78481960 Proiectarea Instalatiei de Obtinere a Alcoolului Etilic Din Cartofi

8/2/2019 78481960 Proiectarea Instalatiei de Obtinere a Alcoolului Etilic Din Cartofi

1/46

Cuprins

1. Tema de proiectare....................................................................................................... 3

2. Introducere.................................................................................................................... 4

2.1 Importana procesului studiat.................................................................................. 42.2 Tendinele de dezvoltare n ar i pe plan internaional..........................................5

3. Descrierea procesului tehnologic................................................................................... 6

3.1 Aspecte teoretice ale procesului unitar de fermentaie.............................................6

3.1.1 Analiza produsului finit................................................................................ 6

3.1.2 Materii prime i auxiliare...............................................................................8

3.1.3 Analiza parametrilor de operare...................................................................11

3.1.4 Sursa de microorganisme.............................................................................13

3.1.5 Analiza comparativ a procesului tehnologic..............................................14

3.2 Fazele procesului tehnologic...................................................................................15

3.3 Schema instalaiei de obinere a alcoolului etilic....................................................19

4. Locul i rolul bioreactorului............................................................................................21

4.1 Stoechiometria transformrii....................................................................................21

4.2 Caracterizarea microbiologic i fiziolgic a tulpinii microbiene folosite...............224.3 Calcul efectului termic..............................................................................................22

4.4 Modele cinetice pentru trasformarea microbian......................................................23

5. Bilanul de materiale i termic pnetru instalaie...............................................................24

5.1 Bilan de materiale pentru aparatele instalaiei..........................................................24

5.2 Bilan termic pentru bioreactor..................................................................................30

6. Dimensionarea bioreactorului...........................................................................................31

6.1 Calculul duratei de reacie pentru modelul cinetic alea i condiiile de operare.......31

6.1.1 Ecuaiile modelului.........................................................................................31

6.1.2 Soluionarea ecuaiilor...................................................................................32

6.2 Calculul duratei pentru o arj..................................................................................34

6.3 Determinarea volumului bioreactorului, geometria i amenajrile interioare .........35

6.4 Verificarea regimului termic.....................................................................................36

7. Predimensioanarea mecanic a bioreactorului................................................................38

8. Consideraii asupra conducerii i controlului bioreactorului...........................................42

2


2/46

9. Materialul grafic schia bioreactorului cotat la scar..................................................43

10. Bibliografia....................................................................................................................44

1.Tema de proiect

S se proiecteze o instalaie de obinere a alcoolului etilic alimentar obinut prin procesul unitar de

fermenaie alcoolic utiliznd Saccharomyces cerevisiae, cu urmtoarele date tehnologice:

1. materia prim: cartofi;

2. producia anual de alcool etilic: P = 20.000 t/an;

3. concentraia de substrat la intarea n reactor: cs0 = 150 g/L;

4. fracia masic de alcool la ieirea din coloana de rectificare: x = 0.96;5. concentraia de alcool la ieirea din fermentator este mai mare de 10 g/L;

6. tipul de fermentator utilizat: reactor discontinuu cu amestecare perfect.

Toate celelalte specificaii necesare proiectrii corecte a instalaiei biochimice se iau n

conformitate cu procesul tehnologic ales.

3


3/46

2. Introducere

2.1 Importana procesului studiat

Etanolul sau alcoolul etilic este unul dintre cei mai utilizai compui chimici putnd fi considerat

unul din cele mai vechi alimente cunoscute omului. Berea fermentat se consuma n Babilon, iar

vinul a fost produs nc din anul 3000 .e.n.

Procesul de distilare si are originile prin secolul X XIV. n acest vreme s-a descoperit i efectul

spiritual al alcoolului de unde i s-a dat i numele spiritus. Primele distilerii au avut ca scop

obinerea alcoolului pentru scopuri medicinale.

Pn n secolul XVII s-a considerat c fermentaia alcoolic este un proces rezidual, n care drojdia

rezultat era aruncat. Natura fermentaiei a fost clarificat n secolul 19 odat cu descoperirea

microscopului, cnd s-a dovedit c celulele de drojdie sunt organisme vii. Totui a durat 150 de ani

pn cnd s-a recunoscut c organisme vii sunt responsabile pentru procesul de fermentaie.

Alcoolul etilic reprezint o materie prim valoroas pentru numeroase sectoare industriale:

industria alimentar, industria chimic, industria farmaceutic. n industria chimic, unde reprezint

materia prima pentru obinerea unor produse valoroase, spiritul de fermentaie este n competiie cu

alcoolul de sintez, obinut n urma unor procese tehnologice complexe, din materii prime

petroliere.

Avnd n vedere proprietile sale adecvate, etanolul a fost considerat ca un carburant posibil pentru

motoare, practic n cursul ntregii istorii a motoarelor cu explozie.

Solicitri mari pentru alcoolul carburant au determinat ca n Brazilia, spre exemplu, n perioada

1984-1985, producia planificat a fost de 9,064 miliarde litri, iar n prezent se produc peste 10

miliarde litri.

Una dintre cele mai importante utilizri ale etanolului este folosirea lui ca i combustibil sau prin

amestecare cu diferite pari de benzin, rezultnd biodisel. Utilizarea etanolului drept carburant n

Europa a fost abordat nc din 1902. Utilizarea lui economic nsa, n amestec cu benzina s-a

realizat ns abia n 1922 n Frana. Interesul pentru obinerea alcoolului etilic este mult mai mare n

scopul folosirii lui ca aditiv, deoarece tetraetilul de plumb este toxic i legislaia din S.U.A. i

4


4/46

diferite ri europene a interzis utilizarea acestuia. i n ara noastr se fac eforturi pentru utilizarea

pe scara ct mai larg a benzinei fr plumb n scopul protejrii mediului nconjurtor.

Sunt circa trei variante de utilizare a etanolului n motoare fiecare cu avantajele i dezavantajele

sale,cum sunt: n amestec cu benzin, arderea direct a etanolului n motoarele pe benzin, adaos de

combustibil la motoarele diesel. Primele doua variante se folosesc la motoarele otto, cu scnteie

(cele pe benzin). Prima variant - amestecul etanol-benzin (gasohol) necesit etanol anhidru, cea

de-a doua varianta permite utilizarea etanolului pana la o concentraie de 85% sau chiar mai jos.

Adic se poate folosi direct etanolul obinut prin distilare, nedeshidratat. Cea de-a treia variant e

cea mai complicat, deoarece implic modificarea alimentrii motoarelor diesel, astfel nct trebuie

montat un carburator suplimentar.

Practic etanolul intr ca la motoarele pe benzina, dar este aprins de o cantitate mic de motorina

care este injectat "normal" ca la motoarele de motorin.

2.2Tendinele de dezvoltare n ar i pe plan internaional

Datorit creterii preului mondial al petrolului,rile din Europa de Sud-Est,i nu numai ncearc

diminuarea dependenei de acest produs lansndu-se n construcia de fabrici pentru producia

carburanilor alternativi.

Carburantul derivat din plante industriale, n special din seminele de rapi i floarea soarelui, se

transform ntr-o investiie important,reglementrile Uniunii Europene stipulnd c cel puin 2%

din dieselul aflat pe pia n acest an trebuie s fie pe baz de plante, iar creterea anual a cotei de

pia este preconizat la 0.75% pn n anul 2010. Romnii au fost primii care s-au lansat n lupta

pentru cota de pia, att pe plan intern ct i n Europa. ara noastr producnd acum trei milioane

de tone de biodiesel anual. Firma portughez Martifer investete n construcia unei fabrici de

biodiesel n judeul Clrai, la Lehliu Gar.Proiectul ,n valoare de 47 milioane de euro va fi

finalizat pn n anul 2007. Fabrica are planificat o capacitate semnificativ, de pn la 100.000 detone de biodiesel anual,ceea ce nseamn o treime din consumul de carburant ecologic din Romnia.

Acest proiect va fi si n favoarea dezvoltrii sectorului agricol din zona respectiv, ntruct aceast

cantitate de carburant presupune cultivarea a 50 000 de hectare.

Un alt proiect, n valoare de 133 milioane de euro, este condus de MAN Ferrostaal, o

diviziune a companiei MAN din Germania. Aceasta construiete o fabric la Ael i Loamne, n

judeul Sibiu, care are planificat ca producia s ajung pn la o cantitate de 400 tone de carburant

zilnic pn n anul 2008 ceea ce nseamn cultivarea a 120.000 de hectare.Compania petrolier Rompetrol aspir la o producie anual de 60.000 tone n 2007.

5


5/46

Serbia intenioneaz s construiasc prima sa fabric anul viitor. Un productor local din

sectorul uleiului vegetal, Victoria Group din Sid, Vojvodina, intenioneaz s construiasc o fabric

n valoare de 15 milioane de euro care va produce 100.000 de tone de biodiesel anual din semine de

rapi, soia i floarea soarelui.

Cu o producie de 3.6 miliarde de galoane de etanol i exporturi de alte 600 de milioane, Brazilia

acoper jumtate din piaa mondial. Pe piaa intern, apte maini din zece utilizeaz etanol, la un

pre cu o treime mai mare dect cel al benzinei. Brazilia intenioneaz s introduc etanolul chiar i

n industria liniilor aeriene.

Exemplul brazilian demonstreaz c guvernele trebuie s introduc utilizarea

etanolului.Agricultorii trebuie s primeasc stimulente pentru cultivarea porumbului, rapiei i a

altor materii brute. Guvernele trebuie s finaneze extinderea reelei de staii pentru alimentarea cu

noul carburant i trebuie s impun instituiilor statului s utilizeze vehicule pe baz de biodiesel

sau etanol.

3. Descrierea procesului tehnologic

3.1 Aspecte teoretice ale procesului unitar de fermentaie

3.1.1 Analiza produsului finit

Etanolul sau alcoolul etilic este un compus chimic care face parte din clasa compuilor

hidroxilici, mai exact din clasa alcoolilor. Industrial etanolul se obine prin fermentaie folosind

glucoz produs din zahr, obinut din hidroliza amidonului, n prezena drojdiei i a unei

temperaturi de sub 37C.

Formula structural a etanolului este urmtoarea:

Etanolul este un compus chimic lichid incolor i inflamabil. Acesta se amestec cu apa n

orice proporie i formeaz amestecuri azeotrope care pot conine pn la 96% alcool etilic. Este un

solvent excelent pentru multe substane i este folosit n producerea parfumurilor, lacurilor, a

6
http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Fermenta%C5%A3ie&action=edithttp://ro.wikipedia.org/wiki/Glucoz%C4%83http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Ethanol-structure.svghttp://ro.wikipedia.org/wiki/Glucoz%C4%83http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Fermenta%C5%A3ie&action=edit


6/46

celulozei i a explozivilor. Marea majoriatate a etanolului industrial este denaturat pentru a nu

putea fi consumat pe post de bautur.

Gruparea hidroxil face ca, n general, alcoolul s fie molecul polar. Acele grupri pot

forma legturi de hidrogen una cu alta i cu ali compui. La alcooli exist dou posibiliti de

dizolvare: tendina grupei polare -OH de a-l face solubil n ap i cea a catenei laterale de a i se

opune. De aceea, metanolul, etanolul i propanolul sunt solubile n ap deoarece influena gruprii

hidroxil este mai puternic dect cea a catenei. Datorit legturii de hidrogen, alcoolii tind s aib

puncte de fierbere mai ridicate fa de hidrocarburi i eteri. Toi alcooli simpli sunt solubili n

solveni organici. Legturile de hidrogen arat c alcooli pot fi folosii ca solveni proteici.

n tabelul 3.1 sunt prezentate cteva dintre proprietile fizice, chimice si termodinamice ale

alcoolului etilic.

Tab. 3.1 Proprietile alcoolului etilic

Nume IUPAC EtanolNume uzual Alcool etilicFormul chimic C2H5OH sau C2H6OMasa molecular 46.07 g/molCuloarea Lichid incolor Punctul de solidificare 158,8 K (-114,3 C)Punctul de fierbere 351,6 K (78,4 C)

Punctul triplu 159 K (-114C)Punctul critic 514 K (241C), 63 barPresiunea de vapori 58,7 hPaEntalpia de formare, fusH 4,9 kJ/molEntropia de formare, fusS 31 J/molKEntalpia de vaporizare,vapH 38,56 kJ/molDensitate 0,7894 g/cmVscozitate 1,19 cP a 20CfH0liq -277,38 kJ/molS0liq 159,9 J/molKCldura specific, Cp 112,4 J/molKfH0gas -235,3 kJ/molS0gas 283 J/molKCp 65.21 J/molK

Punctul de aprindere 17CPunctul de autoaprindere 425CLimita de explozie 3.5-15%

pH 7.0Solubil n Ap, cetone i eteriSolubilitate n ap Total miscibil

Densitatea optic nD20

= 1.36Indicele de refracie 1.36

7
http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Leg%C4%83tur%C4%83_de_hidrogen&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Leg%C4%83tur%C4%83_de_hidrogen&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidrocarburi&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Eteri&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Eteri&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_fus%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_fus%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_fus%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_de_fus%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_de_fus%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_de_fus%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_vaporiza%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_vaporiza%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_vaporiza%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_vaporiza%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Poisehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entropiahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entropiahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entropiahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entropiahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_molar_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_molar_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_molar_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_molar_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/PHhttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Leg%C4%83tur%C4%83_de_hidrogen&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Leg%C4%83tur%C4%83_de_hidrogen&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidrocarburi&action=edithttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Eteri&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_fus%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_de_fus%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_de_vaporiza%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Poisehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Entropiahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entalpia_de_forma%C3%A7%C3%A3o_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Entropia_molar_padr%C3%A3o&action=edithttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacidade_t%C3%A9rmicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/PH


7/46

Alcoolul etilic poate afecta sistemul nervos central, dnd stri de euforie, dezechilibre majore,

somnolen, halucinaii, confuzie i n acelai timp ncetinete reflexele. n concentraii mai mari

poate afecta micarea, mpiedic coordonarea corect a minilor, picioarelor, pierderea temporal a

vederii, etc. n unele cazuri poate produce o iritabilitate crescut a persoanei intoxicate, precum si

stare de agresivitate a acesteia; n alte cazuri poate produce lezarea zonei care controleaz

impulsurile, producnd impulsuri incontrolabile sau convulsii. n ultimul caz poate induce coma

alcoolic, iar ulterior aceasta poate conduce la moarte persoana intoxicat.

3.1.2 Materii prime i auxiliare

Materiile prime folosite la producerea alcoolului prin fermentatie se pot clasifica astfel:

- materii prime amidonoase:

- cereale: porumb, secara, grau, orz, ovaz, orez, sorg etc.;

- cartofi;

- radacini si tuberculi de plante tropicale: radacini de manioc, tuberculi

de batate etc.;

- materii prime zaharoase:

- sfecla si trestia de zahar;

- melasa din sfecla si trestie de zahar;

- struguri, fructe, tescovine dulci etc.;

- materii prime celulozice:

- deseuri din lemn de brad, molid, fag etc.;

- lesii bisulfitice rezultate de la fabricarea celulozei;

- materii prime care confln inulina si lichenina:

- tuberculi de topinambur;

- radacini de cicoare;

- muschi de Islanda.

Cele mai utilizate materii prime sunt cerealele, cartofii si melasa.

Tab. 2 Compoziia chimic medie a cartofilor (Kreipe, 1972)

Com usul Valori medii Limite de variatieUmiditate, % 75,0 68,0-85,0Substance extractive neazotoase,din care amidon, %

20,8518,0

19,5-23,014,0-22,0

Proteine, % 2,0 0,7-3,7Li ide, % 0,15 0,04 - 1,0Celuloza, % 1,0 0,3-3,5

8


8/46

Substante minerale, % 1,0 0,5-1,0

Amidonul este foarte rspndit n regnul vegetal, constituind rezerva de glucoz a plantelor.

Amidonul este sintetizat de plante din CO2 i H2O sub aciunea luminii solare cu ajutorul clorofilei.

Fazele principale ale sintezei amidonului constau n producerea nti a glucozei, i apoi

condensarea ct mai multor molecule de glucoz, formndu-se, lanul polizaharidic, amidonul.

Din punct de vedere al compoziiei chimice, amidonul nu este o substan omogen, el fiind

alctuit din doi componeni principali.

Deosebirea celor doi componeni este de ordin structural.

Amiloza este un polimer liniar, format din molecule de D-glucoz legate prin legturi (1-4)

glicozidice. Molecula de amiloz are un grad de polimerizare cuprins ntre 500 i 6000 unitati

glicozil.

O

H

O

H

HO

H

OHH

H

OH

O

H

O

H

HO

H

OHH

H

OH

O

H

O

H

HO

H

O

OHH

H

OH

Figura 3.2 Structura liniar a amilozei

Amiloza este solubil n ap cald, dnd o soluie coloidal opalescent, fr s cleifice.Reacioneaz cu iodul dnd o coloraie albastr. Prin hidroliz sub aciunea amilazei se obine

maltoza.

Amilopectina este componentul ramificat al amidonului, format din resturi de -D-glucoz cuplate

n principal cu legturi (1-4) i legturi de ramnificare (1-6) n proporie de 5-6 %.

O

H

O

H

HO

H

OHH

H2C

H

OH

O

H

O

H

HO

H

OHH

H2C

H

O

O

H

O

H

HO

H

O

OHH

H2C

H

OH

O

H

O

H

HO

H

OHH

H

OH

Figura 3.3 Structura amilopectinei

n ap cald, amilopectina formeaz un clei, gelificndu-se.

La receptia cartofilor se determina continutul in amidon cu ajutorul balantelor de amidon

(Reimann, Parow, Eckert) (Eckert, 1987; Goslich, 1984). in locul contjnutului in amidon se foloseste,

9


9/46

astazi, "substanta fermentescibila", prin hidroliza totala a materiei prime cu enzime adecvate si

determinarea glucozei formate prin metoda enzimatica (Senn, 1988).

Materiile auxiliare.Cele folosite la fabricarea alcoolulul sunt:

- maltul verde ;

-preparatele enzimatice microbiene;

sarurile nutritive:- factorii de crestere:

- acidul sulfuric;

- antispumantii;

- antisepticele ;

- dezinfectantii.

Maltul verde este folosit ca agent de zaharificare a plamezilor din cereale si cartofi, datoritacontinutului sau in enzime amilolitice. Se obtine dupa o tehnologie asemanatoare cu cea de

producere a maltului pentru bere, cu deosebirea ca durata de germinare este mai lunga,urmarindu-se acumularea unei cantitati maxime de amilaze.Criteriile care la baza aprecierii caliatti malului sunt: aspectul exterior i activitatea enzimatic. n

tabelul 4 este prentat aprecierea n funcie de activitatea si amilolitic calitii malului

verde.

Tab. 4 Aprecierea calitii maltului verde n funcie de activiatea si amilolitic (Banu, 1998)

Caliatatea malului verde Activiatea amilolitic(SKB)1

Activitatea amilolitic(WK) *

Excepional - peste 450Foarte bun peste 64 401 450Bun 53 64 351 400Satisfactoare 41 52 300 350

Nesatisfctoare sub 41 sub 300

Malul verde este mrunit n mori cu disc sau cu ciocane pe cale umed, fiind transformat ntr-un

lapte nainte de folosirea lui n proces. Cantitatea de ap care este introdus n aceast etap este de

250 300 l/100kg mal verde. Laptelui de mal i se adaug formalin 40%, n cantiti de 150

200 ml la 1000 l plmad, pentru a se mpiedica ulterioarele infecii cu bacterii care ar putea avea

loc n timpul zaharificrii. O alt substan care s-ar putea adauga pentru a stopa aceste este infecii

1* Activitile enzimatice raportate la substana uscat a malului verde.* SKB reprezint grame de amidon solubil dextrinizat de ctre 1 g mal verde, in timp de 60 min la 20C

*(WK) reprezint grame de maltoz rezultate prin aciunea extractului provenit din 100 g mal verde asupra uneisoluii de amidon solubil 2%, in timp de 30 min, la 20C si la pH = 4,3.

10


10/46

este aldehida formic, dar din pacate aceasta nu poate fi eficient dect n primele ore ale

fermentaiei deoarece este transformat fie n acid formic fie n alcool metilic.

Preparatele enzimatice microbienese obtin prin cultivarea in conditii absolut pure a unor

tulpini de bacterii si mucegaiuri pe medii de cultura adecvate,urmata de purificarea preparatului

brut rezultat. In comparatie cu maltul verde, ele prezinta urmatoarele avantaje:

- activitate enzimatica standardizata, care se modifica putin la depozitare;

- - amilaza bacteriana se caracterizeaza printr-o termorezistenta mult mai ridicata (pana la

11OC);

-sunt mai sarace in microorganisme daunatoare;

-se obtin randamente mai ridicate in alcool, deoarece pot hidroliza si alte

poliglucide;-sunt necesare spatii mai reduse la depozitare si transport;

-se economisesc cheltuielile legate de producerea si maruntirea maltului verde.

3.1.3 Analiza parametrilor de operare

Fermentaia alcoolic n condiii industriale folosete substraturi naturale bogate n glucide

fermentescibile, iar viteza de fermentare i transformare a substratului sunt dependente de diferiifactori, cum ar fi: factorii biologici i factori fizico chimici.

Procesul de fermentaie decurge n conditii blnde, n comparaie cu procedeul de sintez al

etanolului. Astfel, temperaturile de fermentare sunt cuprinse ntre 30 i 40C, se lucreaz la

presiune atmosferic sau puin mai mare dect aceasta, n condiii de sterilitate i n lipsa

oxigenului .

n funcie de prezena oxigenului n mediul supus fermentrii, drojdiile se pot comporta astfel: n

imersare, celulele de drojdie produc fermentarea glucidelor, obinnd o cantitate de energie mic(2 moli ATP/mol de glucoz fermentat), de aceea se folosete o cantitate mai mare de zahr

pentru obinere de energie, creterea numrului de celule are loc foarte lent; dac mediu este foarte

puternic aerat, are loc procesul invers fermentaiei, i anume respiraia. Deoarece n prezena

oxigenului oxidarea are loc pn la produii finali (CO2 i H2O) cantitatea de energie este mult mai

mare, pentru acelai echivalent energetic consumndu-se o cantitate mai mic de zahr.

Cantitatea de zahr influeneaz direct proporional viteza de fermentare atunci cand se situeaz n

limite de 5-12%. Cu creterea concentraiei de zahr, anumite drojdii mai sensibile sufer o

inhibare n activitate. Drojdiile de fermentaie sunt osmotolerante i produc fermentaie bun a

11


11/46

substraturilor care au o concentraie de zahr de circa 170-250 g zahr/dm3. Plmezile amidonoase

folosite industrial ca substraturi bogate n zahr, trebuie s sufere o hidroliz enzimatic, n urma

creia sunt transformate n glucoz, maltoz, dextrine cu molecule mici, acestea din urm fiind

transformate n alcool etilic.

pH-ul mediului are un rol important deoarece, n fucie de pH, se cunosc dou forme ale

fermentaiei: fermentaia alcoolic propriu-zis care se desfaoar la pH = 3.5 5, cnd se

formeaz preponderent alcool etilic i dioxid de carbon, cu produi secundari obinui n cantiti

foarte reduse, i fermentaia la pH alcalin, cnd pe lng produii pricipali substratul poate fi

transformat n glicerol pn la 30 % din zahrul fermentat. De obicei, fermentaia alcoolic la

scar industrial, are un pH iniial de 4-6, n funcie de capacitatea de tamponare a mediului. Dac

pH-ul n timpul fermentaiei este mai mic de 5, creterea bacterian este puternic inhibat. Pentru

majoritatea tulpinilor de Saccharomycescerevisiae valoarea pH-ului este situat ntre 2,4-8,6 cu

un optim la 4,5.

Srurile minerale. Substanele chimice existente sau adugate pot influenta procesul de

fermentaie. Fosfaii au o influent pozitiv, deoarece particip la formarea acizilor adenilici i la

formarea esterilor fosforici ai glucidelor, forme n care sunt transportate n celul i fermentate,

conducnd la o dezvoltare rapid a drojdiilor. Dioxidul de sulf se adaug n cantiti mici de 200-

500 mg/dm3 pentru a favoriza activitatea drojdiilor fermentative care sunt sulfitorezistente.

SO2 influeneaz viteza de fermentare., dac doza de SO2 introdus este mai mare, fermentaia

alcoolic este deviat de la forma de baz, conducnd la formarea n exces a glicerolului, a

acidului acetic i a unor cantiti mai mici de alcool etilic.

Fermentaia alcoolic poate avea loc ntre 0 i 35C. n funcie de specia de drojdie folosit

predominant sau folosit n cultura pur, temperaturile optime pentru fermentaia alcoolic se

situeaz n jurul a diferite valori. Pentru Saccharomyces cerevisiae, optimul este n jurul valorii de

28-30C. n procesul discontinuu de fermentaie, temperatura optim de lucru se situeaz puin

sub temperatura optim de cretere. Acest lucru se atribuie inhibiiei datorate etanolului la

temperaturi ridicate. In acest caz, viteza de producere a etanolului este mai mare dect viteza de

transport prin membran. Aceasta conduce la o acumulare de etanol, inhibiia unor enzime i

ulterior moartea celulei.

Fermentaia decurge mai repede dac celulele folosite sunt n faz exponenial de cretere sau la

nceputul fazei staionare de cretere, n timp ce drojdiile autolizate i pierd proprietile

fermentative, ca rezultat al hidrolizei proteinelor intracelulare. Viteza de fermentare depinde i de

numrul de celule/cm3 mediu, viteza crete cu numrul de celule. Aceast concentraie este bine

12


12/46

stabilit n practic din consideraii economice, ea fiind de 106-107 celule/cm3, pentru declanarea

rapid a fermentaiei.

Etanolul este toxic pentru drojdie. Efectul cel mai vizibil este asupra membranei celulare; efectul

cel mai toxic a fost postulat ca distrugerea membranei sau schimbarea proprietilor ei. Etanolul

inhib att creterea ct i producia de alcool ntr-un mod noncompetitiv. La concentraii de pn

la 2%, la majoritatea drojdiilor efectul inhibitor este neglijabil. La concentraii mai mari efectul

etanolului este mai evident. La concentraii de etanol mai mari de 110 g/L, sinteza etanolului se

oprete la majoritatea tulpinilor. Totui, la tulpinile alcoolorezistente, se poate obine etanol chiar

i la concentraii de 20%.

3.1.4 Sursa de microorganisme

Fermentaia alcoolic este un proces anaerob prin care glucidele fermentescibile sunt metabolizate

prin reacii de oxidoreducere, sub aciunea echipamentului enzimatic al drojdiei, n produi

principali (alcool etilic, CO2) i produi secundari (alcooli superiori, acizi, aldehide, etc).

Cele mai utilizate microorganisme sunt drojdiile Saccharomyces, care prin fermentarea glucidelor,

pot s produc mai mult de 80 alcool etilic.

Fermentaia alcoolic este un proces ntlnit i la alte microorganisme: Bacillus macerans,

Clostridium acetonoetilicus, Zymomonas mobilis, acestea produc cantiti mai reduse de alcool

etilic comparativ cu drojdiile i nu sunt folosite foarte des.

n funcie de modul n care drojdiile se comport n timpul fermentaiei acestea se pot clasifica n

urmtoarele categorii:

- de fermentaie superioar;

- de fermentaie inferioar.

Dup un alt criteriu, drojdiile folosite la fermentarea plmezilor fermentescibile se pot clasifica

astfel:

- drojdii lichide pregtite;

- drojdii speciale pentru alcool uscate sau sub form comprimat;

- drojdii de panificaie.

Saccharomyces cerevisiae este un organism cu care se lucreaz uor, deoarece este nepatogen, i

datorit multitudinii de aplicaii aprute de-a lungul timpului n obinerea de produse consumabile,

13


13/46

ca etanolul sau drojdia, a fost clasificat ca organism GRAS (generally regarded as seif = organism

considerat sigur, netoxic). De asemenea, fermentaia i procesele tehnologice de producie la scar

larg cu Saccharomyces cerevisiae fac ca acest organism sa fie atractiv, la ndemn, pentru cteva

scopuri biotehnologice. Un alt motiv important pentru a justifica utilizarea microorganismului

Saccharomyces cerevisiae n cadrul biotehnologiei l reprezint susceptibilitile sale la

modificrile genetice prin tehnologia ADN recombinant, care a fost mai departe nlesnite de

accesul la secvena genomic complet a Saccharomyces cerevisiae.

Drojdia Saccharomyces cerevisiae este unul dintre cele mai simple organisme eucariote, cu o

mrime a genomului de trei ori mai mare dect al bacterieiEcherichia coli. Metabolismul acestei

drojdii este extrem de adaptabil, ea fiind capabil s creasc pe o varietate foarte mare de

substraturi, n condiii favorabile putnd crete n prezena unor concentraii mari de etanol.

Saccharomyces cuprinde 45 de specii de activitate preponderent fermentativ. Dintre toate acestea,

reprezentante sunt: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergensis, Saccharomyces

cerevisiae var. elipsoideus, Saccharomyces bayanus. Pentru fermentaia alcoolic n urma creia

se obine preponderent alcoolul etilic se folosete cel mai adesea Saccharomyces cerevisiae.

Saccharomyces cerevisiae izolat din bere i ulterior din vin, dup cultivarea pe extract de mal

timp de 3 zile, se prezint sub forma unor celule sferice, elipsoidale, cilindrice, alungite, dispuse

izolat sau n perechi i ocazional formeaz lanuri i aglomerri. Celulele de Saccharomyces

cerevisiae au dimensiuni medii de (3-7) (4-14) m.

Se ntlnesc i celule filamentoase care ajung la 30 m lungime. n mediu lichid formeaz

sediment i ocazional un inel incomplet. Drojdiile din acest tip fermenteaz glucoza, galactoza,

zaharoza, maltoza, 1/3 din rafinoz i dextrinele. De asemenea ele asimileaz alcoolul etilic,

glicerina i acidul lactic. Saccharomyces cerevisiae suport bine aciditatea i alcoolul i se

dezvolt optim ntre 25 i 300C. Datorit capacitii lor de a produce alcool (pn la 14%).

Drojdiile din acest tip prezint interes pentru industria fermentativ i n laborator pot fi crescute la

300C, pe mediu complet (extract de drojdie 1%, pepton 2%, glucoz 2% sau K2HPO4 0,2%,MgSO4 0,1%, (NH2)SO4 0,1%, autolizat de drojdie 1%) i sunt utilizate n producia de proteine.

3.1.5 Analiza comparativ a procesului tehnologic

Fermentarea este un proces biochimic care se poate desfura att n regim continuu, ct i n

regim discontinuu. Att regimul continuu, ct i cel discontinuu prezint avantaje i dezavantaje.

14


14/46

Dac comparm un reactor discontinuu (DC) si unul continuu(D), i dac densitateta mediului de

reacie este constant, ecuaiile celor dou reactoare conin aceeai integral i prin urmare, din

punct de vedere al performanei tehnice sunt echivalente.

ns atunci cnd se dorete selectarea tipului de reactor, pe lng identitaea conversiei finale

realizate, trebuie s fie luate n calcul i alte aspecte.

n cazul operarii n regim discontinuu se poate atinge o canversie a substratului mai mare dect n

cazul oprrii continue, deaorece timpul pe care moleculele de substrat l petrec n interiorul

reactorului este mai mare. Reactorul discontinuu este versatil, iar operarea lui este realtiv simpl.

Pe de alt parte manopera este important i automatizarea pretenioas. Reactorul cu deplasare are

o operare pretenios i este rigid n exploatare, necesitnd tehnicitate ridicat a operatorului.

3.2 Fazele procesului tehnologic

Fabricarea alcoolului din cartofi se poate face prin dou grupe deprocedee:

-cu fierbere sub presiune a materiei prime (HDV);

-fara fierbere sub presiune (DSA).

Procedeele clasice (HDV) de producere a alcoolului din cartofi se bazeaz pefierberea sub presiune a materiei prime la 150-165C, care se face in scopul gelificrii i

solubilizarii amidonului, astfel nct acesta s poat fi atacat de catre amilaze la zaharificare.

Aceste procedee prezint urmatoarele dezavantaje:

-consumul de energie termic este ridicat ;

-modul de lucru este, de regul, discontinuu iar posibilitile de recuperare a cldurii sunt

reduse;

-datorita solicitrii termice ridicate a materiei prime (150-165C) se formeaz produisecundari,melanoidine si caramel;

- plmezile obinute nu sunt omogene, iar borhotul rezultat are o valoare furajera mai

sczut.

Procedeele de prelucrare fr presiune (DSA) se bazeaz pe faptul c energia termic

necesar pentru fierberea sub presiune este nlocuit, n mare parte, prin energia de marunire a

materiei prime, astfel ncat amidonul granular sa poatp fi fluidificat si zaharificat. Necesarul de

energie electric pentru marunire variaz, in funcie de gradul de marunire dorit si de procedeul

15


15/46

folosit, intre 16 si 30 kWh /t cereale, fiind mult mai sczut dect necesarul de energie termic de

la fierberea sub presiune.

Recepionarea i depozitarea materiei prime

La recepia cartofilor se determin coninutul n amidon cu ajutorul balanelor de amidon

(Reimann, Parow, Eckert) (Eckert, 1987; Goslich, 1984).n locul coninutului n amidon se

foloseste, astzi, "substana fermentescibil", prin hidroliza totala a materiei prime cu enzime

adecvate si determinarea glucozei formate prin metoda enzimatic (Senn, 1988).

Transportul materiei prime se face fie pe linii rulante mecanizate fie prin descrcarea manual a

sacilor n funcie de tipul de funcionare a procesului continuu, semicontinuu sau discontinuu.

Precurarea materiei prime

Precurirea are rolul de a ndeprta urmele de praf sau alte microorganisme de infecie care

ar putea infecta cultura de drojdie.

Cntrirea

Se folosete un cntar bascul automat, ncrcare-descrcare.

Mrunirea

Mrunirea cartofilor se face n funcie de procedeul de prelucrare aplicat. Procedeul de prelucrare

fr presiune necesit o mrunire optim a materiei prime, astfel nct s se obin randamente

maxime n alcool, cu consum minim de energie.

Printr-o simpl mcinare uscat sau umed nu se poate obine granulaia dorit a mciniului, ceea

ce conduce la o zaharificare incomplet i la o micorare a randamentului n alcool. Din acest

motiv se recomand mai nti o mcinare uscat cu ajutorul unei mori cu ciocane, cu sit cu

ochiuri mari, urmnd ca cea de-a doua mrunire, umed, s se fac dup fluidificare ntr-o moar

cu discuri.

n funcie de modul cum se realizeaz mrunirea, diferitele procedee de obinere ,fr presiune, a

plmezilor din cartofi se pot clasifica astfel: procedee cu mcinare uscat; procedee cu mcinare

umed; procedee cu mcinare uscat i umed; procedeul cu dispersie.

Aceste procedee se pot folosi, n practic, fr recircularea borhotului sau cu recircularea

borhotului.

Fluidificarea

16


16/46

Materia prim cntrit este trimis la moara cu ciocane unde se adaug enzima de fluidificare i

apa de proces. Plmada rezultat este trecut ntr-un schimbtor de cldur n care se nclzete

pn la temperatura de 70-80C, cu ajutorul plmezii care circul n contracurent. Gelifierea

plmezii are loc ntr-un ejector, iar fluidificarea are loc ntr-un fierbtor. Plmada este

omogenizat de o moar cu discuri dup care este rcit ntr-un schimbtor de cldur n spiral

pn la temperatura de zaharificare. Dup ce ajunge la temperatura de zaharificare se adaug

enzima de zaharificare, se las n repaus 30 minute pentru zaharificarea plmezii.Aceast

zaharificare este necesar deoarece drojdiile fermentescibile nu produc amilaze i nu pot produce

hidroliza enzimatic a polizaharidelor. Dup aceasta se continu rcirea pn la temperatura de

20-25C ntr-un schimbtor de cldur cu plci. Avantajul folosirii acestei metode const ntr-o

economie total de energie.

nsmnarea

Pentru fermentarea plmezilor se pot folosi drojdii lichide ( cultivate n fabric ), drojdii speciale

pentru alcool ( uscate sau comprimate ) sau drojdii de panificaie. n ultimul timp se folosesc pe

scar tot mai larg drojdiile uscate n locul celor lichide, deoarece acestea pot fi imediat utilizate

dup o prealabil hidratare, au o bun conservabilitate i se dozeaz mai uor. n cazul drojdiilor

lichide se folosesc 1-3 l /hl plmad, n cazul drojdiilor uscate 10-20g/hl plmad, iar n cazul

drojdiilor comprimate 100-200g/hl plmad. ntr-un gram de drojdie uscat se afl

20-25 miliarde de celule de drojdie.

Drojdiile utilizate trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii:

-s aib o putere alcooligen ridicat,

- s se poat acomoda la plmezile acide din cartofi,

-s declaneze rapid fermentaia,

-s formeze o cantitate mic de spum de fermentare

-s produc o cantitate ct mai mic de hidrogen sulfurat i alte substane de gust i arome

nedorite.Se observ c drojdiile lichide i drojdia comprimat au o putere alcooligen mai sczut dect

majoritatea drojdiilor uscate, astfel nct costurile mai mari ale drojdiilor uscate se compenseaz n

scurt timp prin randamente mai ridicate n alcool.

Cultivarea drojdiilor n fabric se face prin procedeul simplificat cu acid sulfuric, astfel nct se

poate lucra mai mult timp fr a se procura o nou drojdie.

Fermentarea

Fermentarea plmezii principale are o durat de 72 de ore i cuprinde cele trei faze:- faza iniial, circa 22 de ore;

17


17/46

- faza principal, circa 18 ore;

- faza final, circa 32 de ore.

Pentru scurtarea duratei de fermentare pn la 48 de ore, se pot folosi urmtoarele metode:

- pornirea fermentaiei la temperatur mai mare de 24-25C, prin care se reduce faza iniialla 4-6 ore,

- folosirea de borhot lichid recirculat (maximum 60%) la obinerea plmezii prin care se

declaneaz mai rapid fermentaia, scurtndu-se faza iniial pn la 2-3 ore;

- utilizarea unei cantiti mai mari de lapte de slad pentru a asigura cantiti suficiente de

amilaze, pentru zaharificarea secundar;

- folosirea unei cantiti mai mari de plmad de drojdie de 10-15%;

- conducerea fermentaiei la temperaturi mai ridicate de 35-36C;- folosirea preparatelor enzimatice microbiene, care produc o hidroliz mai avansat a

amidonului pn la glucoz, fr formare de dextrine limit, scurtndu-se faza final a

fermentaiei.

Controlul microbiologic al plmezilor de cartofi este important pentru stabilirea strii fiziologice a

drojdiilor i pentru depistarea microorganismelor de infecie. Astfel, n plmezile de drojdie

trebuie s varieze ntre 50 i 300106 celule/ml de plmad. Valorile sub 50106 celule/ml denot o

multiplicare slab a drojdiei. Infeciile bacteriene sunt periculoase deoarece consum zahr pentrumetabolismul propriu, iar acizii organici formai (lactic, butiric) inhib activitatea drojdiei. De

asemenea, n urma infeciilor cu bacterii are loc o cretere a coninutului n acrolein a alcoolului

produs aceasta putnd fi redus printr-o acidulare special a plmezii principale i a plmezii de

drojdie.

Distilarea

Plmada fermentat este un amestec apos de diferite substane aflate n soluie sau n suspensie, fie

provenite din materiile prime i auxiliare, fie produse ale fermentaiei alcoolice. Concentraia

alcoolic a plmezii variaz ntre limite foarte largi, cuprinse ntre 6 i 12% vol., n funcie de

materia prim prelucrat n procesul tehnologic aplicat. Separarea alcoolului etilic din acest

amestec se bazeaz pe diferena de volatilitate dintre alcool i ap. Se observ antrenarea unor

produse secundare de fermentaie cu alcoolul la distilare motiv pentru care se recurge la o rafinare.

n urma distilrii rezult borhot i alcool brut.

Rafinarea

18


18/46

Rafinarea este operaia de purificare i concentrare n alcool, a alcoolului brut, n vederea obinerii

alcoolului etilic rafinat, cu concentraie alcoolic de circa 96% vol. Rafinarea se poate face pe cale

fizic (rectificare) sau pe cale chimic.

Rafinarea chimic const n tratarea alcoolului brut cu substane chimice, n vederea transformrii

unor impuriti din form volatil n form nevolatil (fix). Separarea impuritilor prin rectificare

se bazeaz pe diferena de volatilitate i solubilitate a amestecului alcool etilic-ap. n urma

rectificrii rezult fruni, cozi, ulei de fuzel i alcool rafinat.

3.3 Schema bloc al etapelor procesului de obinere al alcoolului i schema instalaiei

tehnologice

19


19/46

CartofiAp

proces Drojdie

Fluidificare

Rcire 35C

Zaharificare

Rcire

Inoculare

Rcire

Rectificare

Distilare

simpl

Fermentare

Alcool

etilic

Apluter

H2SO

4

Prefermentare

Multiplicaren

laborator

CO

2

Fruni

Cozi

Bor-

hot

Enz.zah.

Enz.fl.

20


20/46

SC Schimbtor de cldur 1 - Transportor elicoidal

R Blaz 2 - Cntar

P Produs 3 - Moar

MP Materie prim 4 - Fierbtor

AS Ap de splare 5 - Zaharificator

AR Ap rezidual 6 - Reactor

7 - Coloan de distilare

8 - Coloan de rafinare

9 - Rezervor CO2

10 - Rezervor enzime fluidificare

11 - Rezervor enzime zaharificare

12 - Rezervor plmad drojdie

21


21/46

4. Locul i rolul bioreactorului

4.1 Stoechiometria reaciei

Procesele de biosintez pot fi considerate ca o transformare a substratului n prezena oxigenului

(pentru procese aerobe) i/sau a unei surse de azot, de obicei NH3 sau sruri de amoniu (pentru

procesele anaerobe).

Indiferent de tipul procesului biologic, aerob sau anaerob, acesta poate fi exprimat cu ajutorul

ecuaiiilor stoichiometrice.

Aceasta este un proces anaerob prin care glucidele fermentescibile sunt metabolizate prin reaciienzimatice de drojdie. n timpul fermentaiei se obin produi primari i secundari, acetia

provenind din dou reacii care se desfoar n paralel. Astfel o parte din nutrieni sunt

comsumai de celul pentru a se multiplica, iar cealalt parte din nutrieni sunt consumai prin

transformare n alcool etilic i dioxid de carbon.

Ecuaia stoichiometric de transformare a substratului n produi este:

1,3 C6H12O6 + 0,2 NH3 CH1.8N0.2O0.5 + 2,3 CO2 + 2,25 C2H5OH +0,45 H2O.

O reacie biochimic se poate scrie schematic:

S X + P

Cantitile transformate i formate n cursul unui proces biologic pot fi exprimate prin mai multe

variabile de transformare:

- randamentul de utilizare a substratului, Yxs

S

XYxs = g/g sau g/mol

unde: X cantitateade biomas format, g/l;

S cantitatea de substrat consumat g/l sau mol/mol.

- conversia, xs

so

sso

s

c

ccx

=

unde: cso-cs cantitatea de substrat transformat;cso cantitatea iniial de substrat.

22


22/46

4.2 Caracterizarea microbiologic i fiziologic a tulpinii microbiene folosite

Saccharomyces cerevisiae face parte din regnulProtista, fiind un microorganism unicelular de tip

eucariot. Se reproduce asexuat, prin, nmugurire sau diviziune, i sexuat, prin spori. Se ntlnete

n toate mediile de via : sol, ap, pe suprafaa fructelor,florilor, tulpini unor plante, la animale i

om n tubul digestiv. Celulele au diametre cuprinse ntre 4 14 m, cu form oval sau

elipsoidal. n medii de cultur lichide fermenteaz glucide, producnd tulburarea mediului, iar pe

medii solidificate formeaz colonii circulare cu profil neted sau lenticular i cu marginea uniform

sau ondulat, cu aspect mat, cremos, de culoare alb-crem, cu diametrul 0,2-2 cm.

Necesit n mediul de cultur o surs de carbon, o surs de azot, sruri minerale i factori decretere.Temperatura optim de cretere este de 28 30 C, iar pH-ul optim este de 4-5 unitai de

pH.

Pentru a putea fi folosite n practic, drojdiile din acest gen sunt studiate i selecionate n funcie

de unele proprieti care le recomand pentru utilizare industrial precum:

- puterea alcooligen se refer la concentraia maxim de alcool, exprimat n

ml/100 ml ce poate rezulta n urma fermentaiei cu o anumit specie de drojdie.

Saccharomyces cerevisae pot produce 16 18%;- alcoolorezistena se refer la proprietatea drojdiilor de a rezista la concentraii

de alcool mai mari de 8%, drojdiile care nu rezist sunt inhibate;

- sulfitorezistena proprietatea de a rezista la concentraii cuprise ntre 200-500

mg SO2/dm3. Tulpinile de Saccharomyces cerevisae sunt rezistenta la SO2, adesea

pentru inhibarea drojdiilor slab alcooligene este introdus SO2;

- osmofilia proprietatea de a fermenta substraturi dulci cu concentraii ridicate

de zaharuri;- frigofilia proprietatea de o produce fermentaie la temperaturi sczute. Este

important pentru pstrarea compuilor de gust la obinerea vinului;

- caracterul killer proprietatea de a produce killin, care inhib dezvoltarea

drojdiilor nsoitoare care pot duce la distrugerea procesului parial sau total.

4.3 Calculul efectului termic

23


23/46

tiind entalpiile de formare a compuilor care intervin n reactia biochimic ce are loc n reactor

putem calcula cldura de reacie raportat la un mol de biomas, care se calculeaz cu formula:

= fjr HH

unde: Hreste entalpia de reacie,

j reprezint coeficientul stoechiometric al componetului (convenional se iau cu

reactanii, iar cu + produii) ,

Hfreprezint entalpia de formare a fiecrui conpus.

n tabelul urmtor se dau entalpiile de formare a componenilor mediului de reacie:

Tabelul nr.5

Compus C6H12O6 NH3 CH1,8N0,2O0,5 CO2 C2H5OH H2OHi0

[kJ/mol]-1264 -133 -91 -394,1 -288 -286

Hrse calculeaz cu formula urmtoare:

Hr= -1.3(-1264) - 0.2(-133) + 1(-91) + 2.3(-394.1) + 2.25(-288) + 0.45(-286)

Hr= -104.33 kJ/mol

4.4 Modele cinetice pentru transformarea microbian

Pentru a produce etanol prin fermentaie n mod eficient, este de dorit s reinem o concentraie

mare de drojdie productoare de etanol n fermentator. n acest scop, reciclarea celulelor prin

separri cu membrane este una dintre cele mai promitoare abordri pentru viitor. Pn acum,

fermentatoarele cu amestecare continu cuplate cu filtrele membran n procesul de reciclare a

celulelor au fost folosite foarte mult n experienele de laborator. Ca rezultat, productivitile

volumetrice de etanol ale acestor tipuri de fermentatoare s-au dovedit a fi mult mai mari dect n

cazul culturilor continue de tip batch i a celor cu celule imobilizate.

Analiznd datele experimentale obinute prin procedeul celulelor reciclate pentru producia de

etanol, s-au propus diferite modele biocinetice care includ efectele inhibitorii ale etanolului i

celulelor. Este un lucru bine tiut c producia de etanol i creterea celulelor sunt inhibate de

etanol ntr-un mod necompetitiv.

Atfel au fost propuse mai multe modele cinetice care pot fi utilizate n procese continue cu

recircularea celulelor pentru obinerea de etanol. Printre aceste sunt: modelul Damino, modelulJarzebski, modelul Groot i modelul Warren.

24


24/46

5. Bilanul de material i termic pentru instalaie

5.1 Bilan de materiale pentru aparatele instalaiei

Pentru dimensionarea reactorului, trebuie s facem, n prealabil, bilanul de materiale pe ntreaga

instalaie, determinand debitele care intr n fiecare aparat i cantitatea de cartofi necesar obinerii

produciei impuse n datele de proiectare..

Cunoscnd producia de etanol, P, care trebuie s se obin din instalaie (P = 20000t/an), putemafla producia de alcool care se realizeaz ntr-o or, tiind c instalaia funcioneaz 8000 h/an, i

anume:

alcoolh

kg2500P

t

PP

=

=

Din tabelul de productivitate din Manualul Inginerului de Chimie Alimentar, Banu, C.,

reiese c:100 kg cartofi..........20 kg amidon........12 l alcool..........9,47 kg alcool

Pc kg cartofi.............y kg amidon....................................P kg alcool (2500)

unde: Pc cantitatea de cartofi ce trebuie introdus n instalaie pentru a obine producia de alcoolimpus, kg;y cantitatea de amidon rezultat din cartofi.Astfel se obine:Pc = 26400 kg/h cartofiy = 5280 kg/h amidon

Moara

n moar are loc mcinarea materiei prime i fluidificarea porumbului mcinat, pentru ca apoi s

fie fie introdus in zaharificator.

Bilanul de materiale pe moara este:

Pc + Af+ Ef= Plf

25


25/46

unde: Plfreprezint cantitatea de plamad fluidificat care iese din moar,

Afeste cantitatea de ap necesar fluifidicrii,

Efreprezint catitatea de enzime de fluidificare.

Enzime de fluidificare (Ef)

Cartofi (Pc) Plmad fluidificat (Plf)

Ap (Af)

Conform Banu,C.-Manualul Inginerului de Chimie Alimentar pentru fluidificarea a 1000 kg

amidon sunt necesare 300 ml enzime de fluidificare i c la 1000 kg cartofi supuse fluidizrii este

necesar 1 m3 de ap.

tiind cantitatea de amidon ,de 5280 kg, i densitatea apei, ap = 1000 kg/m3 ,reiese din calcule c

necesarul de ap n operaia de fluidizare, Afeste de:

apkg26400A

1000

A

f

apf

=

=

cP

iar cantitatea de enzime necesare fluidificrii, Ef, dac enzime fluid = 1000 kg/m3 este de:

refluidificadeenzimekg/h1.584E

1000

10300yE

f

fluidenzim6

f

=

=

Din bilanul de materiale realizat pe moar se poate determina plamada fluidificat ce iese din

moar:

kg/h52802Pl

EPAPl

f

fcff

=

++=

Zaharificator

Enzimele de zaharificare transform amidonul rezultat n etapa anterioar n glucoz.

Bilanul pe zaharificator este:

Plf + Ezah = Plzah

unde: Plzah reprezint cantitatea de plamad zaharificat ce iese din zaharificator,

26

MOAR


26/46

Ezah este cantitatea de enzime necesar zaharificrii.

Enzime de zaharificare (Ezah)

Plmad fluidificat (Plf) Plmad zaharificat (Plzah)

Din tabelul de productivitate dinBanu,C.-Manualul Inginerului de Chimie Alimentar se stie c la

1000 kg amidon necesarul de enzime de zaharificare este de 1200 ml, se mai cunoate i c enzime

zah = 1000 kg/m3, astfel se poate determina cantitatea de enzime necesare zaharificrii, i anume:

refluidificaenzimekg/h6.336E

1000

10001012005280E

1000

101200yE

zah

6

zah

zahenzim6

zah

=

=

=

Din ecuaia de bilan se poate determina cantitatea de plmad zaharificat care iese din

zaharificator:

tzaharificaplamad kg/h52810Pl

PlEPl

zah

fzahzah

=

+=

Fermentator

n fermentator are loc reacia propriu-zis, n urma creia substratul (glucoza) este transformat n

produs (alcoolul etilic). Glucoza este transformat n alcool etilic i n ali produi secundari, dar n

cantitate mai mic.

n bioreactor intr cantitatea de plmad zaharificat Plzah, cantitatea de drojdie Dj, i iese

cantitatea de plmad fermentat Plferm i cantitatea de CO2, DCO2, deci bilanul este:

Plzah + Dj = DCO2 + Plferm

unde: Plferm este cantitatea de plmad fermentat rezultat din fermentator,DCO2 este cantitatea de CO2 degajat n urma reaciei ,

27

ZAHARIFICATOR


27/46

Dj este cantitatea de drojdie necesar fermentrii substratului.

CO2 (DCO2)

Plamada zaharificat (Plzah)

Plamada fermentat (Plferm)

Drojdie (Dj)

Conform Banu, C.,-Manualul inginerului de chimie alimentar,cantitatea de drojdie care trebuie

introdus n fermentator, Dj, se consider 10 % din plamada zaharificat. Astfel:

Dj = 0.1 Plzah

Dj = 5281 kg/h

Stoechiometria recaiei ce are loc n reactor este:

1,3 C6H12O6 + 0,2 NH3 CH1.8N0.2O0.5 + 2,3 CO2 + 2,25 C2H5OH +0,45 H2O

Cunoscndu-se masele moleculare pentru:

-glucoz Mgluc = 180 kg/mol,

-celule Mcelule = 24 kg/mol,

-alcoolul etilic Malc = 46 kg/mol,

-dioxidului de carbon MCO2 = 44 kg/mol ,

-amidonului Mamidon = 162 kg/mol,

se pot calcula, n funcie de stoechiometria reaciei, cantitile care trebuiesc obinute n urma

reaciei.

Cantitatea de glucoz, z, care se consum n reacie este:

kg/h5866z

M

Myz

amidon

gluc

=

=

Din stoechiometria reaciei rezult c:

28

FERMENTATOR


28/46

gluc

celuleferm

M1.3

MzDj

= gluc

CO2CO2

M1.3

M2.3zD

= gluc

alcbrut

M1.3

M2.25zAl

=

unde: Djferm este cantitatea de drojdie care se formeaz n timpul reaciei, Albrut reprezint cantitatea

de alcool care rezult n urma reaciei. Astfel se obin:

Djferm = 601,69 kg/h DCO2 = 2537 kg/h Albrut = 2594,789kg/h

Din bilanul de materiale pe fermentator rezult c, plamada fermentat care iese din reactor este:

Plferm = Plzah + Dj DCO2

Plferm = 55554 kg/h

Separare drojdie

Deoarece cantitatea de alcool care rezult n urma fermentrii nu este foarte mare, iar pe lng

alcool etilic plamada fermentat contine i drojdii care s-au dezvoltat n timpul fermentaiei, este

necesar ca plmada fermentat s fie separat de aceste drojdii, nainte de a se introduce n coloana

de distilare.

Bilantul pentru aceast operaie este:

Plferm = Pldist + Djs

unde: Pldist este cantitaea de plamad care se introduce n coloana de distilare,

Djs este cantitatea de drojdie care se separ din plmada fermentat, se calculeaz cu relaia:

Djs = Dj + Djferm

Plamad fermentat (Plferm)Plamad distilat (Pldist)

Drojdie (Djs)

Din relaia de mai sus se obtine o cantitate de drojdie care se separ Dj s = 5882 kg/h, iar plamada

care merge mai departe n operaia de distilare Pldist = 49672 kg/h.

Coloana de distilare

Plmada fermentat este un amestec de ap, produse de fermentare i alte produse pe care le

aduce materia prim iniial; n plmezile fermentate concentraia n alcool etilic este 8-11%. Prin

distilare n coloana de distilare se elimin din amestecul de alcool, nti frunile cu temperatura de

fierbere mai mic dect alcoolul, apoi trece acesta i la final compuii cu temperaturi de fierbere

29

SEPARATORDROJDIE


29/46

mai ridicate. Impuritile cele mai volatile prsesc primele coloana de distilare, pe msur ce

nclzirea continu distil alcoolul iar n la final rmn cozile.

Bilanul pe coloana de distilare este:

Pldist + As = Albrut + Bh

unde: As- este cantitatea de ap de splare adugat la distilare,

Bh - borhotul obinut n urma distilrii.

Plamad distilat (Plferm)

Ap splare (As) Alcool brut distilat (Albrut)

Borhot (Bh)

Din Manualul Inginerului de Chimie Alimentar se cunoate c la 100 l plmad fermentat se

obin 110 l borhot. Cantitatea de borhot care rezult n urma distilrii este:

100

110PlB dist =

h

Bh =54639 kg/h

Din bilantul de material pe coloana de distilare se poate determina cantitatea de ap de splare care

trebuie introdus n coloan.

As = Albrut + Bh - Pldist

As = 7562 kg/h

Coloana de rectificare

Se realizeaz n coloana de rectificare i are scop concentrarea alcoolului etilic brut, n cazul de

fa pn la o fracia masic a distilatului de 0.96 alcool. Alcoolul obinut prin aceast operaie

atinge maximul de concentraie, de aceea se numete alcool rafinat.

Bilantul de coloana de rectificare este:

Albrut = Alraf+ R

unde: Alrafeste cantitatea de alcool rafinat obinut dupa rectificare i este egal cu producia (P),R este cantitatea de reziduu care se obine n blazul coloanei de rectificare.

30

COLOANDISTILARE


30/46

Alcool brut (Albrut) Alcool rafinat (Alraf)

Reziduu (R)

Cunoscndu-se cantitatea de alcool care se obine se poate determina din bilanul de materiale

cantitatea de reziduu care se obine n coloana de rectificare, i anume:

R = Albrut Alrafinat

R = 94,789 kg/h

Verificarea bilanului de materiale

Pc + Af+ Ef + Dj + As DCO2 Djs Bh Alraf R = 2,72810-12

Deoarece diferena este foarte mic ntre debitele introduse n instalaia de obinerea a alcoolului

etilic i cele evacuate din instalaie, bilanul de material pe instalaia de obinere a alcoolului etilic

se verific.

5.2 Bilanul termic pe reactor

Cldura de reacie este preluat de ctre agentul termic, reprezentat de apa dedurizat.

Ecuaia bilantului termic este:

(-rH) vrx V = Dma cp (te ti)

unde: Dma debitul de agent termic necesar prelurii caldurii formate n timpul reaciei,

V volumul recatorului,

vrx este viteza de formare a biomasei,

cp cldura specific a agentului termic,

31

COLOANA

RECTIFICARE


31/46

te temperatura de ieire a agentului termic,

ti temperatura de intrare a agentului termic.

6. Dimensionarea reactorului

6.1 Calculul duratei de reacie pentru modelul cinetic ales i condiiile de operare

6.1.1 Ecuaiile modelului

Pentru calculul timpului de fermentare, precum i pentru a vedea dependena concentraiei de

celule cx, concentaia de substrat cs, concentraia de produs cp funcie de timp, se utilizeaz

modelul studiat de Groot n anul 1992. Ecuaiile acestui model sunt:

m 1P

Pm

n

Ysx1

Yxs

ms

S X, P,( )+

q Ysx

Yps q

unde: este viteza specific de cretere, h-1 ;

m viteza specific de cretere maxim, h-1;

P concentraia produsului kg/m3;

Pm concentraia maxima de produs, kg/m3;

q viteza specific de consum a substratului,

ms consumul necesar pentru ntreinere,

n parametrul modelului ales;

32


32/46

q viteza specific de consum a substratului, h-1;

viteza specific de formare a producsului, h-1;

Yxs randamentul de utilizare al substratului, g/g;

Yps randamentul de formare al produsului, g/g.

Parametrii modelului ales sunt:

m = 0.25 h-1 n = 1 ms = 0.66 kg/kgh Pm = 78 kg/m3 Yxs = 0.096 kg/kg

6.1.2 Soluionarea ecuaiilor

Integrarea celor 3 ecuaii difereniale se realizeaz utiliznd metode numerice de integrare. Printre

metodele numerice care pot fi folosite la soluionarea acestor ecuaii sunt: metoda Euler i

algritmul Runge Kutta.

Metoda Euler de soluionare a ecuaiilor are urmtorul algoritm:

cs(k+1) = cs(k) + (dcs/dt)(k) t

cx(k+1) = cx(k) + (dcx/dt)(k) t

cp(k+1) = cp(k) + (dcp/dt)(k) t

cunoscndu-se concentraiile iniiale ale substratului, celulelor i al produsului: c s0 = 150 g/l;

cx0 = 0.3 g/l; cp0 = 0 g/l i pasul de integrare t = 0.1 h.

tiind c:

dcs

dtvrs

dcx

dtvrx

dcp

dtvrp

se poate determina concentraiile substratului, celulelor i a produsului la pasul unul de

integrare.

Din calcule reiese c:

cs(1) = 149.902 kg/m3 cx(1) = 0.308 kg/m3 cp(1) = 0.038 kg/m3

Descrierea metodei Runge Kuta pe scurt:

xn+1 = xn + h

yn+1 = yn + (1/6)(k1 + 2k2 + 2k3 + k4)

unde:

k1 = h f(xn, yn)

k2 = h f(xn + h/2, yn + k1/2)

k3 = h f(xn + h/2, yn + k2/2)

33


33/46

k4 = h f(xn + h, yn + k3)

Pentru integrare s-a ales modelul Groot, deoarece conversia de 0.8 este atinsa n cel mai scurt timp

cu acest model.

n cele ce urmeaz mai jos este prezentat programul de rezolvare al modelului cinetic folosind

programul de calcul Mathcad.

a 0.3

0

:=D t a,( ) Vrxa0 a1, a2,( )

Vrp a0

a1

, a2

,( )

:=

unde: a este matricea valorilor de start;

16.4 este valoare timpului de reacie necesar atingerii conversiei de 0.8 n reactor,

D matricea variabilelor ce trebuie s fie determinate,

0 i 100 reprezint numrul de valori pe care vrem sa le afieze.

Mai jos se regasesc primele i ultimele 20 valori ale timpului (coloana 0), ale concentraieisubstratului (coloana 1), ale celuleor (coloana 2) i ale produsul (coloana 3).

34


34/46

z

0 1 2 3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

2 0

0 1 5 0 0 . 3 0

0 . 1 6 4 1 49 . 8 3 6 0 . 3 1 3 0 . 0 6 2

0 . 3 2 8 1 49 . 6 6 5 0 . 3 2 6 0 . 1 2 6

0 . 4 9 2 1 49 . 4 8 8 0 . 3 3 9 0 . 1 9 3

0 . 6 5 6 1 49 . 3 0 3 0 . 3 5 3 0 . 2 6 2

0 . 8 2 1 4 9 . 1 1 0 . 3 6 8 0 . 3 3 5

0 . 9 8 4 1 4 8 . 9 1 0 . 3 8 3 0 . 4 1

1 . 1 4 8 1 48 . 7 0 2 0 . 3 9 9 0 . 4 8 9

1 . 3 1 2 14 8 . 4 8 5 0 . 4 1 6 0 . 5 7

1 . 4 7 6 1 48 . 2 5 9 0 . 4 3 3 0 . 6 5 5

1 . 6 4 1 4 8 . 0 2 4 0 . 4 5 1 0 . 7 4 4

1 . 8 0 4 1 4 7 . 7 7 9 0 . 4 7 0 . 8 3 6

1 . 9 6 8 1 47 . 5 2 5 0 . 4 8 9 0 . 9 3 2

2 . 1 3 2 1 4 7 . 2 6 0 . 5 1 1 . 0 3 1

2 . 2 9 6 1 46 . 9 8 5 0 . 5 3 1 1 . 1 3 5

2 . 4 6 1 4 6 . 6 9 8 0 . 5 5 2 1 . 2 4 2

2 . 6 2 4 1 46 . 4 0 1 0 . 5 7 5 1 . 3 5 5

2 . 7 8 8 1 46 . 0 9 1 0 . 5 9 9 1 . 4 7 1

2 . 9 5 2 1 45 . 7 6 9 0 . 6 2 3 1 . 5 9 2

3 . 1 1 6 1 45 . 4 3 4 0 . 6 4 9 1 . 7 1 8

3 . 2 8 1 4 5 . 0 8 6 0 . 6 7 5 1 . 8 4 9

= z

0 1 2 3

8 0

8 1

8 2

8 3

8 4

8 5

8 6

8 7

8 8

8 9

9 0

9 1

9 2

9 3

9 4

9 5

9 6

9 7

9 8

9 9

1 0 0

1 3 . 1 2 7 7 . 7 5 7 5 . 5 9 2 2 7 .1 8 8

1 3 . 2 8 4 7 5 . 5 7 9 5 . 7 4 2 2 8 .0 0 7

1 3 . 4 4 8 7 3 . 3 7 5 . 8 9 4 2 8 . 8 3 8

1 3 . 6 1 2 7 1 . 1 3 1 6 . 0 4 7 2 9 .6 8 1

1 3 . 7 7 6 6 8 . 8 6 2 6 . 2 0 1 3 0 .5 3 5

1 3 . 9 4 6 6 . 5 6 6 6 . 3 5 6 3 1 .3 9 9

1 4 . 1 0 4 6 4 . 2 4 3 6 . 5 1 2 3 2 .2 7 3

1 4 . 2 6 8 6 1 . 8 9 5 6 . 6 6 9 3 3 .1 5 7

1 4 . 4 3 2 5 9 . 5 2 5 6 . 8 2 7 3 4 .0 4 9

1 4 . 5 9 6 5 7 . 1 3 2 6 . 9 8 5 3 4 .9 4 9

1 4 . 7 6 5 4 . 7 2 7 . 1 4 3 3 5 . 8 5 7

1 4 . 9 2 4 5 2 . 2 9 7 . 3 0 1 3 6 . 7 7 2

1 5 . 0 8 8 4 9 . 8 4 4 7 . 4 5 9 3 7 .6 9 2

1 5 . 2 5 2 4 7 . 3 8 4 7 . 6 1 7 3 8 .6 1 8

1 5 . 4 1 6 4 4 . 9 1 1 7 . 7 7 5 3 9 .5 4 9

1 5 . 5 8 4 2 . 4 2 8 7 . 9 3 1 4 0 .4 8 3

1 5 . 7 4 4 3 9 . 9 3 6 8 . 0 8 7 4 1 .4 2 1

1 5 . 9 0 8 3 7 . 4 3 8 8 . 2 4 2 4 2 .3 6 1

1 6 . 0 7 2 3 4 . 9 3 6 8 . 3 9 6 4 3 .3 0 3

1 6 . 2 3 6 3 2 . 4 3 1 8 . 5 4 8 4 4 .2 4 5

1 6 . 4 2 9 . 9 2 6 8 . 6 9 9 4 5 . 1 8 8

=

Variaia concentraiilor substratului (S), ale produsului (P) i ale celulelor (X) sunt reprezentategrafic n figura 6.1.

Fig. 6.1 Variaia concentraiei de substrat, produs i celule n timp

0 5 10 15 200

50

100

150

150

0

S

P

X

16.40 t

35


35/46

Tot din integrarea modelului cinetic ales se poate determina viteza de consumare a substratului

(vrs), viteza de formare a celuleor (vrx) i viteza de formare a produsului (vrp). n figura 6.2 este

reprezentat variaia n timp ale celor trei viteze.

Fig. 6.2 Variaia vitezelor de consumare/formarea a componenilor

care intervin n reacia chimic

0 5 10 15 200

5

10

15

20

15.276

0.075

Vrxi

Vrs i

Vrp i

16.40 ti

Viteza de formare a celulelor prezint un maxim care este evitenia n figura 6.3. Variaia vitezei

specifice de cretere a celulelor cu timpul este reprezentat n figura 6.4.

Fig. 6.3 Variaia vitezei de formare a celulelor n

timp

Fig 6.4 Variaia vitezei specifice de cretere a

celulelor cu timpul

36


36/46

0 5 1 0 1 5 2 00

0 .5

1

0 . 9 6 5

0 . 0 7 5

V rxi

1 6 . 40 ti

0 5 10 15 200.1

0.15

0.2

0.25

0.25

0.105

16.40 t

6.2 Calculul duratei pe o arj

Pentru determinarea volumului i numrului de reactoare este necesar s tim durata unei arje.

Din integrarea modelului cinetic rezult timpul necesar reaciei, i anume: tr= 16.4 h.

Timpul necesar unei arje se calculeaz cu formula urmtoare:

t = tr+ taux

unde taux este timpul auxiliar unei arje. Timp auxiliar este suma dintre timpul ncrcrii

bioreactorului, timpul descrcrii bioreactorului i timpul curirii bioreactorului. Cunoscndu-se

c timpii necesari ncrcrii, descrcrii i curirii reactorului sunt de 0.5 h pentru fiecare, timpulunei arje este egal cu:

t = 16.4 + 0.5 + 0.5 + 0.5

t = 17.9 h

6.3 Determinarea volumului bioreactorului, geometria i amenajrile interioare

Pentru determinarea geometriei reactorului este necesar s se cunoasc volumul bioreactorului.

Pentru aceasta este necesar s se determine numrul de arje anuale (n) i producia care se obine

pe fiecare arj (P).

Numrul de arje se poate determina mprind numrul de ore anuale care lucreaz reactorul la

durata unei arje. Cunoscndu-se c numrul de ore de funcionare anual a biorecatorului este

8000 h/an, se obine:

n = 447 arje/an

37


37/46

Producia care se realizeaz o arj se calculeaz cu formula:

P = P/n

P = 44743 kg/arj

Astfel volumul de reacie se poate determina cu formula finalp,

c

PVr= , obinndu-se un volum de

reacie de Vr = 990,143 m3.

Volumul total al bioreactoarului este mai mare dect volumul de reacie deoarece coeficientul de

umplere este = 0.7, astfel se obine un volum total de V = 1414,49 m3.

Deoarece din pucnt de vedere tehnic nu se poate realiza un bioareactor cu un volum att de mare,

soluia constructiv este s se foloseasc mai multe reactoare de 100 m3.

Astfel numrul de bioreactoare necesare pentru atingerea produciei impuse este de

15 bioreactoare,fiecare avnd capacitatea de 100cm.

6.4 Verificarea regimului termic

Deoarece reacia de fermentare este o reacie exoterm este necesar ca masa de reacie s fie

meninut la o temperatur constant, creterea temperaturii masei de reacie ar putea conduce la

lezarea celuleor care produc fermentaia i astfel nu se mai atinge conversia dorit.

Bilantul termic pe bioreactor este:

(-rH) vrx V = Dma cp (te ti)

unde: vrx este viteza de formare a biomasei,

V volumul recatorului,

Dma debitul de agent termic necesar prelurii caldurii formate n timpul reaciei,

cp cldura specific a agentului termic,

te temperatura de ieire a agentului termic,

ti temperatura de intrare a agentului termic.

Viteza de formare a biomasei este o funcie care variaz n timp, ea atinge un maxim, atunci cnd

celule au ajuns n starea exponenial de cretere, iar apoi ncepe s scad. Deoarece debitul de

agent termic este dependent de viteza de formare a celulelor rezult c i el are o variaiei n timp

asemntoare vitezei de formare a celulelor.

38


38/46

Mai jos sunt prezentate primele i ultimele valori ale debitului de agent termic necesar pentru ca

bioreactorul s funcioneze izoterm.

Variaia n timp a debitului de agent termic este redat n figura 6.5.

Fig. 6.5 Variaia debitului de agent termic n timp

0 5 10 15 200

50

100

150

120.209

9.345

Dma i

16.40 ti

Dmai

114.641

115.711

116.679

117.539

118.288

118.92

119.431

119.819

120.079

120.209

120.206

120.067

119.792

119.378

118.826

118.134

117.304

116.335

115.229

113.988

=Dmai

9.345

9.728

10.126

10.54

10.97

11.417

11.881

12.362

12.863

13.382

13.921

14.48

15.061

15.662

16.287

16.934

17.605

18.3

19.021

19.767

=

39


39/46

7. Predimensionarea mecanic a bioreactorului

Schi constructiv a bioreactorului este prezentat n figura 7.1.

Figura 7.1Bioreactor de fermentatie n care: h = nalimea prii cilindrice a capacului;Hcs = nlimea prii sferice a capacului;

Hc = nlimea total a capacului;

H = nlimea prii cilindrice a bioreactorului;

Hm = nlimea mantalei;

D = diametrul interior al bioreactorului.

Se definete un coeficient de zveltee, S = H/D.

Alegem S = 2

Vreactor = 2 . Vcapac + Vcilindru

Vcilindru =2

DD2

4

DH

4

D 322 =

=

Vcapac = )H(h4

Dcs

2

+

Conform STAS 7949-98 se adopt h = 50 mm, iar Hcs = 0.25 D

Vcapac =16

D)

4

D(h

4

D32

=+

Din cauza c h este foarte mic n raport cu diametrul bioreactorului, acesta se poate neglija,

rezultnd relaia:

Vreactor =2

D

16

D2

33 +

n urma calculelor rezult un diametru D = 3.70 m. Din STAS 8815 / 3 -79 se alege diametrul

standard pentru bioreactorul de D = 3.8 m.

nlimea bioreactorului este H = 2D, obinndu-se H = 7.8 m.

Capacele bioreactorului se aleg din STAS 8815 / 3 -79avnd diametrul D = 3.8 m, nlimea prii

cilindrice, Hcs se calculeaz:

Hcs = 0.25D = 0.95 m

h = 50 mm = 0.05 m.

Astfel nlimea capacului este: HC = Hcs + h, i se obine HC = 1 m.

Se alege un amestector turbina disc. Domeniile lui de utilizare sunt: reacii chimice, transfer de

caldur, dizolvare, omogenizare, suspensii usoare. Normativul IPROCHIM recomand utilizarea

amestectorului din Figura 7.2:

40


40/46

Figura 7.2 Schia unui amestecator tip turbin disc

Este recomandat pentru operaii n cursul crora are loc variaia vscozitii mediului de reacie.

Viteza periferic este de 8.4 m/s, iar gama de turaii la care poate lucra este cuprins ntre 100 -

1500 rot / min. Vscozitatea dinamic a fluidului nu trebuie sa depeasc 20 Pa.s.

Amestecatorul se poate folosi n vase cu turbine sau far. n absenta turbinelor, direcia de curgere

a fluidului este preponderent circumferenial, cu componenta vertical.

Dimensiunile amestectorului ales pentru acest bioreactor sunt:

== 22 d5.0

D

d1.9 m

== 22 h1.0

D

h0.38m

== 32

3 h0.2d

h0.38 m = 0.25

d

b

2

3b3=0.475 m

unde: D = diametrul nominal al recipientului;

d2 = diametrul anvergurii;

h2 = distana de la agitator la fundul vasului;

b3 = limea paletei;

h3 = nlimea paletei.

Alte dimensiuni necesare construirii ametectorului sunt: grosimea paletei, s = 8 mm, diametrul

arborelui, d = 100 mm.

Calculul nlimii mantalei se poate face cu urmtoarea formul: Hm = 0.7 . Htotal, unde Htotal = H +

2 .HC = 9.8 m, obinndu-se Hm = 0.7 . 9.8 = 6.9 m.

Bioreactorul este prevzut cu icane pentru a mpiedica aderarea masei de reacie la perete n

timpul amestecrii totodat evitndu-se i necarea amestectorului. icanele se monteaz la o

41


41/46

distan fa de peretele bioreactorului b2 = 0.02.D, deci la o distan egal cu b2 = 0.076 m.

Grosimea icanei este b1 = 0.08.D, de unde rezult b1 = 0.304 m.

Bioreactorul este prevzut cu urmtoarele racorduri:

-racord de alimentare plmad zaharificat (R1),

- racord evacuare plmad fermentat (R2),

-racord evacuare dioxid de carbon (R3),

-racord alimentare bioreactor cu drojdie pentru fermentaie (R4),

-racord intrare agent termic (R5),

-racord evacuare agent termic (R6).

Diametrul racordului pentru alimentarea plmezii zaharificate, dR1, se calculeaz cu relaia:

w

D4

dR1

=

unde: D este debitul volumetric de plmad zaharificat, iar w este viteza cu care este alimentat

plmada zaharificat.

Viteza cu care se alimenteaz plmada zaharificat este cuprins ntre 0.1 1 m/s. Convenional

se alege w = 0.8 m/s pentru debite lichide.

Debitul care este alimentat se poate calcula cu relaia:3600tn

tPlD

nc

anualzah

= ,

n care: Plzah cantiatea de plmad zaharificat alimentat, kg/h;tanual timpul anual de funcionare, h/an;

n numrul de arje anuale, arje/an;

tnc timpul necesar ncrcrii bioreactorului;

densitatea plmezii zaharifiacte, kg/m3. Densitatea plmezii zaharificate se consider = 1000

kg/m3.

Astfel se obine c diametrul racordului de alimenatre pentru plmada zaharificat este: dR1 =

m. Se standardizeaz acest diametru, rezultnd n cele din urm diametrul final al racordului R1,

dR1 = 0.6 m.

Diametrul racordului pentru evacuare plmad fermentat, dR2, se calculeaz cu relaia:

w

D4dR2

=

unde: D este debitul volumetric de plmad fermentat, kg/h i se calculeaz cu relaia:

3600tn

tPlD

evac

anualferm

= , n care Plzah cantiatea de plmad fermentat evacuat, kg/h; tanual timpul

anual de funcionare, h/an; n numrul de arje anuale, arje/an; tevac timpul necesar evacurii

42


42/46

bioreactorului; densitatea plmezii fermentate, kg/m3. densitatea plmezii zaharificate se

consider = 1000 kg/m3. Se obine c diametrul racordului de evacuare plmad fermentat este

dR2 = 0.585 m. Comparnd valoarea obinut cu cea din standard rezult c valoarea final pentru

diametrul dR2 = 0.6 m.

Diametrul racordului de evacuare dioxid de carbon, dR3, se calculeaz astfel:

w

D4dR3

=

n care: D este debitul volumetric de CO2 evacuat, iar w este viteza cu care este evacuat CO 2.

Viteza cu care se elimin CO2 se alege convenional se alege w = 10 m/s pentru debite gazoase.

Debitul care este eliminat CO2 se poate calcula cu relaia:rCO2

anualCO2

tn3600M

tVDD

= , n care DCO2

cantiatea CO2 degajat, kg/h; tanual timpul anual de funcionare, h/an; n numrul de arje anuale,

arje/an; tr timpul de reacie; MCO2 masa molecular a CO2, kg/mol, V volumul molar,

m3/mol.

Din calcule de mai sus rezult c diametrul racordului de evacuare CO2 este dR3 = 0.253 m. Din

STAS 8815 / 3 -79se alege diametrul standardizat al racordului R3, i anume dR3 = 0.3 m.

Diametrele racordurilor de intrare, respectiv ieire agent termic sunt egale i se pot calcula cu

relaia:

w

D4dR5,6

=

unde: D este debitul volumetric de agent termic intrat/ieit, kg/h.

Deoarece debitul de agent termic este variabil n timp, pentru calcularea diametrului racordului se

alege debitul maxim de agent termic necasar funcionrii izoterme a bioreactorului. Debitul maxim

se detrmin din integrare i este Dma, maxim = 4481 kg/h. Atfel se obine pentru racordul de intrare,

respectiv iesire agent termic un diametrul dR5,6 = 0.058 m. Aceast valoare trebuie standardizat.

Astfel, din STAS 8815 / 3 -79 se obine 0.06 mDiametrul racordului de alimentare a drojdiei necesare producerii fermentaiei biomasei de reacie,

dR4, se poate calcula astfel:

w

D4dR4

=

n care: D este debitul volumetric de plmad fermentat, kg/h i se calculeaz cu relaia

3600tn

tDD

nc

anual

= , n care Dr cantiatea de drojdie alimentat, kg/h; tanual timpul anual de

funcionare, h/an; n numrul de arje anuale, arje/an; tnc timpul necesar ncrcrii

43


43/46

bioreactorului; densitatea drojdiei, kg/m3. Densitatea drojdiei se consider = 1000 kg/m3. Din

calcule rezult c diametrul racordului de alimentare a drojdiei n bioreactor este d R4 =0.239 m.

Din STAS 8815 / 3 -79se alege diametrul racordului de alimentare al drojdiei n bioreactor, dR4 =

0.3 m.

8. Consideraii asupra conducerii i controlului bioreactorului

Fenomenelor biochimice care se desfoar n cadrul proceselor de fermentaie, impune o

aparatur de masur i control complex i cu vitez de execuie sporit.

Reglarea presiunii - Meninerea unei presiuni constante n bioreactor reprezint una din condiiile

principale pentru prevenirea infectrii culturii. Se utilizeaz SRA-P format din: PC - regulator de

presiune;PE-traductor de presiune; P0- valoarea de referin a presiunii.

Reglarea temperaturii - Reacia biochimic este puternic influenat de temperatur, variaiile de

temperatur influennd negativ metabolismul celulelor de drojdie fie prin scderea produciei, fie

prin inhibarea sistemului enzimatic.Sistemul de reglare automat a temperaturii este

SRA-T format din: TC - regulator de temperatur;TE-traductor de temperatur; T0 - valoarea de

referin a temperaturii.

Reglarea pH-ului - este un parametru ce joac un rol important n desfurarea procesului

biochimic; meninerea valorii pH-ului mediului n domeniul optim favorizeaz producia. Reglarea

pH-ului se face utiliznd un SRA-pH format din urmtoarele componente:pHE traductor de

presiune; pHC - regulator de pH; pH0- valoarea de referin a pH-ului.

Reglarea spumrii - Procesele fermentative sunt nsoite de o spumare abundent, fenomen

ce poate determina o scdere a randamentului. Din acest motiv este indicat adaugarea de

ageni antispumani n momentul n care nivelul spumei depete nivelul admisibil.

44


44/46

9.Schia bioreactorului

45


45/46

10. Bibliografie

46


46/46

1. Perry, R.H., Green, D.W., Perrys Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill,

1999;

2. Encyclopedia of Physical Science and Technology, Third Edition, Chemical

Engineering;

3. Vogel, H.C., Todaro, C.L., Fermentation and Biochemical Engineering Handbook,

Second Edition, Noyes Publications, 1997;

4. Taca, C.D., Calculul Mecanic al Utilajului Chimic, Matrixrom, Bucuresti, 2002;

5. Floarea, O., Jinescu, G., Vasilescu, P., Dima, R., Operaii si Utilaje n Industria

Chimic probleme pentru subingineri, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti;

6. Mihail, R., Muntean, O., Bozga, G., Nagy, I., Juncu, G., Lavric, V., Teodorescu, C.,Straja, S., Maria, G., ndrumar proiect de an la: Reactoare chimice; Ingineria

reaciilor

chimice i utilaje specifice; pentru uzul studenilor, I.P.B., Bucureti;

7. Bratu, E., Operaii unitare n ingineria chimic, vol 1-3, Editura Tehnic, Bucureti,

1984;

8. Muntean, O., Reactoare Biochimice, Bucureti, 2002;

9. Nauman, E.B., Chemical Reactor Design, Optimization, and Scaleup, McGraw-Hill,

2002;

10. Flickinger, C.M., Drew, S.W., Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation,

Biocatalysis and Bioseparation, John Wiley & Sons, Inc., 1999;

11. Banu, C., Manualul inginerului de chimie alimentar, vol. II, Editura Tehnica,

2002;

78481960 Proiectarea Instalatiei de Obtinere a Alcoolului Etilic Din Cartofi

Documents

Transcript of 78481960 Proiectarea Instalatiei de Obtinere a Alcoolului Etilic Din Cartofi