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