SEPARACJE i OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW DESTYLACJA PROSTA

Transkrypt

1 SEPARACJE i OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW DESTYLACJA PROSTA CELE ĆWICZENIA Monitorowanie procesu destylacji odfiltrowanej mieszaniny pofermentacyjnej (wodaalkohol) z deflegmacją i bez zawrotu strumienia na kolumnę Wyznaczenie strumienia destylatu i stężenia alkoholu w poszczególnych frakcjach Zestawienie uzyskanej wydajności fermentacji z wydajnością wynikającą z równania Gay- Lussaca Wyznaczenie współczynnika wydajności produktu WSTĘP TEORETYCZNY DESTYLACJA Destylacja to proces rozdziału mieszaniny ciekłej (surówki) na poszczególne składniki, oparty na różnicy ich lotności w stanie wrzenia. Opary znad powierzchni wrzącej mieszaniny, odprowadzone i skroplone stanowią destylat produkt rozdziału bogaty w składniki bardziej lotne (wrzące w niższej temperaturze), natomiast pozostała faza ciekła stanowi ciecz wyczerpaną bogatą w składniki mniej lotne (wrzące w wyższej temperaturze). Zatem na proces destylacji składają się dwa procesy: z jednej strony częściowe odparowanie cieczy, z drugiej skroplenie wytworzonej pary. Do momentu rozdzielenia obie fazy znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej lub bardzo bliskim równowagi. Sposoby prowadzenia procesu destylacji: destylacja prosta destylacja prosta z deflegmacją destylacja z parą wodną destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem destylacja molekularna FERMENTACJA ETANOLOWA Do produkcji alkoholu etylowego stosowane są różnorodne mikroorganizmy. W tym celu najczęściej stosowane są drożdże Saccharomyces cerevisiae, lub S. sake. W procesach fermentacji etanolowej wykorzystywane są również szczepy bakterii np. mezofilny szczep bakterii gramujemnych Zymomonas mobilis, czy Thermoaerobacter ethanolicus należący do organizmów 1

2 termofilnych. Mechanizm fermentacji etanolowej po raz pierwszy został ujęty ilościowo przez Gay- Lussaca: C 6 H 12 O 6 2 C 2 O 5 OH + 2 CO 2 H = -84 kj/mol Zgodnie z tym równaniem ze 100 kg glukozy pwostaje 51,1 kg etanolu. Ta wydajność teoretyczna nazywana jest współczynnikiem Gay-Lussaca i określa maksymalny stopień konwersji. PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA Destylacja prowadzona jest przy dwóch pracach kolumny z deflegmacją i bez. 1. Na kolumnę destylacyjną podać odfiltrowaną mieszaninę pofermentacyjną (woda-alkohol) o znanej objętości (V 4 L). 2. W trakcie pracy kolumny monitorować zmianę temperatury na szczycie kolumny, strumień destylatu oraz skład destylatu w poszczególnych frakcjach (V FRAKCJI = 40 ml). Dla każdej z frakcji, po ochłodzeniu wykonać pomiar gęstości i z tablic odczytać stężenie alkoholu (wyrażone w % w/v). Pierwsze 10 ml zostaje odrzucone z uwagi na obecność w destylacie innych substancji lotniejszych od etanolu. 3. Frakcje zbierane są do momentu spadku stężenia alkoholu w destylacie poniżej 12-15% w/v. Następnie wszystkie frakcje zawierające powyżej 15% alkoholu połączyć, zmierzyć całkowitą objętość oraz na podstawie gęstości tego roztworu wyznaczyć średnie stężenie alkoholu uzyskanego w procesie fermentacji oraz ich całkowitą objętość (= m ETANOL ). 4. W próbkach pobranych w dniu zaszczepienia fermentacji oraz przed procesem filtracji oznaczyć zawartość glukozy testem DNS. TEST DNS (analiza na obecność glukozy i innych cukrów redukujących) Do 0,5 ml roztworu zawierającego glukozę o stężeniu 0,1 2,0 g/l dodać 1,5 ml odczynnika DNS i próby wstawić na 5 min do 100 C. Następnie próby ochłodzić, dodać 8 ml wody destylowanej i po 25 min od wyciągnięcia z łaźni zmierzyć absorbancję przy 550 nm względem próby kontrolnej. Do kontroli zamiast roztworu cukru dodaje się 0,5 ml wody, a następnie próbkę tą traktuje się jak wszystkie pozostałe. A 550, DNS = 0,5373. c [g/l] 0,094 2

3 OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Na podstawie uzyskanych wyników przedstawić przebieg procesu destylacji mieszaniny fermentacyjnej na wykresach C ETANOL = f (nr frakcji) i T= f (nr frakcji). Skomentować uzyskane wyniki porównując dwa systemy pracy kolumny (z i bez deflegmacji). Oszacować czas pracy kolumny i stopień zatężenia. Nr frakcji TDEST. [ ºC] Q [cm 3 /s] d DEST. [g/cm 3 ] C ETANOL [% w/v] 2. Obliczyć wydajność fermentacji i uzyskany wynik porównać z wydajnością wynikającą z równania Gay-Lussaca 3. Wyznaczyć współczynnik wydajności produktu na podstawie wzoru: Y P / S = m m S,0 ETANOL m S, K g g Gdzie: m ETANOL [g] masa etanolu wyliczona na podstawie uśrednionych frakcji destylatów; m S,0 [g] początkowe stężenie substratu (glukozy) w chwili zaszczepiania fermentacji m S,K [g] końcowe stężenie substratu (glukozy) przed odfiltrowaniem biomasy z mieszaniny fermentacyjnej ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI 1. Podstawowe pojęcia i definicje dotyczące procesu destylacji, rektyfikacji. 2. Sposoby prowadzenia destylacji i rektyfikacji oraz aparatura stosowana w tych procesach. 3. Rozkład stężeń w destylacji prostej i rektyfikacji. 4. Mikroorganizmy wykorzystywane w fermentacji alkoholowej. 5. Chemizm fermentacji alkoholowej. 6. Czynniki wpływające na przebieg fermentacji alkoholowej. 7. Metody intensyfikacji fermentacji alkoholowej. LITERATURA: 1. Szewczyk K.W., Technologia biochemiczna (rozdział 11), Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003; 2. Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa (rozdział 17), Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa

4 LABORATORIUM SEPARACJA I OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW KRYSTALIZACJA Cele ćwiczenia: 1. Wykreślenie krzywych nasycenia i przesycenia dla KH 2 PO 4, c [g/l] = f(t) [K] i na ich podstawie obliczenie stężenia przesycenia ( c) i stopnia przesycenia (P) dla KH 2 PO Przeprowadzenie krystalizacji z reakcją chemiczną otrzymania KH 2 PO 4. Zbadanie wpływu stężenia reagentów na ilość wytworzonego produktu. Obliczenie wydajności reakcji na drodze krystalizacji na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego. 3. Wyznaczenie krzywej standardowej przewodnictwa jonowego od stężenia KH 2 PO 4, σ=f(c KH2PO4 ) 1. Przebieg doświadczenia wyznaczanie krzywej nasycenia i przesycenia. Rozpuszczalność soli KH 2 PO 4 badana będzie w zakresie K. Stanowisko do badania rozpuszczalności stanowi: mieszadło magnetyczne o regulowanej ilości obrotów i temperaturze płyty grzewczej, kolba stożkowa z mieszadełkiem magnetycznym zaopatrzona w gumowy korek oraz termopara podłączona do mieszadła magnetycznego z regulacją temperatury. Do kolby należy dodać ml wody destylowanej i podgrzać do wskazanej przez prowadzącego temperatury. Krystaliczną sól KH 2 PO 4 należy dodawać małymi porcjami (intensywnie mieszając) do momentu, aż przestanie się rozpuszczać we wskazanej temperaturze (zbliżanie się do punktu nasycenia roztworu, powoduje znaczne spowolnienie rozpuszczania soli). W wyniku tego otrzymuje się roztwór nasycony w danej temperaturze i tym samym pierwszy punkt z krzywej nasycenia KH 2 PO 4 (znana jest temperatura oraz stężenie substancji rozpuszczonej). Następnie otrzymany nasycony roztwór soli należy pozostawić do ochłodzenia w temperaturze pokojowej, jednocześnie delikatnie mieszając. Obserwacje należy prowadzić wraz ze spadkiem temperatury roztworu o 1 C do momentu pojawienia się pierwszych kryształów. Temperatura, w której pojawią się pierwsze kryształy jest punktem na krzywej przesycenia (znane jest stężenie substancji rozpuszczonej i temperatura krystalizacji). W wyniku prowadzonych pomiarów wszystkich grup należy wyznaczyć równania krzywych nasycenia i przesycenia, jak pokazano na rysunku poniżej oraz obliczyć przesycenie ( C) oraz stopień przesycenia (P) zgodnie z poniższymi wzorami: 4

5 C = ( C ) (1) C n C n C P = ( ) (2) T T C stężenie rzeczywiste składnika w roztworze w danej temperaturze (T), C n stężenie nasycenia w tej samej temperaturze (T) 2. Przebieg doświadczenia krystalizacji z reakcją chemiczną otrzymywania KH 2 PO 4. Kryształy soli KH 2 PO 4 można otrzymać na drodze krystalizacji w czasie reakcji opisanej poniższym równaniem: H 3 PO4 + KOH KH 2PO4 + H 2O Reakcję należy prowadzić w lodowej łaźni wodnej mieszając ze sobą roztwory kwasu i zasady o zadanym przez prowadzącego stężeniu. Otrzymany roztwór należy wstawić do lodówki i po 1,5 godzinie co kilkanaście minut obserwować tworzenie się kryształów. Po 2,5-3 h roztwór wyjąć z lodówki i pozostawić w temperaturze pokojowej. Po osiągnięciu temperatury otoczenia zmierzyć przewodnictwo jonowe roztworu nad kryształami i stąd wyznaczyć stężenie soli w roztworze. 5

6 3. Wyznaczenie krzywej standardowej przewodnictwa od stężenia KH 2 PO 4, σ=f(c KH2PO4 ) Dla serii znanych stężeń roztworu soli KH 2 PO 4 w zakresie do 4.0 M wykonać pomiary przewodnictwa jonowego (σ, MS/cm) przygotowanych roztworów w co najmniej dwóch powtórzeniach. Wartości średnie pomiarów nanieść na wykres zależności σ=f(c KH2PO4 ). Punkty należy aproksymować krzywą i wyznaczyć równanie krzywej standardowej zarówno dla stężenia wyrażonego w g/l jak i w mol/dm 3. Opracowanie wyników: 1. Na podstawie przeprowadzonych we wszystkich grupach pomiarów należy wykreślić krzywe nasycenia i przesycenia KH 2 PO 4 oraz na podstawie równań krzywych nasycenia i przesycenia obliczyć stężenie przesycenia ( c) i stopień przesycenia (P) w badanych temperaturach. 2. Na podstawie pomiarów przewodności jonowej roztworu nad powstałymi w reakcji chemicznej kryształami, obliczyć masę powstałych kryształów i wydajność reakcji na drodze krystalizacji. Określić jaka jest zależność stężenia jonów nad kryształami po procesie krystalizacji od stężenia rzeczywistego w roztworze na początku tego procesu. 3. Uzyskane pomiary przewodnictwa roztworów soli o różnych stężeniach zgromadzić w tabeli oraz wykreślić wykres zależności σ [ms/cm] = f(ckh2po4) [mol/dm 3 ]. Krzywą standardową wykorzystać do obliczeń z punktu drugiego. Zagadnienia do kartkówki: 1. Podstawy teoretyczne procesu krystalizacji, krystalizacja z roztworu: - Sposoby prowadzenia krystalizacji (przez odparowanie, chłodzenie, współwytrącanie) - Siła napędowa krystalizacji - Zarodkowanie definicja, rodzaje - Wpływ procesów towarzyszących na szybkość krystalizacji (rozkład przesycenia, rozdrabnianie i ścieranie, aglomeracja kryształów). 2. Rodzaje krystalizatorów budowa i zasada działania: - krystalizatory w wymuszoną cyrkulacją zawiesiny - krystalizatory z częściową klasyfikacją hydrauliczną zawiesiny - krystalizatory ze strumienicą cieczową - krystalizatory z pełną klasyfikacją hydrauliczną zawiesiny (aparaty fluidalne) - aparaty do krystalizacji z rekcją chemiczną - aparaty do krystalizacji poprzez wysalanie Literatura Piotr. M. Synowiec, Krystalizacja przemysłowa z roztworu, Wyd. Naukowo-Techniczne Warszawa, 2008; Z. Rojkowski, J. Synowiec, Krystalizacja i krystalizatory, Wyd. Naukowo-Techniczne Warszawa,