7.3 b, Jak Kukuřice je Zpracována tak, aby Ethanol
7.3 b, Jak Kukuřice je Zpracována tak, aby Ethanol
proces výroby kukuřice na etanol je vícestupňové proces. Prvním krokem je frézování kukuřice. To lze provést suchým frézováním nebo mokrým frézováním. Obrázky 7.10 a a 7.10 b ukazují procesní kroky pro každé mokré a suché frézování. Pro mokré frézování se kukuřičná jádra rozkládají na škrob, vlákninu, kukuřičné klíčky a bílkoviny zahříváním v roztoku kyseliny sírové po dobu 2 dnů., Škrob je oddělen a může produkovat ethanol, kukuřičný sirup nebo potravinářský škrob. Jak je uvedeno na Obrázku 7.10 a, v procesu mokrého mletí vyrábí také další produkty, včetně krmiv, kukuřičný olej, bezlepková mouka, bezlepkové krmivo. Suché frézování je jednodušší proces než mokré frézování, ale také produkuje méně produktů. Hlavními produkty suchého frézování jsou ethanol, CO2 a sušené palírenské zrno s solubles (DDGS). Pojďme projít každý z kroků v procesu suché broušení. Pět kroků je: 1) broušení, 2) vaření a zkapalňování, 3) sacharifikace, 4) fermentace a 5) destilace.,
Schéma Procesu Mokrého Mletí
- První Kukuřice je ponořený. Z máčení kukuřice produkty jsou rozděleny do:
- Škrob/Lepek
-
Škrob/Lepek prochází další krok separace a škrob je v kombinaci se všemi ostatními škrob.,l>
-
Sušení, aby se škroby
-
Kvašení etanolu chemické
-
Sirup rafinace, aby se kukuřičný sirup, dextróza, a vysoké fruktózy kukuřičný sirup,
-
- Škrob/Lepek
-
Kukuřičných Klíčků/Vlákno projít broušení screening výnos
-
Bakterie
-
prochází rafinace ropy, aby se stal kukuřičný olej
-
-
Vlákno
-
Stává krmiva, mokré krmivo,
-
-
První kukuřice je zem, vařené, zkapalněné a saccharified. Ze sacharifikace prochází fermentací, která produkuje CO2. Po fermentaci jde do destilace, která produkuje ethanol. Poté se odstřeďuje a odpaří, což dává destilátorům zrna solubles.
broušení
pro suché broušení kukuřice se používá hammermill nebo válečková mlýn. Obrázek 7.,11 je schéma hammermillu s kukuřicí, která je přes něj vložena. Kladiva jsou připevněna k tyčím, které zapínají rotor. Jak se rotor otáčí, krmivo (v tomto případě kukuřice) je kladeno proti stěně. Obrazovka ve spodní části umožňuje částice, které jsou dostatečně malé, aby opustit jednotku a udržet ve větších částic, aby i nadále tloukl, dokud veškerý materiál je ve správném rozsahu velikostí. Broušení pomáhá rozbít tvrdé vnější povlaky kukuřičného jádra, což zvýší povrchovou plochu škrobu., Jakmile je kukuřice rozložena, smíchá se/usrkává se zahřátou vodou, aby se vytvořila kaše nebo kaše.
Vaření a Zkapalňování
Jakmile kukuřice kaše (mash), to jde přes vaření a zkapalňování. Fáze vaření se také nazývá želatinizace. Voda interaguje se škrobovými granulemi v kukuřici, když je teplota >60°C a vytváří viskózní suspenzi. Už jste někdy vařili s kukuřičným škrobem, abyste vytvořili hustou omáčku?, Obrázek 7.12 ukazuje obrázek škrobu smíchaného s vodou, který se při vaření nalije do zahřáté omáčky. Zahustí se teplem.
krok zkapalnění je ve skutečnosti částečná hydrolýza, která snižuje viskozitu. To je v podstatě rozbíjení delší škrobové řetězce do menších řetězců., Jedním ze způsobů, jak to měřit, je podívat se na ekvivalenty dextrózy (DE) nebo na míru množství redukčních cukrů přítomných v cukrovém produktu vzhledem k glukóze vyjádřené v procentech na suchém základě. Dextróza je také známá jako glukóza a ekvivalent dextrózy je počet vazeb štěpených ve srovnání s původním počtem vazeb., Rovnice je:
Rovnice 1: 100× počet dluhopisů štěpí řadu původních dluhopisů,
Čisté glukózy (dextróza): DE = 100,
Maltóza: DE = 50
Škrob: DE = 0,
Dextriny: DE = 1 až 13,
Dextriny jsou skupinou nízkomolekulárních sacharidů vyráběných hydrolýzou škrobu nebo glykogenu. Dextriny jsou směsi polymerů d-glukózových jednotek Spojených α (1,4) nebo α (1,6) glykosidickými vazbami. Dextriny se používají v lepidlech a mohou být zesilovačem křupavosti pro zpracování potravin.
Maltodextrin: DE = 3 až 20
Maltodextrin se přidává do piva.,
připomeňme, že hydrolýza škrobu je místo, kde voda reaguje s cukrem, aby rozbila cukr a vytvořila glukózu. Voda se rozpadá do iontů H+ A OH, aby interagovala se škrobem, když se rozpadne.
aby se dosáhlo zkapalnění, reakce musí probíhat za určitých podmínek. PH kaše se udržuje v rozmezí 5,9-6,2 a do nádrže se přidává amoniak a kyselina sírová, aby se udrželo pH., Asi jedna třetina požadovaného typu enzymu, α-amyláza, může být přidána do kaše před tryskovým vařením (2-7 minut při 105-120°C), aby se zlepšila tekutost kaše. Tryskové vaření slouží jako sterilizační krok, aby se zabránilo bakteriální kontaminaci během fermentačního kroku později. V této fázi se produkují kratší dextriny, ale ještě nejsou glukózou.
pro zkapalnění lze použít tři typy procesů. Obrázek 7.13 ukazuje tři možnosti. Proces 1 je místo, kde se přidá α-amyláza a materiál se inkubuje při teplotě 85-95°C., Proces 2 má rmut v tryskovém sporáku při 105-120 ° C po dobu 2-7 minut, poté proudí do flash nádrže při 90°c.α-amyláza se přidá o tři hodiny později. Třetí možnost, Proces 3, přidává α-amylázu, ohřev v tryskovém sporáku při 150°C, následovaný průtokem do flash nádrže při 90°C a přidáním další α-amylázy.
Tři procesy,
Proces Typu 1,
α-amylázy přidáno; inkubují při teplotě 85-95ºC
Proces Typu 2,
Jet sporák 105-120ŞC pro 2-7 minut
Flash Tank do 90 ° c; přidání α-amylázy pro 3 hodiny
Zpracovat Typ 3
α-amylázy přidáno
Vytápění/Jet vaření @ 150ºC
Flash tank do 90 ° c ; přidat více α-amylázy,
α-amylázy pro zkapalňování působí na vnitřní α (1,4) glykosidickou dluhopisy výnos dextriny a maltózu (glukózy dimery)., Ve slinách lidí existuje typ α-amylázy; pankreas je využíván jinou α-amylázou. Obrázek 7.14 a ukazuje jeden typ α-amylázy. Α-amyláza Působí o něco rychleji než β-amyláza a β-amyláza působí na druhou α (1,4) glykosidickou vazbu, takže vzniká maltóza (viz obrázek 7.14 b). β-amyláza je součástí procesu dozrávání ovoce, který zvyšuje sladkost ovoce, jak dozrává.
Zcukernatění
dalším krokem v procesu výroby ethanolu je zcukernatění. Sacharifikace je proces další hydrolýzy na monomery glukózy. Používá se jiný enzym, nazývaný glukoamyláza (známá také pod delším názvem amyloglukosidáza). Štěpí jak α (1,4), tak α (1,6) glykosidické vazby z dextrinu, aby vytvořily glukózu., Optimální podmínky jsou odlišné od předchozího kroku a jsou při pH 4,5 a teplotě 55-65°C. na Obrázku 7.14 c ukazuje schéma glukoamyláza, který je také nazýván ϒ-amylázy. Existuje široká škála amylázových enzymů, které jsou odvozeny od bakterií a hub. Tabulka 7.2 ukazuje různé enzymy, jejich zdroj a působení každého z nich.
| Enzym | Zdroj | Akce |
|---|---|---|
| α-Amylázy | Bacillus amyloliquefaciens | Pouze α-1,4-oligosacharid odkazy jsou štěpeny dát-převážně dextriny a maltózu (G2), G3, G6 a G7 oligosacharidy |
| B., licheniformis | Pouze α-1,4-oligosacharid odkazy jsou štěpeny dát-dextriny a převážně maltózy, G3, G4 a G5 oligosacharidy | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Pouze α-1,4 oligosacharid odkazy jsou štěpeny dát-převážně dextriny a maltózu a G3 oligosacharidy | |
| Saccharifying a-amylázy | B., subtilis (amylosacchariticus) | Pouze α-1,4-oligosacharid odkazy jsou štěpeny dát-dextriny s maltóza, G3, G4 a až 50% (w/w) glukózy |
| β-Amylázy | Sladového ječmene | Pouze α-1,4-vazby se štěpí, od non-snížení končí, dát limitní dextriny a b-maltóza |
| Glukoamyláza | A. niger | α-1,4 a α-1,6 vazby se štěpí, od nonreducing končí, dát β-glukózy |
| Pullulanase | B., acidopullulyticus | Pouze α-1,6 vazby jsou štěpeny dát nerozvětvené maltodextriny |
Některé novější vyvinuté enzymy (granulovaný škrob hydrolyzovat enzymy – GSHE) umožňují přeskočit fázi zkapalňování hydrolýzou škrobu při nízkých teplotách s vařením. Mezi výhody patří: 1) snížené teplo / energie, 2) snížený provoz jednotky (snížení kapitálových a provozních nákladů), 3) snížené emise a 4) vyšší DDGS. Pracují tím, že“ coring “ do škrobových granulí přímo bez vody otok/infuze., Nevýhody zahrnují: 1) enzymy stojí více a 2) rizika kontaminace.
fermentace
konečným chemickým krokem při výrobě ethanolu ze škrobu je fermentace. Chemická reakce fermentace je místo, kde 1 mol glukózy produkuje 2 mol ethanolu a 2 mol oxidu uhličitého. Reakce je uvedena v Rovnici 2 níže:
C 6 H 12 O 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
způsobit kvašení, kvasnice je přidána. Běžným kvasinkem, který se používá, je saccharomyces cerevisiae, což je jednobuněčná houba. Reakce probíhá při 30-32°C po dobu 2-3 dnů v dávkovém procesu., Doplňkový dusík se přidává jako síran amonný ((NH4) 2SO4) nebo močovina. Proteáza může být použita k přeměně bílkovin na aminokyseliny, které se přidávají jako další kvasinková živina. Virginiamycin a penicilin se často používají k prevenci bakteriální kontaminace. Produkovaný oxid uhličitý také snižuje pH, což může snížit riziko kontaminace. V blízkosti 90-95% glukózy se převede na ethanol.
je možné provést sacharifikaci a fermentaci v jednom kroku. Nazývá se současné sacharifikace a fermentace (SSF) a obě glukoamylázy a kvasinky se přidávají dohromady., Provádí se při nižší teplotě než sacharifikace (32-35°C), což zpomaluje hydrolýzu na glukózu. Při tvorbě glukózy se fermentuje, což snižuje inhibici enzymových produktů. Snižuje počáteční koncentrace glukózy, snižuje riziko kontaminace, snižuje energetické požadavky a produkuje vyšší výnosy ethanolu. Protože SSF se provádí v jedné jednotce, může zlepšit kapitálové náklady a ušetřit čas pobytu.
destilace a zvýšení koncentrace ethanolu
poslední fází výroby ethanolu je zpracování ethanolu pro zvýšení koncentrace ethanolu., Po proudu od fermentorů je koncentrace ethanolu 12-15% ethanolu ve vodě (což znamená, že máte ve svém roztoku 85-88% vody!). Destilace byla zmíněna v dřívější lekci; ropa musí být destilována na různé vroucí frakce, aby se olej oddělil od použitelných produktů. Destilace je proces oddělování složek pomocí tepla a speciálně navržených věží, aby kapalina proudila dolů a páry generované k proudění nahoru. Voda se vaří při 100°C, zatímco ethanol se vaří při 78°C., Nicméně, protože voda a ethanol odpařuje při nižší teplotě, než je jejich body varu, a protože oba mají OH funkčních skupin, které jsou přitahovány k sobě, ethanol a molekuly vody jsou silně vázáni k sobě navzájem a tvoří azeotropní spolu. To znamená, že nelze zcela oddělit ethanol od vody – etanolu zlomek bude obsahovat asi 5% vody a 95% ethanolu, když se dostanete na konec destilační proces. Obrázek 7.15 ukazuje schéma destilační jednotky., Při jízdě nechcete vodu v benzínu, protože zabraňuje účinnému spalování. Chcete vodu ve vašem ethanolu, pokud ji používáte jako palivo?
odpověď je ne, takže musíte použít další metodu k odstranění veškeré vody z ethanolu. Metoda se nazývá dehydratace. Jednotka, která se používá, se nazývá molekulární síto a použitý materiál se nazývá zeolit., Za těchto podmínek zeolit absorbuje vodu do ní, ale ethanol nepůjde do zeolitu. Používají to, co se nazývá adsorpční jednotka s tlakovým výkyvem. Jednotka je navržena tak, aby fungovala ve dvou režimech. Při vysokém tlaku se ethanol dehydratuje v jednotce 1 a při nízkém tlaku se přivádí bezvodý ethanol, aby se odstranila voda z jednotky 2 (Obrázek 7.16 a). Když zeolit síto absorbovala všechnu vodu, Jednotka 1 se přepne, aby se stal nízkotlaké regenerační postele, a Jednotka 2 se stává high-tlak jednotky (viz Obrázek 7.16 b). Doba trvání procesu je 3-10 minut., Zeolit pro tento proces je vysoce uspořádaný hlinitokřemičitan s dobře definovanými velikostmi pórů, které jsou vytvořeny do korálků nebo zahrnuty do membrány. Zeolity přitahují vodu i ethanol, ale velikosti pórů jsou příliš malé, aby umožnily vstup ethanolu. Jak je uvedeno na obrázku 7.17, velikost pórů zeolitové membrány je 0,30 nm, zatímco velikost molekuly vody je 0,28 nm a ethanolu 0,44 nm. V závislosti na typu jednotky může být membrána nebo kuličky regenerovány teplem a vakuem nebo průtokem čistého ethanolu přes jednotku, jak je popsáno výše.,
schéma ukazuje 95% etoh páry z destilace do jednotky 1: vysokotlaké dehydratační lůžko. Z toho 60-85%, EtOH jde do konečného produktu, zatímco 15-40% EtOH vstupuje do jednotky 2, nízkotlaké vakuové regenerační lože. Z toho se mokrá Etohová pára vrací k destilaci.,
Takže jakmile máme fermentovaný materiál ethanol, prochází řadou procesů, jak získat produkty v podobě, že je chceme. Obrázek 7.,18A je schéma obnovy produktu a obrázek 7.18 b ukazuje definice některých terminologií.
schéma obnovy produktu ethanolu a dalších produktů. Z fermentace se CO2 získává spolu s pivem: 12-13% ethanolu. Odtud dochází k destilaci. Tím se obnoví 95% ethanolu, který prochází molekulárním sítem, aby se stal 100% ethanolem a přechází do denaturovaného skladování ethanolu s benzínem., Z destilace se také získává celé stillage. To jde do separace / centrifugace a poskytuje tenké stillage a WDG. Tenký stillage je buď recyklován, nebo jde do výparníku a stává se sirupem. WDG a sirup jsou kombinovány, aby se staly WDGS. WDGS jde do sucha a stává se DDGS.
obrázek definuje terminologii.,
celé Stillage (odpadní kapalina z destilace) jde do odstředivky nebo filtračních lisů.
Tenký Výpalků (tekutých z odstředivky) je recyklované nebo odpaří, aby se
Sirup (rozpustná frakce), které jsou přidány do
WDG (Mokré palírny zrn), které se pak suší, aby se
DDGS (Sušené Palírny Zrn s rozpustná frakce)
Abychom to shrnuli, kukuřice má 62% škrobu, 19% bílkovin, 4% oleje, a 15% vody., Pokud se podíváte na produkty na suchém základě (nedíváte se na vodu jako produkt), 73% kukuřice je škrob a 27% je protein, vláknina a olej. Pro každý bushel kukuřice, realisticky budete generovat 2.8 galonů ethanolu, ~17 liber CO2, a ~17 liber DDGS. Podíváme se na ekonomii tohoto procesu a několik dalších procesů v pozdější lekci.
takže v tomto okamžiku můžete vidět, jak generovat ethanol z kukuřice., Pokud chcete generovat etanolu z celulózy u rostlin, budete mít informace z Lekce 6 ke generování glukózy z celulózy (to je více zapojit proces), ale jakmile máte glukózu, můžete použít stejnou end kroků na výrobu ethanolu kvašením glukózy. V další části se podíváme na výrobu dalšího alkoholu, butanolu.