Master: PCA, An I
CAPITOLUL I
TEMA DE PROIECTARE
Să se proiecteze şi calculeze un proces tehnologic pentru obţinerea acidului gluconic
de fermentaţie, prin procedeul Bloom, cu o capacitate de 200kg/şarjă.
CAPITOLUL II
STABILIREA TEHNOLOGIEI ŞI A LINIEI TEHNOLOGICE
II.1 Generalităţi
Pornind de la hidraţii de carbon şi săruri minerale, numeroase microorganisme
elaborează aminoacizi esenţiali necesari pentru sinteza proteinelor. Plecând de la aceasta
observaţie, s-au studiat posibilităţile de obţinere la scară industrială, prin tehnologii
biochimice, a acizilor carboxilici, a hidroxiacizilor şi acizilor aminici.
Acidul gluconic, având formula chimică brută C6H12O6 poate fi obţinut prin reacţia de
oxidare a glucozei. Oxidarea glucozei poate fi realizată pe cale:
Biochimică
Chimică
Electrochimică
Acidul gluconic este un acid organic slab, care nu este nici coroziv, nici caustic. Este
netoxic şi uşor biodegradabil (98% în 2 zile). Se obţine în mod natural în plante, fructe şi alte
produse comestibile, cum ar fi vinul (până la 0,25%) sau mierea (până la 1%). [2]
Utilizări:
1
- împiedică precipitarea sărurilor din apele cu duritate ridicată
- în industria detergenţilor
- în industria farmaceutică
- în industria textilă, unde gluconatul de sodiu împiedică depunerea de piatră pe
ţesături. [5]
Proprietăţi fizice şi chimice. [1;3]
Formula chimică brută: C6H12O6
Viscozitatea aproximativă la 25oC:26 cP
Densitatea specifică la 25oC:1.24 + 0.03
PH la 25oC s în soluţie 50%: 1.3 + 0.2
Soluţie 25% : 2.2 + 0.2
Soluţie 3%: 2.8 + 0.2
Soluţie 1%: 3.2 + 0.2
Solubil înApă
Insolubilă în Alcool absolut, eter
AspectSubstanţă albă
La o concentraţie masică de 30% acid gluconic în apă, soluţia se prezintă sub forma
unui amestec în echilibru de acid gluconic, gamma şi delta lactonă. Echilibrul între acid şi cele
două lactone este influenţat de concentraţia amestecului şi temperatură. O concentraţie mare
de delta-lactonă va favoriza deplasarea echilibrului spre formarea de gamma-lactonă şi
viceversa. O temperatură scăzută favorizează formarea de glucono-delta-lactonă, în timp ce o
temperatură ridicată favorizează creşterea concentraţiei de glucono-gamma-lactonă. În condiţii
normale, acidul gluconic 50% prezintă un echilibru stabil care contribuie la culoarea sa de la
transparent la galben deschis, cu un nivel scăzut de toxicitate şi coroziune.
2
CO
C
C
C
C
CH2OH
H OH
HHO
OHH
H
O
COOH
C
C
C
C
CH2OH
H OH
HHO
OHH
H OH
CO
C
C
C
C
CH2OH
H OH
HHO
H
H OH
O
Glucono delta lactona Acid gluconic Glucono lactonagamma
Produsul trebuie păstrat la temperaturi peste 15˚C, deoarece la temperaturi mai scăzute
lactonele ar putea cristaliza.
Tehnologii de biosinteză a acizilor carboxilici
Tehnologiile de biosinteză sunt utilizate curent pentru obţinerea acizilor mono- şi
policarboxilici (acid acetic, acid propionic, acid itaconic), a acizilor monohidroxi-
monocarboxilici (acid lactic), a acizilor monohidroxi-policarboxilici (acid citric), şi a acizilor
polihidroxi-monocarboxilici (acid gluconic).
În procesul de biosinteză se folosesc medii de cultură conţinând melasă, amidon,
maltoză, glucoză, surse de azot, săruri minerale, pe care se cultivă microorganisme din clasa
bacteriilor şi fungiilor, producătoare de acizi carboxilici. Astfel, cultivând microorganismul
Aspergillus pe un mediu de melasă s-au obţinut o serie de acizi carboxilici a căror conţinut
este determinat de compoziţia chimică a melasei şi durata fermentaţiei [1].
Pentru dirijarea procesului de fermentaţie spre un anumit acid se folosesc
microorganisme specifice, cultivate pe un mediu adecvat.
Acidul gluconic este utilizat în industria farmaceutică, pentru prepararea gluconatului
de calciu (Calciu), medicament utilizat în tratamentul rahitismului, a hipocalcemiei,
spasmofiliei, tuberculozei osoase, etc.
Tot pentru obţinerea acidului gluconic s-au cercetat şi posibilităţile utilizării
bacteriilor. Currie şi Finlay au elaborat un procedeu de cultivare a Acetobacter oxydans şi
Acetobacter gluconicum în care glucoza este oxidată la acid gluconic în 48 de ore, cu un
randament de 90%, iar Ueda, utilizând Pseudomonas fluorescens şi Pseudomonas ovales a
obţinut un randament de 95% în 32 ore. Aceste rezultate au făcut ca la scară industrială să se
folosească atât procedeele de cultivare a fungiilor cât şi cele de cultivare a bacteriilor.
3
Procedee de fermentaţie
Adoptarea unui anumit procedeu de fermentaţie este condiţionată de asigurarea celor
mai bune condiţii de dezvoltare a microorganismelor cultivate (aerobe sau anaerobe,
cultivabile în sistem septic sau aseptic, etc).
Procedeele de fermentaţie pot fi clasificate în funcţie de:
1. modul de realizare a culturilor microbiene:
- culturi în suprafaţă
- culturi în profunzime
2. necesarul de oxigen:
- sisteme de fermentaţie aerobe
- sisteme de fermentaţie anaerobe
3. modul de funcţionare a instalaţiei de fermentaţie:
- fermentaţii discontinue
- fermentaţii continue
Fermentaţiile în suprafaţă se practică mai rar şi, de obicei, pentru microorganisme
anaerobe.
Fermentaţiile în profunzime se utilizează în majoritatea proceselor de creştere a
microorganismelor. Industrial, acest tip de fermentaţie poate fi realizată prin procedee de
fermentaţie discontinuă şi procedee de fermentaţie continuă.
Fermentaţia discontinuă, întâlnită în literatura de specialitate şi sub denumirea de
„sistem de cultivare batch”, se caracterizează prin aceea că microorganismele parcurg într-un
singur bioreactor toate etapele de dezvoltare, după care procesul se reia de la capăt. Acest mod
de operare conduce la consumuri sporite de utilităţi, deoarece de fiecare dată este necesară
sterilizarea întregii instalaţii.
Deoarece în acest sistem de fermentaţie nu se poate asigura de la început întreaga
cantitate de substrat limitativ (o concentraţie mare a acestuia în mediul de cultură manifestă un
efect inhibitor pentru creşterea microorganismelor, fenomen cunoscut sub denumirea de
inhibiţie de substrat), se impune adăugarea de substrat, precum şi de precursori, pe parcursul
4
procesului fermentativ, fapt care generează probleme suplimentare în menţinerea sterilităţii în
bioreactor.
Fermentaţia continuă, studiată foarte mult în ultimii ani, oferă o serie de avantaje,
comparativ cu procedeul continuu:
- utilizarea bioreactoarelor de capacitate mai redusă
- realizarea mai eficientă a proceselor de transfer de masă, căldură, impuls
- productivitate sporită
- epuizarea mai avansată a componentelor mediului de cultură
Sistemul de fermentaţie continuă (sincronă) se utilizează atunci când biosinteza
decurge în două etape distincte: creşterea biomasei şi, apoi, biosinteza produsului activ,
situaţie în care produsele elaborate pot manifesta un efect inhibant pentru dezvoltarea
populaţiei microbiene tinere. [4]
Schema fluxului tehnologic
Figura 1.
Procedeul de fabricaţie utilizat
În lucrarea de faţă se va prezenta o metodă de fabricaţie a acidului gluconic, prin
oxidarea glucozei, în prezenţă de Aspergillus niger, utilizând ca procedeu tehnologic,
procedeul Bloom. [5]
5
Depozitarea materiei prime
Pregătirea materiei prime
Dozarea şi pregătirea mediului de cultură
SterilizareInoculare mediu
de culturăReacţia
biochimicăSepararea biomasei
Separarea produsului
Purificarea produsului Condiţionare Depozitare
Procedeu este viabil pentru a putea fi utilizat la scară industrială. Procedeul foloseşte
ca şi metodă de fermentare fermentaţia discontinuă, în profunzime.
Folosind o metodă de sinteză a acidului gluconic pe cale biochimică, se asigură
specificitatea procesului şi se respectă normele de protecţie a mediului, nefiind necesară
depozitarea deşeurilor chimice.
DIMENSIONAREA TEHNOLOGICĂ A UTILAJELOR
III.1. Dimensionarea reactorului
III.1.1. Calculul pierderilor
Se consideră o pierdere , p=0%. . La o cantitate de acid gluconic de 200 kg/şarjă
Vom avea nevoie de materie primă pentru a obţine un total de: 200 kg acid gluconic/şarjă
III.1.2. Reţeta de fabricaţie
Se va utiliza următoarea reţetă de obţinere a acidului gluconic prin oxidarea microbiană a
glucozei [5]:
Tabel 1.
Materia prima Cantitate propusa / UM Cantitate calculata / UM
Glucoza comerciala 30g 204,08kg
Agar 25g 170kg
MgSO4·7H2O 0.1 g 0,68kg
KH2PO4 0.12 g 0,816kg
Peptona 0.2 23123h710x 5g 1,7kg
NH4NO3 0.2 23123h710x 5 g 1,7kg
6
CaCO3 4g 27,2kg
Apa Pâna la 1000 ml 6,87m3
Ecuaţia reacţie chimice de oxidare a glucozei este:
Masele moleculare ale reactantului şi produsului de reacţie:
MGlc = 280 kg/kmol MO2 = 32 kg/kmol MAG = 16 kg/kmol
Pe baza stoechiometriei reacţiei se calculează cantitatea de glucoză necesară a se oxida
pentru a forma cantitatea dorită de acid gluconic. Cantitatea de glucoză necesară pentru
transformarea sa în produsul util reprezintă doar 30% din cantitatea totală de glucoză necesară
procesului, restul de 70% fiind necesară dezvoltării microorganismelor.[5]
Stoechiometric:
Total:
Tab. 2
7
Nr.
Crt.Denumire
Cantitate
[kg]
ρ
[kg/m3]
Volum
[m3]Observatii
1 Glucoza 204,08 1530 Glucoza comerciala
2 MgSO4·7H2O 0,68 1000 0,00068
Deoarece avem
cantitati mici, putem
considera densitatea
egala cu a apei
3 KH2PO4 0,816 1000 0,000816
4 peptona 1,7 1000 0,0017
5 NH4NO3 1,7 1000 0,0017
6 CaCO3 27.2 1000 0,0272 - pâna la pH=6,5
7 Agar 170 1000 0.170 -
8 Apa 18130 1000 6,87 -
Cantitatile de materii prime necesare, din reteta prezentata în [3] – pentru a obtine o cantitate
de 200kg AG/sarja.(tab. 2)
III.1.3. Calculul dimensiunilor reactorului
Din datele existente în tabel, aflăm volumul de lichid din reactor:
VL=20m3
În reactor avem reacţie cu spumare, motiv pentru care vom alege coeficientul de
umplere între valorile: cu = 0,4 .. 0,6 [6] Valoarea aleasă este cu = 0,6. Volumul reactorului se
calculează astfel:
(3)
8
Din volumul reactorului putem calcula cotele de gabarit ale acestuia, respectiv
diametrul (Dr) şi înălţimea reactorului (Hr), precum şi înălţimea udată de masa de reacţie.
Relaţia dintre înălţimea şi diametrul reactorului este dată de coeficientul de supleţe,
care în cazul de faţă îl vom considera egal cu 1,5:
(4)
(5)
Ştiind diametrul reactorului şi volumul de lichid din reactor, putem calcula înălţimea
lichidului în reactor (Hl), după relaţia:
(6)
III.1.4. Calculul necesarului de oxigen
Cantitatea de oxigen din reactor este utilizată astfel: 12% este consumată pentru
oxidarea glucozei la acidul gluconic, iar restul de 88% este folosită pentru respiraţia aerobă a
Aspergillus niger. Astfel, de pe ecuaţia reacţiei chimice, stoechiometric, vom calcula necesarul
de 12% pentru oxidare:
O2 pentru oxidare:
O2 pentru respiraţie:
9
O2 total:
Numărul de moli de O2:
Numărul de moli de aer:
III.1.5. Calculul pierderii de presiune hidrostatică
Acest calcul este necesar datorită faptului ca aerul introdus în reactor intră pe la baza
acestuia, trebuind sa învingă forţele create de coloana de lichid. Pierderea de presiune
hidrostatică este, în cazul de faţă, singura care are o valoare demnă de luat în seama.
Calculul se face după relaţia:
(8)
Calculăm densitatea amestecului, utilizând relaţia:
(9)
unde ρGlc – densitatea glucozei
ρapă – densitatea apei
VGlc – volumul de glucoză
Vsol – volumul soluţiei
Vl – volumul total de lichid din reactor
Date conform tabelului 1.
10
Înlocuind în relaţia (8) obţinem căderea de presiune hidrostatică, ce va trebui învinsă
de presiunea cu care intră aerul în reactor:
III.2. Sterilizarea materialelor
III.2.1. Generalităţi
Procesele de biosinteză industrială impun absenţa totală a sporilor de microorganisme
străine (provenite din apă, aer sau materii prime), care s-ar putea dezvolta în faza de
fermentaţie, infectând cultura unică a microorganismului util. De asemenea, conservarea
preparatelor farmaceutice, a produselor alimentare şi a altor materiale se poate face numai în
absenţa sporilor capabili de multiplicare. Această cerinţă tehnologică se poate realiza prin
sterilizare sau pasteurizare.
Pasteurizarea este operaţia care are drept scop distrugerea majorităţii
microorganismelor, inclusiv a bacteriilor rezistente, prin încălziri repetate sub 100˚C.
Sterilizarea este operaţia de distrugere sau îndepărtare a tuturor formelor vegetative şi
de rezistenţă a microorganismelor patogene şi apatogene din substanţe, preparate sau obiecte.
În industria de biosinteză, industria farmaceutică şi industria alimentară, unde se cere
distrugerea tuturor microorganismelor (reducerea totală a viabilităţii nu distrugere în sens
fizic) operaţia de sterilizare este de neînlocuit şi poate fi realizată prin următoarele metode [1]:
Metode termice:
- sterilizare cu aer cald la 140-200˚C
- sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140˚C
11
- sterilizare prin încălziri repetate la 70-100˚C
Metode fizice:
- filtrare prin umpluturi fibroase
- filtrare prin materiale poroase
- filtrare prin membrane
- utilizarea radiaţiilor UV, IR, raze X, β, γ etc.
Metode chimice:
- utilizarea agenţilor chimici: oxid de etilenă, formaldehidă, fenol, azotiperită,
ozon, etc.
Metode de preparare pe cale aseptică.
Sterilizarea termică uscată include şi sterilizarea prin flambare, folosită în faza de
însămânţare a inoculului şi a prelevării probelor. Acest gen de sterilizare constă în trecerea
probelor sau a obiectelor prin flacără, timp de câteva secunde.
În general, metoda de sterilizare se alege în funcţie de proprietăţile fizico-chimice ale
materialelor supuse sterilizării, astfel încât să se evite modificările calitative ale acestora.
Între încălzirea uscată şi încălzirea umedă, în procesul de sterilizare prin metoda
termică, există o deosebire importantă, ultima având o eficienţă sporită. Fenomenul se explică
prin acţiunea hidratantă, coagulantă şi hidrolizantă a apei şi a aburului asupra proteinei
microbiene. Comparând performanţele sterilizării prin încălzire uscată şi umedă s-a observat
că sterilizarea cu aer cald necesită temperaturi şi durate mult mai mari. Din aceste motive, în
tehnică se preferă sterilizarea umedă, care poate fi urmărită în funcţie de punctul termic mortal
şi timpul termic mortal. Punctul termic mortal este definit prin valoarea temperaturii la care
sunt omorâte toate celulele unei anumite specii, în timp de 10 minute. Timpul termic mortal
reprezintă acea valoare a timpului de expunere la o anumită temperatură necesară distrugerii
tuturor celulelor sporulate.
Sterilizarea prin filtrare pe materiale poroase se utilizează frecvent în cazul
preparatelor termolabile. Procedeul este preferat şi atunci când preţul prea mare al energiei şi
cheltuielile pentru aparatură exclud îndepărtarea microorganismelor prin metoda termică. În
12
procesul de sterilizare prin filtrare se folosesc filtre poroase Jena G5, filtre de azbest-celuloză
(denumite filtre Seitz sau Filtrasic), filtre cu membrană, filtre de profunzime şi filtre absolute.
Sterilizarea cu ajutorul radiaţiilor, deşi prezintă unele neajunsuri, este aplicată din
ce în ce mai mult în industrie, atât pentru sterilizarea produselor, cât şi a aerului din boxele
sterile.
Prepararea produselor pe cale aseptică se utilizează atunci când nu este posibilă
sterilizarea lor prin procedeele prezentate anterior. Tehnologia preparării aseptice se realizează
în boxe sterile, aerul din acestea fiind sterilizat prin filtrare, iradiere sau cu agenţi chimici. În
ultima perioadă a fost extins la scară industrială sterilizarea aerului din boxe prin curgere
peliculară, controlul sterilităţii aerului făcându-se cu ajutorul filtrelor cu membrană. [4]
Sterilizarea aerului tehnologic necesar în fermentaţia aerobă constituie una din
problemele de importanţă majoră în ingineria biochimică, de rezolvarea căreia depinde buna
desfăşurare a procesului de biosinteză. Dificultăţile procesului de sterilizare a aerului sunt
generate de varietatea mare de microorganisme conţinute (bacterii, spori bacterieni, fungi,
viruşi), de rezistenţa lor la temperaturi uscate şi de limitele largi ale dimensiunilor acestora.
Principalele specii de bacterii şi spori bacterieni, împreună cu dimensiunile lor (lungime,
lăţime) sunt prezentate în literatura de specialitate.
Pentru sterilizarea aerului sunt propuse următoarele metode:
- sterilizare termică
- sterilizare cu raze ionizante sau UV
- sterilizare cu agenţi chimici
- sterilizare prin filtrare
La sterilizarea aerului prin utilizarea procesului termic, se cer temperaturi ridicate
deoarece microorganismele au rezistenţă mare la temperaturi uscate. Astfel, după Decker,
sporii din aer sunt distruşi în 24s la 218-220˚C. Această temperatură poate fi obţinută fie prin
încălzirea aerului într-un schimbător de căldură, fie prin comprimarea aerului în compresor
adiabatic.
13
Sterilizarea aerului prin metoda filtrării se realizează pe filtre mecanice prevăzute cu
un strat de material fibros. La început s-au folosit fibre din bumbac, dar, odată cu dezvoltarea
producţiei industriale de antibiotice, fibrele din bumbac au fost înlocuite ci fibre din sticlă. [1]
III.2.3. Calculul sterilizării reactorului prin încălzire
Pentru sterilizarea reactorului se va folosi un sistem discontinuu de sterilizare,
deoarece este mai economic decât cel continuu. Se va realiza sterilizarea prin încălzirea
reactorului cu ajutorul aburului introdus în mantaua acestuia. Pentru sterilizare trebuie sa
ridicăm temperatura din reactor la 120˚C.
În continuare se vor calcula timpii de încălzire (τî), de menţinere (τm) respectiv de
răcire (τr), precum şi debitele de abur, respectiv apă de răcire.
a) Calculul ariei de transfer termic pentru sterilizare
= 47,5 m2 (14)
unde ATT – aria de transfer termic
Dr – diametrul reactorului = 3m
Hl – înălţimea lichidului în reactor = 2.7m
III.2.2.Sterilizarea aerului prin filtrare
Separarea se realizeaza pe filtre mecanice prevazute cu un strat de un material
fibros.Asupra particulei care se separa prin filtrare actioneaza simultan forte de interceptie,
inertiale , de difuziune, de sedimentare, electrostatice si fortele Van der Waals.Tinand seama
de aeste forte randamentul total al separarii particulelor pe fibra individuala poate fi
deteminata cu relatia :
14
randamentul separarii prin difuzie
- randamentul separarii prin inertie si interceptare
-randamentul separarii prin sedimentare
randamentul separaii datorita fortelor electrostatice
- randamentul separarii datorita fortelor Van der Waals
Datorita difuziei, sau a migrarii particulelor de pe linia de curgere, numarul particulelor
retinute de fibra creste.Acest efect este mai intens atunci cand viteza aerului este mica si
particulele raman un timp mai mare in preajma fibrei.
Randamentul depunerii pe fibra a particulelor de aerosol din aer , prin procesul de
difuziune este descris de ecuatia:
Unde:
Re = (0,45 10 10-6 1,2) : (18 10-6} = 0,3
ρaer = ρ0· T0/ T = ρ0 · (28,9 : 22,4) · (273 : 293)= 1,2
ηaer20= 18·10-6
df =10μm – diametrul fibrelor
dp = 1μm – diametrul particulei
15
coeficient de difuziune bimoleculara DB = cT KB : 3 π dp ηaer = 8,94 10-11
KB = 1,381 10-23 J/K
dN/ N = -KdH
N/N0 = e-KH
N0 – numarul initial al microorganismelor din aer N – numarul microorganismelor din aer
dupa sterilizare
x90 = 2,303: K
la v = 0,45m/s
prin interpolare se determina:
30cm/s …………….11,5 cm/s
45 ……………………..y
150cm/s ……………….1,5 cm/s
Y=1.25
lnN/ N o= -KdH
-impun o limita 10-3 microorganisme /l la iesire
D reactor= 3m
S-= π D2/ 4 = 7,06m2
-Agitatie medie: 0,7 - 7,06 m3 /m2 min/aer = 4,94 m3 aer/ min
- pentru acizi tτ max = 4 – 5 zile
16
τ = 5 zile = 7200min.
N0 = 7200 4,94 250= 8,9 106
H = ln(1000 : 8,9) : (-1,8224) = 12,43cm
- filtrele se confectioneaza standardizat – necesar pentru o luna -> 5 zile – 6 sarje
4,94: 60s= (π D2f : 4 ) 0,45= 0,5m
Df= 0,5m
III.2.3. Calculul sterilizării reactorului prin încălzire
Pentru sterilizarea reactorului se va folosi un sistem discontinuu de sterilizare,
deoarece este mai economic decât cel continuu. Se va realiza sterilizarea prin încălzirea
reactorului cu ajutorul aburului introdus în mantaua acestuia. Pentru sterilizare trebuie sa
ridicăm temperatura din reactor la 120˚C.
În continuare se vor calcula timpii de încălzire (τî), de menţinere (τm) respectiv de
răcire (τr), precum şi debitele de abur, respectiv apă de răcire.
b) Calculul ariei de transfer termic pentru sterilizare
(14)
unde ATT – aria de transfer termic
Dr – diametrul reactorului = 3m
Hl – înălţimea lichidului în reactor = 2.7m
c) Calculul timpului de încălzire
Încălzirea reactorului se face cu abur la temperatura de 120˚C, temperatură la care
17
presiunea vaporilor este p = 2,755atm şi entalpia vaporilor i'' = 2726 kJ/kg
Se face bilanţul termic pentru etapa de încălzire:
(15)
unde QtotI – căldura totală schimbată în etapa de încălzire [kW]
Qtr – căldura consumată pentru încălzirea amestecului de reacţie [kW]
Qr – căldura consumată pentru încălzirea reactorului [kW]
Qp – căldura pierdută
Diagrama temperaturilor este reprezentată în figura 2:
Figura 2
De pe diagramă se calculează ΔTm = 31K şi ΔTM = 131K, iar din aceste valori se calculează
ΔTmed, după relaţia:
(16)
Se calculează pe rând cele 3 călduri, iar apoi prin însumarea lor se obţine căldura totală
transferată în etapa de încălzire:
18
151˚C
120˚C
151˚C
20˚C
ΔTm
ΔTM
1032,15 107 J (17)
unde mam – masa de amestec din reactor = kg
CPapă – capacitatea calorică a apei la 20˚C = 4,19 kJ/kg·K
ΔT – diferenţa de temperatură între momentul iniţial (Ti = 20˚C) şi momentul final
(Tf = 120˚C) = 100K
mr= 20400kg
= 102 107 J (18)
= 20400kg (19)
unde mr – masa reactorului gol [kg]
CPoţel – capacitatea calorică a oţelului = 0,50 kJ/kg·K
ρoţel – densitatea oţelului = 7850 kg/m3
ΔT – diferenţa de temperatură între momentul iniţial şi final
Dr – diametrul reactorului = 3m
δr – grosimea peretelui reactorului = 20mm
Hr – înălţimea reactorului = 4,5m
Căldura pierdută se estimează la 5% din căldura utila
(20)
=983 107 0,05 = 49,15 107 J
19
Căldura totală transferată în etapa de încălzire calculată cu relaţia (15) este:
Timpul de încălzire se calculează cu ajutorul ecuaţiei:
(21)
unde K – coeficientul total de transfer termic – se ia din tabelele existente în literatură o
valoare estimativă, în funcţie de tipul transferului. Astfel, în cazul de faţă avem
transfer: vapori în condensare – apă, şi se alege K = 1800W/m2·K=1,8kW/m2K.
ATT – aria de transfer termic = 47,5m2
ΔTmed – temperatura medie a procesului = 69,5K
d) Stabilirea timpului de menţinere
Timpul de menţinere recomandat este de 10-30min, la o temperatură de 120˚C [5]. Se
alege o valoare a timpului de menţinere de 15min (τm = 15min). În această etapă se va menţine
constant debitul de abur timp de 15 minute, după care se va trece la etapa de răcire a
reactorului.
e) Calculul timpului de răcire
În faza de răcire, în locul aburului vom introduce în mantaua reactorului apă de răcire,
cu temperatura iniţială de 10˚C.
Se scrie bilanţul termic pentru etapa de răcire şi se desenează diagrama de temperaturi,
reprezentată în figura 3:
20
ΔTm
10˚C
25˚C
120˚C
37˚CΔTM
Figura 3
Analog se calculează şi timpul de răcire. În cazul de faţă felul transmiterii căldurii este
lichid-lichid, în curgere forţată şi se alege K = 1000W/m2·K=1kW/m2 K[8, p.178]:
(15)
III.3.1. Predimensionarea filtrului
Urmatoarea etapa în procesul de fabricatie a acidului gluconic este filtrarea biomasei.
Pentru aceasta etapa trebuie predimensionat un filtru si ales unul sau mai multe filtre pentru
realizarea acestei operatii.
Timpul si calitatea filtrarii depind de timpul materialului filtrant, conditiile de presiune,
tipul amestecului ce trebuie filtrat.
Pentru acesta, s-a făcut experimental un studiu al filtrării amestecului de faţă, pe un filtru cu o
suprafaţă de 0,1m2 şi s-a lucrat în aceleaşi condiţii de temperatură şi presiune ca şi în cazul
procesului tehnologic al fabricării acidului gluconic.
Datele experimentale şi valorile calculate ale Δτ [s], ΔV filtrat [m3], V filtrat [m3/m2],
Δτ/ΔV [s/m3] sunt prezentate în tabelul 4:
V[ml] τ [s] ΔV f [m3] Δτ [s] Vf [ m3/m2] Δ τ /ΔVf [s/m]
21
0 0 50 25 c 1187.08
50 25 50 21.06
2374.16
100 75 60 42.12 2849
150 135 50 63.18 2374.16
200 185 115 84.24 5460.58
250 300 85 105.3 4036.08
300 385 100 126.36 4748.33
350 485 110 147.43 5223.17
400 595 119 168.49 5650.05
450 714 119 189.55 5650.05
500 833 210.61
V [ml] τ [s] ΔVf [m3] Δτ [s] Vf •103 [m3/m2] Δσ/ΔVf [s/ m3/m2]
0 0 50 29 c 1187.08
50 29 54 21.06 2374.16
100 83 62 42.12 2849
150 145 70 63.18 2374.16
200 215 90 84.24 5460.58
22
250 305 95 105.3 4036.08
300 400 97 126.36 4748.33
350 497 113 147.43 5223.17
400 610 118 168.49 5650.05
450 728 127 189.55 5650.05
500 855 210.61
V [ml] τ [s] ΔVf [m3] Δτ [s] Vf •103 [m3/m2] Δσ/ΔVf [s/ m3/m2]
0 0 50 29 0 2041.78
50 29 54 21.06 3466.28
100 83 62 42.12 4226.02
150 145 70 63.18 4700.85
200 215 90 84.24 5270.65
250 305 95 105.3 5745.48
300 400 97 126.36 6362.77
350 497 113 147.43 6980.05
400 610 118 168.49 7264.95
450 728 127 189.55 8072.21
23
500 855 210.61
Se trasează diagrama ,
Vf •103 [m3/m2] Δ τ /ΔVf [s/m]
c 1187.08
21.06 2374.16
42.12 2849
63.18 2374.16
84.24 5460.58
105.3 4036.08
126.36 4748.33
147.43 5223.17
168.49 5650.05
189.55 5650.05
210.61
Vf •103 [m3/m2] Δ τ /ΔVf [s/m]
0 1377.01
21.06 2564.1
42.12 2943.96
63.18 3323.83
84.24 4273.5
105.3 4510.92
126.36 4605.88
147.43 5365.62
168.49 5603.03
189.55 6030.38
210.61
24
Vf •103 [m3/m2] Δ τ /ΔVf [s/m]
0 2041.78
21.06 3466.28
42.12 4226.02
63.18 4700.85
84.24 5270.65
105.3 5745.48
126.36 6362.77
147.43 6980.05
168.49 7264.95
189.55 8072.21
210.61
Δh2=45mmHg
Δh3 = 153mmHg
D filtru= 55mm
d- reprezinta grosimea stratului de precipitat pe filtru
d1= 6mm
d2=5mm
d3=3mm
Calculul constantelor de filtrare
Din ecuatia filtrarii se calculeaza timpul necesar filtrarii dupa ce in prealabil s-a determinat
volumul filtrat.
25
unde a = 21000[s/m2] si b = 2055,2= 2100[s/m]
Consideram 5% biomasa / solid Cantitatea de biomasa formata se calculeaza dupa cum
urmeaza: (5 x 20) : 100 = 1m3 biomasa
undeV reactor = V util= 20m3
V lichid = Vl = 20 x 0,95 = 19m3
Se alege un filtru cu rame si placi:500mmx 500mmx20mm
pt o rama 0,5x 0,5 x 0,02= 0,01m3
Volumul de biomasa este de 1m3 => 1 : 0,01= 100 (rame sunt necesare pentru filtrare)
Aria necesara filtrarii este A f = 0,5 x 0,5 x2 = 50 m2
Volumul specific de filtrare Vf = V l : Af = 0,38 m3/ m2
Inlocuind Vf in ecuatia filtrarii se determina timpul necesar filtrarii:
21000 x 0,382 + 2100 x 0,38 = τ
τ = 1h
III.3.2. Calculul timpului de spălare
Spălarea este o operaţie absolut obligatorie după filtrare. Ceea ce ne interesează este
timpul de spălare.
Spălarea se realizează peste acelaşi filtru peste care s-a făcut filtrarea. Cantitatea de apă
cu care se face spălarea este intre 0,1-0,2 din volumul de filtrat.
0,27 10-3 m3/m2s (28)
W filtrare = W spalare = 0,27 10-3 m3/m2s
26
Pentru 19 m3 lichid Vspalare = 1,9m3 adica 10% din volumul lichidului
Volumul specific de spalare se distribuie pe aria filtrului = 1,9: 50 = 0,038m3/m2
Timpul de filtrare se calculează din raportul volumului de apă de spălare şi viteza de spălare:
140,7 s (29)
27
Top Related