7.3 B hvordan majs forarbejdes til fremstilling af Ethanol
7.3 B hvordan majs forarbejdes til fremstilling af Ethanol
processen med at fremstille majs til ethanol er en multistep-proces. Det første skridt er at fræse majsen. Det kan gøres ved tørfræsning eller vådfræsning. Figur 7.10 A og 7.10 b viser procestrinene for hver våd-og tørfræsning. Til vådfræsning nedbrydes majskernerne til stivelse, fiber, majskim og protein ved opvarmning i svovlsyreopløsningen i 2 dage., Stivelsen er adskilt og kan producere ethanol, majssirup eller stivelse af fødevarekvalitet. Som det fremgår af figur 7.10 a, producerer den våde fræsningsproces også yderligere produkter, herunder foder, majsolie, glutenmel og glutenfoder. Tørfræsning er en enklere proces end vådfræsning, men det producerer også færre produkter. De vigtigste produkter af tør formaling er ethanol, CO2, og tørret destilleri korn med solubles (DDGS). Lad ” s gå gennem hvert af trinene i tørslibeprocessen. De fem trin er: 1) formaling, 2) kogning og fortætning, 3) saccharification, 4) gæring, og 5) destillation.,
skematisk af den våde Fræseproces
- første majs er gennemsyret. Fra majsstøbning adskilles produkterne i:
- stivelse / Gluten
-
stivelsen/Gluten går gennem et yderligere separationstrin, og stivelsen kombineres med al den anden stivelse.,l>
-
Tørring for at gøre stivelse
-
Gæring for at gøre ethanol kemiske
-
Sirup raffinering at gøre majs sirup, dextrose, og high fructose corn syrup
-
- stivelse / Gluten
-
Majs Kim/Fiber gå gennem slibning screening for at give
-
Kim
-
går gennem olie-raffinering at blive majs olie.
-
-
Fiber
-
Bliver feed produkt, våd foder
-
-
første majs er malet, kogt, flydende og saccharified. Fra saccharification går det gennem fermentering, der producerer CO2. Efter gæring går det til destillation, der producerer ethanol. Det er derefter centrifugeret og fordampet som giver destillatører korn med solubles.
slibning
til tørslibning af majs bruges en hammermølle eller rullemølle til slibning. Figur 7.,11 er en skematisk af en hammermølle med majs bliver sat igennem det. Hammerne er fastgjort til stænger, der tænder en rotor. Når rotoren drejer, er foderet (majs i dette tilfælde) hamret mod væggen. En skærm i bunden tillader partikler, der er små nok til at forlade enheden og holde i de større partikler for at fortsætte med at blive hamret, indtil alt materiale er i det rigtige størrelsesområde. Slibningen hjælper med at bryde de hårde ydre belægninger af majskernen, hvilket vil øge stivelsens overfladeareal., Når kornet er nedbrudt, blandes/opslæmes det med opvarmet vand for at danne en mos eller opslæmning.
madlavning og kondensation
når majsopslæmningen (mos) er lavet, går den gennem madlavning og kondensation. Madlavningstrinnet kaldes også gelatinisering. Vand interagerer med stivelsesgranulerne i majsen, når temperaturen er >60.C og danner en viskøs suspension. Har du nogensinde kogt med majsstivelse for at lave tyk sovs?, Figur 7.12 viser et billede af stivelse blandet med vand, der hældes i en opvarmet sauce, når den koges. Det vil blive tykkere med varme.
kondenseringstrinnet er faktisk delvis hydrolyse, der sænker viskositeten. Det er i det væsentlige at opdele de længere stivelseskæder i mindre kæder., En måde at måle det på er at se på, dextrose-ækvivalenter (DE), eller et mål for mængden af reducerende sukkerarter til stede i en sukker-produkt, i forhold til glukose, udtrykt som en procentdel på tør basis. De .trose er også kendt som glucose, og de .troseækvivalent er antallet af bindinger spaltet i forhold til det oprindelige antal bindinger., Ligningen er:
Ligning 1: 100× antallet af obligationer kløvet antallet af oprindelige obligationer
Ren glukose (druesukker): DE = 100
Maltose: DE = 50
Stivelse: DE = 0
Dextrin: DE = 1 / 13
Dextrin er en gruppe af lavmolekylære kulhydrater produceret ved hydrolyse af stivelse eller glykogen. De .triner er blandinger af polymerer af D-glucose enheder forbundet med glyc (1,4) eller glyc (1,6) glycosidbindinger. De .triner bruges i lim og kan være en skarphedsforstærker til fødevareforarbejdning.Maltode .trin: de = 3 til 20
Maltode .trin tilsættes til øl.,Husk, at stivelseshydrolyse er, hvor vand reagerer med sukkeret for at nedbryde sukkeret og danne glukose. Vandet bryder ind i H + og OH-ionerne for at interagere med stivelsen, når den bryder sammen.
for at opnå kondensation skal reaktionen finde sted under visse betingelser. Mosens pH holdes i området 5,9-6,2, og ammoniak og svovlsyre tilsættes til tanken for at opretholde pH., Omkring en tredjedel af den krævede type enzym, α-amylase, der kan føjes til mash før jet madlavning (2-7 minutter på 105-120°C) at forbedre flydeevne af mash. Strålekogningen fungerer som et steriliseringstrin for at undgå bakterieforurening under fermenteringstrinnet senere. På dette stadium produceres kortere de .triner, men er endnu ikke glukose.
tre typer af processer kan anvendes til fortætning. Figur 7.13 viser de tre muligheder. Proces 1 er, hvor A-amylasen tilsættes, og materialet inkuberes ved 85-95 C. C., Proces 2 har mos i jet komfur ved 105-120 .c i 2-7 minutter, derefter strømmer til en flash tank ved 90.C. added-Amylase tilsættes tre timer senere. Den tredje mulighed, proces 3, tilføjer a-amylase, opvarmningerne i jet-komfuret ved 150.C, efterfulgt af strømning til flashtanken ved 90. C og tilsætning af mere a-amylase.
Tre processer
Processen Type 1
α-amylase tilføjet; inkuberes ved 85-95ºC
Processen Type 2
Jet-komfur 105-120ºC for 2-7 minutter
Flash Tank til 90ºC; tilføj α-amylase 3 timer
Processen Type 3
α-amylase tilføjet
Varme/Jet madlavning @ 150ºC
Flash tank til 90ºC ; tilføje flere α-amylase
α-amylase til fortætning virker på de indre α – (1,4) glycosidiske obligationer at give dextrin og maltose (glukose-dimerer)., En type a-amylase findes i spyt af mennesker; en anden a-amylase udnyttes af bugspytkirtlen. Figur 7.14 a viser en type α-amylase. A-amylasen virker lidt hurtigere end β-amylasen, og β-amylasen virker på den anden glyc (1,4) glycosidbinding, så maltose dannes (se figur 7.14 b). β-amylase er en del af modningsprocessen af frugt, der øger frugtens sødme, når den modnes.
vej
Saccharification
det næste trin i processen med fremstilling af ethanol er saccharification. Saccharification er processen med yderligere hydrolyse til glucosemonomerer. Et andet en .ym bruges, kaldet en glucoamylase (også kendt under det længere navn amyloglucosidase). Det spalter både glyc (1,4) og 1, (1,6) glycosidbindinger fra de .trinender til dannelse af glucose., De optimale betingelser er forskellige fra det foregående trin og er ved en pH-værdi på 4,5 og en temperatur på 55-65°C. Figur 7.14 c viser en skematisk tegning af glucoamylase, som også kaldes en ϒ-amylase. Der er en bred vifte af amylase en .ymer til rådighed, der er afledt af bakterier og svampe. Tabel 7.2 viser forskellige en .ymer, deres kilde og virkningen af hver.
| Enzym | Kilde | Handling |
|---|---|---|
| α-Amylase | Bacillus amyloliquefaciens | Kun α-1,4-oligosaccharide links er kløvet til at give a-dextrin og overvejende maltose (G2), G3, G6 og G7-oligosaccharider |
| B., licheniformis | Kun α-1,4-oligosaccharide links er kløvet til at give a-dextrin og overvejende maltose, G3, G4 og G5 oligosaccharider | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Kun α-1,4 oligosaccharide links er kløvet til at give a-dextrin og overvejende maltose og G3 oligosaccharider | |
| Saccharifying a-amylase | B., subtilis (amylosacchariticus) | Kun α-1,4-oligosaccharide links er kløvet til at give en-dextrin med maltose, G3, G4 og op til 50% (w/w) glukose |
| β-Amylase | Maltet byg | Kun α-1,4-links er kløvet, fra ikke-reducerende ender, for at give limiteret dextrin og b-maltose |
| Glucoamylase | A. niger | α-1,4-og α-1,6-links er kløvet, fra nonreducing ender, til at give β-glukose |
| Pullulanase | B., acidopullulyticus | Kun α-1,6-links er kløvet til at give lige-kæde maltodextriner |
Nogle af de nyere udviklet enzymer (kornet stivelse hydrolyzing enzymer – GSHE) tillader at springe fortætning fase af hydrolyzing stivelse ved lave temperaturer med madlavning. Fordelene omfatter: 1) reduceret varme/energi, 2) reduceret enhedsdrift (reduktion af kapital og driftsomkostninger), 3) reducerede emissioner og 4) højere DDGS. De arbejder ved at” coring ” i stivelsesgranuler direkte uden vand hævelse/infusion., Ulemper inkluderer: 1) en .ymer koster mere og 2) forureningsrisici.
fermentering
det endelige kemiske trin til fremstilling af ethanol fra stivelsen er fermentering. Den kemiske reaktion af fermentering er, hvor 1 mol glucose giver 2 mol ethanol og 2 mol kuldio .id. Reaktionen er vist i Ligning 2 nedenfor:
C 6 H 12 O 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
for At forårsage gæring finder sted, tilsættes gær. En almindelig gær at bruge er saccharomyces cerevisiae, som er en encellulær svamp. Reaktionen finder sted ved 30-32.C i 2-3 dage i en batchproces., Supplerende nitrogen tilsættes som ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) eller urinstof. En protease kan bruges til at omdanne proteiner til aminosyrer for at tilføje som et ekstra gærnæringsstof. Virginiamycin og penicillin bruges ofte til at forhindre bakteriel forurening. Den producerede kuldio .id sænker også pH, hvilket kan reducere forureningsrisikoen. Tæt på 90-95% af glukosen omdannes til ethanol.
det er muligt at gøre saccharification og fermentering i et trin. Det kaldes samtidig Saccharification and Fermentation (SSF), og både glucoamylase og gær tilsættes sammen., Det gøres ved en lavere temperatur end saccharification (32-35.C), hvilket forsinker hydrolysen til glucose. Når glucose dannes, fermenteres den, hvilket reducerer en .ymproduktinhibering. Det sænker de indledende glukosekoncentrationer, sænker forureningsrisikoen, sænker energibehovet og producerer højere udbytter af ethanol. Da SSF udføres i en enhed, kan det forbedre kapitalomkostningerne og spare opholdstid.
destillation og forøgelse af ethanolkoncentration
den sidste fase af ethanolproduktion er forarbejdning af ethanol for at øge ethanolkoncentrationen., Nedstrøms fra fermentorerne er ethanolkoncentrationen 12-15% ethanol i vand (hvilket betyder, at du har 85-88% vand i din opløsning!). Destillation blev nævnt i en tidligere lektion; råolie skal destilleres i forskellige kogende fraktioner for at adskille olien i brugbare produkter. Destillation er en proces til at adskille komponenter ved hjælp af varme og specielt designet tårne for at holde væsken strømmer nedad og dampene genereres til at flyde opad. Vand koger ved 100 C. C, mens ethanol koger ved 78 C. C., Fordi vand og ethanol fordamper ved en lavere temperatur end deres kogepunkter, og fordi de begge har OH-funktionelle grupper, der tiltrækkes af hinanden, er ethanol og vandmolekyler stærkt bundet til hinanden og danner en a .eotrope sammen. Det betyder bare, at du ikke helt kan adskille ethanol fra vand – ethanolfraktionen vil indeholde omkring 5% vand og 95% ethanol, når du kommer til slutningen af destillationsprocessen. Figur 7.15 viser et skematisk billede af en destillationsenhed., Du vil ikke have vand i ben .in, mens du kører, fordi det forhindrer effektiv forbrænding. Vil du have vand i din ethanol, hvis du bruger det som brændstof?
svaret er nej, så du skal bruge en ekstra metode til at fjerne alt vandet fra ethanol. Metoden kaldes dehydrering. Den enhed, der bruges, kaldes en molekylær sigte, og det materiale, der anvendes i det, kaldes .eolit., Under disse forhold absorberer watereolitten vandet ind i det, men ethanolen går ikke ind i zeolitten. De bruger det, der kaldes en tryk-s .ing adsorptionsenhed. Enheden er designet til at køre i to tilstande. Ved højt tryk dehydreres ethanolen i Enhed 1, og ved lavt tryk føres vandfri ethanol igennem for at fjerne vandet fra Enhed 2 (Figur 7.16 a). Når watereolitsigten har absorberet alt vandet, skiftes enhed 1 til at blive det lavtryksregenererende leje, og Enhed 2 bliver højtryksenheden (figur 7.16 B). Opholdstiden for processen er 3-10 minutter., Zeolitten til denne proces er et stærkt ordnet aluminosilicat med veldefinerede porestørrelser, der formes til perler eller indgår i en membran. Zeolitterne tiltrækker både vand og ethanol, men porestørrelserne er for små til at tillade ethanolen at komme ind. Som nævnt i figur 7.17 er porestørrelsen af membraneeolitmembranen 0,30 nm, mens vandmolekylets størrelse er 0,28 nm og ethanol 0,44 nm. Afhængigt af enhedstypen kan membranen eller perlerne regenereres ved hjælp af varme og vakuum eller ved at strømme den rene ethanol gennem enheden såvel som beskrevet ovenfor.,
diagrammet viser 95% EtOH damp fra destillation går ind i Enhed 1: et højt tryk dehydrerende seng. Ud af det 60-85% går EtOH til det endelige produkt, mens 15-40% af EtOH kommer ind i Enhed 2, et lavtryksvakuum regenererende seng. Ud af dette går den våde EtOH-damp tilbage til destillation.,
så når vi først har gæret materialet til ethanol, gennemgår det en række processer for at få produkterne i den form, vi ønsker dem. Figur 7.,18a er en skematisk produktgenvinding, og figur 7.18 b viser definitionerne af nogle af terminologien.
produkt opsving diagram af ethanol og andre produkter. Fra gæring udvindes CO2 sammen med øl: 12-13% Ethanol. Derfra sker destillation. Dette genvinder 95% ethanol, der går gennem en molekylsigte for at blive 100% ethanol og går i denatureret ethanolopbevaring med ben .in., Fra destillation genvindes hele stillage også. Dette går i separation / centrifugering og giver tynd stillage og WDG. Den tynde stillage genanvendes enten, eller den går ind i fordamperen og bliver sirup. Syrupdg og sirup kombineres for at blive WDGS. WDGS går i det tørre og bliver DDGS.
billedet definerer terminologi.,
hele Stillage (affaldsvæske fra destillation) går til centrifuge-eller filterpresser.
Thin Stillage (væske fra centrifuge) er genanvendt eller fordampet at gøre
Sirup (solubles), som er tilføjet til
WDG (Wet distillers grains), som derefter er tørret for at gøre
DDGS (Distiller Dried Grains with Solubles)
for At opsummere, majs har 62% stivelse, 19% protein, 4% olie, og 15% vand., Hvis du ser på produkterne på tør basis (du ser ikke på vandet som et produkt), er 73% af majsen stivelse, og 27% er protein, fiber og olie. For hver skæppe majs, realistisk vil du generere 2,8 liter ethanol, ~17 lbs af CO2, og ~17 lbs af DDGS. Vi vil se på økonomien i denne proces og et par andre processer i en senere lektion.
så på dette tidspunkt kan du se, hvordan du genererer ethanol fra majs., Hvis du vil generere ethanol fra cellulose i planter, har du oplysningerne fra Lektion 6 til at generere glukose fra cellulose (det er en mere involveret proces), men når du først har glukose, kan du bruge de samme sluttrin i ethanolproduktion fra gæring af glukose. I næste afsnit vil vi se på produktionen af en anden alkohol, butanol.