Capitolul ll: Tehnologia de fabricație ll.1. Domeniile de utilizare și proprietățile produsului II.1.1. Domenii de utilizare Acidul citric este un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezintă ca substanță anhidră (C6H8O7), cu masa moleculară 192,12 sau ca monohidrat(C6H8O7 H2O), cu masa moleculară 210,14. Se găsește foarte mult răspândit în natură în țesuturile și sucurile vegetale și în special în citrice fiind solubil în apă și solvenți organici. Formula de structură:
Pentru acid citric, se mai întâlnesc denumirile tehnice și comerciale: acid 2 hidroxi-1,2,3propan tricarboxilic; sare de lămâie, E330. Acidul citric are multiple întrebuințări în industria alimentară: 1.
Ca adaos în sucurile de fructe ca atare sau diluate, precum și în racoritoare
carbonatate, în care acționează ca agent de conservare și ca agent de protejare a culorii și aromei, având în acelși timp și capacitatea de a chela metalele care pot provoca modificări de culoare și aromă. Se consideră că stabilitatea culorii se realizează datorită inhibării atacului oxidativ asupra culorii existente, inhibării dezvoltării oxidării culorii, prevenirii formării de complexe metalice colorate. Capacitatea de a forma chelați a acidului citric și a citraților se datorează existenței grupării hidroxil și a grupărilor carboxilice. 2.
În scopul stabilizării aromei produselor prin inhibarea atacului oxidativ asupra
componentelor de aromă și în același timp, prin inhibarea formării preoduselor cu miros neplăcut. În cazul adaosului la vinuri, acidul citric contribuie la ajustarea (corectarea) acidității, previne formarea de precipitate și casarea ferică datorită faptului că se complexează fierul sub formă de acid ferocitric solubil, formă sub care participă la formarea casei. Acidul citric poate fi atacat de bacteriile lactice din vin, cu formare de acid lactic și acetic, în cazul în care vinul 4
nu este protejat biologic. Se recomandă ca acidul citric să se adauge în faza finală a a condiționării vinului. Doza de acid citric autorizată este de 50g/hL, în special pentru vinurile puțin predispuse casării care au 10-15mg fier/L și care, gustativ, suportă acidifierea. Tratamentul cu acid citric, în funcție de conținutul de fier, tanin, pH, potențial redox, poate suplini în multe cazuri tratamentul cu ferocianură de potasiu, care este mai scump și mai dificil; 3.
La conservarea fructelor prin congelare, caz în care, acidul citric, prin chelarea
metalelor, face ca acidul ascorbic natural din fructe și legume să nu fie distrus. Fructele și legumele depielate se tratează, de aemenea, cu soluție de acid citric pentru prevenirea îmbrunării enzimatice; 4.
Ca sinergetic alături de antioxidanții BHA, BHT, galatul de propil, pentru
împiedicarea râncezirii grăsimilor și uleiurilor. Se consideră că efectul sinergetic se datorează restului citrat și nu acidului ca atare, ceea ce înseamnă că se poate folosi ca sinergetic și citratul de sodiu, acolo unde nu se cer condiții de acidulare. Pentru grăsimi și uleiuri este recomandat monostearil citratul care are o solubilitate mare în grăsimi; 5.
Ca un component al sărurilor de topire, în cazul brânzeturilor topite. Se utilizează
împreună cu fosfații,efectul de emulsionare fiind însă realizat de tartrați. Lactații au însă efect invers, coagulând proteinele din brânză; 6.
La tratarea moluștelor supuse refrigerării si congelării. La aceste produse se formează
o culoare albastră, datorită complexului cupru-tiol. Concomitent se formează și mirosuri străine. Prin tratarea moluștelor cu soluție de acid citric, defectele menționate nu mai apar, datorită faptului că acidul citric complexează cuprul; 7.
Pentru împiedicarea zaharisirii mierii de albine, în clarificarea enzimatică a sucurilor,
ca agent de stabilizare pentru condimente, boia de ardei în sinteza grăsimilor rearanjate necesare obținerii de shortening uri în dressingurile pentru salate; 8.
Ca un component al sărurilor efervescente împreună cu bicarbonatul de sodiu (acestea,
la adaos de apă degajă dioxid de carbon); 9.
La obținerea de ape minerale artificiale;
Acidul citric mai este folosit și în producerea medicamentelor și în biotehnologie precum și la sapunuri și detergenti, datorită proprietății de a combina metalele in apa dură.
5
Are si alte utilizări cum ar fi: Circa 6% acid citric va îndeparta pete de apa dură de pe sticlă fără frecări, ca ingredient in inghețată sau folosit cu bicarbonat de sodiu, ajută la indigestie. Mai poate fi utilizat in fotografie, la developarea filmului. Datorită faptului că acidul citric poate fi folosit la prepararea unui explozibil sensibil la șocuri, cumpărarea acidului citric in cantități mari duce la suspectarea de activitate teroristă. [6. 190]
II.1.2. Proprietăți fizice: Acidul citric se prezintă sub formă de cristale incolore, translucide, inodore, cu gust plăcut ușor acid; poate cristaliza din soluții apoase la rece ca monohidrat sub formă de cristale rombice, cu masa moleculară 210,14. Acidul citric monohidrat este stabil la aer cu umiditate normală, dar pierde ușor apa de cristalizare în atmosferă uscată sau în vid; prin încălzire lentă, pierde apa de cristalizare la 7075 º C și se topește complet în intervalul 135-152º C; la încălzire rapidă, pierde apa la 100º C și se topește la 153ºC. Densitatea acidului monohidrat este 1,542, iar a acidului anhidru 1,665. Acidul citric este ușor solubil în apă, parțial solubil în alcooli alifatici inferiori și greu solubil în eter etilic. Acidul anhidru este insolubil în cloroform, tetracorură de carbon, benzen, toluen, sulfură de carbon. Este un acid organic destul de tare: Ka1=8,2·10-4, Ka2=1,77·10-5 și Ka3=3,9·10-6 la 18 ºC. Presiune de vapori la 20ºC : >0.1hPa; pH-ul sol 50g/l în apă la 20ºC: ≈1,8; Temperatura de autoaprindere: 345 ºC. Acidul citric este stabil în condiții normale de depozitare și manipulare, se descompune sub acțiunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid de carbon. Prin încălzire cu sulfură de carbon se formează un compus biciclic-tiofen. [6. 190]
6
II.1.3. Proprietăți chimice: După cum s a mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic. Sarea lui de calciu este mai greu solubilă în apă la cald decât la rece: ea se precipită la fierberea soluției și se redizolvă la răcire. Prin încălzirea acidului citric la 175ºC se produce întâi eliminarea unei molecule de apă și se formează acidul aconitic. Această reacție a servit și la stabilirea structurii, căci acidul aconitic, tricarboxilic nesaturat se transformă prin hidrogenare cu amalgam de sodiu, în acidul tricarbalilic. Prin distilarea uscată a acidului citric se formează anhidrida acidului itaconic și a acidului citraconic:
Cu acidul sulfuric concentrat, acidul citric dă o reacție caracteristică a α-hidroxi-acizilor, anume elimină acid formic și trece în acidul aceton-dicarboxilic, un acid β-cetonic dicarboxilic, usor de obtinut pe această cale. Un tratament mai energic duce la acetonă:
Prin încălzirea acidului citric cu pentasulfură de fosfor se formează tiofen:
7
Efectul chelatizant al acidului citric explică relaţia sinergică cu antioxidanţii prin complexarea prooxidanţilor:
[5. 113-114]
II.1.4. Proprietăţi biologice Acidul citric face parte dintr-o serie de compuși implicați în oxidarea fizică a lipidelor, proteinelor și carbohidraților în CO2 și H2O. Această serie de reacții este legată de aproape toate reacțiile metabolice și asigură ⅔ din energia derivată din alimente în organismele evoluate. II.1.5. Proprietăți farmacologice Acidul citric se foloseste în industria farmaceutică datorită efectului său anticoagulant. Asigură rapida dizolvare a ingredientelor active. Are proprietatea de a regla pH-ul, este folosit deasemenea ca și efervescent în comprimate în combinație cu bicarbonați.
II.2. Variante tehnologice de obținere a acidului citric II.2.1. Obținerea acidului citric prin sinteză: Una din sintezele acidului citric constă în transformarea dicloracetonei simetrice, cu acid cianhidric, în cianhidrina respectivă, saponificarea acesteia în hidroxiacidul halogenat și condensarea celui din urmă cu cianură de potasiu: 8
O altă sinteză pornește de la esterul metilic al acidului aceton-dicarboxilic(R=CH3):
Acidul citric formează cristale mari, transparente, ușor solubile în apă având o moleculă de apă de cristalizare (p.t.100ºC). Prin încălzire la 80 ºC pierde apa de cristalizare și are în stare anhidră, p.t.153ºC. [7, 142-143]
II.2.2. Obținerea acidului citric prin biosinteză: Au fost cercetate tehnologiile de obținere a acidului citric prin biosinteză pe culturi de Aspergillus niger, Aspergillus clavatus, Aspergillus ventii, Penicillium citrinum, dar aplicațiile industriale au găsit numai tehnologiile ce folosesc culturi de Aspergillus niger, iar dintre mediile de cultură studiate, cel mai eficient s a dovedit a fi mediul de cultură pe bază de melasă. Din punct de vedere tehnologic, procesul de fermentație a acidului citric cu Asp. niger poate fi realizat în suprafață sau în profunzime. În primul sistem fermentația durează 10-11 zile iar în al doilea durează 6-7 zile.
9
Fermentația în suprafața În acest procedeu, melasa este trimisă în reactor, unde la 40º C se tratează cu ferocianură de potasiu, după care se sterilizează prin încălzire la 120 º C timp de 30 min, se răcește la 45 º C şi se adaugă fosfatul de potasiu, sulfatul de zinc, sulfatul de magneziu, sub formă de soluţii sterile. Mediul de cultură, astfel preparat se trimite în camera de fermentaţie sterilă, construită sub formă de uscător dulap în care se montează, pe rafturi, tăvi cu înălţimea de 20 cm, în care se introduce lichid de cultură pe o adâncime de 10-15cm. Camera de fermentaţie se sterilizează cu aer, iar după introducerea lichidului se ventilează cu are steril timp de 30 min, iar la sfarsitul perioadei de ventilaţie se face însămânţarea prin curentul de aer. După însămânţare se opreşte pentru o ora ventilaţia, timp necesar sedimentării inoculului, iar apoi se reia pentru toată durata fermentaţiei. La terminarea fermentaţiei biomasa se filtrează, iar soluţia se supune prelucrării pentru separarea acidului citric cristalin. Acest tip de fermentație este folosit însă la scara redusă în industrie. Avantajele folosirii acestuia sunt: efort minim în operații, consumuri energetice minime și construcție simplă a instalației. Principalul dezavantaj este insă productivitatea mică la care se adaugă dificultatea păstrării condițiilor aseptice, cele mai frecvente contaminări fiind date în principal de speciile Penicillium, Aspergillus și bacterii lactice.
Fermentația în profunzime Se realizează în fermentatoare cilindrice, verticale echipate cu agitator, serpentină, barbotor de aer și dispozitive de reglare. Inocularea și conducerea procesului de fermentație se face ca și la alte procese de biosinteză, iar durata procesului este de 6-7 zile la pH de 3-4,5 și un debit de aer de 1L aer pentru 1 L mediu și minut. După terminarea fazei de fermentație și filtrarea miceliului, soluția apoasă se supune prelucrării pentru separarea acidului citric cristalin. În procesul de obţinere a acidului citric, ca şi în cel de obţinere a acidului itaconic şi gluconic, rezultă soluţii apoase şi miceliu. Soluţiile apose pot fi utilizate pot fi utilizate ca medii de cultură pentru biostimulatori, iar miceliul uscat poate fi utilizat ca adaos la hrana păsărilor, având un efect stimulator în procesul de creştere.
10
Se estimează ca aproape 80% din producția mondială de acid citric se obține folosind fermentația în profunzime. Acest tip de fermentație necesită instalații mai sofisticate și un control riguros. Pe de o altă parte prezinta și avantaje cum ar fi productivitatea mare costuri de investitie reduse și randamente ridicate, riscuri de contaminare mici. [4, 299-301]
II.3. Alegerea variantei optime În vederea obținerii acidului citric, se alege procedeul discontinuu de fermentație în profunzime folosind microorganismul Aspergillus niger deoarece mai mult de 90% din acidul citric produs la nivel mondial este obținut prin fermentație, oferă următoarele avantaje: -operațiile sunt simple și stabile, instalația este în general mai putin complicată și are nevoie de un sistem de control mai puțin sofisticat, îndemânarea tehnică cerută nu este atât de înaltă; -consumul de energie este mic, iar căderile frecvente de curent nu afectează în mod critic funcționarea instalației. Procedeul culturii în profunzime constă în cultivarea microorganismelor în fermentatoare de otel, în care mediul este supus unei aerații și agitări continue.În aceste condiții, procedeul culturii în profunzime oferă o serie de avantaje, față de cultura în suprafața, printre care: costuri investiții reduse, flexibilitate ridicată, conversia substratului ridicată, pericol de infectare al culturii redus, volum bioreactor relativ mare, se obtin culturi omogene, randamente ridicate, puritatea produsului, ca și activitatea biologică ridicate.
11
II.4. Descrierea procesului tehnologic adoptat II.4.1. Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea detaliată a procesului tehnologic:
Aer nesteril Pregătire mediu de cultură
Sterilizare mediu de cultură
Sterilizare aer
Aspergillus niger Fermentație
Filtrare
Biomasa
CaCl2 Precipitare Ca(OH)2, 20% Neutralizare
Filtrare H2SO4 cărbune
Acidulare Decolorare și filtrare
Demineralizare
Cristalizare
Filtrare
Uscare Fig. nr. II.4.1: Schema tehnologică de obținere a acidului citric. 12
Tehnologia de obținere a acidului citric cuprinde următoarele faze:
Pregătirea mediului de cultură;
Fermentația;
Filtrarea soluțiilor native;
Separarea și purificarea.
1. Pregătirea mediului de cultură In tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și obținerea acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimici, absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s au obținut la prelucrarea cu ferocianură de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier și a altor metale grele. Pentru aceasta, melasa concentrată se încălzește la 40°C, se corectează pH ul la valoarea 7,0, iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min. După aceasta melasa se răcește și se diluează cu apă până ce concentrația în zahăr devine 15%. Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot, sulf și microelemente. Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb, iar microelementele se adaugă la prepararea mediului. Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente, dar o parte din ele se separă odată cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie să lipsească zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul. [4. 296-298]
2. Sterilizarea Sterilizarea este procesul prin care are loc distrugerea sau îndepărtarea totală a microorganismelor patogene sau apatogene din substanțe, preparate, spații închise, obiecte. În industria de biosinteză, unde se obțin culturi microbiene pure, precum și în industria farmaceutică și cea alimentară, procesul de sterilizare este de neînlocuit și poate fi realizat, de obicei, prin: 13
1. Metode termice :
Sterilizare cu aer cald la 140-200º C;
Sterilizare cu vapori de apă sub presiune la 120-140º C;
Sterilizare prin încălziri repetate la 70-100º C;
2. Metode fizice:
Filtrare prin umpluturi fibroase;
Filtrare prin materiale poroase;
Filtrare prin membrane;
Utilizarea rediațiilor UV, IR, raze X, β, γ, etc.
3. Metode chimice:
Utilizarea agenților chimici: oxid de etilenă, formaldehidă,
fenol, azotiperită, ozon, etc. 4. Metode de preparare pe cale aseptică. [1, 80] Sterilizarea mediului de cultură Deși teoretic sterilizarea mediilor de cultură se poate realiză prin metode mecanice (filtrare, centrifugare, flotatie), termice, cu agenti chimici bactericizi, cu radiații X, β, δ, radiatii UV, aplicatii practice au găsit numai procedeele termice de sterilizare. Sterilizarea termică prezintă, însă, și o serie de inconveniente, generate în special, de reacțiile secundare de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare. Pentru sterilizarea mediului de cultură pregătit pentru obținerea acidului citric se prezintă instalația de sterilizare la 120 – 125 ºC (fig.II.4.1.2.), deoarece aceasta prezintă o serie de avantaje cum ar fi: simplitatea, usurința în exploatare a utilajelor de sterilizare și realizarea gradului de sterilizare dorit.
14
Fig. II.4.1.2: Instalația de sterilizare a mediului de cultură la 120 – 125 ºC .
Este alcatuită dintr-o coloană de sterilizare (1), menținător (2) și răcitor (3). Coloana de sterilizare este concepută din două țevi concentrice, prin țeava interioară fiind introdus aburul, mediul de cultură circulând prin spațiul dintre cele două țevi. Încalzirea mediului se face prin barbotarea aburului de 5 ata prin intermediul fantelor practicate pe țeava interioară, acesta fiind dirijat tangențial și uniform cu ajutorul unui șnec montat pe exteriorul țevii. Mediul staționează în coloană 4 – 6 secunde, după care pătrunde în menținător, unde rămâne 15 – 20 minute pentru perfectarea procesului de sterilizare. În final, mediul este răcit într-un schimbător de caldură tip țeavă în țeavă, la 35 – 40ºC, temperatură cu care este introdus în fermentator. [1, 100-101]
Din diagrama timp – temperatură (fig.II.4.1.3.), se observă că, în această instalație , contribuția fazei de încalzire și răcire la performanța procesului de sterilizare este de 5 – 6 %, astfel încât se poate considera că sterilizarea se realizează aproape în totalitate în faza de menținere.
15
Fig.II.4.1.3. Diagrama timp – temperatură pentru sterilizarea continuă la 120 – 125 ºC [1, 90]
Sterilizarea aerului Studiind procesul de sterilizare a aerului, Aiba a determinat speciile reprezentative de bacterii și spori care trebuiesc îndepartate în mod obligatoriu, pentru a putea fi asigurate condițiile unei fermentații aseptice. Cu toate că sterilizarea aerului se poate realiza atât prin procedee termice cât și prin filtare, metoda cea mai utilizată în industrie este filtrarea. Pentru sterilizare prin filtrare se pot folosi următoarele materiale filtrante: -
fibre de sticlă cu diametru cuprins între 5 și 18 μ;
-
nitrat de celuloză, pentru filtrul cu membrană;
-
teflon cu o mare rezistență termică (până la 300ºC) și caracter hidrofob, utilizat
sub formă de folii de teflon sau în amestec cu polietilena; -
poliamidă (naylon), caracterizată prin rezistență termică, hidrofobicitate,
elasticitate și durabilitate. Pentru sterilizarea aerului prin filtrare, în principiu, există trei tipuri de filtre cu aplicabilitate practică și anume: -
filtrul cu fibră de sticlă (Fig.II.4.1.4.);
-
filtre disc cu membrane (filtre absolute);
-
filtre tip lumânare.
16
Fig.II.4.1.4. Filtrul cu fibre de sticlă. (1 – placă perforată; 2 – plasă de sârmă; 3 – garnitură de cauciuc; 4 – material filtrant; 5 - rama). Este alcătuit dintr-un strat de material filtrant fixat între două site, susținute de două placi perforate (diametrul perforațiilor este de 0,7 – 0,8 cm). Filtrul este prevăzut cu manta de încalzire, care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu abur direct. Acest tip de filtru, indicat pentru industria de biosinteză, oferă posibilitatea sterilizării unor debite ridicate de aer, realizarea unui grad avansat de purificare și durată indelungată de funcționare. Dezavantajele filtrului cu fibre sunt: operații complicate la schimbarea fibrelor de sticlă (durata 2,5 – 3 ore), manipularea neplacută a fibrelor de sticlă și anularea efectului de sterilizare după umezirea materialului fibros. Schema de principiu a liniei de purificare și sterilizare a aerului prin filtrare pe material fibros este redată în figura următoare. Conform acestei scheme, aerul, separat de impurități în filtrul (1), trece prin compresorul (2), unde este comprimat adiabatic la 3-3,5 at, temperatura crescând la 150 - 160ºC. După racire în (3), aerul este introdus în separatorul de picături (4), filtrul principal cu material fibros (5) (prima treaptă de sterilizare), filtrul individual cu material fibros (a doua treaptă de sterilizare, după care pătrunde în fermentator.
17
Fig. II.4.1.5. Schema de purificare și sterilizare a aerului.
Sterilizarea pe material fibros poate fi descrisă printr-un model de curgere prin ocolire (Fig.II.4.1.6.), fenomen care impune absența totală a umidității din filtru (prezența umidității transformă curgerea prin ocolire în curgere prin alunecare, anulând total proprietățile filtrante).
Fig.II.4.1.6. Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibră. Din aceste motive, răcirea aerului în răcitorul (3) se face până la apariția condensului, iar după separarea lui, aerul saturat se preîncălzește cu aer fierbinte până când temperatura de ieșire din filtrul individual (6) depașește cu cel puțin 12 ºC temperatura punctului de rouă. Stabilirea parametrilor de funcționare ai instalației de sterilizare se face numai în funcție de parametrii termodinamici ai aerului. Reținerea microorganismelor pe fibrele de sticlă, în procesul de filtrare a aerului, se realizează ca efect al combinării următoarelor fenomene: impact inerțial, intercepție, difuzie și atracție electrostatică. Analiza cantitativă a procesului de reținere a particulelor din aer pe filtre de fibre de sticlă a evidențiat că eficacitatea filtrării depinde de caracteristicile materialului fibros și de parametrii operației de filtrare. [1, 110-113] 18
3. Fermentația Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură, cu scopul de a biosintetiza diverși produși, poartă denumirea de fermentație. Fermentația reprezintă etapa fundamentală a proceselor de biosinteză. Ea se realizează în trei etape: -
fermentația în inoculator - această fermentație dureaza 16 până la 20 de ore;
-
fermentația în intermediar – această fermentație durează aproximativ 12 pînă la 16 ore;
-
fermentația în regim – are loc în fermentatorul de regim, în care se realizează aceleași condiții și parametri ca și în inoculator și intermediar.
În primele două faze se consideră că fermentația s-a terminat atunci când conținutul de zahăr este consumat până la aproximativ 50% din valoarea inițială. În toate fazele fermentației se administrează același debit de aer (1 litru pe minut) sub o intensă agitare la temperatura de 29 - 32ºC. În tehnologia obținerii acidului citric, o importanță foarte mare o are procesul de pregătire a melasei pentru fermentația citrică. În general, melasele rezultate din industria zahărului conțin o cantitate mare de fier, care inhibă atât creșterea masei celulare, cât și obținerea acidului citric. Pentru evitarea acestui neajuns melasa se poate prelucra cu agenți chimici, absorbanți, schimbători de ioni, dar rezultatele cele mai bune s-au obținut la prelucrarea cu ferocianură de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier și a altor metale grele. Pentru aceasta, melasa concentrată se încălzește la 40°C, se corectează pH ul la valoarea 7,0, iar apoi se adaugă ferocianura de potasiu și se fierbe 45 min. După aceasta melasa se răcește și se diluează cu apă până ce concentrația în zahăr devine 15%. Viteza și randamentul procesului de fermentație cresc cu creșterea cantității de ferocianură, dar numai până la concentrația de 50-60 mg%, după care scade datorită faptului că ferocianura la concentrații mari inhibă procesul de creștere a masei celulare și de producere a acidului citric. Un alt factor care influențează sensibil procesul de fermentație citrice este conținutul de fosfor, a cărui valoare optimă este 25-30 mg%. Fosforul reglează atât procesul de creștere a 19
masei celulare cât și procesul de utilizare a zahărului. Melasa conține, de obicei, 3-20mg% fosfor , iar până la valoarea optimă se adaugă în mediu de cultură fie fosfor monopotasic, fie acid fosforic. Pentru a avea un proces normal de creștere a masei celulare și de producere a acidului citric este necesar ca mediul de cultură să conțină și surse de azot, sulf și microelemente. Sursele de azot se adaugă sub formă de extract de porumb, iar microelementele se adaugă la prepararea mediului. Este interesant de remarcat că melasa conține inițial și microelemente, dar o parte din ele se separă odată cu fierul. Dintre microelemente nu trebuie să lipsească zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul și magneziul. Procesul de fermentație citrică fiind aerob, consumul de aer steril este de 1-1,5L aer pentru un litru mediu pe minut,iar pH-ul se menține tot timpul între 3 și 4,5. Temperatura procesului de biosinteză depinde de stadiul de dezvoltare a masei celulare. Astfel, însămânțarea se realizează la 36-42°C, după care temperatura se coboară la 34-36°C și se menține la această valoare timp de 24-36 ore, cât durează dezvoltarea masei microbiene, apoi temperatura se scade la 30-32°C și se menține la această valoare pe toată durata elaborării acidului citric. Studiindu se efectul termic al procesului de fermentație s a stabilit că se degajă până la 250 kcal/m3h, iar această valoare se atinge în a 5 a zi de fermentație și corespunde celei mai mari valori a vitezei de acumulare a acidului citric (fig. II.4.1.7.)
Fig.II.4.1.7. Variația concentrației acidului citric și a efectului termic în procesul de fermentație.
20
T1-variația efectului termic,kcal/m2∙h; T2-temperatura preluată de agentul de schimb termic; A-variația concentrației în acid citric, g/ m2∙h; B-viteza specifică de creștere a masei celulare, g/ m2∙h. Din analiza dinamicii procesului de biosinteză a acidului citric rezultă că acumularea sa începe după 25-30 ore de fermentație, iar viteza de acumulare atinge în ziua a 5-a și a 6-a valori de 105-106 g/m3h. De asemenea consumul de zahăr din biomasă este în perfectă concordanță cu acumularea acidului citric: în perioada de creștere a masei celulare se consumă 10-15%, iar în perioada de acumulare a produsului 48-50% din cantitatea totală de zahăr din mediu. O utilizare mai rațională a zahărului se obține în cazul în care conținutul acesatiua în mediu de cultură este cuprins între 14 și 16%, concentrație ce asigură un conținut de 10-12% acizi organici, în care acidul citric reprezintă 80-95%. Procesul de fermentație se realizează prin fermentație în profunzime, în fermentatoare cilindrice, verticale echipate cu agitator, serpentină, barbotor de aer și dispozitive de reglare. Inocularea și conducerea procesului de fermentație se face ca și la alte procese de biosinteză, iar durata procesului este de 6-7 zile la pH de 3-4,5 și un debit de 1 L aer pentru 1 L mediu și minut. [4, 296-299]
Filtrarea Filtrarea reprezintă separarea biomasei rezultate în urma procesului de fermentație de produsul util. În principiu filtrarea lichidelor de fermentație se utilizează aceleași tehnici ca în industria chimică, însă în cazul biotehnologiilor apar unele particularități legate de: -
volume ridicate de mediu supus filtrarii;
-
prezența microorganismelor care înfundă porii materialului filtrant.
După fermentație și filtrarea miceliului, soluția apoasă se supune prelucrării pentru separarea acidului citric cristalin. Separarea acidului citric sub formă de cristale se bazează pe proprietatea unor săruri ale sale (sare de calciu) de a nu se dizolva în apă.
21
Precipitarea și neutralizarea Pentru obținerea citratului de calciu se adaugă în soluția filtrată, rezultată de la fermentație CaCl2, se încălzește la 100ºC și se neutralizează la pH 6,8-7 cu Ca(OH)2, când precipită sărurile de calciu ale acizilor organici formați (acid citric, succinic, malic) prin biosinteză.
Filtrarea și acidularea Precipitatul format se filtrează și se spală cu apă fierbinte 95 ºC după care se tratează cu acid sulfuric pentru eliberarea acidului citric din sarea sa de calciu.
Decolorarea și filtrare Soluția obținută se tratează cu cărbune activ și se filtrează, iar filtratul se tratează cu ferocianură de potasiu pentru separarea fierului și a altor metale grele și se filtrează din nou la cald. Se obține în acest fel o soluție de acid citric de concentrație 20-25% care se supune unei evaporări la vid, la temperatura de 70 ºC. Evaporarea se continuă până ce concentrația soluției ajunge la densitatea de 1,35-1,36 g/cm3 după care se trimite la cristalizare.
Cristalizarea și filtrarea Pentru aceasta soluția se răcește la 37 ºC cu o viteză de 20 ºC pe oră; de la 37 ºC la 27 ºC cu o viteză de 10 ºC pe oră, de la 27 ºC la 20 ºC cu o viteză de 5 ºC pe oră, iar de la 20 ºC la 8 ºC cu o viteză de 3 ºC pe oră. Acidul citric cristalizat se filtrează pe centrifugă, după care se supune procesului de uscare.
Uscarea Uscarea acidului citric se poate face discontinuu sau continuu la la temperatura de 60-70 ºC, iar durata uscării variază cu temperatura. Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 ºC nu pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50%. Dacă însă umiditatea aerului
22
creşte la 90% atunci acidul citric absoarbe umiditatea aerului, trecând în soluţie. Acidul citric anhidru se poate obţine numai prin uscare cu aer a cărui umiditate trebuie să fie sub 50%. [4. 301-302]
II.4.2. Materii prime, intermediare și auxiliare
Microorganismul producător Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi și reprezintă, împreună cu levurile un grup de organisme incluzând aproximativ 200.000 de specii. Sunt organisme filamentoase saprofite (care cresc pe substanțe intrate în putrefacție și nu produc boli) sau parazite (produc diferite boli). Ei se reproduc pe cale asexuată (fără participarea unor gameți de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gameți de sexe diferite). Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condițiile variate, nefavorabile ale mediului în care își desfășoară activitatea. Mucegaiurile cresc în condiții extreme de aciditate, presiune osmotică, uscăciune, etc. Au structura celulară de tip eucariot.
Fig. nr. II.4.2.1. Reprezentarea schematică a structurii interne la mucegaiuri.
23
Structura internă Deși este tipică eucariotelor există totuși și unele deosebiri de la o formă la alta de mucegai. Deosebirile ce pot apare se referă la prezența sau absența septului sau peretelui hifal. În general în structura unei hife se pot distinge următoarele formațiuni structurale tipice celor mai multe eucariote: peretele celular (hifal) , membrană plasmatică, citoplasmă și constituenții citoplasmici și nucleu Peretele hifal Hifa este delimitată la exterior de un perete rigid în structura căruia intră chitină, celuloză, polizaharide și unii acizi grași. Peretele hifal acoperă membrana plasmatică și tot el este cel care participă la formarea septului hifal. Membrana plasmatică are o structură tristratificată și se presupune că ar avea rol important în formarea aparatului Golgi. Are totodată importante roluri în transportul unor substanțe din mediu în celulă și din celulă în mediu. Citoplasma se prezintă sub forma unei mase fin granulate în care sunt suspendate vacuolele, picături de grăsimi, numeroase granule de incluziuni și particule. În citoplasmă se găsesc de asemenea, reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi, mitocondrii, ribozomi liberi sau fixați de reticulul endoplasmatic și lizozomi, formațiuni structurale cu rol în liza unor substanțe. Fiziologie și metabolism Mucegaiurile au o nutriție de tip heterotrof adică necesită pentru creștere și dezvoltare medii bogate în substanțe organice. Sursa de carbon poate fi glucoză sau oricare altă substanță glucidică, alcooli și acizi organici. Ca sursă de azot fungii pot utiliza compuși organici de natură proteică, iar unele specii pot utiliza sărurile de amoniu și nitriții. Fungii cresc bine în atmosferă umedă, iar pH-ul lor optim este 5-6. Sunt microorganisme cu capacitate biosintetică mare, putând sintetiza pe căi metabolice diferite polizaharide. Lipide, acizi organici, pigmenți, substanțe antibiotice sau alte substanțe biologice active. Temperatura optimă de creștere este de 22-32˚C, însă ei pot crește și la temperaturi de 510˚C, dar și la temperaturi de 35-40˚C. Aproape toți fungii de interes industrial sunt aerobi, necesitând o concentrație ridicată de oxigen. Mulți dintre fungii de interes industrial, necesită pentru creșterea și dezvoltarea lor bioelemente cum ar fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii necesită factori de creștere fără de care procesele metabolice nu pot avea loc în condiții optime. 24
Prin activitățile lor metabolice și posibilitățile de a transforma cu ușurință o gamă mare de substanțe, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizați în industria alimentară, fiind factorii principali în obținerea unor brânzeturi, producerea unor antibiotice, dar și în obținerea acidului citric. [8, 64-68]
Melasa
Melasa, principalul subprodus de la fabricarea zahărului din trestie și sfeclă de zahăr, reprezintă siropul din care nu se mai poate separa zaharoza folosind tehnologia clasică de cristalizare și centrifugare. Ea conține cantitatea totală de nezahăr, care nu a fost reținută în cristalele de zahăr și are o puritate scazută. Caracteristici fizice: Aspect : lichid vâscos de culoare brun-negru; Gust : caracteristic; Densitate : variază în funcție de conținutul în substanță uscată, fiind de 1390 kg/m3, la 77% s.u. și de 1420 kg/m3, la 84% s.u.; Vâscozitate : cuprinsă între 13Cp si 19 Cp; Caldură specifică : 0,5 kcal/kg·K.
In compoziția melasei intră 45÷52 % zaharoză, 14÷18% apă, iar restul este reprezentat de substanțe organice și minerale
25
Componentul
Melasa de la sfecla de zahar
Melasa de la trestia de zahar
Apa
20÷25
15÷20
Substanta uscata,%
75÷80
80÷85
Zahar total,%
40÷52
50÷55
Zahar invertit,%
0,1÷0,5
20÷23
Rafinoza,%
0,6÷1,8
-
Azot total ( N x 6,25),%
1,2÷2,4
0,3÷0,6
Substante minerale,%
7,5÷12,5
10÷12
6,0÷8,6
sub 7
pH
Tabelul II.4.2.2. Compozitia chimica a melasei [9, 171]
Extract de porumb Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb, obținut în cursul înmuierii preliminare a boabelor. Acest extract, ca și extractul de cartofi dă un mediu de cultură bogat nutritiv, mult utilizat în industria de biosinteza. Caracteristici fizice: Aspect : lichid cremos de culoare galben închis; Substanta uscata : minim 50%; pH = 3.5-4; continutul in acid lactic : minim 20g la 100g substanță uscată; zahar total maxim 2.5%.
26
Compoziția chimică a extractului de porumb:
Constituienti g/100g extract de porumb
%
Substanță uscată
46-49,6
Cenusă
8,04-10,43
N total
3,33-3,67
Zahar total (exprimat ca glucoza)
4,00-4,70
Acid lactic
0,74-4,39
Aciditate ( ml. sol NaOH 0,1 N /100 g extract de porumb )
11,6-19,3
Fe
0,009-0,02
P
1,5-1,9
Ca
0,02-0,07
Zn
0,05-0,012
K
2,0-2,5
SO 2
0,02
Sedimente solide
38,4-52,9
Tabel nr. II.4.2.3. Compoziția chimică a extractului de porumb
II.4.3. Mecanismul reacțiilor biochimice Mecanismul de biosinteză a acidului citric sub influența sistemului enzimatic din miceliul de Aspergillus niger este prezentat în figura II.4.3.1. Prezența în biomasă a acidului aconitic, succinic, malic și fumaric demonstrează că acidul citric se formează ca rezultat al reacțiilor ciclului acizilor di- și tri-carboxilixi. De asemenea, au loc și reacții secundare de condensare a acizilor cu 2 și 4 atomi de carbon care pot conduce la acid citric.
27
În procesele de fermentație aerobă a Aspergillus niger în vederea obținerii acidului citric, se folosesc medii de cultiră pe bază de melasă, la care se adaugă săruri minerale, surse de azot și stimulatori de biosinteză. Procesul de biosinteză este determinat de compoziția mediului de cultură, pH, aerație, temperatură și timp.
Fig. nr. II.4.3.1. Ciclul Krebs [4, 296-297]
II.4.4. Cinetica Procesul de creștere a microorganismelor pe medii de cultură, cu scopul de a biosintetiza diverși produși, poartă denumirea de fermentație. Termenul de creștere este adecvat numai pentru microorganismele individuale. La bacterii, prin creștere se întelege o anumită succesiune de fenomene prin care celula individuală crește în mărime o anumită perioadă, după care se divide in doi indivizi capabili sa reia acelasi ciclu. Sub alt aspect, procesul de creștere a microorganismelor reprezintă rezultatul interacțiunii dintre celula individuală și mediul de cultură. Aplicarea legilor termodinamicii, cineticii și transferului de masă, impuls și energie demonstrează că mediul de cultură, prin compoziție, 28
temperatură, presiune și concentrații de substrat limitative, afectează direct creșterea microorganismelor și performanța elaborării produselor utile. În practică, este foarte comod să se urmărească ciclul de creștere prin determinarea numărului de microorganisme sau a acumulării acestora în timp. Dacă se reprezintă grafic creșterea în timp a numărului de microorganisme se obțin curbele din figura II.4.4.1. alura acestora fiind influențată de metoda de măsurare utilizată. Curba de creștere a microorganismelor cuprinde mai multe faze corespunzătoare diferitelor viteze de creștere din ciclu. Astfel, dupa Stell, curba de creștere cuprinde patru faze, și anume: faza de inoculare sau de adaptare la mediu (de la a la b), faza creșterii logaritmice a numărului de microorganisme (de la b la c), faza creșterii încetinite (de la c la d) și faza de descreștere a numărului de microorganisme (de la d le e). Dupa Monod, curba de creștere cuprinde următoarele faze: faza lag sau faza creșterii staționare (1), faza de creștere accelerată (2), faza de creștere logaritmică sau faza exponentială (3), faza de retardare (4), faza stationară (5), faza distrucției accelerate a microorganismelor (6) și faza distrucției logaritmice.
Fig. II.4.4.1. Curba de creștere a microorganismelor
Studiul mecanismului reacțiilor enzimatice, a proceselor metabolice și a vitezei de transformare a substratului în produs se face prin metoda cinetică. Această metodă reprezintă singura posibilitate de studiu a proceselor enzimatice, deoarece numărul enzimelor pure separate separate până în prezent este relativ redus Enzimele sunt macromolecule organice cu structură proteică care catalizează procesele biochimice. Din punct de vedere structural, enzimele sunt compuși de natură heteroproteică cu sensibilitate deosebită la toți factorii care afectează proteinele. Activitatea enzimelor este 29
influențată de temperatură, pH, presiune osmotică, concentrația substratului, concentrația produșilor rezultați, etc. Activitatea enzimelor este inhibată de anumiți agenți specifici, printre care: sulfamide, antibiotice, narcotice, coloranți, apă oxigenată, dioxid de carbon,etc. Substanța asupra căreia se exercită acțiunea enzimelor se numește substrat. Prezența enzimelor permite transformarea substratului la temperatura normală a materiei vii, oferind, în acest fel, energia necesară desfășurării procesului de biosinteză. Funcția esențială a enzimelor constă în reducerea considerabilă a barierelor de potențial ale reacțiilor de transformare a substratului, facilitând astfel deplasarea echilibrului spre formarea de produs. Michaelis și Menten dezvoltă modelul cinetic al vitezei de formare a produsului în funcție de concentrația substratului și a enzimei.
v=
dCp d
=
V Cs
(1)
Km + Cs
Această ecuație este denumită ecuația Michaelis-Menten și descrie viteza de formare a produsului într-un proces enzimatic, reprezentând modelul ideal pentru viteza proceselor enzimatice în regim staționar, lipsite de procese secundare de inhibiție. Din reprezentarea grafică a ecuației (1) (figura II.4.4.2.) se observă că Km este acea valoare a concentrației substratului Cs pentru care reacția pornește cu jumătate din viteza maximă.
Fig. II.4.4.2. Reprezentarea grafică a ecuației Michaelis-Menten 30
Deoarece valoarea maximă a vitezei de reacție este limita asimptotei la curbă, ea nu poate fi determinată cu exactitate. Pentru determinarea constantei Km și a vitezei maxime V, se utilizează metoda Lineweaver-Burk care folosește inversul ecuației Michaelis-Menten:
1 Km . 1 1 = + v V V Cs
(2)
Prin reprezentarea grafică a ecuației (2) în coordonatele 1/v si 1/Cs se obține diagrama Lineweaver-Burk(figura II.4.4.3.), ce permite determinarea constantelor V și Km în funcție de variația concentrației substratului și de valorile experimentale ale vitezei de formare a produsului.
Fig. II.4.4.3. Reprezentarea grafică a ecuației Lineweaver-Burk
Cinetica proceselor de biosinteză poate fi studiată și sub aspectul creșterii masei celulare funcție de concentrația substratului. Astfel Monod, a stabilit următoarea ecuație:
CS dC X max CX d K S CS
31
(3)
Ecuatia Monod este valabilă numai în cazul în care creșterea este limitată la un singur substrat, ceea ce în condiții industriale se intamplă foarte rar. Pentru culturile industriale discontinue Monod a definit o constantă caracteristică Y denumită cosntantă de exploatare sau de creștere:
dCx dCs =Y d d
(4)
[1, 144-160]
II.4.5. Termodinamica Procesul de fermentație se incadrează din punct de vedere termodinamic în categoria sistemelor termodinamice deschise, sisteme specifice organismelor vii, caracterizate prin schimb de energie și de materie cu mediul inconjurator, pe care il transformă. Sistemelor deschise le este specific faptul că ele nu sunt în echilibru cu mediul lor. Organismele vii se află, de obicei, într-o stare staționară care reprezintă condiția de bază a sistemelor deschise, și în care viteza transferului de materie și energie din mediu în sistem este compensată total de viteza transferului de materie și energie din afara lui. Sistemele deschise aflate în stare staționară pot efectua un lucru deoarece sunt departe de condiția stării de echilibru. În starea staționară, viteza de producere a entropiei are o valoare minima, iar sistemul operează cu maximum de eficiența în condițiile date. Semnificația acestei relații a fost discutată pertinent, punându-se în evidență faptul că viața este o continuă luptă împotriva tendinței de a produce entropie. Sinteza unor molecule mari, bogate în informații, formarea structurilor intracelulare, creșterea biomasei sunt puternice forțe antientropice. Însă, organismele vii, fiind obligate să se supună principiului al doilea al termodinamicii, și anume să producă entropie, au ales calea de a produce entropie cu viteza minimă, menținându-se astfel în stare staționară, stare în care reacțiile din celulele vii decurg cu o viteză foarte mare. Ca urmare, studiul entalpiei capătă o importanță deosebită. Microorganismelor le este caracteristică eficiența deosebită în prelucrarea energiei și materiei, eficiență care depășeste cu mult majoritatea mașinilor cunoscute de omenire.
32
Analiza aprofundată a acestor aspecte evidențiază că celulele vii funcționează ca mașini izoterme care absorb energia din mediul lor, energie pe care o transformă în energie chimică, folosită apoi pentru realizarea funcției chimice, de biosinteză a componentelor celulare, a funcției osmotice, necesară transportului în celulă, și a funcției mecanice, de contracție si locomoție, toate acestea la temperatură constantă. Sursa de energie a sistemelor termodinamice deschise o constituie hidrații de carbon, lipidele, alcoolii, proteinele, etc, care prin combustie chimică eliberează o mare cantitate de energie. O parte din această energie se elimină din sistem, iar o parte este inmagazinată de sistem în compuși organici macroenergetici, dintre care se remarcă acidul adenozintrifosforic (ATP), compus care asigură practic, rezerva energetică a celulei . Din structura ATP-ului prezentată în figura II.4.5.1. rezultă că legăturile dintre grupările fosfat adiacente din ATP si ADP sunt legături de tip anhidridă, notate cu ~ , în timp ce legătura dintre acidul fosforic și riboza din AMP este o legătura esterică, notată cu linie dreaptă. În acest context trebuie subliniat faptul că energia liberă standard de hidroliză a legăturilor tip anhidridă este mult mai mare comparativ cu cea a legăturilor esterice. Deși ATP-ul conține două legături macroergice (~), în reacțiile enzimatice intervine, de obicei numai fosfatul terminal. De asemenea este necesar de precizat că ATP-ul nu este numai un rezervor de energie chimică, ci este, în primul rând, un transmițător sau transportor de energie chimică în celulele vii. Transportând energia sa la alte molecule, acest compus pierde gruparea fosfat terminală, trecând în ADP, care , la rândul său, poate accepta energie chimică și reface ATP-ul, primind o grupare fosfat.
Fig. II.4.5.1. Structura ATP- ului
Prin reunirea acestor observații, s-a postulat că ATP-ul funcționează ciclic ca transportor de energie chimică de la reacțiile de ardere, care furnizează energie chimică, la diferitele procese celulare care necesită un consum energetic (fig. II.4.5.2.). 33
Fig. II.4.5.2.Ciclul ATP-ADP și modalitățile de utilizare a energiei eliberate de ATP. În concluzie, o analiză termodinamică pertinentă a reacțiilor metabolice impune cunoașterea concentrațiilor intracelulare reale ale metaboliților, precum și vitezele lor de formare și utilizare. În acest sens, se poate sublinia că viteza de formare a ATP-ului în celule este determinată de viteza de utilizare a ATP-ului în cadrul unei stări staționare dinamice. Cunoscându-se numărul de molecule de ATP sintetizate, funcție de cantitatea de hidrați de carbon consumată, se poate determina, suficient de exact, performanța procesului de biosinteză. [1, 125-144]
Calculul efectului termic total al procesului biochimic:
Q1 =Vu RQ , în care:
Q1= efectul termic al procesului biochimic; Vu= volumul util al lichidului de fermentație; RQ= viteza de degajare a căldurii.
RQ 5 105 RO2 RO2 28 mmoli/l·h
[12, 221]
34
RQ 5 105 RO2 5 105
28 3888,889 W/m3 3600
Q1 =Vu RQ 42,8841 3888,889 166771,505 W
1.3. Bilanțul de materiale
Operație Filtrare Precipitare și neutralizare Filtrare Acidulare Decolorare si filtrare Demineralizare și concentrare Cristalizare Filtrare Uscare
Randamente 80% 90% 90% 100% 85% 100% 90% 90% 98%
Calcule preliminare: Productia=45 t/an=45000kg/an FAT=330 zile
ns
FAT 24 7920 47,14 48 șarje ts 168
ts=tf+taux=156+12=168 ore FAT – fond anual de timp, ts – durata unei șarje, tf – durata fermentației , taux – timpi auxiliari (10 – 15 ore)
Productia pe șarja, Ps
Pan 45000 937,5 kg/șarjă ns 48
35
Producția în fermentator, Pf:
Pf
Ps
g
937,5 2144, 2047 kg/șarjă 0, 43722504
Productivitatea microorganismului,P: P=50 kg/m3 Volumul util, Vu: Vu
Pf P
2144, 2047 42,8841m3 50
Masa lichidului de fermentatie, M:
M Vu ρ – densitatea apei la temperatura din fermentator 30ºC……………996 kg/m3 40ºC……………992 kg/m3
32 C
996 992 32 30 996 995, 2kg / m3 30 40
M Vu 995, 2 42,8841 42678, 2563kg
1. Pregătirea mediului de cultură: 3% zahăr,melasă cu concentrația în zahar 15% 0,3% fosfat monopotasic 4% extract de porumb 0,1% CaCO3 0,1% ZnSO4 0,3% MgSO4 36
Diferența până la 100% este apă.
Melasă:
100 kg Mdc………...............3 kg zahăr 42678,2563 kg Mdc………x x
42678, 2563 3 1280,3477 kg/șarjă zahăr 100
100 kg melasă………………15 kg zahăr y……………………………..1280,3477 kg/șarjă zahăr y
1280,3477 100 8535, 6513 kg/șarjă melasă 15
Melasa: 20% din masa mediului de cultură.
Extract de porumb:
100 kg Mdc……….................4g extract de porumb 42678,2563 kg......………......x1 x1
42678, 2563 4 1707,1303 kg/șarjă extract de porumb 100
Fosfat monopotasic:
100 kg Mdc……….......................0,3 kg KH2PO4 42678,2563 kg………..................x2 x2
42678, 2563 0,3 128, 0347 kg/șarjă KH2PO4 100 37
Carbonat de calciu:
100 kg Mdc………......................0,1 kg CaCO3 42678,2563 kg……….................x3 x3
42678, 2563 0,1 42, 6783 kg/șarjă CaCO3 100
Sulfat de zinc:
100 kg Mdc....................………0,1 kg ZnSO4 42678,2563 kg……...............…x4 x4
42678, 2563 0,1 42, 6783 kg/șarjă ZnSO4 100
Sulfat de magneziu:
100 kg Mdc...................………0,1 MgSO4 42678,2563 kg……..............…x5 x5
42678, 2563 0,3 128, 0347 kg/șarjă MgSO4 100
Apă:
100 kg Mdc...................………75,2 kg apă 42678,2563 kg………..............z
z
42678, 2563 75, 2 32094, 0487 kg/șarjă apă 100 38
Nr. 1 2 3 4 5 6 7
Mărimi intrate Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apa Total
% 20 4 0,3 0,1 0,1 0,3 75,2 100
Kg/șarjă 8535,6513 1707,1303 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 32094,0487 42678,2563
Mărimi ieșite Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apa Total
% 20 4 0,3 0,1 0,1 0,3 75,2 100
Kg/șarjă 8535,6513 1707,1303 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 32094,0487 42678,2563
Deoarece în procesul de sterilizare o parte din componenții mediului de cultură se degradează următorii compuși se iau în exces de 10%: melasă, extract de porumb.
Melasă: 8535,6513 1,1 9389, 2164 kg/șarjă (22%) Extract de porumb: 1707,1303 1,1 1877,8433 kg/șarjă (4,4%) Redeterminarea cantității de apă necesară:
100 kg Mdc...................………72,8 kg apă 42678,2563 kg………..............w
w
Nr. 1 2 3 4 5 6 7
42678, 2563 72,8 31069, 7706 kg/șarjă apă 100
Mărimi intrate Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apa Total
% 22 4,4 0,3 0,1 0,1 0,3 72,8 100
Kg/șarjă 9389,2164 1877,8433 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 31069,7706 42678,2563
39
Mărimi ieșite Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apa Total
% 22 4,4 0,3 0,1 0,1 0,3 72,8 100
Kg/șarjă 9389,2164 1877,8433 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 31069,7706 42678,2563
2. Sterilizarea mediului de cultură: Nr. 1 2 3 4 5 6 7
Mărimi intrate Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apă
% 22 4,4 0,3 0,1 0,1 0,3 72,8
Kg/șarjă 9389,2164 1877,8433 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 31069,7706
Total
100
42678,2563
Mărimi ieșite Melasă Extract de porumb KH2PO4 CaCO3 ZnSO4 Mg SO4 Apa și compuși de degradare Total
3. Fermentație: a) Necesarul de aer : 1L aer/1L Mdc min 10-3 m3 Mdc..……………................... 10-3 m3aer 42,8841 m3 Mdc....................................x m3aer x = 42,8841 m3/șarjă aer
1 min ................................................... 42,8841 m3 aer 9360 min ...............................................Vaer m3
Vaer = 401395,176 m3/șarjă aer
ρ= ρaer = ρ0
=
Maer = 1,2731 401395,176= 511016,1986 Kg/șarjă aer
40
% 20 4 0,3 0,1 0,1 0,3 75,2
Kg/șarjă 8535,6513 1707,1303 128,0347 42,6783 42,6783 128,0347 32094,0487
100
42678,2563
b) Biomasa Concentrația biomasei în proces CX = 20 g s.u. / L Mdc
Celulele vii: 20 % s.u. , 80 % apă. 100 g celule ............................................... 20 g s.u. x = 100 g celule .......................................... 20 g s.u.
10-3 m3 Mdc.................................... 100 g celule 42,8841 m3 Mdc...............................cx g celule
cx = 4288410 g celule = 4288,41 Kg celule/șarjă biomasă
c) Apa evaporată 1 Kg aer ………………………....… 0,01 Kg apă 511016,1986 Kg aer …….................y Kg/șarjă apă evaporată
y = 5110,1619 Kg/șarjă apă evaporată.
Minocul = 0,1 MMdc Minocul= 4267,8256 Kg/șarjă inocul
Mmediu = 0,9 MMdc Mmediu = 38410,4307 Kg/șarjă mediu
MLdf = Minocul + Mmediu- Mapa evap - Mbiomasa MLdf=4267,8256+38410,4307–5110,1619-4288,41=33279,6844 Kg/șarjă Ldf
41
Nr. Mărimi intrate crt. 1 Mediu de cultură
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
38410,4307
2 3 4
Inocul Aer
4267,8256 511016,1986
Total
553694,4549
Lichid de fermentație (Acid citric) Biomasă Aer Apă evaporată Total
33279,6844 (2144,2047) 4288,41 511016,1986 5110,1619 553694,4549
4.
Filtrare
80% Precipitatul reține 20% din lichidul de fementație
M pp M biomasa 0, 2 M pp M pp M filtrat
M biomasa 4288, 41 5360,5125kg / sarja 0,8 0,8 M ldf 0, 2 M pp 33279, 6844 0, 2 5360,5125 32207,5819kg / sarja
a Pf 0,8 2144, 2047 0,8 1715,3638kg / sarja
Nr. Mărimi intrate crt. 1 Lichid de fermentație (Acid citric) 2 Biomasă Total
5.
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
33279,6844 (2144,2047) 4288,41
Precipitat
5360,5125
Filtrat (Acid citric) Total
32207,5819 (1715,3638) 37568,0944
37568,0944
Precipitare și neutralizare
a
x
y′
z′
2C6H8O7 + 3Ca(OH)2 → (C6H5O7)2Ca3 + 6H2O 2∙192
3∙74
498
42
6∙18
a = Pf
=2144,2047
a=1715,3638
x = 991,6947 Kg/șarjă Ca(OH)2 y’ = 2224,6124 Kg/șarjă citrat de Ca z’ = 482,4461 Kg/șarjă apă y = y’ z = z’
Kg/șarjă Kg/șarjă
Ca(OH)2, conc = 20 %, 5 % exces MCa(OH)2, exces = 0,05 MCa(OH)2, nereact= 0,1
Macid citric p=0,9
Kg/șarjă Kg/șarjă
kg/șarjă
C=
md = 1,05
Kg/șarjă
ms = 5206,397 Kg/șarjă
Mapa din Ca(OH)2 = ms –md =
4165,1176 Kg/șarjă
Mape rezid = Mfiltrat – Macid citric p+z + MCa(OH)2, exces + MCa(OH)2, nereact+ Mapa din Ca(OH)2
= 32207,5819-1543,8274+434,2015+49,5847+99,1695+4165,1176=35411,8278 Kg/șarjă
43
Mărimi intrate
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
32207,5819 (a=1715,3638) 5206,397
Ape reziduale
35411,8278
2
Filtrat (A.C) Ca(OH)2, 20%
Citrat de Ca (A.C)
3
Total
37413,979
Total
2002,1512 (b=0,9 1543,8274) 37413,979
Nr. crt. 1
6.
Filtrare
η = 90 % Precipitatul retine 20 % umiditate
Mpp = Mcitrat + 0,2Mpp
Mpp =
Kg/șarjă (x)
=
Datorită randamentului, Mpp = 0,9 x = 2252,4201 Kg/șarjă
Mcitrat pierdut = 0,1 Mcitrat = 200,2151 Kg/șarjă
Mfiltrat= Mape reziduale – 0,2 Mpp + Mcitrat p Mfiltrat= 35411,8278 – 0,2∙2252,4201+200,2151 = 35161,5589 Kg/șarjă
Nr. Mărimi intrate crt. 1 Ape reziduale
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
35411,8278
2
Citrat precipitat (A.C)
2252,4201 (c=0,9∙b=1389,4447) 35161,5589
3
Total
2002,1512 (b=1543,8274) 37412,979
Precipitat (A.C) Filtrat Total
37413,979
44
7.
Acidulare
c= 1389,4447
x
y
z
(C6H5O7)2Ca3 + 3H2SO4→ 2C6H8O7 + 3CaSO4 498
3∙98
2∙192
3∙136
x = 820,2746 Kg/șarjă y = 1071,3790 Kg/șarjă z = 1138,3402 Kg/șarjă
H2SO4, c=20 %, exces 5 % MH2SO4, exces= 0,05∙ x = 41,0137 Kg/șarjă md = 1,05 ∙x = 861,2883 Kg/șarjă ms =
Kg/șarjă
Mapa din H2SO2 = ms –md = 3445,1532 Kg/șarjă Msol acide= Mapa din H2SO2 + MH2SO4, exces +y+ Mumid. pp = =3445,1532 + 41,0137+1071,3790+862,9754 = 5420,5213 Kg/șarjă
Mumid. pp = M pp -c =2252,4201-1389,4447 =862,9754 kg/șarjă
Nr. Mărimi intrate crt. 1 Precipitat (A.C.) 2 Sol H2SO4 Total
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
2252,4201 (c=1389,4447) 4306,4415 6558,8616
Solutie acidă (A.C) CaSO4 Total
5420,5213 (d=c=1389,4447) 1138,3402 6558,8615
45
8.
Decolorare și filtrare
η=85 % Masa carbunelui activ reprezintă 20 % din masa soluției acide. Mcarb activ = 0,2Msol acida = 1084,1043 Kg/șarjă
Mpp = = 3794,4034 Kg/șarjă
Mfiltrat = Msol acida – 0,15Msol acida – 0,2 Mpp =5420,5213-813,0782-758,8807 =3848,5624 Kg/șarjă Nr. crt. 1 2 3
9.
Mărimi intrate
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
Solutii acide (A.C) CaSO4
5420,5213 (d=1389,4447) 1138,3402
Precipitat
3794,4034
Filtrat (A.C)
3848,5624 (e=0,85∙d=1181,028)
Cărbune activ Total
1084,1043 7642,9658
Total
7642,9658
Cristalizare
η= 90 % Mape rezid = Mfiltrat- Macid citric Macid citric =0,9∙ e = 0,9∙1181,028=1062,9252 Kg/șarjă (f) Mape rezid = 3848,5624 – 1062,9252= 2785,6372 Kg/șarjă
Nr. crt. 1
Mărimi intrate
Kg/șarjă
Mărimi ieșite
Kg/șarjă
Filtrat (A.C.)
3848,5624 (e =1181,028)
A.C cristalizat
1062,9252
Ape reziduale Total
2785,6372 3848,5624
2 Total
3848,5624 46
10. Filtrare η=90 % Precipitatul reține 10% din umiditate. Mpp = Mfiltrat= Mape rezid + 0,1Macid citric - 0,1 Macid citric = 2785,6372+0,1∙1062,9252-0,1∙1062,9252 =2785,6372 kg/șarjă
Nr. crt. 1 2
Mărimi intrate
Kg/șarjă
Mărimi iesite
Kg/șarjă
Acid citric (f) Ape reziduale Total
1062,9252
Precipitat (A.C) Filtrat Total
1062,9252 (g) (h=0,9∙f=956,6327) 2785,6372 3848,5624
2785,6372 3848,5624
11. Uscare η = 98 % Mapaevap = 0,1 g + 0,02 h =0,1∙1062,9252 +0,02∙956,6327=106,2952+19,1327 = 125,4252 Kg/șarjă
Macid citric = 0,98∙ h = 0,98 ∙ 956,6327 =937,5000 Kg/șarjă
Nr. crt. 1
Mărimi intrate
Kg/șarjă
Mărimi iesite
Kg/șarjă
Precipitat
1062,9252
Acid citric
937,5000
1062,9252
Apa evaporată Total
125,4252 1062,9252
2 Total
47
II.4.7. Dimensionare utilaj de fermentație II.4.7.1. Alegerea materialului de construcție și probleme de coroziune
Utilajul proiectat va fi utilizat pentru biosinteza acidului citric. Materialele utilizate pentru construcția recipientelor sub presiune trebuie sa îndeplinească următoarele condiții: 1.
Condiții tehnice: rezistență mecanică, rezistență la coroziune;
2.
Condiții tehnologice: deformabilitatea, sudabilitatea;
3.
Condiții economice: materialul să nu fie scump sau deficitar. Criteriile care trebuie avute în vedere la alegerea materialului pentru construcția unui
utilaj chimic sunt: 1.
Stabilirea condițiilor de lucru pe toată perioada normală de funcționare a utilajului(
execuție, probe, recepție, transport, montaj, exploatare curentă, opriri, intrare și scoatere din funcțiune); 2.
Determinarea
principalelor
proprietăți
ale
mediului(coroziunea,
valoarea
temperaturilor extreme de funcționare, periculozitatea mediului); 3.
Stabilirea mărcilor de oțel ce pot satisface aceste proprietăți,fără ca acestea să prezinte
incoveniente. Materialul frecvent ultilizat în construcția recipientelor sub presiune este tabla din oțel laminat. Funcție de compoziția sa chimică, tabla din oțel poate fi: oțel carbon, oțel slab aliat și oțel aliat. Tabla din oțel carbon și din oțel slab aliat se utilizează frecvent pentru construcția utilajelor sub presiune care nu conțin fluide toxice, inflamabile, explozive sau care dezvoltă corosiune fisurantă sub sarcină. Pentru construcția recipientelor chimice care , în general, conțin medii de lucru corosive și în același timp lucrează la temperaturi ridicate, se utilizează tablă de oțel aliat. Ca elemente de aliere se folosesc: Cr, Mn, Ni, Mg, Si, Mo, V, etc. Cea mai mare parte a oțelurilor sunt aliate cu Cr și Ni. Atât Cr cât și Ni crește capacitatea de călire a oțelului și rezistența la rupere la temperaturi ridicate în condiții de corosiune. [11, 53-57]
48
Pentru construcția bioreactorului se alege oțelul X10CrNiTi 18,9-W.1.4541. Problemele de corosiune și protecție anticorosivă Corosiunea reprezintă fenomenul degradării sau distrugerii corpurilor solide metalice sau nemetalice sub acțiunea chimică sau electrochimică a mediului înconjurător. Pentru a putea caracteriza comportarea unui material oarecare față de mediul înconjurător este necesar să se cunoască cât mai exact condițiile în care are loc interacțiunea, cum ar fi: compoziția chimică a mediului agresiv, concentrația în agent agresiv, temperatura precum și alți factori ocazionali sau permanenți. După natura reacțiilor eterogene chimice sau electrochimice, fenomenele de corosiune se pot clasifica în corosiune chimică și electochimică. Corosiunea chimică este provocată de acțiunea chimică a mediilor gazoase sau lichide neconducătoare de curent. Corosiunea electrochimică apare în urma interacțiunii materialului cu mediile agresive de electroliți. Principala sa caracteristică o constituie existența unui curent electric care ia nastere efectiv în timpul procesului de corosiune. Din punct de vedere practic este important a caracteriza procesul de corosiune nu numai cantitativ ci și calitativ, adică cunoașterea naturii atacului agresiv și distribuția acestuia pe suprafața materialului. Din acest punct de vedere corosiunea este continuă și discontinuă sau locală. Corosiunea continuă poate fi, la rândul ei, uniformă sau neuniformă. Corosiunea discontinuă sau locală reprezintă o concentrare a atacului pe anumite zone ale suprafeței metalice. Dupa gradul de concentrare a atacului se pot deosebi mai multe tipuri de corosiune: în pete, plagi și puncte. După caracterul distrugerii și structura sa, se cunosc: corosiune intercristalină și in cazul aliajelor cu mai multe faze corosiune selectivă. Proiectantului îi revine sarcina de a include in documentație datele privind agresivitatea corosivă a mediului în care se prevede exploatarea utilajului, de a alege materialele sau acoperirile corespunzătoare împotriva corosiunii. Deoarece nu există reguli concrete care să 49
permită alegerea anticipată a materialului corespunzător, decizia de alegere trebuie luată pe baza cunoașterii proprietăților corosive ale mediului, a acțiunii reciproce dintre material și mediu, precum și alți factori suplimentari ca: vibrații, viteza de circulație a fluidelor, conținutul de hidrogen, oxigen, aer apă, temperatura, instabilitatea structurală. [11, 57-59]
Determinarea diametrului bioreactorului
Fig. nr. II.4.7.1. Cunoscând producția pe șarjă, reacțiile chimice care stau la baza oținerii produsului și randamentele transformărilor chimice, din bilanțul de materiale se calculează volumul de reactanți care se introduc în reactor, respectiv volumul util al reactorului. Volumul reactorului se calculează din volumul util folosind relația: V
Vu
42,8841 61, 263 m3 0, 7
Vu - volumul util,respectiv volumul masei de reacție, m3;
- coeficient de umplere care are valorile:
0,7-0,8 pentru lichide care nu spumează;
0,4-0,6 pentru lichide care spumeaza. [11,65-66] 50
Se alege =0,7 întrucât adaugăm in proces antispumanți pentru a împiedica spumarea. Diametrul reactorului tip autoclavă se calculează din volumul acestuia considerat, într o primă aproximare, ca un cilindru: V
Se admite raportul
în care
D2
H
4
H 3 H 3D , D
H - coeficient de suplețe. D
3D3
V
4
Di
3
4 V 3 4 61, 263 2,9625 m 3 3
În urma standardizării, Di STAS =3000mm
Determinarea înălțimii bioreactorului Înălțimea reactorului se calculează cu relația: H H cil hc h f , în care:
H cil - înălțimea părții cilindrice a reactorului, m
hc - înăltimea capacului reactorului, m h f - înălțimea fundului reactorului, m
[11,72-73] hc h f 795 mm
hc h h1 40 755 795 mm h1
De 3020 755 mm 4 4
De Di 2 3000 2 10 3020 mm 51
Se admite =10 mm Se adoptă h=40 m Hv=f(Vv) V Vv V f Vc V f Vc
,în care:
Vv V 2V f
V-volumul bioreactorului, m3; VV- volumul virolei, m3; Vf- volumul fundului reactorului, m3; Vc- volumul capacului reactorului, m3. Pentru Di=3000 mm și h=40 mm, Vf= Vc =3,812 m3
Vv 61, 263 2 3,812 53, 639 m3
Vv
Di 2 4
Hv Hv
4 Vv 4 53,639 7,588 m 2 Di 32
H H v 2 h f 7,588 2 0, 795 9,178 m
H 3, 05 D
Determinarea diametrului exterior al bioreactorului: De Di 2 p 3000 2 12 3024 mm, în care:
p - grosimea reală a virolei, m;
Grosimea reală a virolei sau grosimea de proiectare se calculează cu relația: p c1 cr1 9, 3 1, 5 1, 2 12 mm , în care:
- grosimea teoretică a virolei, m; 52
[11, 69]
c1 - adaos datorită pierderilor în urma coroziunii(se exprimă ca produs între viteza de coroziune și numărul anilor prevăzuți pentru funcționare), m;
cr1 - adaos de rontunjire( egală sau mai mare decât toleranța în minus a tablelor), m. Grosimea teoretică a virolei cilindrice supuse la presiune interioară în condițiile încărcării statice se calculează cu relația:
D pc 3 0,5886 9,3 103 m , în care: t 2 a pc 2 0, 7 136, 66 0,5886
D - diametrul interior al recipientului, m;
pc - presiunea de calcul, MPa;
- coeficient de rezistență al îmbinării sudate; at - efortul unitar admisibil al materialului, calculat pentru temperatura la care
funcționează recipientul, Mpa. [11, 70]
pc =6 atm= 6 9,81104 0,5886 MPa.
=0,7
at
ct cc
205 136,66 MPa. 1,5
Adaosul datorat pierderilor în urma corosiunii se calculează cu relația:
c1 v t 0, 05 30 1,5 , în care; v- viteza de corosiune, mm/an; t- timpul de funcționare; se admite t=30 ani.
53
[11, 70]
Determinarea diametrului mantalei bioreactorului
Dim 3200 mm Dem Dim 2 pm 3200 2 10 3220 mm
pm m c1 cr1 7.9 1.5 0.6 10 mm
m
D im pc 3, 2 0,5886 7,9 103 m t 2 a pc 2 0, 7 170 0,5886
pc =6 atm= 6 9,81104 0,5886 MPa.
=0,7
t a
ct cc
255 170 MPa. 1,5
cc v t 0, 05 30 1,5 Determinarea înălțimii mantalei bioreactorului Înălțimea mantalei se calculează funcție de înălțimea lichidului din bioreactor. Partea superioară a mantalei este dispusă sub nivelul lichidului din aparat cu o valoare y=25-50 mm.Se alege y=50 mm H m H lc y h f x 5,528 0, 05 0, 795 0, 098 6,371 m , în care:
H lc - înălțimea lichidului din partea cilindrică a aparatului, m; h f - înălțimea fundului bioreactorului, m;
x- distanța dintre reactor și manta, m. x
[11, 73-74]
Dem De 3220 3024 98 mm 2 2
h f 0, 795 m 54
H lc f Vlc Vu Vlc V f Vlc Vu V f 42,8841 3,812 39, 072m3 Vlv
Di2
H lv 4 4 Vlv 4 39, 072 H lv 5,528m Di2 32
II.4.7.2 . Dimensionarea și verificarea suprafeței de transfer termic II.4.7.2.1. Bilanț termic Pentru calculul debitului de agent termic, se întocmește bilanțul termic total pentru bioreactorul discontinuu, corespunzător perioadei de degajare maximă a căldurii:
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 , în care: Q1 - căldura generată de reacția biochimică; Q2 - aportul termic al agentului termic;
Q3 - căldura generată de agitarea mecanică sau pneumatică; Q4 - căldura introdusă în sistem de aerul barbotat; Q5 - aportul termic al efluentului;
Q6 - aportul termic al bioreactorului; Q7 - căldura acumulată; Q8 - căldura preluată de agentul termic;
Q9 - căldura preluată prin evaporarea apei din mediul de cultură; Q10 - căldura preluată de gazul care părăsește bioreactorul;
Q11 - căldura preluată de efluent; 55
Q12 - căldura preluată de bioreactor;
Q13 - pierderile de căldură în exterior. [10, 236]
Verificarea suprafeței de transfer de căldură În bioreactoarele discontinue cu amestecare transferul de căldură se poate realiza prin manta, serpentină sau prin ambele procedee. Transferul de căldură prin manta și serpentină interioară este cel mai folosit. Mantaua ocupă 80-90% din înălțimea părții cilindrice a aaratului și tot capacul inferior. Mantaua poate să fie fixă sau demontabilă. Mantaua fixă se prinde prin sudură de virola cilindrică și este caracteristică racordarea la 45° a acesteia cu corpul cilindric, iar la partea inferioară, pentru amplasarea racordului de evacuare, se face degajarea la 90° cu bordura mantalei, sau se sudează de racordul de evacuare. Mantaua demontabilă se fixează cu ajutorul flanșelor de virola cilindrică a aparatului. Se folosește manta demontabilă atunci cînd se lucrează la temperatură înaltă sau atunci cînd aparatul este supus corosiunii și este necesară o verificare periodică a suprafaței. Agenții termici circulă prin spațiul dintre manta și reactor, iar înălțimea mantalei trebuie să fie mai mică decât a lichidului din aparat în stare de repaos. Aburul de încălzire se introduce prin racordul superior pentru a elimina condensul, iar agentul termic lichid se introduce prin racordul inferior, pentru a asigura umplerea mantalei cu lichid. Presiunea agentului termic din manta nu trebuie să depășească 8-10 atmosfere. Din dimensionarea geometrică a reactorului rezultă suprafața reală de trasfer de căldură, respectiv suprafața aparatului acoperită cu manta. Din dimensionarea termică se calculează suprafața de transfer de căldură necesară pentru menținerea regimului termic în reactor, numită suprafață calculată. Condiția care trebuie îndeplinită este ca suprafața reală de transfer de căldură să fie mai mare decât suprafața calculată. Dacă suprafața de transfer termic oferită de manta este mai mică decît suprafața calculată atunci se introduc în reactor elemente pentru transferul de
56
căldură, sub formă de serpentine. Serpentinele pot fi așezate vertical în apropierea peretelui sau sunt dispuse concentric. Pentru calculul suprafeței de transfer de căldură se folosește ecuația generală a transferului termic:
Q K A tm , în care: Q - fluxul de căldură schimbat între agentul termic și amestecul de reacție din reactor, W;
K- coeficient global de transfer de căldură, W/m2K;
t m - potențialul termic sub care se realizează transferul de căldură, K. Scopul bilanțului termic este determinarea căldurii schimbate între fluide și debitul de agent termic. În cazul reactorului discontinuu bilanțul termic se întocmește pentru fiecare fază a procesului tehnologic, ținănd seama de durata fiecărei faze. [11, 82-85] Menținerea unui regim izoterm de funcționare a bioreactorului necesită ca: Q7= 0 Temperatura bioreactorului e aceeasi la inceputul și la sfârșitul procesului Q6=Q12 Procesul este discontinuu, nu există efluenți Q5=Q11=0 Compoziția mediului la intrarea și la ieșirea din bioreactor se consideră identică Q4=Q10 Q8 - Q 2 = Q1 + Q3 - Q9 - Q p . Q1 =Vu RQ 42,8841 3888,889 166771,505 W
RQ 5 105 RO2 5 105
28 3888,889 W/m3 3600
RO2 28 mmoli/l·h
[12, 221] 57
RO2 28
103 28 moli/m3·s 3 10 3600 3600
Q3 f N 3 d 0,3 23 1 800 1920 W , în care:
f- factor de putere; se alege f= 0,3; N- turația agitatorului; se alege N= 120 rot/min= 2 rot/ sec; d- diametrul agitatorului; d
DSTAS 3 1 m 3 3
ρ=800 kg/ m3.
Q9 Dg C
511016,1986 2421.136 103 0, 01 22030.6217 W ,în care: 156 3600
Dg - debit masic de aer barbotat, kg/sec;
- căldura latentă de vaporizare pentru Toptim; Toptim= 32° C
32C
2420 2440 (32 23, 7) 2440 2421,136 J/Kg 32,5 23, 7
C - umiditatea preluată de gazul ce părăsește bioreactorul
C =0,01
Qp 3 5% Qu Qu Q8 Q2 Qp 0, 03 Qu Q8 Q2 0,97(Q1 Q3 Q9 )
58
[11, 265]
Q8 Q2 0,97(166771,505 1920 22030,6217) Q8 Q2 142261,0568W
Dag
Q8 Q2 , în care: C pag (T f Ti )
Dag - debit de agent termic;
C pag - căldura specifică a agentului termic la temperatura sa medie; Tm
C pag 11,5 C Dag
T f Ti 2
20 3 11,5 °C 2
4183 4191 (11,5 10) 4191 4189.8 J/Kg K 20 10
[11, 265]
Q8 Q2 142261, 0568 1,99 kg/s C pag (T f Ti ) 4189.8(20 3)
II.4.7.2.2. Calculul suprafetei de transfer termic
În reactoarele discontinue cu amestecare transferul de căldură se poate realiza prin manta, serpentină sau prin ambele procedee. Transferul de căldură prin manta și serpentină interioară este cel mai folosit. Mantaua ocupă 80-90% din înălțimea părții cilindrice a aparatului și tot capacul inferior. Mantaua poate să fie fixă sau demontabilă. Mantaua fixă se prinde prin sudură de virola cilindrică și este caracteristică racordarea la 45° a acesteia cu corpul cilindric, iar la partea inferioară, pentru amplasarea racordului de evacuare, se face degajarea la 90° cu bordura mantalei, sau se sudează de racordul de evacuare. Mantaua demontabilă se fixează cu ajutorul flanșelor de virola cilindrică a aparatului. Se folosește manta demontabilă atunci cînd se lucrează la temperatură înaltă sau atunci cînd aparatul este supus corosiunii și este necesară o verificare periodică a suprafaței.
59
Agenții termici circulă prin spațiul dintre manta și reactor, iar înălțimea mantalei trebuie să fie mai mică decât a lichidului din aparat în stare de repaos. Aburul de încălzire se introduce prin racordul superior pentru a elimina condensul, iar agentul termic lichid se introduce prin racordul inferior, pentru a asigura umplerea mantalei cu lichid. Presiunea agentului termic din manta nu trebuie să depășească 8-10 atmosfere. Din dimensionarea geometrică a reactorului rezultă suprafața reală de trasfer de căldură, respectiv suprafața aparatului acoperită cu manta. Din dimensionarea termică se calculează suprafața de transfer de căldură necesară pentru menținerea regimului termic în reactor, numită suprafață calculată. Condiția care trebuie îndeplinită este ca suprafața reală de transfer de căldură să fie mai mare decât suprafața calculată. Dacă suprafața de transfer termic oferită de manta este mai mică decît suprafața calculată atunci se introduc în reactor elemente pentru transferul de căldură, sub formă de serpentine. Serpentinele pot fi așezate vertical în apropierea peretelui sau sunt dispuse concentric.
[11. 82-84] Suprafața de transfer termic se determină din ecuația generală a transferului de căldură:
Q K A Tmed 3 20 11.5C 2 32C
Tmedag T ferm
Ti 32 3 32 3 29C T f 32 20 12C K
1 1
1
rdp1
Nu c Re
m ag
1 rdp 2
Pr
2
0,33
p
0.14
d D
D 3000 3d 1 d 3 d Nu
60
Pr
C p
d2 n
12 2 800 10666, 66 0,15 4174 4174 Cp (32 30) 4174 4174 J / Kg K 40 30 0, 635 0, 618 (32 30) 0, 618 0, 6214 J / Kg 40 30 Re
Q K A Tmed Tmed
Ti T f 2
29 12 20.5 2
Ti 32 3 32 3 29C T f 32 20 12C
Tmedag
3 20 11.5C 2
Calculul coeficientului global de transfer de căldură Coeficientul global de transfer de căldură se calculează cu ecuația:
K
1 1
1
rdp1
1 rdp 2
, în care:
2
1 - coeficientul individual de transfer de căldură pentru fluidul care cedează căldură, W/m2K;
2 - coeficientul individual de transfer de căldură pentru fluidul care primește căldură, W/m2K;
- grosimea peretelui prin care se realizează transferul de căldură, m;
- conductivitatea termică a peretelui, W/m K; 61
Coeficientul global de transfer de căldură se determină din ecuații criteriale: Nu, Pr, Re, Gr. Determinarea lui 2 necesită stabilirea regimului de curgere a apei prin manta. Deoarece viteza de curgere prin manta este relativ mică, trebuie stabilită influența convecției libere și forțate.
Determinarea 1 :
Nu c Re
Nu
m ag
Pr
0,33
p
0.14
d D
d ;
m=0,67 pentru bioreactoare cu manta; c=0,75 pentru agitator tip turbină cu palete drepte.
Re
d2 n
Agitatorul utilizat este un agitator tip turbină cu 6 palete al cărui diametru este: D 3000 3d 1m d 3
n=2 rot/sec; ρ= 800 Kg/m3 ; η= 150 cP=0,15 Pa ·s. Re
d2 n
12 2 800 10666, 66 0,15
62
Pr
C p
CP- căldura specifică a apei la temperatura de fermentație (32° C); λ – căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura de fermentație (32° C); 4174 4174 (32 30) 4174 4174 J/Kg·K 40 30
Cp
0, 635 0, 618 (32 30) 0, 618 0, 6214 W/m·K 40 30
η = 0,15 Pa·s. Pr
C p
4174 0.15 1007.564 0.6214
Într o primă aproximare, se calculează valoarea lui Nu, neglijând
Nu c Rem ag Pr 0,33
d D
Nu 0, 75 10666, 660,67 1007,5640,33
1
Nu d
. p
1 1224, 05 2, 4
0, 6214 1224, 05 760, 62 W/m2·K 1
Pentru aflarea temperaturii peretelui se impune condiția de staționaritate a fluxurilor termice:
q K Tmed 1 T1 ...... 2 T2 Se adoptă K=250 W/m2·K K Tmed 1 T1 T1
K Tmed
1
250 20,5 6, 74 760, 62
63
T1 Tm1 Tp1 Tp1 Tm1 T1 32 6, 74 25, 26 ° C
p = 0,155 Pa·s
Nu c Rem ag Pr 0,33 p
0.14
d D
Nu 0, 75 10666, 660,67 1007,5640,33 (
0,15 0,14 1 ) 0,155 3
Nu 1218, 44
1
Nu d
0, 6214 1218, 44 757,14 W/m2·K 1
Pentru a calcula 2 este necesară determinarea regimului de curgere. În funcție de acesta există ecuații criteriale specifice. Re ag termic
d ech v
, în care:
V- viteza de curgere a agentului termic prin manta , m/s; ρ – densitatea agentului termic la temperatura medie a agentului termic , kg/m3. η- vascozitatea fluidului la temperatura medie, Pa s ;
dech Dim De 3, 200 3, 024 0,176 v
Mv , în care: S
Mv – debit volumic agent termic, m3/s ; S- secțiunea liberă pentru trecerea lichidului , m2.
64
Mv
Dag
1,99 0, 00199 m3/s , în care: 999, 475
Dag- debitul de agent termic;
- densitatea apei de racire la temperatura medie, kg/ m 3 ;
11,5C
998, 2 999, 7 (11,5 10) 999, 7 20 10
11,5C 999, 475 kg/m3
S
v
4
( Dim 2 De 2 )
4
(3, 22 3, 0242 ) 0,86m2 ;
0, 00199 2,314 103 m / s 0,86
11,5C 1, 2607 103 Pa s ;
Re ag termic
d ech v
0,176 2,314 10 3 999, 475 322,88 1, 2607 103
Deoarece Re < 2300, regimul de curgere este laminar și se poate utiliza relația:
Nu 0,15 1 Re
Nu Re
d ech 2
d ech v
0, 33
Pr
0, 43
Gr
0,1
Pr Pr p
0, 25
d ech 2 g 2
Gr
2 C p Pr 65
T2
1 - coeficient de corecție funcție de raportul L/dech ,
unde :
L/dech>50 1 1 ;
-1 -coeficient de dilatare termică, K ;
1,82 104 0, 7 104 (11,5 10) 0, 7 104 0,868 104 K 1 , pentru T=11,5oC 20 10
Se admite 2 400 W / m 2 k .
T2 - căderea de temperatură prin filmul de lichid care circulă în manta ,oC; T2 - se determină punând condiția de staționaritate: T2
K Tmed
2
250 20 ,5 12 ,8C 400
0,1763 999, 4752 9,81 Gr 0,868 104 12,8 2 0, 0012607 Gr 3, 73 107
Se compara Gr cu 0,3∙Re2 :
0,3 322,82 3,127 104 Gr
3,127 104
În aceste condiții se recalculează 2 pentru convecția liberă și se alege cea mai mare valoare.
66
Convecție liberă Pentru fluide în convecție liberă pe suprafețe verticale plane sau cilindrice se recomandă următoarea relație criterială de calcul pentru 2 :
Nu C Gr Pr
m
C 0,129 m 0,33
- coeficientul de conductibilitate termică a apei la temperatura de 11,5oC, W / m k ; 11,5C
59,9 102 57, 4 102 (11,5 10) 57, 4 102 57, 775 10 2 W / m k 20 10
Pr11,5C
7, 02 9,52 (11,5 10) 9,52 9,145 20 10
Nu 0,129 3, 73 107 9,145
2
0,33
84, 42
Nu 84, 42 57, 775 102 277,12W / m2 K dech 0,176
Convecție forțată
Nu 0,15 1 Re
0, 33
Pr
0, 43
Pr Gr Pr p 0,1
0, 25
Pr p se determină la temperatura peretelui :
67
Tp 2 Tm2 T2 11,5 12,8 24,3o C
Prp 24,3C
5, 42 7, 02 (24,3 20) 7, 02 6,332 30 20
Nu 0,15 322,8
0,33
9,145
0,43
3, 73 10
7 0,1
9,145 6,332
0,25
Nu 16,386
2
Nu 16,386 57,775 102 53,788 W / m 2 k dech 0,176
Se alege pentru 2 valoarea cea mai mare : 277,12 W / m K 2
Cu aceste valori se determină coeficientul global de transfer de caldură :
K
1 1
1
rdp1
1 rdp 2 2
Se foloseste apă de calitate medie
rdp1 5,37 10 4 m 2 k / W rdp1 1, 72 10 4 m 2 k / W
46,5 W / m k
68
K
1 1 10 103 1 4 5,37 10 1, 72 104 757,14 46,5 277,12
K 170,842 W / m 2 K
Se reiau calculele cu această valoare a coeficientului global de transfer de caldură.
T1
K Tm
1
170,842 20,5 4, 63o C 757,14
Tp1 Tm1 T1 32 4, 63 27,37 o C
La această temperatură a peretelui, vâscozitatea mediului este:
0,153Pa s
Nu c Re
m
ag
Pr
0, 33
p
0,14
d , D
m 0,67
0,15 Nu 0, 75 10666, 660,67 1007,5640,33 0,153 Nu 1220, 66
1
Nu d
Se calculează
T2
0, 6214 1220, 66 758,52 W / m 2 k 1
2
K Tmed
2
0,14
170,842 20,5 12, 64o C 277,12
69
1 3
Gr
dech3 2 g
2
T2
0,1763 999, 4752 9,81 0,868 104 12, 64 0, 0012607 2
Gr 3, 688 107
Nu 0,129 Gr Pr
0,33
0,129 3, 688 10 7 8, 77
0,33
Nu 82,95
Pr12,64C
2
7, 02 9,52 (12, 64 10) 9,52 8, 77 20 10
Nu 82,95 57,775 102 272,3 W / m 2 k dech 0,176
Se recalculeaza K:
K
1 169, 066 W / m 2 k 3 1 10 10 1 5,37 104 1, 72 104 758,52 46,5 272,3
169,066 Se calculează eroarea : E 1 100 1% 4% 170,842
Se determină suprafața necesară de schimb de caldură:
A
Qu 142261, 0568 41, 046 m 2 K Tm 169, 066 20,5
70
Această arie se majorează cu 10-20%: Am 1,15 41, 046 47, 203m 2 ( aria necesară)
Determinăm aria reală:
S m Sv S f Sv Dmed H v 3, 01 (5,528 0, 05) Sv 51,8m 2 Sf
D0 2
3, 7282
4 S f 10,915m 2
4
Sm 51,8 10,915 62, 716m 2
S m Ar Suprafața reactorului acoperită cu manta este suficientă pentru a realiza schimbul de caldură.
II.4.7.3.
Determinarea grosimii izolației
Pentru a limita schimbul de caldură cu exteriorul se utilizează materiale termoizolante. Materialele termoizolante sunt acele materiale la care coeficientul de conductivitate termică este mai mic de 0,12 W/m k. Materialele termoizolante trebuie să îndeplinească următoarele condiții: - să aibă densitate volumică mică; - să fie ieftine și să se monteze ușor; - să fie rezistente la temperatura de lucru, la umiditatea atmosferică, la acțiuni mecanice; - să nu fie corozive față de materiale. Principalele materiale termoizolante folosite în industria chimică sunt: azbestul, vata de sticlă, vata de zgură, vata minerală, diatomitul, alfolul, masele plastice, pluta, etc. Vata de sticlă se folosește sub formă de saltele de grosimi de 15-60 mm; se protejează la exterior cu carton asfaltat, tablă galvanizată sau cu un strat de gips. Temperatura maximă de utilizare este de 600 oC 71
Grosimea izolației se calculează astfel incât temperatura peretelui exterior al aparatului să nu depaseasca 50oC. Această grosime se calculează cu relația:
ln
t t 1 dp d sp diz 1 1 1 2iz m1 m 2 ln ln d 2 dp di 2sp diz d sp 2 p 1 1 ql
Semnificația mărimilor din ecuație este dată de figura 2.2.3.1 și reprezintă:
q1 - pierderea specifică de caldură pentru perete cilindric pe unitate de lungime,W/m; t m1 , t m 2 - temperatura medie a fluidelor 1 respectiv 2; d 1 , d p , d iz , d sp - diametrul interior, exterior, al izolației respectiv al stratului protector, m;
1 , 2 - coeficienții individuali de transfer de caldură pentru fluidul 1 respectiv fluidul 2, W/m2k; p , iz , sp - conductivitatea termică a materialului din care este construit aparatul,
stratul izolator respectiv, stratul protector ,W/m k.
Fig. Nr. 2.2.3.1 Transferul de caldură printr-un perete cilindric izolat termic. [11, 102-104]
72
În mod curent, rezistența termică a peretelui metalic se poate neglija. Mantaua este utilă atunci când se sterilizează fermentatorul cu abur. Se admite: Tm1 125o C , in manta la sterilizare exista doar abur. Tm 2 20o C
iz 0,05 W / m k
sp 0,085 0,0002 Tp , pt, Tp 45o C sp 0,094 W / m k 1
1
[12, 511]
Pentru aparate aflate în spații închise, cu temperatura de suprafață pâna la 150oC, se poate calcula cu urmatoarea relație:
1 9,74 0,07 T ,unde: T - diferența de temperatură dintre suprafața exterioară a stratului protector și
temperatura aburului oC;
T Tp t m1 130 125 5o C T p - temperatura peretelui exterior al fermentatorului. Se admite Tp 130o C
1 10,09W / m 2 k 2 9,74 0,07 T T T p1 t m 2 45 20 25o C T p1 45o C
2 11,49.W / m 2 k Determinarea grosimii izolației presupune cunoașterea pierderilor specifice de căldură q1 :
q1
Qp Le (1 )
,unde:
Q p - cantitatea de caldura in exterior,W;
L e - lungimea echivalenta a aparatului cilindric,m;
73
-coeficient care exprimă pierderile suplimentare de caldură prin elementele de susținere și armăturile aparatului. [11, 105] Qp 0, 03 Qu 0, 03 142261, 0568 Qp 4267,83W
Lungimea echivalentă se determină cu relația:
Le H v
Dme 2 hc 2 3, 22 2 0,7952 7,588 9,591m 2 Dme 2 3, 22
q1
4267,83 370,819W / m 9,591(1 0, 2)
Datorită simplificărilor relația de calcul pentru determinarea grosimii izolației devine:
ln
t t 1 d sp diz 1 1 2iz m1 m 2 ln d 2 dp diz d sp 2 q1 sp 1 1
Se aproximează termenul
ln
1 2sp
ln
d sp diz
1 0,01.m k / W d sp 2
diz d 1 125 20 2 0, 05 0, 01 ln iz 0, 08272 dp dp 370,819 10, 09 3, 2
diz 1, 086 diz d p 1, 086 dp
diz 3, 497m
74
diz Dme 3, 497 3, 22 0,139m 2 2 d sp diz 2 sp
iz
Se adoptă sp 0,015 m d sp 3, 497 2 0, 015 3, 527 m
Se verifică rezistența termică a stratului protector și a filmului limită exterior:
1 2sp
ln
d ln iz d p
d sp diz
1 1 3,527 1 ln 0, 0223 m d sp 2 2 0, 094 3, 497 3,527 11, 49
1 125 20 0, 0223 0, 0789 2 0, 05 370,819 10, 09 3, 2
diz 1, 082 d iz d p 1, 082 3, 22 1, 082 dp
diz 3, 484m
iz
diz Dme 3, 484 3, 22 0,132m 2 2
d sp diz 2 sp
Se adoptă sp 0, 015m d sp 3, 484 2 0, 015 3,514m
Se verifică rezistența termică a stratului protector și a filmului limită exterior:
75
1 2sp
ln
d sp diz
1 1 3,514 1 ln 0, 0224m d sp 2 2 0, 094 3, 484 3,514 11, 49
Grosimea izolației este de 0,132 m.
II.4.7.4. Consumul de energie la amestecare Amestecarea are scopul de a crea condiții de reacție cât mai uniforme mai ales în ceea ce privește temperatura si concentrația. Ea este necesară și pentru menținerea în stare de suspensie a particulelor solide, emulsionare, intensificarea proceselor de transfer de căldură, masă, și a vitezei de reacție. In procesul de obținere a acidului citric se folosește atât amestecarea mecanică, cât și cea pneumatică. Agitarea mecanică reprezintă procedeul cel mai folosit în industria chimică pentru amestecarea lichidelor miscibile, nemiscibile, newtoniene si nenewtoniene, datorită posibilităților variate de realizare a ei în ceea ce privește turația și spectrul de curgere. Consumul de energie la agitarea mecanică se calculează în două perioade:
perioada de pornire;
perioada de regim constant.
În procesele de fermentație, rolul agitării este asociat cu transportul de oxigen și substanțe nutritive
la
microorganism.
Puterea
necesară
agitării
depinde
mult
de
tipul
microorganismului, fiind cuprinsă între 0,1 și 1,4 kW/m3 de mediu. La anumite microorganisme această limită de energie este mai restrânsă, iar abaterea de la limite are efecte nedorite. Consumul de energie în procesele de fermentație depinde de dimensiunile fermentatorului și ale agitatorului, de marimea și numărul de șicane, de conținutul de aer,de constantele fizice ale biomasei. Pentru agitarea masei din fermentator se folosește agitatorul tip turbină cu palete plane. În perioada de pornire, consumul de energie se calculeaza cu relatia:
76
Pp 2,5 4 P , în care:
P – consumul de energie in perioada de regim constant, W; Consumul de energie în perioada de regim constant se calculează cu relația:
P d 5 n3
C , în care: Re ag m
d – diametrul cercului descris de agitator, m; n – turația agitatorului, rotații/s; ρ – densitatea lichidului supus agitării, kg/m3; C și m – constante specifice fiecărui tip de agitator. Criteriul Reynolds pentru agitare, se calculează cu relația: Re ag
d2 n
12 2 800 10666, 66 0,15
[11, 74-80]
77
Rapoartele geometrice pentru agitatorul tip turbină cu palete plane sunt:
D 3000 3d d 1m d 3 H1 3 H1 3 1 3m d H2 1 H 2 1 1 1m d H3 1 H 3 1 1 1m d S 0,1 S 0,11 0,1m d L 0, 25 L 0, 25 1 0, 25m d W 0, 2 W 0, 2 1 0, 2m d
Determinarea consumului de energie la amestecarea mecanică:
Pp 2,5 4 P P d 5 n3
C 5,98 15 23 800 m Reag 10666, 660,15
P 9520,8756W
Deoarece pe axul agitatorului sunt poziționate 3 agitatoare, consumul de energie va fi:
P 3 9520,8756 28,5626kW 78
Consumul de energie în perioada de regim constant trebuie amplificat cu un coeficient care ține seama de: rugozitatea pereților, prezența tijei de termometru, spărgător de valuri și plonjor. Coeficienții de majorare a puterii de acționare a agitatatorului adoptați sunt:
30%- rugozitatea peretilor; 10% -teaca de termometru; 15% - spargator de valuri; 20% - plonjor;
Pmaj 1 0,3 0,1 0,15 0, 2 P 1,75 28,5626 pmaj 49,9846kW Pp (2,5 4) Pmaj Pp 2,5 49,9846 124,9615kW Conform STAS Pp =132kW
II.4.7.5. Calculul de rezistenta al arborelui agitatorului Diametrul arborelui agitatorului se calculează funcție de momentul de torsiune la care este supus:
d
3
16 M t , unde : a
Mt = momentul de torsiune, N·m; τa = efortul unitar admisibil la torsiune, N/m2;
Momentul de torsiune se calculează, funcție de puterea motorului care acționează agitatorul, cu relația: 79
M t 9, 74 103
P K t n
K = coeficient de suprasarcină ; Se adopta: K = 2,5 – condiții de lucru grele; ηt = randamentul total al transmisiei; n = turația rotației/min; P = puterea motorului, kW.
t a l c ηa = randamentul unui angrenaj cilindric; ηa = 0,97; ηl = randamentul unei perechi de lagăre cu rostogolire; ηl = 0,99; ηc=randamentul transmisiei cu curele. ηc=0,95 ηt = randamentul total al transmisiei; [11, 81-83] ηt = 0,97·0,99·0,95 = 0,912.
P K t 132 2,5 0,912 9, 74 103 n 120 3 M t 24, 4279 10 M t 9, 74 103
80
a 120 180kgf / cm3 ;
Se admite a =150kgf/cm3 = 150·9,81·104=1,47·107 N/m2
16 24, 4279 103 d 0, 2038m 1, 47 107 3
Conform STAS d = 219 x 10mm
II.4.7.6. Dimensionare barbotor
Amestecarea pneumatică se realizează cu aer, abur sau alte gaze și se aplică atunci când gazele iau parte la reacție sau favorizează omogenizarea mediului.Agitarea masei de reacție se realizează prin introducerea gazului sub presiune. Gazul sub formă de bule străbate amestecul de reacție și antrenează porțiuni de lichid. Presiunea aerului sau a gazului trebuie sa fie suficientă pentru crearea unei presiuni dinamice în conductă, pentru învingerea rezistențelor locale și prin frecare în conducta de gaz precum și pentru învingerea presiunii hidrostatice a coloanei de lichid din aparat.
În agitarea pneumatică, presiunea pe care trebuie să o aiba gazul comprimat se calculează cu relația: P H l g ( dL ) v2 P0 , în care: 2
H= înălțimea stratului de lichid deasupra orificiilor de ieșire a gazului, m; ρl = densitatea lichidului, kg/m3 ; ρg = densitatea gazului, kg/m3; 81
Σξ = suma rezistențelor hidraulice locale în conducta de gaz, începând din locul unde se măsoară
suprapresiunea .
v = viteza gazului in conductă , m/s; v = 10-15; Se admite v = 15m/s. g = accelerația gravitatională, m/s2; g = 9,81 m/s2; d = diametrul conductei, m; λ = coeficient de frecare în conductă. [11, 75] P0 1,1atm 1,1 1, 013 105 Pa 1,1143 105 Pa
Se admit: - diametrul orificiilor : d0 = 3÷5.Se alege d0=3 mm -pasul : t =1,5∙d0=4,5 mm
Se cunosc: - η = 0,15 Pa∙s; -ρ = 800 kg/m3; -Daer = 401395,176 m3/șarjă -
db= dag=1 m
Cunoscând Daer
Daer 401395,176 m3 0, 7147 t f 3600 156 3600 s
relația:
82
diametrul țevii se calculează cu
dt 2 v 4 Daer 4 0, 7147 dt 4 v dt 0, 2463m Daer
Conform STAS d t 273 x 4mm Se adoptă:
L1 = 2 m; hl = 100mm; L2 H
H3 1 hc 9,178 0,1 8, 778m 2 2
Lungimea barbotorului se calculează cu relația: LB
2 db db 1 3,1416m 2
Pentru a calcula numărul de orificii: LB n d0 n t d 0 n d 0 (1 t ) n 3(1 4,5) n 16,5 LB n 16,5 n
LB 3141, 6 191orificii 16,5 16,5
Rezistențe locale: -intrare teava
1·0,5 = 0,5
-ieșire teava
301,11 ·1=301,11
-ventil
1·4,7 = 4,7
-coturi 900
2·0,15 =0,3
-curba de 3600
1·0,12=0,12 83
Σξ = 306,73 Se calculează criteriul Reynolds cu relația: Re
aer v dt ,unde: aer
ρ aer = densitatea aerului, kg/m3 la temperatura de fermentație; η aer = vascozitatea aerului, Pa·s la temperatura de fermentație.
Re
aer v dt 1,1576 15 0, 273 aer
Re 2, 287 105
Coeficientul de frecare în conductă se calculează în funcție de criteriul Reynolds și de raportul d ech/e. Rugozitatea unei țevi din oțel cu coroziune neînsemnată este : e = 0,2
dech 0, 243 1365 e 0, 2 103 0, 018
[12, 26]
Lungimea totală a barbotorului este: L = L1 + L2 + LB = 2 + 8,778 + 3,1416 = 13,9196 m Înălțimea stratului de lichid de deasupra găurilor de ieșire a gazului se calculează cu relația: H3 H 1 H lv hc 3 5,528 0, 795 2 2 2 H 5,823m H H1
Presiunea va fi: P H l g ( dL ) v2 P0 2
84
13,9196 152 P 1,1143 105 5,823 800 9,81 1 0, 018 306, 73 1,1576 0, 2463 2 P 1,9734 105 Pa P
1,9734 105 1,948atm 1, 013 105
II.4.7.7. Racorduri Racordurile sunt alcătuite dintr o țeavă care la un capăt se sudează pe reactor, iar la celălalt capăt se termină cu o flanșă. Racordurile se confecționează din același material ca și virola sau capacul reactorului. La aparatele turnate din fontă, oțel și fontă silicioasă, racordurile se toarnă împreună cu aparatul. Diametrul racordului se calculează din debitul de fluid care circulă prin racord. Pentru reactoare, vase de măsură și rezervoare care funcțtionează discontinuu, la calculul diametrului racordurilor de umplere și evacuare trebuie să se țină seama de timpul de umplere și de evacuare a lichidului. Diametrul rezultat din calcul se standardizează. Bioreactorul este prevăzut cu următoarele racorduri:
1.
Racord pentru alimentarea cu mediul de cultură;
2.
Racord pentru evacuarea lichidului de fermentație;
3.
Racord pentru alimentarea agentului termic;
4.
Racord pentru evacuarea agentului termic;
5.
Racord pentru alimentarea aerului;
6.
Racord pentru evacuarea aerului;
7.
Racord pentru alimentarea agentului antispumant;
8.
Racord pentru gura de vizitare;
9.
Racord pentru termometru.
Dispozitive de vizitare și observație Datorită condițiilor de lucru speciale ale reactoarelor, este necesar să se controleze starea lor interioară la intervale planificate sau în caz de defecțiuni. De asemenea datorită necesității de a curăți bioreactorul de substanțele aderente, sau de a înlocui catalizatorul sau umplutura, 85
precum și pentru montarea unor dispozitive interioare este necesară dotarea bioreactoarelor cu guri de vizitare, prin care, după caz, să se poată introduce mâna sau să intre un om. Unele tipuri de bioreactoare, care au elemente anexe mari(agitatoare) sunt prevăzute cu un capac demontabil prin care se poate face controlul, reparația, curățirea sau descărcarea. În cazul în care capacul este prea mare, demontarea lui este o operație de durată și anevoioasă. Din această cauză pe capac sau pe corpul bioreactorului se prevede o gură de vizitare cu diametrul de 600 mm (figura 2.4.1.).
Fig.2.4.1. Gura de vizitare [11, 109-113]
1.
Racord pentru alimentarea cu mediul de cultură
Acest record este situat pe capacul bioreactorului și este montat prin sudare. Volumul de mediu de cultură care se introduce în bioreactor este de V = 42,8841 m3. Acest volum se introduce în bioreactor pe parcursul a 30 minute. Debitul volumic va fi:
MV
Vu 42,8841 m3 0,0286 ta lim 60 25 60 s
Se admite v=0,5 86
MV
d2 v 4
d
4 MV 4 0, 0286 v 0,5
d 0, 27m
Conform STAS d=273x8 mm.
di 273 2 8 257mm Se recalculează viteza: 4 M V 4 0, 0286 d 2 0, 257 2 v 0,55m / s v
Se alege L=100 mm. 1.
Racord pentru evacuarea lichidului de fermentație;
Racordul pentru evacuarea lichidului de fermentație are aceleași dimensiuni ca cel pentru alimentarea mediului de cultură. d=273x8 L=100mm
2.
Racord pentru intrarea agentului termic
Diametrul acestui racord se calculează din debitul agentului termic:
Dag 1,99kg / s C 999,84kg / m3 DVag
1,99 1,99 10 3 m3 / s 999,84
Se admite v=1m/s
87
DVag d
d2 4
v d
4 DVag
v
4 1,99 103 0, 0503m 1
Conform STAS d=57x4 mm
di 57 2 4 49 mm Se recalculează viteza: 4 1,99 10 3 v 1, 06m / s . 0, 0492
L=85 mm
3.
Racord pentru evacuarea agentului termic;
Acest racord are aceleași dimensiuni ca și racordul pentru alimentarea agentului termic. d=57x4 mm L=85 mm 4.
Racord pentru alimentarea aerului;
Acest racord este situat pe capacul bioreactorului și este montat prin sudare. Debitul de aer care se introduce în bioreactor este de:Daer = 0,7147 m3/s. Se cunoaște v=15m/s. Daer v d
4 Daer d2 d 4 v
4 0, 7147 0, 246m 15
88
Conform STAS d=273x8
di 273 2 8 257 mm Se recalculează viteza: v
4 Daer 4 0, 7147 13, 777m / s d 2 0, 257 2
5.
Racord pentru evacuarea aerului
Racordul pentru evacuarea aerului are aceleași dimensiuni ca și cel pentru alimentare aer. d=273x8 mm.
6.
Racord pentru alimentarea agentului antispumant
DV 70 L / h
ta lim 1h 3600sec 70 103 DV 1,94 105 m3 / s 3600 DV
d 2 v d 4
4 DV v
4 1,94 10 5 d 1 d 0,0049m
Conform STAS d=16x2 mm
di 12mm Se recalculează viteza:
89
4 DV 4 1,94 105 d 2 0, 0122 v 0,17m / s v
7.
Racord pentru termometru
Pentru termometru, racordul are următorul diametru: d=20x2 mm
Fig. nr. 2.4.2. Flansa rotunda plata pentru sudare
Dimensiuni pentru flanșe Recipient (teava) Dn
de
250
di
Flansa s
d1
d2
nxd3
d4
b
c1
Surub filet
273
8
375
335
12x18
274
24
312
M16
50
57
4
140
110
4x14
52,5
14
90
M12
250
273
8
375
335
12x18
274
24
312
M16
10
14
2
75
50
4x11
14,5
10
35
M10
15
20
2
80
55
4x11
20,5
10
40
M10
600
600
8
720
680
24x18
618
40
653
M16
90
II.4.7.8. Suporți Pentru a putea alege suporții pentru bioreactor este necesar sa se calculeze masa acestuia: M aparat M vas M manta
Calculul masei vasului se realizează cu relația: M vas M virola 2 M capac
Masa capacului se ia din tabele în funcție de diametrul interior și grosimea pereților bioreactorului.
D 3000mm 10mm
M capac 785kg pentru
Masa virolei se determină cu relația:
M virola Vv Vv Vext Vint Vv
De2
4 Vv 0, 72m3
Hv
Di 2 4
Hv
3, 022 4
7,588
32 4
7,588
otel 7850kg / m3 M virola Vv 0, 72 7850 5652kg M vas M virola 2 M capac 5652 2 785 7222kg
Masa mantalei se calculează cu relația: M manta M parte cilindrica manta M fund manta
Masă fund manta se ia din tabele funcție de diametrul și grosimea pereților mantalei:
Dm 3200mm M fund manta 885kg 10mm
Masa părții cilindrice se calculează cu relația: 91
V parte cil V parte cil
H lv ( Dme 2 Dmi 2 )
4 0,552m3
4
(5,528 0, 05) (3, 222 3, 22 )
M parte cilindrica V parte cilindrica 0,552 7850 M parte cilindrica 4333, 2kg
M manta 4333, 2 885=5218,2 kg M aparat 7222+5218,2=12440,2 kg
Datorită prezenței racordurilor cu flanșe, a termometrelor etc. masa se majorează cu 30%. M =1,3∙12440,2=16172,26 kg Masa mediului de cultură:
M mdc Vu 42,8841 800 34307, 28kg M ag .termic Vag apa
Vag Vparte cilindrica V fund
Vparte cilindrica Vparte cilindrica
H lv ( Dmi 2 De 2 )
4 4, 756m3
4
5,528 (3, 22 3, 0242 )
V f V f .manta V f .bioreactor 4,812 3,812 V f 1m3
V ag =4,756+1=5,756 m3 M ag =5,756∙999,475=5752,9781 kg Masa totală a aparatului se calculează cu relația: M total M aparat M mdc M ag
Mtotal = 16172,26+34307,28+5752,9781=56232,5181 kg 92
Se vor utiliza 8 suporți. M 56232,5181 sarcina 7029, 065 n 8 Sarcina 7029, 065 9,81 68955 N 68,955KN Sarcina
Fișa tehnică a utilajului: 1.
Denumire utilaj : bioreactor
2.
Poziția de funcționare : verticală
3.
Număr de aparate : 1
4.
Utilizare : bioreactorul este folosit la obținerea acidului citric prin fermentație discontinuă
5.
Deservire și funcționare bioreactorul cu funcționare discontinuă este prevăzut cu manta, agitator tip turbină, barbotor.
6.
7.
8.
Dimensiuni caracteristice : 1.
Diametru bioreactor: Di=3000 mm, De=3024 mm;
2.
Diametru manta: Dim=3200 mm, Dem=3220 mm;
3.
Înălțime bioreactor: H=9178 mm;
4.
Înălțime manta: H=6378 mm.
Conexiuni: 1.
Racord alimentare mediu de cultură: d =273x8 mm; L=100 mm;
2.
Racord evacuare lichid de fermentatie: d =273x8 mm; L=100 mm;
3.
Racord alimentare agent termic: d=57x4 mm; L=85 mm;
4.
Racord evacuare agent termic: d=57x4 mm; L=85 mm;
5.
Racord alimentare aer: d=273x8 mm;
6.
Racord evacuare aer: d=273x8 mm;
7.
Racord alimentare agent antispumant: d=16x2 mm;
8.
Gură de vizitare: d= 600x8 mm;
9.
Racord pentru termometru: d=20x2 mm.
Alte caracteristici: Bioreactorul este prevăzut cu suporți laterali cu sarcina maximă pe suport=100
93
Capitolul III: Controlul fabricației III.1. Controlul, reglarea și automatizarea procesului tehnologic Pentru bioreactorul de obținere a acidului citric este necesară automatizarea în vederea controlului automat. Obiectivul conducerii automate a unui bioreactor reprezintă realizarea și menținerea condițiilor favorabile pentru viață și reproducerea microorganismelor. Automatizarea bioreactorului implică controlul și reglarea următorilor parametri:
presiune;
pH;
concentrație
nivel;
temperatură;
concentrația oxigenului.
Reglarea automata a presiunii În industria chimică se disting două cazuri:
reglarea presiunii în vase cu circulație și pe conducte;
reglarea presiunii în vase închise.
Reglarea presiunii în vase cu circulație se realizează modificând fie debitul de intrare, fie pe cel de ieșire din vas. Soluția adoptată depinde de procesul tehnologic în care este integrat vasul și de funcția sa în proces. De regulă, dacă principala acțiune perturbatoare se exercită pe debitul de ieșire, variabila manipulată este debitul de intrare și invers. Reglarea presiunii pe conducte se face utilizând o baterie de ventile, măsurarea presiunii făcându-se în aval față de acțiunea regulatorului. Pentru reglarea presiunii în vase închise (reactoare chimice, coloane de distilare) se pot utiliza diverse scheme: se actionează asupra unor debite gazoase de evacuare (purjare în atmosferă, recirculare cu condensare) sau care corelează reglarea presiunii cu regimul termic.
94
Fig. nr.3.1.1. Reglarea presiunii în vase închise
Reglarea automată a pH-ului Reglarea automată a pH-ului implică probleme deosebite din două motive considerate principale: 1) caracteristica neliniară a pH-ului duce la un ciclu limită, de oscilații, în bucla de reglare; 2) domeniul larg de variație a debitelor cărora li se reglează pH-ul determină o reglare nesatisfăcătoare dacă există un singur element de execuție deoarece aceasta trebuie să acopere o plajă mare de variație a debitului de neutralizare. Într-un bioreactor cu amestecare, pH-ul se poate regla printr-o cascadă pHc – pHc.
Fig.nr.3.1.2. Schema de reglare automată a pH-ului printr-o cascadă pHC-pHC într-un bioreactor cu amestecare.
95
Reglarea automată a concentrației Reglarea concentrației prezintă o serie de dificultăți legate de caracterul specific al analizoarelor (construite pentru determinarea concentrației unui singur component dintr-un amestec), de întârzierile de transport datorate distanțelor mari între punctul de luare a probelor și cel de analiză, de neliniaritățile introduse în bucla de reglare sau de faptul că multe analizoare nu sunt suficient de robuste sau de sigure în exploatare. De multe ori, în locul reglării directe a compoziției, se procedează la o reglare inferențială, respectiv se masoară un parametru corelat biunivoc cu compoziția (presiune, temperatură). Reglarea compoziției unui amestec lichid – se aduc într-un vas două lichide A si B. Pe recirculare analizorul M măsoară compoziția produsului și informează regulatorul de compoziție. AC, care acționează asupra debitului B. Este preferabil să se stabilizeze debitul A, înlăturând astfel o posibilă perturbație.
Fig.nr. 3.1.3. Schema de reglare automată a concentrației
Reglarea automată a nivelului Reglarea nivelului este o problemă frecventă în industria chimică. Se cere fie reglarea nivelului la o valoare de referință, deci o reglare precisă, sau reglarea nivelului funcție de repere (minim și maxim), deci o reglare cu performanțe mai slabe. Într-un reactor chimic în care reacția se desfășoară în faza lichidă, nivelul este o variabilă importantă a procesului. Menținând nivelul la o valoare de referință, se menține constant timpul de staționare în reactor ceea ce asigură o condiție de lucru la conversie constantă. 96
Fig. nr.3.1.4. Reglarea automată a nivelului într-un reactor chimic
Se face, de asemenea, distincție între reglarea nivelului în vase deschise sau în vase închise sub presiune. În primul caz, cel al vaselor deschise, reglarea nivelului presupune acționarea unui ventil plasat pe alimentare sau pe evacuare, funcție de sarcina tehnologică a vasului. Un caz deosebit il reprezintă reglarea nivelului în rezervoare închise sub presiune când se recomandă o schemă de reglare în cascadă. Cascada are regulator subordonat de nivel și regulator subordonat de debit. Dacă presiunea în vas crește, prima consecință este creșterea debitului de evacuare. Stabilizându-se debitul cu bucla subordonată (ce înlatură efectul perturbației principale – creșterea presiunii) se stabilizează indirect nivelul. Dacă variația nivelului este efectul modificării alimentării, presiunea nu variază, dar crește nivelul. Regulatorul de nivel modifică valoarea prescrisă pentru bucla de reglare a debitului așa fel că evacuarea să coincidă cu intrarea, menținându-se astfel nivelul constant.
Reglarea automată a temperaturii Reglarea temperaturii este o problemă importantă deoarece, cu ajutorul acestui parametru, se stabilesc valori ale constantelor de viteză sau ale echilibrului termodinamic. In conducerea unui proces interesează nu numai aspectul calitativ, ci și cel economic, fapt pentru care trebuie realizată reglarea cu precizie a temperaturii. Pentru reglarea temperaturii se manevrează, în cele mai multe cazuri, debitul de agent termic sau de combustibil. Utilizarea unei bucle simple realizează o reglare aproximativă a 97
temperaturii, în jurul valorii prescrise, în timp ce un SRA evoluat va conduce la o reglare precisă.În procesele din industria chimică, căldura este transferată prin radiație, prin amestecarea fluidelor reci și calde sau, cel mai frecvent, prin conducție prin pereții utilajelor. Pentru schimbatoarele de căldură montate vertical se recomandă plasarea ventilului de reglare pe conducta evacuare. Plasarea ventilului de reglare pe debitul de agent termic are un efect mai rapid asupra modificării temperaturii.
Fig. nr.3.1.5. Reglarea automată a temperaturii la schimbătoare de căldură vericale [13, 124-136]
Sisteme de control al nivelului spumei Toate operațiile de control și reglare sunt efectuate automat și continuu pe toată durata procesului biochimic respectiv. Problema formării spumei este rezolvată relativ simplu prin cuplarea controlului analitic al formării spumei, cu introducerea în bioreactor a agenților de antispumare cu o viteză care trebuie să depindă de nivelul spumei. Senzorii sau electrozii de contact reprezintă cea mai simpla soluție pentru controlul formării spumei. Aceste sisteme sunt constituite din două fire metalice fixate într-un corp izolant, a căror capete sunt plasate la o foarte mică distanță unul de altul. Acest tip de senzor se plasează la o anumită înălțime deasupra mediului lichid din interiorul bioreactorului. Prin ajungerea spumei la extremitățile capetelor neizolate ale firelor metalice, se realizează parctic un contact electric cu apariția unui semnal analitic, care după o prealabilă amplificare poate declanșa un sistem de avertizare optic (un bec luminos) sau acustic (o sonerie sau sirenă) sau 98
ambele. Simultan, semnalul dat poate acționa spărgătorul mecanic de spumă, sau după un anumit interval de timp sistemul de adăugare a agentului de antispumare.
Fig. nr.3.1.6. Principiul constructiv al unui senzor de contact pentru controlul formării spumei: 1 – nivelul lichidului, 2 – spuma, 3 – corpul senzorului, 4 – sursa electrica, 5 – avertizor optic, 6 – avertizor acustic. [9, 75-76]
Reglarea concentrației oxigenului În cazul măsurătorilor de oxigen dizolvat în lichide biologice ale diferitelor procese biochimice industriale, moleculele sau monomoleculele deranjează măsuratorile de oxigen ce utilzează senzori cu membrane permeabile pentru oxigen sau senzori galvanici pentru determinarea oxigenului in flux.
Figura nr. 3.1.7..Aparat pentru determinarea oxigenului dizolvat. 99
Senzorii galvanici pentru determinarea oxigenului dizolvat sunt diferiți de cei amperometrici prin faptul că nu necesită o sursă externă de voltaj. În acest caz diferența de potențial necesară, se asigură prin alegerea convenabilă a anodului și a electrolitului, astfel încât, după scurtcircuitarea electrozilor să se producă o electroliză internă, este necesar ca tensiunea generate prin dizolvarea anodului sa fe suficientă pentru reducerea spontană a oigenului la suprafața catodului. Ca anozi se folosesc metale mai
active, cum ar fi: Zn, Cd, Pb, etc., iar catozii se
constituiesc din metale mobile cum ar fi: Pt, Au, Ag. Senzorul Clark este realizat dintr-un catod de platină sub forma unui disc plat și o incintă cu electrolit (solutie KCl ), în care se găsește imersat anodul din argint. Membrana din teflon, cu o grosime de 25 µm, se intide la partea inferioara a senzorului prin intermediul unui inel de cauciuc, reținînd astfel între aceasta și anod un film de electrolit furnizat din rezervorul cu electrolit al senzorului.
Figura nr. 3.1.8. Reprezentarea schematica a unui senzor pentru oxigen tip Clark
100
III.2. Controlul de calitate 2.1. Metode de analiză ale materiilor prime și intermediare
Melasa Zaharoza se determină prin:
metoda polarimetrică;
metoda prin inversie chimică.
Metoda polarimetrica Principiul metodei: Substanțele optic active din probă rotesc planul luminii polarizate care trece prin soluția probei de analizat, proporțional cu concentrația în zaharoza a acesteia. Mod de lucru Etalonarea polarimetrului: Polarimetrul trebuie sa fie asezat intr-un loc intunecat. Verificarea punctului zero: Verificarea se efectuează fără a se introduce tubul polarimetric în aparat. În cazul În care egalitatea luminozității camurilor nu coincide cu punctul zero de pe scara aparatului, acesta se reglează cu ajutorul dispozitivului de reglare a aparatului. Verificarea tubului: Prin introducerea tubului polarimetric cu apă în aparatul reglat la zero, nu trebuie să se modifice citirea la aparat Verificarea unui punct determinat de pe scara polarimetrului: Verificarea se face cu ajutorul punctului de control. Placa de cuarț din tubul de control rotește planul luminii polarizate, direct proporțional cu grosimea sa. Prin introducerea tubului de control în aparat, rotirea planului luminii polarizate trebuie să corespundă cu valoarea înscrisă pe tub, în grade de zaharoză. Se recomandă folosirea unei plăci de cuarț a cărei valoarea în grade zaharoza este apropiată de activitatea optică a probei, exprimată în grade de zaharoză. În cursul etalonării, temparatura plăcii de cuarț trebuie să fie egală cu temperatura polarimetrului (a mediului ambiant). Abaterea dintre indicațiile aparatului și cele ale tubului de control, în cazul în care punctul zero a fost verificat, reprezintă eroarea aparatului, cu care se corectează valoarea citită la determinarea probei.
101
Calculul si exprimarea rezultatului. Valoarea citită pe scara polarimetrului în grade de zaharoză inmulțită cu doi reprezintă conținutul de zaharoză din proba de analizat, în procente. Ca rezultat se ia media aritmetică a celor două determinări, dacă sunt îndeplinite condițiile de repetabilitate (diferența între rezultatele a două determinări paralele, efectuate de același operator, în cadrul aceluiași laborator, din aceeași probă, trebuie să nu depășească 0,1 % în valoare absolută) STAS 12871-90 Extractul de porumb Compoziția chimică a extractului de porumb este redată în tabelul III.2.1.1: Constituenți g/100g extract de porumb
%
Substanța uscată
46-49,6
Cenusa
8,04-10,43
N total
3,33-3,67
Zahăr total (exprimat ca glucoză)
4,00-4,70
Acid lactic
0,74-4,39
Aciditate ( ml sol NaOH 0,1N /100 g extract de porumb )
11,6-19,3
Fe
0,009-0,02
P
1,5-1,9
Ca
0,02-0,07
Zn
0,05-0,012
K
2,0-2,5
SO2
0,02
Sedimente solide
38,4-52,9
Tabelul III.2.1.1. Compoziția chimică a extractului de porumb. 102
Caracteristici fizice:
Aspect : lichid cremos de culoare galben inchis;
Miros: caracteristic unei fermentații lactice ;
Substanță uscată : minim 50%;
pH = 3,5-4;
conținutul în acid lactic : minim 20g la 100g substanță uscată;
zahăr total maxim 2,5%.
Acid sulfuric Conform STAS 97 – 80, dupa continutul de acid sulfuric monohidrat, acidul sulfuric se livreaza in patru tipuri: -
tip 98;
-
tip 96;
-
tip 92;
-
tip 73.
Conditii tehnice de calitate privind acidul sulfuric: Tipul Aspect Culoare Densitate, g/cm3 Acid sulfuric monohidrat, % SO2, %, max Fier, %, max Reziduu de calcinare, % Arsen, %, max
98
96 92 73 Lichid uleios, limpede sau opalescent Conform STAS 9482 – 74 1,836 1,835 1,824 1,634 98 96 92 73 0,1 0,1 0,1 0,02 0,02 0,02 0,1 0,15 0,15 0,001 0,001 0,001 -
STAS 97-74
103
2.2. Metode de analiza ale produsului finit Caracterizarea produsului util Acidul citric se prezintă sub formă de cristale incolore, translucide, inodore, cu gust plăcut ușor acid; poate cristaliza din soluții apoase la rece ca monohidrat sub formă de cristale rombice, cu masa moleculară 210,14. Acidul citric monohidrat este stabil la aer cu umiditate normală, dar pierde ușor apa de cristalizare în atmosferă uscată sau în vid; prin încălzire lentă, pierde apa de cristalizare la 7075 º C și se topește complet în intervalul 135-152º C; la încălzire rapidă, pierde apa la 100º C și se topește net la 153ºC. Densitatea acidului monohidrat este 1,542, iar a acidului anhidru 1,665. Acidul citric este ușor solubil în apă, parțial solubil în alcooli alifatici inferiori și greu solubil în eter etilic. Acidul anhidru este insolubil în cloroform, tetracorură de carbon, benzen, toluen, sulfură de carbon. Este un acid organic destul de tare: Ka1=8,2·10-4, Ka2=1,77·10-5 și Ka3=3,9·10-6 la 18 ºC. Reacții de identificare ale acidului citric Soluția A: 3 g substanță se dizolvă în 200 mL apă și se completează la 60 Ml.
2 picături de soluție A se tratează cu o picătură de apă de brom, 3 picături H2SO4, diluat, o picătură de KMnO4 5% și se încălzește ușor până la decolorare, se adaugă 2 mL H2SO4, 2 picături soluție alcoolică 55 de rezorcinol și se încălzește 10 minute pe baie de apă, apare o colorație roșie.
2 mL soluție A se neutralizează cu 1 mL NH3 diluat și se adaugă 1 ml CaCl2, se obține o soluție limpede, prin încălzire la fierbere se formează un precipitat alb, insolubil în soluție de clorură de amoniu ( spre deosebire de acidul tartric).
Condiții de puritate
Cloruri: 10 ml soluție A nu trebuie să dea reacție pentru cloruri;
Sulfați: 10 ml soluție A nu trebuie să dea reacție pentru sulfați;
Metale grele: cel mult 0,002% , 10 ml soluție A se compară cu 10 ml soluție etalon ( 0,01 mg ion Pb);
104
Substanțe organice străine: 0,5 g substanțe se amestecă cu 5 ml H2SO4 și se încălzește 15 minute pe baie de apă la 80-90 º C, colorația nu trebuie să fie mai intensă decât un etalon preparat din 0,25 ml Co + 2,1 ml Fe + 0,10 ml Cu și apă 5 ml;
Acidul tartric: 10 ml soluție A se tratează cu 10 ml acetat de potasiu soluție alcoolică 5%. Soluția trebuie să rămână limpede;
Acidul oxalic: 10 ml soluție A se tratează cu 2 ml CaCl2; amestecul trebuie să rămână limpede timp de 60 minute;
Arsen: 1 g substanță nu trebuie să dea reacția pentru arsen cu reactivul hipofosforos;
Reziduul prin calcinare: 0,5 g substanțe se calcinează până la greutate constantă, nu trebuie să rămână un reziduu ponderabil.
Dozare 0,15 g substanțe se dizolvă în 25 ml apă proaspăt fiartă și răcită și se titrează cu NaOH 0,1 N până la colorație roz ( indicator fenolftaleină). 1 ml NaOH 0,1 N corespunde la 0,007005 g C6H8O7 7H2O. Acidul citric trebuie să conțină cel puțin 99,5% C6H8O7 H2O.
Capitolul IV. Produse secundare. Deșeuri de fabricație. Epurarea apelor reziduale Din tehnologia obținerii acidului citric prin fermentație discontinuă, pe lângă produsul principal apar în diferite etape produse secundare și deseuri de fabricație. Principalul deșeu rezultat în procesul de biosinteză al acidului citric este miceliul separat prin filtrarea lichidului de fermentație. Acesta se usucă, se tratează cu un mediu alcalin, se amestecă cu lizina sau extract vitaminic și se utilizează în zootehnie. Apele cu urme de solvent, sunt supuse îndepărtării solventului, apoi se epurează . Apele acide de la extracție se neutralizează și se trimit la stațiile de epurare. Epurarea apelor reziduale se realizează în stații de epurare, acestea făcând parte integrantă din canalizarea orașului sau a industriei. Apele uzate industriale sunt admise în rețeaua de canalizare a orașului numai dacă îndeplinesc anumite condiții prin care se interzice evacuarea în rețelele de canalizare orășenești a apelor reziduale industriale care conțin:
suspensii sau alte materiale care se pot depune; 105
corpuri solide, solide plutitoare sau antrenate care nu trec prin grătarul cu spațiul liber de 20 mm între bare;
corpuri solide antrenate, dure, care pot genera zone de corodare a colectoarelor;
păcură, uleuri, grăsimi care pot genera aderența pe pereții colectorului;
substanțe care provoacă fenomene de coagulare;
substanțe cu agresivitatea chimică asupra materialului de construcție a colectorului și stației de epurare.
O alta sursă de poluare o reprezintă eliminarea de gaze și vapori. De cele mai multe ori, acestea sunt amestecate cu particule solide sau lichide. Prin interacțiunea chimică a acestor substanțe din aer cu diverse forme fizice ale apei rezultă substanțe foarte toxice, cum ar fi: SO2, SO3, CO, CO2, oxizi de azot. [14, 313-314]
Capitolul V: Transport, ambalare, depozitare.
Melasa Depozitare: Melasa se depozitează în rezervoare metalice, prevăzute cu serpentine de abur pentru încâlzire și robinete, dispuse în spirală la distanțe de 20 cm pe înălțime și de 1 m pe lățime. Rezervoarele în care se depozitează trebuie să fie curate, fără mirosuri străine (de produse petroliere, de substanțe chimice, de rânced, etc.)
Transport: Melasa se transportă în cisterne, cu capacitate de 5 tone (cisterne auto) sau de 50 tone (cisterne C.F.) Cisternele folosite la transportul melasei trebuie să fie curate, fără mirosuri străine (de produse petroliere, de substanțe chimice, de rânced, etc.). Ambalare: Ambalajele de transport (cisternele) vor fi marcate cu următoarele specificații:
denumirea întreprinderii poducătoare sau a furnizorului; 106
denumirea produsului și calitatea;
masa netă;
destinația.
Documente: Fiecare lot se însoțește de documentul de certificare a calității, care trebuie să conțină următoarele specificații:
denumirea întreprinderii producătoare sau a furnizorului;
denumirea produsului și calitatea ;
anul și luna fabricației;
data expedierii, numărul lotului, numărul buletinului de analiză;
proveniența melasei. STAS 12846-90
Acid sulfuric Ambalare: până la stabilirea ambalajelor și materialelor de ambalare pentru acidul sulfuric tehnic, prin normativul de ambalare pe produse și grupe de produse consumului intern, aprobat de organul central coordonator, acesta se livrează în cistene de oțel, butoaie de oțel, și baloane de sticlă, curate și uscate, sau alte ambalaje convenite între părți cu condiția menținerii integrității produsului. Butoaiele de otel vor fi prevăzute cu dopuri din oțel, filetate, cu garnituri de azbest și vor fi plumbuite. Buloanele de sticlă vor fi prevazute cu dopuri etanșate cu ipsos. Buloanele de sticlă vor fi protejate cu un strat de vată minerală și introduse în cosuri metalice, prevăzute cu capace de protecție și mânere. Manipularea, depozitarea și transportul acidului sulfuric tehnic se fac cu respectarea normelor de tehnică a securității muncii, referitoare la produsele corosive. Se interzice transportul altor produse (inclusiv acid sulfuric rezidual) în cisternele destinate transportului de acid sulfuric. Fiecare lot de livrare va fi însotit de documentul de certificare a calității, întocmit conform dispozițiilor legale în vigoare. 107
Marcarea ambalajelor se face prin șablonare sau etichetare cu următoarele specificații:
marca de fabrică a întreprinderii producătoare
denumirea produsului, tipul, masa brută, țara, numărul lotului;
viza organului de control tehnic al calității;
semnul avertizor pentru produse corosive. STAS 97-74
Acid citric Manipulare și depozitare:
nu se depozitează împreună cu oxidanţi, baze puternice, amine, carbonaţi, şi metale alcaline
se protejează împotriva loviturilor şi distrugerii. În zona în care sunt depozitate este interzis fumatul
se depozitează în locuri uscate, şi se ţine în containere sigilate, pentru a se preveni contaminarea şi evaporarea.
se minimalizează vaporii generat de aceasta, şi acumulările de vapori. Se evită inhalarea de vapori sau gaz. Se evită contactul cu ochi şi pielea. Se depozitează într-un loc răcoros şi uscat, în containăre închise ermetic.
Transport:
este un lichid foarte inflamabil, foarte corosiv.
mărimea produsului sub forma care se transportă: 4 L
108
Capitolul VI: Norme de protecția muncii, de prevenirea și stingerea incendiilor VI.1. Norme de protecția muncii Tehnica securității și igiena muncii Protecția muncii cuprinde totalitatea măsurilor luate pentru a se asigura condiții bune de muncă. În industria chimică problema protecției muncii este deosebit de importantă deoarece sunt factori de periculozitate comuni cu alte ramuri industriale: elemente mobile ale utilajelor, acțiunea curentului electric, degajări importante de căldură, zgomote și trepidații, intervin și numeroși factori specifici industriei chimice, cum ar fi:
degajări de substanțe toxice;
prezența frecventă a unor substanțe inflamabile;
posibilitatea exploziilor cauzate de amestecuri explozive;
operații cu lichide agresive care pot provoca arsuri chimice;
temperaturi ridicate.
Protecția muncii are următoarele trei aspecte : 1.
Protecția juridică a muncii reprezentată de legislația referitoare la protecția muncii;
2.
Protecția sanitară a muncii cuprinde măsurile pentru crearea unor condiții fiziologice normale de muncă și de suprimare a riscului îmbolnavirilor profesionale.
3.
Protecția tehnică a muncii constă în măsuri tehnice și organizatorice pentru ușurarea muncii și prevenirea accidentelor de muncă.
Instruirea oamenilor muncii este obligatorie. Nici un angajat nu poate fi primit la un loc de muncă și pus sa lucreze decât după ce a fost instruit și s-a facut verificarea insușirii cunostințelor. La proiectarea întreprinderilor chimice este obligatoriu să se determine în prealabil categoria de pericol pe care îl prezintă procesul tehnologic proiectat, după care se trece la amplasarea clădirilor și a construcțiilor pe planul general de ansamblu. La amplasarea clădirilor din industria chimică trebuie să se evite terenurile prea apropiate de regiuni sau 109
cartiere unde există pericole de incendii sau explozii. Una din măsurile de baza ale tehnicii securității la amplasarea clădirilor industriale este izolarea corectă a clădirilor, a construcțiilor și depozitelor. Normele de tehnica securității muncii sunt grupate în șase capitole: 1. Tehnica securității muncii la instalații, aparate și mașini. Acest capitol tratează problemele de securitatea muncii la organele de mașini în mișcare, la echipamentul de
transmitere și dispozitivele de acționare a utialajelor, la conducte și
armături, aparate de măsură și control, vase de reacție, utilaje sub presiune, aparate pentru operații unitare precum și la principalele utilaje din industria celulozei și hârtiei. 2. Tehnica securității muncii la întreținere, reparații și intervenții În acest capitol se dau norme cu caracter organizatoric și tehnic. Pentru orice intervenție sau reparație se intocmește un plan de acțiune cu sarcini defalcate pe angajați, plan care cuprinde toate măsurile de protecție a muncii. Pentru locurile de muncă unde există pericol de incendiu și explozie se intocmește de către șeful secției permisul de lucru cu foc, aprobat de inginerul șef. 3. Tehnica securității muncii pentru procese fizice și chimice După un capitol introductiv în care se precizează că absorbția noxelor de orice gen se face la locul unde se produc ele, find contraindicată absorbția lor prin ventilație generală și că alimentarea utilajelor cu substanțe toxice, corozive, iritante, inflamabile și cele care degajă praf se va face mecanizat și etanș, se tratează:
tehnica securității muncii la efectuarea unor procese chimice unitare;
tehnica securității muncii la efectuarea unor operații fizice unitare;
tehnica securității muncii la operații cu substanțe toxice, inflamabile, explozive, caustice, corozive.
4. Tehnica securității muncii la depozitare. Se dau norme referitoare la amplasarea și depozitarea substantelor toxice, inflamabile și explosive. Este interzisă depozitarea în aceeași incăpere a substantelor toxice, inflamabile și explosive cu diverse materiale. Substanțele chimice care ar putea reacționa unele cu altele degajând substanțe periculoase trebuiesc depozitate în încăperi separate. 5. Tehnica securității muncii la manipulare, ambalare și transport 110
Normele prevăd că aceste operații să se execute numai sub supravegherea unui conducător al procesului de muncă instruit special în acest scop. 6. Tehnica securității muncii în laboratoare Din ansamblul normelor referioare la această problemă, norme care se referă la ventilație, manipularea sticlăriei, a dispozitivelor de încălzire, a utilajelor sub presiune, a substanțelor toxice, inflamabile etc, trebuie reținută obligația generală, pentru munca de cercetare, de a se aplica și respecta toate fazele metodologice de lucru adecvată privind protecția muncii. VI.2. Măsuri P.S.I. Cauzele principale ale incendiilor și exploziilor se datorează, pe de o parte aprinderii și autoaprinderii, iar pe de altă parte nerespectării parametrilor procesului tehnologic, lipsei de instructaj, de atenție, de curățenie. Exploziile pot fi provocate de depașirea instantanee a limitei de rezistență a pereților vaselor (cazane, butelii de gaze, reactoare) produsă de presiunea gazelor sau vaporilor. Exploziile produse de gaze combustibile, vapori sau praf în amestec cu aerul sau oxigenul au loc numai la anumite concentrații, care variază cu presiunea și temperatura amestecului . Incendiul izbucnește ca urmare a depozitării în secții a unor substanțe ușor inflamabile sau explosive, care depășesc cantitățile admise, precum și a depozitării lor necorespunzatoare în ambalaje deteriorate, lângă surse de căldură și lipsa de supraveghere a lor. În timpul desfășurării proceselor tehnologice sunt cazuri când incendiile sau exploziile se produc datorită aprinderii substanțelor combustibile, fie de la o scânteie electrică,fie prin încalzirea exagerată a conductorilor electrici și aprinderea materialului izolant. Materiale folosite pentu stingerea incendiilor Materialele stingatoare sunt acele materiale care, folosite într-un anumit mod în zona de ardere, acționeaza defavorabil asupra condițiilor necesare arderii , oprind arderea . Cele mai folosite substanțe stingătoare sunt: apa aburul, soluțiile apoase de săruri, tetraclorura de carbon, spuma chimică și mecanică, prafurile stingătoare. Apa. Folosirea apei la stingerea incendiilor se bazează pe proprietățile ei de răcire și izolare termică. Proprietățile de răcire a apei se datorează capacității de absorbție a căldurii și căldurii latente de vaporizare, care au o valoare importantă. 111
Deși apa poseda astfel de calități pentru stingerea incendiilor, totuși domeniul ei de utilizare în acest scop este limitat. Produsele petriliere și dizolvanții organici nemiscibili cu apa, având o densitate mai mică, plutesc la suprafața apei și ard în continuare. Apa folosită la stingerea incendiilor conține săruri, deci ea este bună conducătoare de eletricitate, din acest motiv la folosirea ei la stingerea incendiilor produse in instalații de inaltă tensiune trebuie să se facă utilizându-se dispozitive speciale. La stingerea incendiilor se folosesc jeturi de apă compacte sau pulverizate. Aburul. Stingerea incendiilor cu ajutorul aburului se bazează pe reducerea concentrației de oxigen din zonele de ardere. Folosirea aburului pentru stingerea substantelor gazoase, lichide și solide se face în locurile unde există instalații de cazane și sisteme fixe de stingere. Solutii apoase de cloruri. In scopul imbunatățirii calității apei se folosesc ca adaosuri : clorura de calciu, sulfatul de sodiu, sulfatul de amoniu, etc. Prin evaporarea apei aceste soluții formeaza la suprafața materialului aprins un strat de sare care se topește, iar în unele cazuri se dezagregă. In urma dezagregării se degajă gaze necombustibile care reduce concentrația oxigenului în zone de ardere, contribuind astfel la stingerea incendiului. Tetraclorura de carbon. Are proprietatea de a stinge focul, insă folosită în încăperi închise poate da naștere fosgenului, gaz foarte toxic. In scopul reducerii formării fosgenului se adaugă în tetraclorura de carbon diferite substanțe precum: anilina, amoniac, benzen, etc. Bioxidul de carbon. Nu arde și este un slab conducător de electricitate, ceea ce permite folosirea lui la stingerea incendiilor izbucnite în instalațiile electrice. Introdus în zonele de ardere, bioxidul de carbon diluează atmosfera , reducând concentrația substanței combustibile și a oxigenului din atmosferă de ardere, micșorand sau oprind arderea. Spumele stingatoare. Spuma este folosită din bule de gaz inconjurate de un strat subțire de lichid. Se folosesc două feluri de spume: chimice și mecanice. Spuma chimică este rezultatul unei reacții chimice și se compune din bule de gaz (CO2) care au un înveliș din soluții apoase de săruri. Spumele mecanice se realizează prin amestecarea mecanică a soluției. Densitatea spumelor este mică și în consecință plutesc pe suprafața lichidelor ușoare separând astfel flacăra de substanța combustibilă. Prafuri stingatoare. In compoziția acestor prafuri intră diferite săruri (carbonat de sodiu, bicarbonat de sodiu) substanțe care preîntampină aglomerarea sărurilor și substanțe care contribuie la topirea lor (clorura de sodiu, clorura de calciu). 112
Prafurile
stingatoare impiedică dezvoltarea arderii prin acoperirea suprafețelor solide
aprinse cu un strat izolator care prin topirea sării contribuie mai activ la stingerea incendiului. Degajarea unor săruri, produce gaze incombustibile care contribuie la stingerea incendiului. [14, 305-312]
113
