·..
voor Çhemische Te'chilologie
/
Verslag. (behorende bij het fabrieksvoorontwerp
van
.;;. .B.~!!.:F.:.. ~P.9.fW~l:)....~!L.J._...W.~_ .•y.~m.. g~.J;...~l9.m_. __ "--~ . V._'
onderwerp :
Butanol-vergisting • .............. .,. ................................ ............................... ..................... .. -
'
~
.... ........ ....................................... ...................................................... -........ -.......................................... . -
~
,J! 196,:. Delft 49-, Delft
•
<
1975
jan. 1976
o
o
o·
.0
BUTANOL - GISTING
ó
o
0
\
/
/'
9 f
o
J. van der Blom
o
H. Dolman
o Delft,' -januari
o
1976
o Inhoud.
o
o
1.1. 1.2. 1.3.
. samenvatting doel konklusies
2
inleiding
3
uitgangspunten van het ontwerp
4 beschrijving van het ontwerp
o
ö
\ o
o
9
o
o
4.1.1. 4.1.2. 4.103. 4020 4030 4.. 4.. "4 .. 401. 4.'4 2. 4.403. 4.4.4. ,404.5. 4.4.6. 4.50 4.5.1. 405.2. 4.5.3. /" . 4.6. ' 0
mikrobiologie metabolisme levenscyclus van de bakteriën het simulatie model de kinetiek proceskondities entmateriaal I . de pH de temperatuur de koolstofbron de stikstof en fosfaatbehoefte infecties het fermentatïe proces he't opstarten en de werking van de ferment or de'bereiding en stérilisatie van het medium de bereiding van het entmateriaal de opwerking,van de fermentatie vloeistof
5. keuze en berekeningen van de apparatuur 5.1. de hoofdfermentor de entfermentor 5.2. de sterilisator 5.3. de gaswasser 5.4. de beerkolom 5.50 de acetonkolom 5060 de ethanolkolom 5.70 . 508 0 de butanolkolom de scheidingstank 5090 5.10 0 de apparatuur voor de warmte overdracht in de destillatie-sektie
o
o
o
o 6 0 de produktiekosten van n ...bu-tanol
o
70 alternatieven 7010 continue fennentatie 702 semi-continue fe~mentatie 7.201. kinetiek
o
.
7.202. procesvoering 70203. proceskon4ities 702.40 kosten berekening
8. symbolenlijst 90 literatuurlijst
o
o
bijlage A bijlage B bijlage C
simulaties processchema's en apparaattekening apparatenlijs·~ en massa- en wanntebalansen
bijlage D
kostenberekening
o
o
ö
"
o
o
o
o
o
1.1. Samenvatting ,In dit fabrieksvoorontwerp iS'nagegaan of een relatief klein,s~halige butanol produktie van 10 ton per dag door fermentatie
o
o
10
I
io'
I
I
uit molasse economisch aantrekkelijk kan ~ijn.Naast hettrqditianele batch proces hebben we een speculatieve semi-continue procesvoering'bekeken,waarvan de produktiekosten 25% lager ligg.en. Een simulatiem6del is gemaakt van het batchproces,omdat er in de literatuur geen eenduidigheid bestaat omtrent de procesgegevens.Aan de hand van de simulatie is debiomassa geoptimaliseer~ op 10 kgfm 3 .ne bij de berekeningen gebruikte kinetiekgegevens zijn ~fkomstig uit deze optimalisatie. Voor de opwerking van de fermentatievloeistof is gebruik gemaakt van destillatieve sche~ding. De knelpunten in dit fabrieksvoorontwerp zijn tweeledig: I)De gebrekkige kinetiekgege~ens van de butanolprodicerende micro-organismen. 2)De onderling samenhangende vestigingsplaats,butanolopbrengst en molassekost prijs.
/'
o
o
o
o
o
," 1'"
1.2.
o·
Het ontwerpen,(v.a,n een kleinschalige produk.tieeenheid voor butanol. uit molasse is als doel gesteld in dit fabrieksvoorontwerp.
[0.
De .capaciteit van IO ton per dag vormt ongeveer 0,3% van de' wereldproduktie en ligt in dezelfde grootteorde als de grote produktieeenheden voor de butanol-vergisting van rond 1945; daarentegen beschikken de huidige synthetische butanol-plants over een 10 maal grotere capaciteit.~r
:ó
De grondstof- en butanolprijs op de wereldmarkt maken het· proces aantrekkeljjk in situaties waarbij grote overschotten molasse aanwezig zijn.ln suikerreit producerende landen van de derde wereld worden mólasseoverschotten vaak als afv~l gedumpt,omdat de vervoerskosten te hoog liggen.Het is echter all~en
o
de vraag of butanol het meest zinvolle produkt ds,wat uit molasse . gemaakt kan worden.De af~et mogelijkheden in deze gebied~n voor ( butanol en aceton zijn alleen dan voldoende g~waarborgd,indien in de directe omgeving een redelij~e industiële ontwikkeling is.' .
o
,t'
'D~ vervoersmogel~kheden in die situaties zijn echter meestal
o
~\ ?
\' V''
o
,zo goed dat de prijs van de molasse'te hoog is.Produktie van .. produkten waarvoor direct een afzetgebied is ,lijkt wenselijker in " een sterk agrarisch gebied. Hierbij wordt gedacht aan singel-cel., protel.ne voor veevoeder of ethanol.als energiebron.
o ,.
o
o
o
1.3-.-
o
o
'1.,3
I) Met de traditionele
o
0,
batchgew~ze pro~uktie iS'defe~mentatieve
bereiding van butanol mogel~k bij een butanolprij~ van 'fl.' 1,40 tegen-een molassepr~s van I cent/kg. '(dumppr~s ). 2) Volcontinue produktie geeft slechts een geri~geverlaging in de invester.ings- en produktiekosten. 3) Toepassing van het speculatieve semi-continue proces 'is 1~.II~1r( aantrekkel~k b~ een butanolprijs van fl. I, 40/k~ en een } '~r 1 1c.-Amolassepr~s van 5 cent/kg. 4) T6epassing vna het semi-cbntinue proces heeft allen zin
f
als een oplosmiddelen concentrati.~ van ongeveer 6 gril. in het beslag kan worden toegestaan zonder ernstige inhibitie. EU lagere oplosmiddelenconcentraties worden de destillatie
o
kosten te hoog. 5) ~xperimenteel onderzoek naar de
o
o
I,
,
:0 i
io
,
,
I'
I
iO
io
semi~continue
fermentatie
ontbreekt. 6) Realiseerbaarheid van d~ fermentatieve· bummol produktie beperkt zich tot landen met een landbouw ge~ichte indu~t~1e ~n ieder geval buiten West-Euröpa en de V.S. in c6mbinatie met een suiketfabriek.
:0
I
Conclusies
"
o Inleiding.
o n-Butanol behoort tot een van de belangrijkste oplosmiddelen voor de lak- en polymeerindustrie. Daarnaast vindt het toepassing als .J
extractiemiddel en grondstof voor esters.
o
In 1973 overtrof de vrereldproduktie van n-butanol de -1 miljoen ton,. waarvan meer dan de helft, in West Europa vTerd geproduceerd.' Deze . . produktie bestaat vrijwel uitsluitend. uit synthetische butanol, waar-
.
bij de"oxo-synthese" ( grondstoffen propyleen, waterstof en koolmo-
o
noxide ).het belangrijkste proces is. De
ihdustri~le
produktie van butanol door middel van de vergisting
van koolhydraten ontstond rond 1912 door de ontdekking van de bakterie-
o
stam ". Clostidium acetobutylicum weizmann " en gold vooral in de Verenigde statËm van Noord Amerika tot 1948 als de belangrijkste· produktiemethode. Er zijn nog enkele landen· waar deze procesvoering wordt toegepast ( India, Zuid-Afrika, Australië',: Egypte ).
o
t'
Als grondstof kunnen vele koolhydraat houdende landbouwprodukten worden gekozen zoals: cassave, artisjokken, zonnebloemafval,maïs en houtsuiker. Waarbij de beschikbaarheid en de prijs de voornaamste
o
keuzekriteria zijn. Tegen de huidige wereldmarktprijzen voor butanol . en molasse lijkt 'de butanol-aceton vergisting een weinig aantreJ:.kelijke
-----
zaak: grondstofprijs is hoger dan de opbrengst van het produkt. ~
Transport bepaalt echter voor een groot deel de wereldmarktprijs van
o
::t '.v~
molasse, terwijl vooral in de Russische literatuur fermentaties te ) vinden zijn die werken dukten.
o
(
~ (fJ~./. ~
.
o
o
o
.
~""1
JP"""Y'
,
?
~. .
aanzienlijk goedkopere landbouwafvalpro-
o 3.1 .3.
o
Ui tgangspunten van het werk •. \ Kapaciteit:
3000 ton butanol/jaar
.Aantal bedrijfsdagen: 300 dagen/jaar ( vol continue dienst
o
Bijprodukten:
açeton
600 ton/jaar
ethanol
150 ton/jaar
waterstof
260-ton!jaar
kooldioxide
o
veekoeken ~ondstoffén:
molasse
5700 ton/jaar, 100 ton d.s./jaar 3q.OOOton/jaar ( high bla~ti'ap)
o
450 ton/jaar
stikstof (ammoniak) fosfaat (superfosfaat) CaC0 3 mediumwa,ter
o Afval:
1
40 ton/jaar 60 ton/jaar 150.000 ton/jaar
~~
Geen specifieke afvalstromen. Alle nevenprodukten worden verwerkt, behalve kleine hoeveelheden foeselolie en ketonen. Door 'de afgassen kan stank
o
overlast veroorzaakt '-Torden. Utilities:
o
o
o
o
o
stoom (lage druk)
-----------
48.600 ton/jaar
koelwater
1.000.000 ton/ jaar
elektriciteit
1.500.000 kWh
~b T\' ( ~{I\..:lo(""",
~~bokw:
'J_
o 3.2.
Fysische konstanten:
o
"
~
o
C.,.,
Grondstoffen
kg/m3
kJ/kg
molasse water
1000 1000
4,18 4,18
-
corrosi- gif tig- ontbran-
r
kJ/mol viteit
heid
40,7
-
-
.
+
+-
+
+-
-
+-
-
+-
-
+-
din~.
-
tussenErodukten
o
96q 1050
boterzuur azijnzuur ,
o·
ethéJ.nol :
.
aceton
H2/C0 2 0
1
Opm. ++ = zeer + = matig +- = rreinig
= niet 0
o
o
o
o
o
810 790 190
3,72 2,47 2,27 1,2
LlLl, 1
39,5 31,7
.
.'
eind:erodukten butanol
-
~
1,45-11,25 3,85;...18,95 2,55-12,80 4,00-74,80
o
4~1.
4,. ()
Beschri,iving van het ontwerp.
4.1.1. Mikrobiologie. Onder anaerobe kondities lcunnen door diverse organismen een groot aantal organische stoffen gevormd worden., zie fig. 4.1. (lit. 4)
o
o
o
o
o
fig. 4.1.
De
Omzetting van pyrodruivenzuur naar organische
produk~en.
vorming van butanol en 'aceton door bakteri~n is al vele jaren
bekend. ( Pasteur 1861 )
o
\ Een groot
aantalbakteri~ri
is in staat butanol en aceton of butanol
en isopropylalcohoL te vormen. Enkele van deze
bakteri~n
staan
vermeld in tabèl 4.,2. (lit. 5) Clostridium acetobutylicum is in de
o
industri~le
fermentatie van
zetmeel het belangrijkste mikroorganisme. Bij de fermentatie van, molasse wordt een saccharolytisch type bakterie gebruikt,'bv. Cl.
saccharo~acetobuty-licum.
o
o
o ..
o
o u,s,
Pntcnt :\0, 1,725,033 l,90S,3G1
o
S"h'cnt Rn.tios, 'ió
N n.mes of n"cterill Bccttlus sacc/w.robuly!icu.m-hcta . Chstridiltm S!l.ccli.aro-
1,922,921
hutuUt;um-(J!Jm7~c. . Clo8t~'idium l:acc/taro·
2,017,i.i72
CI?Slridillm
bulyl-aceto71icllm
viscifa-
Cit;nR
2,0~0,21(J
o
'Cl?ol ritiiu,m sacch~roc.cet?b utyll~r.U m,-bcla ar.u oamma
Substrntc In\:crted mQI!L.'3~es, CaCO. Rtnck~t!"'n.;) mobsses. CaGO, J3!achtrap molasses, CH:n
~l\1tcn.
(Xll,',:::a,
nnd.
de;:!;r:lucd protei:l ~uch 3S c.:umonÎu, stecp w:!.tcr or ~1i~tHll'Q' slop I:n'('rtcd mola~sc5, XII:, C"CO,
2 ,Oi3 ,12G
C'ln::!ridiu.m inL'er/oacetobutyUcum.
2,08f1,,,22
Clnslrirl!um sr:ccharoace: ~bl'l!.!Z tcum
Lo':i!'li~tla m,)hts~cs,
2,O~O,37'
CltJ$!ridiu.m sccrharo" bu!yl-i""l'ropy/-
In\"(~rtcd
LO'l:sin.na mo~nsscs (in\"cdcc!), ammonium su!ts or nlkalics
.I:'\II,\,;:;O"nnu , C"CO, mc)In.:-l~cst
t;rmleu protcin
!soprop)'l "I.ohol 35,
'--
65-S0
1S-34
64
36
06
n~o)as~cs;
Closiridium !Jropyl bILlylicum
Acetone '-.....·_3
1-2
.
C"CO,
2,003,.14~
"lcoi101
ï5
In "'{'rtcd inoln.sscs, Cn.!IC
l~thJ
-But,'l "IcolIOl
de-
aCl;lollicum
-',
..........
3
31
"
08-i3
1-3--'--.2<1,-32
09-iO
,1-17
GG-70
2-3
27-31
OS-i3
1-3
2G-32
LowplI;
30-38 2-20
OO~iO; H,~h.
14-28 (mixture iso;>ropyl and ethyl)
1'rnoo-.10 10-30
pil,
2,110,109
o
Clo.-:lridium sa-:charoacc(.JJbtlly!icum.alpIta
2;113.472 2, 132,03~
Bat:Îilus tetr1l1
2, 13~, lOS
Closlrirlium sq"c},c.rob',l1/l-r:CClnnir-um-
Clos!ridium propyl buty!iculII-alplia
li'11l.,./Il,rÎlJn·,-oa·llma
and rldla
2,130,111
o
Clnt~!Ti,lium.
sacrharo-
b"t!ll-flClJl011 ÎCll mliqu'''!'Icicll.~-!la1ilma
2,147,487
antI delta Bacillus blllar.onc
Cuhan mtllnsscs. (:,\II,J,SO., ,md gluten
CltJ."'lridium cc1ui/aclor
Invcrt{'d mol!lRctec;. (Xlh',SO" enco" , K;lf'I'O., and ;\1;:80, Bhtr~<::trap mo:ut.:::'=:!"s, (XII.',';O" eaco"
CI:han molasscs. IXII",,,O,, CaCO" am! 1':0:l~p
o
rnolns.qo",
IÎ1\'cr,ed
mt)!:1."'~('~.
:un-
monÏ3. :lud ("aCD: :\1 o!~\S~CS., corn ~~!Ht(>n,
2,219,426
CZnstrirlitlm tacchcrobu!yl-il':oproP!lI-
nmmonium salts. and C"CO, enn!" ant.! heet mo!nsscs. :md ( X1I,)'50"
Closlridiutn, 71lcdi30nii
Cuhnn
2,3~8,837
2,420,008
2,439,701
74 Oi.i-iO
0 3-{
20 5-10
58-ï4
2-0
'24-36
OO-GO
3~.5
10-20
C5
20-35
28
ani mal nnd \"l':::ctah!c
Cla.ttlridlu."" orantllobeel"r acctobuluZi...
ct:,.tollif!um~bcla
20-32
:tod P!O!i
2,105,02~
C1~m.
1-3
t1lc~d
. pru!l'in
2, 1~!l,2.l0
O,j-80 08-i3
~"CO,
b!a("k~t.rnj1.
X 1[,0 Ir.· (X !1,),SO" ' :md C:1CO, amylo... In\'('rt mo!:!.<;..;c~. (~H ,hClostri,!ium. sar:r:harobulyl-lJrOSO" CnCü" ai,t! 1':0, or NH,OIl :ln,1 p,a. Pu!iC'!lm . Clos!ridium $flcc],ero- In\'crt nHJlas~(·~. {~!lI\:n.cetopcrbutylicum SO" ('"CO" "nd P,O" or X !I.O II :mt! 1',0,
GO 00-i5
2
.1-10
00-S5
38 25-30 15-40
;5-7°
4-0
G5-72
Tr:tcc
GO-iO
2-7
,0,1-4,0
li-20 2-4
26-32
' 18-25
o tabel 4.2. Diverse bakteriën en de verhouding van de oplosmiddelen 1 die door deze bakteriën'geproduceerd worden.
o
4.1.2. Metabolisme., Het metabolisme van de butanolvo+ming door Clostridium, acitobutilicum "
o
wordt beschreven door' Aiba. 'e.a •. ( li t. 6 ). Glukose wordt ,volgens, . het glykolyse reakti~pad omgezet ,tot pyrodruivenzuur. ( zie fig.4.3. )
o
\ /
o
'
o Glucose
c
Glucose.,6-P
CHO
CHO
I
I
rructos,,-6·-P
Fructose-I, 6-di-P
H,COII
H,CO-Q?}
I
HCOII HCOH. C=O . ._.;::,,'..... ). _4.c::.A .... ---'---HOtH A_Z...::,·P_-<".:::::A
IIOtII~ I
BeOIl . I BeOIl I
o
) ''''',COH
I.....J
D~oi;1f
Di~H-ace'tono-P
II,CO-® '
I
I
C-O{ :
C 0
-r.:,. I:I~IOClf
I
I
BCOIl
HCOH
HCOH
HCOH
IICOH
HCOH
. I
I
I
I
I
H,CO':"'fl' \V
,+
. ClIO I
.
HCOU
I
H,CO_1ilI \V
t~,OH
H CO_1flI
I
H,CO-®
'\U
Glyceraldehyde-3-P
NAO+
o
i®
NADH+H+
eo OH
COOH
I
I·
COOH
.'
I
CO F C O ...... ®yHCO-
o
ATP . Pyruvlc
acid
eOOH
I
HCOIl I
.
Summary: Glucose
AOP .
CH,O-®
COO-® I
HCOH I
CU,O-®
' .
H,O '.' P-enol-pyrvvic acid
:p;". t
ATP
2-P -gl)'cerlc
3-P-glyceric
ócid
acid
.
1,3-dl-P-glycerlc acid '
+ 2ATP + 2NAD+<=;::!2 Pyruvatc: +4ATP + 2NADH + 2H+
o fig. 4.3 .. De reakties van glycolyse..
®=
H2 P0 3
Het pyrodrui venzuur wordt op zi jn beurt in de aamTezigheid van
o
coenzym A (CoA') en NAD gedecarboxyleerd. ( NAD
= nicotinamide:
adenine dinucleotide) Onder deze kond i ties rTordt acetyl.-v SCoA en gereduceerd NAD gevormd .• AcetyllV SCoA is een komplex,. waarbij door hydrolyse van de acetyl-zwavel binding een hoeveelheid energie
o
vrijgema.akt kan worden, 'gelijk aan de volgende' hydrol;y-se van de
.
.
hoog e~erget~he binding ATP ( Adenosine trifósfaat ) ( zie fig·4.4~) • .....
o
;'
o
o. I
o
o CiI"CH.OH • ElhollOl
CII., CO· COOII Pyruvic acid
CH., COOII Atolie acid
1 ,ZNADlk::.' . +21[+
,. "
CII•• CO-SCoA
+
CH., CO "'SCoA
. "'SCoA-A:I'P
o CO~
l'I.O
F
CoASH
.--7-'=-../"--CH . •• CO.CII,.CO-SCOA'
CH•• CO.CH· .....
CoASH
Acolonè'
A~elo-acolyl "" CoA
FADH.
o
FAO CH.,CHOH.CH.·CO"'SCoA
I-~I.O
'"
'CH., CH = CU· CO -SCoA
o
Crotonyl",CoA
~NADH+II+, ~NAO+
.
CH.,CH.,CII.,CO""SCoA,
o
p-oH-butyryl-CoA
Bulyryl-CoA
-®XCOASJ.r· - - -' / . . or
i~
CoAS"-'on! / ' CH.,CH.,CH.'COOH
..
CH "CH"CH•• CBO
Bulyrylaldehydo
Bulyric pcld
o
NAOH+H+
F
NAO+ . ' CH. ' CH. ,CH. ' CH.OH
,
Iluloool
fig. 4.5. De fermentatie van pyrodruivenzuur door Clostridiumsoorten tot
o
boterzuur,en azijnzuur of butanol, aceton en ethanol.
.
In een basisch of een neutraal milieu vorm~ hèt mikro-organisme zuren (boterzuur en azijnzuur ). Hierdoor zal' de PH dalen. Bij
o
een'bepaalde PH gaat het mikro-organisme i.p.v. zuren
alkohole~
( bu~anol, aceton, ethanol ) produceren. Als de eindprodukten van de fermentatie zuren zijn, is het mogelijk dat de energie van het acetylrv SCoA als 1Tolgt voor de cel bewaard blijft:
o
Acetyl'V SeoA + H PO 4 -------)Acetyl fosfaat + HSCoA 3 'ADP = Adenosine difosfaat, ATP is een hoog energetische verbinding, ,
-
die in de cel-van levende organismen als energie overdrager fungeert. Als de
o
o
~indprodukten
volledig ,tot alkohol en worden gereduceerd,
..
o ~orden
o
de hoog energetische verbindingen gebruikt voor deze
redukties. Dus als Clostridium glukose reduceert totbutbanol, ethanol en aceton, is de enige energie die uit glukose gewonnen 1iord t de 2 ATP verkregen ui t de reakties van de glykolyse
o
0
4.1p3o Levenscyclus van de bakteriën. Tijdens de groei van butanêlvormende bakteriën in een batchlcultuur doorlopen de mikro_organismen diverse stadia. Hierbij verandert
o
ook het uiterlijk van de bakteriën. Het verloop van de fermentatie is te verdelen in een drietal fasen. ,
"
~e_~r..ête faE.~:
In de eerste fase neemt het aantal cellen exponentteel toe. De
o
cellen produceren in deze fase v90rnamelijk boterzuur en azijnzuur • De gemiddelde grootte van de
.
cel~en
t'- •
is 4,7 x 0, 12
-
Door de zuurproduktie zal de pH dalen. TensJ.-otte
gaa,t het mikro-
orga.nisme but~nol,aceton en éthanol vormen. (zie fig. 406 .. )
o
IMclcrill ' In nullrronl
Acid
Redllclion ol
cc.. ol o.lH in 10C,t..
MClluJ'l~I1C Blue Tmlt: In t-llnulr:s
. .,, ,
520
1600 - 460 410 110.' - 400
o
,,
s~o
IO.'lO·
Tllraloblc I\ód 1
I LLI I -i
:1
I
I I i-t-t Lr 2t -~..." BaderiaJlO
il, I ,
360
IIW
I
1
EE ,I!lI-l- "'{~ttrt \L.-l-I- ". - ~ . I .- - -lll-~- -'lIl" .\," ... ·'I 4;, ':- - -1.•' -'r, ~!.'g" UilL}TI Ir ' '. +~~-".!" . .~~- I-
/000
280
l- '-'
f
\
20 o
16o
600 400
/;:0
200
' 80 40
/'
-f-;:p
"-f-'1-1-
" ••
1)110, 240
o
I, 5'
1
--1-- ,
'.
- --1-
1-t-i-...
.:L
,'i\f
II
__ I
.1
1-L LI:1.
2
r-
-
~.....
~,J,.r~
I.';d., (\
:8i'~\'1J.tC-IJ"\o::\.1' . .~rc!!f·~'-Uf-I · lIT.I'Clo:;lrod'lI •"-I I" o
•
f'- -
-..
I ....
J 6 ,
.'~.::r.J 12 I~ 1621 U 21 JO JJ .'11
-::_ Rcdud.o
::...
I
J' .2 4316 ~I ~f "!>O 6) bi> óY 72 7S I
I
TIME IN lIovns
fig. 4.7. Aantal bakteriën, en zuur-
o
produktie.
,.,
o
~ordt ~e
zuurvorming door tóevoeging van CaC0 .ge~ompenseerd, dan blijft
3
het mikro-organisme zuren produceren en'vertonen butllanolvormende bakteriën '. ,
hetzelfde gedrag als bakteriën,die niet in staat zijn alkoholen te produceren.
o
o
Zie
(tabel 4.8. )
lit. 9
o
"
.....".' MOI.ES l'ER
" ..'
o
Butyric acid Acctic acid CO,
H,
~ Ti'" flt
st;
.
' ....
100
1 . Dutylic, Un,~trnlizcd
~ ~
Bul.anol
'
.
.4.6 •
,
.
MOI.ES JlEXOSE
2 Dutylic
+ Ca CO,
18 12 200
ïl 41 l!)0
]70
.224
58
4
3 But.yrio·
75 43 195 233
8&'J
o
, tabel 4.8 .. Stofwisselingsprodukten van butanolvormende en boterzuurvormende bakteriën. De tweede fase:
o
In de tweede fàse vindt de butanolproduktie voor het grootste gedeelte plaats .. Bij
~e
produktie van alkohol en komt veel
minder energie uit de 'omzetting van glukose ter beschikking van het
o
mikro~organismeo
Hierdoor zal de groei snelheid sterk
afnemen •. ( zie fig. 4.7. ) Het aantal mikro-organismen blijft in deze, fase constant.De cellen i'rorden kleiner. De derde - - fase: --Door de toenemende butanolconcentratie zal de groei geheel stoppen
ö
en de afsterving versneld worden. In de 'deràe fase neemt het D~
aantal cellen sterk af. deze fase is 2,6 x 0,6
~
gemiddelde
groott~
• Tevens treedt er
van de cellen in sporevorm~ng
op.
De sporen zijn 2,4 x 1,2. j..t "
o
Gedurende alle fasen wordt door de mikro-organismen gas geproduceerd~
o
Uit de
'waarneming~n
'van Peterson en Fred blijkt, dat
in de eerste groeifase er evenveel Ç02 als H2 gevormd '\-TO;;,dt. ( lito 7 ) In de tweede en derde fase wordt + tweemaau z~veel CO
2
als H gevormd. ( zie fig. 2
4.9. )
9
o
o fig~
4.9.
De
prod~~tie
van gas tijdens de butanolfermentatie.
o _. ____ ........ ~~
,'t;"
r
\
,
o 4.2.
o
-
Het Simulatiemodel. -'
De voornaamste reden da,t
"'N~
er toe over zijn gegaan om ·een simulatie- .
model te maken, is de grote spreiding in de literatuur gegevens. Met
,
name de gegevens van laboratorium experimenten. summiere gegevens over industriële
o
~e
processen~
sterk af van de
Vooral de gegevens over
eindconcsntratie butanol en'de procestijd. lopen sterk uiteen.
De gegevens van industriële processen ~aren
o
liijke~
ver~oonden
teveel spreiding en
te onvolledig om hier het procesontwerp op te baseren.
Doel van het model is zowel simulaties te inaken die goed oV,ereenkome? me~
de
laboratorium experimenten, als simulaties die goed aansluiten bij gegeven~
van 'industriële processen, z9dat hieruit de procesgegevens
,
gevonden kunnen worden.
o
Het. onderzoek van Peterson. en. Fred ( li t. 7 ) is het enige onderzoek over butanol fermentatie dat een totaal ',beeld geeft van het procesver- . ,loop. Op deze gegevens hebben 'we daarom het model in eerste instantie gebaseerd.De kihetiek gegevens die in het model gebruikt· zijn worden in H4.3. nader toegelicht.
o
De waarden ,van de diverse konstanten zijn voornamelijk afgeleid uit de " onderzoekingen van Peters on ,en Fred en komen voor het overige deel uit
andere .literatuur bronnen. lit.(5,8)
o
In fig. (4.10) wordt met behulp van een blokschema op kwalitatieve wij~e de lferking van het model toegelicht. Fig.
(4.11)' geE.'lft een mathe-
matischevoorstelling van het model. ' Peterson en Fred hebben bij hun èxperimenten niet de biomassakoncentratie·
o
gemeten, maar het aantal bakteriën per mililiter. Het is
~chter
I
.
gebruikelijk en eenvoudiger om te rekenen met biomassa-
koncentraties. Als de dichtheid van bakteriën gelijkgesteld wordt aan de dichtheid van
o
~ater,
kan uit de afmetingen van de bakteriën het ge-
wicht van .een bakterie berekend worden. Uit de experimenten van Peterson en Fred kan afgeleid worden dat: 12 '1 ir. bi<>massa!l ~ 0,5 •. 10 bakt./l Deze rohatting is vrij ruw. De fout in deze rohatting heeft geen invloed
o
op de berekeningen, omdat de yield faktor op dezelfde wijze omgerekend is. Een simulatie met dezelfde biomassa koncentratiè als bij de experimenten van Petersol'l en Fred ( 2,3 kg./m3 = 1,2 • 10 12 bakt./l ) sluit goed aan
o
o
bij deze experimenten. Zie bijlage ( A.2 ).Aan het eind van de fermentatie
_
....fT
o nee
11
ó nee
o
gr,oeisnelheid...: 1--_ 3 9 , fase
groeisnelheid e 2 fase
o aantal ba.kteriën per liter oplosm;. produktie snelheid
o gasprodu-ldie-'
s~!31heid
0"
fig~ , 4.10
w
1---1riJ
totale gasproduktie
qplosm., konc.
oplosm.
produktie-r-------------------~~~--------~
snèlh. =0
'kwalitatief blokschema van het"simulatiemodel van de butànol 'fermentatie
o
o dN -::: 0
dt
o
dN P -P , d t -'ft N (-El..::.. - D) p
o dP ~~._dt
:::
K.N ......~
o
o
fig 4.11
mathematisch morull van Rat simulatiemodel van de
bu~anol
fermentatie
o
4.9 ' vinden Peterson en Fred echter een geringere' afsterving t;)n een iets I
grotere gasproduktie • lvaarschi Jnlij~ is de aanname, dat de akti vi tei t
o
van de mikro-organismen konstant blijft,bij hogere butanol koncentra-
vl~~ (.t.ies,niet ~~~ 1fase niet .
geheel juist. Ook is' de overgang van de 1e fase
naa~
zo scherp als in het model verondersteld .vordt..
de 2e .;J'
nv
WfV"wI·.
In bijlage (A.3) wordt getoond hoe de fermentatie snelheid en de
o
eindkoncentratie oplosmiddelen van de biomassa koncentratie afhangen Tevens' bood het simulatiemodel de mogelijkheid het proces te opti-" maliseren met betrekking tot de hoogte van de biomassa: koncentratie.
o
· De berekening en de resultaten van de optimalisatie zijn te zien in bijlage (A04). Uit de optimalisatie blj,jkt dat de biomassa koncentratie minstens 10 kg./m 3
m~et bèdragen. Of een hogere biomassa kon-
· ce11tratie gunstig is hangt af van de grondstofprijs.
o
· Bij een molasse prijs van 5 10 kg. biomassa/m 3 o
10 ct./kg. ligt het optimum rond de
Bij een molassae prijs minder dan 5 ct. maakt het nauwelijks uit met welke biomassa koncentratie. gewerkt wordt. Bij zeer lage molasse
ö
prijzen is het gunstig met een zo laag mogelijke biomassa koncentratie te werken. I
Bij de berekeningen van het proces
o
z~Jn
we uitgegaan van" een biomassa 3 koncentratie in de2e fase ~ 10 kg.fm • Voor de gegevens over. . · f~rmentatieduur,eindkoncentratie oplosrriiddelen en de gasproduktie "
hebben lie de uitkomsten van de betreffende simulatie gebruikt. Zie bijlage (A.5)
o
o
o
.
i
~-:
o
.,
·
..
I "
.0
4.3.
De kinetiek De kinetiekfol.'ffiu1es 9 die in het simulatiemodel gebruikt zijn, '\'Torden
o
schreven
toegelicht. Zoals in de hoofdstukken 4.1 en
ko~t
hieronder
~s,
kunnen in de groei van de
scheiden '\'Torden. Deze fasen De
o
exponenti~le
word~n
bakteri~n
4~2
drie fasen
be-
onder~
achtereenvolgens behandeld.
groeifase:
De. groei van de
bakteri~n
kan beschreven '\'Torden met de Monod
vergelijking. ( 1it. 10 )
dM ~ Prn0 M.(-.L) dt
o
1.
Ks+S
Omdat Cs veel g:r:oter is dan Ks kan vergel. ~
dt
b
=/J. • 'In
Voor de
.a1s volgt. herschreven
tL..
'\'Torden: dM
1~
·ctJ
M .
~""
/,l
2. -
.
maXi~e-1groeisnelheidskonstante '\'Tordt in de .
jlm.= .0,36
hr
De zuurproduktie is
littilratuur
g.egeveno ( 1i t. 8 ) geassoci~erd
met de groei.
Voor de zuurproduktie en het substraatverbruik geldt:
o
~
.!!M = Y M/S !lê. ,dt
dt
De Yie1d faktor Y M/Sgeeft aan, het aa.nta1 kg. mikro-organisme:ddat uit 1 kg. substraat gevormd kun '\'Torden.
o
YM/ S ~'''':.±. 0,3 ( schatting uit lito 7 ) De lengte van de eerste fase hangt af van het verloop van de YH. 'De pH en dus de lengte van de eerste fase kan geregeld worden
o
door de toevoeging van calciumcarbonaat (zie blz.
4.5).
,-
In de
praktijk duurt de eerste fase 'ongeveer 15 uur. De eindconcentratie bakteriën "TOrd t bepaald door de lengte van de eerste fase en 'de entkoncentratie. Een hoge eindkoncentratie heeft het nadeel' dat
o
veel suiker in celmassa i.p.v •. in butanol wordt .omgezet. Bij een lage eindkoncentratie is de butanolproduktie langiamer en wordt een lagere eindkoncentratie bereikt.
o
o
D~
optimale koncentratie
.. ,
o mikro-organisme in de stationaire i'a'se zal sterk, afhangen van de
o
grondstofprijzen. ( zie bijlage
.4..4 )
De tweede en derde groeifase: Naar de kinetiek van de groei en afsterving van bakteriën en de produ,ktievorrning in deze fasen is geen onderzoc;!k verricht~ Ond'e'r-
o
staande formules zijn afgeleid naar analogie met de ethanolfermentatie. ( li t. 11,,12 .. ) De waard.en van de konstanten zijn geschat m.b.v. de gegevens uit literatuur
5,7,8.
De gebruikte formules zullen m. b'.v. expirimenten ge'toetst moeten
o
worden .. In de tweede en derde Daa.~door
f~se
groeit het
mikro-orga~isme
zeer langzaam.
sp'eel t d.e natuurlijke a.fsterving een grote rol. De natuur-
li jke afs'terving zàl in deze periode niet ver.'Taarloosbaar zijn.
o
Uit de metingen van Peterson en Fred blijkt dat de afsterving in evenwicht is met de groei. dN
4.
-'=
dt
o
. jJ-7;":( D De toenemende butanolkoncentratie is er de oorzaak van 'dat de,groei 'geremd /
0-
wordtl~
De afstervingskonstante zal aanvankelijk niet toenemen,
pas bij hogere koncentratie zal de' afstervihg ,groter worden. (p). pm) Beide fasen hebben we geprobeerd te beschrijven met vgl.5." , dN = 'dt
o
ft m
• ( Pm - P )
'
P
1·
m Uit de simulaties ,bleek dat deze vergelijking alleen voldoef' als verondersteld uordt, da.t tot een bepaalde butanolkoncentratie de butanol-inhibi tie vervTaarloosbaar is.
,De produktvorming:
o ,,'
Verondersteld is dat de produktvorming evenredig is met het aantal mikro-organisrnen.De produktie van opio~middelen' wordt beschreven met: 'dP
ö;
K• N
6.
dt De produktie van oplosmiddelen vindt alleen plaats in de tweede en derde fase. De produktie van gassen wordt beschreven met:
0,
o
, d~g= Kg • N ' dt
o 4.4. ()
Proceskondities •
.\ 404.1. Entmateriaal.
Gin bij de fermentatie goede resultaten te bereiken is het noodzakelijk, dat gebruik gemaakt "TOrdt van aktieve en sterke mikro-
o
Daarom is de selektie van een goede stam
organismen~
er~
belangrijk.
Selectiemethoden worden beschreven in literatuur'(13 en 14,). Enkele
bakteri~n
die
ind.ustri~el
gebruikt worden staan vermeld in
tabel (4.2). Vanwege het aldoor overenten van het kweekmateriaal
o
treedt degeneratie van de ,
bakteri~n
op. Dit gaat gepaard met een
vermindering van het rendement bij de alkoholproduktie. Ui t onderzoekingen is gebleken (li t. 14) dat de aktififste butanol-, producerende cellen de'meest warmte resistente sporen Het kweekmateriaal kan d.m.v. selektie van
vorm~n.
rTarmt~ re~istente
sporen
in een goede konditie gehouden worden. De sporen ,van de kultuur 1-rorden hiertoe. gedurende 1à 2 minuten blootgesteld aan een tempera-
o
°
tuur van 100
c~
Waarna de cultuur weer onder gunstige groeikoridities
wordt gebracht, zodat de sporen kunnen ontkiemen en de cellen zich zullen vermeerderen. Waarna opnieuw sporulatie wordt bewerkstelligd door,kultuur bij kamertemperatuur te laten staan. De nieuwe sporen
o
llorden opnieuvr aaj een hi ttebehandeling onderworpen enz. enz. vleizmann adviseert de hittebehandeling 100 ,à 150 maal toe te passen om de fermentatieaktiviteit te verhogen. J)e konseniratie bakteri~n, waarmee de kweek- en hoofdferrnentor
o
o
ge~nt
worden ligt tussen de 9,5 en 3,0
De pH mag
vari~ren
%w/v
.'
e
van 5,0 tot 7,0. De gebruikelijke pH ,bij de aan-
vang van de fermentatie is 5,5, à 6,5. De uiteindelijke pH is 4,5 à 6,2;
o
4.4.3. De temperatuur. 'i
13ij de fermentatie van graan l'l'ordt ge"TOonH.jk gewerkt bij een tempeO .
. ratuur van 37 C als gevolg van het g,ebruik van de Vleizmann-soort
o
van Cl. acetobutyiicum. TerrTijl bij de fermentatie van· molasse de
proces~temperatuur tussen de 30 en 35°C ligt vanwege het gebruik van sa'cèharolytische bakteri~nf ~ië.,tabet (4.1'2) (lit. 14).
o ,
,
..
o
o
, "'itrogcl~ SlIlisll'ale type
Organism'
SOIlITC
.--,---------Ik<:1
o
o
lIaril/us bularonc
1II(tla~s('s
Solvcills ratio
yicld % on sug:l\'
. B::\:E
Rderence ,10
NII.
3U
37
22.'1 36.5
i2.!I:22JU.3 70:2H:2
35
30.0
2~
prdcl'l'cd Cl. rrl'erif(/clor Cl, .,accllll/"O.acd"/I{'rll!llyliculII~ Cl ..!Urr"a/"O·acdo/I('rl,ulyliculll
•
b
NB.
NB. NH.
Cl. I;/(/disfmii Cl. .i(/ecll/ll'/l·11 IIlyl.(/r('/f)// ir UIII· Ilqlll'f(/";,'"s.ddl(/ (; I. .wrrlllll'/l·(/(t'I"b 111 yliCUI/I·a
11 yd rol
Com Com
'NH. NB. NB
/I. Iclryl '
IIn cri IIIl1lasses Im'('rl lIIolasscs In\'erllllolasscs Blad;slr:.p mC)lassc~ Blad,sl rap mol:lsscs ;\!olasscs'
COlli
o
h
oe
' 'Solvents
Complcx N
Cl ..mee/111 ro·acc/ollll 1)'licu m
M()la,~<:s
Optimum tClllperatlln:
Cl. al'rlolllllyliclllll
hydrol
Cl. aCf.'lflbulylicul/I
NII.
Complex :-.; Complcx :-.; NH.
Cl. sace//(/)"O·aCC/flllIIlylirlllll
.
32-36 30 30 ,3l .. 30
29.6 31.2 28:0 31.5
70:20:5 60:38:2 75.6:22..1:2.0 ," 69.:,:24.9:5,(; 76.1: li.!1:6.0 6!I.2:2i.i ::1.1
30 37 3i 30
33.0 32.8 31.8< 32.6
67.ii:21!.1:·I.·1 6J.:i:2!1.7:8.8 • 61.5:29.8:8.i 73.1 :23.0:3.9
• :-';alllcs cllll'loyed ill the rcfere~ccs cited. h :\Iw re\'lncnlS sl;;rch. .111 J>raclicc. ming slop.h:lck, solvcnt yields :lre genemlly :lboul 34%.43
2
2:1
11 9 :H 71
71 70
/
"
tabel 4.12 Voorbeelden van enkele butanob-aceton cultures en hun
o
toepassing. 4.4.4. De koolstofbron.
o
De koolstofbron voor de produ..ktie van butànol uit molasse is suiker. Er zijn twee soorten molasse van belang voor de butanolfermentatie, nl.: blackstrap molasse en high-test molasse. Blackstrap molasse is de moedervloeistof na de raffinage van
o
%suiker berekend op basis van sucrose~ molasse 30 %sucrose en 22 %geinverteerde
rietsuiker. Het bevat ± 52 In werkelijkheid bevat
suiker. ' Als er een overschot aa.n suikerriet is, wordt het
o
suikerrieto\~er-
schot uitgeperst en het sap gekonsentreerd tot ongeveer 70 à'75 ,suiker in de aanwezigheid
v~n
%
een kleine hoeveelheid mineraalzuur.'
De suiker wordt dus gedeeltelijk geinverteerd om uitk1'istalisatie te voorkomen. Het verkregen produkt staat bekend onder de naam
o
high-test molasse en bevat 50
%geinverteeFde
suike~
en 25
%
suorose. De' optimale suikerkoncentratie bij de molassefermentatie bedraagt
o
5
à
7{% suiker.
Door een deel van de vloeistof na de beerdestilatie terug te voeren wordt een hoger rendement op basis van de sucrose verkregen, zie tabel ( 4.13 ).
o
-..
I
o
·.Fillaillet:r
o Type of ~rolasses
Molasses Sucrose iu Culture slop-back origiual used" volullle % tna'ih. 'Jó
lHacksaap Blackstrap Blackstrap High-test High-test High-test Blackstrap Blackslrap Bla<:kslrap
o
o
:\ :\ .-\
High-l~st
A' .-\ .\ B B B B
I.ligh-tcst High-test
B B
i.50 ï.55 i.G:! i.38
10 20 40 10 20 -10 10 20 40
i:38 i.53 5.81 5Jl! 5.95 5.1l!! 5.82 5.60
10
20 40
10WI
·LIl
.'
pH
solvents g p:r I
6.-10
!!0.59
G.f>O
~ J.;~~
6.·1:"• 5.5li 5.ti4 5.69 (i.34
!!!!.19· 2UH !!2.3H
Brix' 5.1 5.2 2.0
1.9 2.2 3.6 3.8 -1.3 Ui Ui \.6
Yield bascd Olf sucrose
2~.f):j
GA:!
l6.i8 li.lH
6.51
18.:\(;
5.lij
li.til
5.83 ii.tiO
llUli
li.iti
% 27.4 !!8.3 !!9.1 !!,Uj :l0.2 30.1 . !!:-l.9 HU.i ,10.9 ,,0.3 31.5 30.:!
• Culture A is a strain of Cl ..mccllllro-bul)'l-acelolliCl/II/-li'jllt'{aciws.';'Cu.ture B is a strain of Cl. saee/w rIl- IJ ~I Iy l-aCI' 1011 ie /l1l/-1 i q lil'{aeic lIS-cl ,'1 I a.!I .-
tabel 4.13 Het effect van het
gebrui~
( Slop-Back ) op de
o
high-test en 4.4.5. De stikstof en
van retourvloeistof
oplosmiddele~
black~trap
opbrengst van
molasse.
fosfaatbehoef~e.
ö Destikstofbehoefte is afhankelijk van het gebruikte mikroorganisme. Sommige
bakteri~n
hebben organisch gebonden stikstof
nodig om goede fermen-tatie resultaten te bereiken. Andere
o
bakteri~rt
met name CI.·saccharobutylicum hebben alleen amoniakale
stikstof nodig, zie tabel (4.12). Hoewel organische stikstofverbindingen niet noodzakelijk zijn, heeft een toevoeging van deze verbindingen bv. in de vorm van gist een geringe verbetering van de op-
o
brengst tengevolge. Ammonia kan toegevoegd ,.rorden i:h de vorm van ammoniak of als een ammoniumzout. In dit laatste geval wordt meestal ammoniumsulfaat of ammoniumfosfaat toegevoegd.
o
De amm~nia behoefte is ongeveer 4 à 6
%ammoniumsulfaat
of zijn
equivalent, gepaseerd op het gewicht toegevoegde suiker. Fosfaat kan in het bovengenoemde ammoniumfosfaat of als superfos-
o
faat worden toegevoegd" De fosfaatbehoefte is 0,2 à 0,4
%
,fosforpentoxide gebàseerd op ~et gewicht van de toegevoegde sui~er. De hoeveelheden toe té voegen stikstof en fosfaat worden kleiner naarmate meer fermentatievloeistof herbruikt wordt.
o
o
I
o 4.15 . 4.4.6. Infecties.
o Om infecties te voorkomen moet steeds onder aseptische omstandigheden gerlerkt rTorden. Hiertoe moeten de volgende maatregelen
o
genomen.l'Torden: - Alle apparatuur moet voor gebruik met stoom gesteriliseerd
.
.worden.
- De apparatuur mag geen kontákt hebben met de buitenluchto
o
- .Het medium en alle toevoegingen moeten steriel zijn.
.- Het
en~beslag
moet vooraf op besmettingen gekontroleerd
word!3n. Bakteriële ·infekties •
o
. Er zijn slechts enkele ,oorzaken. De
bakteri~n
melkzuurbakteri~n
die een besmetting kunnen ver-
zijn hiervan de belangrijkste
groep. Ondanks een besmetting kan vaak het fermentatieproces gerToon
o
'voortgezet worden. Met de normale voorzorgsmaatregelen' is de oakteriële besmetting geen groot probleem. ~a~ter~o~g_e infect~e~~
Infecties veroorzaakt door bakteriofagen vormen een vrij ernstig
o
, probleem. Fabrieken kunnen als gevolg van een .fage voll'edig stilgelegd worden. De eerste symptomen van een fage-of virusinfektie zijn een uiterst ~angzame fermenta~iesnelheid
o
en het ophouden,van de gasproduktie.
Bij het molasseproces wordt het medium donker gekleurd. Na 24 à
·48 uur kan de, fermentatie opnieuw b~ginn,en en een kleine hoevee],.heid oplosmiddelen produceren. Yirussenzijn vrij specifiek, d.w.z. ze vallen slechts een of-
o
-,enkele bakterie soorten aan. 'Over het algemeen is het 'mogelijk fage resistentiesoorten te bTeken ·door bakteriën té laten
gro~ien
in aanwezigheid van steeds grotere
aantallen virussen. De Bakteriën die een dergelijk proces overleven
o
,0
o
'vormen de basis voor de ontwikkeling van fage resistentiesoort.
o
4.5e
o
Het fermentatieproces. Zoals in hoofdstuk 3 bescbreven is hebben Ï'Te voor dit fabrieks'Voorontwerp gekozen voor, een ba,tchgewijze produktie. In het blokschema van' fig. (4.14 ) wordt de. opbouw van het proces vereenvoudigd
o
weergegeven. .. In de flowsheet ( bijlage B.1 schema van de fabriek I
) is een uitgebreider
weergegeven~
In dit hoofdstuk wordt het procesverloop beschreven.
o
4.5.1.Het opstarten en de werking van de fermentoro' De apparatuur wordt vooraf
, stoom door te blazen met
gesterilis~erd
(·T = ~
120°C ).
door deze gedurende 3 uur
Tijdens het afkoelen moet in de apparatuur een geringe overdruk in ~tand gehouden riorq.en met
o
steriele lucht of met steriele,ferrnentatiegassen. Na o.e sterilisatie kan de fermentor gevuld '.'Torden met steriel medium. Als de fermentor voor ± 1/3 gevuld i's kan deze geënt worden. Intussen, l-Tördt het vullen van de ,ferment or voortge~et. De totale vul tijd duurt , ± 4 uur. Direkt nadat de fermentor wordt geënt neemt het aantal bakteriën toe, -totdat de koncentratie zuurionen zo hoog is, dat de
.
o
,
groei vàn de bakteriën stopt .. Afhankelijk van de entkoncentratie en toevoegingen van calciumcarbonaat duurt deze periode 5 à 15 uur. ( zie ook bijlage A.2, A.3,
'én a.5
o
. ).Nadat de groei -gestopt is begint de butanolvorming. "
Het totale fe\rmentatieproces duurt 36, à 72 uur, afhankelijk van het aantal mikro-organisme in de stationaire fase. Tijdens het proces w~rdt ~ 0,6 m3Am3 fermentor volume. uur) gas geproduceerd.
o
\
,.
Als de fermentatie gestopt is, wordt de fermentatievloeistof naar een ........ - ............... buffertank gepompt~ De ferment or kan gereinigd worden en opnieuw '."
gesteriliseerd en opgestart worden. De fermentor'is uitgerust met een roerder, om konsentratie- en
o
temperatuurverschillen te voorkomen en een snelle procesregeling mogelijk te maken. De warmte geproduceerd door de bakteriën en ingebracht door. de roerder rTordt afgevoerd via een koelspiraal. Tevens is de fermentor voorzien van een automatische pH-en tempera-
o
o
tuurregeling en een automatische antischuim regeling om bovenmatige
,
.
water
.... waterstof "
nutriënten gaswasser
... koolstofdiÇ)xide
...
gassohei~~---~r~---
der molasse
.
\
, steri~i.J----I'!~1l>I fermentor
mengtaruc.
1----j!'1>1
sator
.....
beerkolom I---;~~ acetonkolom
a~ton
Ja'
ethanolkolom
... ethanol
r
B
butanolkolom
A.enB zijn entfermentoren
... a·fsoheiding .....--flr"l opwerking vaste stof
fig.4.14
... 'butanol .r
.. veevoer
t----~ril-o-
eenvoudig schema van het proces .
o
o
o
o
o
O·
o
o
o
-
o
'0
o 4'·18 sohuimvorming te
:0
voorkomen~.Voor
een detailtekening van de
hoofdfermentorzie bijlage (. Bo 2.). 4.5.2.De be:r:eiding en sterilisatie vail het medium.
o
, .
De fermentatievloeistof wordt voor de s"terilisàtie in een mengt ank bereid door de molasse en de noodzakelijke nutriënten met water in een mengtank tot de juiste konoentraties te verdunnen.
o
Sterilisatie van het medium. De sterilisatie gebeurt door verhitting van de fermentatievloeistof. ' t empera t uur s t ervendem~° k ro-organ~smen . f sne~ a • B ~J° hoge o
0
De afsterving kan besohreven worden
o
.2!l = -k
al~
,
een monomoleoulaire reaktie.
8 •.
• N
dt Hierin is keen. afsterfsnelleidskonstante. Deze konstante is een funktie van de temperatuur.
0-
De temperatuurafhankelijkheid kan besohreven worden met de Arrhenius "
o
vergelijking. t k -- k o. e - Ea/RT Voor de sterilisatie van de voeding is het noodzakelijk dat ook
.
.
sporen die de hitte goed. verdragen vernietigd worden. Een voorbeeld van een dergelijke spore is de spore van Baoillus-stearothermophilus. . 36 2 -1 De ko en Ea waarden voor deze sporen zijn ko = 10 ' s ,
o
Ea
= 67,7
koal/mol. De berekening van de sterilisatie ( zie H. 5 )
wordt gebaseerd op de afsterving van dit mikro-organisme. Een ongewenst gevolg van de sterilisatie is de denaturatie van' eiwitten en vitaminen t.g.v. de hoge temperatuur en de oaramelisering
o
van suikers. . Door deze prooessen zal bij langdurige
v~rhittingde
aohte:ruitgaan, zie figuur ( 4.15 ) (lit.16).
o
o
ö
voedingswaarde
o 100
90 -
O' .70 "0
a;
">' • E
. . .\.irV'
"
E ';( 50
~r
g
o
'ö ~
30
10
o
o
10.
30 50 Durolion of sterilisolion (min)
70
90
figo 4.15 Vermindering van ,de fermentatie opbrengst als gevolg
o
van langdurige verhitting van het medium. Doordat de aktiveringsenergie varr het denaturatieproces veel
o
ba~teralisati~_-. ,~/l_
is dit niet mogelijk i.v.m. lange opwarmings-en afkoelingstij,d,die nodig is b:?-j het steriliseren van grote hoeveelheden. (zie fig. 4.17 )
o
o
o
o
30 '-0--'20--4...L0--6~ -----'81--l-LO-O~1.J...20--..l 0
o (min) \
fig. 4.17 Temperatuurprofiel van een'batèhsterilisatie cyclus~'
o
o·
t"
.lager is als van de afsterving is het gunstig om bij hoge temperatuur te steraliseren. ( zie fig. 4.16 ) Bij
\
I
iO 4.20
I I
,
afsterving
-
lc=k.e-Ea/RT _ o
k
-
mlo.&.-1
o
o
10 10 10 36 ,2
denaturatie afsterving
Ea kcal/mol 20
67.,7
10
0-
o denaturatie
o 1,
o
fig. 4016. afstervingssnelhei en denaturatièsnel heidskonstante -funktie van de te
o
peratuur.
o
o
0,1
2,4
2t 6
,
2 8
'.
o 4.21
o
Bij de toepassing van de
~ontinue
sterilisatie zijn de opwarm- en
koeltijden kort t.~.v~ de totale sterilisatietijd~ ( zie fig 4.18 ) Vooral als gebruik gemaakt wordt van stoorninjectie voor de
v~rwarming
en "flash room" voor de koeling van de 'vlo~istofo
o
Een"flash room" is vaak minder geschikt doordat sterke schuimvorming optreedto Met goede platenkoelers kan echter ook. een redelijk snelle afkoeling pereikt
worden~
Hierdoor kan bij deze wijze van sterili-
seren een korte sterilisatietijd bereikt worden en dus bij hoge tempe-
o
ratuur gewerkt worden zonder,dat de kwaliteit van de voeding achteruit gaat. Daarom hebben·we in dit fabrieksvoorontwerp
gekoz~n
voor
de kontinue sterilisatie. ~
2-3 ... -,_._-
o
~
min
~
'
........
140):1----i
z::
Flash cooling
~
::J
~
Q)
a. E
Q)
a. E
Ol
1-
... _ ,80'C
Ol
I-
o ... _-37'C
2TC
Time
o.
,
20 ,20 144'C ··ict--2-3 .. ' --,."1 • sec min Isec ,' 1
Time
fig. 4.18 Temperatuur-tijd profielen in kóntinue
sterilisa~ors,
het linker profiel behoord bij een stoominjectie sterilisator en het rechter profiel bij een platenwisselaar sterilisator.
o
4.5.3.pe bereiding van· het entmateriaal. Het entmateriaal voor de hoofdfermentor wordt gekweekt in een
o
fermentor, die
een
faktor 10 à 20 kleiner
~s
dan de hoofdfermentor.
De werking van deze ferment or is hetzelfde als van de hoofdfermentor en ook de 'sterilisatie, gebeurt op dezelfde wijze." De entfermentor wordt op zijn beurt geënt met de inhoud vàn een 1 m3 .
o
laboratoriumfermentor. Deze laatste wordt met behulp van schudkolven geënt. ,
Bij de kweek van entmateriaal wordt gestreefd naar een hoge bakteriekoncentratie. Butanolvorming is daarom ongewenst.Om de
o
in
de groeifase te houden wordt aan de kweekfermentoren calciuIncarbonaat toegevoegd (
o
~akteriën
6%
op basis van het gewicht van de'toegevoegde SUiker).
o
o
4$ 6 De opvlerking van de fermentatievloeistof
De +age concentraties aan oplosmiddelen(2 gew.$b) ,naast de
o
o
o.
o
o
0'
o
o
goede destillatieve scheidingseigenschappen van Qutanol-aceton-ethanol \o!a.termengsels ,maken destillatie de meest geschikte methode voor de opwerking van de'fermentatievloeistof. E~ de uitvoering van de destillatie bestaat de eerste stap uit het verw~deren van 957~ van het water,\olaarmee tevens de vaste stof, zouten en suikers worden afgescheiden. Uit deze eerste kolom,de beerkolom, komt een topprodukt met tenminste 50% oplosmiddelen. Voor de,vervlerking van deze oplossing z~ diverse "methoden voorhanden,waarb~ de verschillen liggen in het aantal kolommen,het type ,de, ivarmtehuishoudl.ng en de complexiteit van de kolomrnen,lit. ? In dit fa~rieksvoorontwerp is gekozen voor een zo eenvoudig mogelijke, destillatie opzet. Behalve de beerkolom bestaat de opzet ,
#
uit een aantal ~leine weinig kapitaalin~ensieve kolommen met een 'relatief laag energieverbruik. Na voorverwarming in de 'condensor wordt de fermentatievloeistof hoog in de beerkolom TI4 gebracht. Het topprodukt bestaat uit de butanol-waterazeotroop naast enig aceton en ethanol.Dit ruwe . destillaat "Tordt in cde volgende kolommen gescheiden. In '"de acetonkolom T I1 gaan alle licht kokende bestandelen zoals aceton,hog~re
-
ketonen en aldehyden over de top.Het bodemprodukt wordt in de ethanolkolom T 18 gescheiden in een 96% ethanoloplossing als topprodukt en een bodemprodukt bestaande uit water en butanol. Vr~ van aceton en ethancl laat dit mengsel zich in scheidingstank M 21 snel scheiden
.
'
in een lichte butanollaag(40 mol.% b;tanol) en een zware waterlaag (4 moili.?~ buta.Tlol). De waterlaag \vordt teruggevoerd naar de beerkolom, terw~l de butanollaag in de butanolkolom T 24 gescheiden wordt in ruwe butanol als bodemprodukt en de butanol-waterazeotroop als topprodukt ,die, naar de scheidingstank wordt terue;gev,oerd. ruwe butanol zal in een volgende kolom gescheiden worden ,van de .. Zivare foeselolie. Voor de ruwe aceton zijn' t",ee kleine . destillatie-
De
,
kolommen noodzakelijk om de aceton in zuivere vorm te ,'linnen.
o
0,
o
o
o
o
I
,
-
\
Het bodemprodulct van de beerkolom gaat voor ongeveer
40% terug naar
mengtank V 4. De rest kan opgewerkt worden tot veevoeder,hetgeen aantrekkelijk gemaakt wordt door het hoge ge~lte aan riboflayine. Indamping met behulp van een meertrapsverdamper tot IO% gevolgd " door-sproeidrogen lj,J'kt de beste methode.ln het processcheI?a is de opwerking van het bodemprodukt van de beerkolom niet uitg~werlct, evenals de zuivering van aceton en butanol.
De gassen, die bij de fermentatie vrijkomen bevatten een geringe hoeveelheid oplosmiddelen.- Deze oplosmiddelen worden m.b.v. een ~asyrasser ~erugge1'lOnnen.
o
Het -ga~ bestaat voor
=J/3
uit waterstof en voor
2/3
uit koolstof-
dioxideo De komponenten gescheiden worden en verder'opgel'l'erkt wordenCl Het gas kan ook direkt als brandstof gebruikt wordeno ,,' ...- -"~~-
o
o
o
o
o
o
o
I,
,
,
o
o
5 .. Keuze en berekeningen van de apparatuur_. 5~1o
o
De hoofdferm~ntor. (R 10-2
.
Het "i;otaal benocligde 1oTerkvolume kan berekend
~Torden
)
uit de maximaal
haalbare eindkoncentràtie en de totale' prooestijdo De totale proces"
tijd is'de tijd, die nodig is voor het steriliseren en ,?pstarten, de
o
eigenlijke procestijden de schoonmaaktijd. Uitgaande v:an.::. 10 kg biomassajm 3 in de stationaire fasë,bedraagt de totale procestij~+ 48 uur •. De maximaal haalbare eindkoncentratie butanol is dan ~4,5 kgpbutanol!m 3 • Het benodigde uerkvolume kan dan berekend worden met de volgende
o
formule:
v totaal
V tot,aal
=' gew'enste buo
prod.)
xl prod.
tijd)
(eindkonco bü.) ='
10~00 • 4~ = 1400 m3 14,5
24
In de fermentatie industrie zijn reaktoren met een werkvolume tot + 200 m3 zeer gebruikelijk. Voor de produktie van 10 ton butanol per dag zijn dus 7,reaktorèn van 200 m3 nodig.
o
Mengingi Onbeluchte fermentoren zijn vrijwel altijd voorzien van een roerwerk. De roerder (meestal een turbine roerder)wekt in het vat èen stroming op met een radiale en eerr tangentiale komponent, zodat menging ontstaat. ' ~eze
menging is noodzakelijk 'om koncentratie
~n
temperatuur verschillen
te voorkomen. De menging wordt gekaraktiriseerd door de mengtijd. 'De mengtijd is
o
gedefini~erd
als de tijd, die nodig is om een
inhomogeni~
'teit over het gehele vat tot op moleculaire schaal te verspreiden. Voor de biochemische reaktor wordt over het algemeen gestreefd naar een mengtijd van 10 à 60 seconden. Bij dë butanol fermentatie wordt gewerkt met betrekkelijk lage biomassa koncentratie, waardoor de con-
o
sumptie en produktie snelheden laag zijn. ,Terwijl 'de voedingsstoffen,
"
.koncentratiés vrij hoog zijn. Hierdoor is het wellicht mogelijk een , langere mengtijd te kiezen. "Doordat tijdens de fermentatie gas geproduceerd wordt, is er ook zonder
o
ö
roerder sprake van enige menging. Dierendonek (li t. 20 ),::?,tel t voor
o
superficiële gassnelheden (:v J(0.03
o
,t
mis'.
m=0,14 .. H/vs + 1
De gasproduktie is tijdens de periode van grootste aktiviteit ,I
o
(
3 20- 40 uur na enten ) gemiddeld 1,2 m3/mvlouur.
v s =' 0,0028
mis
'0~
t m= 0,14 • 9/0,0628 + 1 = 450 s Of deze mengtijdvoldoende is en dus geen roerder noodzakelijk is, ,
zal experimenteel onderzocht moeten rl0rden.
o
Als voor,het mengcriterium éen mengtijd van 60 seèonden gesteld wordt, kan het toerental van de turbine roerder op onderstaande" -',
o
.
wijze berekend worden. Volgens Voncken (li t.21) geldt': \n= 4t c :1 Hierin is t de circulatie tijd. Voncke~ geeft eveneens de relatie, c
N. t
0-
=
V
e .- 3
(li t 21)
- I.l-
"'-~ 'l..-
'J,
2,6vDR ~ Kiezen 1ie de roerderdiameter 1/3 van de vatdiameter, dan is DR= 1,8 lm Het toerental is dan: N = 200 = ~,88 s '2,6 .(0,6)3. 15 Het benodigde vermogen kan berekend worden met de relatie:
~N3~ (lit.10) o - R P ;,:. .. 6', 3 ~voor zesbladige turbine roerders als o stel ,~ =1000kg/m 3 en "7 =1 cp 2 6 Re = = 3. 10 R ~ P = 6,3 • 103 • (0,88)3. (1,8)5= 78 kW p = p
0-
Re>10
4
fnD
I.
b
Stel de motor' efficiijntie is 90%. Dan is het benodigde vermogen van de roermotor P = 90 klf. m Aan het begin en aan het eind van het proces hoeft niet geroerd te
o·
,worden. (De roerder werkt slechts
30%
van de-tijd.)
koeling:
o
Bij de berekening van de koeling'wordt ui~egaan.van. het moment, waarop maximale warmte geproduceerd wordt. Dit is aan het eind van de exponentiijle groeifase. \
De warmte balans luidt:
o
o
VoO , PdT -- 0 = warmte pr., door bakt •.+ rTarmte pro roerderdt .- koeling via wànd - koeling via spiraal
Q
\
o
De ..:::armt~produktie ~oor mikro-0EB'anismel!.! De overall reaktie voor de omzetting van glucose tot de eindprodul<:ten van de' 'eerste fasEjl ,kan alsvolgd opgesteld w'orden. 4C6H1206~3C4H702H '
"
Q
+ 3C 2H30 2H +'6C0 2 +'6H 2 + 96 kcal
Volgens Wikèn (lit.22) komt
~
70% van deze energie in de vorm van
vTarmte vrij. De overige energie vTordt gebruikt voor cel opbomi. De maximale omzetting van glucose bedraagt: dS 'j .dM 1 .IÁ~. M = 1 • 0,36 • 10 Tt = YM/ S dt = 0,30 0,30
= 120 kg suiker/m~uur
Aan het eind van de groeifase wordt in de reaktor dus; , 3 ~6 ak!;.';" 200 • 120 • 1 ~6 010 • 0,7 = 280 kvT geproduceerd.
o
,Het warmte verlies via d'e wand: Het warmte verlies via de wand is warmte verlies door vrije konvectie. \
De grootste l'iamte weerstand is de 1ieerstand bij, warmte transport van de reaktorwand naar de omgeving. De,uarmtetransportcoëfficiënt voor vrije konvectie kan berekend ..rorden rne-t onderstaande relatie: '1/3 8 lifu = 0,13 (Gr • Pr) mits Gr .Pr> 10 , dan is de stroming
0
Nu =
0(.
HT
'
,
À
langs de wand turbulent. (lit.23) 3 Pr =\1 Gr = HT • g • .6~ a V1.. ~w ~
,
Pr
= 0,72 11 Gr = (11~3.10 • °2°2 .= 8 .10
0
0< =
( 18 • 10-6 )2. 1 + 20 W/m2. °c
-
,
Het l'iarmteverlies via de ..rand is:
rI. d= A • U • aAT';' ,wan , jO kW
o..
-----------w~rden.
~sPiraal = ba.kt '7' (> roerder "'Pw~nd = 31 ° kW Berekening van het warmtewisselend op~ervlak:
f
-1
U
o
5
°c )
Uit de warmtebalans kan nu berekend worden,hoeveel warmte via de
) ". 1= U • A • A TIn 'fsp~raa
,Q
=
De koeling door de koelspiraal: spiraal afgevoerd moet
o
( T
= -1 + -d + -1 0<1
À.
0(2
o
o
o
o
De warmtel-Teerstand door de vland van de koelspiraal is verw'aarloosbaar.' . De warmteoverdrachtscoëfficiënt van het medium naar de koelwand kan ,
berekend worden met: Nu'= 1,51 • Re 2/ 3 " pr 1/ 3 • ~io,14.( HR )0,3( ~ )-0,5 6 ( DH )0,13 DT DT . DT ·(iit.10) Vi
='?
Re
= 3 .10
bulk ~ 1 '7 wand
,
6
, Pr
~
1
,
20 2700'H/ moe , Een zelfde type relatie kan worden opgesteld voor de warmteoverdracht , 0(1=
o
o
van de wand naar het koelwater. Nu = 0,027 G Re 0,8 • Pr 1/3 Stel koelrlaterverbruik is ± 50 m3/uur, dan is He ~105 , 2 U kan nu berekend worden .. 0(2= 2200 W/m • °c U = 1300 W/m2 .0C De temperatuur van de ferment or is 30 oe • Het ,koelwater, i'1Ordt opgewarmd van 20 naar 25 o C. Het logaritmisch temperatuurverschil is dan:
AT
o
1n= 10 -
5 ln( 10/5)
Het benodigde koeloppervlak is: A
=
cftspiraal'~ :310 U • . TIn
o
o
o
o
= 33 m2
'1300. 7, 3
De spiraaldiameter wordt 0,10 m en de diameter van een winding l'lordt ' ' 5,0 m gekozen. Voor voldoende koelkapaqiteit zijn acht windingen nodig. . . Het koelwaterverbruik bedraagt: J.. = c4t>iraal = 31Ó. 103 " 3600 = 53 ,m3/uur /
fV
o
= 7,3 °c
f ·
)
Cp. T
10 3 • 4,2 • 103 • 5
Dit koelwaterverbrui~ is berekend voor de maximale w~rmteproduktie. Het gemiddelde koelwaterverbruik bedraagt per ferment or 1/3 • 53m3/uur = 11,3 kg/se
o
o
5.20
De entfermentor ( R 9
L
Volume· en aantal: Het volulJle van de entfermentor \'Tordt bepaald door de geuenste ent-
o
koncentratie van de hoofdfermentor en de eindkoncentratie in de entfermentor. entkonc .. hoofdferm. :;:'1,0 kg/m 3 eindkonc. entferm. = 20 kg/m 3 3 . Het volume van de entfermentor is dus 200/ 20 = 10 m 0.' De entfermentors worden geënt met de inhoud van 1 m3 fermentorso De koncentràtie van dit entmateriaal is 20 kg/m3 "Tord t berekend met:
dM
dt
o
~
= ln(M/M0 )
=?rn
IJ
0
De verblijf tijd
t
De s~erilisatie-en .opstarttijd In 10 = 6,5 uur 0,36 is .±. 3,5 uur .. Alle 7 hoofdfermentors moeten eens in de 48 uur geënt word~n.
.
ö
=
fJm
Er zijn dus twee entfermentors nodigo Menging: --Bij de entfermentors is een roer"Terk zeker noodzakelijk, doordat
o
o
hier" een hogere biomassakoncentratie bereikt wordt. De berekening van het toerental en het vermogen gaan analoog aan de berekeningen bij de hoofdfermentor~ n = _v.:..-__ = __1....0_ _-:-__ = 0, 75 's-1
2,6 .. Di. tc
2,6" 0,7 3• 15
Re = ~Di = 4 • 105
"l
~
o
3 5 = Po.~ lJ:PR = 6,3 • 103 ... 0,75 3 ,,0,75
=
0,45 kW
Het motor vermogen is 0,5 klf ( eff. = 90%). .Koeling.!. Ook deze berekeningen zijn analoog aan de,l;>erekeningen van de hoofd- .
o
fermentor. De warmte geproduceerd door de bakteriën:
~bakt= 28 kW
o
o
0,
o
.
, Het "Tarmte verlies via de ..Tand:
Daar de stroming langs de wand turbulent is, is.deze onafhankelijk.van' de hoogte van de wand. 0( = 20 li/m
O·
2-
,
"oC
Het warmteverlies via de wand is: , . 'r A.. .' d= A • U .bT = 25 " 20 .5 = 2,5 ktl wan Ui t de warmtebalans w'ordt nu berekend, hoeveel w'armte via de spiraal afgevoerd moet. worden.
o
~.
=
28
+ 0,5 -2,5 = 26 k1f
, Berekening ,van het warmtew'isselendoppervlak: ~sp~raal
~spiraal = U ~,en0(2
o
de hoófdfermentor. 0(
dus
o
• A .'b. TIn _ zijn op de zelfde wijze berekend als bij de koeling van
1=()( 2 = 2000 rT/m2. oe
U =1000 1f/m2.
°c
Het benodigde koeloppervlak is: 2 , A = 26~ 103 - 3,6 m 1000 • 7,3 De buisdiameter is 0,05 m en de diameter van de winding is 1,8 m gekozen. Voor voldoende .koelka.paci tei t zijn 5 windingen nodig.
o
Het koelwaterverbruik is: spiraal
r · Cp
.AT
=
26000 • 3600
3 = 4,5 m /uur
103 • 4,2 • 10 3 • 5
o \
o
o
o '
o
o
o
De sterilisator'( M 3
M 7', H1 , H 2
L
V,4 )
9
,
'De sterilisator bestaat uit een,stoominjecte~ ( M 3 ), waarmee ~ de vloeistof op. temperatuur wordt gebracht· en 'een buisreaktor ( M
o
waarin de eigenlijke
sterilis~~ie
7 ),
plaatsvindto Gezien de grote
hoeveelheid vloeistof, die verhit moet ..Torden, is het vanwege het energieverbruik van belang, 'dat een groot deel van de warmte wordt
o
terU:g gewonnen met een warmtevTisselaar ( H 2 ) .. Iovom. de denaturatie van voedingsbestanddelen moet de verblijftïjd in de vrisselaar kort zijn ( 30 s). EenplatenwarmtevTisselaar is daarom' het meest geschild voor dit doel. ,De fermentatievloeistof wordt tenslotte op proces-
o
temperatuur gebracht met een koeler. Zoals in hoofdstuk 405.'2 beschreven is, l-TOrdt de vo.eding voor de st.erilisatie in een mengtank in de juiste verhoudingen. gemengd. Bij'de aanmaak'van de voeding wordt rekening gehouden met de stoom, die tijdens de sterilisa·tie kondenseerd.
o 5.3.1.De mengtanko
o
o
(V 4 )
Voor de .hoofdfermentors is 7QO m3 medium per dag nodig. Voor de entfermentors en het laboratorium gebruik is + 100 m3 nodig. 3 . -'. ' Er moet .dus totaal 32 m medium/uur a.angemaakt worden· (De stoom, kondensatie is .±. 1 m3/uur).: Voor de mengtank 'gebruiken l'1e een tank met een inhoud van 5 m3 uitgerust met een turbine roerder. De mengtijd stellen we 1/10 van de verblijf tijd. Het toerental en het vermogensverbruik van de roerder worden op de
0
zelfde wijze berekend als de roerder van de hoofdfermentor. De afmetingen van de tank zijn: DT = 1,5 m
"
HT = 3,0 m D = 0,5 m R
','
De verblijf tijd is 560 seconden.
b
t = 56 s
t
m.
N -,
.
o
o
V
3
2,6 • D
lle~ f ·
'7
R
N •
0
=
t
/4 = 14
m
s
-1
=1,1 s • 14
D~.= 3. 105
dus
( zie blz.' 5.2 ) ....- - ....... - ...... ~,.
,
I
o
o
p
P
=
ç>, .- N3 •. D~ =
e
,0
6,3 .10 3 .1,1 3 •. 0,55 = 0,26 kli
"
Aangenomen wordt, dat de motorefficiëntie 9a{6 is. Het vermogen van de roermótor is dan 0,3 klf. De voeding bestaat voor +
o
40%
uit,retourvloeistof van' de beer0
destillatie. De temperatuur van deze vloeistof is 100 C. Het. o
'
overige water is 20 C,- zodat de de mengtank komt
o
i50 °c
5.3.2.De buisreaktor (
M
'
van de voeding, die uit
temperatu~r
is.
7 }
De diameter van de buis is ( ~), 0,15 m.,
,
Daar'de kapaciteit van de sterilisator 33 m3/uur is, is de gemid-
o
delde vloeistofsnelheid in de buis:
, v = 33 • 4 '
rr.
=
0,54 mis
2
db.
3600 De stroming in de sterilisat?r is geen zuivere propstroom, zodat
.
o
er sprake is van een zekere verblijftijdsspreidingo Het effect van de' verblijftijdssp;r-eiding op de sterilisatiegraad wordt ,..eergegeven
o
.
'
in figuur 5.1. Hierin is 130 het kengetal van Bodenstein ( 130 = ~ • L) Dl Dit getal geeft de verhouding van de snelheid van het stromingstransport en het transport door longitudinale disp,ersie aan. En is dus een, maat voor de verblijftijdsspreiding ( voor ,zuivere propstroom .is 130
o
=r\J ) .
Eij turbulente stroming in een buis ( Re'= 104 Pe
,
= 130
iL
0 28
~ = ~ L' f
(lit 24)
- 106 ) geldt
Hierin is L de buislengte en f de frik-
tiefaktor. Het verband tussen f en Re is lTeergegeven in figuur 5.2
o
Re
~
=V• v • 'YJ
4f
= 0,012
(
Bo I
o
105
= 0,8 •
130
( stel L ~ 30 m)
= 5 • .k.. = 1000~
Berekening van de sterilisatiegraad ( N/N ). ,
,
,
0
De kans dat een ferment or besmet wor,dt, doordat de' voeding niet steriel is, moet kleiner zijn dan 1 : 105 • D.w.z'. het aantal ongewenste bakteriën in een fermentorvoeding moet kleiner zijn dan 10-5 • Aangenomen wordt, dat in een niet gesteriliseerd medium 105 bakteriën I
,
per mililiter aanwezig,zijn. pe sterilisatiegraad bedraagt dUS1
o
o 10-
o
10-
t--- -- - ---- ---
1016
8
-\:
1-\-r\ \ \ I\~\- .' \\ \ \
\
r\-
_J
o '
30
11 \ 1\
f
40
50
\
60
~
\
\
\\
\ \
l\
~
\
\
\
l
80
\
'\
\
\
.1
\\ _\ J J 70,
.
\
_\
\
11
1\
10-1
\
\ '1\
\ \
-'-\-
,-
\
\ \
\
1\
-
1----'
_\.
:\ \ \ \
f---\~'If
20
-\~- ~
0
N
':
"
--'--
t-----
~_\;;_\
..... po
10- 17
o
~
c----~ _
..
o
-~
"-+II\\---j~[S l~ -e" ._-~-I\--~-I\--, I~ ~"
i. Z
90
1\ \ 100
, \
110
120
130
140
N,(=~
0fig.'
5.1 Het effec t van versc hillen de strom ingen (geka rakte riserd de door Bo) op de steri lisat iegra ad (N/No ) bij versc hillen steri lisati esne lheid scoë fficië nten (Nr =k.L /v).
o
o
fig.'
5.2 Het verba nd tusse n de frict iefac tor (f) en Re bij stroming- door ronde ouize n bij versc hillen de relat ieve ruw. heden ( x/D.) J,
o
'
:0 !
o
, N/N ==
o
10-5 200 106 0
= O, 5 .. 10-18 0
105 .
De sterilisatiesnelheid N kan nu uit figo·5.1 afgelezen worden. r
o
N ,;, k .L = 45 r
-
De sterilisaYietemperatuur is 135 oe. De afstervingssnelheidskon-
o
\
stante (k)=50 min- 1 ( zie fig. 4.16) De lengte van de sterilisatorbuis is dus: = 45 • 0,54 .. 60 = 30 m 50 k
o
De denaturatie van voedingsstoffen: ., De denatura.tiekonstante (k ) is 0,15 min-1 bij 135 oe ( zie fig 4016) d kot e/o~ =.e= 0,9 (e is de koncentr~tie temperatuurgevoelige stoffen in de voeding).
o
Door de st'erilisatie gaat de kwal i tei t van de voeding dus niet of nauwelijks achteruit. 5.3.3~De stoominjecteur. ( M 3 )
,0
o
Aan de warmtewisselaar wordt de eis gesteld, dat de vloeistof voor de stoomi~jecteur al ee~ temperatuur heeft van 115 e. 0
Voor de stoominjectie wordt verzadigde stoom van 5 atm gebruikt ( de kondensatiewarmte is 2100 kJ/kg ) De benodigde hoeveelheid stoom,' die per uUr gebruikt wordt (a). kan be·rekendworden uit de warmtebalans. a • r =
0'
~v
~ ~
• ep • .AT. = 760
k~f
3 a = 32 • 10 3 • 42 2 0 10 3 • 20 = 1, 3 ~, 10 kg' stoom/uur 2100 • 10 3 5.3~4.De warmtewisselaar. ( H 2 )
o In deze warmtewisselaar wordt het niet steriele medium opgerTarmd . van 50 tot 115 oe. Tot welke temperatuur het steriele medium wordt
o
o
afgekoeld wordt berekend met de
rJ,w= '1fv.1 p.e . p•( 0
warmteb~lans.
T. -To )=1 . o . e . ( T o t -To ) u~.t 1 Y' v 2 1.. P u~ 2' ~n2 ~n1
o
o T .t
, U~·
= 135 - 32
2
~ 62 = 72 oe , 33
.Berekening van. het rrarmtewisselendoppervlak:
~w
o
,
..1 Tln= 21
Tui ti
C 0
C
A = 32 0 103 • 4,2
2 10 3 • 65 = 115 m
o
3600 0,1000 .. 21 Het totale vloeistofvolume van de wisselaar mag niet dan:
o
0
2 ' = 1000 Wim..
U 0'
P • Cp • (
= U.' A .. À TIn =
,V
= Cf,.
~
(
grote~ z~Jn
De ~ax,imal·e verblijfti~'d (!Y ) mag niet
,V = 0,6 m~ , groter zijn dan 30 seoondën,zie blz.5.7) Een platen:wisselaar is voor dit doel dus het, meest geschi~t. 5;3.~;De koeler. ( H i') .' . .
o
In de koeler wordt het medium gekoeld van 72 tot 30 °c ( proo~s tempera tuur).. Het koel wa ter' rTord t verwarmd van 20 tot 40 °C" Berekening van het koel oppervlak:
r),W
o ,
4T
In
=
U • A • Ä TIn
= 32 - 10
ln( 32/10)
=
)
= 0
..
Cp • ( T. - T . t ).J. :t.n2 . u~ 2 2
rv
=
1240 kfT
19 °c
= 1000 W/m 2 • oC ,~3 A = 103 • 4,2 10 • 32,. 33 U
o
=' 6'5
m2
1000 • 19 • 3600 Berekening benodigde hoeveelheid koelwater: ( T 't - T. ' ) U1
o,
o
o
o
3
1n
3
o 5.I2'
o
5.4.Gaswasser(T II) De gasHasser \wrdt berekend '\Toor 7 fermentors en het uit\'laSSen van het meest vluchtige oplosmiddel aceton,bij een maximale gasproduktie. Voor berekening van de kolom is gebruik gemaakt van l~ t. 30 en331 . De maximale gasproduktie volgt uit de simulatie=O.6m gas/hr.m vloeistof en heeft een samé~stelling van 677~ kooldioxide .en33% ''';3.terstof. . Totale gasproduktie: 3 . " ~v(24) = 7 x 200 x ~ = 840 in jhr.
o
.6
1m(24) ~ ~ ~ o
36.5 Kmol./hr.
1.
'De çoncentratie aceton in de ga stroom wordt bepaald met behulp van de evenwichtsgegevens van het systeem aceton-,.,ater-lucht,zie :Ç;ig. 5,~, Ui t deze figuur kan tevens de helling van de werklijn bepaald ,,,orden. Via de warmtebalans over de kolom wordt nu de temperatuur van de uitgaande vloeistofstroom bepaald. ConstrUctie van de evenwichtslijn is ,nu mogelijk enbepa~ing van zijn ge~iddelde helling.
o
Samenstelling van de gas- en vloeistofstromen in mol.% aceton: . X ferment or = 0,125 . Y bodem = 0,335 X bodem = Ó,I65 y top = 0,005 X top = 0,0
o
' . kl" 2 = m m~26J He11 ~ng w~r ~n = 24 ' Hieruit volgt ~m(26) = 73 Kmol./hr.' Warmtebalans: . ~m(24) x Cp gas x(T gas in - T gas uit) = ~m(26) x Cp vl. x(T vl.in - Tvl.u~t)
. Tgas uit = Tv1oeistof in = 20 C Tgàs. in', ~::: 30...C ., . Cp water = 75 KJ/Kmol. C Cp gas ='94,5 KJ/Kmol. C Uit de warmtebalans volgt: Tv1oeistof uit =·24,5 C
o
Onder aanname van een ,rechte Herk- en evenwichtslijn kan het aantal transporteenheden bepaald worden met behulp van d~ volgende formule: .W 'I 1 Y bodem - m x X bodem nt = I =~m~24~ n Y top ~ m x X top . - m x ~m 26
o
Helling evenwichtslijn = m nt .,; 9,3
o /
o
o
I,5
5,,13 '\ De hoogte' van een transporteenheid \vorq.t bepaald iut de stofoverdrachtscoefficient voor de gasfase ,waarin de grootste 'veerstand wordt verondersteld. . HTE -
~J.!lt24)
.
-:- Ky x a x S
, ,
gassnelheid'v' - I mis .
Sz
~v(?6) = 840m)/hr.
voor de diameter van de
~Jll(~4L
=
I50 Krool/hr>.
~clom
volgt hieruit: d
~m~26)
Uit literatuurgegev8ns: Ky x a
Q
HTE =
1;I5
=
=
0,55 m
300 Krool/hr.
I30 Krool./hr.· m3.
m
hoogte kolom H= 9,3 x I,I5 = II m .De kolom wordt gepàkt uitgevoerd met rashing ringen van
2,5 cm.
o ,
0,9
evenwichtsl~n
(30~C
\
)
werklijn
evenwichtsljjn in de gaswasser
'Q 0,'2,
mol % aceton in . de gasfase
0,1
','
Yt.
Q
mol
% aceton water ------.,tIDo
, figuur
5.4
q
, "I
5.14.
5.5 o Beerkolom
CT
14)
Deze kolom waarin de oplosmiddelen ,.,orden afgescheiden,''lordt ont-
~lorpen met behulp vanfig 5.5 op bladzijde 5~I5 • Hierin is de X/Y
figuur "leergegeven van het systeem butanol-vrater.Een eerste schatting van de q-ljjn en de eerste en t~leede werklijn kan hierui t gemaakt ,':orden , D& voeding van de beerkolom bestaat uit de fe~~entatievloeistof(I5) het water uit de gas\'lasser(26) ende recirculatiestroom(39) uit de scheidingstank 11 2I,die een temperatuUr van 70 C heeft.Het vlater van gaswasser en fermentatie (15) + (21) tesamen (28) vormend ''lordt in de condensor opge,.,armd tot 70 C Bij de eisen die gesteld ''lorden aan top-en bodemprodukt ,.,rordt 'uitgegaan van de butanol-1'later azeotroop ovér de top en maXimaal 9:;:5 % produktieverlies aan butanol in het bodemprodukt. ~m(28) = 1700 KmoL/hr. ,ïtI(39) = 20 KmoL/hr. ,~ voeding = '370.10- 5 mo~f~aktie ~
top
~ bodem
= 0,25 .
"
= 10-5
"
verdampingswarmte; r
40,7 KJ/moL w = r = 44,1 Kl/mol • B Cp = 75 KJ/KmoL 0-B \.f CPB= 175 KJ/Kmol. oe,
.0' warmtecapaciteit
rO '
De q-lijn kan berekend Vlorden met de gegevens over de warmteinhoud van de voeding: TI H d· gaS - voe ~n~ = I 06 q Hgas - Hvloeistof ' De vergelj,jking van, de q-lijn: Y = I8X - ~70.10",:5 , behulp van de q-lijn en de eis gesteld aan het topprodukt wordt nu de te condenseren gasstroom m(3I) en de eerste werklijn berekend.
~et
"larmtebal~ns condensor:
,W
= ~m(28) x Cp X(T(30)-T(28)) = 1400 Kw
.Lw = lm(3I) 'I' 'I'
o
' azeotroop ~m(31l = 123 Krool/hr. 4m{36 =. 28,1 Kmo,L/hr. tm(33 = ~4,9 Kmol/hr.
Uit deze balans volg~ voor produkt stroom ' retour vlóëistofstroom
x r
refluksverhuoding R =t~Btt = 3,37 vergelijking van de eerste werklijn: Y = 0,77X
-I-
5750.10-5
Ui t q -lj,jn, eerste wèrklij:t;l en de eis gesteld aan _~et , bodemprodukt volgt de ti.,eede '.,rerklijn: Y = 9X - 10 .
o
Door het opstellen van eert massabalans ,over de beerkolom kan de gasstroom berekend worden in het 'strippende gedeelte van de kolom. "''''" .
,-
4
"
o
o
"
,
'
I
..
'.
o
5.15. !
I
10
J '
x/y figuur voor het systeem butanol-water(detáil)
o
IOO-~--------------------------------~--~-----++
o
o
d·
% water
in de
85
dampfase
o
o
o
Yt
1'5
-------1>
%'water in de
figuur 5.5. O·
o
o \
vloeistoffa~e
5.16
o massabalans: .m(2~) + ~gas ,1720 + ,~e;as , ~ gas
o
o
o
o
= = =
ep m(6) , +, ~vloeistof '28,1 + 9 x gas. ,211 Kmol./hr.
D~
gasstroom wordt gecreerd door direct stoom onder in de kolom te blazen.De ben6digde ho~veelheid stoom wordt berekend uit de gasstroom en de verhuoding tussen de verdampingswarmte van de vloeistof ( 41i).,.7 KJ/mol.) en de condenserende stoom (41,8 KJ/mol.) ~w = 2/+00 Kw .' . . gm(st-oom) = 206 Kmol/hr. . , fm (32) wordt berekend uit de massabalans over de hele kolom. . . 4m(29) + ~m(stoom) :;: ~m(36) . = ~m(32) , 4m~32) = 1897,9 Kmol/hr •. H~t verlies _~an butanol: via het· bodemprodukt.: 1897,9 x 10. = 0,02 Kmol/hr. Dit is ongeveer 0,3% van de produktie Voor de berekening v~~ het aantal schotels in het strippende gedeelte van de kolom mag worden uitgegaan vaneen rechte evemlichtslijn, zie figuur 5.5 blz. 5.15. . . Voor de vergelijking van de evenwichtslijngeldt dan: Y = 16x. Het aantal theoretische schotels wordt berekend met onderstaande formule: YB overgangspunt(m _~m y~eiBtof~) + I , m .:;,'3st:r.'oom . . JSJb odem x' m(~ loeistof ~m gasstroom evemlichtslijn
o·
'f=~~--~
=
YBovergangspunt
o
o
o
o
=
helling tweede werklijn.
= 6,5.10-'5
~bod~m = 10-5 nt = II,94 = I2 theoretische schotels. Uit figuur 5.~ blijkt dat voor het rectificerende gedeelte van de kolom 2 theoretische schotels vereist zijn . Het totale aantal praktische schotels = 2(12+2) = 24 De schotelafstand vlordt bepaald aan de hand van figuur 9.4.IO lito Bij een klokjesschotelkolom zal in de praktijk bij een dergelijk systeem waarbij snel schu:i,mvorming optreadt,een schotelafstand genomen worden' van 0,5 m • De ~oogte van de kolom wordt in,;dii;, geval 12 m • De diameter van de kolom wordt bepaald uit de gas stroom in he~ strippende gedeelte van de kolom en de gassnelhèid,die gekozen is op I mis " " ' v(gasstroom) = 211 x 30,6'= 6500 m3/hr. diameter lcolom = 1,5 m . Voedin~sschotel
o
9
nr. 4
o 5.17
o
o
'Uit deeve"lichtsgegevens van het systeem aceton-water en' acetonbutanol, bliJKt dat een scheiding tussen aceton en butanol-"later zeer goed gáat,zie figuur 5.6.1 en5.6.2 op blz. 5.18 Strippende sectie: ' 'De reboilerverhoudinG zal laag kunnen zijn =,0,5
;:a~~
o
=
t:ai'~
6,5
= Ó,3?
4fu(43) = 26,1 Kmol./hr. gasstroom 4m(38) ~ 13 Kmol/hr. '" Rectificerende sectie:
DB SCheiding aceton-ethanol zal voór een groót deel plaats vinden in het gedeelte van de kolom boven de voeding. Een hoge terugvloeiverhouding is hier noodzakelijk,zie figuur 5.6.3 op blz. 5.19 R 9
5 = ~~5~~
t-:t4~' ö
=
t .
~m(5S) ~ 2 Kmol./hr. ~mé40) = 12 Kmol./hr.
4m(42)
=
10 Kmo,l/ hr.
De diameter van de kolom volgt uit de ~ssnelheid = 0,5 mis, en de gas stroom ~v(3'f.) . = 13 x 25,1 = 330 m /'rL-r. ' diameter =0,5 m De kolom wordt uitgevoerd als gepakte kolom met rashing ringéfi. De' voeding zal midden in de kolom "lorden ingebracht op ongeveer 90 C.De hoogte ~an de kolom zal rond de vijf meter bedragen
\
o 5.7.Ethanolkolom
o
o
CT
IS)
etanolkolom is analoog àan de acetonkclom ontworpen met b,ehulp ,van figuur. 5.7 Op blz. 5.19. Strippende sectie: .~~ reboi~erver~oUding ~ ~:(49) = 0,5. De
,m(49) = 25,9 Kmol./hr. de gasstr~om, retour in de kolom ,~m(44) ;;,; 13 Kmol./hr. Rectificerende' sectie: refluksverhouding R =
o
o
5
=
~:~§~-r
i~ill 2. h 11' . Ie"\'1erkl'"lJn ~m( 46} = 6 = e l.ng,
~m(59) = 0,5 Kmol/hr. hierui t volgt de' ga.s stroom ~m (46) = 3 kmol. /hr
Bij een gas~n~~heid van 0.5 mis geldt voor de.diametèr van de kolom , --evenals bij de acetonkolom = 0,5 ID. Ook deze kolom wordt'gepakt uitgevoerd. H 5 m.
o ,-
:0
5.18.
o
figuur 5.6.I~ .X/Y figuur vo.or het. systeem aceton:..water 100
80
o 60
o
o
o
mol ~(,. ',aceton in de dampfase 40
I
2.0
0 0
20
__~__~~
'1 0 mol
•
60
% aceton
go '
100
in de vloeistoffase
figuur 5.6.2.
o
X/Y figuur voor het
systee~
aceton-butanol
100
o 60
o
.' mol ::f aceton in de dampfB;se
o
o
o i'------~--------r-------~--------~------~ 100 2,(). o 80
----_ .. mol ;::, aceton in de vloeistoffase .
o
'.
o
5.I9. figuur 5.6.3. X/Y fif,uur voor het systeem aceton-ethanol'
I
I
fOO
o
60
o mol % aceton in 60 de dampfase
o
o
2.0
0
t!P"
'(
0
100
60
'f0
2.0
0
O·
mol
~~
80
.100
aceton in de vloeistoffase
figuur 5.7. ia-uur voor' het s steem rthanol-vlater
80
o
60 mol % ethanol in da~pfase
0
qo
...
1 io
0
o
..
O~----~r-----~------'-------r-----~ 100 o 80 60 lO _ _ _ _ ,.. mol
o
% ethanol
in de vloeiscoffase
5.20.
o
o
5.8. Butanolkolom
CT
~Al.
..1
De sChotelberekening voor deze kolom is geschied met de grafische methode van NcCabe en Thiele 7 zie fi[:,uur 5.8. blz 5. 21. ~voeding
:: 0,40 molfraktie 1~
XBtop
0,25
X.Bbodem
0,995
,
o
11
"
De voedig "lordt op 1.0 C.·in de kolom gebracht. . q .:.. H~s - Hvoedin{; _ .4.1:.12 _ I 06 - Hgas - Hvloeistof - 42,0 - , Voor de helling van de q-l~n geldt dan:
o
Helling eerste
=
f -l:tg6~
van de tweede
~m(62) = 5,6 Kmol./hr.
= ~8'
refluksverhouding R =
~m(50) = 22~4 Kmol./hr.hieruit volgt
H~lling 0/
werkl~
~.
werklun~!:f~~r =
t
~m(60) = 33,6 Kmol!hr.
hieruit volgt gasstroo~ retour ~m(63) :: 33,6 Kmol/hr.
De gas stroom door de kolom
~v = 33,6 x 33 = IIIO m3/hr •.
B~ een gassnelheid van I mis ,.,ordt de kolomdiameter = 6,65
o
Q
o'
Het aantal praktische schotels' = 2 x 4 voedingsschotel nr. 2 . schotelhoogte = 0,6 m. kolomhoogte = 5 m.
5.9 Scheidingstank
o
o
ID.
=8 ,
CM 2tL·
Uit figuur 5.9 01) blz. 5.22 blijkt dat het systeem butanol-viater een ontmenggebied heeft. Voorvlaardè is echter qat het mengsel vrij is van aceton en ethanol, omdat enkele procenten van deze oplosmiddelen het ontmenggebied doen verdwijnen,lit B9. ~ azeotroop uit de top van de butanol kolom en uit de bodem van de ethanolkolom wordep in de scheider op 10 C gespiitst in een butanolrijke fase met 40 mo17~ butanol en een waterrj,jke fase met . . I 4 molï:> butanol. Aan de l?cheider zijn verder ge~n berekenineen ve:cricht. . ~
o
f = t:fgl~
I
!O 5.21.
o
o
x/y
o
figuur 5.8. voor het systeem butanol-water
100
&0
o
o
f~guuI'
mol % water in de dampfase
o '2.0
o
o. ~-------T~------~-------+--~--~~--~--~ So 100 '10 o ---......,----rJp
o
o
o
o
mol % water
i~
de vloeistoffase
o
5.22. ,figuur
5.9.
fasediagram van het systeem water-butanol ( p= 1 atm)
o
r
,,
.,._
I"
1 1
o
"
, ",
-
120
...
1
I
I 1
I
I
I 1
o
100
o 80
O' )
0 60
temp. -in
0'
oe
o
o 20L-----~~----~--~---L------~----~
20
o
o
100
'40
60
%but~nol
80
100
100
mol
%l'Tater
>'
%wa.ter
o , 5.23.
o
5e IO.Apparatuur voor de
warmteov~rdracht
in de destillatie
secti~.
Voor berekening van deze ?-pparatuur is gebruikgemaakt van lit.23, lit.25,27, en ' . De hoge vlarmteweerstand van buta..."101 in vergelijking met water speelt een belangr~ke rol~ . De con~ensors zijn berekend op filmcondensatie en uitgevoerd met verticale pijpen waardoor het koehmter stroomt. In onderstaande tabel zijn de gebruikte warmteweerstanden weerge[Seven voor condenslÏ>rs:
o
o
koelwater + vuillaag stalen pijpen (2,5,mm) butanolfilm ''laterfilm acetonfilm ethanolfilm
o
2
I~2
,m jKiV'e
0,1 1,5 - 2,0 0,20 - 0,25 0,1 1,0 - 1,2
\I \I 11
!!
"
De, verdampers, zijn uitgevoerd met condenserende lagedrukstoom in pijpen.IJage drukstoóm van 3 bar. en 145 C ; condensatietemperatuur 135 C warmteafgifte stoom 39,2 KJ/Kmol. , ' Gebruikte warmteweerstanden voor verdampers:
o
1,0 0,1 0,1 0,05 0,35 0,5 0,15
vuillaag stalen pjjpen verdampend butanol verdampend ",ater verdampend aceton verdampend ethanol condenserende stoom
,6
.
o
m2jKwOC
,
" " 11
" 11
11
"
Tabel van de warmte overdrachtscoefficienten van diverse apparaten H 13 H 15 H 17 H I9 H 20 H22 H 23 H 24
o
o
=
=
=-= =
=
350 150 750 530 450 300 350 ' 500
w/m2 ·C 11
11 11
" "
11
".
Ret gebruikte koelwater heeft een ingangs .tempèratuur van 20 C en een uitgangstemperatuur van 40 C,behalve bij de acetoncondensor waar de uitgangstemperatuur op 30 C is gesteld.
De resultaten van de berekeningen zijn weergegeven in de ap~aratenlijst
o
o .
~
.,
...
-.~-'
o
o·
o
o
o
6.1
6. De -produktiekosten van n-butanol. D~ produktiekost~n Van buta~ol bestaan uit de totale fabrikagekosten verminderd met de opbreng~t aan b~produkten. ,De totale produktiekosten z~n opgebouwd·uit de volgende,in bUlagep gespecificeerde posten:
I.De iniesteringsafhankel~ke kosten, rente,afschrjjving(I5· jaar) ;'tormen tesamen 13% van de investeringskosten. 0,13 x 14,500.000 = . fI., I: 890 • 000 , 2.De :produktie afhankelUke kosten
fl.
930.000,-
3.De loonkosten
fI.
810.000,-
Onderhoud :
fI.
700.000,-
fI.
400.000,-
lj,.
5.Algemene bedrUfskosten :
'~Jcy'
t1f
0,
• 3I
•1.7 ,I
.,
I
Totale'
o
jaarl~kse
produktkosten
Opbrengst bijprodukteu s zie bijlage D Totale produktkosten butanol
fl. 4.723.000,fI.
595. 00 0,,-
-
'+. I.35~ 000,-
,Bij een produktie van 3.000 ton per jaar wordt de prijs van butanol fl. I,38/kg.
o
o.
In bUlage D5 is de'invloed beke~en van de molassepr~s op~de~t~t~le en de butanol produkie kosten. Hieruit blijkt dat voor de West Europes.e en A:nerikaanse grondstofprUzen de kostprUs van butanol boven de fl. 2,50 /kg. komt te liggen. Opmerkingen: I,)Apparaatkosten Van de a:pparaatkosten vertegenwoordigen de fer~entors 78% Mogelijk kunnen zij van goedkoper materiaal en voordeliger geconstrueerd worden.
o
o
2')Produktie afhankelijke kosten De grondstofprUs van molasse vormt hier de meest onzekere faktor en vertegenwoordigt. bij I cent/kg. toch nog 30% van deze post. Een andere grote kostenpost is het stoomverbruik,waarvan meer dan de helft door de beerkolom wordt gebruikt.Optimalisatie van deze kolom leidt tot een mogelijke besparing 'van r'O% op het totale stoomverbruik.
o '·F
...
.~
o
2. ?
\ 'r
o T.
Alternatieyen.
o B~j
de butanol-aceton fermentatie is een bijzonder groot fermentor-
volume per ton produkt nodig. Dit komt doordat de maximaal haalbare butanolkoncentratie
o
er~
laag is en de fermentatie ,tijd vrij lang is,
daarbij komt dat de bakteriën slechts
d~
ta tieti'jd groteakti vi tei t vert~nel1. ( -+ het, steriliseren en opstarten en in
helft van de totale'fermen-
i
van de ti jd i's nodig voor,
.±. i ve.n de tijd vindt de napro-
duktie plaats)
o·
Pogingen om de efficiëntie v:an het proces· te verhogen, d.i1:z. een nuttiger gebruik te maken van het fermentorvolume, bestaan voornamelijk uit onderzoekingen van de continue fermentatie. ,Door toepassing van continue fermentatie kan verbetering bereikt worden door verkorting
o
van de tijd die nodig is voor het opstarten en de groeifase. Continue fermentatie.
o
In Rusland is vrij veel onderzoek verricht naar de continue butanolfermentatieo Yarovenko lito blijf tijd van 15
%t.o.v.
(28)
vermeldt een verlaging van de ver-
het batchproces. Deze verbetering werd
bereikt in een pilot-planten een proeffabriek' in DokshWcino (1960). ' In, de pilot-plant i1erd in een serie van 11 reaktoren van ieder 3,5m3
o
inhoud een produktie van 300 kg. oplosmiddelen per dag behaald. Doordat de bakteriën tijdens het proces diverse stadia doorlopen (H~4.1~)ika!l continue fermentatie alleen succes hebben als meerdere
o
reaktoren in serie gebruikt worden. De groei van de bakteriëri vindt in de eerste reaktor(en) plaats, in de ovorige reaktoren vindt de butanol produktie plaats. Uit'experimenten is gebleken dat voor de continue fermentatie
o
mini~aal
3 reaktoren in serie nodig zijn.
Zelr' hebben we om redenen, beschreven in H.2"
geen aandacht besteed
aan de continue fermentatie. Wel hebben i'Te aandacht besteed aan een alternatieve, weliswaar (
o
speculatieve verbete:i-ing'van het proces. Deze wordt in he't H.7.2. nader toegelicht.
o
o ,
.
..,
~------------------------~-----------------------------------------'~----
o Semi-continue ferinentatieo
o
De oorzaak van de lage maximaal bereikbare eindkoncentratie butanol is de inhibitie en bij 'ho'gere koncentraties de verhoogde afsterving door de aamiezigheid van butanol
o
Twee wegen om de butanol
$
prod~~tie per m3 fermentorvolume te, verhogen,
liggen voor de hando' lfakteriën zoeken, die ,een hogere butanol koncentratie kunnen verdragen. ( vergelijlç e,thanol produktie ) Met de moderne selektietechnieken kunnen liaarschijnlijk wel sterkere bakteriën gevonden, wor'den ..
o
'De, inhibitars ( butanol,aceton ) tijdens de fermentatie uit het beslag verwijderen, zodat niet of nauwèlijks inhibitie optreedt. Toepassing van deze laatste methode behoort met de ontwikkeling van
o
de ultrafiltratie, steeds meer tot de mogelijkhedene De toepasbaarheid en de eventuele resultaten van ultrafiltratie"toepassing bij de Qutanolfermentatie hebben
rTe
aan de hand van het kinetiek-
model, zoals dit beschreven is in ( H.4.l.o ) nader onderzocht.
o
Vanwege de lange tijd~dat de bakteriën in de producerende fase verkeren hebben we dit proces het semi-continue proces genoemd.
7.. 2.1.Kinetiek.
o In de 2e fase ( zie H.4.3. ) blijft het aantal bakteriën en ,de aktiviteit van de
bakter~ën
konstant. In het model is aangenomen dat, pas
nadat de butanolkoncentratie een bepaalde waarde bereikt heeft inhibitie
o
. optreedt. Volgens dit model zou het aantal bakteriën en de produktiviteit van de bakteriën konstant blijven, als de butanolkoncentratie , lager gehouden 'wordt dan de koncentratie,waarbij inhibitie optreedt.
o
In
werk~lijkheid
andere
zal de produktiviteit afnemen als het gevolg van.
inhibito~s,
die zich in het beslag
oph~pen
en doordat degeneratie
optreedt. Bij de berekeningen hebben we verondersteld, dat de fermentatie hetzelfde
o
verloopt a~s bij de batchfermentatie, tot het momehi.t waar1op· de butanol. verrrijderd moet worden. 'Vanaf dit, moment worden alle koncentraties in het beslag konstant
veronder~teld.
Dit duurt totdat de membraamfiltratie
gestopt wordt. Hierna verloopt het proces weer zoals bij de batchfer-
o
o
mentatie.De,ze laatste fase kan bij de semi-continue procesvoerïng als gevolg van inhibitie of degeneratie een slechter resultaat hebben als
o bij de batchfermentatie. Voor het verloop van de fermentatie zie bijlage (A-6).
·0
7.2.2.Procesvoering~
o
D.e procesvoering
~erloopt
aanvankelijk hetzelfde als bij de batch-
fermentàtie; Zodra echter de butanol koncentratie bijna de koncentratie waarbij" inhibi tie. optreedt bereikt heeft, jTOrdt de fermentatie vloeistof via een membraamfilter afgevoerd naar een buffertanko De
o
mikro-organismen blijven achter op het filter eri 'l'TOrden direkt teruggevoerd ~iet
~aar
de fermentor. Tijdens de filtratie mogen de bakteriën
beschadigd worden. Daarom mag het maximale drukverschil niet
meer dan.±. 0,5 atm. bedragen. De fermentatie vloeistof wordt gedestil-
o
l'eerd en daarna, . na eveniuele sterilisatie, teruggevoerd in. de
fermentor~
Bij de destilatie 1fOrq.t de fermentatie vloeistof gezuiverd van alle vluchtige bestanddelen, zodat vluchtige inhibitors het proces niet kunnen verstoren.
o
Tijdens het proces moet de suiker koncentratie op peil
geho~den
worden •
. (.±,1à2%) Op het moment dat de produktie begint te verminderen wordt de filtratie en de molasse toevoer gestopt. Het proces wordt nu op de zelfde wijze
o
voortgezet, als het batch proces •. 7.2.3.Proceskondities. '.
o
In tegenstelling tot de batch fermentatie is het rendement op basis van molasse nauw.elijks afhankelijk van de biomassa koncentratie, waarbij gewerkt wordt. Dit komt doordat de bakteriën veel langer butanol kunnen produceren. Omdat de produktie snelheid per m3 fermentorvolume
o
evenredig is met de biomassa koncentratie, is het duidelijk r:dat bij semi-continue fermentatie bij een zo hoog mogelijke biomassa koncen. tratie gewerkt ~oet worden. ( 2~à 30 kg. biomassa/m3 ) ..
o
.I
Met de
hi~ronder
volume
CV)
staande vergelijking kan het benodigde reaktor
berekend worden.
4
10
VJ=
• tf erm
o Hierin is: k
= butanol ·produktie/kg.
biomassa. uur - 0,15 kg.Bu/kg.biom.uur
o .
,
o .
, tg'
o
t
ferm
=
= de
B~ =
o
,
de .tijd gedurende ,',elke ·filtratie 1'Tordt toegepast totale fermentatie tiJ'd ( t ferm eindkonèentratie butanol,
In fig. (7.1.) wordt het
verba~d
=
t batch + t F )
rleergegeven tussen het benodigde
xeaktorvolume (V) en de fermenta'~ietijd ( t erm ). , f In het módel is, gesteld, dat inhibitie pa.s optreedt als de butanol ,
koncentratie 0,
4,5 gr./l. bedraagt.
Over de inhibitie van butanol zijn geen li terat~ur gegevens bekend. . Bovengenoemde 'Vlaarde is dan ook niet betroUi'rbaar. Als inhibitie optreedt bij een lagere koncentratie zal de af ,te destileren hoeveelheid vloeistof sterk toanemen.
o
De af te destile~en hoeveelhei~ (rD") kan berekend worden op onderstaande rrijze: Tijdens de filtratie procedure mag de butanol koncentratie niet toenemen. De afvoer van butanol door het filter moet dus gelijk zijn
o
aan de butanol produktie in de fermentor. Bu.
l.
o
~ is de volumestroom, die 'via het filter afgevoerd moet worden om de butanolkoncentratie konstant te houden. V = fermentorvolume k = 0, 1.5 k~. bulkg. biomassa • uur
o
Bu.= de butanol koncentratie waarbij inhibitie optreedt. l.
J3ij het proC(es' moet naast de volumestroOIn
fF
na beeindiging 'van het
~roces ook de fermentor inhoud'gedestileerd worden.
0'
De totaal te destileren hoeveelheid
(1b ~ ~r.n berekend worden met
de volgende vergelijking,
o
t In figuur
(7.2.)
ferm
wordt weergegeven hoe het af te destileren volume
( ~D.) afha,ngt van de koncentratie butanol 'VTaarbij inhibitie optreedt
o
o
( Bu. ). l.
VO'or t
F
= ~O • ~ur
fig 7&1 . Het benodigde ferment orvolume (V),als funktie van J
,
de totale fermehtatietijd "
6
0
. .
1
10 lcgJbiomassa/m
~
23 kgbiomassa/m
3
3
4
o
2 o
,t 20
40
60
o
120
100
fig 7.2
ferm
(uur) ~
14
Het af te destilerenvolume (
n) als fur~tie van de
koncen'tratie butanol, "/'aarbij inhibitie optreedt (BUi) ; 4.00
o 300
3 . 1 , ·1.0 kgbiomassa/m
2
23 kgb10massa/m 3 .
, 0 100
o
o
Voor de situatie dat butanol inhibitei pas ~ptreedt bij 4,5 gr,Bu/l. en er ge1fèrkt wordt met 23 kgo biomassa/m 3 , terwijl het fil tratieproces langer dan 10 uur kan 1-1Orden voortgezet, rlOrdt in He 702.4 een ruwe kostenberekening gegeveno
o.
o
7.2.4.Uit figtiur 7.1. volgt dat voor bovengenoemde situatie slechts 2·reaktoren van 200m 3 nodig zljn. Volgens figuur 7.2. bed~aagt ~et af te ~~stilleren volume. 64 m3 /hr. Uit deze gegevens is ~n b~laee D4 aan de hand van ~e kostenberekening voor ~et batchproceè een sChatting gemaakt voor de jaarlijkse kosten Yan het semi~continue proces. De totale jaarlij~se produktie kosten' z~n
fl. 3.263.000,~ ,hetgeen neerkomt op eeri butanolprijs van fl 0,85/kg ,een besparin~ van 20~ op de produktie kosten en
o
50% op de totale inves~ering •. In bijlage D5 is de invloed van de molasseprijs bekeken.
O·
o
. I
.0
o
o
o /
o
o 8010
o
Symbolenli~st.
.. a
temperatuurverheffeningskoëfficiënt oppervlak
c;p
'uarmtekapac~ tei t
bi j konstante druk
2 -1 m s 2 m . J/kg"K
( per. massaeenheid )
o
Ei
J/mol
In
hoogte
m
H
enthalpie inhoud
kJ/mol'
afsterfsnelheidskonstante
'1/s
konstante van de Arrhenius vgl.
1/s
oplosmiddelen produktie snelheidskonst.
gr/bakt.uur
de gasproduktie snelheidskonsto
gr/bakt. uur
de stofoverdrachtskoëf. betrokken op gasfase , . helling van de evenwichtslijn
Kmol/uur~m3
.M
de biomássa konsentratie
nt
aantal transporteenheden aantal schotels
..
o
aantal mikro-organismen pèr liter
1/1
toerental
1/s
p
,druk
Nim
p
konsentratie oplosmiddelen
kg/m 3 .
p
vermogen
W
p
gasproduktie
m /m .uur
konstante
~g/m3
p
o
g
m
p
o
3 3
~
vermogenskental
r
verdampingswarmte
R·
refluxverhouding
R
gaskonstante
J/mol.K
S
substraatkonsentratie
kg/m 3
~oppervlaktekolomdoorsnede
t t t
m c.
U
o
2
warmte:inh. coëf. bij destilatie
S
o
1/uur
droge stof de aktiveringsenergie
0,
o
afsterfsnelheidskonstante
m2·Is. .
o
o
m
dispersiekóëfficiënt
.D.S.
o
diameter
kJ/mol ,kJ/kg
2
m
tijd
s
mengtijd
s
circulatietijd totale warmteoverdrachtscoëfficiënt
s ,... W/mCo.K
o o , T:
v
temperatuur snelheid
iO)
v
'0
V
volume
Y
molfraktie in de gasfase
S
'
• molfraktie in de v1.oeistoffase
X
Y
o
o
warmteoverdrachtscoëfficiënt
,/2 .l{ m' oK
À.
warmtegeleidingscoëfficiënt
lv/m
dynamische viskosi tei t
Nos/m2
;U
groeisnelheidskonstante
1/uur
fLm
maximale groeisnelheidskonstante
1/uur
y
kinematische viskositeit
m2/ S
dichtheid
kg/m3 '
'Y
verbli.jfti jd
S
~'m '
massastroom
~v
volumestroom
~v
warmtestroom
r
8 o o
o o
o o
o o
yieldfaktor
~
,,'fl
o o
superfficiële gassnelheid
ATE
hoogte vqn een transporteenheid
A
aceton
B
butanol
E
ethanol
F
voeding'
,lh
logaritmisch gemiddelde
o
beginwaarde
R
roerder
t
top
T
tank
WJ
water
b
bodem
.soK
m
o.
o
g. " I
o o
. "...
'
..
'"
-
~
- .,
~
I
o / 8.20
Symbolenlijst van het computerprogramma.
o A,B, C~E,F .
konstant en afsterfsnelheidskons"tante
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
f"
,.
1/uur
DCON! .
prodüktiesnel:heid tijdens filtratie
DPG
gasproduktiesnelheid
K
oplo.smiddel enproduktie snelheidskonst.
KG
gasproduktiesnelheidskonstante
.MUM 1
groeisnelheidskonstante eerste fase
MUM 2
groeisnelheidskonstante.tweede fase
N
aantal bakteriën per liter.
N0
aantal bakteriën per liter. in het begin
1/1 1/1
NDOT
groeisnelheid van de bakteriën
1/1 •
P
oplosmiddelellkoncentratie
gril
peON
oplosID. produktie rijdens filtratie
gr/lviloei
PDOT
oplosm. produktie snelheid
gril • uur
PG
gasproduktie
PO'
beginkoncentratieoplosmiddelen
FM
konstante
I/lvI gril gril,
gril v1 • .uur
1/1 v 1 • .uur 'gr/bact. uur gr/bact.uur, 1/uur 1/uur
uur
,0"
. 90 Literatuurlijs1?,
I} Ullmanns Encyclopädie der Tec'hnischen Chemie. dritte undvierte AUflage. 2) J.M.Patureau. By-produkts of the Cane Sugar Industry. Elsevier Amsterdam I969. 3) Zeitschrift flir die Zukerindustrie. 1975 en januari I976. Verlag A. Bartens , 4)
ö
(A 747I E
~
Andrews J.Fe, Pearson EoA. Kinetics and Characteristics of Volatile Acid Production in Anaerobic Fermentation Pro'cesses Int. J. Airwato Poll.,vol.9, 439 - 461, (1965)
5)
ö 6)
o
S.C; Beesch , Acetone - Butanol Fermentation of Sugars Ind. Eng. Chem., vol.44. 1677 - 1682, (1952) S. Aiba, A.E. HumphrBYJ N.F. Millis Biochemica1 Engeneering (1965) Academie Press, New York
7)
W.H. Pete~son, E.B. Fred Butyl-Acetone Fermentation of Corn Meal
o
8)
Ind. Eng. Chem., 'yo1.24, 237 - 242 (1932) I.Dyr, I. Protiva, R. Prauss Formation of Neutral Solvents in ContinwusFermentation by Means of C10stridium Acetobuty1icum ,Continuous Cultivation of Microörganisms
d 9)
Symp. Czech. Acad. of Sceinces, Praag (1958) k. Thimann The life of Baoteria Fisher, Jena, (1964)
o
10)
N.W.F. Kossen, B. Metz, W.A. Scheffers Dictaat: Biochemische Techno1~gie (m 47)
11)
(1973)
S. Aiba, M. Shoda, M. Nagatani Kinétics-ö{ Product Inhibition in 41coho1 Fermentation Biotech. Bioeng.,' vo1.10, 854 - 864 (1968
ó "V"'!!'"
o
o
12)
Io Holzberg, R.K. Finn, K.Ho ,
Steinkraus
A Kinetic Study of the Alcoholic Fermentation of Grape Juice
o
Biotech~
13)
Bioeng.o, vol.9, 413 - 427 (1967) S.C. Beesch
A Microbiological Process Report . Acetone-Butanol Fermentation of Starches Apple MicrobioIo 1, 85,(1953)
o
L.K. Underkofler, R.J. Hickey Industrial Fermentations volo1
o
15)
,(1954) Chemical Publishing Co., Inc. NerT York S.C. Prescott, C.Go Dunn Industrial Microbiology 2e druk (1949) McCraw-Hill Book Company, Inc. Ne'\'1 York
16)
o
J.W. Richards ' Introduction to Industrial Sterilization (1968) AcademicPress New York
17)
o
H~N.Darlington
Patent nr. U.S.A. 2.454.734. 18) Chemical Age of India . Vol.' 19 no. 4 april 1968
bl~.,
295 -296
19) (,R., Billet Industrielle Destillation
o
Verlag 20)
Chemi~
, Weinheim 1964.
L.L. van Dierendonck Vergrotingsregels yoor Gasbel-w:assers
0
21)
Diss. Twente (1970) R. Voncken Diss. Delft (1965 )
22)
T.O. Wikén
23)
Dictaat: Mikrobiologie (0.11 ) Delft I.M.M. Smith, E. Stammers
0
FYsische Transportverschijnselen 1
o
1973 D.U.M., B.V., Delft '24)'· P.J. v.d. Berg, li./A. d~ Jong 'Chemische Reaktorkunde (M32) (1970) Delft
o
.r
--------------:---------------------,------------~-~-
o J.R. Perry
o
Ch~micàl
Engineers Handbook
5e druk (1973) McCraw:-Hill Bpok Comp" , Neu York 26) P.M. Heertjes Fysisch-t evhnis,che
o
scheidil1g-sm~thoden
, '47) G. G• Brown Unit operations 1950 ~~8) ~.u. Chin Chu.
o
Destillation
Eq~ilibrium
Data
Reinhold Publishing Corporation New York 29) Zeitschrift für die Zukerindustd.e nr. 12 1970 blz. 623-628. Verlag Dr. A. Bartens ,30) 1ndustrial Engeneering' Chemistry
o I
o
1950
Vol. 42 no. 6 blz. 1105-1112 31) Industrial Engeneering C~emistry , Vol. 36 no. 10 blz. 965 3i) A.G. Montfoott ' De chemische fabriek deel 1I,Economische aspecten
o
Delft 1973 33) European Chemical News.
o
34) M.Peters en K.Timmerhaus Plant design and economics 'for Chemical Engeneers Kogakusha Company ltd Tokyo 1968 35) WiE.B.C.I.
o
o
1968
en
1972
:36) C.Weast Handbook of Chemistry and Physics Chemical Rubber Compagny 37) F. van Berkel Chemische Werktuigen I en 11 Ie gecorrigeerde herdruk 1965 38) V.L. Yarrovenk'o 'Contiuous Production of butanoi 'Continuous Cultivation of Micro-organisms 2, 205-210;(1962)
o
Symp. Czech o Acad o of Sceinces, Praag 39) H. Stephen Solubili tie.s of Inorganic and Organic Compourda Paris 1964
o ..
~----
o Bijlage Ai
o
Computerprogramma (csmp ]I) voor de simulatie van de butanol fermentatie o 'Cl ,1"U"\'-'-" '1'1"\---1'1 -,r) 1"\ - ·u' • , t-. 111 PA. ~\ !\'~,. "''''-/'' i'\l J 0 or'+ \ ~~ ',I I' J. - t' • .)1 t .. i.... ,\\ ie. -,~ .,1.. \ t·0"11-11"\ I i _.. I J . G' f"'.J P A;~ 1\,-1 ,~:=.:! • ft (I ['. -1 :.:: , PC:=. C .. è )' á.::: 1 '; • 0 \J -
a,j , )
"
PI\';-;A ,1
0,
PARA~
C=11Ó~~,f=6.~1
TIT Lr:: ',nUT PJD L-A C::: TO~J F;:>{ ;,iz.= :r:t\ TIL:.
NOSi] n
. I 'F ( T I :.\ ::: - A ) 1, 2 , 2
1 Fl=1 ' F,~~O
o
C;:JT'J 100
2 Fl-=O F2=1
1 (;0 co~n UJUf: I F ( p- E. )7 , "I,. B 7 1==0
o
G:.J
fl)
'500
8 F=l
seo
SORT NOSU1.T
COI-JTINlIC
, IF(P-f3)3',4,4
3 F:?=O GOTD 1~0 It F3=1 150 CCir~l I NUl: I F (T l:\1 E- C ).:; r 5,6 5 F4=1" ,
o
GOTO 200 6 F4=0' 2 (JO CO~ TI NUt: SO~T
o
NDOT=~~~1*N*F1'+~UM2*N*«~~-P)/P~-D)*F2~F FI =N*t<."'
2-P* F I
'P=INTG~L(PO,r.DOT)
PCON=I~TGRL(O.Q,DCON)
DCGN=?*FI
o
)
DPG=~..J*KG,
,
PG=J~TG~L(O.O,DPS)
OUT PUT N, P, P CO \J
OUT PUT
o
j\J,
PG,
D"G
.
,
.LA3EL AA:nAL. BA!\TERl;:1\J 2i~ PRODUI{1 PER LITER ALS FUNKTIE VAN DE T1J;) TIME~ OU1DEL=1.O,FINTIM=100.0 ENG ~E~UN PA~AM
END p
B=~.O,C=40.0
i~ERU~J
A ~ Ar-'~ C=b 0.0
END' RERUN , PAR A'1 C =8 0.0
o
o
END . STOP
i.
o
o
O·
O'
o
o
o
o.
~-----
1'1~l 11
-
o
biomassakonc./aantal ba~~eriën
:2
kono. oplosmiddelen
:3
totale gaspxoduktie
-----
--0
1,d-2,4
\
,,
I
I
-
vo
2,
- - - - - - - . . . . 1·
...... ......
I I
..
m j'm fe .
8
\
-'
243
2 -_'!"'"" -- ...........
0,8.1- 1 ,6
0,8
30.
~
16
k~m3
0,
o
,3
simulatie experimentele waarden (lito7)
1
o
,~ ..
simulatie en experimentele gegevens van Peterson en Fred
. bi jiage A2
. 0
45
vU
tijd
suur~
4 .
........
...... ......
o
o
Bijlage A3
o
o
o
o
o
o
o
o
·0
o
het effect van de biamassakancentratie on de buta biomassakoncent~atie in de 2e fase
~
.
1 2,3 2 8,0 3 10 4 23
; p
2e-l-21 _I"
kgjm
3 .
Bu.
kano,. lcg/m
in kg/m 3
,4
3
24118
3
I
20J.:I5
-
16~12
~? '
12..j., ~
·2
.A'
(
~ I,?
I /
1
81. 6 ,
.
4+3 ,
1
tijd
uur
---
----------~~ ~
o Bijlage (A .. 4) . I
o
V~<
Optimalisering •. Uit'de simulaties
blij~t
. is en de fermentatietijd
o
~dkonséntratie butanol hoger'
dat de
klei~l:aarmate bij hogere biomassa
konoentraties gewerkt wordt. Zodat bij een proces met een hogere biomassa konoentratie minder fermentors nodig ,zijn. Het suikerverbruik per ton produkt neemt eohter toe 9 omdat in dat gevàl meer mikro_organismen gekweekt moeten rTOrden.
o
Het suikervèrbruik (
S.) in een bepaalde situatie kan berekend
worden.op ond.erstaande wi·jze. $=
(M-Mo)
.L
+
. • Bu·. e2nd
Y~u/S)
YM /S
Y'M/S = 0,3 YBu/ S= 0,38
.L
lit (7)
Het resultaat van de berekeningen is te zien in onderstaande tabel ..
o
Biomassa Eind
Fermen-:-
Totaal
koneo':" .,', konoo
'tatie
benodigd
tijd
fermentor tors
buo
o
o
o
.:Aantäl
Suiker
melasse
:ee:mnem.. verbruik verbruik
volume kg./m 3
kg./m 3 uur
2,3 8,0 10 18 23
9,7 13,8 14,5 17,2 20,8
m3
2800 . 1500 ~8\ 1380 :. I /. r461,'~~ ~1100 \4 4 j;! / 900 64 50
k%'
14 8 7 6 5
ton/dag
ton/jaar
34 46 49 61 64
25200 27600 30200 36600 39200
.'
Bij de ekonomisohe optimalisatie is er vanuit gegaan, dat de. jaar-
lijkse'k~sten.van
een
ferm~nto~
: !200.000,- bedragen. (zie
N.. t )
Verondersteld is dat de overige kosten bij de. versohillende situaties
o
konstant zijn .. ( Dit is bij het extreme geval
m~i
2,3 kg. biomassa/m 3
niet het geval. Hier zullen de overige lasten hoger zijn). Voor veraohillende grondstofprijzen zijn de optimale prooeskondities met betrekking tot biomassa koneentraties bepaald. Zie onderstaande figuur. /
o.
o
Zie ondèrstaande
f:i!guur~
o.
t
1
.~
Ç}aarl gr.st +fe.r • kost.
molasse prijs
2
3 .
o
1 2. 3
10 ct/kg
5 ct/kg 1 ct/kg
2
3 O. 1
o
Het effect van de biomassakoncentratie (M) op de jaarlijkse gronstof- en ferment orkosten •. De simulaties bij hogere biomassa koncentraties zijn minder betrouw;
•
.
I
•
baar, omdat deze simulaties niet getoetst zijn door middel van
o
experimenten: De ein&~onsentraties butanol van deze simulaties zijn waarsàhijnlijk aan de hoge kant, zodat processen'met hoge biömassa koncentraties met de simulatie iets te gunstig worden weergegeven. \.
o
o
o
o
o
]3j,.;jl~ge
It\
o·
o _A5
M
. ~~!J ,}g/m3
o
o
simulatie butanolfermentatie o biomassakonc. in de' 2
1
N
o
O· e
". .
'ö~
0
~ ---ó"~-'''·.....-· '"~'
O< . .
.' 0
fase is 10 ku/m 3
biomassakonc./aa:t:ltal bakteriën per liter
2 konc ..
3 totale
oplosmiddelen'
3
gasproduktie
-
-
~'L
gim p.
'm 3Îm 3
6112
24T
m51. 10
2
8'
f
vol
20 .
16
12
6
4
8
2
4
, tijd_ mar
'>
60
10 120
100 +20
3 16
80 ""16
6't12
60112
4'1 8 l
40 -.-8
2 L4
20
1 tijd
(uur)
-~-~-~I>
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o .:
rmlasse
ACETON
wa~r
ETHANOL
RYJ
.toom
---- ......... _-
r---~--------------~~r_------------~------~~--~ 70
V" BUTANOL H1 warm~ wisSIlIaar H2 warmtlZ wisSlZlaar M3 stoom inj
PROCESSCHEMA VAN DE
BUTANOL-ACETON-VERGISTING jan 1976
H.Dolman TÎ4 ..bczerUdéstillatlcz kolom H15 vczrdam r. T16 ;teelton dlOllltliliatlo kolOm
H22 warmtcz wissczlaar T24 butariol oostillatië kolom .
JWv.d.BIom
D~-(·tnI',
o Bijlage B2
o
c:\-j
antischuim
gas
~I
ent
I
o
,----
0
loog
I
I
I I' I
I
0
G
0
monster ----M name,
-
--- -
~-
koel water
--
l
0 temp. re ge,!-i n e
0
- -- -
-::..-
D-4J
.01
pH , rege,ling
\
0 stoom
/
0
hoofdfermentor ,Dp=
5,5 m
H.r= 11 D = R
0
o
m
1,8
m
I"~
kvleekfermentor Dp == 2'm
4 m D = 0,7 R
Hp =
m
o
O·
o
'0
o
o
0,
o
_0
o
o
Bijlage B3 water voeding
aceton
~V1
s ethanol ent M 2 T10
.R
3
i!.~t._
stoom s ~1'~-J~~~
...
butanol ,veevoer
"
V 1 M 2 .ti j
I'.'.' ' 4
oenMank sterilisator fermcntor fil ter ---
M 5 ultrafilter T 6 gaswasser V
7 buffertan1{
'I' ö
beei'kolom
T 9 T10
Ii!11 r~ll ~ - --
acetonkolom .. ethanolkolom . 'scheidingstank ou"tap.oIlCoIom
.
. !i
.
processchema semi-continue fermentatie van butanol .
o
BN· . .'
.
Voor. waarts
Bijlage C1
Retour
UIT. \
o
Q
M
..M .Q
@- - -
.
Q
M
r-::---'7-r-'-~.}--~ ':
.0'
8 0"1: •.--~---r------~~~/~·logo
- - ' - - :.... - -
_@I
.
,
J
I
S.-tOOM
""
j'
o
o .--+-...:.---+---1
o I'.
8
o
I
LI()"
_ _+_~":"+...J.I:.Q·Rd..3 Qo...;..'-l Ö. {.Io :38"0 -7
o
"__4__
/2tto
-- ---- -'-
1 - - - _1
"
-~'-~,
.
-®' . ','.1
==~~~~::.:..:.::.::.:~== ... - ..'---'" ---- --_._.... - - _.
.... - "" -_.,.--." ... _-_., '.- - -....,-=--==----=:-:--0::::::::==. ..... -... - .:_=.~
i:;
"-'"
_·~·~--~~----T-----i
V
I-------~------·-~------.-,
c?& - ---- 16l-'-.:it'~ 6.
o t-~'------:---'"i----.
.0
.
, Cl:_' I
- - - - .- r - ' - - -
I
-
~
ll---~·~--+'_ _~-g-i. .~~~, . ----- ~ - ~ -.-ï _
I
.--
----+---1:0;:;----z.~ -- - )
!,
- - - - - -- - - 2.'1.
}
.0'~---+-----i--~il--I
'---:-t----.:..-.t====J,1_--;-____@_5t>- 111 1-.
Ol~~~,-+~---r-~~I Io.~
Ó 2.5
-
J--:T--"""""'"-, - - - - - _ - ___ - -
~
'2.6
I
o I-----+----~~--
cl-__.:.-.:....+---1-;~~ ___________ 2.B .&~~
_._ .
~' 5""8
1
1,- 9--6 33~
c
H
~R~
'11
13
I
,
~.
@----- --. '
12.Q
~/~~~~o~~----~----Î I
1------.,
,
g~
/~q{) I
/
o
3 /~
q~
.i33
1i26o
1.01
..L-_-J~__ . _. _-----_._. _ . . . . . . =-...
CL_ .. _.. '"
f~-'---- -·-~··
'i'
====.=_._=--_-_-_. -_----.:.~_--._.-_. -~.~.-_ . '-':~ .
_. ___ . ____ ~~--'------
,
.
---':_'-~-.:)\
~ ~~~ -·--J--~_::;o~7'o~I·--I
I .
0
- -- -
.1
--I
-L_~-I-:----t~'=d~-!'
4!.r
I()~
I
o
I
..
.. -
:)-
.
~~--1r--~.J-----~,~. l- - '. t2~L-3. .
L·
'-@)
.- •...
. -..,. -------r~ .12./(
~
I
.I
16
-
~
T·...-...-·- - lI\:;!)
-,~~
I
r-
I
I
.' '3>" _ I - _ . ___ -
""'-r " .
--~ --.- -- -.~,
..
1_-1~ __~____~~_ I 1_ l-:-------r-:--~ tU>.F.. .
.
I
,
.
-I
-
-
or .
•
[- , - -
o
JtJ,.ë.. I
_
.f4~
~
@-- --
---
'3LL I
".
-
-
o
HIö r~alJ
-
"- t?c>ó'ç
.k'oel\..rQ.tep
O.!J. ,
I
.
J
o L---.:.-.+--r=~_ :
I I
1-:-
-
---
--®
t 1---'~'li"-
~
'0 I
.
~-----1-~st~Q~o_m~_~~ I HIT -
-
..
.3k
I'
..
-'~
1 I~:---+--J~ I .
®
I
~:-.
_
t='=~-~ I
-
'I
I" - , - - -
-
-
"'. .~/@:~-=--_~_~::.::===.=========--==_-_ . -,_- ._-.-.: . :
' -h."C""' OL.~_L-_._~._,.=_ ... '.. .... .Q,'=,,_._:=2..$!.. ----------_."-=-....~. =._~._=-=-==-~---------
I
.
o
0
o
~'t.
1--
~"
- -- -~'-®
~ H~2
"
I
,
' @)-
~~.
o
t)"
,s;-o
-
, " "
:/
"
------
ét:
Ó 2.2-
6"q -
..
-
k'oel""Q,te', -
.
~Qa .. T'4
-®
j
_.
j
:
!
I
i
1 I
"
..
1
:
!
,
.
@- --
,
..
"
o
M2.1
I
j/
0
3!2.. ~
"
\
..
,
. -- -
0' 'J.,>"
.
-
' ~'L '
o
f
- -~@
-
"
1:
ft)
:
FJ·- --
.'
-r;~
:
"
r""
,
0 t7,
/2
3~
b~
IJ
6~1,
11I
f-:-'
'0 Cl. 3'~ l{!1o
"
-
-
...:--
--
.:':'- - ~
..
~-
,
---
-
I
1
1 I
I
'
t!J,J //
Qq I
-
I---
o
;
w
H2.3
~
:
I
1
'
l(oe.I--.rn.ter'
'3.tJO,
.'
~I
'
, Iq);
,
~
I
II I
,. I
.
~toom
L; IJl.
I
J
.
I. I1 -,
I
3 8'f~
-
.
~
o
Ö'
o
Mass~,
@--- ok
H2.S
.'
,
:l'oA
:
(
,
,
I
c
t
-@
- -
t),ba
!
~.
·'1
"
-
.
To
l
t a àJ
~
I.fLI~'i]" '~--_.".
~
,
in kg/s ' 'Warmte kW
in
Fab~i el<.s v oo'rant werp ~Jo:
,
.' I
.'
o Bijlage é9'
I.
I
rA pparoa ts'troorn I I +éóm p-;~'~ -Ce n T-' . .
- . - M'
n _ _ _' -
M
.
·0'
.
/} ,.Á-_o
·0
.
0
0'·-0
I
' 'c:'
.
_'-I.. ..:.-._,.
,
Q.
M
"', u..
M
'--~1
1
'
; '~
M
Q ,
--1--
' ___ I
•
1-- iJ; (2 '1----1 - '
- --
--~-
'.
~ l l__I___ ,I
I
-
-
--
-
·
0
'----I..----..J..r---- ' •
-=-4---:-- "',
L_'-'
'.0
Ç)
L
'.IJ1.a.~-_ ~7L-1 _. _m..e.dlWJ2.-2.-·-+_.
II 'J- . I.
o
0
o
~-L;.Q-
~-4.0~_.
- -
-
-
I
-
0
-
-,---
--_._-
- -
I ~ I~ c (my
~--:::---1
-j.:;:rJ.,.. I . !,strooml :.L~. eE.5:!.~ -r-
i
nünten
me~.
I
rh
-1.!2a.i.J
I.
. 1'-1
Q.
----
-'1JJJ.t 7 ,L.. ---PJ~55 l
-
I'
-
_.
. •
fT~ ta at: "
M in kg/s If .e in k"'V .
.'
?~D [~.!-a2
~-
I
&Z!
JO
tJ. M
Q
l
-
~-
e
.-
-'--1 ·t ...._-
-_._---- -- -._----
J.
I, .. ~ J../-_~.L.!::LO
Ó
!.flJ.
--~
J
>_ .
•
-
1
F-
,~t!
-+-_ _ __
-1----·----
----! . o:;··~-bï;l-O~ .~~ =I- I . ,~-J- fl!J.- ,.. - '.. . ... U '-- .1_ ~J .~ /~~4-.-J
.:-
Q.o
--1'
M
Q
I~~
--
,
o
j
Q .• ------~~----.--~--------~~-------4~------~----
M
0.
-
.
.
l4.i:tJ2 "I/tÉ1 g
I wgo
'
._.
o.
I
-
.. .... _. - .3.-,ff!f" . -- 0)21,...__. ------- - :..---'---..;----ó---;..--------J I' -- ._-_.;
.
-
.
'f?
tv1
~ .. .__ ~1.I __ ----
.
-
f
. IJ-
b -- -
,hn .
~
I
3-d~
~
I1f
-
,
I
f
.'.j.
•
O'
0
.
'-1~_ I 0
.
o·
.:E:
. . _ _ . _ . -... _. - - . - . - - - . '-.'''- •
~'C"_"-'"
"=--"":"::":--'-:.:.::.:..:"'--'~"'''::.::..='' "':::"::::"':•••...:.....:. ... '..:...-..'
.~ • .,.~, • ~~~---=':-'.::........:..:"
o
,
•
! I
. t·
I
I'
'
d
\
I
~
o
d
.
I' ,.
I
'I fl.·..... . I.i~
..
. I' .\:. .
I."
-.. IJ
en'
'-.-.. .ICf ~ .:::n> I/~
~-'{.
II.LI l. Ie ___l.~le ~d ..• _
L--_~_~
.__
_
__ •• _••• __ . _____ •• ___ .
-.-.-.--- •••••.• _ ...• -.-•••••. - - • • • • • -
o
o
"
-Tai . ~
~
::E.
~~ ''-I
~E
,-
I
d
IJ
~"i
'. n
I
~I~I L-l
o d i-,
IV)
o
~
~I" o ~
I cd· II .~
:
1·-
.
I. ..,..
J
~
2:.
-
.
~ f'
Î
:E:
~r-
.-
i
,
'll
t1 D0-
'~ ~~~
.
-.!.~~
à a. ',~ :j
1=
o 0
< -->
.
1
---I 'I •
• ••, - - - ... _-~ ...
i 1_._-.'-~--
-
•• ,~'-
:
1-- E
o
II~
~~...
..
I I I
I
QJ
ill~ +'
d
!
,
I
<-I I
.. ~
,
,I
..
~
.
t",
I'
..... .:>
r-
LU
ui
<{I~ L _ ~
; ' ••
\
~.
I
\'
t,
...
J
.
~
~
i
I
T
'j
.
"ê I
t'
..
---Cl
'~
~.~~~;-~ .~ ru §,~ ~l~ ~
ei
._- ..... - -::"' ... ~ _.-- •• >.' • • : ••••••••
:;-,:
I
;~
C
'~
I
.
'e.
.
i·~
I
l
\J' . I
. ,
t;E
--'
. I
~~....q~' ~
~., 'I
,'\C , \s-.
lI
!
I'
I
I
1 '
I~
I
.~
-, .
I
I
t
'<:::I
4
la
I
'j
~
.1
ld '.
~ r.:..r,
~
I
I
a>
N)i
~
I~
.
. .t
~
-
c:
cS
~
......;~
~1
~
..
"
I
I
E c
0 0
o
9~ Li
'~
I1 ~~
•:
\
rV
o
o
"
I
I
è
I
ï
"I·I
1
.
~r
.:71
~~a I
~
.~,
I
Lr.
.
o
~
.d
;
I
j
~
!
~
.~
hL
f
•
i ~.
.
~
.'9'
~~
,
I
o
\~ ;.,r-.
..c::
-9,
;
p
I
N...,
.
.-:.,.
L..
~i
cS
~
.
!.
.~
1:
~
,
I
l.r.-.
~~I
"
I
.
I .. I
\ "
'.
"
III I~ ;E1~1 I~"i-..
~ '~f'.
ij
...
I .'
CV\
~-l1
,d
,
~.
I
I
r.·1
1.'
.
I
o
o :::r.l.l'd
.
!.
"
O· ~
.
I
.
,.. • •
"~"
.. "
....
0,"' _ _ ' _ _ " _ _
I-
c c
-
i •
0
. "
...... -
"'.-
......., ....
. ~_':
~
"
•
"'''~-J,;:!
.
r'l~-r--r-rr,~rnlï'l'l-I"" '1 \1. I I •1, I" ". I ' Î I i I -
d
d
o Î
z:
o
I
., I 'I
·1i
-
,
•
'd
~~
_ l
,
I
""\ I
1 ,u.-l-+-~H-n-~n""'"
!.I
-J
I ~
"
.
I l
t
i
I
-
I
,
-- . I !
I
' ~r_LLw'--+-+++-ttt '1 '
' I . I~
, II ,
,I
.,
I•
.
I J
..... "< ......
N N
I
.!
,~ Çj'
'I
'I
T
I
I
I I
• r-
I
I
I
~
I
i' -
,
I
ç)' I,
..
i
d
0
o
.
I
~
I
o
I
I1
o ,," I~ d
o
I
I, I
.
c
J
!. ,-
I
o~L~1 ~ --I , L~L~l.-L--t-4·'4-+-t~Î-r- .:~ ~r ,
I I
I
....
'd
'I·
-
~-+--~~1
t
~·l·1
I
:
o
-
I.
I
d ~
-t·-
I I
,
..
I
,
..
,.
i-
,
..
•
_.
"';'.I'
-
.
1
,-
.:':
.10-
o
BIJLAGE C 3
o
A]:rparaat No:
w
H I
H
2
H
3 -.....------.
,"
,
Benaming,
o
"koeler pijpen
type "
,
I
warmt e-" wisselaar platèn ~
stoom...; injecteur
"
o
o
-
l>ledium pijpen-/
medium/ koelwater
.1
Çapaciteit, uitgewisselde ,.rarmte in kW.
, -.
,
-"
Itl40 '"
2420 ,
I
pij:~en-
I
'I
I
I
I
'
.
/
I
I
,
115 '
65"
Aanta.l
Abs. Of~ -, -druk 'in bar
,760
."
2 oppevl. in m
o
'
mantelzijde
\olarmtewisselend
o
'
medium/ medium
1,1/1,r
5/l
5
,
mantelzijde temp. in in
oe
/
,
uit
72/30
.
50/II5
pijpzijde
0,"
I15
mantelzijde Speciaa). te gebruiken mat.
o
20/40 staal 316
-
'"
,
I35
135/72 I ~
'
staal 316"
staal 316
I
.
i
. prijs
(fl~
)
,
6.000
,20.000
:
2.000 :
o
,
.
I
,
-
""
o
..
* o .
,--
,.
aangeven wat bedoeld word"t
o . Apparatenlijst yoor reaktoren, kolommen, vaten
----------------------------------------------. .
o
Apparaat No:
V .4
-
Benaming,
.
'mengtank
..
.R 8
R 9 '
buffertank
type
Abs.of.~
ent:' fermemto"r
,I
I
druk in bar
entfermentor .
1
30.
'30
5°
hoofd-' fermentor
1
,
temp. in oe
R~IO
,
.
,
o
o
I
6
V
1
30
30
-
~
o
Inhoud in m3 Diam. in m DI h in m
-
Vulling:*
0'
.,
0,6
4
I
i
, /,
- -
!
'II ·
'
"
,
:
.. ,
·.
,type vorm
-
,200
/
·............ roerder ·.... ......... ve-rmOgen(KVi) ·.... .. ...... l
10 2
J
schotels-aant. vaste pakking
'
o
1,5':'
I
"
katalysator-
o
,100
5
,
, ,
.' "
turbine
.tUl~bine
0,3
turbine
turbine
,
90 .
,
;
~
te ge-. staal 3I6' bruiken mat. ~peciaal
o
staa13I6
staal .3I'6 '
'
.,
aantal
prijs (fl. )
'r
I
10.000
o
2
2
20.000
20.000
.
.'
.
o
staal 316
-
-
o
staal '3I6
*
""-
.,l
aangeven wat bedoeld ",ord t
·
40.000 .
<
7 300.000
~
o Apparatenlijst voor reaktoren,kolommen, vaten
----------------------------------------------
o
Apparaat No:
,
T 11
V 12
T
14.
I
T 16
T 18
,
,
.
gaswasser'
Benaming, type
buffertank
beerkolom
aceton-
ethanQlkolom
.ko'~om
'.
'
.0 Abs.o~ druk in bar '0
o
temp. in oe Inhoud in m3 Diam. in m 1 / h in m
I·
I
20-30
30
I
92-109
56-92
200 .'
0,55 11
'
!.
I
78-92
.,
.
.1,5 12
..
"
0,5
.
5
..
0,5.
-
5 :
Vulling: * schotels-aant. vaste pakking katalysatortype vorm 9 ,
-
o
- ·............ . ·.............. • ·............
o
24 shot els gepakt
,gepakt
rashing ring 2,5 cm.
-
rashing'ring rashing ring 2 1 5 ,cm. 2,5 cm.
.
. ,
J
Speciaal te ge-:. bruiken mat •.
.
~
o
gepakt
/"
prjjs (fl. )
"
.
10.000
"10.000
50.000
5.000.
..
5.000
, :
o ,.,
',.
o
,*
aangeven wat bedoe~d wordt ..'
o •
o Appara tenlijs t -voor °fTarmte\visselaars, fornuizen
----------~---~---------------------------~----
-
o
Apparaat No:
condensor beerkolom
.
Beraming, type
o
H 13
.. H 15
IJ 17
reboiler acetonkolom
,
Ir
H 20
19
qondensor acetonkolom
reboiler ethanolkolom
·condensor ethanolkolom
. "
voeding/ ru\fle destillaat
Hcdium pijpen-/ mantelzijde
o
1700/123
C~î1J~f~ t,
st oom/
stoom!
koehTater/ ' aceton but ano l-"nit er b'l:l-tanol-watel azeotroop azeotroop + ethanol
14,5/13
500/12
'14,5/13
ui~gewisselde
warmte in k\v.
o
o.
1400 1<:\:"
'160
160
In
2
2
105 m
6,5
4,8
4,8
,
o·
O·
Aantal
I
Abs. oî~ druk in bar
-
4
'.
4 I/I
I/I
I/I
'
/
1,7
'
I
.
I/I
I I/I
i
pijpen- / mantelzijde temp. in in oe
'34
,
'Warmtewisselend oppevl. in
ethanol"Tater azeotroop
80/3,
"
+08
koeh..-aterj
,
_ _ _ ~'t'
uit
30
/7 0
145/135
20/30
145/135
20/30
..
. pijpzijde
o· \,
mantelzijde
.
92 / 92
92/92
92/92
Speciaa;t. te gebruiken 'inat~'
o prjjs ( fI.)
o
56/56
78/78
4·000
2.000
°
20.000
30.000
3.000
:
o· iE
o
-
aangeven wat bedoeld
word~
)
.. '.
,
o Appara tenli.is t voor ..rarmtewisselaars 9 " fornuizen
~--~----------~-------~------------------------
o
,
Apparaat No:
H
22
,
,I
'
H 25
H 22.
,
Benaming,
o
0,
0'
"
0'
0'
~ype
. koeler
condensor
reboiler
pijpen
vertikale pijpen
vertikale pijpen
-,
Jvledium pijpen-/ mantelzijde,
~~
,
•
"
I..
koelwater/ butanolwater'azeo'troop
,
capaC}teit, Yunol hr. uitgewisselde \orarmte in k\o/ •
.
,
..
stooin/ butanol
.
,
,
' .j
'9 20/33 1 6 '
38/33,6
,
37,5
' ,412
390 ,
J
Warmte"Tisselend oppevl. in m2
2,,5
18,5
45,'7
Aantal
I' ,
2
1
Abs. of ~ druk in bar pijpen- / mantelzijde temp~.
in
/
I
,
koelwater/ butanolwaterazeotroop
BO/48 '
"
I/I
.
.
ï ,
1
I I/I'
I/I
,
.
1
\
,
1
i
i
uit
20/40
in oe .pijpzijde
145/135
20;l40 '
"
1
.
'
,
'0
92/70
mantelzijde
,
I
117/117'
92/92 ,
Speciaa~
bruiken
1
te gemat~·
.
"
o
..
,"
prijs (fl. )
.
6.000
1,0000
5.000
;
o
,
"
0,
i[
. aangeven wat bedoeld wordt
o
I
o Apnaratenlijst voor reaktoren
kolommeri, vaten
f
--~------------------------~-------~--------- Ol
,
Apparaat No:
T
Benaming,
o
M
butánolkolom
type
0,"
o
Iv1
7
,
buisreaktor,
scheidingstank
temp. in oe
I/I
.'
-
.
Diam. 1 / h
in m in m
135
70
92~~I7
.
.
:Vulling: * schotels-aant. vaste pakking
-
.
5 0,65:' .
-
"
"
0.15 30
5
"
, \
8 scho:tels
,
-
katalysator-:type , , vorm
,
- ·.............
.
........ .... .
••
·...... . . .......
,
Speciaal te ge-:-. ,-
staal 316 I
brui ken I!la t.
o
,
,
'
prjjs (fl. )
• 10.000
30.000
.
20.000
"
o 4 ol
o
,
I
'
0'1
.
5/1
I/I
Inhoud in m3 0'
lil
.
Abs.of ~ druk' in bar 0-
24
:JE,
aangeven wat bedoeld wordt
\'
I
o D I BIJLAGE D,
o
I.De totale investering
,
o
'
De totale investering bestaat uit directe kosten, indirecte kosten en werkkapitaal.ln onderstaande tabel is een specificatie' gegeven van deze posten als percentage van de apparatuurkostè~o a.directe kosten. apparatuurkosten installatie apparatuur instrumentatie
o
p~pen(geinstaleerd)
elektische ~nstallatie gebouwen grond + grondverbeteringen service faciliteiten
o
100 ' 40 15 " 30 : 10 30 I5 ....2Q. , , 290+'
b.indirecte kosten engeneering en bouw
o
c.werkkapitaal
.
molasse,nutrie~nten,
eerste entmateriaal
o
De 'apparatuurkosten zjjn weerge'geven in de' appáratenljjsten j dit 'zjjn de doqr de fa'l:Ïrikant van' de apparatuur bepaalde prjjzen en gelden voor januari J967.
o
o ,\
opslag grondstoffen (2 maanden) opslag eindprodukten (r' maand) ste,rilisatie 'fermentatie opwerking pompen (40 stuks)
100.000,fl. 26.000,fl. 58.000,-; fl. fl. 2.?3 0 • 000 ,-) ? 195.000,fl. 80.000,fl.
totale apparatuur kosten
fl., 2.689.000, -'
109 Pr~sindexc~fer januari I967 . Prjjsindexcjjfer ja.'nuari I976 I64 Correctiefactor: 1,5 . ' totale apparatuurkosten januari I976
-----+
~
fl.' 4.040.000, ,. .
i
o Totale investeri:qg :3,60 x ,4.040.000=
o .'
o
,.
fl.1~.50~.000,~
,
o
;
D P.
,',.:I
o
.. 2.De prodüktie afhankelhlke kosten
o
o
Koelwater '(1 2 çent/m 3 ) R 10 11,3' H 1 19, 5 Kg/ s . H I9, 2,5 ' 11 H 20 ,0,4, 11 H 22 0,4 11, H ,23 4,5 ,11 --+
totaal 38,6 Ke/ s = J ,000 _,000 toni jr. Jaarlijkse kosten koelwater: ,
stoo~,lage
o
,
druk ( fl. 10 ;-/ton) ~
72,0 3 206,0 14 15 14,5 ' I4',5 H 17 H 25 38,0 stel"ilisatie fermentors 27,0 M
T H
o
Kmol/hr l{mol/hr Kmol/hr Krnol/hr Kmol/hr
fl.
=
21.000$ -
1w
Kmol/hr I.
totaal 372,0, Kmol/hr
= 1,9
= 48.600
Kg/s
Jaarlijkse stoomkosten: 48.600 x IQ
ton/jr.
=
f I . ' :486.000, -
Elektr,ïcitei t (3,"2 ceht/Kwhr.)
0.
De 7 fermento"rs \'lorden gedurende 'een derde van , de t~id geroerd door 90 Kw roerders. jaarlijks verbruik: 1,5 miljoen Kwhr. ,Jaa~lijksekosten elektr~citeit: 1.500.000 x 0,032
= fl.
48.000, - ,
'Z:;
0'
mediumwater gaswàsser
5,3 0,4 , 5,7
kg/s kg/s kg/s
Jaarljjkse waterkosten: ,150.000 x 0.10
o
Holasse ( I cent/kg)
30.000 ton/jr.
Nutriënten ( IO cent/kg)
o
Totale
jaarl~ikse
ll,13/ jr •
= 150.000
-600 toni jr'.
=
fI.
=
.f l ,- ' 300.000,-
=
fl.
produktie afhankelijke kosten :
1"5.000,-
60.000,+
'fl.
530.000, -
,-" ..
o D3
o
o
o
3·.De loonkosten Voor de bedrijfsvoer~ng van een volled~ge'b~tchgewijze produktie 'van 15 ton per dag zijn ongeveer 50'manuren nodig ( een en~gszi~ls vergelijh:bare Gthanolproduk.t.~9 u~ t mola.sse IC J.lç,.:.~ Mft~'J-Q~ ye- (~a~ . . ._heeft -.. L!.'/ .!. v 1)·..L _". -ó nO~l'~) v. ü • Voor het labora~orium komen hie~ nog 10 manuren b~en voor de administratie 40 manuren per dag. . Totaal komt dit op 90 manuren per dag. Uitgaande van een gemiddelde bedrjjfslast van. fI. 60.000, - per werknemer, komt d~ trieer op fl. 30, - per manuur. . .. .. \. •
loonkosten
fl.
Ondérhoud ( 5% van de totale investering)
fl.
700.000,-
fJ..
400.000,-
~otale
~4.
_Jo
jaarl~kse
o 5. Algemene
bedr~fskosten
·B.Opbrengst aan
o
b~produkten
Bijberekening van de opbrenst aan bijprodukten is voor aceton en ethanol uitgegaan van de gemiddelde pr~s van deze oplosmiddelen in West-Europa en ~e Verenigde staten. De gasopbrengst is berekend op de calorische waarde mat de aardgasprijs als u~tgangspunt.Ten aanzien van het veevoeder is 'er van uitgegaan dat de opbrengst hiervan de kostprijs voor de opwerking de~t.
o
produkt aceton et.ha.nol waterstof kooldioxide veevoeder
o
600 150 260 5.700 : 100
ton ton ton. ton ton
opbrengst
prjjs!kg.
jaarl~kse
fI. 0,80 fI. 0,50 fI. 0,I5 . nihil nihil
fI. fI. fI.
480.000,75.000,40.000,-
.fl.
595.000,-
produktie/jaar
I
Opbrengst aan bijprodukten
o 7.Prjjzen van butano'l.,aceton. en molasse in enkele .landen .. in :tl./kg.
o
0;
j ...
aceton butanol molasse
V.S.
Ned. . Belgie
0,82 1,00 0,12
0,78 1,50 .0,13
0,69 1,28
DuitsI . 0,85 I,28 0,15
Frankrijl~
Italie
0,93 0,93
0,63 1;36
\
o
'
D
o
i.De investerings afhankelijke kosten. fI. 2.689.000,-
Apparaatkosten volledige batchgewjjze produk,t;ie
o
o
o
L~
2~
t. 500.000,-
Besparing 5 fermentors: Extra kosten van destillatie extra k~sten filters
fI. fl. fl.
Netto besparing
fl. 1.350.000,-
,
50.000,:100 • 000 , fL 1-.3:2.9. ooq~-
Appar,aatkosten semi-continue produktie:
fl.
Totale investering: 1,5x3,6xI.339.00 0=
fI. 7.230.000,-
Jaarlijkse invest. afh. kosten Ó,13i:'7.230.000=
fL
940.000,-
fl.
923.000,-
fI.
150~000,-
Produktie afhankeljjke kosten.
,
L3390000,~
t
".'
Produktieafhankeljjke kosten batchgewjjze produktie:
o
extra stoom ( destillatie ) besparing molasse
fI. fl.
Extra ko'sten
rl. _' 150.000,-
Prod. afh. kosten
semi~continue
250.000,100.000,-'
produktie:
fl. 1.073.000, -
o 3.Loonkosten (25% besparing) 4.0nderhoud (5% van de Totale investering)
fI.
600.000,-
. fI.
22°. 000 ,-
fi.
300.000,-
o 5.Algemene bedrijfskosten (25% minder)
o
Totale produktie kosten semi-continue produktie
o
o·
o .. _. "1'
o D5
o Figuur D. r;. 1 Invloed van de m6laBsepr~s op de totale produktie kosten en de butanol .produktie k~ste~ voor volledige batcbgewUze en ~emicontinue produktie. .
o
I
2
3
4
o
5 ~
o
JaarlUkse produktie ko~ten exclusief molasse voor v6lledige batchgevrijze produktie. Jaarl:ijkse produktie kosten exclusief molasse voor semicontinue produktie' T'ota~e jaarlijkse produktie kosten volledige batchgewjjze 'produktie Totale jaarljjk~e butanol produktie, kosten voor volledige batchgewijze produktie. " Totale jaarlijkse produktie kosten voor seni-continue produktie Totale jaarlijkse butanol produktie kosten voor'semi-continue , produktie,
Figuur -D.5.2 Opbouw van" de produktie kosten exclusief molasse voor batchgewUze (a) en semi-continue 'produktie'. ,1
o figuur.
la
o
\
J).
5. I 3,00
,
8
o
'"
" figuur D. S. 2.
" ,,, "'." "
~,oo
,;
,;
,;
" ""
" \SO
o totale 1 produktie kosten. (milj.!jr.) a
o
1,0"
b
1
produkti~
, kosten butanol (fl./kg. )
1
o
o
,"
o
IS
I Do
molasseprijs (fl./kg.)
on'
water
vn
H1 H2 M3 V4
warmta wisS
P5 V6 bUlfClrvat M7 sterilisator
Re
k~kfarmcntor 1
R9 kWCClkfarJTl(lntor 2 R10 hoofdfClrm
H15 vl2rdampar T16 acaton dastil!atie kolom
H17 Tv(Z("damoor H18 Icondansor T19 Iathanoi dastillaticz kobm H20.23!condansor M21 scooidinasvat H22 warmtQ wisselaar 124 butanol d4stlllatlcz kolom H25 Wrdampar
PROCESSCHEMA VAN DE
BUTANOL- ACETON-VERGISTING Jan 1976
!-I.Dolman.
J.W,v.d.!:I1orn
