Heat removal in large scale fermenters The Basics of - PowerPoint PPT Presentation

Heat ¡removal ¡in ¡large ¡scale ¡fermenters ¡ The ¡Basics ¡of ¡Transport ¡Phenomena ¡ Henk ¡Noorman, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Industrial ¡Fermenter ¡ R ¡=2 ¡m ¡ ¡H=15 ¡m ¡

One ¡key ¡limi=ng ¡transport ¡step: ¡Heat ¡removal ¡ Offgas ¡ Liquid ¡ feedstock ¡ Air ¡ Broth ¡ouBlow ¡

Heat ¡sources ¡and ¡sinks ¡in ¡a ¡fermenter ¡ EvaporaDon ¡ Hot ¡feed ¡ ReacDon ¡heat ¡ Cooling ¡water ¡ SDrrer ¡power ¡input ¡ Hot ¡gas ¡

Heat ¡sources ¡and ¡sinks ¡in ¡a ¡fermenter ¡ In ¡aerobic ¡processes ¡usually ¡surplus ¡of ¡heat ¡ generated ¡of ¡several ¡MW ¡(MJ/s) ¡ ¡ This ¡needs ¡to ¡be ¡transferred ¡to ¡ ¡ cooling ¡water ¡via: ¡ ¡ • Cooling ¡coil ¡ • Vessel ¡wall ¡ • Cooling ¡baffles ¡ • Heat ¡exchanger ¡in ¡external ¡loop ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡(1) ¡ Internal ¡coil ¡ External ¡coil ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡(2) ¡ 3 ¡steps ¡in ¡the ¡removal ¡heat ¡path ¡ ¡ 3 ¡ Φ cw,out ¡ Step ¡1. ¡Convec=on ¡(flow) ¡ ¡ ¡ ¡ ConvecDon ¡in ¡broth ¡ T cw,out ¡ ¡ COIL ¡ Step ¡2. ¡Transfer ¡ ¡ ¡ ¡Heat ¡transfer ¡through ¡coil: ¡ ¡ ¡ ¡ 1 ¡ 2 ¡ ¡ ¡Coil ¡outside ¡boundary ¡layer ¡ à ¡Coil ¡ ¡ à ¡ ¡ Φ cw,in ¡ ¡ ¡Coil ¡inside ¡boundary ¡layer ¡ ¡ T cw,in ¡ Step ¡3. ¡Convec=on ¡(flow) ¡ BROTH ¡ ¡ ¡ConvecDon ¡in ¡cooling ¡water ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡(2) ¡ Two ¡important ¡terms: ¡ ¡ 3 ¡ cw,out ¡ Heat ¡transfer ¡coefficient: ¡ ¡ ¡ U ¡ ¡W/(m 2 .K ) ¡ T cw,out ¡ ¡ COIL ¡ U ¡ ¡ m 2 ¡cooling ¡area ¡ ¡ ¡ 1 ¡ 2 ¡ ¡ ¡ cw,in ¡ ¡ Heat ¡capacity ¡of ¡cooling ¡fluid: ¡ ¡ W/K ¡ ¡ T cw,in ¡ ¡ m 3 ¡cooling ¡fluid ¡ ¡ BROTH ¡ ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡(3) ¡ Step ¡1 ¡ ConvecDve ¡heat ¡transport ¡in ¡broth ¡ ¡ ¡ cw,out ¡ Are ¡there ¡temperature ¡gradients? ¡ ¡ T cw,out ¡ ¡ COIL ¡ ¡ No! ¡ ¡ 1 ¡ ¡ cw,in ¡ Temperature ¡T broth ¡only ¡varies ¡by ¡ ¡ ¡ ¡ ¡0.2 ◦ C ¡ T cw,in ¡ BROTH ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡(4) ¡ Step ¡2 ¡and ¡3 ¡ How ¡do ¡they ¡relate? ¡ ¡ BROTH ¡ T broth ¡ U ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡coil ¡area ¡A T ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Transfer ¡(step ¡2) ¡ Φ cw ¡ Convec=on ¡(step ¡3) ¡ Φ cw ¡ COOLING ¡ FLUID ¡ T cw,out ¡ ρ ¡ cw ¡ T cw,in ¡ ρ cw ¡ x x + Δ x T x T x+ Δ x L

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡coils ¡ St heat ¡ 10 ¡ 0.1 ¡ 1 ¡ Transfer ¡is ¡boUleneck ¡ Cooling ¡water ¡flow ¡is ¡boUleneck ¡ T cw,out ≈ ¡T cw,in ¡ T cw,out ≈ ¡T broth ¡ ConvecDon ¡capacity ¡>> ¡Transfer ¡capacity ¡ ConvecDon ¡capacity ¡<< ¡Transfer ¡capacity ¡ Scale-­‑up: ¡A T ¡ / ¡V L ¡= ¡4 ¡/ ¡T ¡will ¡get ¡too ¡small ¡ à ¡external ¡cooling ¡is ¡needed ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡ external ¡cooling ¡loop ¡in ¡the ¡PDO ¡process ¡ Advantages ¡ Challenges ¡ • Cold ¡shocks ¡ Greater ¡design ¡ • Shear ¡stress ¡in ¡the ¡ ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡freedom ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pump ¡ Faster ¡heat ¡ ¡ • • Oxygen ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡transfer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡substrate ¡depleDon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡in ¡the ¡loop ¡

Transport ¡path ¡of ¡heat ¡removal ¡using ¡ external ¡cooling ¡loop ¡in ¡the ¡PDO ¡process ¡ T return ¡= ¡30°C ¡ ¡ Broth ¡mass ¡ Plate ¡Heat ¡Exchanger ¡ = ¡2250 ¡m 3 ¡ ¡ ¡ H ¡= ¡25 ¡m ¡ Heat ¡= ¡51434 ¡kJ/s ¡ ¡ R p = ¡165 ¡000 ¡ mol ¡PDO/h ¡ ¡ 35°C ¡ T broth ¡= ¡35°C ¡ loop ¡= ¡2.46 ¡m 3 /s ¡

Heat ¡transfer ¡design ¡ • T ¡control ¡requires ¡good ¡heat ¡transfer ¡design ¡ • Process ¡reacDon: ¡450 ¡kJ ¡heat ¡produced/mol ¡O 2 ¡consumed ¡ • EvaporaDon: ¡some ¡cooling ¡ • Impeller ¡energy ¡dissipaDon: ¡10-­‑30% ¡more ¡heat ¡ • Be ¡aware ¡of ¡hot ¡and ¡cold ¡spots ¡at ¡large ¡scale! ¡ • Sterilized ¡feeds/compressed ¡gas: ¡hot! ¡ • At ¡megascale ¡(>1000 ¡m 3 ) ¡need ¡for ¡external ¡loop ¡cooling ¡ ¡ • Cold ¡shock: ¡microbes ¡may ¡change ¡metabolic ¡network ¡fluxes ¡(e.g. ¡through ¡ temperature-­‑induced ¡geneDc ¡switch ¡for ¡product ¡formaDon) ¡ • Oxygen ¡or ¡substrate ¡depleDon ¡in ¡the ¡external ¡loop ¡

Thanks ¡for ¡your ¡aUen=on ¡ The ¡Basics ¡of ¡Transport ¡Phenomena ¡ Henk ¡Noorman, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡