4 Capitolul ll: Tehnologia de fabricaie ll.1. Domeniile de
utilizare i proprietile produsului II.1.1. Domenii de utilizare
Acidul citriceste un acid monohidroxi-tricarboxilic ce se prezint
ca substan anhidr
(C6H8O7),cumasamolecular192,12saucamonohidrat(C6H8O7
H2O),cumasamolecular 210,14. Se gsete foarte mult rspndit n natur n
esuturile i sucurile vegetale i n special n citrice fiind solubil n
ap i solveni organici. Formula de structur: Pentru acidcitric, se
mai ntlnesc denumirile tehnice i comerciale: acid2
hidroxi-1,2,3-propan tricarboxilic; sare de lmie, E330. Acidul
citric are multiple ntrebuinri n industria alimentar:
1.Caadaosnsucuriledefructecaataresaudiluate,precuminracoritoare
carbonatate,ncareacioneazcaagentdeconservareicaagentdeprotejareaculoriii
aromei, avnd n aceli timp i capacitatea de a chela metalele care
pot provoca modificri de
culoareiarom.Seconsidercstabilitateaculoriiserealizeazdatoritinhibriiatacului
oxidativasupraculoriiexistente,inhibriidezvoltriioxidriiculorii,preveniriiformriide
complexemetalicecolorate.Capacitateadeaformachelaiaaciduluicitriciacitrailorse
datoreaz existenei gruprii hidroxil i a gruprilor carboxilice.
2.nscopulstabilizriiaromeiproduselorprininhibareaataculuioxidativasupra
componentelordearominacelaitimp,prininhibareaformriipreoduselorcumiros
neplcut.
ncazuladaosuluilavinuri,acidulcitriccontribuielaajustarea(corectarea)aciditii,
previne formarea de precipitate i casarea feric datorit faptului c
se complexeaz fierul sub form de acid ferocitric solubil, form sub
care particip la formarea casei. Acidul citric poate fi atacat de
bacteriile lactice din vin, cu formare de acid lactic i acetic, n
cazul n care vinul5
nuesteprotejatbiologic.Serecomandcaacidulcitricsseadaugenfazafinalaa
condiionrii vinului. Doza de acid citric autorizat este de 50g/hL,
n special pentru vinurile
puinpredispusecasriicareau10-15mgfier/Licare,gustativ,suportacidifierea.
Tratamentulcuacidcitric,nfunciedeconinutuldefier,tanin,pH,potenialredox,poate
suplininmultecazuritratamentulcuferocianurdepotasiu,careestemaiscumpimai
dificil;
3.Laconservareafructelorprincongelare,cazncare,acidulcitric,princhelarea
metalelor,facecaacidulascorbicnaturaldinfructeilegumesnufiedistrus.Fructelei
legumeledepielatesetrateaz,deaemenea,cusoluiedeacidcitricpentruprevenirea
mbrunrii enzimatice;
4.CasinergeticalturideantioxidaniiBHA,BHT,galatuldepropil,pentru
mpiedicarea rncezirii grsimilor i uleiurilor. Se consider c efectul
sinergetic se datoreaz
restuluicitratinuaciduluicaatare,ceeacenseamncsepoatefolosicasinergetici
citratuldesodiu,acoloundenusecercondiiideacidulare.Pentrugrsimiiuleiurieste
recomandat monostearil citratul care are o solubilitate mare n
grsimi;
5.Cauncomponentalsrurilordetopire,ncazulbrnzeturilortopite.Seutilizeaz
mpreun cu fosfaii,efectul de emulsionare fiind ns realizat de
tartrai. Lactaii au ns efect invers, coagulnd proteinele din brnz;
6.La tratarea molutelor supuse refrigerrii si congelrii. La aceste
produse se formeaz
oculoarealbastr,datoritcomplexuluicupru-tiol.Concomitentseformeazimirosuri
strine.Printratareamolutelorcusoluiedeacidcitric,defectelemenionatenumaiapar,
datorit faptului c acidul citric complexeaz cuprul; 7.Pentru
mpiedicarea zaharisirii mierii de albine, n clarificarea enzimatic
a sucurilor,
caagentdestabilizarepentrucondimente,boiadeardeinsintezagrsimilorrearanjate
necesare obinerii de shortening uri n dressingurile pentru salate;
8.Ca un component al srurilor efervescente mpreun cu bicarbonatul
de sodiu (acestea, la adaos de ap degaj dioxid de carbon); 9.La
obinerea de ape minerale artificiale; Acidul citric mai este
folosit i n producerea medicamentelor i n biotehnologie precum i la
sapunuri i detergenti, datorit proprietii de a combina metalele in
apa dur. 6
Aresialteutilizricumarfi:Circa6%acidcitricvandepartapetedeapadurdepe
sticlfrfrecri,caingredientiningheatsaufolositcubicarbonatdesodiu,ajutla
indigestie. Mai poate fi utilizat in fotografie, la developarea
filmului.
Datoritfaptuluicacidulcitricpoatefifolositlapreparareaunuiexplozibilsensibilla
ocuri, cumprarea acidului citric in cantiti mari duce la
suspectarea de activitate terorist. [6. 190] II.1.2. Proprieti
fizice: Acidul citric se prezint sub form de cristale incolore,
translucide, inodore, cu gust plcut
uoracid;poatecristalizadinsoluiiapoaselarececamonohidratsubformdecristale
rombice, cu masa molecular 210,14.
Acidulcitricmonohidratestestabillaaercuumiditatenormal,darpierdeuorapade
cristalizare n atmosfer uscat sau n vid; prin nclzire lent, pierde
apa de cristalizare la 70-75 C i se topete complet n intervalul
135-152 C; la nclzire rapid, pierdeapa la 100 C i se topete la
153C. Densitatea acidului monohidrat este 1,542, iar a acidului
anhidru 1,665.Acidul citric este
uorsolubilnap,parialsolubilnalcoolialifaticiinferioriigreusolubilneteretilic.Acidulanhidruesteinsolubilncloroform,tetracorurdecarbon,benzen,toluen,sulfurde
carbon. Este un acid organic destul de tare: Ka1=8,2 10-4,Ka2=1,77
10-5 i Ka3=3,9 10-6 la 18 C. Presiune de vapori la 20C :>0.1hPa;
pH-ul sol 50g/l n ap la 20C:1,8; Temperatura de autoaprindere:345
C.
Acidulcitricestestabilncondiiinormalededepozitareimanipulare,sedescompune
sub aciunea acidului sulfuric cu formare de acid formic si bioxid
de carbon. Prin nclzire cu sulfur de carbon se formeaz un compus
biciclic-tiofen. [6. 190] 7 II.1.3.Proprieti chimice: Dup cum s a
mai spus acidul citric este un acid tricarboxilic. Sarea lui de
calciu este
maigreusolubilnaplacalddectlarece:easeprecipitlafierbereasoluieiise
redizolv la rcire.Prin nclzirea acidului citric la 175C se produce
nti eliminarea unei molecule de ap
iseformeazacidulaconitic.Aceastreacieaservitilastabilireastructurii,cciacidul
aconitic, tricarboxilic nesaturat se transform prin hidrogenare cu
amalgam de sodiu, n acidul tricarbalilic. Prin distilarea uscat a
acidului citric se formeaz anhidrida acidului itaconic i a acidului
citraconic:
Cuacidulsulfuricconcentrat,acidulcitricdoreaciecaracteristica-hidroxi-acizilor,
anumeeliminacidformicitrecenacidulaceton-dicarboxilic,unacid-cetonic
dicarboxilic, usor de obtinut pe aceast cale. Un tratament mai
energic duce la aceton: Prin nclzirea acidului citric cu
pentasulfur de fosfor se formeaz tiofen: 8
Efectulchelatizantalaciduluicitricexplicrelaiasinergiccuantioxidaniiprin
complexarea prooxidanilor: [5. 113-114] II.1.4.Proprieti biologice
Acidulcitricfacepartedintr-oseriedecompuiimplicainoxidareafizicalipidelor,
proteineloricarbohidrailornCO2iH2O.Aceastseriedereaciiestelegatdeaproape
toatereaciilemetaboliceiasigurdinenergiaderivatdinalimentenorganismele
evoluate.II.1.5.Proprieti farmacologice
Acidulcitricsefolosestenindustriafarmaceuticdatoritefectuluisuanticoagulant.
Asigur rapida dizolvare a ingredientelor active. Are proprietatea
de a regla pH-ul, este folosit deasemenea ca i efervescent n
comprimate n combinaie cu bicarbonai. II.2. Variante tehnologice de
obinere a acidului citric II.2.1.Obinerea acidului citric prin
sintez: Una din sintezele acidului citric const n transformarea
dicloracetonei simetrice, cu acid
cianhidric,ncianhidrinarespectiv,saponificareaacesteianhidroxiacidulhalogenati
condensarea celui din urm cu cianur de potasiu: 9 O alt sintez
pornete de la esterul metilic al acidului
aceton-dicarboxilic(R=CH3):
Acidulcitricformeazcristalemari,transparente,uorsolubilenapavndomolecul
deapdecristalizare(p.t.100C).Prinnclzirela80Cpierdeapadecristalizareiaren
stare anhidr, p.t.153C. [7, 142-143] II.2.2. Obinerea acidului
citric prin biosintez:
Aufostcercetatetehnologiiledeobinereaaciduluicitricprinbiosintezpeculturide
Aspergillusniger,Aspergillusclavatus,Aspergillusventii,Penicilliumcitrinum,dar
aplicaiile industriale augsit numai tehnologiile ce folosescculturi
deAspergillus niger, iar dintre mediile de cultur studiate, cel mai
eficient s a dovedit a fi mediul de cultur pe baz de melas.
Dinpunctdevederetehnologic,procesuldefermentaieaaciduluicitriccuAsp.niger
poatefirealizatnsuprafasaunprofunzime.nprimulsistemfermentaiadureaz10-11
zile iar n al doilea dureaz 6-7 zile. 10 Fermentaia n suprafaa
nacestprocedeu,melasaestetrimisnreactor,undela40Csetrateazcuferocianur
de potasiu, dup care se sterilizeaz prin nclzire la 120 C timp de
30 min, se rcete la 45 C i se adaug fosfatul de potasiu, sulfatul
de zinc, sulfatul de magneziu, sub form de soluii sterile. Mediul
de cultur, astfel preparat se trimite n camera de fermentaie
steril, construit sub form de usctor dulap n care se monteaz, pe
rafturi, tvi cu nlimea de 20 cm, n care se introduce lichid de
cultur pe o adncime de 10-15cm. Camera de fermentaie se sterilizeaz
cu aer, iar dup introducerea lichidului se ventileaz
cuaresteriltimpde30min,iarlasfarsitulperioadeideventilaiesefacensmnareaprin
curentul de aer. Dup nsmnare se oprete pentru o ora ventilaia, timp
necesar sedimentrii inoculului, iar apoi se reia pentru toat durata
fermentaiei.
Laterminareafermentaieibiomasasefiltreaz,iarsoluiasesupuneprelucrriipentru
separarea acidului citric cristalin. Acest tip de fermentaie este
folosit ns la scara redus n industrie. Avantajele folosirii
acestuiasunt:efortminimnoperaii,consumurienergeticeminimeiconstruciesimpla
instalaiei. Principalul dezavantaj este ins productivitatea mic la
care se adaug dificultatea pstrrii condiiilor aseptice, cele mai
frecvente contaminri fiind date n principal de speciile
Penicillium, Aspergillusi bacterii lactice. Fermentaia n profunzime
Serealizeaznfermentatoarecilindrice,verticaleechipatecuagitator,serpentin,
barbotor de aer i dispozitive de reglare.
Inoculareaiconducereaprocesuluidefermentaiesefacecailaalteprocesede
biosintez,iardurataprocesuluiestede6-7zilelapHde3-4,5iundebitdeaerde1Laer
pentru 1 L mediu i minut. Dup terminarea fazei de fermentaie i
filtrarea miceliului, soluia apoas se supune prelucrrii pentru
separarea acidului citric cristalin.
nprocesuldeobinereaaciduluicitric,cainceldeobinereaaciduluiitaconici
gluconic,rezultsoluiiapoaseimiceliu.Soluiileaposepotfiutilizatepotfiutilizateca
mediideculturpentrubiostimulatori,iarmiceliuluscatpoatefiutilizatcaadaoslahrana
psrilor, avnd un efect stimulator n procesul de cretere. 11 Se
estimeaz ca aproape 80% din producia mondial de acid citric se
obine folosind
fermentaianprofunzime.Acesttipdefermentaienecesitinstalaiimaisofisticateiun
control riguros. Pe de o alt parte prezinta i avantaje cum ar fi
productivitatea mare costuri de investitie reduse i randamente
ridicate, riscuri de contaminare mici. [4, 299-301] II.3. Alegerea
variantei optime
nvedereaobineriiaciduluicitric,sealegeprocedeuldiscontinuudefermentaien
profunzime folosind microorganismul Aspergillus niger deoarece mai
mult de 90% din acidul citric produs la nivel mondial este obinut
prin fermentaie, ofer urmtoarele avantaje:
-operaiilesuntsimpleistabile,instalaiaestengeneralmaiputincomplicatiare
nevoie de un sistem de control mai puin sofisticat, ndemnarea
tehnic cerut nu este att de nalt; -consumul de energieeste mic, iar
cderile frecvente de curent nu afecteaz n mod critic funcionarea
instalaiei. Procedeul culturii n profunzime const n cultivarea
microorganismelor n fermentatoare de otel, n care mediul este supus
unei aeraii i agitri continue.n aceste condiii, procedeul
culturiinprofunzimeoferoseriedeavantaje,fadeculturansuprafaa,printrecare:
costuriinvestiiireduse,flexibilitateridicat,conversiasubstratuluiridicat,pericolde
infectarealculturiiredus,volumbioreactorrelativmare,seobtinculturiomogene,
randamente ridicate, puritatea produsului, ca i activitatea
biologic ridicate. 12 II.4. Descrierea procesului tehnologic
adoptat II.4.1. Elaborarea schemei tehnologice cu descrierea
detaliat a procesului tehnologic: Aer nesteril Aspergillus niger
Biomasa CaCl2 Ca(OH)2, 20% H2SO4 crbune Fig. nr. II.4.1: Schema
tehnologic de obinere a acidului citric. Pregtire mediu de cultur
Sterilizare mediu decultur Filtrare Precipitare Neutralizare
Filtrare Acidulare Decolorare i filtrare Demineralizare
Cristalizare Filtrare Uscare Fermentaie Sterilizare aer 13
Tehnologia de obinere a acidului citric cuprinde urmtoarele faze:
-Pregtirea mediului de cultur; -Fermentaia; -Filtrarea soluiilor
native; -Separarea i purificarea. 1.Pregtirea mediului de cultur In
tehnologia obinerii acidului citric, o importan foarte mare o are
procesul de pregtire
amelaseipentrufermentaiacitric.ngeneral,melaselerezultatedinindustriazahrului
coninocantitatemaredefier,careinhibattcretereamaseicelulare,ctiobinerea
aciduluicitric.Pentruevitareaacestuineajunsmelasasepoateprelucracuagenichimici,
absorbani,schimbtorideioni,darrezultatelecelemaibunesauobinutlaprelucrareacu
ferocianur de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier i
a altor metale grele.
Pentruaceasta,melasaconcentratsenclzetela40C,secorecteazpHullavaloarea
7,0,iarapoiseadaugferocianuradepotasiuisefierbe45min.Dupaceastamelasase
rcete i se dilueaz cu ap pn ce concentraia n zahr devine 15%.
Pentruaaveaunprocesnormaldecretereamaseicelulareideproducereaacidului
citricestenecesarcamediuldecultursconinisursedeazot,sulfimicroelemente.
Sursele de azot se adaug sub form de extract de porumb, iar
microelementele se adaug la
preparareamediului.Esteinteresantderemarcatcmelasaconineiniialimicroelemente,
daropartedineleseseparodatcufierul.Dintremicroelementenutrebuieslipseasc
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul i magneziul. [4. 296-298]
2.Sterilizarea
Sterilizareaesteprocesulprincarearelocdistrugereasaundeprtareatotala
microorganismelor patogene sau apatogene din substane, preparate,
spaii nchise, obiecte.
nindustriadebiosintez,undeseobinculturimicrobienepure,precuminindustria
farmaceutic i cea alimentar, procesul de sterilizareeste de
nenlocuit i poate fi realizat, de obicei, prin: 14 1.Metode termice
: -Sterilizare cu aer cald la 140-200 C; -Sterilizare cu vapori de
ap sub presiune la 120-140 C; -Sterilizare prin nclziri repetate la
70-100 C; 2.Metode fizice: -Filtrare prin umpluturi fibroase;
-Filtrare prin materiale poroase; -Filtrare prin membrane;
-Utilizarea rediaiilor UV, IR, raze X, , , etc. 3.Metode chimice:
-Utilizareaagenilorchimici:oxiddeetilen,formaldehid, fenol,
azotiperit, ozon, etc. 4.Metode de preparare pe cale aseptic. [1,
80] Sterilizarea mediului de cultur
Deiteoreticsterilizareamediilordecultursepoaterealizprinmetodemecanice
(filtrare,centrifugare,flotatie),termice,cuagentichimicibactericizi,curadiaiiX,,,
radiatiiUV,aplicatiipracticeaugsitnumaiprocedeeletermicedesterilizare.Sterilizarea
termicprezint,ns,ioseriedeinconveniente,generatenspecial,dereaciilesecundare
de degradare care au loc in timpul procesului de sterilizare.
Pentrusterilizareamediuluideculturpregtitpentruobinereaaciduluicitricseprezint
instalaiadesterilizarela120125C(fig.II.4.1.2.),deoareceaceastaprezintoseriede
avantajecumarfi:simplitatea,usurinanexploatareautilajelordesterilizareirealizarea
gradului de sterilizare dorit. 15 Fig. II.4.1.2: Instalaia de
sterilizare a mediului de cultur la 120 125 C .
Estealcatuitdintr-ocoloandesterilizare(1),menintor(2)ircitor(3).Coloanade
sterilizare este conceput din dou evi concentrice, prin eava
interioar fiind introdus aburul, mediul de cultur circulnd prin
spaiul dintre cele dou evi. ncalzirea mediului se face prin
barbotareaaburuluide5ataprinintermediulfantelorpracticatepeeavainterioar,acesta
fiinddirijattangenialiuniformcuajutorulunuinecmontatpeexteriorulevii.Mediul
staioneaz n coloan 4 6 secunde, dup care ptrunde n menintor, unde
rmne 15 20 minute pentru perfectarea procesului de sterilizare.
nfinal,mediulestercitntr-unschimbtordecaldurtipeavneav,la3540C,
temperatur cu care este introdus n fermentator. [1, 100-101]
Dindiagramatimptemperatur(fig.II.4.1.3.),seobservc,naceastinstalaie,
contribuia fazei de ncalzire i rcire la performana procesului de
sterilizare este de 5 6 %,
astfelnctsepoateconsideracsterilizareaserealizeazaproapentotalitatenfazade
meninere. 16
Fig.II.4.1.3. Diagrama timp temperatur pentru sterilizarea
continu la 120 125 C [1, 90] Sterilizarea aerului
Studiindprocesuldesterilizareaaerului,Aibaadeterminatspeciilereprezentativede
bacteriiisporicaretrebuiescndepartatenmodobligatoriu,pentruaputeafiasigurate
condiiile unei fermentaii aseptice. Cu toate c sterilizarea aerului
se poate realiza att prin procedee termice ct i prin filtare,
metoda cea mai utilizat n industrie este filtrarea. Pentru
sterilizare prin filtrare se pot folosi urmtoarele materiale
filtrante: -fibre de sticl cu diametru cuprins ntre 5 i 18 ;
-nitrat de celuloz, pentru filtrul cu membran; -teflon cu o mare
rezisten termic (pn la 300C) i caracter hidrofob, utilizat sub form
de folii de teflon sau n amestec cu polietilena;
-poliamid(naylon),caracterizatprinrezistentermic,hidrofobicitate,
elasticitate i durabilitate.
Pentrusterilizareaaeruluiprinfiltrare,nprincipiu,existtreitipuridefiltrecu
aplicabilitate practic i anume: -filtrul cu fibr de sticl
(Fig.II.4.1.4.); -filtre disc cu membrane (filtre absolute);
-filtre tip lumnare. 17 Fig.II.4.1.4. Filtrul cu fibre de sticl.
(1placperforat;2plasdesrm;3garniturdecauciuc;4material filtrant; 5
- rama). Este alctuitdintr-un strat de material filtrant fixat ntre
dousite, susinute de dou placi
perforate(diametrulperforaiilorestede0,70,8cm).Filtrulesteprevzutcumantade
ncalzire, care permite uscarea materialului filtrant sterilizat cu
abur direct. Acest tip de filtru, indicat pentru industria de
biosintez, ofer posibilitatea sterilizrii unor debite ridicate de
aer, realizarea unui grad avansat de purificare i durat indelungat
de funcionare. Dezavantajele filtrului cu fibre sunt: operaii
complicate la schimbarea fibrelor de sticl (durata 2,5 3 ore),
manipulareaneplacutafibrelordesticlianulareaefectuluidesterilizaredupumezirea
materialului fibros.
Schemadeprincipiualinieidepurificareisterilizareaaeruluiprinfiltrarepematerial
fibros este redat n figura urmtoare. Conform acestei scheme, aerul,
separat de impuriti n filtrul (1), trece prin compresorul (2),
undeeste comprimat adiabatic la3-3,5 at, temperatura crescnd la 150
- 160C. Dup racire n (3), aerul este introdus n separatorul de
picturi (4),
filtrulprincipalcumaterialfibros(5)(primatreaptdesterilizare),filtrulindividualcu
material fibros (a doua treapt de sterilizare, dup care ptrunde n
fermentator. 18
Fig. II.4.1.5.Schema de purificare i sterilizare a aerului.
Sterilizareapematerialfibrospoatefidescrisprintr-unmodeldecurgereprinocolire
(Fig.II.4.1.6.), fenomencare impune absena total a umiditii din
filtru (prezena umiditii
transformcurgereaprinocolirencurgereprinalunecare,anulndtotalproprietile
filtrante).
Fig.II.4.1.6. Modelul curgerii perpendiculare a aerului pe fibr.
Din aceste motive, rcireaaerului n rcitorul(3) seface pn laapariia
condensului, iar
dupsepararealui,aerulsaturatseprenclzetecuaerfierbintepncndtemperaturade
ieiredinfiltrulindividual(6)depaetecucelpuin12Ctemperaturapunctuluiderou.
Stabilireaparametrilordefuncionareaiinstalaieidesterilizaresefacenumainfunciede
parametriitermodinamiciaiaerului.Reinereamicroorganismelorpefibreledesticl,n
procesuldefiltrareaaerului,serealizeazcaefectalcombinriiurmtoarelorfenomene:
impact inerial, intercepie, difuzie i atracie electrostatic.
Analiza cantitativ a procesului de
reinereaparticulelordinaerpefiltredefibredesticlaevideniatceficacitateafiltrrii
depinde de caracteristicile materialului fibros i de parametrii
operaiei de filtrare. [1, 110-113] 19 3.Fermentaia
Procesuldecretereamicroorganismelorpemediidecultur,cuscopuldeabiosintetiza
diveri produi, poart denumirea de fermentaie. Fermentaia reprezint
etapa fundamentala proceselor de biosintez. Ea se realizeazn trei
etape: -fermentaia n inoculator - aceast fermentaie dureaza 16 pn
la 20 de ore; -fermentaia n intermediar aceast fermentaie dureaz
aproximativ 12 pn la 16 ore;
-fermentaianregimarelocnfermentatorulderegim,ncareserealizeaz
aceleai condiii i parametri ca i n inoculator i intermediar.
nprimeledoufazeseconsidercfermentaias-aterminatatuncicndconinutulde
zahr este consumat pn la aproximativ 50% din valoarea
iniial.ntoatefazelefermentaieiseadministreazacelaidebitdeaer(1litrupeminut)subo
intens agitare la temperatura de 29 - 32C. n tehnologia obinerii
acidului citric, o importan foarte mare o are procesul de pregtire
amelaseipentrufermentaiacitric.ngeneral,melaselerezultatedinindustriazahrului
coninocantitatemaredefier,careinhibattcretereamaseicelulare,ctiobinerea
aciduluicitric.Pentruevitareaacestuineajunsmelasasepoateprelucracuagenichimici,
absorbani,schimbtorideioni,darrezultatelecelemaibunes-auobinutlaprelucrareacu
ferocianur de potasiu, care permite sedimentarea ionilor de fier i
a altor metale grele.
Pentruaceasta,melasaconcentratsenclzetela40C,secorecteazpHullavaloarea
7,0,iarapoiseadaugferocianuradepotasiuisefierbe45min.Dupaceastamelasase
rcete i se dilueaz cu ap pn ce concentraia n zahr devine 15%.
Viteza i randamentul procesului de fermentaie cresc cu creterea
cantitii de ferocianur,
darnumaipnlaconcentraiade50-60mg%,dupcarescadedatoritfaptuluic
ferocianura la concentraii mari inhib procesul de cretere a masei
celulare i de producere a acidului citric.
Unaltfactorcareinflueneazsensibilprocesuldefermentaiecitriceesteconinutulde
fosfor,acruivaloareoptimeste25-30mg%.Fosforulregleazattprocesuldecreterea
20
maseicelularectiprocesuldeutilizareazahrului.Melasaconine,deobicei,3-20mg%
fosfor , iar pn la valoarea optim se adaug n mediu de cultur fie
fosfor monopotasic, fie acid fosforic.
Pentruaaveaunprocesnormaldecretereamaseicelulareideproducereaacidului
citricestenecesarcamediuldecultursconinisursedeazot,sulfimicroelemente.
Sursele de azot se adaug sub form de extract de porumb, iar
microelementele se adaug la
preparareamediului.Esteinteresantderemarcatcmelasaconineiniialimicroelemente,
daropartedineleseseparodatcufierul.Dintremicroelementenutrebuieslipseasc
zincul, cadmiul, aluminiul, cuprul i magneziul. Procesul de
fermentaie citric fiind aerob, consumul de aer steril este de
1-1,5L aer pentru un litru mediu pe minut,iar pH-ul se menine tot
timpul ntre 3 i 4,5. Temperatura procesului
debiosintezdepindedestadiuldedezvoltareamaseicelulare.Astfel,nsmnarease
realizeazla36-42C,dupcaretemperaturasecoboarla34-36Cisemeninelaaceast
valoaretimpde24-36ore,ctdureazdezvoltareamaseimicrobiene,apoitemperaturase
scade la 30-32C i se menine la aceast valoare pe toat durata
elaborrii acidului citric. Studiindu se efectul termic al
procesului de fermentaie s a stabilit c se degaj pn la 250
kcal/m3h, iar aceast valoare se atinge n a 5 a zi de fermentaie i
corespunde celei mai mari valori a vitezei de acumulare a acidului
citric (fig. II.4.1.7.)
Fig.II.4.1.7.Variaiaconcentraieiaciduluicitriciaefectuluitermicnprocesuldefermentaie.
21
T1-variaiaefectuluitermic,kcal/m2h;T2-temperaturapreluatdeagentuldeschimb
termic;A-variaiaconcentraieinacidcitric,g/m2h;B-vitezaspecificdecretereamasei
celulare, g/ m2h.
Dinanalizadinamiciiprocesuluidebiosintezaaciduluicitricrezultcacumulareasa
ncepedup25-30oredefermentaie,iarvitezadeacumulareatingenziuaa5-aia6-a
valoride105-106g/m3h.Deasemeneaconsumuldezahrdinbiomasestenperfect
concordancuacumulareaaciduluicitric:nperioadadecretereamaseicelularese
consum10-15%,iarnperioadadeacumulareaprodusului48-50%dincantitateatotalde
zahrdinmediu.Outilizaremairaionalazahruluiseobinencazulncareconinutul
acesatiua n mediu de cultur este cuprins ntre 14 i 16%, concentraie
ce asigur un coninut de 10-12% acizi organici, ncare acidul citric
reprezint 80-95%.
Procesuldefermentaieserealizeazprinfermentaienprofunzime,nfermentatoare
cilindrice, verticale echipate cu agitator, serpentin, barbotor de
aer i dispozitive de reglare.
Inoculareaiconducereaprocesuluidefermentaiesefacecailaalteprocesede
biosintez, iar durata procesului este de 6-7 zile la pH de 3-4,5 i
un debit de 1 L aer pentru 1 L mediu i minut. [4, 296-299]
Filtrarea
Filtrareareprezintseparareabiomaseirezultatenurmaprocesuluidefermentaiede
produsul util. n principiu filtrarea lichidelor de fermentaie se
utilizeaz aceleai tehnici ca n industria chimic, ns n cazul
biotehnologiilor apar unele particulariti legate de: -volume
ridicate de mediu supus filtrarii; -prezena microorganismelor care
nfund porii materialului filtrant.
Dupfermentaieifiltrareamiceliului,soluiaapoassesupuneprelucrriipentru
separarea acidului citric cristalin. Separarea acidului citric sub
form de cristale se bazeaz pe proprietatea unor sruri ale sale
(sare de calciu) de a nu se dizolva n ap. 22 Precipitarea i
neutralizarea Pentru obinerea citratului de calciu se adaug n
soluia filtrat, rezultat de la fermentaie
CaCl2,senclzetela100CiseneutralizeazlapH6,8-7cuCa(OH)2,cndprecipit
srurile de calciu ale acizilor organici formai (acid citric,
succinic, malic)prin biosintez. Filtrarea i acidularea
Precipitatulformatsefiltreazisespalcuapfierbinte95Cdupcaresetrateazcu
acid sulfuric pentru eliberarea acidului citric din sarea sa de
calciu. Decolorarea i filtrare
Soluiaobinutsetrateazcucrbuneactivisefiltreaz,iarfiltratulsetrateazcu
ferocianur de potasiu pentru separarea fierului i a altor metale
grele i se filtreaz din nou la cald. Se obine n acest fel o soluie
de acid citric de concentraie 20-25% care se supune unei evaporri
la vid, la temperatura de 70 C. Evaporarea se continu pn ce
concentraia soluiei ajunge la densitatea de 1,35-1,36 g/cm3 dup
care se trimite la cristalizare. Cristalizarea i filtrarea Pentru
aceasta soluia se rcete la 37 C cu o vitez de 20 C pe or;de la 37 C
la 27 C cu o vitez de 10 C pe or, de la 27 C la 20 C cu o vitez de
5 C pe or,iar de la 20 C la 8 C cu o vitez de 3 C pe or.
Acidulcitriccristalizatsefiltreazpecentrifug,dupcaresesupuneprocesuluide
uscare. Uscarea Uscarea acidului citric se poate face discontinuu
sau continuu lala temperatura de 60-70 C, iar durata uscrii variaz
cu temperatura. Acidul citric monohidrat la temperatura de 20 C nu
pierde apa de cristalizare la o umiditate a aerului de 40-50%. Dac
ns umiditatea aerului 23 crete la 90% atunci acidul citric absoarbe
umiditatea aerului, trecnd n soluie. Acidul citric anhidru se poate
obine numai prin uscare cu aer a crui umiditate trebuie s fie sub
50%.[4. 301-302] II.4.2. Materii prime, intermediare i auxiliare
Microorganismul productor
MucegaiurilefacpartedinPhyllumMycophytasauFungiireprezint,mpreuncu
levurileungrupdeorganismeincluzndaproximativ200.000despecii.Suntorganisme
filamentoasesaprofite(carecrescpesubstaneintratenputrefacieinuproducboli)sau
parazite (produc diferite boli). Ei se reproduc pe cale asexuat (fr
participarea unor gamei de sexe diferite) sau sexuat (cu
participarea unor gamei de sexe diferite).
Suntorganismecuomarecapacitatedeadaptarelacondiiilevariate,nefavorabileale
mediului n care i desfoar activitatea. Mucegaiurile cresc n condiii
extreme de aciditate, presiune osmotic, uscciune, etc. Au structura
celular de tip eucariot. Fig. nr. II.4.2.1. Reprezentarea schematic
a structurii interne la mucegaiuri. 24 Structura intern
Deiestetipiceucariotelorexisttotuiiuneledeosebiridelaoformlaaltade
mucegai. Deosebirile ce pot apare se refer la prezena sau absena
septului sau peretelui hifal.
ngeneralnstructurauneihifesepotdistingeurmtoareleformaiunistructuraletipice
celormaimulteeucariote:peretelecelular(hifal),membranplasmatic,citoplasmi
constituenii citoplasmici i nucleu Peretele hifal Hifa este
delimitat la exterior de un perete rigid n structura cruia intr
chitin, celuloz,
polizaharideiuniiacizigrai.Peretelehifalacopermembranaplasmaticitotelestecel
care particip la formarea septului hifal. Membrana plasmatic are o
structur tristratificat i se presupune c ar avea rol important n
formarea aparatului Golgi. Are totodat importante roluri n
transportul unor substane din mediu n celul i din celul n mediu.
Citoplasmaseprezintsubformauneimasefingranulatencaresuntsuspendate
vacuolele, picturi degrsimi, numeroase granule de incluziuni i
particule.n citoplasm se
gsescdeasemenea,reticululendoplasmaticrugosbinedezvoltat,aparatulGolgi,
mitocondrii,ribozomiliberisaufixaidereticululendoplasmaticilizozomi,formaiuni
structurale cu rol n liza unor substane. Fiziologie i metabolism
Mucegaiurileauonutriiedetipheterotrofadicnecesitpentrucretereidezvoltare
medii bogate n substane organice.
Sursadecarbonpoatefiglucozsauoricarealtsubstanglucidic,alcooliiacizi
organici.Casursdeazotfungiipotutilizacompuiorganicidenaturproteic,iarunele
specii pot utiliza srurile de amoniu i nitriii. Fungii cresc bine
natmosfer umed, iar pH-ul lor optim este 5-6. Sunt microorganisme
cucapacitatebiosinteticmare,putndsintetizapecimetabolicediferitepolizaharide.
Lipide, acizi organici, pigmeni, substane antibiotice sau alte
substane biologice active. Temperatura optimde cretereeste de
22-32C, ns ei pot crete i la temperaturi de
5-10C,darilatemperaturide35-40C.Aproapetoifungiideinteresindustrialsuntaerobi,
necesitnd o concentraie ridicat de oxigen.
Mulidintrefungiideinteresindustrial,necesitpentrucretereaidezvoltarealor
bioelemente cum ar fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii
necesitfactori de cretere fr de care procesele metabolice nu pot
avea loc n condiii optime. 25 Prin activitile lor metabolice i
posibilitile de a transforma cu uurin o gam mare de
substane,mucegaiurileaudevenituniidintrefactoriibiologiciceimaiutilizainindustria
alimentar,fiindfactoriiprincipalinobinereaunorbrnzeturi,producereaunorantibiotice,
dar i n obinerea acidului citric. [8, 64-68] Melasa
Melasa,principalulsubprodusdelafabricareazahruluidintrestieisfecldezahr,
reprezintsiropuldincarenusemaipoateseparazaharozafolosindtehnologiaclasicde
cristalizareicentrifugare.Eaconinecantitateatotaldenezahr,carenuafostreinutn
cristalele de zahr i are o puritate scazut. Caracteristici fizice:
-Aspect :lichid vscos de culoarebrun-negru; -Gust : caracteristic;
-Densitate : variaz n funcie de coninutul n substan uscat, fiind de
1390 kg/m3, la 77% s.u. i de 1420 kg/m3, la 84% s.u.; -Vscozitate :
cuprins ntre 13Cp si 19 Cp; -Caldur specific : 0,5 kcal/kgK. In
compoziia melasei intr 4552 % zaharoz, 1418% ap, iar restul este
reprezentat de substane organice i minerale
26 Tabelul II.4.2.2. Compozitia chimica a melasei [9, 171]
Extract de porumb
Esteunsubprodusdelafabricareaamidonuluidinporumb,obinutncursulnmuierii
preliminare a boabelor. Acest extract, ca i extractul de cartofi d
un mediu de cultur bogat nutritiv, mult utilizat n industria de
biosinteza. Caracteristici fizice: -Aspect : lichid cremos de
culoare galben nchis; -Substanta uscata : minim 50%; -pH = 3.5-4;
-continutul in acid lactic : minim 20g la 100g substan uscat;
-zahar total maxim 2.5%. Componentul Melasa de la sfecla de zahar
Melasa de la trestia de zahar Apa20251520 Substanta
uscata,%75808085 Zahar total,%40525055 Zahar invertit,%0,10,52023
Rafinoza,%0,61,8- Azot total ( N x 6,25),%1,22,40,30,6 Substante
minerale,%7,512,51012 pH6,08,6sub 7 27 Compoziia chimic a
extractului de porumb: Tabel nr. II.4.2.3. Compoziia chimic a
extractului de porumb
II.4.3. Mecanismul reaciilor biochimice Mecanismul de biosintez
a acidului citric sub influena sistemului enzimatic din miceliul de
Aspergillus niger este prezentat n figura II.4.3.1. Prezena n
biomas a acidului aconitic, succinic, malic i fumaric demonstreaz c
acidul citric se formeaz ca rezultat al reaciilor ciclului acizilor
di- i tri-carboxilixi. De asemenea, au loc i reacii secundare de
condensare a acizilor cu 2 i 4 atomi de carbon care pot conduce la
acid citric. Constituienti g/100g extract de porumb% Substan
uscat46-49,6 Cenus8,04-10,43 N total3,33-3,67 Zahar total (exprimat
ca glucoza)4,00-4,70 Acid lactic0,74-4,39 Aciditate ( ml. sol NaOH
0,1 N /100 gextract de porumb )11,6-19,3 Fe0,009-0,02 P1,5-1,9
Ca0,02-0,07 Zn0,05-0,012 K2,0-2,5 SO20,02 Sedimente solide38,4-52,9
28 n procesele de fermentaie aerobaAspergillus niger n vederea
obinerii acidului citric, se folosesc medii de cultir pe baz de
melas, la care se adaug sruri minerale, surse de azot i stimulatori
de biosintez. Procesul de biosintez este determinat de compoziia
mediului de cultur, pH, aeraie, temperatur i timp.
Fig. nr. II.4.3.1. Ciclul Krebs [4, 296-297] II.4.4.Cinetica
Procesuldecretereamicroorganismelorpemediidecultur,cuscopuldeabiosintetiza
diveri produi, poart denumirea de fermentaie.
Termenuldecretereesteadecvatnumaipentrumicroorganismeleindividuale.La
bacterii,princreteresentelegeoanumitsuccesiunedefenomeneprincarecelula
individual crete n mrime o anumit perioad,dup care se divide in doi
indivizi capabili sa reia acelasi ciclu. Sub alt aspect, procesul
de cretere a microorganismelor reprezint rezultatul interaciunii
dintrecelulaindividualimediuldecultur.Aplicarealegilortermodinamicii,cineticiii
transferuluidemas,impulsienergiedemonstreazcmediuldecultur,princompoziie,
29
temperatur,presiuneiconcentraiidesubstratlimitative,afecteazdirectcreterea
microorganismelor i performana elaborrii produselor utile.
npractic,estefoartecomodsseurmreasccicluldecretereprindeterminarea
numruluidemicroorganismesauaacumulriiacestorantimp.Dacsereprezintgrafic
cretereantimpanumruluidemicroorganismeseobincurbeledinfiguraII.4.4.1.alura
acestorafiindinfluenatdemetodademsurareutilizat.Curbadecreterea
microorganismelor cuprinde mai multe faze corespunztoare
diferitelor viteze de creteredinciclu. Astfel, dupa Stell, curba de
cretere cuprinde patru faze, i anume: faza de inoculare sau de
adaptare la mediu (de la a la b), faza creterii logaritmice a
numrului de microorganisme
(delablac),fazacreteriincetinite(delaclad)ifazadedescretereanumruluide
microorganisme (de la d le e). Dupa Monod, curba de cretere
cuprinde urmtoarele faze: faza lag sau faza creterii staionare (1),
faza de cretere accelerat (2), faza de cretere logaritmic sau faza
exponential (3), faza de retardare (4), faza stationar (5), faza
distruciei accelerate a microorganismelor (6) i faza distruciei
logaritmice.
Fig. II.4.4.1. Curba de cretere a microorganismelor
Studiulmecanismuluireaciilorenzimatice,aproceselormetaboliceiavitezeide
transformare a substratului n produs se face prin metoda cinetic.
Aceast metod reprezint
singuraposibilitatedestudiuaproceselorenzimatice,deoarecenumrulenzimelorpure
separate separate pn n prezent este relativ redus
Enzimelesuntmacromoleculeorganicecustructurproteiccarecatalizeazprocesele
biochimice.Dinpunctdevederestructural,enzimelesuntcompuidenaturheteroproteic
cusensibilitatedeosebitlatoifactoriicareafecteazproteinele.Activitateaenzimeloreste
30
influenatdetemperatur,pH,presiuneosmotic,concentraiasubstratului,concentraia
produilor rezultai, etc. Activitatea enzimelor este inhibat de
anumii ageni specifici, printre care: sulfamide, antibiotice,
narcotice, colorani, ap oxigenat, dioxid de carbon,etc.
Substanaasupracreiaseexercitaciuneaenzimelorsenumetesubstrat.Prezena
enzimelor permite transformarea substratului la temperatura normal
a materiei vii, oferind, n acest fel, energia necesar desfurrii
procesului de biosintez. Funcia esenial a enzimelor const n
reducerea considerabil a barierelor de potenial ale reaciilor de
transformare a substratului, facilitnd astfel deplasarea
echilibrului spre formarea de produs. Michaelis i Menten dezvolt
modelul cinetic al vitezei de formare a produsului n funcie de
concentraia substratului i a enzimei. (1)
AceastecuaieestedenumitecuaiaMichaelis-Mentenidescrievitezadeformarea
produsuluintr-unprocesenzimatic,reprezentndmodelulidealpentruvitezaproceselor
enzimatice n regim staionar, lipsite de procese secundare de
inhibiie. Din reprezentarea grafic a ecuaiei (1) (figura II.4.4.2.)
se observ c Km este acea valoare a concentraiei substratului Cs
pentru care reacia pornete cu jumtate din viteza maxim.
Fig. II.4.4.2.Reprezentarea grafic a ecuaiei Michaelis-Menten v
= dCpdt=V Cs+ Cs Km31 Deoarece valoarea maxim a vitezei de reacie
este limita asimptotei la curb, ea nu poate
fideterminatcuexactitate.Pentrudeterminareaconstantei
KmiavitezeimaximeV,se utilizeaz metodaLineweaver-Burk care folosete
inversul ecuaiei Michaelis-Menten: 1v=KmV.1C+1Vs(2)
Prinreprezentareagraficaecuaiei(2)ncoordonatele1/vsi1/Csseobinediagrama
Lineweaver-Burk(figura II.4.4.3.), ce permite determinarea
constantelor V i Km n funcie de
variaiaconcentraieisubstratuluiidevalorileexperimentalealevitezeideformarea
produsului. Fig. II.4.4.3. Reprezentarea grafic a ecuaiei
Lineweaver-Burk
Cineticaproceselordebiosintezpoatefistudiatisubaspectulcreteriimaseicelulare
funcie de concentraia substratului. Astfel Monod, a stabilit
urmtoarea ecuaie:
maxS XXS SC dCCd K Cut= +(3) 32
EcuatiaMonodestevalabilnumaincazulncarecretereaestelimitatlaunsingur
substrat,ceeacencondiiiindustrialeseintamplfoarterar.Pentruculturileindustriale
discontinueMonodadefinitoconstantcaracteristicYdenumitcosntantdeexploatare
sau de cretere: (4) [1, 144-160] II.4.5. Termodinamica
Procesuldefermentaieseincadreazdinpunctdevederetermodinamicncategoria
sistemelortermodinamicedeschise,sistemespecificeorganismelorvii,caracterizateprin
schimbdeenergieidemateriecumediulinconjurator,pecareiltransform.Sistemelor
deschiseleestespecificfaptulcelenusuntnechilibrucumediullor.Organismeleviise
afl, de obicei, ntr-o stare staionar care reprezint condiia de baz
a sistemelor deschise, i n care viteza transferului de materie i
energie din mediu n sistem este compensat total de viteza
transferului de materie i energie din afara lui.
Sistemeledeschiseaflatenstarestaionarpotefectuaunlucrudeoarecesuntdepartede
condiia strii de echilibru.n starea staionar, viteza de
producereaentropiei are o valoare
minima,iarsistemulopereazcumaximumdeeficienancondiiiledate.Semnificaia
acestei relaii a fost discutat pertinent, punndu-se n eviden faptul
c viaa este o continu
luptmpotrivatendineideaproduceentropie.Sintezaunormoleculemari,bogaten
informaii,formareastructurilorintracelulare,cretereabiomaseisuntputernicefore
antientropice.ns,organismelevii,fiindobligatessesupunprincipiuluialdoileaal
termodinamicii,ianumesproducentropie,aualescaleadeaproduceentropiecuviteza
minim, meninndu-se astfel n stare staionar, stare n care reaciile
din celulele vii decurg cu o vitez foarte mare. Ca urmare, studiul
entalpiei capt o importan
deosebit.Microorganismelorleestecaracteristiceficienadeosebitnprelucrareaenergieii
materiei, eficien care depeste cu mult majoritatea mainilor
cunoscute de omenire. dCxdt=YdCsdt33
Analizaaprofundataacestoraspecteevideniazcceluleleviifuncioneazcamaini
izoterme care absorb energia din mediul lor, energie pe care o
transform n energie chimic,
folositapoipentrurealizareafuncieichimice,debiosintezacomponentelorcelulare,a
funcieiosmotice,necesartransportuluincelul,iafuncieimecanice,decontraciesi
locomoie, toate acestea la temperatur constant.
Sursadeenergieasistemelortermodinamicedeschiseoconstituiehidraiidecarbon,
lipidele,alcoolii,proteinele,etc,careprincombustiechimicelibereazomarecantitatede
energie.Opartedinaceastenergieseelimindinsistem,iaroparteesteinmagazinatde
sistem n compui organici macroenergetici, dintre care se
remarcacidul adenozintrifosforic
(ATP),compuscareasigurpractic,rezervaenergeticacelulei.DinstructuraATP-ului
prezentat n figura II.4.5.1.rezult c legturile dintre gruprile
fosfat adiacente din ATP si ADP sunt legturi de tip anhidrid,
notate cu ~ ,n timp ce legtura dintre acidul fosforic i
ribozadinAMPesteolegturaesteric,notatculiniedreapt.nacestcontexttrebuie
subliniat faptul c energia liber standard de hidroliz a legturilor
tip anhidrid este mult mai mare comparativ cu cea a legturilor
esterice. Dei ATP-ul conine dou legturi macroergice
(~),nreaciileenzimaticeintervine,deobiceinumaifosfatulterminal.Deasemeneaeste
necesar de precizat c ATP-ul nu este numai un rezervor de energie
chimic, ci este, n primul rnd, un transmitor sau transportor de
energie chimic n celulele vii. Transportnd energia sa laalte
molecule,acest compus pierdegruparea fosfat terminal, trecnd n
ADP,care , la rndul su, poate accepta energie chimic i reface
ATP-ul, primind o grupare fosfat. Fig. II.4.5.1. Structura ATP-
ului
Prinreunireaacestorobservaii,s-apostulatcATP-ulfuncioneazcicliccatransportor
deenergiechimicdelareaciiledeardere,carefurnizeazenergiechimic,ladiferitele
procese celulare care necesit un consum energetic (fig. II.4.5.2.).
34
Fig. II.4.5.2.Ciclul ATP-ADP i modalitile de utilizare a
energiei eliberate de
ATP.nconcluzie,oanaliztermodinamicpertinentareaciilormetaboliceimpune
cunoatereaconcentraiilorintracelularerealealemetaboliilor,precumivitezelelorde
formare i utilizare. n acest sens, se poate sublinia c viteza de
formare a ATP-ului n celule este determinat de viteza de utilizare
a ATP-ului n cadrul unei stri staionare dinamice. Cunoscndu-se
numrul de molecule de ATP sintetizate, funcie de cantitatea de
hidrai de
carbonconsumat,sepoatedetermina,suficientdeexact,performanaprocesuluide
biosintez. [1, 125-144] Calculul efectului termic total al
procesului biochimic: 1 uQ=VQR , n care: Q1= efectul termic al
procesului biochimic; Vu= volumul util al lichidului de fermentaie;
RQ= viteza de degajare a cldurii. 255 10Q OR R = 228OR =mmoli/l h
[12, 221] 35 25 5285 10 5 10 3888,8893600Q OR R = = =W/m3 1 uQ=V
42, 8841 3888, 889 166771, 505QR = = W 1.3.Bilanul de materiale
OperaieRandamenteFiltrarePrecipitare i neutralizare
FiltrareAcidulareDecolorare si filtrare Demineralizare i
concentrare CristalizareFiltrareUscare80% 90% 90% 100% 85% 100% 90%
90% 98% Calcule preliminare: Productia=45 t/an=45000kg/an FAT=330
zile 24 792047,14 48168ssFATnt= = = =arje ts=tf+taux=156+12=168 ore
FAT fond anual de timp, ts durata unei arje, tf durata fermentaiei
, taux timpi auxiliari (10 15 ore) Productia pe arja,45000937,
548ansPPsn= = =kg/arj 36 Producia n fermentator, Pf: 937, 52144,
20470, 43722504fgPsPn= = =kg/arj Productivitatea
microorganismului,P: P=50 kg/m3 Volumul util, Vu: 32144,
204742,884150fuPV mP= = = Masa lichidului de fermentatie, M: uM V p
= densitatea apei la temperatura din fermentator 30C996 kg/m3
40C992 kg/m3 ( )332996 99232 30 996 995, 2 /30 40Ckg m p= + = 995,
2 42,8841 42678, 2563uM V kg p = = = 1.Pregtirea mediului de
cultur: 3%zahr,melas cu concentraia n zahar 15% 0,3% fosfat
monopotasic 4% extract de porumb 0,1% CaCO3 0,1% ZnSO4 0,3% MgSO4
37 Diferena pn la 100% este ap. Melas: 100 kg Mdc...............3
kg zahr 42678,2563 kg Mdcx 42678, 2563 31280, 3477100x= =kg/arj
zahr 100 kg melas15 kg zahr y..1280,3477 kg/arj zahr 1280, 3477
1008535, 651315y= =kg/arj melas Melasa: 20% din masa mediului de
cultur. Extract de porumb: 100 kg Mdc.................4gextract de
porumb 42678,2563 kg............x1
142678, 2563 41707,1303100x= =kg/arj extract de porumb Fosfat
monopotasic: 100 kg Mdc.......................0,3 kg KH2PO4
42678,2563 kg..................x2 242678, 2563 0, 3128, 0347100x=
=kg/arj KH2PO4 38 Carbonat de calciu: 100 kg
Mdc......................0,1 kgCaCO3 42678,2563
kg.................x3 342678, 2563 0,142, 6783100x= =kg/arj CaCO3
Sulfat de zinc: 100 kg Mdc....................0,1 kg ZnSO4
42678,2563 kg...............x4 442678, 2563 0,142, 6783100x=
=kg/arj ZnSO4 Sulfat de magneziu: 100 kg Mdc...................0,1
MgSO4 42678,2563 kg..............x5
542678, 2563 0, 3128, 0347100x= =kg/arj MgSO4 Ap: 100 kg
Mdc...................75,2 kg ap 42678,2563 kg..............z
42678, 2563 75, 232094, 0487100z= =kg/arj ap 39 Nr.Mrimi
intrate%Kg/arjMrimi ieite%Kg/arj 1Melas208535,6513Melas208535,6513
2Extract de porumb41707,1303Extract de porumb41707,1303
3KH2PO40,3128,0347KH2PO40,3128,0347 4CaCO30,142,6783CaCO30,142,6783
5ZnSO40,142,6783ZnSO40,142,6783 6Mg SO40,3128,0347Mg SO40,3128,0347
7Apa75,232094,0487Apa75,232094,0487
Total10042678,2563Total10042678,2563
Deoarecenprocesuldesterilizareopartedincomponeniimediuluideculturse
degradeaz urmtorii compui se iau n exces de 10%: melas, extract de
porumb. Melas:8535, 6513 1,1 9389, 2164 =kg/arj (22%) Extract de
porumb: 1707,1303 1,1 1877,8433 =kg/arj(4,4%) Redeterminarea
cantitii de ap necesar: 100 kg Mdc...................72,8 kg ap
42678,2563 kg..............w 42678, 2563 72,831069, 7706100w=
=kg/arj ap Nr.Mrimi intrate%Kg/arjMrimi ieite%Kg/arj
1Melas229389,2164Melas229389,2164 2Extract de
porumb4,41877,8433Extract de porumb4,41877,8433
3KH2PO40,3128,0347KH2PO40,3128,0347 4CaCO30,142,6783CaCO30,142,6783
5ZnSO40,142,6783ZnSO40,142,6783 6Mg SO40,3128,0347Mg SO40,3128,0347
7Apa72,831069,7706Apa72,831069,7706
Total10042678,2563Total10042678,2563 40 2.Sterilizarea mediului de
cultur: Nr.Mrimi intrate%Kg/arjMrimi ieite%Kg/arj
1Melas229389,2164Melas208535,6513 2Extract de
porumb4,41877,8433Extract de porumb41707,1303
3KH2PO40,3128,0347KH2PO40,3128,0347 4CaCO30,142,6783CaCO30,142,6783
5ZnSO40,142,6783ZnSO40,142,6783 6Mg SO40,3128,0347Mg SO40,3128,0347
7Ap72,831069,7706Apaicompuide degradare 75,232094,0487
Total10042678,2563Total10042678,2563
3.Fermentaie: a)Necesarul de aer :1L aer/1L Mdcmin 10-3m3
Mdc..................... 10-3 m3aer 42,8841 m3
Mdc....................................x m3aer x = 42,8841 m3/arj
aer 1 min ...................................................
42,8841m3aer 9360 min
...............................................Vaerm3 Vaer =
401395,176 m3/arj aer =
aer =0
=
Maer = 1,2731 401395,176= 511016,1986Kg/arj aer 41 b)Biomasa
Concentraia biomasei n proces CX = 20 g s.u. / L Mdc
Celulele vii: 20 % s.u. , 80 % ap. 100 g celule
............................................... 20 g s.u. x = 100 g
celule .......................................... 20 g s.u. 10-3 m3
Mdc.................................... 100 g celule 42,8841
m3Mdc...............................cx g celule cx = 4288410 g
celule = 4288,41 Kg celule/arj biomas c)Apa evaporat 1 Kg aer....
0,01 Kg ap511016,1986Kg aer.................y Kg/arj ap evaporat y
= 5110,1619Kg/arjap evaporat. Minocul = 0,1 MMdc Minocul=
4267,8256Kg/arj inocul Mmediu = 0,9MMdc Mmediu = 38410,4307Kg/arj
mediu MLdf = Minocul + Mmediu- Mapa evap - Mbiomasa
MLdf=4267,8256+38410,43075110,1619-4288,41=33279,6844Kg/arj Ldf 42
Nr.crt. Mrimi intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1 2 3 4 Mediu de
cultur Inocul Aer38410,4307 4267,8256 511016,1986 Lichid de
fermentaie (Acid citric) Biomas Aer Ap evaporat 33279,6844
(2144,2047) 4288,41 511016,1986 5110,1619
Total553694,4549Total553694,4549
4. Filtrare 80% n =Precipitatul reine 20% din lichidul de
fementaie 0, 24288, 415360, 5125 /0,8 0,80, 2 33279, 6844 0, 2
5360, 5125 32207, 5819 /0,8 2144, 2047 0,8 1715, 3638 /pp biomasa
ppbiomasappfiltrat ldf ppfM M MMM kg sarjaM M M kg sarjaa P kg
sarja= + = = == = == = = Nr. crt. Mrimi intrateKg/arjMrimi
ieiteKg/arj 1 2 Lichid de fermentaie (Acid citric) Biomas33279,6844
(2144,2047) 4288,41 Precipitat Filtrat (Acid citric) 5360,5125
32207,5819 (1715,3638) Total 37568,0944Total 37568,0944
5.Precipitare i neutralizare
a xy z 2C6H8O7 + 3Ca(OH)2 (C6H5O7)2Ca3 + 6H2O 2192374498618
43 a = Pf=2144,2047a=1715,3638 x = 991,6947Kg/arjCa(OH)2 y =
2224,6124Kg/arj citrat de Ca z = 482,4461Kg/arj ap y = yKg/arj z =
zKg/arj Ca(OH)2,conc = 20 %, 5 % exces MCa(OH)2, exces = 0,05Kg/arj
MCa(OH)2, nereact= 0,1Kg/arj Macid citric p=0,9kg/arj C =
md = 1,05 Kg/arj ms = 5206,397 Kg/arj Mapa din Ca(OH)2 = ms md
=4165,1176 Kg/arj 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=35411,8278Kg/arj
44 Nr. crt. Mrimi intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1Filtrat (A.C)
32207,5819 (a=1715,3638) Ape reziduale35411,8278 2Ca(OH)2,
20%5206,397Citrat de Ca (A.C) 2002,1512 (b=0,9 1543,8274)
3Total37413,979Total37413,979 6.Filtrare = 90 % Precipitatulretine
20 % umiditate Mpp = Mcitrat + 0,2Mpp Mpp =
=
Kg/arj (x) Datorit randamentului, Mpp = 0,9 x = 2252,4201Kg/arj
Mcitrat pierdut = 0,1 Mcitrat = 200,2151Kg/arj Mfiltrat= Mape
reziduale 0,2 Mpp + Mcitrat p Mfiltrat= 35411,8278
0,22252,4201+200,2151 = 35161,5589Kg/arj Nr. crt. Mrimi
intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1Ape reziduale35411,8278 Precipitat
(A.C) 2252,4201 (c=0,9b=1389,4447) 2Citrat precipitat
(A.C)2002,1512 (b=1543,8274) Filtrat 35161,5589
3Total37412,979Total 37413,979 45 7.Acidulare c= 1389,4447 xy z
(C6H5O7)2Ca3+ 3H2SO42C6H8O7 + 3CaSO4 49839821923136 x = 820,2746
Kg/arj y = 1071,3790 Kg/arj z = 1138,3402 Kg/arj H2SO4, c=20 %,
exces 5 % MH2SO4, exces=0,05 x = 41,0137Kg/arj md = 1,05 x =
861,2883Kg/arj ms =
Kg/arj Mapa din H2SO2 = ms md = 3445,1532 Kg/arj Msol acide=
Mapa din H2SO2 + MH2SO4, exces+y+ Mumid. pp ==3445,1532 +
41,0137+1071,3790+862,9754 = 5420,5213Kg/arj Mumid. pp = M pp -c
=2252,4201-1389,4447 =862,9754 kg/arj Nr. crt. Mrimi
intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1Precipitat (A.C.) 2252,4201
(c=1389,4447) Solutie acid (A.C) 5420,5213 (d=c=1389,4447) 2Sol
H2SO44306,4415CaSO41138,3402Total 6558,8616Total 6558,8615
46 8.Decolorare i filtrare =85 % Masa carbunelui activ reprezint
20 % din masa soluiei acide. Mcarb activ = 0,2Msol acida =
1084,1043Kg/arj Mpp =
= 3794,4034 Kg/arj Mfiltrat = Msol acida 0,15Msol acida 0,2 Mpp
=5420,5213-813,0782-758,8807 =3848,5624 Kg/arj Nr. crt. Mrimi
intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1Solutii acide (A.C) 5420,5213
(d=1389,4447) Precipitat3794,4034 2CaSO41138,3402 Filtrat(A.C)
3848,5624 (e=0,85d=1181,028) 3Crbune activ1084,1043 Total
7642,9658Total 7642,9658 9.Cristalizare = 90 % Mape rezid =
Mfiltrat- Macid citric Macid citric =0,9 e= 0,91181,028=1062,9252
Kg/arj(f) Mape rezid = 3848,5624 1062,9252= 2785,6372Kg/arj Nr.
crt. Mrimi intrateKg/arjMrimi ieiteKg/arj 1Filtrat(A.C.) 3848,5624
(e =1181,028) A.C cristalizat1062,92522Ape reziduale2785,6372 Total
3848,5624Total 3848,5624
47 10.Filtrare =90 % Precipitatul reine 10% din umiditate. Mpp
=
Mfiltrat= Mape rezid + 0,1Macid citric -0,1 Macid citric =
2785,6372+0,11062,9252-0,11062,9252 =2785,6372kg/arj Nr. crt. Mrimi
intrateKg/arjMrimi iesiteKg/arj 1Acid citric (f)
1062,9252Precipitat (A.C) 1062,9252(g) (h=0,9f=956,6327) 2Ape
reziduale2785,6372Filtrat2785,6372 Total 3848,5624 Total
3848,5624
11.Uscare = 98 % Mapaevap = 0,1 g + 0,02 h
=0,11062,9252+0,02956,6327=106,2952+19,1327 = 125,4252 Kg/arj Macid
citric = 0,98 h = 0,98 956,6327 =937,5000 Kg/arj Nr. crt. Mrimi
intrateKg/arjMrimi iesiteKg/arj 1Precipitat 1062,9252Acid
citric937,5000 2Apa evaporat125,4252 Total 1062,9252Total 1062,9252
48 II.4.7.Dimensionare utilaj de fermentaie II.4.7.1.Alegerea
materialului de construcie i probleme de coroziune Utilajul
proiectat va fi utilizat pentru biosinteza acidului citric.
Materialeleutilizatepentruconstruciarecipientelorsubpresiunetrebuiesandeplineasc
urmtoarele condiii: 1.Condiii tehnice: rezisten mecanic, rezisten
la coroziune; 2.Condiii tehnologice: deformabilitatea,
sudabilitatea; 3.Condiii economice: materialul s nu fie scump sau
deficitar.
Criteriilecaretrebuieavutenvederelaalegereamaterialuluipentruconstruciaunui
utilaj chimic sunt:
1.Stabilireacondiiilordelucrupetoatperioadanormaldefuncionareautilajului(
execuie,probe,recepie,transport,montaj,exploatarecurent,opriri,intrareiscoateredin
funciune);
2.Determinareaprincipalelorproprietialemediului(coroziunea,valoarea
temperaturilor extreme de funcionare, periculozitatea mediului);
3.Stabilirea mrcilor de oel ce pot satisface aceste proprieti,fr ca
acestea s prezinte incoveniente.
Materialulfrecventultilizatnconstruciarecipientelorsubpresiuneestetabladinoel
laminat. Funcie de compoziia sa chimic, tabla din oel poate fi: oel
carbon, oel slab aliat i oelaliat.Tabladinoel
carbonidinoelslabaliatseutilizeazfrecventpentruconstrucia
utilajelorsubpresiunecarenuconinfluidetoxice,inflamabile,explozivesaucaredezvolt
corosiune fisurant sub sarcin. Pentru construcia recipientelor
chimice care , n general, conin medii de lucru corosive i n acelai
timp lucreaz la temperaturi ridicate, se utilizeaz tabl de oel
aliat. Ca elemente de aliere se folosesc: Cr, Mn, Ni, Mg, Si, Mo,
V, etc. Cea mai mare parte a oelurilor sunt aliate
cuCriNi.AttCrctiNicretecapacitateadeclireaoeluluiirezistenalaruperela
temperaturi ridicate n condiii de corosiune. [11, 53-57] 49 Pentru
construcia bioreactorului se alege oelul X10CrNiTi 18,9-W.1.4541.
Problemele de corosiune i protecie anticorosiv
Corosiuneareprezintfenomenuldegradriisaudistrugeriicorpurilorsolidemetalicesau
nemetalicesubaciuneachimicsauelectrochimicamediuluinconjurtor.Pentruaputea
caracteriza comportarea unui material oarecare fa de mediul
nconjurtor este necesar s se cunoasc ct mai exact condiiile n care
are loc interaciunea, cum ar fi: compoziia chimic a
mediuluiagresiv,concentraianagentagresiv,temperaturaprecumialifactoriocazionali
sau permaneni.
Dupnaturareaciiloreterogenechimicesauelectrochimice,fenomeneledecorosiunese
pot clasifica n corosiune chimic i electochimic.
Corosiuneachimicesteprovocatdeaciuneachimicamediilorgazoasesaulichide
neconductoare de curent. Corosiunea electrochimic apare n urma
interaciunii materialului cu mediile agresive de electrolii.
Principala sa caracteristic o constituie existena unui curent
electric care ia nastere efectiv n timpul procesului de corosiune.
Dinpunctdevederepracticesteimportantacaracterizaprocesuldecorosiunenunumai
cantitativciicalitativ,adiccunoatereanaturiiataculuiagresividistribuiaacestuiape
suprafaa materialului. Din acest punct de vedere corosiunea este
continu i discontinu sau local. Corosiunea continu poate fi, la
rndul ei, uniform sau neuniform.
Corosiuneadiscontinusaulocalreprezintoconcentrareaataculuipeanumitezone
ale suprafeei metalice.
Dupagraduldeconcentrareaataculuisepotdeosebimaimultetipuridecorosiune:n
pete, plagi i puncte. Dup caracterul distrugerii i structura sa, se
cunosc: corosiune intercristalin i in cazul aliajelor cu mai multe
faze corosiune selectiv.
Proiectantuluiirevinesarcinadeaincludeindocumentaiedateleprivindagresivitatea
corosivamediuluincareseprevedeexploatareautilajului,deaalegematerialelesau
acoperirilecorespunztoarempotrivacorosiunii.Deoarecenuexistreguliconcretecares
50
permitalegereaanticipatamaterialuluicorespunztor,deciziadealegeretrebuieluatpe
bazacunoateriiproprietilorcorosivealemediului,aaciuniireciprocedintremateriali
mediu,precumialifactorisuplimentarica:vibraii,vitezadecirculaieafluidelor,
coninutul de hidrogen, oxigen, aer ap, temperatura, instabilitatea
structural. [11, 57-59] Determinarea diametrului bioreactorului
Fig. nr. II.4.7.1.
Cunoscndproduciapearj,reaciilechimicecarestaulabazaoineriiprodusuluii
randamenteletransformrilorchimice,dinbilanuldematerialesecalculeazvolumulde
reactani care se introduc n reactor, respectiv volumul util al
reactorului. Volumul reactorului se calculeaz din volumul util
folosind relaia: 42, 884161, 2630, 7uVVm= = =m3 uV - volumul
util,respectiv volumul masei de reacie, m3; m - coeficient de
umplere care are valorile: -0,7-0,8 pentru lichide care nu spumeaz;
-0,4-0,6 pentru lichide care spumeaza. [11,65-66] 51 Se alegem
=0,7ntruct adaugm in proces antispumani pentru a mpiedica spumarea.
Diametrulreactoruluitipautoclavsecalculeazdinvolumulacestuiaconsiderat,ntro
prim aproximare, ca un cilindru:
2D4V Ht = Se admite raportul 3 3HH DD = = , n care HD-
coeficient de suplee.
33 33D 4 4 61, 2632, 96254 3 3iVV Dtt t = = = = m n urma
standardizrii, Di STAS =3000mm Determinarea nlimii bioreactorului
nlimea reactorului se calculeaz cu relaia:
cil c fH H h h = + + , n care: cilH - nlimea prii cilindrice a
reactorului, m ch - nltimea capacului reactorului, m fh - nlimea
fundului reactorului, m [11,72-73]
795c fh h = =mm
140 755 795ch h h = + = + =mm
130207554 4eDh = = =mm
2 3000 2 10 3020e iD D o = + = + =mm 52 Se admiteo=10 mm Se
adopt h=40 mHv=f(Vv) 2v f cf cv fV V V VV VV V V= + +== ,n care:
V-volumul bioreactorului, m3; VV- volumul virolei, m3; Vf- volumul
fundului reactorului, m3; Vc- volumul capacului reactorului, m3.
Pentru Di=3000 mm i h=40 mm, Vf= Vc =3,812 m3[11, 69] 61, 263 2
3,812 53, 639vV = = m3
22 24 4 53, 6397, 5884 3i vv v viD VV H HDtt t = = = = m 2 7,
588 2 0, 795 9,178v fH H h = + = + =m 3, 05HD = Determinarea
diametrului exterior al bioreactorului: 2 3000 2 12 3024e i pD D o
= + = + =mm, n care: po - grosimea real a virolei, m; Grosimea real
a virolei sau grosimea de proiectare se calculeaz cu relaia: 1 19,
3 1, 5 1, 2 12p rc c o o = + + = + + =mm , n care: o - grosimea
teoretic a virolei, m; 53 1c
-adaosdatoritpierderilornurmacoroziunii(seexprimcaprodusntrevitezade
coroziune i numrul anilor prevzui pentru funcionare), m; 1 rc -
adaos de rontunjire( egal sau mai mare dect tolerana n minus a
tablelor), m. Grosimea teoretic a virolei cilindrice supuse la
presiune interioar n condiiile ncrcrii statice se calculeaz cu
relaia:
33 0, 58869, 3 102 2 0, 7 136, 66 0, 5886cta cDppom o = = = m ,
n care: D- diametrul interior al recipientului, m; cp - presiunea
de calcul, MPa; m - coeficient de rezisten al mbinrii sudate; tao
-efortulunitaradmisibilalmaterialului,calculatpentrutemperaturalacare
funcioneaz recipientul, Mpa. [11, 70] cp =6 atm=46 9,81 10 0, 5886
=MPa. m =0,7
205136, 661, 5tt caccoo = = =MPa.[11, 70] Adaosul datorat
pierderilor n urma corosiunii se calculeaz cu relaia: 10, 05 30 1,
5 c vt = = = , n care; v- viteza de corosiune, mm/an; t- timpul de
funcionare; se admite t=30 ani. 54 Determinarea diametrului
mantalei bioreactorului 3200imD=mm 2 3200 2 10 3220em im pmD D o =
+ = + =mm
1 17.9 1.5 0.6 10pm m rc c o o = + + = + + =mm 33, 2 0, 58867, 9
102 2 0, 7 170 0, 5886im cm ta cD ppom o = = = m cp =6 atm=46 9,81
10 0, 5886 =MPa. m =0,7 2551701, 5tt caccoo = = =MPa.0, 05 30 1,
5cc vt = = = Determinarea nlimii mantalei bioreactorului
nlimeamantaleisecalculeazfunciedenlimealichiduluidinbioreactor.Partea
superioaramantaleiestedispussubnivelullichiduluidinaparatcuovaloarey=25-50
mm.Se alege y=50 mm 5, 528 0, 05 0, 795 0, 098 6, 371m lc fH H y h
x = + + = + + =m , n care: lcH - nlimea lichidului din partea
cilindric a aparatului, m; fh - nlimea fundului bioreactorului, m;
x- distana dintre reactor i manta, m.[11, 73-74]
3220 3024982 2em eD Dx = = =mm 0, 795fh =m 55 ( )342,8841 3,812
39, 072lc lcu lc flc u fH f VV V VV V V m== += = = 22 244 4 39,
0725, 5283ilv lvlvlviDV HVH mDtt t= = = = II.4.7.2 . Dimensionarea
i verificarea suprafeei de transfer termic II.4.7.2.1.Bilan termic
Pentrucalcululdebituluideagenttermic,sentocmetebilanultermictotalpentru
bioreactorul discontinuu, corespunztor perioadei de degajare maxim
a cldurii: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q +
+ + + + = + + + + + +, n care: 1Q - cldura generat de reacia
biochimic; 2Q - aportul termic al agentului termic; 3Q - cldura
generat de agitarea mecanic sau pneumatic; 4Q - cldura introdus n
sistem de aerul barbotat; 5Q - aportul termic al efluentului; 6Q -
aportul termic al bioreactorului; 7Q - cldura acumulat; 8Q - cldura
preluat de agentul termic; 9Q - cldura preluat prin evaporarea apei
din mediul de cultur; 10Q - cldura preluat de gazul care prsete
bioreactorul; 11Q - cldura preluat de efluent; 56 12Q - cldura
preluat de bioreactor; 13Q - pierderile de cldur n exterior. [10,
236] Verificarea suprafeei de transfer de cldur
nbioreactoarelediscontinuecuamestecaretransferuldecldursepoaterealizaprin
manta,serpentinsauprinambeleprocedee.Transferuldecldurprinmantaiserpentin
interioarestecelmaifolosit.Mantauaocup80-90%dinnlimeapriicilindricea
aaratului i tot capacul inferior. Mantaua poate s fie fix sau
demontabil. Mantaua fix se prindeprin sudur de virolacilindric i
este caracteristic racordarea la
45aacesteiacucorpulcilindric,iarlaparteainferioar,pentruamplasarearacorduluide
evacuare,sefacedegajareala90cuborduramantalei,sausesudeazderacordulde
evacuare.
Mantauademontabilsefixeazcuajutorulflanelordevirolacilindricaaparatului.Se
folosetemantademontabilatuncicndselucreazlatemperaturnaltsauatuncicnd
aparatul este supus corosiunii i este necesar o verificare periodic
a suprafaei. Agenii termici circul prin spaiul dintre manta i
reactor, iar nlimea mantalei trebuie s fie mai mic dect a
lichidului din aparat n stare de repaos. Aburul de nclzire se
introduce prin racordul superior pentru aelimina condensul,
iaragentul termic lichid se introduce prin racordul inferior,
pentru a asigura umplerea mantalei cu lichid. Presiunea agentului
termic din manta nu trebuie s depeasc 8-10 atmosfere.
Dindimensionareageometricareactoruluirezultsuprafaarealdetrasferdecldur,
respectivsuprafaaaparatuluiacoperitcumanta.Dindimensionareatermicsecalculeaz
suprafaadetransferdecldurnecesarpentrumeninerearegimuluitermicnreactor,
numit suprafa calculat.
Condiiacaretrebuiendeplinitestecasuprafaarealdetransferdecldursfiemai
maredectsuprafaacalculat.Dacsuprafaadetransfertermicoferitdemantaestemai
micdectsuprafaacalculatatunciseintroducnreactorelementepentrutransferulde
57
cldur,subformdeserpentine.Serpentinelepotfiaezateverticalnapropiereaperetelui
sau sunt dispuse concentric.
Pentrucalcululsuprafeeidetransferdecldursefoloseteecuaiagenerala
transferului termic:
mQ K A t = A, n care: Q- fluxul de cldur schimbat ntre agentul
termic i amestecul de reacie din reactor, W; K- coeficient global
de transfer de cldur, W/m2K; mt A - potenialul termic sub care se
realizeaz transferul de cldur, K.
Scopulbilanuluitermicestedeterminareaclduriischimbatentrefluideidebitulde
agent termic. n cazul reactorului discontinuu bilanul termic se
ntocmete pentru fiecare faz a procesului tehnologic, innd seama de
durata fiecrei faze. [11, 82-85] Meninerea unui regim izotermde
funcionare a bioreactorului necesit ca: Q7= 0 Temperatura
bioreactorului e aceeasi la inceputul i la sfritul procesului
Q6=Q12 Procesul este discontinuu, nu exist eflueniQ5=Q11=0
Compoziia mediului la intrarea i la ieirea din bioreactor se
consider identic Q4=Q10 8 2 1 3 9 pQ- Q= Q+ Q- Q- Q .1 uQ=V 42,
8841 3888, 889 166771, 505QR = = W 25 5285 10 5 10 3888,8893600Q OR
R = = =W/m3 228OR =mmoli/l h[12, 221] 58 23310 282810 3600 3600OR=
=moli/m3 s
3 330, 3 2 1 800 1920 Q f N d p = = =W , n care: f- factor de
putere;se alege f= 0,3; N- turaia agitatorului; se alege N= 120
rot/min= 2 rot/ sec; d- diametrul agitatorului;
313 3STASDd = = = m =800 kg/ m3.
39511016,19862421.136 10 0, 01 22030.6217156 3600gQ D C = A = =
W ,n care: gD - debit masic de aer barbotat, kg/sec; - cldura
latent de vaporizare pentru Toptim; Toptim= 32 C 322420 2440(32 23,
7) 2440 2421,13632, 5 23, 7C= + = J/Kg [11, 265] C A - umiditatea
preluat de gazul ce prsete bioreactorul C A =0,01 8 28 2 1 3 93
5%0, 030, 97( )p uup uQ QQ Q QQ QQ Q Q Q Q= = = = + 59 8 28 20,
97(166771, 505 1920 22030, 6217)142261, 0568Q QQ Q W = + = 8 2(
)agagp f iQ QDC T T=, n care: agD - debit de agent termic; agpC -
cldura specific a agentului termic la temperatura sa medie; 20 311,
52 2f imT TT++= = = C 11,54183 4191(11, 5 10) 4191 4189.820 10ag
CpC= + = J/Kg K[11, 265] 8 2142261, 05681, 99( ) 4189.8(20 3)agagp
f iQ QDC T T= = = kg/s II.4.7.2.2. Calculul suprafetei de transfer
termic n reactoarele discontinue cu amestecare transferul de cldur
se poate realiza prin manta, serpentin sau prin ambele procedee.
Transferul de cldur prin manta i serpentin interioar
estecelmaifolosit.Mantauaocup80-90%dinnlimeapriicilindriceaaparatuluiitot
capacul inferior. Mantaua poate s fie fix sau demontabil.
Mantauafixseprindeprinsudurdevirolacilindriciestecaracteristicracordareala
45aacesteiacucorpulcilindric,iarlaparteainferioar,pentruamplasarearacorduluide
evacuare,sefacedegajareala90cuborduramantalei,sausesudeazderacordulde
evacuare.
Mantauademontabilsefixeazcuajutorulflanelordevirolacilindricaaparatului.Se
folosetemantademontabilatuncicndselucreazlatemperaturnaltsauatuncicnd
aparatul este supus corosiunii i este necesar o verificare periodic
a suprafaei. 60 Agenii termici circul prin spaiul dintre manta i
reactor, iar nlimea mantalei trebuie s fie mai mic dect a
lichidului din aparat n stare de repaos. Aburul de nclzire se
introduce prin racordul superior pentru aelimina condensul,
iaragentul termic lichid se introduce prin racordul inferior,
pentru a asigura umplerea mantalei cu lichid. Presiunea agentului
termic din manta nu trebuie s depeasc 8-10 atmosfere.
Dindimensionareageometricareactoruluirezultsuprafaarealdetrasferdecldur,
respectivsuprafaaaparatuluiacoperitcumanta.Dindimensionareatermicsecalculeaz
suprafaadetransferdecldurnecesarpentrumeninerearegimuluitermicnreactor,
numit suprafa calculat.
Condiiacaretrebuiendeplinitestecasuprafaarealdetransferdecldursfiemai
maredectsuprafaacalculat.Dacsuprafaadetransfertermicoferitdemantaestemai
micdectsuprafaacalculatatunciseintroducnreactorelementepentrutransferulde
cldur,subformdeserpentine.Serpentinelepotfiaezateverticalnapropiereaperetelui
sau sunt dispuse concentric. [11. 82-84] Suprafaa de transfer
termic se determin din ecuaia general a transferului de cldur: 3
2011.523232 3 32 3 2932 20 12agmedmedfermifQ K A TT CT CT CT C= A+=
= A = A = = = A = = 1 21 20.140,3311 1Re Pr30003 13dp dpmagpKr rdNu
cDDdddNuoo onno=+ + E + +| |= | |\ .= = == 61 2 2Pr1 2 800Re 10666,
660,154174 4174(32 30) 4174 4174 /40 300, 635 0, 618(32 30) 0, 618
0, 6214 /40 30ppCd nC J Kg KJ Kgnpn= = = == + = = + = medQ K A T =
A29 1220.52 2i fmedT TTA + A+A = = =32 3 32 3 29iT C A = = = 32 20
12fT C A = = 3 2011.52agmedT C+= = Calculul coeficientului global
de transfer de cldur Coeficientul global de transfer de cldur se
calculeaz cu ecuaia:
1 21 211 1dp dpKr roo o=+ + E + + , n care: 1o - coeficientul
individual de transfer de cldur pentru fluidul care cedeaz cldur,
W/m2K; 2o - coeficientul individual de transfer de cldur pentru
fluidul care primete cldur, W/m2K; o - grosimea peretelui prin care
se realizeaz transferul de cldur, m; - conductivitatea termic a
peretelui, W/m K; 62 Coeficientul global de transfer de cldur se
determin din ecuaii criteriale: Nu, Pr, Re, Gr. Determinarea lui
2onecesit stabilirea regimului de curgere a apei prin manta.
Deoarece viteza de curgere prin manta este relativ mic, trebuie
stabilit influena conveciei libere i forate. Determinarea 1o :
0.140,33Re PrmagpdNu cDnn| |= | |\ . dNuo=; m=0,67 pentru
bioreactoare cu manta; c=0,75 pentru agitator tip turbin cu palete
drepte. 2Red n pn= Agitatorul utilizat este un agitator tip turbin
cu 6 paleteal crui diametru este: 30003 13Ddd = = = m n=2 rot/sec;
= 800 Kg/m3 ; = 150 cP=0,15 Pa s.
2 21 2 800Re 10666, 660,15d n pn = = = 63 PrpCn=CP- cldura
specific a apei la temperatura de fermentaie (32 C); cldura latent
de vaporizare a apei la temperatura de fermentaie (32 C); 4174
4174(32 30) 4174 417440 30pC= + =J/Kg K 0, 635 0, 618(32 30) 0, 618
0, 621440 30= + = W/m K = 0,15 Pas. 4174 0.15Pr 1007.5640.6214pCn=
= = ntr o prim aproximare, se calculeaz valoarea lui Nu, neglijnd
pnn. 0,33Re PrmagdNu cD=
0,67 0,3310, 75 10666, 66 1007, 564 1224, 052, 4Nu = =10, 6214
1224, 05760, 621Nudo = = =W/m2 K Pentru aflarea temperaturii
peretelui se impune condiia de staionaritate a fluxurilor
termice:
1 1 2 2......medq K T T T o o = A = A = = A Se adopt K=250 W/m2
K 1 111250 20, 56, 74760, 62medmedK T TK TToo A = A A A = = = 64 1
1 1 m pT T T A = 1 1 132 6, 74 25, 26p mT T T = A = = C pn= 0,155
Pa s 0.140,330,67 0,33 0,14Re Pr0,15 10, 75 10666, 66 1007, 564 (
)0,155 31218, 44magpdNu cDNuNunn| |= | |\ .= = 10, 6214 1218,
44757,141Nudo = = =W/m2 K Pentru a calcula 2oeste necesar
determinarea regimului de curgere. n funcie de acesta exist ecuaii
criteriale specifice. Reechagtermicd v pn=, n care: V- viteza de
curgere a agentului termic prin manta , m/s; densitatea agentului
termic la temperatura medie a agentului termic , kg/m3. -
vascozitatea fluidului la temperatura medie,s Pa ; 3, 200 3, 024
0,176ech im ed D D = = =vMvS= , n care: Mv debit volumic agent
termic, m3/s ; S- seciunea liber pentru trecerea lichidului , m2.
65 1, 990, 00199999, 475agvDMp= = =m3/s , n care: Dag- debitul de
agent termic; p- densitatea apei de racire la temperatura medie,
kg/3m ; 11,5998, 2 999, 7(11, 5 10) 999, 720 10Cp= + 11,5999, 475Cp
= kg/m3
2 2 2 2 2( ) (3, 2 3, 024 ) 0,864 4eimS D D mt t= = = ;
30, 001992, 314 100,86v= = s m/
311,51, 2607 10Cn = s Pa ;
330,176 2, 314 10 999, 475Re 322, 881, 2607 10echagtermicd v pn
= = = Deoarece Re < 2300, regimul de curgere este laminar i se
poate utiliza relaia: 25 , 01 , 0 43 , 0 33 , 01PrPrPr Re 15 ,
0||.|
\| =pGr Nu c npo ==v ddNuechechRe2
n|np=A =pechCTg dGrPr222 2 66 unde : 1c- coeficient de corecie
funcie de raportul L/dech , L/dech>50 11 = c ;
| -coeficient de dilatare termic, K-1 ; 4 44 41,82 10 0, 7
10(11, 5 10) 0, 7 10 0,868 1020 10| = + = 1 K , pentru T=11,5oC Se
admite4002 = o k m W 2/ . 2T A - cderea de temperatur prin filmul
de lichid care circul n manta ,oC;
2T A - se determin punnd condiia de staionaritate: CT KTmed ==A
= A 8 , 124005 , 20 25022o
3 24270,176 999, 475 9,810,868 10 12,80, 00126073, 73 10GrGr = =
Se compara Gr cu 0,3Re2 : 2 4 40, 3 322,8 3,127 10 3,127 10 Gr =
nacestecondiiiserecalculeaz 2o
pentruconvecialiberisealegeceamaimare valoare. 67 Convecie liber
Pentrufluidenconvecieliberpesuprafeeverticaleplanesaucilindriceserecomand
urmtoarea relaie criterial de calcul pentru 2o : ( ) Pr0,1290,
33mNu C GrCm= ==
- coeficientul de conductibilitate termic a apei la temperatura
de 11,5oC, k m W / ;
2 22 211,559, 9 10 57, 4 10(11, 5 10) 57, 4 10 57, 775 1020 10C
= + = k m W / 11,57, 02 9, 52Pr (11, 5 10) 9, 52 9,14520 10C = +
=
( )0,3372220,129 3, 73 10 9,145 84, 4284, 42 57, 775 10277,12
/0,176echNuNuWm Kdo= = = = =
Convecie forat 25 , 01 , 0 43 , 0 33 , 01PrPrPr Re 15 ,
0||.|
\| =pGr Nu c pPr se determin la temperatura peretelui :68 2 2
211,5 12,8 24,3op mT T T C = +A = + = 24,35, 42 7, 02(24, 3 20) 7,
02 6, 33230 20Prp C = + = ( )0,250,10,33 0,43 79,1450,15 322, 8
9,145 3, 73 106, 33216, 386NuNu| |= |\ .= 2216, 386 57, 775 1053,
7880,176echNudo = = = k m W 2/ Se alege pentru 2ovaloarea cea mai
mare : 277,122/ W m K Cu aceste valori se determin coeficientul
global de transfer de caldur : + + + +=22 111 11o oodp dpr rK Se
foloseste ap de calitate medie 4 214 215, 37 10 /1, 72 10 /dpdpr m
k Wr m k W= =
5 , 46 = k m W / 69 34 411 10 10 15, 37 10 1, 72 10757,14 46, 5
277,12K =+ + + + 2170, 842 / K W m K = Sereiau calculele cu aceast
valoare a coeficientului global de transfer de caldur. 111 1 1170,
842 20, 54, 63757,1432 4, 63 27, 37oop mK TmT CT T T Co A A = = ==
A = = La aceast temperatur a peretelui, vscozitatea mediului este:
0,153Pas n = Ddc Nupagm||.|
\| =14 , 033 , 0Pr Renn , 67 , 0 = m0,140,67 0,330,15 10, 75
10666, 66 1007, 5640,153 31220, 66NuNu| |= |\ .= 10, 6214 1220,
66758, 521Nudo = = = k m W 2/ Se calculeaz2o 22170,842 20, 512,
64277,12o medK TT Co A A = = = 70 3 2 3 242 2 270,176 999, 475
9,810,868 10 12, 640, 00126073, 688 10echd gGr TGrp|n = A = = ( ) (
)0,330,3370,129 Pr 0,129 3, 688 10 8, 7782, 95Nu GrNu= = = 12,647,
02 9, 52(12, 64 10) 9, 52 8, 7720 10PrC = + = 2282, 95 57, 775
10272, 30,176echNudo = = = k m W 2/ Se recalculeaza K: 34 41169,
0661 10 10 15, 37 10 1, 72 10758, 52 46, 5 272, 3K = =+ + + +k m W
2/ Se calculeaz eroarea : 169, 0661 100 1% 4%170,842E| |= = < |\
. Se determin suprafaa necesar de schimb de caldur: 142261, 056841,
046169, 066 20, 5mQuAK T= = = A 2 m 71 Aceast arie se majoreaz cu
10-20%: 21,15 41, 046 47, 203mA m = = ( aria necesar) Determinm
aria real: 22 20223, 01 (5, 528 0, 05)51, 83, 7284 410, 91551, 8
10, 915 62, 716m v fv med vvffmS S SS D HS mDSS mS mt tt t= += = =
= === + = m rS A <
Suprafaareactoruluiacoperitcumantaestesuficientpentruarealizaschimbulde
caldur. II.4.7.3.Determinarea grosimii izolaiei
Pentrualimitaschimbuldecaldurcuexteriorulseutilizeazmaterialetermoizolante.
Materialeletermoizolantesuntacelematerialelacarecoeficientuldeconductivitatetermic
estemaimicde0,12W/mk.Materialeletermoizolantetrebuiesndeplineascurmtoarele
condiii: - s aib densitate volumic mic; - s fie ieftine i s se
monteze uor; - s fie rezistente la temperatura de lucru, la
umiditatea atmosferic, la aciuni mecanice; - s nu fie corozive fa
de materiale.
Principalelematerialetermoizolantefolositenindustriachimicsunt:azbestul,vatade
sticl, vata de zgur, vata mineral, diatomitul, alfolul, masele
plastice, pluta, etc. Vata de sticl se folosete sub form de saltele
degrosimi de 15-60 mm; se protejeaz la exterior cu cartonasfaltat,
tabl galvanizat sau cu un strat degips. Temperatura maxim de
utilizare este de 600 oC72 Grosimea izolaiei se calculeaz astfel
inct temperatura peretelui exterior al aparatului s nudepaseasca
50oC. Aceast grosime se calculeaz cu relaia: 1 21 1 21 1 1 1ln 2 ln
ln2 2p spiz m mizp l p i sp iz spd dd t td q d d d dtt o t t t o|
|= + + +| | \ . Semnificaia mrimilor din ecuaie este dat de figura
2.2.3.1 i reprezint: 1q - pierderea specific de caldur pentru
perete cilindric pe unitate de lungime,W/m;2 1,m mt t - temperatura
medie a fluidelor 1 respectiv 2; sp iz pd d d d , , ,1- diametrul
interior, exterior, al izolaiei respectiv al stratuluiprotector, m;
2 1,o o
-coeficieniiindividualidetransferdecaldurpentrufluidul1respectivfluidul2,
W/m2k;
sp iz p , , - conductivitatea termic a materialului din care
este construit aparatul, stratul izolatorrespectiv, stratul
protector ,W/m k.
Fig. Nr. 2.2.3.1 Transferul de caldur printr-un perete cilindric
izolat termic. [11, 102-104] 73 n mod curent, rezistena termic a
peretelui metalicse poate neglija. Mantaua este util atunci cnd se
sterilizeaz fermentatorul cu abur. Se admite: 1125omT C = , in
manta la sterilizare exista doar abur.220omT C =05 , 0 =iz k m W /1
10, 085 0, 0002 , , 45 0, 094osp p p spT pt T C = + = = k m W /[12,
511]
Pentruaparateaflatenspaiinchise,cutemperaturadesuprafapnala150oC,o
se poate calcula cu urmatoarea relaie:
T A + = 07 , 0 74 , 91o,unde: T A
-diferenadetemperaturdintresuprafaaexterioarastratuluiprotectori
temperatura aburului oC;
C t T Tom p5 125 1301= = = A
pT- temperatura peretelui exterior al fermentatorului. Se
admiteC Top130 = k m WC TC t T TTk m Wopom p === = = AA + = =2212
1221/ . 49 , 114525 20 4507 , 0 74 , 9/ 09 , 10ooo Determinarea
grosimii izolaiei presupune cunoaterea pierderilor specifice de
cldur 1q :
) 1 (1| +=epLQq,unde:
pQ - cantitatea de caldura in exterior,W;
eL- lungimea echivalenta a aparatului cilindric,m; 74 |
-coeficient care exprim pierderile suplimentare de caldur prin
elementele de susinere i armturile aparatului. [11, 105] 0, 03 0,
03 142261, 05684267,83p upQ QQ W= = = Lungimea echivalent se
determin cu relaia:
2 22 3, 22 2 0, 7957, 588 9, 5912 2 3, 22me ce vmeD hL H mD = +
+ = + + =
14267,83370,819 /9, 591(1 0, 2)q Wm = =+ Datorit simplificrilor
relaia de calcul pentru determinarea grosimii izolaiei devine: 1 21
1 1 21 1 1ln 2 ln2spiz m mizp sp iz spdd t td q d d dtt o t t o| |=
+ +| | \ . Se aproximeaz termenul 21 1ln 0, 01. /2spsp iz spdmk Wd
d t t o+ = 125 20 1ln 2 0, 05 0, 01 ln 0, 08272370,819 10, 09 3,
2iz izp pd dd dtt | |= = | \ . 1, 086 1, 086iziz ppdd dd= = 3,
497izd m = 75 3, 497 3, 220,1392 22iz meizsp iz spd Dmd doo = = ==
+ Se adopt015 , 0 =spo m3, 497 2 0, 015 3, 527spd = + = m Se
verific rezistena termic a stratului protector i a filmului limit
exterior: 21 1 1 3, 527 1ln ln 0, 02232 2 0, 094 3, 497 3, 527 11,
49spsp iz spdd d t t o t t+ = + = m 125 20 1ln 2 0, 05 0, 0223 0,
0789370,819 10, 09 3, 2izpddtt| | | |= = | | | \ .\ . 1, 082 1, 082
3, 22 1, 082iziz ppdd dd= = = 3, 484izd m = 3, 484 3, 220,1322 2iz
meizd Dm o = = =2sp iz spd d o = +Se adopt0, 015spm o =3, 484 2 0,
015 3, 514spd m = + = Se verific rezistena termic a stratului
protector i a filmului limit exterior: 76 21 1 1 3, 514 1ln ln 0,
02242 2 0, 094 3, 484 3, 514 11, 49spsp iz spdmd d t t o t t+ = + =
Grosimea izolaiei este de 0,132 m. II.4.7.4.Consumul de energie la
amestecare Amestecarea are scopul de a crea condiii de reacie ct
mai uniforme mai ales n ceea ce
privetetemperaturasiconcentraia.Eaestenecesaripentrumeninereanstarede
suspensieaparticulelorsolide,emulsionare,intensificareaproceselordetransferdecldur,
mas, i a vitezei de reacie. In procesul de obinere a aciduluicitric
se folosete attamestecarea mecanic,ct i cea pneumatic.
Agitareamecanicreprezintprocedeulcelmaifolositnindustriachimicpentru
amestecarealichidelormiscibile,nemiscibile,newtonienesinenewtoniene,datorit
posibilitilor variate de realizare a ei n ceea ce privete turaia i
spectrul de curgere. Consumul de energie la agitarea mecanic se
calculeaz n dou perioade: -perioada de pornire; - perioada de regim
constant. n procesele de fermentaie, rolul agitrii este asociat cu
transportul de oxigen i substane
nutritivelamicroorganism.Putereanecesaragitriidepindemultdetipul
microorganismului, fiind cuprins ntre 0,1 i 1,4 kW/m3 de mediu. La
anumite microorganisme aceast limit de energie este mai restrns,
iar abaterea de la limite are efecte nedorite. Consumul de energie
n procesele de fermentaie depinde de dimensiunile fermentatorului i
ale agitatorului, de marimea i numrul de icane, de coninutul de
aer,de constantele fizice ale biomasei. Pentru agitarea masei din
fermentator se folosete agitatorultip turbin cu palete plane. n
perioada de pornire, consumul de energie se calculeaza cu relatia:
77
( ) 2,5 4pP P = , n care: P consumul de energie in perioada de
regim constant, W; Consumul de energie n perioada de regim
constantse calculeaz cu relaia: 5 3RemagCP d n p = , n care: d
diametrul cercului descris de agitator, m; n turaia agitatorului,
rotaii/s; densitatea lichidului supus agitrii, kg/m3; C i m
constante specifice fiecrui tip de agitator. Criteriul Reynolds
pentru agitare, se calculeaz cu relaia:
2 21 2 800Re 10666, 660,15agd n pn = = = [11, 74-80] 78
Rapoartele geometrice pentru agitatorul tip turbin cu palete plane
sunt:
11223330003 133 3 1 31 1 1 11 1 1 10,1 0,1 1 0,10, 25 0, 25 1 0,
250, 2 0, 2 1 0, 2Dd d mdHH mdHH mdHH mdSS mdLL mdWW md= = == = ==
= == = == = == = == = = Determinarea consumului de energie la
amestecarea mecanic: ( ) 2,5 4pP P =
5 3 5 30,155, 981 2 800Re 10666, 669520,8756magCP d nP Wp = = =
Deoarece pe axul agitatorului sunt poziionate 3 agitatoare,
consumul de energie va fi: 3 9520,8756 28, 5626 P kW = =79 Consumul
de energie n perioada de regim constant trebuie amplificat cu un
coeficient care
ineseamade:rugozitateapereilor,prezenatijeidetermometru,sprgtordevalurii
plonjor. Coeficienii de majorare a puterii de acionare a
agitatatorului adoptai sunt: 30%- rugozitatea peretilor; 10% -teaca
de termometru; 15% - spargator de valuri; 20% - plonjor;
( ) 1 0, 3 0,1 0,15 0, 2 1, 75 28, 562649, 9846(2, 5 4) 2, 5 49,
9846 124, 9615majmajp maj pP Pp kWP P P kW= + + + + = == = =
Conform STAS Pp =132kW II.4.7.5. Calculul de rezistenta al
arborelui agitatorului Diametrul arborelui agitatorului se
calculeaz funcie de momentul de torsiune la care este supus: 316,
:taMd unde=t t Mt = momentul de torsiune, N m; a = efortul unitar
admisibil la torsiune, N/m2;
Momentuldetorsiunesecalculeaz,funciedeputereamotoruluicareacioneaz
agitatorul, cu relaia: 80
39, 74 10ttPKMn n= K = coeficient de suprasarcin ; Se adopta: K
= 2,5 condiii de lucru grele; t = randamentul total al transmisiei;
n = turaia rotaiei/min; P = puterea motorului, kW.
t a l cn n = n n a = randamentul unui angrenaj cilindric; a =
0,97; l = randamentul unei perechi de lagre cu rostogolire; l =
0,99; c=randamentul transmisiei cu curele. c=0,95 t = randamentul
total al transmisiei;[11, 81-83] t = 0,97 0,99 0,95 = 0,912. 3
33132 2, 5 0, 9129, 74 10 9, 74 1012024, 4279 10tttPKMnM n = = = 81
3120 180 /akgf cm t = ; Se admite at =150kgf/cm3 =
1509,81104=1,47107 N/m2
33716 24, 4279 100, 20381, 47 10d m = =t Conform STAS d = 219 x
10mm II.4.7.6.Dimensionare barbotor
Amestecareapneumaticserealizeazcuaer,abursaualtegazeiseaplicatuncicnd
gazele iau parte la reacie sau favorizeaz omogenizarea
mediului.Agitarea masei de reacie se realizeaz prin introducerea
gazului sub presiune. Gazul sub form de bule strbate amestecul de
reacie i antreneaz poriuni de lichid.
Presiuneaaeruluisauagazuluitrebuiesafiesuficientpentrucreareauneipresiuni
dinamice n conduct, pentru nvingerea rezistenelor locale i prin
frecare n conducta de gaz precum i pentru nvingerea presiunii
hidrostatice a coloanei de lichid din aparat. n agitarea pneumatic,
presiunea pe care trebuie s o aiba gazul comprimat se calculeaz cu
relaia:
20 2( )v Ll dP H g P = p + + c p +, n care: H= nlimea stratului
de lichiddeasupra orificiilor de ieire a gazului, m; l = densitatea
lichidului, kg/m3 ; g = densitatea gazului, kg/m3; 82 = suma
rezistenelor hidraulice locale n conducta de gaz, ncepnd din locul
unde se msoar suprapresiunea . v = viteza gazului in conduct , m/s;
v = 10-15; Se admite v = 15m/s. g = acceleraia gravitational, m/s2;
g = 9,81 m/s2; d = diametrul conductei, m; = coeficient de frecare
n conduct. [11, 75] 5 501,1 1,1 1, 013 10 1,1143 10 P atm Pa Pa = =
= Se admit: - diametrul orificiilor : d0 = 35.Se alege d0=3 mm
-pasul : t =1,5d0=4,5 mm Se cunosc: - = 0,15Pas; - = 800kg/m3;-Daer
= 401395,176m3/arj - db= dag=1 m Cunoscnd 3401395,1760, 71473600
156 3600aeraerfD mDt s= = = diametruleviisecalculeazcu relaia: 83
24 4 0, 714740, 2463t aeraer ttd v DD dvd mt = = =t t15= Conform
STAS273 4td x mm =Se adopt: L1 = 2 m; hl = 100mm; 3219,178 0,1 8,
7782 2cHL H h m = + = + = Lungimea barbotorului se calculeaz cu
relaia: 21 3,14162bB bdL d m tt= = t = = Pentru a calcula numrul de
orificii: 0 0 0(1 ) 3(1 4, 5) 16, 53141, 616, 5 19116, 5 16, 5BBBL
nd nt d nd t n nLL n n orificii= + = + = + = = = = = Rezistene
locale: -intrare teava1 0,5 = 0,5 -ieire teava 301,11 1=301,11
-ventil1 4,7 = 4,7 -coturi 900 2 0,15 =0,3 -curba de 3600 1
0,12=0,12 84 = 306,73 Se calculeaz criteriul Reynolds cu relaia:
Reaer taervd p =n,unde: aer = densitatea aerului, kg/m3 la
temperatura de fermentaie; aer = vascozitatea aerului, Pasla
temperatura de fermentaie. 51,1576 15 0, 273ReRe 2, 287 10aer
taervd6p = =n 18. 710=
CoeficientuldefrecarenconductsecalculeaznfunciedecriteriulReynoldside
raportul d ech/e. Rugozitatea unei evi din oel cu coroziune
nensemnat este : e = 0,2 30, 24313650, 2 100, 018deche= = = [12,
26] Lungimea total a barbotorului este: L = L1 + L2 + LB = 2 +
8,778 + 3,1416 = 13,9196 m
nlimeastratuluidelichiddedeasupragurilordeieireagazuluisecalculeazcu
relaia: 3 3115, 528 0, 7952 2 25, 823lv cH HH H H hH m= = + = + =
Presiunea va fi: 20 2( )v Ll dP H g P = p + + c p + 85 2555513,
9196 151,1143 10 5,823 800 9,81 1 0, 018 306, 73 1,15760, 2463 21,
9734 101, 9734 101, 9481, 013 10PP PaP atm| |= + + + + |\ .= = =
II.4.7.7.Racorduri Racordurile sunt alctuite dintr o eav care la un
capt se sudeaz pe reactor, iar la cellalt
captsetermincuoflan.Racordurileseconfecioneazdinacelaimaterialcaivirola
saucapaculreactorului.Laaparateleturnatedinfont,oelifontsilicioas,racordurilese
toarn mpreun cu aparatul.
Diametrulracorduluisecalculeazdindebituldefluidcarecirculprinracord.Pentru
reactoare, vase de msur i rezervoare care functioneaz discontinuu,
la calculul diametrului
racordurilordeumplereievacuaretrebuiesseinseamadetimpuldeumplereide
evacuare a lichidului. Diametrul rezultat din calcul se
standardizeaz. Bioreactorul este prevzut cu urmtoarele racorduri:
1.Racord pentru alimentarea cu mediul de cultur; 2.Racord pentru
evacuarea lichidului de fermentaie; 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 i observaie
Datoritcondiiilordelucruspecialealereactoarelor,estenecesarssecontrolezestarea
lor interioar la intervale planificate sau n caz de defeciuni. De
asemenea datorit necesitii de a curi bioreactorulde substanele
aderente,sau de a nlocui catalizatorul sau umplutura, 86 precum i
pentru montarea unor dispozitive interioare este necesar dotarea
bioreactoarelor cu guri de vizitare, prin care, dup caz, s se poat
introduce mna sau s intre un om. Unele tipuri de bioreactoare, care
au elemente anexe mari(agitatoare) sunt prevzute cu un
capacdemontabilprincaresepoatefacecontrolul,reparaia,curireasaudescrcarea.n
cazul n care capaculeste prea mare, demontarea lui este o operaie
de durat i anevoioas.
Dinaceastcauzpecapacsaupecorpulbioreactoruluiseprevedeogurdevizitarecu
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 cultur Acest
record este situat pe capacul bioreactorului i este montat prin
sudare. Volumul de mediu de cultur care se introduce n bioreactor
este de V = 42,8841 m3. Acest volum se introduce n bioreactor pe
parcursul a 30 minute. Debitul volumic va fi: 3lim42,88410, 028660
25 60uVaV mMt s= = = Se admite v=0,5 87 24 4 0, 02864 0, 50, 27VVM
d vM dvd mt = = =t t= Conform STASd=273x8 mm. 273 2 8 257id mm =
=Se recalculeaz viteza: 2 24 4 0, 02860, 2570, 55 /VMvdv mst= =t =
Se alege L=100 mm. 1.Racord pentru evacuarea lichidului de
fermentaie;
Racordulpentruevacuarealichiduluidefermentaieareaceleaidimensiunicacelpentru
alimentarea mediului de cultur. d=273x8 L=100mm 2.Racord pentru
intrarea agentului termic Diametrul acestui racord se calculeaz din
debitul agentului termic: 33 31, 99 /999, 84 /1, 991, 99 10 /999,
84agCVagD kg skg mD m s3=p == = Se admite v=1m/s 88 23444 1, 99
100, 05031VagVagDdD v dvd mttt= = = = Conform STAS d=57x4 mm 57 2 4
49id = = mm Se recalculeaz viteza: 324 1, 99 101, 06 /0, 049v mst =
=. L=85 mm 3.Racord pentru evacuarea agentului termic; Acest racord
are aceleai dimensiuni ca i racordul pentru alimentarea agentului
termic. d=57x4 mm L=85 mm 4.Racord pentru alimentarea aerului;
Acest racord este situat pe capacul bioreactorului i este montat
prin sudare. Debitul de aer care se introduce n bioreactor este
de:Daer = 0,7147 m3/s. Se cunoatev=15m/s. 2444 0, 71470,
24615aeraerD dD v dvd m t= =t= =t 89 Conform STAS d=273x8 273 2 8
257id = = mm Se recalculeaz viteza: 2 24 4 0, 714713, 777 /0,
257aerDv msd t= = =t 5.Racord pentru evacuarea aerului Racordul
pentru evacuarea aerului are aceleai dimensiuni ca i cel pentru
alimentare aer. d=273x8 mm. 6.Racord pentru alimentarea agentului
antispumant 70 /VD L h =lim1 3600secat h = =35 370 101, 94 10
/3600VD m s= = 25444 1, 94 101VVD dD v dvd t= =t =t 0, 0049 d m
=Conform STAS d=16x2 mm 12id mm =Se recalculeaz viteza: 90 52 24 4
1, 94 100, 0120,17 /VDvdv ms = =t t= 7.Racord pentru termometru
Pentru termometru, racordul are urmtorul diametru: d=20x2 mm Fig.
nr. 2.4.2. Flansarotunda plata pentru sudare Dimensiuni pentru
flane Dn Recipient (teava)Flansa Surub filetdedisd1d2nxd3d4bc1
250273837533512x1827424312M16 505741401104x1452,51490M12
250273837533512x1827424312M16 1014275504x1114,51035M10
1520280554x1120,51040M10 600600872068024x1861840653M16 91
II.4.7.8.SuporiPentru a putea alege suporii pentru bioreactor este
necesar sa se calculeze masa acestuia: aparat vas mantaM M M = +
Calculul masei vasului se realizeaz cu relaia: capac virola vasM M
M + = 2
Masacapaculuiseiadintabelenfunciedediametrulinteriorigrosimeapereilor
bioreactorului. 785capacM kg =pentru 300010D mmmm o = = Masa
virolei se determin cu relaia:
intV V VV Mext vv virola = = p 2 2 2 233, 02 37, 588 7, 5884 4 4
40, 72v v vvDe DiV H HV mt t t t = = = 37850 /otelkg m p =
0, 72 7850 56522 5652 2 785 7222virola vvas virola capacM V kgM
M M kgp = = == + = + = Masa mantalei se calculeaz cu relaia:
mantaparte cilindrica manta fundmantaM M M = +Mas fund manta se ia
din tabele funcie de diametrul i grosimea pereilor mantalei:
320088510mfundmantaD mmM kgmm o= =`=) Masa prii cilindrice se
calculeaz cu relaia: 92
2 2 2 23( ) (5, 528 0, 05) (3, 22 3, 2 )4 40, 552lv me miparte
cilparte cilV H D DV mt t= = = 0, 552 78504333, 2parte cilindrica
parte cilindricaparte cilindricaM VM kgp = = = 4333, 2mantaM = +
885=5218,2 kg aparatM =7222+5218,2=12440,2 kg
Datoritprezeneiracordurilorcuflane,atermometreloretc.masasemajoreazcu
30%. M =1,312440,2=16172,26 kg Masa mediului de cultur: 42,8841 800
34307, 28mdc uM V kg p = = =. ag termic ag apaM V p = ag fundparte
cilindricaV V V = +2 2 2 23( ) 5, 528 (3, 2 3, 024 )4 44, 756lv mi
eparte cilindricaparte cilindricaV H D DV mt t= = = . .34,812
3,8121f f manta f bioreactorfV V VV m= = = Vag=4,756+1=5,756 m3
Mag=5,756999,475=5752,9781 kg Masa total a aparatului se calculeaz
cu relaia: total aparat mdc agM M M M = + + Mtotal =
16172,26+34307,28+5752,9781=56232,5181 kg 93 Se vor utiliza 8
supori. 56232, 51817029, 06587029, 065 9,81 68955 68, 955MSarcina
sarcinanSarcina N KN= = == = = Fia tehnic a utilajului: 1.Denumire
utilaj : bioreactor 2.Poziia de funcionare : vertical 3.Numr de
aparate : 1 4.Utilizare : bioreactorul este folosit la obinerea
acidului citric prin fermentaie discontinu
5.Deservireifuncionarebioreactorulcufuncionarediscontinuesteprevzutcumanta,
agitator tip turbin, barbotor. 6.Dimensiuni caracteristice
:1.Diametru bioreactor: Di=3000 mm,De=3024 mm; 2.Diametru manta:
Dim=3200 mm, Dem=3220 mm; 3.nlime bioreactor: H=9178 mm; 4.nlime
manta: H=6378 mm.7. Conexiuni: 1.Racord alimentare mediu de cultur:
d =273x8 mm;L=100 mm; 2.Ra