Proračun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje biotehnoloških proizvoda

Transcription

1 Proračun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje biotehnoloških proizvoda Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (IPBTP) Seminar 2.

2 Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP) Raspored rada na seminaru Ekstrakcija (Sem. 1) Adsorpcija (Sem. 3) Destilacija (Sem. 5) Kristalizacija (Sem. 7) Sušenje (Sem. 9)

3 Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP)- seminar Vanjski i unutrašnji prijenos (difuzijski model) Kinetika (kinetički model) Bilanca tvari, energije i količine gibanja Hidrodinamičke karakteristike sustava (vrste strujanja, miješanje, model miješanja)

4 Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP)- seminar ekstrakcija kruto-tekuće Jednostupanjska ekstrakcija (primjer 1; šaržna ekstrakcija) Višestepena ekstrakcija (primjer 2; kontinuirana ekstrakcija)

5 Za primjere 1 i 2 Dinamička ravnoteža Sirovina (biomasa) i ekstraktor idealno pripremljeni (biomasa usitnjena i homogenizirana) Nema otpora prijenosu tvari (unutar fazni i među fazni prijenos) Potpuno razdvajanje krute i tekuće faze nakon ekstrakcije (centrfugiranje, taloženje)

6 Uz iznesene prepostavke riješite primjer 1 Primjer 1 U jedostupanjskom ekstraktoru provodi se ekstrakcija lipida iz biomase alge. 100 kg suhe tvari biomase ekstrahira se s 100 kg otapala (petrol-etera). Maseni udio lipida u suhoj tvari biomase je 20%. 1.5 kg ostataka stanica zadržava 1 kg otapala (otapalo sadrži i dio lipida). Maseni udio lipida u ekstraktu nakon ekstrakcije je 16.67%. Maseni udio staničnih ostataka u rafinatu je 60%. Izračunajte masu i masene udjele na početku i na kraju procesa iz primjera 1.

7 Primjer 1. Shema ekstraktora Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) t 1 V 1 V 2 t 0 ekstraktor Biomasa (A i B) Rafinat (A, B i C) t 0 L 0 L 1 t 1 L 0 -masa krute faze (biomase) (kg) V 2 -masa otapala (kg) V 1 -masa ekstrakta (kg) L 1 -masa rafinata (kg) A ostaci stanica (inertni materijal) B-lipidi C-otapalo

8 L 0 masa biomasa=stanični ostaci+lipidi=100kg V 2 masa otapala=100kg M - Ukupna masa=biomasa+otapalo=200kg w B,V1 - maseni udio lipida u ekstraktu= w A,L1 - maseni udio staničnih ostataka u rafinatu=0.6 w B,L0 - maseni udio lipida=0.2 w A,L0 - maseni udio staničnih ostataka=0.8 w A,M - maseni udio stanični ostataka u ukupnoj masi=? V 1 Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) V 2 L 0 Biomasa (A i B) ekstraktor Rafinat (A, B i C) L 1

9 Tablica 1. Mase i maseni udjeli (Primjer 1). Ukupna masa (kg) Wt% A Wt% B Wt% C Masa biomase L Masa otapala V Masa ekstrakta V Masa rafinata L V 1 Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) V 2 L 0 Biomasa (A i B) ekstraktor Rafinat (A, B i C) L 1

10 Bilanca za stanične ostatke (A): M w A,M = V 1 w A,V1 + L 1 w A,L1 W A,M - maseni udio staničnih ostataka u ukupnoj masi (M) W A,M =0.4 W A,V1 - maseni udio staničnih ostataka u ekstraktu Uz Idealno razdvajanje: W A,V1 =0 W A,L1 - maseni udio staničnih ostataka u rafinatu W A,L1 =0.6 L w A, M 1 M w A, L V 1 L 0 Ekstrakt (B i C) Biomasa (A i B) ekstraktor Otapalo (C) Rafinat (A, B i C) V 2 L 1 L 1 = kg Masa rafinata

11 Maseni udio lipida (B) i otapala (C) u rafinatu izračunat je iz bilance za: Lipide (B) L 1 w B,L1 + V 1 w B,V1 = L 0 w B,L0 + V 2 w B,V2 w B, L1 L 0 w B, L0 V w L1 1 B, V w B,L1 = w A,L1 + w B,L1 + w C,L1 = 1 w C,L1 = V 1 Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) V 2 w C,L1 = L 0 Biomasa (A i B) ekstraktor Rafinat (A, B i C) L 1

12 Tablica 1. Mase i maseni udjeli (Primjer 1). Ukupna masa (kg) Wt% A Wt% B Wt% C Masa biomase L Masa otapala V Masa ekstrakta V Masa rafinata L V 1 Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) V 2 L 0 Biomasa (A i B) ekstraktor Rafinat (A, B i C) L 1

13 Tablica 1. Mase i maseni udjeli (Primjer 1). Ukupna masa (kg) Wt% A Wt% B Wt% C Masa biomase L Masa otapala V Masa ekstrakta V Masa rafinata L V 1 Ekstrakt (B i C) Otapalo (C) V 2 L 0 Biomasa (A i B) ekstraktor Rafinat (A, B i C) L 1

14 Primjer 2 U višestupanjskom ekstraktoru provodi se ekstrakcija β- glukana iz biomase kg biomase ima sljedeći sastav: 28% voda 32% glukana 40% inertni materijal Proces se provodi kontinuiranim protustrujnim postupkom. Ekstrakt ima 40% glukana, a efikasnost ekstrakcije je 90%. 1 kg inertnog materijala zadržava 3 kg otapala (udio inertnog materijala u rafinatu je 25%). Izračunajte masu i masene udjele ulaznih i izlaznih materijalnih tokova bioprocesa iz primjera 2. Iz dobivenih vrijednosti koristeći ternarni diagram odredite broj ekstrakcijskih stupnjeva.

15 V 1 L 0 Ekstrakt (B i C) Biomasa (A, B, C) Ekstraktor 1,2,..n Otapalo (C) Rafinat (A, B i C) V n L n x B,V1 = 0.4 L 0 = kg x B,L0 = % glukana (B) treba ekstrahirati (efikasnost je 90%) i ekstrakt sadrži 40% glukana Balanca za glukan (B): V 1 * x B,V1 = 0.9 * L 0 * x B,L0 V = kg

16 Balanca za inertni materijal (A) L n * x A,Ln + V 1 * x A,V1 = V n * x A,Vn + L 0 * x A,L0 A A B C x A, Ln 0.25 uz pretpostavku potpunog razdvajanja tj. u ekstraktu nema inertnog materijala (A) slijedi: x A,V1 =0 Otapalo je čista voda tj. x A,Vn =0 xa, L0 0.4 Ln L kg x 0.25 A, Ln

17 Bilanca za glukan (B) V 1 * x B,V1 + L n x B,Ln = L 0 * x B,L0 + V n * x B,Vn uz x B,Vn = 0 (otapalo je čista voda) slijedi: L0 xb, L0 V1 xb, V x, 0.02 B Ln 0.2 Ln Bilanca za ekstraktor L 0 + V n = L n + V 1 V n = L n + V 1 - L 0 = 16, ,200-10,000 = kg

18 Tablica 2. Mase i maseni udjeli (Primjer 2). Ukupna masa (kg) X% A X% B X% C Masa biomase L Masa otapala V n Masa ekstrakta V Masa rafinata L n

19 Grafičko određivanje broja ekstrakcijskih stupnjeva 1. Nacrtajte pravac x A,Ln = 0.25 (pravac rafinata) 2. Prikažite točke: L 0 (x A,L0 = 0.4, x B,L0 = 0.32, x C,L0 = 0.28), V 1 (x A,V1 = 0, x B,V1 = 0.4, x C,V1 = 0.6), V n (x C,Vn = 1) i L n (x A,Ln = 0.25, x B,Ln = 0.02, x C,Ln = 0.73) 3. Povucite pravac kroz točke V 1 L 0 4. Povucite pravac kroz točke V n L n 5. Odredite sjecište pravaca (Točka D) 6. Nacrtajte pravac između točke A (točka na ternarnom diagramu) i točke V 1 7. Odredite točku sjecišta L 1 pravca AV 1 s pravcem rafinata 8. Povucite pravac između točaka L 1 i točke D 9. Sjecište pravca L 1 D i desne stranice diagrama daje točku V Navedeni postupak se ponavlja dok posljednji pravac u nizu ne bude u neposrednoj blizini pravca V n D, a točka sjecišta posljednjeg pravca s pravcem rafinata u neposrednoj blizini točke L n.

20 Primjer 3 Klorofil se ekstrahira iz biomase (sirovina) pomoću etera (otapalo). Kontinuirana ekstrakcija se provodi u kolonskom pilot ekstraktoru. Površina prijenosa iznosi m 2. Koncentracija klorofila u biomasi je kmol/m 3, u rafinatu kmol/m 3, otapalu kmol/m 3 i u ekstraktu kmol/m 3. Eter protjeće kroz kolonu s protokom od m 3 / s. Jednadžba ravnotežne krivulje je: c E* = c R Volumni koeficijent brzine prijenosa (koeficijent kapaciteta kolone) iznosi s -1. Izračunajte potrebnu visinu sloja stanica biomase u ekstraktoru.

21 A= m 2 F= m 3 / s c E1 = kmol/m 3 c E2 = kmol/m 3 c R1 =0.683 kmol/m 3 c R2 =0.689 kmol/m 3 K E a= s -1 (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina Ekstraktor (c E1 ) Otapalo (c R1 ) Rafinat

22 c E* =m c R m-koeficijent raspodjele (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina Ekstraktor (c E1 ) Otapalo (c R1 ) Rafinat E c E2 * Ravnotežna krivulja Δc 2 c E2 c E1 * Δc 1 c E1 c * R1 c R1 c R2 * c R2 R

23 Bilanca za klorofil: Ulaz-izlaz=međufazni prijenos F (c E2 - c E1 )=K E a Δc LM H A Za desnu stranu kolone: C LM (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina C c E1* = c R1 = = kmol/m 3 Δc 1 =(c E1* -c E1 ) = = kmol/m 3 Za lijevu stranu kolone: c E2* = c R2 = = kmol/m 3 Δc 2 =(c E2* -c E2 ) = kmol/m 3 ln C 2 (c E1 ) Otapalo Ekstraktor (c R1 ) Rafinat kmol C / 1 C m kmol/m 3 3

24 F (c E2 - c E1 )=K E a Δc LM H A v (c E2 - c E1 )=K E a Δc LM H v=f/a= / = m/s Δc E =c E2 - c E1 = = kmol/m 3 Slijedi: H K E v CE 1. 37m a C LM 1.36 m (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina Ekstraktor (c E1 ) Otapalo (c R1 ) Rafinat

25 Primjer 4 Vitamin E se ekstrahira iz biomase pomoću kloroforma (otapalo). Kontinuirana ekstrakcija se provodi u kolonskom pilot ekstraktoru. Promjer kolone je m, a visina je 1.09 m. Biomasa se dovodi na vrhu kolone. Kloroform ulazi čist s površinskim volumnim protokom od m 3 /m 2 s. Koncentracija vitamina u ekstraktu je kmol/m 3. Koncentracija vitamina u biomasi (na ulazu) je kmol/m 3, a koncentracija u rafinatu je kmol/m 3. Ravnotežni odnosi su definirani omjerom vitamina u kloroformu i biomasi pri čemu je koncentracija vitamina u kloroformu puta veća od njene koncentracije u biomasi. Izračunjte volumni koeficijent brzine prijenosa vitamina (koeficijent kapacitet kolone). Kao i teorijsku visinu jedinice prijenosa ekstraktora.

26 D=0.0467m H=1.09m v=0.0013m 3 /m 2 s c E2 =0.376 kmol/m 3 m-ravnotežni odnos koeficijent raspodjele između biomase i otapala m= c E1 =0 kmol/m 3 c R1 =0.817 kmol/m 3 c R2 =1.185 kmol/m 3 (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina Ekstraktor (c E1 ) Otapalo (c R1 ) Rafinat Razlika koncentracije vitamina u otapalu tijekom ekstrakcije: c E2 - c E1 = =0.376 kmol/m 3 =ΔcE

27 Za desnu stranu kolone: c R1 =0.817 kmol/m 3 c E1* =0.548 c R1 U ravnoteži: c E1* =m c R1 c E1* = =0.448 kmol/m 3 Δc 1 =(c E1* -c E1 ) =0.448 kmol/m 3 Za lijevu stranu klone: c R2 =1.185 kmol/m 3 (c E2 ) Ekstrakt (c R2 ) Sirovina Ekstraktor (c E1 ) Otapalo (c R1 ) Rafinat c E2* =0.548 c R2 c E2* = =0.649 kmol/m 3 Δc 2 =(c E2* -c E2 ) = =0.273 kmol/m 3 C LM C ln C kmol C / 1 C 2 m 3

28 K K K E E E a H c v c v c a H c v c a H c LM LM LM NTU s K E a H NTU v H=HTU NTU HTU v K a E 1.03m HTU=H/NTU