PDO con(nuous process design: calcula(on of inputs and - PowerPoint PPT Presentation

PDO ¡con(nuous ¡process ¡design: ¡ calcula(on ¡of ¡inputs ¡and ¡outputs ¡using ¡ the ¡process ¡reac(on ¡ Sef ¡Heijnen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Informa(on ¡for ¡PDO ¡process ¡design ¡ ¡ PDO ¡process ¡reac(on ¡at ¡μ ¡= ¡0.0245 ¡h -­‑1 ¡ ¡ • ¡ -­‑1.295 ¡C 6 H 12 O 6 ¡– ¡0.218 ¡NH 3 ¡– ¡2.6255 ¡O 2 ¡+ ¡ 1 ¡ C 3 H 8 O 2 ¡+ ¡1.090 ¡C 1 H 1.80 O 0.50 N 0.20 ¡+ ¡ ¡3.680 ¡CO 2 ¡ ¡ ¡ + ¡3.116 ¡H 2 O ¡ ¡+ ¡1181 ¡kJ ¡heat ¡ ¡ ¡ PDO ¡ biomass ¡ • Con(nuous ¡process ¡ ¡ R p ¡ = ¡165000 ¡mol ¡PDO/h ¡(= ¡10 5 ¡tonnes ¡/ ¡year), ¡8000 ¡hours/year ¡ ¡ Fermenter : ¡Bubble ¡column, ¡H ¡= ¡25m, ¡y O2,out ¡= ¡0.0725, ¡p top ¡= ¡1 ¡bar, ¡p w ¡= ¡0.06 ¡bar, ¡T ¡= ¡35 ¡°C ¡ ¡ Feed: ¡ C-­‑source, ¡3.00 ¡mol ¡glucose ¡/ ¡kg ¡feed ¡ ¡ ¡ ¡N-­‑source, ¡NH 3 ¡gas ¡

F N,out ¡(mol/h) ¡ ¡y O2,out ¡= ¡0.0725 ¡ ¡y CO2,out ¡ ¡ ¡y w,out ¡= ¡0.0600 ¡ ¡ ¡p top ¡= ¡1 ¡bar ¡ Gas ¡transfer: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡O 2 ¡ Heat ¡ ¡ ¡-­‑ ¡NH 3 ¡ ¡ ¡-­‑ ¡H 2 O ¡ 35°C ¡ ¡ ¡-­‑ ¡CO 2 ¡ R p = ¡165 ¡000 ¡mol ¡ ¡ F N,in ¡ ¡ ¡(mol/h) ¡ ¡PDO/h ¡ ¡ ¡y O2,in ¡= ¡0.2100 ¡ ¡y w,in ¡ = ¡0 ¡ ¡ ¡y CO2,in = ¡0 ¡ ¡ F N,NH3 ¡(mol/h) ¡ ¡

F N,out ¡(mol/h) ¡ ¡y O2,out ¡= ¡0.0725 ¡ ¡y CO2,out ¡ ¡ ¡y w,out ¡= ¡0.0600 ¡ ¡ ¡p top ¡= ¡1 ¡bar ¡ Gas ¡transfer: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡O 2 ¡ Heat ¡ Design ¡task: ¡ ¡calculate ¡liquid ¡and ¡gas ¡in/outputs ¡and ¡their ¡composiZons ¡+ ¡heat ¡output ¡ • ¡ ¡-­‑ ¡NH 3 ¡ How: ¡ ¡ ¡ ¡ process ¡reacZon ¡+ ¡compound ¡balances ¡ • ¡ ¡-­‑ ¡H 2 O ¡ 35°C ¡ ¡ ¡-­‑ ¡CO 2 ¡ R p = ¡165 ¡000 ¡mol ¡ ¡ F N,in ¡ ¡ ¡(mol/h) ¡ ¡PDO/h ¡ ¡ ¡y O2,in ¡= ¡0.2100 ¡ ¡y w,in ¡ = ¡0 ¡ ¡ ¡y CO2,in = ¡0 ¡ ¡ F N,NH3 ¡(mol/h) ¡ ¡

Calcula(on ¡of ¡the ¡gas ¡flows ¡F N,in , ¡F N,out ¡ ¡and ¡ their ¡composi(ons ¡ Total ¡gas ¡balance ¡(mol ¡gas ¡/ ¡h) ¡ • ¡F N,in ¡+ ¡165000 ¡·√ ¡3.680 ¡+ ¡0.06 ¡F N,out ¡ ¡= ¡ ¡ ¡F N,out ¡+ ¡165000 ¡·√ ¡2.6255 ¡ ¡ mol ¡air/h ¡ mol ¡O 2 /h ¡ mol ¡CO 2 /h ¡ mol ¡H 2 O ¡vapour/h ¡mol ¡gas/h ¡ Gas ¡phase ¡O 2 ¡balance ¡(mol ¡O 2 ¡/ ¡h) ¡ • ¡0.21 ¡F N,in ¡= ¡0.0725 ¡F N,out ¡+ ¡165000 ¡·√ ¡2.6255 ¡ mol ¡O 2 /h ¡ mol ¡O 2 /h ¡in ¡off ¡gas ¡ mol ¡O 2 /h ¡transferred ¡and ¡consumed ¡by ¡the ¡organism ¡ 2 ¡equa(ons, ¡2 ¡unknowns, ¡which ¡can ¡be ¡solved ¡ • ¡ F N,out ¡= ¡3760969 ¡mol ¡gas ¡/ ¡h ¡ ¡F N,in ¡= ¡3361320 ¡mol ¡air ¡/ ¡h ¡ Ques(on: ¡why ¡is ¡F N,out ¡> ¡F N,in ¡? ¡ • Calculate ¡y C ¡in ¡off ¡gas ¡using ¡gas ¡phase ¡CO 2 ¡balance ¡ • ¡

Calcula(on ¡of ¡the ¡liquid ¡flows ¡ Broth ¡glucose ¡balance ¡(mol ¡glucose/h) ¡ Total ¡broth ¡mass ¡balance ¡(kg/h) ¡ ¡ ¡ Feed ¡ ¡ ¡+ ¡71225 ¡kg/h ¡ 0 ¡= ¡-­‑165000 ¡·√ ¡1.295 ¡+ ¡F m,in ¡·√ ¡3 ¡– ¡F m,out ¡·√ ¡85 ¡·√ ¡10 -­‑6 O 2 ¡input ¡ ¡+ ¡165000 ¡·√ ¡2.6255 ¡·√ ¡0.032 ¡= ¡13863 ¡kg/h ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ NH 3 ¡input ¡ ¡+ ¡165000 ¡·√ ¡0.218 ¡·√ ¡0.017 ¡= ¡611.5 ¡kg/h ¡ mol ¡glucose ¡/ ¡h ¡ mol ¡glucose ¡/ ¡h ¡ ¡ mol ¡glucose ¡/ ¡h ¡ ¡ ¡ CO 2 ¡loss ¡ ¡-­‑ ¡165000 ¡·√ ¡3.68 ¡·√ ¡0.044 ¡= ¡26717 ¡kg/h ¡ consumed ¡ in ¡feed ¡ in ¡broth ¡ou_low ¡ (neglected!) ¡ ¡ Water ¡loss ¡ ¡-­‑ ¡3760969 ¡·√ ¡0.060·√ ¡0.018 ¡= ¡4062 ¡kg/h ¡ ¡ ¡= ¡71225 ¡kg/h ¡ F m,in ¡ ¡ F m,out ¡ ¡ ¡54920 ¡kg/h ¡ • Note: ¡neglecZng ¡glucose ¡in ¡broth ¡ou_low, ¡F m,out C s ¡= ¡54920 ¡·√ ¡85·√10 -­‑6 ¡= ¡4.7 ¡mol ¡glucose ¡/ ¡h, ¡which ¡ is ¡indeed ¡negligible ¡compared ¡to ¡a ¡feed ¡of ¡213675 ¡mol ¡glucose/h ¡

Calcula(on ¡of ¡the ¡broth ¡ou_low ¡biomass ¡and ¡PDO ¡ concentra(on ¡and ¡the ¡fermenter ¡broth ¡mass ¡ c x : ¡use ¡broth ¡biomass ¡balance ¡(mol ¡x ¡/ ¡h) ¡ • ¡AccumulaZon ¡ ¡= ¡inflow ¡– ¡ou_low ¡+ ¡producZon ¡ ¡ ¡ ¡0 ¡= ¡0 ¡ ¡-­‑ ¡ ¡c x ¡·√ ¡ ¡F m,out ¡ ¡ + ¡ ¡R x ¡ ¡ ¡ ¡Calculate ¡c x ¡ (c x ¡= ¡3.275 ¡mol ¡x ¡/ ¡kg ¡broth) ¡ c p : ¡use ¡broth ¡PDO ¡balance ¡(mol ¡PDO ¡/ ¡h) ¡ • ¡Accumulaton ¡= ¡inflow ¡– ¡ou_low ¡+ ¡producZon ¡ ¡ ¡0 ¡= ¡0 ¡– ¡c p ¡·√ ¡ ¡F m,out ¡+ ¡R p ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Calculate ¡c p ¡ (c p ¡= ¡3.00 ¡mol ¡PDO ¡/ ¡kg ¡broth) ¡ Amount ¡of ¡broth ¡mass ¡M ¡in ¡the ¡fermentor . ¡ • known ¡ known ¡ known ¡

Heat ¡removal ¡ Knowledge ¡needed: ¡from ¡thermodynamic ¡tables ¡heat ¡of ¡water ¡evaporaZon ¡equals ¡ ΔH vap,w ¡= ¡43 ¡kJ/mol ¡water ¡ Heat ¡balance ¡(in ¡kJ/h): ¡ • AccumulaZon ¡= ¡Heat ¡of ¡reacZon ¡-­‑ ¡enthalpy ¡of ¡evaporaZon ¡+ ¡heat ¡from ¡sparged ¡air ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡heat ¡removal ¡(cooling) ¡= ¡0 ¡ ¡ Temperature ¡should ¡be ¡constant ¡so ¡accumula(on ¡= ¡0 ¡ • Heat ¡from ¡sparged ¡air ¡is ¡neglected ¡ • ¡ known ¡ known ¡ ¡ Heat ¡to ¡be ¡removed ¡= ¡-­‑(ΔH r ) ¡·√ ¡R p ¡ ¡ ¡-­‑ ¡ ¡ ¡ΔH vap,w ¡ ¡·√ ¡y w,out ¡ ¡·√ ¡F N,out ¡ ¡ ¡kJ/h ¡ ¡

NH 3 ¡sparging ¡ Use ¡NH 3 ¡balance ¡(mol ¡NH 3 ¡/ ¡h) ¡ • ¡AccumulaZon ¡ ¡ ¡= ¡inflow ¡– ¡ou_low ¡– ¡consumpZon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡= ¡F N,NH3 ¡ ¡– ¡ ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡165000 ¡·√ ¡0.218 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ F N,NH3 ¡= ¡35970 ¡mol ¡NH 3 ¡/ ¡h ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

F N,out ¡= ¡3760969 (mol/h) ¡ ¡y O2,out ¡= ¡0.0725 ¡ ¡ The ¡process ¡scheme ¡ ¡y CO2,out ¡= ¡0.1614 ¡ F m,in ¡ (kg/h) ¡= ¡71225 ¡kg/h ¡ ¡y w,out ¡= ¡0.0600 ¡ ¡ ¡p top ¡= ¡1 ¡bar ¡ Broth ¡mass ¡= ¡ Gas ¡transfer: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 2250 ¡tonne ¡ ¡ ¡ ¡O 2 ¡= ¡ 433207 ¡mol ¡O 2 /h ¡ Heat ¡= ¡51434 ¡kJ/s ¡ ¡ NH 3 ¡= ¡ 35970 ¡mol ¡NH 3 /h ¡ R p = ¡165 ¡000 ¡mol ¡ H 2 O ¡= ¡ 225658 ¡mol ¡H 2 O/h ¡ ¡PDO/h ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CO 2 ¡= ¡ 607200 ¡mol ¡CO 2 /h ¡ F N,in ¡= ¡3361320 (mol/h) ¡ ¡ ¡y O2,in ¡= ¡0.2100 ¡ 35°C ¡ ¡ ¡y w,in ¡ = ¡0 ¡ ¡ F m,out ¡(kg/h) ¡= ¡54920 ¡kg/h ¡ ¡y CO2,in = ¡0 ¡ ¡ F N,NH3 ¡= ¡35970 (mol/h) ¡ ¡

See ¡you ¡in ¡the ¡next ¡unit! ¡