
- 5 1
IV •
Keuze vaa het fabricage\ ,. schema. de literatuur vindt men na de artikelen van KIT,TEFFER (2) GABRIEL (3) en TROPSCH (4) weinig nieuws over de technische uitvoering van het aceton-butanol-proces. Uit het artikel van WYNKOOP (17) blijkt, dat men in 1940 nog op bijna dezelfde manier te werk ging als in 1920. Het enige grote verschil was, dat men van ... mais geheel op melasse als Irondstof was overgegaan. Over de melasse-vergisting zijn weinig technische gegevens gepublioeerd(15, 16) , Er zijn echter zeer veel ~ verleend op dit gebied. (29, 30, 31, 32 en vele andere). Bij het klassieke Engelse en Amerikaanse proces werd maismeel gemengd met warm water, gesteriliseerd, gekoeld en overgebracht . in grote gistingsketels van b.v. 50 000 gallon. Na enting met een jonge, actiege cultuur van Clostridium aceto-butylicum was de gisting na 48 - 70 uur afgelopen. De inhoud van de ketel werd daarna naar de destillatie-kolommen gepompt. Na elke gist ing moest een gistings-ketel zo:x:gvu.ldig schoongemaakt en gesteriliseerd WOrdeh~Het klaarmaken van een ketel ,voor een nieuwe lading kostte telkens minste~8 uur. Om dit tijdverlies te voorkomen heeft men getracht de vergisting continu te laten verlopen, zoals bij de aethanol-gisting reeds is gelukt. De moeilijkheid is echter, dat men hier te maken heeft met een sporevormende bacterie. Gaan de bacterien sporuleren, dan stopt de gisting. WHEELER en GOODAIE (33) hebben deze moeilijkheid opgelost door enkele gistingsketels in serie te zetten. De gistende vlDeistof wordt met zo'n snelheid doorgevoerd, dat de bacterien in de eerste ketel teen tijd krijgen om te sporuleren. Deze maximum verblijftij~van de bacterien in de eerste ketel, is afhankelijk van de omstandigheden, zoals samenQ stelling van het beSlag, bacteriënstam, temperatuur e.d. In het algemeen zal in 9 - 10 uur de inhoud van de eerste gistingsketel naar de tweede overgebracht moeten zijn. Men houdt zo jonge actieve bacterien in de eerste ketel, waaraan continu het verse beslag toegevoerd wordt. De stofwisselingsproduoten van de bacteria worden continu afgevoerd, zodat de bacteriën in de eerste ketel in gunstige 0 digheden kunnen groeien. De gisting zal nu ook "vlugger verlG door de eliminatie van de lag-phas~. Volgens (33) zou nu reeds in 30 uur een volledige vergisting verkregen kunnen worden. Men zou verder minstens 30 dagen continu kunnen werken. Rekent men bij het discontinu proces met een gistingsduur van 65 u. .. en voor schoonmaken e.d. 8 uur, dan krijgt men met 5 ketels in ·b.v. 30 dagen 30 x 24 gist:mgen. Bij het continu-proces x 5 - 49 65 + 8 In
I
I·
I
I I
I
I
waarbij men 30 da~n achtereen werkt met 5 ketels in serie en waarbij men de inhoud van de ketels in 10 uur naar de volgende verplaatst en 2.5 dag voor voorbereiding en vullen rekent, krijgt men (30 - 2.5) x 24 • 66 gistingen in 30 dagen. 10 ti>
- 6 -
Men krijgt dus volgens de continu-methode met een bepaald aantal ketels een grotere opbrengst en grote besparing aan arbeid en stoom. Een andere, interessante vinding om tot hogere opbrengsten te komen, is gedaan door VER~UD (34). Deze voegt aan het beslag Oa003 toe of een andere alkalische stof om de gevormde zuren te neutraliseren. Hierdoor zouden echter meer zuren gevormd worden ten koste van de oplosmiddelen butanpl, aceton en aethanol. VERGNAUD voegt, om dit te vermijden, na zekere tijd, als de maximum hoe~eelheid zuren gevormd is, een niet-vergistbaar zuur toe. (H2S04 , HOI of 4 ). Hierdoor worden de organische zuren vrijgemaakt en deze kunnen nu omgezet worden in oplosmiddelen. De snelheid van deze omzetting is het grootst als er een grote hoeveelheid titreerbaar zuur aanwezig is De pH houdt hij zo op 4.9 - 5.2 gedurende de gehele gisting. De opbrengst zou cir$a 3% hoger zijn dan bij het klassieke proces. In de patent-literatuur zijn vele bacterien beschreven, die hogere opbrengsten zouden geven dan de WEIZWNN-bacterie 'Df de oplosmiddelen in andere onderlinge verhoudingen zouden maken.
H3P0
(32, 35, 36, 37). McCOY (38) heeft gevonden, dat een bacterie, ttClostridium madesonii", nadat hij resi3tent gemaakt is tegen een phaag veel meer aceton prOduceert dan aanvankelijk het geval is. Na een serie OVEr entingen in een rijk medium met de phaag was de aceton-opbrengst 2~:4% en na 3 series overentingen 43-46%, terwijl de oorspronk& lijke stam. slechts 1~20% aceton maakt. Als grondstof werd melasse gebruikt met - ~~': '.:' (NH4)~04 als enige extra N-bron. De opbrengst oplosmiddelen was 15 gram. per Li,tér bij vergisting van een beslag met ~ suiker, d.i. dus een rendement van 30%. De hoeveelheden butanol en aethanol worden niet vermeld. De optimum temperatuur van Cl. madesonii is 310 0, de optimum pH 5.5. Al deze nieuw beschreven bacterien lijken zeer veel op Cl. ac& tobutylicum. BERGEY (39) noemt hen niet en zij zijn m.i. dan ook het beste als tammen van Çl. aceto.bptylicum te beschouwen. Het lijkt ~i3 toe, dat het proces van VERGNAUD uitstekend ge40mbineerd kan worden met de continue gisting volgens WBEEIER en GOODAIE. Bij gebruik van Cl. madesonii kan men dan ,in de eersé ketel alkali toevoegen om de pH op ongeveer 5 •.5 te houden. In de volgende ketels kan men H2SD4 toevoegen om de organische zuren in vrijheid te stellen. Bij gebruik van melasse, dat niet zo-'n grote bufferende werking heeft als maismeel, zal het waarschijnlijk wel mogelijk zijn de HZS04-toevoeging te doen geschieden met behulp van een automatische pH-regeling. ' Mogelijk zal hierbij ook de vinding van GAVRONSKY (40) toepasbaar zijn. Deze ent een hoeveelheid geconcentreerd beslag en laat dit een uur gisten. Dan voegt hij weer een hoeveelheid gecon centreerd beslag :~n: toe en na enige tijd brengt hij deze gistende vloeistof in de gistingsketel, die daarna langzamerhend gevuld wordt met niet-steriel beslag.
.an
,
.
- 7-
•
Door de zware enting zouden verontreinigende micro-organismen geen kans krijgen zich te ontwikkelen. Bij het con1~Ï:ml.lJ?roces heeft men in de ketel een zeer actieve cultuur, waar~ continu een relatief kleine hoeveelheid vers beslag wordt toegevoegd, zodat men hier analoge omstandigheden heeft als bij het proces van GAVRONSKY. Vermoedelijk zullen op den duur toch infecties gaan optreden. Zou men echter slechts 1 week continu kunnen werken, dan zou men een hoeveelheid beslag kunnen vergisten, overeenkomend met 30 7 x 24 53 klasx •
? + 2,5
10
sieke gistingen per 30 dagen met 5 ketels in serie, vergeleken met 49 gistingen bij het discontinue proces. Hierbij momt nog de grote besparing aan stoom enz. Het door mij gekozen schema bestaat uit een combinatie van het proces van WHEELER en GOODALE en dat van VERGNAUD.
v.
Beschrijving van het fabrieksschema. Als doel werd gesteld een productie .van ongeveer 3000 ton I ~1 aceton per ja~'Clostridium madesonii" geeft bij vergisting i A.~ ~ met 5 % suiker een oplossing, die 15 gram oplosJW' ~ middelen (butanol + aceton + ae~ol) per liter bevat.Hiervan is ongeveer 45 % aceton. Ik neem aan dat er slechts weinig aethanol zal worden gevormd: 2 %, en dus 53 % butanol. Per liter vergist beslag wordt dan 6,75 gram aceton gevormd. Per uur moe,t vergist worden om een prOductie van 3000 ton aceton per jaar te
I
krij gen:
3000 x 106
=
50600 1.
365 x 24 x 6,75 Als men 15 dagen continu werkt en 3 dagen voor schoonmaken, steriliseren en vullem nodig heeft, dan is de cyclusduur van een serie ketels 18 dagen. Men kan nu 6 series naast elkaar laten werken, waarvan er steeds 1 klaar gemaakt wordt~ 1 serie moet dan per uur vergisten 50600 : 5 = 10120 liter. Neemt men ketel& van . 100.000 liter met 90.000 liter beslag, dan moet men deze vloeistof in 9 uur naar de vol gende ketel voeren. Men krijgt zo een :productie van 10.000 liter per uur per serie gistingsketels •. a.
Bereiding van de entvloeistof. 300 mI' steriel medium wordt in het laboratorium geënt met een sporen-suspensie van een actieve . stam van "Cl. madesonii". Na 24 uur cultiveren bij 31 0 C. wordt hiermee 5 liter medium geënt. Na weer 24 uur bebroeden wordt deze hoeveelheid gistende vloeistof overgebracht in een stalen entketeltje met 100 liter steriel beslag • Voor het steriliseren is het beslag in deze entketel met behulp van een stoommantel 1/2 UUr op 1200 verwarmd.
.-----------------
----
-
- 8
Door steriel gistingsgas door ,_te leiden handhaaft men in de ketel een overdruk van 0,3 at. en men krijgt zo tevens een roerend effect. Na 24 uur bebroeden bij ~:-_. 31°C wordt de i~oud van de ketel naar een tweede entketel geblazen, waarin zich 1800 11 steriel beslag bevindt. Het steriliseren van deze vloeistof gaat weer met behulp van een stommmantel. Na 1 uur bebroeden bij 31°0 kan met deze 1800 1· een gistingsketel met 90.000 1. beslag geënt worden. Alle leidingen kunnen met stomm van 120°0 gesteriliseerd worden. Om infecties tegen te gaan blijven de leidingen onder stoomdruk als ze niet gebruikt, worden . •• Elke 5 dagen moet er een serie gistingsketels geent worden. Er kan dus volstaan worden met 1 stel entketels voor de 6 series. b.
Bereiding van het beslag. Per uur is nodig 5x 10.000 1. beslag. Elke . serie gistingsketels is voorzien van een kookketel waarin ca 55.000 1. beslag gesteriliseerd kan worden. Het vullen, steriliseren, ledigen en schoonmaken mag dan niet langer dan 5,5 uur duren. Het is mogelijk het steriliserel 1 contlnu uit te voeren. CARNARIUS (54) geeft hiervoor een methode. ~- Het leek mij echter veiliger de discontinue methode toe te passen. ~ ~ Aan de melasse wordt in een stalen mengt ank van 2.000 l~ de beI ~\~: j ' nodigde N-bron toegevoegd. Volgens MOOOY ZOU (NH4)2S04 hiervoor voll.t- ~~ I doende zijn. Om een eindconcentratie van 0,2 % (NH4)2S04 en 5 % sui~ ker te verkrijgen, moet 24 g. (NH4)2S04 per 1. melasse toegevoegd ~ worden, als de melasse 60 % suiker bevat. De melasse + N-bron + ev. opbrengstverhogende stoffen als p.aminobenzoëzuur of p.amino-alanine (WEIZMANN (57)), worden van de mengtank naar een stalen melasseopslagtank van 10.000 1. gepompt . Hieruit kan men de melasse naar de kookketels pompen. dl. Om een beslag met 5 % suiker te verkrijgen moeten op één melasse 11 dIn. water worden toegevoegd. Er isdan gemiddeld per uur nodig 50.000 : 12 = 4.200 1. melasse. Als men voor het mengen van het (NH4)zS04 met de melasse 15 min. nodig heeft, en 10 min. voor het leegpompen, 'dan moet men telkens ~ x 4.200 • 1.750 1. melasse in
VV
de mengtank klaarmaken. De centifugaalpomp moet dan een capaciteit van 10.500 1. per uur hebben. De kookketel wordt gevuld met 55.000 : 12 = 4.580 1. melasse en 50.420 1. warm water uit de warmwateropslagtank. Als het steriliseren .3 uur duurt, het leegmaken 1 uur, het schoonmaken 1/2 uur, dan blijft er 1 uur over voor het vullen van de kookketel. De pomp, die de melasse aanvoert moet dus een capaciteit hebben van 4.580 l./uur. Het water wordt aangevoerd door 2 centrifugaalpompen met elk een capaciteit van ca 25.000 l./uur. De stalen kookketels zijn voorzien van een isolatielaag van 1,5" magnesiablokken en worden verwarmd met directe stoom van 1200 6. Het beslag wordt met behulp van stoomdruk uit de ketel geblazen . Men maakt zo weinig mogelijk gebruik van pompen voor het vervoer van steriele vloeistoffen om infecties te vermijden.
I
I
- 9 Het steriele beslag wordt in de beslagkoeler van 120 tot 31°0 afgekoeld en naar een opslagtank gevoerd. Het warme koelwater wordt verzameld in de warmwateropslagtank van 100.000 1. Het wordt gebruikt voor het bereiden van de beslagen en het is daarom gewenst dat het tot een zo hoog mogelijke temperatuur i~koeler wordt verwarmd. De opslagtank voor steriel beslag heeft een volume van 80.000 1. Hij is vervaardigd van roestvrij staal en is weer voorzien van een ~. ~ isolatielaag van 1,5" magnesiabllbkken. De temperatuur wordt op 31°0 .~ I • fl ~'~ gehouden met behulp van een ~toomspiraal. In de ketel kan steriel ~~\~ ~ . gistingsgas geblazen worden . De gastoevoer wordt automatisch zo ge~ ~ rege1d dat er steeds een overdruk van 0,3 at. in de ketel heerst om _;t infecties tegen te gaan . Bij het ledigen van de kookketel in de opNiV/ slagtank kan het gas ontsnappen door een veiligheidsventiel. Alle leidingen en toestellen kunnen weer met stoGm doorgeblazen J worden voor de sterilisatie. c.
Gisting. Om een goed verloop van de continue gisting te krijgen, zal men eerst het aantal ketels, de doorvoersnelheid, de hoeveelheid entmateriaal, de pH's, de optimum samenstelling van het beslag proefondervindelijk moeten vaststellen, om een goed aansluiten van het eerste gedeelte van de gisting , waarbij de zuren worden gevormd, met het tweede gedeelte , waarin deze zuren weer worden gereduceerd, te verkrijgen. Hier zullen verschillende cijfers worden aangenomen in overeenstemming met de gegevens van VERGNAUD en \VHEELER en GOODALE, aangepast aan de bacterie van McCOY . De roestvrij stalen gistingsketels van 100.000 1. zijn voorzien van een roerder, een inrichting om steriel gistingsgas door de vloeistof te blazen en een verwarmings- of koelspiraal van roestvrij staal. Aanvankelijk zal het nodig zijn warmte toe te voeren; als de gisting eenmaal op gang is zal het nodig zijn te koelen om de pemperatuur op 31°0 te houden. Aan de Ie ~etel van een schone, steriele serie van 5 gistingsketels wordt uit de entketel de 1.800 1. gistende vloeistof overgebracht. Hieraan wordt 30.000 1. steriel beslag toegevoegd en men laat de vloeistof 4 uur gisten bij 31°0. Vervolgens voegt men weer 30.000 1. toe en na 4 uur laat men nog eens 30.000 1. beslag toevloeien. Na 12 uur cultiveren gaat men continu 10.000 1. beslag per uur toeveegen, waarbij men langzamerhand de volgende 4 kettels vult met elk 90.000 1. gistend beslag. Het transport van het beslag van een ketel naar een volgende vindt plaats door elke ketel een overdruk te geven t.o.v. de volgende ketel van 0,05 at. De druk in de Ie ketel wordt op 1,50 at. gehouden, de druk in de 5e ketel is dan 1,30 at. De druk wordt automatisch geregeld met de gastoevoer . Het ontwikkelde gistingsgas ontwijkt door een veiligheidsventièl. In de laatste ketels zal niet veel gas meer gevormd worden. De afsluiters zijlJ. zo 8.f gesteld, dat er steeds ca 1.000 1. gas van 3 at • . door Qa1 keteL geblazen wordt .
r - - - - - - - - - - -- --
--
---~----
--~-
-------
- -- - - - - - - .
- 10 Het geheel vullen van de 5 ketels duurt (5 x 90.000) : 10.000 ~ =45 uur. Bij het vullen van de Ie ketel heeft men 4 + 4 + 12 = 20 uur nodig om de gisting op gang te laten komen. Men heeft 3 dagen tijd voor de voorbereiding van een serie voor een nieuwe gistingscyclus. Voor het schoonmaken en steriliseren van de ketels heeft men dus nog 72 - 65 = 7 uur over, wat ruim vdtloende is. De ketels worden schoongemaakt door wassen ~et warm water en daarna met een NaOR-opl.' In de eerste ketel wordt in de 9 uur ongeveer 5 m1. O,lN zuur per 10 mI. vergist beslag gevormd volgens fig. 1, als men de lagphase geëlimineerd denkt. Per uur is dit ongeveer 10i§00 x 0,5 =
= 500
I
I.
I
-
V'
: r(~)
I
gr.aeQ. zuur. 6m dit geheel te neutraliseren is 20 kg. NaOH per uur per serie nodig. Voegt men het NaOH toe in de vorm van een 40 %ige opl., dan is per uur voor de 6 series ca 250 1. nodig. Het NaOH wordt uit een tankje van Haste1loy A toegevoerd met behulp van een automatische pH regeling. De pH houdt men op 5,5, de optimum pH voor Cl. madesonii. In de volgende ketels moeten de organi sche zuren weer vrijgemaakt e worden. Daartoe wordt in de 2 ketel een hoeveelheid zuiver R S0 2 4 toegevoegd, ongeveer aequivalent met de hoeveelheid NaOH , die in de eerste ketel toegevoegd is. De pH wordt op 4,7 gebracht, de optimum pH voor de omzetting van de zuren in oplosmiddelen. De vrijgemaakte organische zuren worden nu snel omgezet in de neutrale producten, waardoor de pH zou stijgen. De pH wordt op 4,? gehouden, door u:l,t een roestvrij stalen tankje meer H2S04 toe te voegen . Een gedeelte van het ontwikkelde gistingsgas wordt gesteriliseerd . LEE (6) geeft een overzicht van de technisch toegepaste methoden om gassen te steriliseren. Bruikbare methoden zijn o.a.: hoog verhitten, bestraling met ultra-violet licht, wassen met alkali, zuur of andere desinfecterende vloeistoffen, filtreren door kolommen met watten of actieve kool. Koolkolommen worden zeer veel toegepast, en deze zullen hier gebruikt worden. Volgens INSKEEP (48) moet het gas eerst op 40 - 60 0 C verwarmd worden om condensatie van H20 in de koolkolom te vermijden '; hierdoor aou het steriliserend effect sterk verminderen. Het gistingsgas van de 6 series wordt in een Nashpomp gecomprimeerd tot 3 at. Een gedeelte van het samengeperste gas wordt door een voorwarmer, verwarmd met stoom, via de koolkolom naar een roestvrij stalen opslagtank van 10.000 1. gepompt. De druk wordt hierin op 3 at. gehouden met behulp van een regelmechanisme dat de hoeveelheid gas naar de tank controleert. De koolkolom moet periodiek gesteriliseerd worden. Er zijn daarom 2 kolommen parallel geschakeld waarvan er slechts 1 in gebruik is. Hoelang een dergelijke filter gebruikt kan worden is mij niet bekend. Meestal wordt een kolom bij het steriliseren van een gistingsketel bij de gewone discontinue processen meegesteriliseerd, zodat hij minste~3 dagen werkzaam blijft. ~
.-------------------------------------------~~---------.----~~~~--~~~-
- 11 -
Uit de opslagtank wordt het gas naar de gistingsketels gevoerd en naar de opslagketel voor steriel beslag. Tijdens het ledigen van deze ketel is per uur nodig 10.000 x ~ - 4300 L.gas van 3 at. Door de gistingsketels wordt 5000 l.gas van 3 at. geperst. Per uur moet er dan gesteriliseerd worden 5 x 9,3 D 46,5 m3 gas van 3 at. Bij een gassnelheid van 10 m/min. moeten de koolkolommen een diameter hebben van 31 dm. d.
Terugwinning van oplosmiddelen uit het gistingsgas. Bij de gisting wordt ongeveer 1,5 gewichtsdeel gas ontwikkeld op 1 gewichtsdeel oplosmiddelen. Per 1. vergist beslag wordt dan 1,5 x 15 g. - 22,5 g. gas gevormd. Dit gas bevat 40% H2 en 60% CO 2 • Het gemiddelde moleculairgewicht is dan '27,2; in 1 serie wordt . ," per uur ontwikkeld 10.000 x ~~:~ x 22,4 1. - 185.000 l.ga~ van 0 0 C en 76 cm. kwi~. In de ketels wordt nog 5 m3 gas van 3 at. geperst. Uit de opslagketel voor steriel beslag ontwijkt tijdens het vullen uit de kookketel een hoeveelheid gas, overeenkomend met 4300 1. van 3 at. per uur. In totaal moet er in de Nash-pomp tot 3 at. gecomprimeerd worden 5 x (185 + 3 x 5 + 3 x 4,3) = 1064,5 m3 gas van 0 0 0 en 76 cm.kwik. De temperatuur is 31 0 C, het volume is dan 1185 m3 bij 76 cm. kwik. Een ~deelte van het gecomprimeerde gas wordt gesteriliseerd. De rest kan afgevoerd worden. Dit gas begat echter nog aanzienlijke hoeveelheden oplosmiddelen. Volgens TROPSCH (4) en WOODRUFF (50) bevat het gas, dat ontwikkeld wordt bij d' gisting met Ol. aceto~ 1. but yl i cum in Terre Haute en Peoria bij 37 0 C 10 g. oplosmiddelen ~ ./\ per m3• Hiervan is 55% aceton, 22,5 % butanol en 22,5% aethanol.
V'
~ ~~ ~
~v
I"
v!
' Het gas zal hier minder oplosmiddelen bevatten: de gistingstemperatuur is l~ger, èen gedeelte is al gecondenseerd bij het comprimeren.
De gecondenseerde oplosmiddelen worden uit de vloeistof-afscheider na de Nash-pomp naar destillatie-kolom 13, gevoerd (J..eiding niet aangegeve~ i op de tekening). Toch zal het nodig zijn de gassen van oplosmidaelen te bevrijden. Volgens (4) en (50) geschiedt dit door de tot kamertemperatuur afgekoelde gassen achtereenvolgens door 2 stalen vaten met actieve kool te leiden. Het eerste adsorptievat bevat ge~ 4eelte1ijk verzadigde kool, het tweede vat is pas ingeschakeld. Het derde vat wordt geregenereerd door met stoom de geadsorbeerde oplosmiddelen uit te ~lazen. De stoom + oplosmiddelen wordt naar destillatiekolom A gevoerd. Na zekere tijd wordt de .eerste ketel uitgeschakeld, de gassen gaan dan eerst door ketel 2 en dan door de inmiddels afgekoelde derde ketel. De eerste ketel wordt nu weer geregenereerd enz. Per uur passeert door de adsorptie-vaten 5 x 185 x ~x 273 273 15 m3 = 325 m3 gas van 3 at. en 15 0 C. Bij een gassnelheid van 10 m/min. moeten de vaten dan een diameter hebben van 82,5 cm.
r - - - - - - - -- - - -
---
--
-- -
-
-
-
--------.~
- 12 -
e. Destillatie Men heeft bier te doen met een mengsel van 4 niet-ideale vloeistoffen. Volgens KIRSCHBAUM (53) is het voor dit systeem niet mogelijk van de afzonderlijke kolommen het aantal schotels te berekenen. B~ het ontwerpen van een dergelijk destillatie-systeem moet men dan ook eerst in een installatie op kleine schaal de nodige gegevens verzamelen of men moet proberen deze gegevens bij r eeds bestaande destillatie-inrichtingen te verkrijgen. Het hier toegepaste destillatie systeem is in grote lijnen ontleend aan het patent van PIACEK (49). Per uur moet 50.000 1. vergist beslag verwerkt wordeb. DE:" vloeistof bevat 337,5 kg. aceton, 397,5 kg butanol, en 15 kg aethanol. Deze 1 . 0 vloeistof wordt voorverwarmd van 31 C. tot ca 44 0 C. door condenserende damp uit destillatiekolom B en verder tot 800 c. in warmt euitwi sselaar / 1 door het residu uit kolom A. Daarna wordt het beslag van ev. ~L ~ aanwezig gas bevrijd door de vloeistof in een ontgas ser met zeef~ in tegenstroom te laten lopen met warme dampen uit kolom A. De ontwijkende damp uit de ontgasser wordt gecondenseerd in condensor A en het condensaat wordt weer terug in de ontgasser geleid. De ontgaste vloeistof wordt daarna door een stoomdestillatie in kolom A van oplosmiddelen bevrijd. Kolom A, evenals de andê5e destillatie-kolommen, is voorzien van borrelschotelJi.o~e d\6s\?iftaa% bevat 50% oplosmiddelen. Het kookpunt van een mengsel 'van 20% aceton, 30% butanol en 50% water is 78,1 0 C De temperatuur aan de top van de kolom zal d~ ongeveer 77 0 C zijn. (56) Een gedeelte van de ontwijkende damp uit kolom A wordt gecondenseerd onderin kolom C om daar de benodigde warmte te leveren. Het condensaat stroomt terug in kolom A als reflux. De rest van de damp uit kolom A wordt onderin kolom B gevoerd. Hier wordt de aceton en aethanol afgescheiden van de butanol en het water. Volgens PLACEK kan' men een destillaat verkrijgen, dat geheel vrij is van butanol en dat slechts sporen water bevat. Het destillaat wordt gecondenseerd in oondensor B en geeft zijn warmte af aan het uitgegiste beslag uit de opslagtank. Om zo'n zuiver product te verkrijgen zal een grote reflux noodzakelijk zijn. Uit een ~arm~.:~~§JlS.._Yan_ kQ.!Qm B volgt, dat de reflux-verhouding ongeveer l4,__is. De temperatuur aan de top zal ongeveer-57° C bedragen. ~ Na afs~eiding van de~~wOrdt de rest van het condensaat uit condensor B naar kolom C gevoerd, waar het gescheiden wordt in de componenten aceton en aethanol. Deze kolom wordt verwarmd door condenserende damp uit kolom ;.: À. Onder uit de kolom wordt aethanol verwijderd. Het destillaat bestaat uit aceton met een kleine hoeveelheid aethanol. Het wordt gecondenseerd in condensor C en verder afgekoeld in de acetonkoeler. De hoeveelheid water in het mengsel aceton en aethanol, dat in kolom C ingevoerd wordt, is verwaarloosbaar klein. De reflux-verhou~ing is 3,6 genomen. Het aantal schotels wordt dan ongeveer 43. Bij een plaatafstand van 0,5 m. wordt de hoogte van de kolom dan ongeveer 22 m. en de diameter 64 cm. Onderuit kolom B wordt een butanol-water-mengsel verwijderd, dat slechts sporen aceton en aethanol beva~. Het stroomt via warmte-uitwisselaar 2, waar het van 92,7 0 C tot circa 800 C afgekoeld wordt door
l
J
J( /
.~,~
f'
~yr
vf
I
vloeistof uit de ontmeng-tank, door een koeler, waar met water-koeling
-- -
, .
-------------:----,.~
- 13 -
Ie t emperatuur op 500 0 gebracht wordt, naar een ontmengtank. Hierin scheidt het butanol-watermengsel zich in twee lagen. Bij 50 0 0 bevat de onderste laag de ltleinste hoeveelheid · butanol , nl . 6,46 % ~~; , de bovenste laag bevat dan 77,58 % butanolÇ5~~ onderste laag wordt als reflux in kolom A geleid. De bovenste laag wordt in kolom D gescheiden . men~sel in butanol en een azeotropibh van butanol en water . De vloeistof wordt daartoe eerst in warmte-ui twisselaar 2 tot 80 0 0 en daarna . ';' in warmteuitwisselaar . 3 door warme butanol van 117,7 0 0 uit kolom D tot het kookpunt, 92,8 0 0 verwarmd . De afmetingen van kolom D zijn in VII berekend . Het azeotropische mengsel bevat 58 % water . Deze damp wordt naar condensor D gevoerd, waarin de damp condenseert, die nodig is als reflux . De rest van de damp wordt in kolom B teruggevoerd . Onder uit kolom D wordt kokend butanol met een weinig water verwijderd. In warmteuitwisselaar 3 wordt het van 117 , 7°0 afgekoeld tot ca 89°0 en dan verder in de butanol-koeler . De benodigde warmte voor kolom D wordt met behUlp van een stoomspiraal geleverd . VI .
a.
b.
Verwerking van de bijproducten. Als bijproducten worden hier beschouwd de ontwikkelde gistingsgassen en de van oplosmiddelen bevrijde vergiste vloeistof , het residu. Gassen . In Terre Haute werden de gassen aanvankelijk delucht in geblazen. In 1925 echter begon ' men met onderzoekingen om aan deze verspilling een einde te maken (3 , 4, 50) . De gassen ·zijn zeer ~uiver en behalve aanzienlijke hoeveelheden oplosmiddelen bevatten zij slechts sporen zwavel verbindingen . De oplosmiddelen werden geadsorbeerd aan actieve kool . Na verwijdering van de 002 door wassen met water onder druk en daarna met een NaOH-oplossing, krijgt men zeer zuivere H2 ,die aanvankelijk omgezet werd in NH • De fabriek, die 24 ton NH kon produceren 3 3 is slechts 1 maand in bedrijf geweest. Men had toen nl . ontdekt, dat men een mengsel van 002 en H2 direct om kan zetten in methanol . Het OO~ gehalte in het gas wordt teruggebracht tot 25 % door wassen met water van 15 at . in een toren met stalen Raschig-ringen. Het verkregen gas wordt tot 300 at . samengeperst in een 6-traps compressor en over een katalysator geleid , die bestaat uit 97 - 75 % ZnO of MgD met toevoeging van 3 ~ 25 % ijzerhydro~de . Bij ongeveer 300 0 0 verloopt dan de reactie 002 + 3 H2 ~ OH 0H + H20 3 Door rectificatie van het reactieproduct verkrijgt men 100 % methanol . "rn 1928 verkreeg men zo 13 ton methanol per dag in Peoria. Residu . In Ter~e Haute hield men na verwijdering van de oplosmiddelen uit het vergiste maismeelbeslag een vloeistof over met ongeveer 1 % vaste stof . Een gedeelte hiervan is gesuspendeerd aanwezig en kan gemakkelijk afgefiltreerd worden: het wordt als veevoeder verkocht . De rest van de vaste stof kan niet zonder grote kosten teruggewonnen worden . De vloeistof werd soms nmg gebruikt om er de beslagen mee te maken , wegens het gehalte aan N- verbindingen . Me estal werd de vloeistof weggegooid . Later heeft men ontdekt , dat e~ aanzienlijke hoeveelheden vitaminen van het B-complex, in het bijzonder riboflavine , in het vergiste beslag aanwezig waren.
, - - - - - - - - - - - - - - - --
--
--
~
~--_._--
- 14 MINER (55) heeft enkele methoden aangegeven om de vitamines te winnen door droogkmping van het destillatie-residu. Elke methode is te gebruiken waarbij hoge temperaturen vermeden worden. De verkregen vast. massa is uitstekend geschikt om aan vitamine B-arm veevoeder teegevoegd te . worden. Het is gebleken dat ijzer een zeer nadelige invloed heeft op de productie van riboflavine. Volgens HICKEY (18) is een minimale hoeveelheid ijzer (1 - 2~g/ml.) noodzakelijk VOor de riboflavineproductie.Grotere hoeveelheden zijn schadelijk. HICKEY voegt om het ijzer weg te nemen 2,2· bipyridine toe, waardoor hij hogere riboflavineopbrengsten krijgt. Volgens LEGG enBEESCH '(58) heeft tarwemeel een zeer gunstig~ invloed op de riboflavine .opbrengst. VII. Berekeningen. Van kolom D worden berekend: a. Aantal schotels. Bij de berekening van het aantal schotels is de methode van McCABETHIELE gebruikt. De mengwarmte van het systeem butanol-water is mij niet bekend. De molaire warmten van butanol en water zijn resp. 10.467 cal. en 9.729 cal. (51). Als gemiddelde waarde neem ik aan 10.000 cal/aol. De evenwichtslijn in het x-y diagram is getekend met behulp van de gegevens van STOCKHARDT en HULL (52), zoals deze uitgewerkt zijn door ~ KIRSCHBAUM 653i. (zie grafiek II) . Cp.j..r'Q De voeding komt~ binnen. De samenstelling hiervan w
;5
Berekening minimum reflux-verhouding: de lijn x ... 54,2 snijdt de evenwichtslijn bij y = 75,0. De werkliin voor de kolom boven de voedingsschotel R 1 Yn+I'" R + 1 ~ + R + 1 x D heeft bij een minimum r eflux-verhouding ~in een helling:
~in
75,2
75,0
11:
75,2 - 54,2 ... 0,0096 Deze waarde is wel erg klein. Ik neem aan: R ... 0,2. De twee werklijmen snijden elkaar bij x ... 54,2. Uit de vergelijking van een van deze werklijnen volgt voor het snijpunt: y ... 71,8. Nu kunnen de werklijnen getrokken worden en men kan het aantal theoretische schotels bepalen. Uit grafiek II blijkt dat dit aantal 5 bedraagt. Op een theoretische schotel is er evenwicht tussen de vloeistof op de schotel en de damp die er van
•
opstij~.
Dit wordt nooit bereikt, zo-
.
- 15 groter is dat het aantal practische sc~otèls-dan het aantal theoretische schotels. Volgens MURPHEE is de schotel-efficiency
•
[=
Yn - Yn +1
Y: - Yn .a.1 Hierin is Yn +1 de samenstelling van de damp, die de schotel binnenkomt en Yn de samenstelling van de damp, die van de schotel ppstijgt. is de ideale samenstelling van de damp. E is niet voor elke schotel gelijk. Gegevens hierover voor het systeem butanol-water zijn mij niet bekend. Ik zal ( constant veronderstellen. Het aantal practische schotels wordt theoretisch aantal schotels
Y:
b.
c.
é. Als f - 0,7 wordt het aantal practische schotels 5 : 0,7 = ~. Dit aantal kan ook gevonden worden door de praé ~tische evenwichtslijn te trekken. Deze lijn ligt op 0,7 e deel van de afstand tussen de werklijnen en de theoretische evenwichtslijn. Met behulp van deze practische evenwichtslijn kan men weer het aantal schotels bepalen: ook op deze wijze komt men op 8 practische schotels. De voeding moet ingevoerd worden op de tweede schotel van boven. Het residu is zuiverder dan aangenomen is: het bevat . ca 0,3 mo1.% water. Toe te voeren hoeveelheid voeding. De voeding F bevat 54,2 mol.% water, het destillaat D 75.2 mol.% water en het residu K 0,3 mol.% water . K moet alle butanol bevatten, die geproduceerd wordt, dus 397,5 kg • 5,37 kgmol. Dan is K = 5,37 : 0,997= = 5,39 kgmol. Uit materiaalbalansen volgt F = D + K 0,542 F = 0,752 D + 0,003 K Hieruit volgt F = 19,18 kgmol. D = 13,79 kgmol. Er moet dus 19,18 kgmol. voeding toegevoerd worden . Deze voèding bestaat uit: 0,542 x 19,18 x 18 = 187 kg water 0,458 X 19,18 x 74,1 • 652 kg butanol verder bestaat het destillaat uit 186,6 kg water en 254,5 kg butanol en het residu uit 0,4 kg water en 397,5 kg butanol Diá,neter van de kolom. Om de diameter van de kolom te berekenen moeten de dam~snelheid Sd en het volume V van de opstijgende damp bekend zijn. De voeding wordt kokend ingevoerd, zodat de diameter boven en onder de voedingsplaat gelijk is. De gemiddelde temperatuur van de kolom is(92 + 117) : 2 = = 105 0 0. Als gemiddelde druk neem ik aan BOO cm kwikdruk. Met toepassing van de ideale-gaswetten is dan V = D
CR
+ 1) x 22,4 x
273273105 x
~ = 488 ~.
De dampsnelheid hangt samen met de bouw van de kolci>m. KB:RSOHBAUM ·(5;;) geeft voor de maximum toelaatbare snelheid de formule Sd max:
ti
~
1, 74
VYd
16 -
•
Hierin is Sd de dampsnelheid in m/sec. H de plaataf'stand in m. yd s.g. van de damp in kg/m3 • Het s.g. van de damp is (1-+ 1) (186,6 + 254,5) =
488
1, 083 kg/m3 •
2;i
Stel de sChotelafst\id m dan wordt~e minimumdampsnelheid Sd = 1,74 ~ = 1,18 m/sec.
d.
I
,.
Om overbelasting ev. mogelijk te maken neem ik een veiligheidstoeslag van 25 % aan. De dampsnelheid wordt dan 1,18: 1,25 = 0,945 m/sec. De diameter a van de kolom wordt nu gevonden uit de vergelijking 1/4 "Tra2 x 0,945 x 3600 = 488 a = 427 mmo De hoogtevk~iom is minstens 7? x 0,5 = 3,~ m. Toe te voeren hoeveelheid warmte. Voor het kookpunt van het azeotroop worden verschillende waarden opgegeven. KIRSOHBAUM geeft hiervoor ca 92,7°0. Deze waarde zal hier gebruikt worden. De voeding wórdt juist kokend ingevoerd. De temperatuur volgt uit grafiek I : ca 92,8°0. Als basis temperatuur voor de warmtebalans zal ik 92,7°0 aannemen. Invoer van warmte De v10eistofwarmte van de reflux is nihil, en die van de voeding verwaarloosbaar klei#. Met behulp van een stoomspiraa1 worden Q kcal. ingevoerd. Totale invoer Q kcal. Afvoer van warmte a Het destillaat met een temperatuur van 92,7°0 heeft een gemiddelde verdampingswarmte van 10.000 cal. per mol. Met het destillaat worden dan afgevoerd 1,2 x 13,79 x 10.000 kcal. = 165.500 .k cal. b Het residu heeft een temperatuur van 117,7° C.Voor de s.w. van butanol tussen 92° en 117,7° o. neem ik de s.w. bij 105° C. FERRY (51) geeft hiervoor 6,78 cal/g. De warmte inhoud vanhet residu is dan ( 117,7 - 92,7) x 397,9 x 0,78 kcal. = 7.800 kcal. Totale afvoer 173.300 kcal. Dan is dus Q = 173.300 kcal. Warmteverliezen z~n hierb~ verwaarloosd.
--------------------------------• VIII
----------------------------~~--~~
- 17 -
Literatuur 1 PRESCOTT , S.C. & C.G.DUNN, Industrial Microbiology, 2nd Ed . New York, 1949. 2 KILLEFFER, D.R. Ind. Eng . Chem . ~, 46 (1927) Ind. Eng . Chem. gQ, 1063 (1928) 3 GABRIEL, C.L. 4 TROFSCH, H. Brennstoff Chemie ~, 1 (1928) 5 LEE , S.B. Ind. Eng. Chem . 41 , 1868 (1949) 6 LEE , S.B. Ind. Eng . Chem . ~, 1672 (1950) 7 LEE , S.B. Ind . Eng . Chem. ~t,r948 (1951) 8 • NORTHROP, J .H. "L.H.ABHE, J .K.SENIOR , J. Bio1. Chem. 2:1, 1 (19'19) 9 NORTHROP, J.H., L.H. AsHE , R.R.MORGAN, J. Ind. Eng . Chem. 11, 723(1949) 10 ARZBERGER, C.F., W.H.PETERSON & E.B.FRED, J. Bio1 . Chem. ~, 465 (1920) 11 GILL, A. J.SOc.Chem. Ind. ~, 273T (1919) ~, 411T (1919) · 12 GAIE, E.F. The chemica1 activities of bacteria, 3 rd Ed . London ,1951. 13 PETERS ON , W.H.,& E.B.FRED , Ind. Eng. Chem. ~, 237 (1932) 14 WILSON, P.W. & E.B.FRED, J. Bact . 12, 17 (1928) 15 ARROYO , R. , J. Agr . Univ. Puerto Rico !a, 463 (1934) 16 OWEN, W.L. Facts about sugar 21, 214 (1936) 17 WYNKOOP, R. Ind. Eng. Chem. 2.,2" 1240 (1943) 18 HICKEY, R.J. U.S.P. 2. 425 .280 (1947) 19 TSUCHIYA , H.M., J.M.van LANEN & A.F. LANGLYKKE , U.S.P.2.481.263 (L949) 20 LEONARD ,R.H., W.H.PETERSON & G.L.RrPTER, Ind. Eng. Chem. 22" 1443 (1947) 21 LANGLYKKE, A.F ., J.M.van LANEN & D.R.FRAZER , Ind. Eng . Chem. ~, 1716 (1948) 22 ENGEL, E.R. U.S.P. 2.449.064 (1948) 23 SILCOX , H.E. & S .B.LEE; Ind. Eng . Chem. ~, 1602 (1948) 24 TSENG , C.K. Ecön . Botany~, 69 (19477 25 WEIZMANN , C. U.S.P. 1.437.697 (1922) 26 FREY, A., H.GLUEOK &H . OEHME , U.S . P. 2.166.047 (1939) 27 HIGGENS, G.A. Ind . Eng. Chem. 10, 858 (1918) 28 WIIEJ', A.J., M.J.JOHNSON & E....F.M6COY, W.H.:FETERSON , Ind. Ehg~ Che•• 2l, 606 (1941). 29 SCHORGER, A.W. U.S.P. 1.911.399 (1933) 30 VILJOEN, J.A. U.S.P. 1.911.411 (1933) 31 ARZBERGER, O.F. U.S.P. 2.050.219 (1936) 32 HILDERBRANDT, F.M. en N. M. ERE, U.S.P. 2.169.246 (1939) 33 WHEELER, M.O. & O.D. GOODALE, U.S.P. 1.875.536 (1932) 34 VElGNAUD, P. U.S.P. 2.341.561 (1951) 35 McCOY, E.F. U.S.P. 2.110.109 (1938) 36 BEESCH, S.C. U.S.P. 21439.791 (1948) U.S.P. 1.565.543(1925) 37 BOINOT, F. 38 McCOY, E.F. U.S.P. 2.398.837 (1946) 39 BERGEY's Manua1 of DeiJerminative Bacterio10gy 6th Ed . Baltimore 1948 40 GAVRONSKY, J.O. B.P. 571.630 (1945) 41 BOEHM, R.M., H.E. HALL & J.A. Mac DOtillD, U.S.P. 2.421.985(1947)
•
- 18 -
•
42 NkTHAN, F. J.SO$. Che~. Ind. ~, 271T (1919) 43 $ JOLANDER , N.O., A.F. LANGLYKKE & W.H. PETERSON, Ind. Eng. Chem. 22" 1251 (1938) 44 UNDERKOFIER, L.A., L.M. OHRISTENSEN & E.I. FUIMER, Ind. Eng. Chem. ~, 350 (1937) 45 UNDERKOFLER, L.A., E.I. FUIMER & M.M. RAYMAN, Ind. Eng. Ohem. ~, 1290 (1937) 46 ~AAT DER NEDERLANDEN, D.R.F. 642.139 (1936) 47 WENDLAND, R.T., E.I. FUIMER & L.A. UNDERKOFLER, Ind. Eng. Chem. 2l, 1078 (1941) Ind. Eng. Ohem . ~, 1488 (1951) 48 INSKEEF, G.O. 49 PLA.CEK, A. U.S.P. 2400.370 (1946) 50 WOODRUFF, J.C. Ind. Eng. Chem.!1, 1147 (1927) 51 FERRY, J.H. Chemica1 Engineer's Handbook, 3rd Ed. New York1950 52 STOOKRARm, J.S. & O.M. HULL Ind. Eng. Ohem. S2., 1438 (1931) 53 KIRSCHBAUM, E. Desti11ier- und Rektifiziertechnik, 2er Auf1. Ber1in 1950 54 CARNARIUS, E.R. U.S.P. 2423.580 (1947) 55 MINER, O.S. U.S.P. 2202.161 (1940) 5Q ERNST, R.O., E.F. LITKENHOUS & J. W. SPANYER, J. phys.Chem. 22, 842 (1932) 57 WEIZMANN , E. B.P. 572.763 (1945)~ B.P. 573.216 (1945) 58 LEGG, D.A. & s.O. BEESOH U.S.P. 2.581.419 (1952) 59 RILL, A.E. & W.M. MALISOFF , J.Am.Ohem.Soc.~, 918 (1926)
