Home - Rasfoiesc.com
Educatie Sanatate Inginerie Business Familie Hobby Legal
Doar rabdarea si perseverenta in invatare aduce rezultate bune. definitie, solutii, chimie analitica, organica, documente, referate

Biologie Chimie Didactica Fizica Geografie Informatica
Istorie Literatura Matematica Psihologie

Chimie


Index » educatie » Chimie
Obtinere a Alcoolului Etilic din Melasa - Se analizeaza instalatia de obtinere a alcoolului etilic din melasa si se proiecteaza reactorul de fermentare si condensatorul.


Obtinere a Alcoolului Etilic din Melasa - Se analizeaza instalatia de obtinere a alcoolului etilic din melasa si se proiecteaza reactorul de fermentare si condensatorul.


TEMA DE PROIECT

 

Se analizeaza instalatia de obtinere a alcoolului etilic din melasa si se proiecteaza reactorul de fermentare si condensatorul.

DATE DE PROIECTARE:

-         concentratia distilatului obtinut: CD=96%

-         tipul reactorului: discontinuu

-         sursa de materie prima: melasa

-         drojdia de fermentare: Saccharomyces cerevisae

-         concentratia de substrat: CSO=190g/l glucoza

-         Capacitatea instalatiei : 40000t/an alcool etilic 96%

-         Concentratia alcoolului in plamada: Calcool=7%

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Obtinerea alcoolului din cereale are o importanta industriala deosebita, deoarece alcoolul este foarte utilizat in diferite industrii, cum ar fi: industriade medicamente, industria alimentara si industria chimica.

Desi exista foarte multe materii prime si metode de obtinere, trebuie urmarit sa se obtina un alcool de inalta calitate si la un pret relativ scazut.

Industria alcoolului etilic si a spirtului numara aproximativ 2000 ani.

O data cu declansarea crizei energetice, cand, in cautare de noi carburanti s-a constatat ca alcoolulu etilic poate fi cel mai bun substituent al benzinei, industria prelucrarii lui a capatat o dezvlotare deosebita in tari ca Brazilia, SUA.

Alcoolul etilic ca rezultat al procesului de fermentare are 3 destinatii: alimentar, industrial si carburant.

Alcoolul etilic se produce pe plan mondial prin fermentarea lichidelor care contin zahar, cu ajutorul drojdiei.Etanolul obtinut pe cale biotehnologica mai poarta denumirea de bioalcool, deosebindu-se astfel de alcoolul de sinteza.

Alcoolul etilic este cel mai important solvent, dupa apa si are multe aplicatii cum ar fi: bauturi alcoolice, solvent, materie prima in sinteza chimica, combustibil.Cele mai importante aplicatii comerciale sunt in industria parfumurilor si cosmeticelor, detergentilor si dezinfectantilor, farmeceutica, prelucrarea alimentelor si medicamentelor, iar in consumul uman se utilizeaza etanolul de fermentatie; mai poate fi si materie prima pentru obtinerea unor substante ca: acetaldehida, butadiene, dietileter, acetat de etil, etilamina,etilena, glicol si otet.

Fermentatia alcoolica este un proces de oxidoreducere, anaerob, care se desfasoara sub actiunea echipamentului enzimatic al drojdiilor.

Reactia de fermentatie:

C6H12O6 2C2H5OH+2CO2

Alaturi de alcool si CO2, produse principale ale fermentatiei, iau nastere si alte produse, dar in cantitati mai mici:glicerina, alcool superior, acid succinic, acid acetic si diversi acizi volatili.

Fermentatia alcoolica nu este produsa numai de drojdii.Un mare numar de ciuperci printre care Penicillium glaucum, si mai ales Mucoraceele, produc deasemenea descompunerea zaharului, cu formare de alcool, atunci cand se dezvolta in interiorul lichidului de cultura.

Schema instalatiei de obtinere a alcoolului etilic

PROCEDEUL PRIN DISPERSIE

7

10

9

8

P

M

M M

P

P

P

17

16

15

18

20

11

12

13

14

19


CAPITOLUL 2

TEHNOLOGIA DE OBTINERE A ALCOOLULUI ETILIC(MELASA)

 

Compozitia chimica a melasei variaza in functie de materia prima folosita la fabricarea zaharului (sfecla sau trestie de zahar) si de procesul tehnologic aplicat in fabricile de zahar. In tabelul 1. se prezinta, comparativ, compozitia chimica a celor doua tipuri de melasa.

Tabelul 1:

Compozitie chimica a melasei din sfecla si trestie de zahar (dupa Reiff, 1962)

Compusul

Provenienta melasei

Sfecla de zahar

Trestie de zahar

Apa, %

20-25

15-20

Substanta uscata, %

75-80

80-85

Zahar total, %

44-52

50-55

Zahar invertit, %

0,1-0,5

20-23

Rafinoza, %

0,6-1,8

-

Azotat total (Nx6,25), %

1,2-1,4

0,3-0,6

Substante minerale, %

7,6-12,3

10-12

pH

6,0-8,6

<7

 

2.1. Produse chimice folosite in industria alcoolului

Acidul sulfuric (H2SO4) de concentratie 94 % se utilizeaza pentru neutralizarea , acidularea si sterilizarea plamezilor.

Antispumantii folositi pe scara cea mai larga sunt acizi grasi vegetali, rezultati din procesul de rafinare a uleiurilor vegetale. Se mai folosesc ca antispumante uleiuri siliconice cat si mono si digliceride.

Antisepticii se utilizeza pentru combaterea microorganismelor de infectie, in doze bine stabilite, care sa nu influenteze negativ activitatea fermentativa a drojdiei. Dintre antisepticii mai des utilizati sunt: acidul sulfuric, formalina, pentaclor fenolatul de sodiu.

Dezinfectantii cei mai des utilizati pentru combaterea microflorei straine la fabricarea alcoolului sunt: formalina, clorura de var, laptele de var, soda caustica si soda calcinata.

Ultimele doua procese au si o actiune detergenta puternica.

Trebuie sa subliniem, ca in ultimii ani au aparut noi produse ca antiseptici si dezinfectanti cu denumiri comerciale specifice si care se utilizeaza conform instructiunilor de folosire ce le insotesc.

2.2. Utilitati necesare producerii alcoolului

Apa tehnologica este folosita direct in procesul tehnologic si trebuie sa aiba urmatorii parametrii fizico- chimici: duritate 0, microbiologic pura, continut de saruri de amoniu 0.

Apa industriala trebuie sa fie o apa cu temperatura si duritate scazute.

Aerul tehnologic este folosit in fabricarea alcoolului pentru aerarea plamezilor si multiplicarea drojdiilor ca sursa de oxigen, cand se impune ca aerul sa fie microbiologic pur.

2.3. Enzimele folosite in unele tehnologii ale fabricarii alcoolului

 

Enzimele se folosesc in cazul materiilor prime amidonoase.

Amidonul din cereale dupa gelifiere este supus activitatii enzimei alfa-amilaza, care actioneaza asupra legaturilor 1,4 glucozidice ale amidonului, la temperatura de 90-120 0C si pH 6,5 lichefiindu-l.

Enzima de zaharificare actioneaza asupra legaturilor 1,6 glucozidice la temperatura de 50-60 0C si pH 4,5, reducand amidonul la zaharuri simple (glucoza, maltoza). De asemenea aceasta enzima initiaza hidroliza dextrinelor din capatul nereductibil al moleculei de amidon. Timpul de lichefiere este de 5-10 minute, iar al enzimei de zaharificare este de 45-90 minute.

Alfa-amilaza este produsa din Bacillus licheniformis, iar glucoamilaza este preparata din microorganismul Aspergilius niger.

2.4. Conditiile care trebuie indeplinite de drojdii in procesul de fermentatie :

 

-                                 sa fie rase de drojdii de fermentatie inferioara;

-                                 sa reziste la concentratii mari de alcool in mediul de fermentare 10-12 %;

-                                 sa fie aclimatizata la mediul nutritiv folosit;

-                                 sa se foloseasca o drojdie viguroasa cu mare capacitate de fermentare care sa reziste eventualelor microorganisme de infectie, antisepticelor si alor noxe;

-                                 din metabolismul drojdie sa rezulte produsi secundari care sa nu impurifice alcoolul;

-                                 sa aiba o viabilitate in timp indelungata;

-                                 sa fie o cultura selectionata in laborator si atestata de institute abilitate.

 

2.5. Drojdiile ce se utilizeaza trebuie sa indeplineasca conditiile:

- sa aiba o putere alcooligena ridicata;

- sa se poata acomoda la plamezile acide din cereale si cartofi;

- sa declanseze rapid fermentatia;

- sa formeze o cantitate redusa de spuma la fermentatie;

- sa produca o cantitate cit mai mica de hidrogen sulfurat si alte substante cu gust si arome nedorite.

Fermentatia plamezii principale are o durata de cca 72 de ore si cuprinde cele trei faze:

- faza initiala de circa 22 ore;

- faza principala de circa 15 ore;

- faza finala de circa 32ore.

Pentru scurtarea duratei totale de fermentatie pana la 48 h se folosesc urmatoarele metode:

-pornirea fermentatiei la temperaturi de 24-25 0C, caz in care faza initiala se reduce la 4-6 h;

- folosirea, la obtinerea plamezii principale, a borhotului lichid recirculat (max. 60%)- faza

initiala scade la 2-3 h;

- utilizarea unei cantitati mai mari de cultura de drojdie (10-15%).

Atat la cultura de drojdie lichida, cat si la plamada principala este obligatoriu controlul microbiologic, pentru a constata: numarul de drojdii, numarul de bacterii de infectie, etc. Cultura de drojdie trebuie sa contina maxim (1-2) *106 germeni/mL.

Gradul de infectare al plamezilor trebuie sa fie cat mai scazut, o plamda de calitate avand sub 2*106 bacterii/mL. Plamada este considerata infectata la 15-50*106 germeni/mL si puternic infectata la 50-120*106 germeni/mL.

In aceasta lucrare drojdiile utilizate pentru fermentarea plamezii va fi Saccharomyces cerevisiae.

2.6. Aspecte ale procesului de fermentatie alcoolica

Fermentatia lenta sau oprirea acestora se produce atunci cand viteza de folosire a zaharului devine foarte mica sau prelungita in special spre sfarsitul fermentatiei. Oprirea sau incetinirea fermentatiei este cauzata de nivelul inadecvat al nutrientilor drojdiei. Un astfel de nutrient este azotul asimilabil care este foarte critic in multe medii de fermentatie . Celalalt factor nutritional este O2 oarecum si momentul la care este introdus dupa inoculare. O plamada saturata in O2 contine 8 ppm oxigen.

2.7. Toleranta la alcool a drojdiilor

 

Cel mai important este efectul etanolului asupra membranei plasmatice, unde se produce o diminuare a integritatii membranei. Pe masura ce se acumuleaza alcool temperaturile de crestere optima si maxima scad. Rata cresterii si a stagnarii tind sa se egaleze pana cand rata stagnarii depaseste cota cresterii, moment cand fermentarea inceteaza.

Utilaje de obtinere a alcoolului etilic

Melasa


2.8. Materii auxiliare folosite la obtinerea alcoolului etilic.

 

Cele folosite la fabricarea alcoolului sunt maltul verde, preparatele enzimatice microbiene, sarurile nutritive si factorii de crestere, acidul sulfuric, antispumantii, antisepticele si dezinfectantii.

Obtinerea plamezilor fermentate din melasa cuprinde trei etape:

-         pregatirea melasei pentru fermentare;

-         pregatirea drojdiei pentru fermentare;

-         fermentarea plamezii principale.

La fermentarea plamezilor din melasa se folosesc atat procedee cu functionare discontinua cat si continua.

Procedeele de fermentare continua se impart in doua grupe:

-         procedee fara refolosirea drojdiei;

-         procedee cu separarea si refolosirea drojdiei.

Pregatirea melasei cuprinde operatiile de diluare cu apa, neutralizare si acidulare, adaugare de saruri nutritive, limperizire si sterilizare (pasteurizare). Plamada principala se dilueaza pana la 30-34% extract, iar plamada de drojdie pana la 12-16 % extract.Cele doua plamezi pot avea si aceeasi concentratie in extract de 23 %.

Pregatirea drojdiei cuprinde multiplicarea in laborator, in sectia de culturi pure si prefermentarea. In urma prefermentarii rezulta o cantitate mare de plamada de drojdie, reprezentand circa 40 % din plamada totala.

2.9. Etapele ce sunt implicate in pregatirea drojdiilor lichide:

Receptia:

La receptia melasei se determina continutul in zahar prin metoda polarimetrica (directa sau cea cu invertirea zaharozei) sau prin metoda chimica (cu solutie Muller), transformandu-se melasa in melasa cu 50% zahar.


Materii auxiliare. Cele folosite la fabricarea alcoolului sunt maltul verde, preparatele enzimatice microbiene, sarurile nutritive si factorii de crestere, acidul sulfuric, antispumantii, antisepticele si dezinfectantii.

Depozitarea

Se va face in recipiente si in conditii adecvate, pentru a evita impurificarea sau degradarea alcoolului obtinut. Se va tine cont de factorii de mediu (temperatura, oxigenul din aer, lumina, umiditatea aerului, etc.).

Materia prima este depozitata in magazii si silozuri. Acestea trebuie sa ofere anumite conditii de stocare, deoarece in timpul depozitarii au loc pierderi masice, precum si pierderi de amidon datorita cresterii umiditatii materiei prime.

Transportul materiei prime

Acesta se face fie pe linii rulante mecanizate fie prin descarcarea manuala a sacilor in functie de tipul de functionare a procesului continuu, semicontinuu sau discontinuu.

Precuratirea materiei prime

Precuratirea are rolul de a indeparta urmele de praf sau alte microorganisme de infectie care ar putea infecta cultura de drojdie.

Insamantarea

Pentru fermentarea plamezilor se pot folosi drojdii lichide(cultivate in fabrica), drojdii speciale pentru alcool (uscate sau comprimate) sau drojdii de panificatie. In ultimul timp se folosesc pe scara tot mai larga drojdiile uscate in locul celor lichide, deoarece acestea pot fi imediat utilizate dupa o prealabila hidratare, au o buna conservabilitate si se dozeaza mai usor.

In cazul drojdiilor lichide se folosesc 1-3 l drojdie cultivata la 1hl plamada, in cazul drojdiilor uscate 10-20g/hl plamada, iar in cazul drojdiilor comprimate 100-200g/hl plamada. Intr-un gram de drojdie uscata se afla 20-25 miliarde de celule de drojdie.

Drojdiile utilizate trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: sa aiba o putere alcooligena ridicata, sa se poata acomomoda la plamezile acide din cereale si cartofi, sa declanseze rapid fermentatia, sa formeze o cantitate mica de spuma de fermentare si sa produca o cantitate cat mai mica de hidrogen sulfurat si alte substante de gust si aroma nedorite.

Se observa ca drojdiile lichide si drojdia comprimata au o putere alcooligena mai scazuta decat majoritatea drojdiilor uscate, astfel incat costurile ceva mai mari ale drojdiilor uscate se compenseaza in scurt timp prin randamente mai ridicate in alcool.

Cultivarea in continuare a drojdiilor in fabrica se face prin procedeul simplificat cu acid sulfuric, astfel incat se poate lucra mai mult timp fara a se procura o noua drojdie.

Fermentatia plamezii principale

Aceasta are o durata de circa 72 de ore si cuprinde cele trei faze:

        faza initiala, circa 22de ore;

        faza principala, circa 18 ore;

        faza finala, circa 32 de ore.

Pentru scurtarea duratei de fermentare pana la 48 de ore, se pot folosi urmatoarele metode:

-                                 pornirea fermentatiei la temperatura mai mare de 24-25C, prin care se reduce faza initiala la 4-6 ore;

-                                 folosirea de borhot lichid recirculat (maximum 60%) la obtinerea plamezii prin care se declanseaza mai rapid fermentatia, scurtandu-se faza initiala pana la 2-3 ore;

-                                 utilizarea unei cantitati mai mari de lapte de slad pentru a asigura cantitati suficiente de amilaze, pentru zaharificarea secundara;

-                                 folosirea unei cantitati mai mari de plamada de drojdie de 10-15%;

-                                 conducerea fermentatiei la temperaturi mai ridicate de 35-36C;

-                                 folosirea preparatelor enzimatice microbiene, care produc o hidroliza mai avansata a amidonului pana la glucoza, fara formare de dextrine limita, scurtandu-se faza finala a fermentatiei.

Controlul microbiologic al plamezilor de cereale si cartofi este important pentru stabilirea starii fiziologice a drojdiilor si pentru depistarea microorganismelor de infectie. Astfel, in plamezile de drojdie trebuie sa varieze intre 50 si 300*106 celule/ml de plamada. Valori sub 50*106 celule/ml denota o multiplicare slaba a drojdiei. Infectiile bacteriene sunt periculoase deoarece consuma zahar pentru metabolismul propriu, iar acizii organici formati (lactic, butiric) inhiba activitatea drojdiei. De asemenea, in urma infectiilor cu bacterii are loc o crestere a continutului in acroleina a alcoolului produs. Pentru scaderea continutului in acroleina se recomanda o acidulare speciala a plamezii principale si a plamezii de drojdie.

Separarea drojdiei

Se face pentru a obtine alcool de buna calitate, limpede si fara defecte- cum ar fi gustul de drojdie. Aceasta operatie se efectueaza prin combinarea bioreactorului cu o unitate de separare solid/ lichid (modul de microfiltrare). Aceasta unitate mai asigura si obtinerea alcoolului cu o productivitate ridicata din substraturi nesterile.

Pregatirea drojdiilor lichide in fabrica implica urmatoarele etape:

Obtinerea culturilor de laborator din cultura pura (inoculare) de drojdii selectionate pentru spirt, care se multiplica pe un mediu de must de malt steril, in citeva trepte, pana se ajunge la o cantitate de cultura in baloane de 5L must, cu care se pot insaminta 50L de plamada speciala in vas pentru culturile de productie. Mediul de cultura se acidifica pina la 0.8D si dupa insamantare cu inoculare, se termostateaza la 30C, timp de 20-24 de ore.

Obtinerea culturii de productie pe plamezi speciale pentru drojdie, preparate din materii prime amidonoase de buna calitate, prelucrate hidrotermic si zaharificate. Plamada speciala pentru cultura de productie se acidifica fie prin adaos de acid sulfuric, fie pe cale fermentativa (producerea acidului lactic de catre bacterii lactice).

Extractul aparent al plamezilor fermentate trebuie sa prezinte valori mai mici decit zero, in functie de procesul tehnologic aplicat.

Controlul microbiologic al plamezilor din cereale si cartofi este important pentru stabilirea starii fiziologice a drojdiei si pentru depistarea microorganismelor de infectie.

Pentru capacitati mai mari se folosesc instalatii de distilare-rafinare continua, care permit obtinerea alcoolului rafinat direct din plamezile fermentate.

Borhotul din cereale reprezinta un furaj pretios. Prin prelucrarea fara presiune a cerealelor rezulta un borhot cu o valoare furajera mai ridicata decit in cazul fierberii sub presiune, la care au loc procese importante de degradare termica a unor substante valoroase din borhot. Astfel, in cazul folosirii procedeului prin dispersie, valoarea furajera a borhotului creste cu circa 45%, iar digestibilitatea substantelor organice cu circa 24% fata de procedeul de fierbere sub presiune.

Procesul de fermentatie continua a plamezilor se realizeaza in biorectorare dimensionate in functie de productia de alcool dorita. Bioreactorul trebuie prevazut cu un sistem de racire (fermentarea este un proces exoterm) si cu o gura de evacuare a CO2 format in urma fermentarii, pentru a evita cresterea nepermisa a presiunii. Instalatiile de fermentare pot fi de mai multe feluri:

- tip coloana- o singura coloana sau mai multe legate in paralel, pentru o capacitate de productie mai mare;

- tip baterie- 4-12 vase asezate in pozitie verticala sau orizontala, legate in serie, prin care produsul de fermentat circula succesiv;

- tip tanc-reactor cu agitator sau cu recirculare- dispozitivele functioneaza cu ajutorul pompelor, in vederea accelerarii procesului de fermentatie.

Distilarea

Plamada fermentata contine, in solutie sau in suspensie, substante provenite din materiile prime, auxiliare si din fermentatia alcoolica. Concentratia alcoolica a plamezii fermentate variaza intre limite largi, cuprinse intre 6-12 %, in functie de materia prima folosita si de procedeeul tehnologic aplicat. Separarea alcoolului etilic din amestec se bazeaza pe diferenta de volatilitate dintre alcool si apa. Din tabele si diagrame de echilibru a amestecului alcool etilic - apa se poate stabili numarul de trepte de concentrare si epuizare in alcool. Instalatiile de distilare a plamezilor fermentate sunt prevazute cu doua coloane, de plamada si de concentratre, care, in practica, sunt coloane suprapuse.Pentru distilare se va folosi abur cu temperatura de 1200 C, incalzind astfel plamada fermentata de la 550 C la temperatura de distilare, tD.Alcoolul obtinut dupa distilare are o concentratie de aproximativ 85% volumetrice alcool.

Rafinarea

Este operatia de purificare si concentrare in alcool a alcoolului brut, pentru obtinerea alcoolului etilic rafinat cu o concentratie de circa 96 % volumic alcool. Rafinarea se poate face pe cale fizica (rectificare, care se bazeaza pe diferenta de volatilitate si solubilitate in amestecul alcool-apa) sau chimica (tratare cu substante chimice care transforma impuritatile volatile in impuritati nevolatile). In industrie, pentru capacitati mari se folosesc instalatii de distilare-rafinare continua, care permit obtinerea alcoolului rafinat direct din plamezile fermentate. Consumul de abur pentru instalatia de distilare-rafinare continua este de circa 5 kg/L alcool absolut. Prin recomprimarea directa a vaporilor alcoolici rezultati din coloana de rectificare si refolosirea lor la incalzirea cloanei de plamada este posibila o reducere drastica a consumului de energie la distilare-rafinare.Dupa rafinare, alcoolul etilic este racit la 30 0 C, utilizand ca agent termic apa de racire avand temperaturile 280 - 380 C.

Pentru reducerea consumului de energie la distilare si rafinare se pot folosi urmatoarele metode:

-recuperarea caldurii din borhot prin recomprimare termica sau mecanica a vaporilor (Klisch, 1982; Klisch si Besner, 1986);

-distilarea si rectificarea cu efect multiplu (Tegtmeier, 1985; Tegtmeier si Braun, 1990)

-folosirea pompelor de caldura.

2.10. Produse chimice folosite in fabricarea alcoolului

Acidul sulfuric, concentratie 94%, se utilizeaza pentru neutralizarea, acidularea si sterilizarea plamezilor.

Antispumantii folositi pe scara cea mai larga sunt acizi grasi vegetali, rezultati din procesul de rafinare a uleiurilor vegetale. Se mai folosesc ca antispumante uleiuri siliconice cat si mano si digliceride.

Antisepticii se utilizeaza pentru combaterea microorganismelor de infectie, in doze bine stabilite, care san u influenteze negativ activitatea fermentative a drojdiei. Dintre antisepticii mai des utilizati sunt: acidul sulfuric, formolina, pentaclor fenolatul de sodiu.

Dezinfectantii cei mai des utilazati pentru combaterea microflorei starine la fabricarea alcoolului sunt: formolina, clorura de var, laptele de var, soda caustica si soda calcinata.

2.11. Factorii care determina activarea si inactivarea fermentatiei

Fermentatia alcoolica este influentata in special de urmatorii factori:

-                     temperaturile extreme la care se poate produce fermentatia sunt minimum 00C si maximum 370C. Aceste temperature pot varia usor, dupa rasele intrebuintate, sau prin aclimatizarea progresiva.

-                     Concentratia in zahar-viteza de fermentare creste proportional cu concentratia de zahar, pana la concentratia de 0.5%. Pentru concentratii mai mari, pana la 12%, viteza de fermentare este constanta. Cand concentratia de zahar depaseste 20%, viteza de fermentare scade foarte mult. Se considera ca limita superioara concentratiei de 60% zahar.

-                     Concentratia in alcool-0.7% alcool impiedica in mica masura dezvoltarea drojdiilor; concentratia de 4-5% alcool are o actiune inhibitoare mai puternica, pentru ca la concentratia de 10-12% dezvoltarea sa fie complet oprita.

-                     Natura drojdiei- dupa continutul de enzim, drojdiile pot provoca o fermentatie mai mult sau mai putin rapida.

-                     Substante inhibitoare si stimulatoare- fluorurile impiedica transformarea acidului gliceric in acid piruvic; acidul iod-acetic care inhiba triozofosfatdehidrogenaza.

Schema tehnologica de obtinere a alcoolului etilic

MELASA

APA

Multiplicare in laborator

Multiplicare in sectia de culturi

drojdie

Dizolvare in apa

BORHOT

APA

H2SO4

SARURI

NUTRITIVE

receptie

Depozitare

Diluare 60%

cantarire

transport

Diluare 30-40%

Diluare12-16%

Plamada drojdie

Neutralizare

Sterilizare

PLAMADA

fermentare

Separare drojdie

Distilare

Depozitare

Rafinare

CO2

Spalare

Adaugare saruri nutritive

Limpezire

Drojdie separata

Prefermentare

FRUNTI

ALCOOL RAFINAT

COZI

ULEI DE FUZEL

APA DE LUTER

APE DE SPALARE

DROJDIE EXCEDENTARA

CO2 SPALAT


CAPITOLUL 3

BILANTUL DE MATERIALE

 

Problemele referitoare la circulatia materiilor prin instalatie sunt rezolvate cu ajutorul urmatoarelor date:

-         date referitoare la debitul sau capacitatea instalatiei, proprietatile materiilor prime, proprietatile produsului, caracteristici tehnologice specifice ale instalatiei;

-         date referitoare la schema tehnologica a instalatiei;

-         date stoechiometrice si cinetice ale reactiilor chimice care se petrec in instalatie;

Cu aceste date se alcatuiesc sisteme de ecuatii de bilant de materiale. Fiecare ecuatie de bilant este expresia principiului conservarii materiei, in forma:

Materiale + Materiale = Materiale + Materiale

intrate existente ramase iesite

Diferenta: A =Materiale - Materiale = Materiale - Materiale

intrate iesite ramase existente


Unde A reprezinta acumularea. Termenii ecuatiei sunt exprimati in tone/ an. Se deosebesc : bilantul total de materiale (global) pentruintreaga instalatie.

Parametrii caracteristici ai procesului discontinuu de fata, sunt:

-         cantitatea de materii prime necesare;

-         durata de prelucrarii unei sarje;

-         cantitatea de produs obtinut intr-o sarja.

Stoechiometria fermentatiei alcoolice

Ecuatia generala a procesului de obtinere a C2H5OH prin procesul de ferrmentatie este:


Ecuatia Gay-Lussac

, cantitati maxime care pot fi atinse doar teoretic.

In practica se obtine doar 90-95% din valoarea teoretica, datorita pierderilor in produse secundare formate.

Pentru cresterea anaeroba pe glucoza folosind celule de drojdie din specia Saccharomyces cerevisiae pot fi scrise ecuatiile:

Melasa:50% zahar

32%

19 blg

6 blg

14%

Apa(A1)

M1=0.7X

M1+A1

M2+A2

drojdie

Apa(A2)

M2=0.3X

Masa moleculara a glucozei=180;

Masa moleculara a etanolului=46

 

Diluare

etanol/kg glucoza

0.4423*50 kg glucoza=22.115 kg etanol

50 kg reprezinta cantitatea de glucoza existenta in materia prima, conform Manualului Inginerului Chimist in Industria Alimentara.

Se presupune ca in 22.115 kg etanol exista 100 kg melasa.

22.11 kg etanol.....100 kg melasa

40000*103 /8000kg/h.......X

X= 22614.2kg/h melasa (1)

8000 reprezinta numarul de ore de functionare intr-un an.

Din Manualul Inginerului Chimist in Industria Alimentara s-au extras fractiile masice pentru glucoza=0.5; apa=0.2; nefermentescibile=0.3.


M*0.5 glucoza=11307.1 kg/h (2)

22614.2 M*0.2 apa=4522.84 kg/h (3)

(M) M*0.3 nefermentescibile=6784.26 kg/h (4)

Diluare 32%

A1

32%

M1

A1+M1


In care:- X1 reprezinta fractia pentru apa;

-         A1 reprezinta cantitatea de apa ce intra in etapa de diluare 32%;

-         M1 reprezinta cantitatea de melasa ce intra in etapa de diluare 32%;

M1:0.7*22614.2= 15829.94 kg/h melasa (5)

M1*50=(M1+A1)*32 (6)

A1=0.526*M1 A1=8896.06 kg/h apa (7)


M1*0.5=7914.645 kg/glucoza (11)

15829.94: M1*0.2=3165.858 kg/h apa (12)

(M1) M1*0.3=4748.78 kg/nefermentescibile (13)

Cantitatea de plamada principala:M1+A1=24725.35 kg/h (14)

Cantitatea de apa: A1+0.2*M1 (15)

18896.08+3165.988=12062.068 kg/h apa ce iese din proces (16)

A2

14%

M2

Diluare 14%

A2+M2

In care:

-         A2 reprezinta cantitatea de apa ce intra in etapa de diluare 14%;

-         M2 reprezinta cantitatea de melasa ce intra in etapa de diluare 14%.

M2=0.3*22614.2=6784.26 kg/h (17)

A2=M2*(50-14)/14=2.57*M2 A2=17435.44 kg/h (18)

M2*0.5=3392.13 kg/h glucoza (19)

6784.26: M2*0.2=1356.852 kg/h apa (20)

(M2) M2*0.3=2035.278 kg/nefermentescibile (21)

Cantitatea de plamada principala(drojdie): M2+A2=24219.75 kg/h (22)

Cantitatea de apa: A2+0.2*M2 (23)

17435.49+1356.852=18792.338 kg/h apa ce iese din proces (24)

Neutralizare:

Neutralizarea si adaosul sarurilor nutritive

H2SO4(L3)

Saruri

Nutritive

(L2)

Plamada drojdie (L1)

Plamada imbogatita

(L4)


Bilantul Total: L1+L2+L3=L4 (25)

Bilantul Partial: L1*X1+L2*X2+L3*X3=L4*X4 (26)

Cantitatea de plamada imbogatita=M2+A2+L2+L3 (27)

Din notitele de biotehnologie chimica, [3]s-au extras urmatoarele date:

0.4 kg reprezentand cantitatea de superfosfat;

0.2 kg reprezentand cantitatea de (NH4)2SO4;

0.5 kg reprezentand cantitatea de H2SO4.

Cantitatea de superfosfat si cantitatea se sulfat de amoniu reprezinta sarurile ce intra in etapa de sterilizare.

100kg melasa.....0.4kg superfosfat...0.2kg NH4SO4...0.5kg H2SO4.

6784.246kg melasa...a kg.........b kg........c kg

a=27.136 kg/h superfosfat (28)

b=13.568 kg/h(NH4)2SO4 (29)

c=33.92 Kg/h H2SO4 (30)

Cantitatea de saruri=40.69 kg/h

Cantitatea de plamada imbogatita:

6784.24+17435.49+27.136+13.568+33.92=24294.354 kg/h (31)

In care: 6784.24 reprezinta cantitatea de melasa obtinuta in procesul de diluare;

17435.49 reprezinta cantitatea de apa ce rezulta din procesul de diluare;

27.136 reprezinta cantitatea de superfosfat

13.568 reprezinta cantitatea de de NH4SO4;

33.92 reprezinta cantitate de H2SO4.


Verificare:

Cantitatea de glucoza /cantitatea de plamada imbogatita:

(32)

Prefermentare:

SHAPE * MERGEFORMAT

CO2(L5)

prefermentare

Plamada

(L4)

(L6)

Plamada prefermentata

(L6)

 
Bilantul total: L4=L5+L6 (33)

Bilantul partial: L4*X4=L5*X5+L6*X6 (34)

(Y) (35)

in care: 2.3 reprezinta coeficientul stoechiometric al CO2;

44 reprezinta masa moleculara a CO2;

1.3 reprezinta coeficientul stoechiometric al glucozei;

180 reprezinta masa moleculara a glucozei.

Notam cu X kg/h de glucoza care fermenteaza in aceasta etapa:

X=1986.027 kg/h glucoza (36)

in care: 3329.13 reprezinta cantitatea de glucoza obtinuta in etapa de diluare;

24294.354 reprezinta cantitatea de plamada imbogatita obtinuta in etapa de sterilizare;

0.4327 reprezinta raportul CO2-glucoza(Y).

0.06 reprezinta concentratia de zahar

Cantitatea de glucoza finala pentru aceasta etapa:3329.13-1986.027=1406.103 kg/h (37)

Plamada prefermentata=plamada imbogatita- CO2*Y

24294.354-1986.027*0.4327=23435.39 kg/h plamada prefermentata (38)

Microorganisme

Se cunosc expresiile concentratiilor de celule si produs in functie de concentratia de substrat:

Stiind ca : cp0= 0g/L

cs0= 190 kg/m3

cp= 7% volumetric= 5.67% masic xp= 0.0567

Yxs= 0.101

Yps= 0.0442

Ms= 180 kg/kmol

Mx= 23.75 kg/kmol

Mp= 46 kg/kmol

Cu aceste date se calculeaza concentratiile finale de substrat si de celule.

Din ecuatia (6) (41)

189.87 kg/m3

Din ecuatia (5) (42)

2.013 kg/m3

Stiind ca produsul final al procesului, alcoolul rafinat este de concentratie 96%, se calculeaza debitul de alcool si de apa care rezulta pentru productia anuala propusa, de 30000 tone/an.

100 t alcool rafinat ......96 t alcool pur .......... 6 t apa

40000 t/an alcool rafinat....... x t/an alcool pur.......... y t/an apa

x = 38400 t/an alcool pur ; y = 1800 t/an apa

Din ecuatia stoechiometrica se calculeaza debitele de produsi rezultate din cantitatea de glucoza propusa:

1,3*180 t glucoza ...1*23,75 t MO ....0,45*18 t H2O .......2,3*44 t CO2

656,67 t/an glucoza.... a t/an MO ..... b t/an H2O ...... c t/an CO2

a = 66,65 t/an MO

b = 22,73 t/an H2O

c = 283,99 t/an CO2

Verificare:

 

Cantitatea de glucoza/cantitatea de plamada prefermentata

(43)

Cantitatea de CO2 ce se degaja in aceasta etapa este:

X*Y=1986.027*0.4327=858.95 kg CO2 (44)

Randamentul:YPS= (45)

in care: 2.25 reprezinta coeficientul stoechiometric al alcoolului etilic;

46 reprezinta masa moleculara a alcoolului etilic;

1.3 reprezinta coeficientul stoechiometric al glucozei;

180 reprezinta masa moleculara a glucozei.

Cantitatea de etanol ce se obtine in aceasta etapa este data de X*YPS

1986.027*0.4427= 879.214 kg/h etanol (46)

2109.88 kg/h nefermentescibile; (47)

23435.39: 879.214 kg/h etanol; (48)

(L6) 23435.39-(2109.88+879.214+1406.103)=19040.72 kg/h apa

Fermentare: SHAPE * MERGEFORMAT

Plamada fermentata

(L7)

fermentare

Plamada principalaL8

Plamada prefermentata(L6)

CO2

(L5)

Bilantul total: L8+L6=L5+L7 (50)

Bilantul partial: L8*X8+L6*X6=L5*X5+L7*X7 (51)

Cantitatea de plamada fermentata(L7):

L8+L6=24725.35+23435.39 L7=48160.74 kg/h (52)

1406+7914.6=9320.6 kg/h glucoza (53)

48160.74: 2109.88+4748.78=6858.66 kg/h nefermentescibile (54)

(L7) 878.4 kg/h etanol (55)

48160.74-(9320.6+6858.66+878.4)=31102.7 kg/h apa (56)

Randamentul:YPS= (Y) (57)

in care: 2.3 reprezinta coeficientul stoechiometric al CO2;

44 reprezinta masa moleculara a CO2;

1.3 reprezinta coeficientul stoechiometric al glucozei;

180 reprezinta masa moleculara a glucozei.

Verificare:

 

(58)

in care: 9320.6 kg/h reprezinta cantitatea de glucoza obtinuta in etapa de fermentare;

48160.35 kg/h reprezinta cantitatea de plamada fermentata;

Cantitatea de CO2 ce se degaja in aceasta etapa este:

Cantit. de glucoza*Y=9320.6*0.4327=4033.02 kg CO2 (59)

Cantitatea totala de plamada fermentata in aceasta etapa este:

L8+L6=L5+L7 L7=48160.7-4030.22 L7=44130.52 kg/h (60)

Cantitatea de etanol ce se obtine in aceasta etapa este data de: cantit. de glucoza*YPS

9320.6*0.4324= 44127.67 kg/h etanol (61)


4122.50+878.4=5000.9 kg/h etanol (62)

44130.52: 2109.88+4748.78=6858.66 kg/h nefermentescibile (63)

(L7) 44130.52-(5000.9-6858.66)=31269.63 kg/h apa (64)

Alcool brut(L9)

distilare

Borhot(L8)

Plamada fermentata(L7)

Distilare:

 

Bilantul total: L7=L8+L9 (65)

Bilantul partial:L7*X7=L8*X8+L9*X9 (66)

Conform Manualului Inginerului Chimist in Industria Alimentara s-au extras urmatoarele date:

Alcoolul brut reprezinta 84% si are fractia masica 0.78

Borhotul reprezinta 0.02%

L7=L8+L9 (67)

48160.74=L9*0.78+L9*0.0002 L9=44671.279 kg/h alcool brut (68)

L8=3489.4611 kg/h borhot (69)


Rafinare:

W(L11)

rafinare

Alcool rafinat

(L10)

Alcool brut(L9)


Conform Manualului Inginerului Chimist in Industria Alimentara s-au extras urmatoarele date:

Alcoolul rafinat reprezinta 96% si are fractia masica 0.93

Frunti: 0.07* L9=3126.98 kg/h

Cozi: 0.04* L9=1786.85kg/h

Ulei de fuzel: 0.04* L9= 1786.85kg/h

Bilantul total: L9=L10+L11 (70)

Bilantul partial: L9*X9=L10*X10+L11*X11 (71)

L9*0.78=L10*0.93+W*0.2 (72)

44671.279=L10+L11 (73)

44671.279*0.78=L10*0.93+W*0.2 L10=35492.239 kg/h alcool rafinat 74

L11=719.378 kg/h borhot (75)

BILANTUL PENTRU INTREAGA INSTALATIE:

Intrare:

X+A1+A2+L2+L3

22614.2+8896.06+17435.44+40.69+33.92=49020.31 kg/h

Iesire:

L5+L9+L8+L10+L11

858.95+4033.2+3489.4611+719.378+35492.239=44593.228 kg/h

SCHEMA BILANTULUI TOTAL DE MATERIALE:

SHAPE * MERGEFORMAT

CO2 BORHOT ALCOOL

719.378 719.378 35492.239

INSTALATIA DE OBTINERE A ALCOOLULUI ETILIC

APA MELASA SARURI H2SO4

NUTRITIVE

8896.06 22614.2 40.69 33.92

CAPITOLUL 4

Bilantul termic

 

Ecuatia fermentatiei alcoolice produsa de drojdia S.Cerevisiae raportata la un mol de biomasa este:

Reactia de non-crestere


G0 = -52.02 kcal


G0 = -40.05 kcal

G0 = 0 kcal

Facand suma ultimelor doua ecuatii se obtine ecuatia:


G0 = -40.05 kcal

Termodinamica fermentatiei alcoolice

Pentru cresterea drojdiilor, exista doua faze: una aeroba si alta in conditii anaerobe. Ecuatiile generale sunt:

Dezvoltarea aeroba initiala


avand entalpia de reactie H = -4.79 kcal/mol.

Dezvoltarea anaeroba ulterioara


avand entalpia de reactie H = -23 kcal/mol.

Cantitatea de caldura degajata in timpul unui proces biologic, Q, poate fi calculata folosind caldurile de combustie ale speciilor prezente:

unde:

HS caldura de combustie de carbon kJ/g;

HN caldura de combustie de azot kJ/g;

HX caldura de combustie a celulelor kJ/g;

HPj caldura de combustie a produsului j kJ/g;

S cantitatea de sursa de carbon din substrat utilizata g;

N cantitatea de sursa de azot din substrat utilizata g;

X cantitatea de celule produsa g;

Pj cantitatea de produs j rezultat g.

Caldura de combustie a substantelor chimice poate fi calculata pe baza energiilor de legatura. Pentru microorganisme, s-a determinat, in medie, o caldura de 37.046 kJ/g.

Entalpiile standard de formare a compusilor din mediul de reactie:

 

Compus

C6H12O6

NH3

biomasa

CO2

C2H5OH

H2O

ΔH0fj

[KJ/mol]

-1264

-133

-91

-394.1

-288

-286

 

Caldura de reactie raportata la un mol de biomasa se calculeaza cu relatia:

ΔH0r = Yj,P* ΔH0f,P- Yj,R* ΔH0f,R

ΔH0r = -9.1+2.3*(-394.1)+2.25*(-288)+0.45*(-286)-1.3*(-1264)-0.2*(-133)

ΔH0r = -104.33 kJ/mol Cx = -4.241 kJ/m3=-4241.057 kJ/kgx

Bilantul termic se calculeaza cu ajutorul modelului cinetic:

MODEL CINETIC

Reactorul discontinuu este operat in sarje, toti constituentii mediului biologic fiind introdusi in aparat la inceput, iar produsii de reactie indepartati dupa terminarea procesului.

Procedeul obtinerii etanolului pornind de la zaharuri prin drojdia Scharomyces cerevisae este un procedeu de fermentatie cu o cinetica simpla. Aceasta fermentatie nu comporta decat o singura faza de crestere si de productie, pe parcursul careia glucoza este transformata simultan in biomasa, etanol si dioxid de carbon.

Exista doi parametrii care controleaza in anaerobioza cresterea si metabolismul drojdiilor, concentratia de glucoza si cea de etanol. Glucoza are un dublu rol cinetic: este limitant (mai putin de 1g/l) si devine inhibitor la concentratii mari (peste 150g/l). Pentru etanol, plecand de la un prag in jur de 40g/l, el devine inhibitor pe rand pentru dezvoltarea celulelor si producerea de etanol. Inhibitia de etanol este mai pronuntata pe cresterea celulara decat pe productia de etanol.

Avand in vedere importanta practica deosebita a fermentatiei alcoolice vom utiliza un model cinetic care cuprinde ecutia de inhibitie prin substrat si produsi.

Ipoteze:

-         pseudoomogenitate;

-         regim izoterm;

-         amestecare perfecta;

-         crestere celulara zero;

-         inhibitie prin produsi secundari zero.

viteza de formare a celulelor

viteza de formare a produsului

viteza de consum a substratului

- valori de start

0

190

0

4.04

0.1

188.94

0.2193

4.1367

0.2

187.86

0.4437

4.2352

0.3

186.76

0.6733

4.3356

0.4

185.64

0.9082

4.4378

0.5

184.5

1.1485

4.5419

0.6

183.34

1.3942

4.6479

0.7

182.15

1.6455

4.7559

0.8

180.94

1.9024

4.8658

0.9

179.71

2.1651

4.9778

1

178.46

2.4336

5.0917

1.1

177.18

2.7081

5.2077

1.2

175.88

2.9886

5.3258

1.3

174.56

3.2752

5.4459

1.4

173.22

3.5681

5.5681

1.5

171.84

3.8673

5.6923

1.6

170.45

4.1729

5.8187

1.7

169.03

4.4851

5.9472

1.8

167.59

4.8038

6.0778

1.9

166.12

5.1293

6.2106

2

164.63

5.4616

6.3455

2.1

163.11

5.8009

6.4825

2.2

161.57

6.1471

6.6217

2.3

160.01

6.5004

6.763

2.4

158.41

6.861

6.9064

2.5

156.8

7.2288

7.0521

2.6

155.16

7.6041

7.1998

2.7

153.49

7.9868

7.3497

2.8

151.8

8.3771

7.5018

2.9

150.08

8.7751

7.6559

3

148.34

9.1809

7.8122

3.1

146.58

9.5945

7.9706

3.2

144.79

10.016

8.131

3.3

142.97

10.446

8.2935

3.4

141.13

10.883

8.4581

3.5

139.27

11.329

8.6247

3.6

137.38

11.784

8.7933

3.7

135.47

12.246

8.9639

3.8

133.53

12.717

9.1365

3.9

131.57

13.197

9.311

4

129.59

13.685

9.4873

4.1

127.58

14.182

9.6655

4.2

125.56

14.687

9.8456

4.3

123.5

15.202

10.027

4.4

121.43

15.725

10.211

4.5

119.34

16.257

10.396

4.6

117.22

16.798

10.583

4.7

115.09

17.348

10.771

4.8

112.93

17.908

10.961

4.9

110.76

18.476

11.153

5

108.56

19.054

11.346

5.1

106.35

19.641

11.54

5.2

104.12

20.237

11.736

5.3

101.87

20.842

11.932

5.4

99.602

21.457

12.13

5.5

97.321

22.082

12.329

5.6

95.025

22.715

12.529

5.7

92.714

23.358

12.73

5.8

90.389

24.011

12.932

5.9

88.052

24.673

13.134

6

85.702

25.345

13.338

6.1

83.342

26.026

13.541

6.2

80.971

26.716

13.746

6.3

78.59

27.416

13.95

6.4

76.202

28.125

14.155

6.5

73.805

28.844

14.36

6.6

71.403

29.572

14.566

6.7

68.995

30.31

14.771

6.8

66.582

31.057

14.976

6.9

64.166

31.814

15.181

7

61.748

32.579

15.386

7.1

59.329

33.355

15.59

7.2

56.91

34.139

15.793

7.3

54.492

34.932

15.996

7.4

52.077

35.735

16.198

7.5

49.665

36.546

16.399

7.6

47.259

37.367

16.599

7.7

44.858

38.196

16.798

7.8

42.466

39.035

16.996

7.9

40.082

39.882

17.192

8

37.708

40.737

17.386

8.1

35.346

41.602

17.579

8.2

32.997

42.474

17.77

8.3

30.662

43.356

17.959

8.4

28.343

44.245

18.146

8.5

26.042

45.142

18.33

8.6

23.76

46.048

18.512

8.7

21.499

46.961

18.691

8.8

19.261

47.882

18.868

8.9

17.048

48.811

19.042

9

14.862

49.747

19.212

9.1

12.706

50.691

19.379

9.2

10.584

51.641

19.542

9.3

8.5004

52.599

19.7

9.4

6.4635

53.563

19.853

9.5

4.4868

54.533

20

9.6

2.6015

55.51

20.137

9.7

0.9083

56.492

20.254

9.8

-0.074

57.478

20.298

9.9

-0.14

58.463

20.249

10

-0.144

59.446

20.194


sarje

reactoare de 300

Bilantul termic pentru operatia de fermentare:

(76)

(77)

(78)

(79)

8000 reprezinta numarul de ore functionabile intr-un an.

(80)

8760 reprezinta numarul de ore dintr-un an.

(81)

Se alege volumul reactorului 300 m3.

Bilantul termic pentru mediul de reactie

Qg=caldura agentului termic

(82)

Bilantul termic pentru agentul termic:

Ag*Cp(t2-t1fermentare=Qg

Ag=

t2=30C

t1=5C

(83)

0.999 se alege din graficul Cp=f(t) ale caror ecuatii sunt:

Cpapa=4045t0.0095

Cpetanol=1180.8t0.2345

Ag=614.54*8000=4916320 kg/an

Ag=4916320*τs*Ns*Nreactoare→Ag=4916320*17*470*5→Ag=1.96*1011 kg/sarja

Bilantul termic pe coloana de distilare:

p=760 tori

pi= presiunea de vapori pentru cei doi componenti (etanol si apa) in functie de temperatura;

yi=fractia molara a celor doi componenti;

QD=caldura de distilare

r=caldura de vaporizare;

c=85% vol.

yetanol=0.637

yapa=0.363

tD=88.2oCse calculeaza cu relatiile Antoine:

tD=temperatura de distilare

rs=ramestec=0.637*199.3*0.363*485=303 kcal/kg (84)

QD=6401.73kg/h*303kcal/h

QD=1939724.19 kcal/h=1.93*106 (85)

=p

P=760 torri

To=99.3oC se calculeaza cu relatiile Antoine:

Qw=caldura reziduului

Qw=Lpl.ferm.*Cp(t0-30)+QD

Qw=44129.19*1.041*69.3+1.93*106 (86)

Qw=5.40*106 kg/h

Aabur= (87)

Bilantul temic pe coloana de rectificare:

Q'=caldura pentru coloana de rectificare;

Q'=Lalc. rafinat*ram

L=35492.239kg/h

C=96%

Xalc.=0.88

Xapa=0.12

tc=80.1ose calculeaza cu relatia Antoine;

ram=0.88*202.74+0.12*438.2=231.2kcal/h (88)

Q'=35492.239*231.2=6.43*105kcal/h

Q'=Ag*Cp*ΔT

ΔT=38-28=10oC

Ag= (89)

Bilantul termic pe fierbatorul coloanei de rectificare:

Se utilizeaza abur la 120oC

Q=Lalc. brut*Cp(tf-30)

tf=84.2+30/2=57.1oC

C1=85%

Xalc.=0.637

Xapa=0.363

tf=84.2o se calculeaza cu relatia Antoine:

Cp=0.637*0.704+0.363*1=0.811 kcal/kg*grad

Q=44671.279*0.811(84.2-30)+6.38*104=7.96*105kcal/h (90)

Qabur=Aabur*rabur

Aabur=Q/rabur

Aabur=6.38*104/526.7=1.51*103kg/h (91)

Bilantul termic pe racitorul de alcool etilic:

Se utilizeaza apa de racire cu temperatura de 28o-38oC; racirea alcoolului etilic facandu-se de la temperatura de 80.1oC la 30oC.

Q=Lalc. rafinat*Cp(80.1-30)

t=80.1+30/2=55.05oC

Cp=0.88*0.698+0.12*1=0.734 kcal/kg*grad (92)

Q=44671.279*0.734*80.1=1.022*105kcal/h

Q=Ag*Cp* ΔT

Ag= (93)

Bilantul termic pe racitorul de reziduu:

Se utilizeaza apa de racire cu temperatura de 5-10oC

Q=Lreziduu*Cp(tw-30)

tw=99.4oC se calculeaza cu relatiile Antoine:

Lreziduu=719.378kg/h

Q=719.378*1.041(99.4-30)=5.19*104kcal/h (94)

Q=Ag*Cp* ΔT

Ag= (95)

CAPITOLUL 5

LOCUL SI ROLUL REACTORULUI IN SCHEMA TEHNOLOGICA

Reactorul este fermentatorul care se leaga de modulul de microfiltrare cu ajutorul unei pompe.Fermentatorul se alimenteaza cu substrat nesteril si cu oxigen.Rolul bioreactorului este de a produce alcool etilic din melasa.

Microorganismul folosit la fermentatia alcoolica este Saccharomyces cerevisae.Acesta face parte din grupul Protista, fiind un microorganism de tip eucariot.Foloseste la fabricarea spirtului de fermentatie si la obtinerea drojdiei de panificatie.Se gaseste intr-o multitudine de medii de viata: sol (102-105 celule/g sol), apa, pe suprafata fructelor etc.

Are forma ovolara, dimensiuni cuprinse intre 3-15μm. In medii de cultura lichide fermenteaza glucidele.Pe medii de cultura solidificate formeaza colonii solidificate formeaza colonii cu diametrul 0.2-2 cm, de culoare alb-crem.

Necesita in mediul de cultura o sursa de C, o sursa de N, saruri minerale si factori de crestere.Temperatura optima de crestere este de 30C, iar pH-ul optim 4-5. Fermenteaza in anaerobioza glucoza, fructoza, galactoza, zaharoza, maltoza si doar 1/3 refinoza. Prin fermentatie(optima la 30-32C), in lichide formeaza o spuma persistenta. Din biomasa de celule obtinuta in mediul nutritiv si in conditii de aerare, prin procedee biotehnologice se pot obtine enzime(invertaza), vitamine din grupul B, interferon si altele.

Drojdiile din genul Saccharomyces cerevisae sunt de fermentatie inferioaraPentru a putea fi folosite in practica, aceste drojdii sunt utilizate si selectionate in functie de unele proprietati pe care le recomanda pentru utilizarea industriala, cum ar fi:

-         puterea alcooligena: se refera la concentratia mare de alcool ce se poate acumula, cand in mediu exista zahar in exces. Drojdiile sunt sensibile la cresterea concentratiei in alcool;

-         alcoolorezistenta: se refera la capacitatea drojdiilor de a continua fermentatia la cresterea concentratiei in alcool, deoarece alcoolul etilic poate actiona ca un denaturant al proteinelor si produce inactivarea enzimelor sensibile;

-         sulfitorezistenta: o proprietate importanta a drojdiilor de vin de a se adapta la concentratii care pot influenta negativ activitatea altor drojdii din must, neadaptate, ca urmare a scaderii potentialului de oxidoreducere;

-         capacitatea de floculare si pulverulenta: proprietati datoratestructurii peretelui celular si modificarii de pH din timpul fermentaiei.

CAPITOLUL 6

DIMENSIONAREA REACTORULUI

Pentru a putea calcula dimensiunile bioreactorului trebuie , trebuie ales materialul din care va fi construit acesta.Datorita procesului de fermentare care are loc in bioreactor, datorita conditiilor de reactie si a materiilor folosite, pentru construirea bioreactorului se va alege un otel tip K 460.

Schema constructiva a bioreactorului

 
SHAPE * MERGEFORMAT

D

HCS

h

HC

HM

H

In care : Hcs= inaltimea partii sferice a capacului

h= inaltimea partii cilindrice a capacului

Hc= inaltimea totala a capacului

H= inaltimea partii cilindrice a bioreactorului

Hc= inaltimea capacului

Hm= inaltimea mantalei

Ht=inaltimea totala a bioreactorului

D= diametrul interior al bioreactorului

Determinarea duratei de reactie se calculeaza cu ajutorul modelului cinetic:

MODEL CINETIC

Reactorul discontinuu este operat in sarje, toti constituentii mediului biologic fiind introdusi in aparat la inceput, iar produsii de reactie indepartati dupa terminarea procesului.

Procedeul obtinerii etanolului pornind de la zaharuri prin drojdia Scharomyces cerevisae este un procedeu de fermentatie cu o cinetica simpla. Aceasta fermentatie nu comporta decat o singura faza de crestere si de productie, pe parcursul careia glucoza este transformata simultan in biomasa, etanol si dioxid de carbon.

Exista doi parametrii care controleaza in anaerobioza cresterea si metabolismul drojdiilor, concentratia de glucoza si cea de etanol. Glucoza are un dublu rol cinetic: este limitant (mai putin de 1g/l) si devine inhibitor la concentratii mari (peste 150g/l). Pentru etanol, plecand de la un prag in jur de 40g/l, el devine inhibitor pe rand pentru dezvoltarea celulelor si producerea de etanol. Inhibitia de etanol este mai pronuntata pe cresterea celulara decat pe productia de etanol.

Avand in vedere importanta practica deosebita a fermentatiei alcoolice vom utiliza un model cinetic care cuprinde ecutia de inhibitie prin substrat si produsi.

Ipoteze:

-         pseudoomogenitate;

-         regim izoterm;

-         amestecare perfecta;

-         crestere celulara zero;

-         inhibitie prin produsi secundari zero.

viteza de formare a celulelor

viteza de formare a produsului

viteza de consum a substratului

- valori de start

0

190

0

4.04

0.1

188.94

0.2193

4.1367

0.2

187.86

0.4437

4.2352

0.3

186.76

0.6733

4.3356

0.4

185.64

0.9082

4.4378

0.5

184.5

1.1485

4.5419

0.6

183.34

1.3942

4.6479

0.7

182.15

1.6455

4.7559

0.8

180.94

1.9024

4.8658

0.9

179.71

2.1651

4.9778

1

178.46

2.4336

5.0917

1.1

177.18

2.7081

5.2077

1.2

175.88

2.9886

5.3258

1.3

174.56

3.2752

5.4459

1.4

173.22

3.5681

5.5681

1.5

171.84

3.8673

5.6923

1.6

170.45

4.1729

5.8187

1.7

169.03

4.4851

5.9472

1.8

167.59

4.8038

6.0778

1.9

166.12

5.1293

6.2106

2

164.63

5.4616

6.3455

2.1

163.11

5.8009

6.4825

2.2

161.57

6.1471

6.6217

2.3

160.01

6.5004

6.763

2.4

158.41

6.861

6.9064

2.5

156.8

7.2288

7.0521

2.6

155.16

7.6041

7.1998

2.7

153.49

7.9868

7.3497

2.8

151.8

8.3771

7.5018

2.9

150.08

8.7751

7.6559

3

148.34

9.1809

7.8122

3.1

146.58

9.5945

7.9706

3.2

144.79

10.016

8.131

3.3

142.97

10.446

8.2935

3.4

141.13

10.883

8.4581

3.5

139.27

11.329

8.6247

3.6

137.38

11.784

8.7933

3.7

135.47

12.246

8.9639

3.8

133.53

12.717

9.1365

3.9

131.57

13.197

9.311

4

129.59

13.685

9.4873

4.1

127.58

14.182

9.6655

4.2

125.56

14.687

9.8456

4.3

123.5

15.202

10.027

4.4

121.43

15.725

10.211

4.5

119.34

16.257

10.396

4.6

117.22

16.798

10.583

4.7

115.09

17.348

10.771

4.8

112.93

17.908

10.961

4.9

110.76

18.476

11.153

5

108.56

19.054

11.346

5.1

106.35

19.641

11.54

5.2

104.12

20.237

11.736

5.3

101.87

20.842

11.932

5.4

99.602

21.457

12.13

5.5

97.321

22.082

12.329

5.6

95.025

22.715

12.529

5.7

92.714

23.358

12.73

5.8

90.389

24.011

12.932

5.9

88.052

24.673

13.134

6

85.702

25.345

13.338

6.1

83.342

26.026

13.541

6.2

80.971

26.716

13.746

6.3

78.59

27.416

13.95

6.4

76.202

28.125

14.155

6.5

73.805

28.844

14.36

6.6

71.403

29.572

14.566

6.7

68.995

30.31

14.771

6.8

66.582

31.057

14.976

6.9

64.166

31.814

15.181

7

61.748

32.579

15.386

7.1

59.329

33.355

15.59

7.2

56.91

34.139

15.793

7.3

54.492

34.932

15.996

7.4

52.077

35.735

16.198

7.5

49.665

36.546

16.399

7.6

47.259

37.367

16.599

7.7

44.858

38.196

16.798

7.8

42.466

39.035

16.996

7.9

40.082

39.882

17.192

8

37.708

40.737

17.386

8.1

35.346

41.602

17.579

8.2

32.997

42.474

17.77

8.3

30.662

43.356

17.959

8.4

28.343

44.245

18.146

8.5

26.042

45.142

18.33

8.6

23.76

46.048

18.512

8.7

21.499

46.961

18.691

8.8

19.261

47.882

18.868

8.9

17.048

48.811

19.042

9

14.862

49.747

19.212

9.1

12.706

50.691

19.379

9.2

10.584

51.641

19.542

9.3

8.5004

52.599

19.7

9.4

6.4635

53.563

19.853

9.5

4.4868

54.533

20

9.6

2.6015

55.51

20.137

9.7

0.9083

56.492

20.254

9.8

-0.074

57.478

20.298

9.9

-0.14

58.463

20.249

10

-0.144

59.446

20.194


sarje

reactoare de 300

Se defineste un coeficient de sveltete, S=H/D.

In general, S=2.

Din schita constructiva se observa ca Vreactor= 2*V capac+V cilindru

Vcilindru=

Cum S=H/D=2àH=2*D

à Vcilindru=

Vcapac=

Conform Stas 6809-79 se adopta h=40 mm si Hcs=0.25*D.

Vcapac=

Datorita valorii foarte mici a lui h, acesta se poate neglija. In acest caz, ecuatia devine:

Vcapac=

Vreactor= Vreactor= 2*V capac+V cilindru

Vreactor=

La calculul numarului de sarje s-a obtinut un volum al reactorului de 300 m3.

àD=

Conform normelor in vigoare (Stas 7159-74) se va alege un diametru interior al bioreactorului de 6m.

Stiind ca S=H/D si ca S=2 (conform STAS 7159-74)

Capacele elipsoidale sunt construite, de obicei, in asa fel incat Hcs=D/4

(STAS 7159-79).

Inaltimea totala a capacului ar fi Hc=Hcs+h=1.5+0.04=1.54m

Datorita faptului ca variatia inaltimii totale a capacului este foarte mica daca se adauga si h, acesta poate fi neglijat si inaltimea totala a capacului bioreactorului poate fi considerata Hc= 1.5 m.

Calculul inaltimii mantalei

Hm=0.6*Ht

Ht=H+2*Hc= 12+2*1.5

Calculul grosimii peretelui recipientului

In bioreactor se considera p=1 atm. Deci grosimea peretelui se va calcula fara a considera ca peretii bioreactorului sunt supusi unei presiuni interioare. Din aceasta cauza formula de calcul este:

c1= vcoroziune * n

in care : s0= grosimea de rezistenta

p= presiunea interioara

D= diametrul interior al bioreactorului

=tensiunea admisibila a materialului de constructie la temperatura maxima de functionare

z=coeficient de rezistenta al imbinarii sudate

sproiectare= grosimea de proiectare

c1= adaos pentru conditiile de exploatare

c2= adaos de rotunjire, care tine seama de valoarea grosimii standardizate imediat superioare a tablei, de abaterea negativa la grosime si de adaosul tehnologic

vcoroziune = viteza de coroziune exprimata in mm/an

n= numarul de ani de functionare

z= 0.8

n= 10 ani

vcoroziune =0.3 mm/an

c1= 0.3*10= 3 mm=3*10-3 m

c2 =1.8 mm=1.8*10-3 m

In care

= limita de curgere a materialului de constructie la temperatura de functionare (Tabelul I)

= limita de rupere a materialului de constructie la temperatura de functionare (Tabelul I)

cs1= coeficient de siguranta la curgere, cs1= 1.8 pentru ca in bioreactor se gasesc fluide inflamabile

cs2= coeficient de siguranta la rupere, cs2= 3 pentru ca se lucreaza cu fluide inflamabile

Caracteristicile fizico-mecanice pentru otelul K 460- Tabelul I

Marca otelului

STAS

Caracteristici

ale

materialului

Temperatura [ºC]

20

100

150

200

250

300

K 460

2883/3-88

[N/mm2]

460

[N/mm2]

285

-

-

265

245

227

E *10 -5 [N/mm2]

2.12

2.06

2.03

1.99

1.95

1.92

[m/m*ºC]

12.5 *10-6

13.1 *10-6

13.6 *10-6

Deoarece fermentarea are loc la temperatura de 30ºC, iar apa de racire are temperaturile de 10, respectiv 20ºC, si se vor considera la temperatura de 20 ºC.

Se calculeaza


Se standardizeaza aceasta valoare la valoarea imediat superioara, conform Stas 437-73:

Claculul grosimii capacului elipsoidal

Grosimea capacului elipsoidal se calculeaza identic cu cea a peretiilor recipientului, dar, in acest caz,

in care c3= adaosul suplimentar pentru subtierea tablei la ambustisare si

c3= 2*10-3 m.

Deci, conform calculelor obtinute anterior:

Se standardizeaza aceasta valoare la valoarea imediat superioara, conform Stas 437-73:

Determinarea diametrului exterior al mantalei

Dmi = diametrul interior al mantalei

Dmi = D +2*sproiectare

Dmi=6+2*0.01

Dmi=6.02

Se standardizeaza la valoarea imediat superioara, deci se alege Dmi=6.2 m=6200mm

Calculul racordurilor

1.Dimensionarea racordului de evacuare CO2

Pentru a putea calcula dimensiunie racordurilor trebuiesc stiute debitele volumetrice de fluid care trec prin aceste racorduri.

Gmolar=91.659/3600=0.025mol/s

Gvolumetric=

Gvolumetric=

DR=

W =este viteza gazului;

Se alege W=21 m/s

DR=0.116 m

Se alege diametrul racordului 0.2m.Se opteaza pentru aceasta valoare pentru ca in timpul fermentatiei se formeaza o spuma care este evacuata odata cu dioxidul de carbon.

2.Dimensionarea racordului pentru plamada fermentata

Gmasic=

Gmolar=

DR=

W =este viteza gazului

Se alege W=3.5 m/s

DR=0.069 m

In conformitate cu Stas 8815/3-79 se alege un diametru al racordului de alimentare a plamezii fermentata DR=0.07 m.

3. Dimensionarea racordului pentru plamada prefermentata

Gmasic=

Gmolar=

DR=

W =este viteza gazului

Se alege W=3.5 m/s

DR=0.0486 m

In conformitate cu Stas 8815/3-79 se alege un diametru al racordului de alimentare a plamezii prefermentate DR=0.05m.

4. Dimensionarea racordului pentru plamada principala

Gmasic=

Gmolar=

DR=

W =este viteza gazului

Se alege W=3.5 m/s

DR=0.049 m

In conformitate cu Stas 8815/3-79 se alege un diametru al racordului de alimentare a plamada principala DR=0.05m.

5. Dimensionarea racordului pentru apa

Gmasic=

Gmolar=

DR=

W =este viteza gazului

Se alege W=3.5 m/s

DR=0.057 m

In conformitate cu Stas 8815/3-79 se alege un diametru al racordului de alimentare a apei DR=0.06m.

6. Dimensionarea racordului de evacuare

G=debitul volumetric al plamezii fermentate;

Gv=

DR=

W =este viteza gazului

Se alege W=3.5 m/s

DR=0.010 m

In conformitate cu Stas 8815/3-79 se alege un diametru al racordului de evacuare a apei DR=0.01m.


Dimensionarea schimbatorului de caldura

 

 

Condensatoarele de amestec se utilizeaza in exclusivitate pentru condensarea vaporilor de apa cu ajutorul apei de racire .In cazul condenstaoarelor pentru amestecuri de vapori,datorita faptului ca are loc o condensare diferentiata-vor condensa intai componentele mai putin volatile-compozitia vaporilor si temperatura de condensare variaza in lungul condensatorului.In acest caz apa va circula tevi iar -amestecul va circula prin manta.

Pentru alegerea schimbatorului de caldura se propune un coeficient total de transfer termic,K:

Kpropus=560W/ m2 grd

Apropusa=Q/(K*tm)= 1353539.54(55*560)

Apropusa=62.97m2

A aleasa=67.3m2 aria de transfer termic

L teava =2000 mm lungimea tevii

Dn = 800 mm diametrul nominal

s = - grosimea mantalei

=2 mm grosimea tevii

d =20 mm diametrul exterior al tevii

n = 595tevi numarul de tevi

D echivalent = 24mm diametrul echivalent

Verificarea schimbatorului de caldura propus

Calculul coeficientilor partiali de transfer termic,1si 2, pentru condensat si, respectiv, pentru apa de racire.

Calculul coeficientului partial de transfer termic ,1,prin tevi:

Constantele fizice ale apei la temperatura medie de 330C:

=0.0123*10-3 N*s/mp

=0.0206 W/m*grd

Pr=5.14

Cp=0.452kcal/kg*grd

Pr=1.43

Re=1.92*105- regim turbulent

Nu=0.023*Re0.8 *Pr0.4 ;

àSe calculeaza cu Pr0.3pentru ca apa de racire se incalzeste in cursul operatiei de condensare.

Nu=0.023*(1.92*105) 0.8*(1.43) 0.3

Nu=431.488