Una conversione inferiore del reattore generalmente aumenta i requisiti di riciclo e spurgo, perché una maggiore quantità di substrato non convertito e di solidi lascia il fermentatore e deve essere recuperata, separata o smaltita. In un impianto pilota di fermentazione del lievito accoppiato a una filtrazione di sospensione, ridurre la conversione da 0.25 a 0.10 lascia una maggiore quantità di granella o substrato non reagito nell'effluente del reattore. Poiché la sospensione trattiene anche liquido contenente prodotto, l'impianto deve far ricircolare e spurgare una quantità maggiore di materiale per mantenere il recupero allo stato stazionario e impedire l'accumulo di solidi e impurità.
La conversione del reattore determina la composizione, la portata e l'onere di recupero di ogni flusso a valle. Una conversione inferiore aumenta il substrato non reagito e spesso incrementa le esigenze di riciclo, spurgo, pompaggio e separazione; una conversione superiore riduce il materiale di alimentazione non reagito, ma può aumentare i sottoprodotti e la complessità della separazione.
Come la conversione modifica l'effluente del reattore
Una conversione inferiore lascia una maggiore quantità di substrato non reagito
Per una portata di alimentazione del substrato (F_S), la conversione a passaggio singolo (X) fornisce una portata approssimativa di substrato reagito pari a:
[ F_{S,\text{reacted}} = X F_S ]
Il substrato non reagito che lascia il reattore è:
[ F_{S,\text{unreacted}} = (1-X)F_S ]
Se la conversione diminuisce da 0.25 a 0.10, la frazione reagita scende dal 25% al 10%, mentre la frazione non reagita aumenta dal 75% al 90%. Ciò modifica significativamente il carico di solidi che entra nell'unità di filtrazione.
Anche la formazione del prodotto cambia
Per una reazione di fermentazione semplificata, la formazione del prodotto è correlata al consumo di substrato attraverso un coefficiente di resa:
[ F_P = Y_{P/S}F_{S,\text{reacted}} ]
dove (Y_{P/S}) è la resa del prodotto per unità di substrato consumato.
Una conversione inferiore produce quindi generalmente meno etanolo o altro prodotto desiderato per passaggio, supponendo che la portata di alimentazione e la resa rimangano costanti. L'effluente del reattore contiene una frazione di prodotto minore e una frazione maggiore di substrato non reagito.
La ritenzione di liquido amplifica l'effetto
Un filtro per sospensioni non separa perfettamente solidi e liquido. I solidi umidi trattengono una parte del liquido contenente prodotto, quindi l'aumento della portata di solidi può incrementare anche la quantità di liquido trasferita nel flusso dei solidi.
Questo liquido trattenuto influisce sia sul bilancio di materia sia sul recupero apparente di prodotti come l'etanolo. L'unità di filtrazione deve pertanto essere analizzata utilizzando sia le portate di massa totali sia le portate dei singoli componenti.
Come rispondono i flussi di riciclo
Una maggiore quantità di solidi non reagiti richiede un recupero più elevato
Quando la conversione è inferiore, l'unità di filtrazione riceve una maggiore quantità di granella, biomassa o altri solidi non reagiti. Una parte può essere restituita al reattore come riciclo, mentre un'altra deve uscire attraverso uno spurgo per impedire un accumulo indefinito.
Il flusso di riciclo può contenere:
- Substrato non reagito
- Biomassa concentrata
- Liquido contenente prodotto
- Acqua
- Impurità solubili
- Solidi fini che attraversano il filtro o vengono trascinati dalla sospensione
La composizione esatta dipende dalle prestazioni del filtro, dal lavaggio, dalla sedimentazione e dalla ripartizione di riciclo selezionata.
Il riciclo migliora l'utilizzo complessivo del substrato
Il riciclo consente al materiale non reagito di ricevere un tempo di permanenza aggiuntivo nel reattore. Di conseguenza, la conversione a passaggio singolo può essere bassa, mentre la conversione complessiva basata sull'alimentazione fresca è sostanzialmente più elevata.
Il circuito di riciclo non elimina il materiale non convertito. Modifica il punto in cui avviene la conversione e aumenta il numero di volte in cui il materiale attraversa il reattore e il separatore.
La portata di riciclo è regolata dal separatore
Se il separatore restituisce al reattore una frazione (r) di un componente recuperabile, la portata di riciclo dipende sia dal materiale non reagito che entra nel separatore sia dal recupero della separazione:
[ F_{\text{recycle}} = r F_{\text{recoverable}} ]
Una conversione inferiore del reattore aumenta (F_{\text{recoverable}}), quindi la stessa frazione di riciclo produce un flusso di riciclo più elevato. Se il rapporto di riciclo viene aumentato per compensare la conversione inferiore, la circolazione aumenta ulteriormente.
Per questo motivo, le prestazioni del reattore e la capacità di filtrazione non possono essere progettate indipendentemente.
Lo spurgo impedisce l'accumulo
Normalmente una parte del materiale deve lasciare il circuito di riciclo attraverso uno spurgo. Senza spurgo, i solidi inerti, le impurità non reattive, la biomassa inattiva e i sottoprodotti non separati possono accumularsi fino a compromettere il funzionamento.
Allo stato stazionario, lo spurgo deve rimuovere il materiale che entra nel circuito e che non viene consumato, recuperato come prodotto o altrimenti rimosso dal sistema di separazione.
Per un componente soggetto ad accumulo (i):
[ F_{i,\text{in}} = F_{i,\text{product}} + F_{i,\text{purge}} ]
quando non vi è accumulo netto all'interno del circuito allo stato stazionario. Una conversione inferiore aumenta l'ingresso di substrato non reagito nel circuito, incrementando generalmente lo spurgo richiesto, a meno che non migliorino anche il recupero o il consumo.
Costruzione del bilancio di massa integrato
Iniziare dal confine complessivo dell'impianto
Il calcolo più affidabile inizia con un bilancio attorno all'intero processo:
[ \text{Alimentazione fresca} = \text{Prodotto} + \text{Spurgo} + \text{Altre perdite} ]
I flussi di riciclo sono interni a questo confine e pertanto si annullano nel bilancio complessivo. Rimangono tuttavia importanti per il dimensionamento delle apparecchiature, le composizioni interne, il tempo di permanenza e i costi operativi.
Successivamente bilanciare ogni operazione unitaria
Il bilancio del reattore comprende il consumo di substrato, la generazione di biomassa, la formazione del prodotto e lo scarico dell'effluente:
[ \text{Alimentazione} + \text{Riciclo} + \text{Generazione}
\text{Effluente} + \text{Consumo} ]
Il bilancio della filtrazione suddivide l'effluente del reattore in filtrato, solidi recuperati, riciclo e spurgo:
[ F_{\text{reactor effluent}}
F_{\text{filtrate}} + F_{\text{recycle}} + F_{\text{purge}} ]
Ogni flusso deve essere risolto in componenti, anziché essere trattato soltanto come portata totale. Come minimo, il modello dell'impianto pilota dovrebbe monitorare substrato, biomassa o solidi, acqua, prodotto e impurità rilevanti.
Considerare il liquido trattenuto nei solidi umidi
Se il flusso di solidi trattiene una frazione massica liquida (w_L), il liquido trasportato con i solidi può essere rappresentato come:
[ F_{L,\text{retained}}
w_L F_{\text{wet solids}} ]
Questo liquido trattenuto può contenere etanolo, substrato disciolto e acqua. Ignorarlo può produrre un bilancio di massa apparentemente chiuso, sovrastimando il recupero del prodotto e sottostimando la portata di riciclo.
Risolvere simultaneamente i riferimenti circolari
Il riciclo crea una dipendenza circolare:
- La conversione del reattore determina la composizione dell'effluente.
- La composizione dell'effluente determina i carichi del separatore.
- Le prestazioni del separatore determinano la composizione del riciclo e dello spurgo.
- La composizione del riciclo modifica l'ingresso del reattore e quindi il bilancio del reattore.
Queste equazioni devono essere risolte insieme, algebricamente oppure tramite un foglio di calcolo iterativo, un simulatore di processo o un modello numerico. I calcoli sequenziali basati esclusivamente sull'alimentazione fresca possono produrre portate di flusso allo stato stazionario errate.
Effetti sulle apparecchiature di fermentazione e separazione
Una conversione inferiore aumenta il carico di filtrazione
Una maggiore quantità di solidi non reagiti aumenta la portata massica della sospensione e può incrementare l'area del filtro, lo spessore della torta, il fabbisogno di lavaggio e la perdita di carico. Se il filtro è sottodimensionato, il trascinamento dei solidi e le perdite di prodotto possono aumentare.
L'unità di filtrazione deve quindi essere dimensionata utilizzando il caso di riciclo previsto, non soltanto la portata nominale di alimentazione fresca.
Pompe e tubazioni devono gestire una circolazione maggiore
Il riciclo aumenta il flusso interno anche quando la portata di alimentazione fresca rimane invariata. Una conversione inferiore può quindi aumentare i requisiti di capacità delle pompe, velocità nelle tubazioni, campo di regolazione delle valvole e perdita di carico.
La pompa di riciclo può inoltre gestire una sospensione più concentrata o abrasiva rispetto alla pompa dell'alimentazione fresca.
Potrebbe essere necessario aumentare il volume del reattore
Una conversione inferiore può essere compensata aumentando il tempo di permanenza, incrementando la concentrazione di biomassa, migliorando la miscelazione o riciclando il materiale non reagito. Ogni opzione modifica il volume del reattore richiesto e le condizioni operative.
Il riciclo cellulare può aumentare la concentrazione di biomassa e sostenere una maggiore produttività, ma aggiunge anche un circuito di separazione dei solidi, la cui capacità e i cui requisiti di sterilità devono essere considerati.
Il recupero del prodotto può diminuire
Poiché i solidi umidi trattengono liquido, una maggiore circolazione dei solidi può trasportare una quantità maggiore di prodotto lontano dal filtrato desiderato o dal flusso di prodotto. Un processo può quindi mostrare un recupero accettabile del substrato pur perdendo etanolo o un altro prodotto solubile nello spurgo o nella torta riciclata.
Il recupero del prodotto deve essere calcolato indipendentemente dalla conversione del substrato.
Comprendere i compromessi
Una conversione inferiore può proteggere la selettività
Operare a una conversione inferiore può ridurre la gravità delle reazioni secondarie o preservare la selettività del prodotto desiderato. Nella fermentazione, le condizioni operative possono inoltre essere selezionate per proteggere le prestazioni cellulari anziché massimizzare il consumo di substrato in un singolo passaggio.
Il conseguente onere di riciclo è il prezzo da pagare per questo vantaggio operativo.
Una conversione superiore riduce la necessità di riciclo
Una conversione superiore riduce generalmente il substrato non reagito e i solidi che lasciano il reattore. Ciò diminuisce il flusso di riciclo e spurgo, la circolazione interna e i relativi costi di pompaggio o separazione.
Tuttavia, una conversione superiore può produrre più impurità o sottoprodotti nei sistemi in cui la selettività diminuisce con la riduzione della concentrazione dei reagenti. La separazione a valle può quindi diventare più difficile e costosa.
Il riciclo non è un recupero gratuito
Il riciclo riduce la perdita di materie prime, ma richiede apparecchiature, energia, controllo e manutenzione aggiuntivi. Può inoltre aumentare il tempo di permanenza ed esporre il prodotto o la biomassa a trattamenti ripetuti.
La conversione economicamente preferibile è generalmente il punto che minimizza i costi totali del reattore, della separazione, del riciclo, delle utenze, del trattamento dei rifiuti e dell'ambiente, anziché il punto con la conversione a passaggio singolo più elevata.
Uno spurgo eccessivo spreca materiale prezioso
Un grande spurgo controlla l'accumulo di impurità e solidi, ma può rimuovere substrato non reagito, liquido contenente prodotto e biomassa. Uno spurgo molto ridotto migliora il recupero, ma può causare l'accumulo di solidi inerti o composti inibitori.
La portata di spurgo deve essere selezionata sulla base dei bilanci dei componenti e delle concentrazioni ammissibili di impurità, non soltanto in base alla portata totale.
Errori comuni nella modellazione
Confondere la conversione a passaggio singolo con quella complessiva
La conversione a passaggio singolo descrive ciò che reagisce durante un singolo passaggio nel reattore. La conversione complessiva descrive il destino dell'alimentazione fresca dopo aver incluso tutti i flussi di riciclo e spurgo.
Presentare l'una come l'altra può far apparire inefficiente un reattore a bassa conversione oppure far sembrare un circuito di riciclo più efficace di quanto non sia realmente.
Bilanciare solo la massa totale
Un bilancio di massa totale può chiudersi anche quando i bilanci di substrato, prodotto o biomassa sono errati. I bilanci dei componenti sono necessari per identificare le perdite di prodotto, l'accumulo di solidi non reagiti e le ipotesi errate sul separatore.
Ignorare i limiti di recupero del separatore
Supporre che tutti i solidi non reagiti o il prodotto disciolto siano recuperati perfettamente sottostima le perdite nello spurgo e sovrastima la conversione complessiva. Le prestazioni della filtrazione su scala pilota dovrebbero includere valori realistici di recupero, ritenzione di umidità e trascinamento.
Trattare il riciclo come alimentazione fresca
Il riciclo non è nuovo materiale che entra nel confine complessivo del processo. Conteggiarlo come alimentazione fresca gonfia la portata e può distorcere i calcoli di resa, conversione e dimensionamento delle apparecchiature.
Fare la scelta giusta in base al proprio obiettivo
Il corretto obiettivo di conversione dipende da ciò che l'impianto pilota intende dimostrare o ottimizzare.
- Se l'obiettivo principale è l'utilizzo del substrato: Utilizzare una conversione inferiore con un circuito di riciclo progettato con attenzione, quindi valutare la conversione complessiva a partire dall'alimentazione fresca e il substrato perso nello spurgo.
- Se l'obiettivo principale è il recupero del prodotto: Monitorare il liquido trattenuto nella torta di filtrazione e minimizzare le perdite nello spurgo contenente prodotto, anche se ciò richiede un miglioramento della disidratazione o del lavaggio.
- Se l'obiettivo principale è il dimensionamento delle apparecchiature: Dimensionare reattore, filtro, pompe e tubazioni per la massima portata interna di riciclo prevista, non semplicemente per la portata di alimentazione fresca.
- Se l'obiettivo principale è l'economia del processo: Confrontare il costo dell'aumento della conversione del reattore con i costi di riciclo, separazione, pompaggio, spurgo e trattamento dei rifiuti.
- Se l'obiettivo principale è la produttività della biomassa: Considerare il riciclo cellulare per aumentare la concentrazione di biomassa nel reattore, verificando al contempo che il separatore possa mantenere le prestazioni di ritenzione cellulare richieste.
Un rigoroso bilancio dei componenti mostra se una variazione della conversione migliora realmente il processo o sposta semplicemente il materiale e i costi dal reattore al sistema di riciclo e separazione.
Tabella riepilogativa:
| Fattore chiave | Impatto di una conversione inferiore | Implicazione progettuale o operativa |
|---|---|---|
| Substrato non reagito | Una maggiore quantità di substrato lascia il reattore non convertita | Aumentare la capacità di recupero, riciclo o spurgo |
| Portata di riciclo | Una maggiore quantità di solidi e liquidi recuperabili entra nel circuito di riciclo | Dimensionare pompe, tubazioni e sistemi di controllo per una maggiore circolazione interna |
| Requisito di spurgo | Possono accumularsi più impurità, solidi inerti e biomassa | Impostare le portate di spurgo utilizzando i bilanci dei componenti e i limiti delle impurità |
| Carico di filtrazione | Maggiore carico di solidi, spessore della torta e ritenzione di liquido | Valutare l'area del filtro, il lavaggio, la disidratazione e il trascinamento del prodotto |
| Recupero del prodotto | Una maggiore quantità di liquido contenente prodotto può rimanere nei solidi umidi | Monitorare le perdite di prodotto solubile indipendentemente dalla conversione del substrato |
| Conversione complessiva | Il riciclo può migliorare l'utilizzo dell'alimentazione fresca nonostante una bassa conversione a passaggio singolo | Distinguere la conversione a passaggio singolo dalla conversione complessiva |
| Dimensionamento delle apparecchiature | I flussi interni possono superare le portate di alimentazione fresca | Dimensionare reattori, filtri, pompe e tubazioni per il caso di riciclo massimo |
| Economia del processo | Il riciclo riduce la perdita di materie prime, ma aumenta i costi energetici e di trattamento dei rifiuti | Confrontare complessivamente i costi di conversione, separazione, riciclo, spurgo e utenze |
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