Proracun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje ... · lipida u suhoj tvari biomase je...

Proračun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje

biotehnološkihproizvoda

Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (IPBTP)

Seminar 2.

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com/

Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP)

Raspored rada na seminaru

• Ekstrakcija (Sem. 1)• Adsorpcija (Sem. 3)• Destilacija (Sem. 5)• Kristalizacija (Sem. 7)• Sušenje (Sem. 9)



Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP)- seminar

• Vanjski i unutrašnji prijenos (difuzijski model)• Kinetika (kinetički model)• Bilanca tvari, energije i količine gibanja• Hidrodinamičke karakteristike sustava (vrste

strujanja, miješanje, model miješanja)



• Jednostupanjska ekstrakcija (primjer 1; šaržnaekstrakcija)

• Višestepena ekstrakcija (primjer 2; kontinuirana ekstrakcija)

Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda (SPBTP)- seminar

ekstrakcija kruto-tekuće



Za primjere 1 i 2

• Dinamička ravnoteža• Sirovina (biomasa) i ekstraktor idealno pripremljeni

(biomasa usitnjena i homogenizirana) • Nema otpora prijenosu tvari (unutar fazni i među

fazni prijenos)• Potpuno razdvajanje krute i tekuće faze nakon

ekstrakcije (centrfugiranje, taloženje)



Uz iznesene prepostavke riješite primjer 1Primjer 1

U jedostupanjskom ekstraktoru provodi se ekstrakcija lipida iz biomase alge. 100 kg suhe tvari biomase ekstrahira se s 100 kg otapala (petrol-etera). Maseni udio lipida u suhoj tvari biomase je 20%. 1.5 kg ostataka stanica zadržava 1 kg otapala (otapalo sadrži i dio lipida).

Maseni udio lipida u ekstraktu nakon ekstrakcije je 16.67%.

Maseni udio staničnih ostataka u rafinatu je 60%.

Izračunajte masu i masene udjele na početku i na kraju procesa iz primjera 1.



Biomasa (A i B) ekstraktor

Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1

L0-masa krute faze (biomase) (kg)

V2-masa otapala (kg)

V1-masa ekstrakta (kg)

L1-masa rafinata (kg)

A –ostaci stanica (inertni materijal)

B-lipidi

C-otapalo

Primjer 1. Shema ekstraktora

t0 t1

t1 t0



wA,L0 - maseni udio staničnih ostataka=0.8

wA,M - maseni udio stanični ostataka u ukupnoj masi=?

L0 – masa biomasa=stanični ostaci+lipidi=100kg

M - Ukupna masa=Biomasa+otapalo=200kg

V2 – masa otapala=100kg

wB,L0 - maseni udio lipida=0.2


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1Biomasa (A i B) ekstraktor

Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1

wB,V1 - maseni udio lipida u ekstraktu=0.1667

wA,L1 - maseni udio staničnih ostataka u rafinatu=0.6



Tablica 1. Mase i maseni udjeli (Primjer 1).


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1

Ukupna masa (kg)

Wt% A Wt% B Wt% C

Masa biomase L0 100 80 20 0

Masa otapala V2 100 0 0 100

Masa ekstrakta V1 66.6 0 16.6 83.3

Masa rafinata L1 133.3 60 6.7 33.3



Bilanca za stanične ostatke (A):

M wA,M = V1 wA,V1 + L1 wA,L1

WA,M- maseni udio staničnih ostataka u ukupnoj masi (M)

WA,M=0.4

WA,V1- maseni udio staničnih ostataka u ekstraktu

Uz Idealno razdvajanje:

WA,V1=0

WA,L1 - maseni udio staničnih ostataka u rafinatu

WA,L1 =0.6

6.04.0200

1,

,1

LA

MA

ww

ML

L1=133.333 kg


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1

Masa rafinata



Maseni udio lipida (B) i otapala (C) u rafinatu izračunat je iz bilance za:

Lipide (B)

L1 wB,L1 + V1 wB,V1 = L0 wB,L0 + V2 wB,V2

333.1331667.0666.662.0100

11,10,0

1,

L

wVwLw VBLB

LB

wB,L1 = 0.067

wA,L1 + wB,L1 + wC,L1 = 1

wC,L1 = 1 - 0.6 - 0.067

wC,L1 = 0.333 Biomasa (A i B) ekstraktor

Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1





Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2


Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

V2

L1

Ukupna masa (kg)

Wt% A Wt% B Wt% C


Masa otapala V2 100 0 0 100

Masa ekstrakta V1 66.6 0 16.6 83.3

Masa rafinata L1 133.3 60 6.7 33.3



Primjer 2

U višestupanjskom ekstraktoru provodi se ekstrakcija β-glukana iz biomase. 10 000 kg biomase ima sljedeći sastav:

28% voda

32% glukana

40% inertni materijal

Proces se provodi kontinuiranim protustrujnim postupkom.

Ekstrakt ima 40% glukana, a efikasnost ekstrakcije je 90%.

1 kg inertnog materijala zadržava 3 kg otapala (udio inertnog materijala u rafinatu je 25%).

Izračunajte masu i masene udjele ulaznih i izlaznih materijalnih tokova bioprocesa iz primjera 2. Iz dobivenih vrijednosti koristeći ternarni diagram odredite broj ekstrakcijskih stupnjeva.



Biomasa (A , B, C)Ekstraktor

1,2,..n

Ekstrakt (B i C)

Rafinat (A, B i C)

Otapalo (C)V1

L0

Vn

Ln

90% glukana (B) treba ekstrahirati (efikasnost je 90%) i ekstrakt sadrži 40% glukana

Balanca za glukan (B):V1 * xB,V1 = 0.9 * L0 * xB,L0

= 7.200 kg

4.032.0100009.0

1

V

xB,V1 = 0.4

L0 = 10.000 kg

xB,L0 = 0.32



Balanca za inertni materijal (A)

Ln * xA,Ln + V1 * xA,V1 = Vn * xA,Vn + L0 * xA,L0

25.031

1,

CBAAx LnA

uz pretpostavku potpunog razdvajanja tj. u ekstraktu nema inertnog materijala (A) slijedi:

xA,V1=0

Otapalo je čista voda tj.

xA,Vn=0

kgxx

LLLnA

LAn 16000

25.04.010000

,

0,0



Bilanca za glukan (B)

V1 * xB,V1 + Ln xB,Ln = L0 * xB,L0 + Vn * xB,Vn

uz xB,Vn = 0 (otapalo je čista voda) slijedi:

2.016000

4.0720032.0100001,10,0,

LnxVxL

x VBLBLnB 0.02

Bilanca za ekstraktor

L0 + Vn = Ln + V1

Vn = Ln + V1 - L0 = 16,000 + 7,200 - 10,000 = 13200 kg




Ukupna masa (kg)

X% A X% B X% C


Masa otapala Vn 13200 0 0 100

Masa ekstrakta V1 7200 0 40 60

Masa rafinata Ln 16000 25 2 73



Grafičko određivanje broja ekstrakcijskih stupnjeva1. Nacrtajte pravac xA,Ln = 0.25 (pravac rafinata) 2. Prikažite točke: L0 (xA,L0 = 0.4, xB,L0 = 0.32, xC,L0 = 0.28),

V1 (xA,V1 = 0, xB,V1 = 0.4, xC,V1 = 0.6), Vn (xC,Vn = 1) iLn(xA,Ln = 0.25, xB,Ln = 0.02, xC,Ln = 0.73)

3. Povucite pravac kroz točke V1 L04. Povucite pravac kroz točke Vn Ln5. Odredite sjecište pravaca (Točka D)6. Nacrtajte pravac između točke A (točka na ternarnom diagramu) i točke V17. Odredite točku sjecišta L1 pravca AV1 s pravcem rafinata8. Povucite pravac između točaka L1 i točke D9. Sjecište pravca L1D i desne stranice diagrama daje točku V210. Navedeni postupak se ponavlja dok posljednji pravac u nizu ne bude u neposrednoj blizini pravca VnD, a točka sjecišta posljednjeg pravca s pravcem rafinata u neposrednoj blizini točke Ln.



Primjer 3

Klorofil se ekstrahira iz biomase (sirovina) pomoću etera (otapalo). Kontinuirana ekstrakcija se provodi u kolonskom pilot ekstraktoru. Površina prijenosa iznosi 0.00455 m2.Koncentracija klorofila u biomasi je 0.689 kmol/m3, u rafinatu 0.683 kmol/m3, otapalu 0.00397 kmol/m3 i u ekstraktu 0.01147 kmol/m3. Eter protjeće kroz kolonu s protokom od 5.67·10-6 m3/ s. Jednadžba ravnotežne krivulje je:

cE*=0.0247· cR

Volumni koeficijent brzine prijenosa (koeficijent kapaciteta kolone) iznosi 0.000778 s-1.

Izračunajte potrebnu visinu sloja stanica biomase u ekstraktoru.



A=0.00455m2

F= 5.67·10-6 m3/ s

cE1=0.00397 kmol/m3

cE2=0.01147 kmol/m3

cR1=0.683 kmol/m3

cR2=0.689 kmol/m3

KEa=0.000778 s-1

(cE2) Ekstrakt

(cR1) Rafinat(cR2) Sirovina

(cE1) OtapaloEkstraktor



cR2cR2*cR1

* cR1

cE2*

R

E

cE2

cE1*

cE1

Δc1

Δc2

cE*=m· cR

m-koeficijent raspodjele

Ravnotežna krivulja

(cE2) Ekstrakt





Za desnu stranu kolone:

cE1*=0.0274· cR1=0.0274 ·0.683=0.0169 kmol/m3

Δc1=(cE1*-cE1) = 0.0169 - 0.00397 =0.01293 kmol/m3

Za lijevu stranu kolone:

cE2*= 0.0274 · cR2= 0.0274 ·0.689=0.01702 kmol/m3

Δc2=(cE2*-cE2) =0.00555 kmol/m3

(cE2) Ekstrakt



3

2

1

21 /00878.0ln

mkmol

CCCCCLM

Bilanca za klorofil:

Ulaz-izlaz=međufazni prijenos

F ·(cE2- cE1)=KE · a ·ΔcLM · H·A

0.00878kmol/m3



v ·(cE2- cE1)=KE · a ·ΔcLM · H

mCaKCvH

LME

E 37.1

Slijedi:

(cE2) Ekstrakt



v=F/A= 5.67·10-6 / 0.00455=1.245 ·10-3 m/s

ΔcE=cE2- cE1= 0.01147-0.00397= 0.0075 kmol/m3

F ·(cE2- cE1)=KE · a ·ΔcLM · H·A

1.36 m



Primjer 4

Vitamin E se ekstrahira iz biomase pomoću kloroforma (otapalo). Kontinuirana ekstrakcija se provodi u kolonskom pilot ekstraktoru. Promjer kolone je 0.0467m, a visina je 1.09 m. Biomasa se dovodi na vrhu kolone. Kloroform ulazi čist s površinskim volumnim protokom od 0.0013m3/m2s. Koncentracija vitamina u ekstraktu je 0.376 kmol/m3. Koncentracija vitamina u biomasi (na ulazu) je 1.185 kmol/m3, a koncentracija u rafinatu je 0.817 kmol/m3.

Ravnotežni odnosi su definirani omjerom vitamina u kloroformu i biomasi pri čemu je koncentracija vitamina u kloroformu 0.548 puta veća od njene koncentracije u biomasi.

Izračunjte volumni koeficijent brzine prijenosa vitamina (koeficijent kapacitet kolone). Kao i teorijsku visinu jedinice prijenosa ekstraktora.



D=0.0467m

H=1.09m

v=0.0013m3/m2s

cE2=0.376 kmol/m3

cE1=0 kmol/m3

cR1=0.817 kmol/m3

cR2=1.185 kmol/m3

Razlika koncentracije vitamina u otapalu tijekom ekstrakcije:

cE2- cE1=0.376-0=0.376 kmol/m3=ΔcE

m-ravnotežni odnos koeficijent raspodjele između biomase i otapala

m= 0.548

(cE2) Ekstrakt





Za desnu stranu kolone:

cR1=0.817 kmol/m3

cE1*=0.548· cR1

cE1*=0.548·0.817=0.448 kmol/m3

Δc1=(cE1*-cE1) =0.448 kmol/m3

Za lijevu stranu klone:

cR2=1.185 kmol/m3

cE2*=0.548· cR2

cE2*=0.548·1.185=0.649 kmol/m3

Δc2=(cE2*-cE2) = 0.649 -0.376 =0.273 kmol/m3

3

2

1

21 /355.0ln

mkmol

CCCCCLM

U ravnoteži: cE1*=m· cR1

(cE2) Ekstrakt





LME

LM

E

cHcvaK

NTUcc

vHaK

100126.0355.009.1376.00013.0

scHcvaKLM

E

H=HTU·NTU

HTU=H/NTU

NTUvHaKE

maK

vHTUE

03.1



Proracun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje ... · lipida u suhoj tvari biomase je...

Documents

Transcript of Proracun ekstrakcijskog sustava za kruto-tekuće izdvajanje ... · lipida u suhoj tvari biomase je...