7.3 b Come il mais viene lavorato per produrre etanolo
7.3 b Come il mais viene lavorato per produrre etanolo
Il processo di trasformazione del mais in etanolo è un processo multistep. Il primo passo è quello di macinare il mais. Può essere fatto mediante fresatura a secco o fresatura a umido. Le figure 7.10 a e 7.10 b mostrano le fasi del processo per ogni fresatura a umido e a secco. Per la macinazione a umido, i chicchi di mais vengono suddivisi in amido, fibra, germe di mais e proteine riscaldando nella soluzione di acido solforoso per 2 giorni., L’amido è separato e può produrre etanolo, sciroppo di mais o amido alimentare. Come si nota nella Figura 7.10 a, il processo di macinazione a umido produce anche prodotti aggiuntivi tra cui mangimi, olio di mais, farina di glutine e mangimi per glutine. La fresatura a secco è un processo più semplice della fresatura a umido, ma produce anche meno prodotti. I principali prodotti della macinazione a secco sono etanolo, CO2 e grano distillatore essiccato con solubili (DDGS). Andiamo attraverso ciascuna delle fasi del processo di macinazione a secco. I cinque passaggi sono: 1) macinazione, 2) cottura e liquefazione, 3) saccarificazione, 4) fermentazione e 5) distillazione.,
Schema del processo di fresatura a umido
- Il primo mais è immerso. Dalla macerazione del mais i prodotti vengono separati in:
- Amido/Glutine
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L’amido / Glutine passa attraverso un’ulteriore fase di separazione e l’amido viene combinato con tutto l’altro amido.,l>
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asciugare a fare amidi
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la Fermentazione di etanolo chimica
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Sciroppo di raffinazione per fare lo sciroppo di mais, destrosio, e di alta fruttosio sciroppo di mais
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- Amido/Glutine
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il Germe di Mais/Fibra di passare attraverso la macinazione di screening per produrre
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Germe
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passa attraverso la raffinazione del petrolio, per diventare olio di mais
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Fibra
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Diventa di alimentazione prodotto, bagnato feed
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Il primo mais viene macinato, cotto, liquefatto e saccarificato. Dalla saccarificazione, passa attraverso la fermentazione che produce CO2. Dopo la fermentazione, va in distillazione che produce etanolo. Viene quindi centrifugato ed evaporato che produce grani distillatori con solubili.
Grinding
Per la macinazione a secco di mais, viene utilizzato un mulino a martelli o un mulino a rulli per eseguire la macinazione. Figura 7.,11 è uno schema di un hammermill con il mais che viene messo attraverso di esso. I martelli sono attaccati alle aste che accendono un rotore. Mentre il rotore gira, l’alimentazione (mais in questo caso) viene martellata contro il muro. Uno schermo nella parte inferiore consente alle particelle abbastanza piccole da lasciare l’unità e mantenere le particelle più grandi per continuare a essere martellate fino a quando tutto il materiale non si trova nell’intervallo di dimensioni corretto. La macinazione aiuta a rompere i rivestimenti esterni duri del kernel di mais, che aumenterà la superficie dell’amido., Una volta che il mais è ripartito, è mescolato/slurried con acqua riscaldata per formare una poltiglia o slurry.
Cooking and Liquefaction
Una volta fatta la poltiglia di mais (mash), passa attraverso la cottura e la liquefazione. La fase di cottura è anche chiamata gelatinizzazione. L’acqua interagisce con i granuli di amido nel mais quando la temperatura è > 60°C e forma una sospensione viscosa. Avete mai cucinato con amido di mais per fare sugo di spessore?, La figura 7.12 mostra un’immagine di amido mescolato con acqua che viene versato in una salsa riscaldata mentre cuoce. Si addenserà con il calore.
La fase di liquefazione è in realtà l’idrolisi parziale che abbassa la viscosità. Essenzialmente sta rompendo le catene di amido più lunghe in catene più piccole., Un modo per misurare questo è quello di guardare destrosio equivalenti (DE), o una misura della quantità di zuccheri riducenti presenti in un prodotto di zucchero, rispetto al glucosio, espresso in percentuale su base secca. Il destrosio è anche noto come glucosio e l’equivalente di destrosio è il numero di legami scissi rispetto al numero originale di legami., L’equazione è:
la formula (1): 100× numero di legami spaccati numero di legami originari
Puro glucosio (destrosio): DE = 100
Maltosio: DE = 50
Amido: DE = 0
Destrina: DE = da 1 a 13
Destrine sono un gruppo a basso peso molecolare, carboidrati prodotto dall’idrolisi di amido o di glicogeno. Le destrine sono miscele di polimeri di unità di D-glucosio legate da legami glicosidici α (1,4) o α (1,6). Le destrine sono utilizzate nelle colle e possono essere un esaltatore di freschezza per la lavorazione degli alimenti.
Maltodestrina: DE = da 3 a 20
La maltodestrina viene aggiunta alla birra.,
Ricordiamo che l’idrolisi dell’amido è dove l’acqua reagisce con lo zucchero per rompere lo zucchero e formare glucosio. L’acqua si rompe negli ioni H + e OH per interagire con l’amido mentre si rompe.
Per ottenere la liquefazione, la reazione deve avvenire in determinate condizioni. Il pH della poltiglia viene mantenuto nell’intervallo 5,9-6,2 e l’ammoniaca e l’acido solforico vengono aggiunti al serbatoio per mantenere il pH., Circa un terzo del tipo richiesto di enzima, α-amilasi, può essere aggiunto alla poltiglia prima della cottura a getto (2-7 minuti a 105-120°C) per migliorare la fluidità della poltiglia. La cottura a getto serve come fase di sterilizzazione per evitare la contaminazione batterica durante la fase di fermentazione in seguito. In questa fase vengono prodotte destrine più corte ma non sono ancora glucosio.
Tre tipi di processi possono essere utilizzati per la liquefazione. La figura 7.13 mostra le tre opzioni. Il processo 1 è dove viene aggiunta l’α-amilasi e il materiale viene incubato a 85-95°C., Il processo 2 ha la poltiglia nel fornello a getto a 105-120ºC per 2-7 minuti, quindi scorre in un serbatoio flash a 90°C. l’α-amilasi viene aggiunta tre ore dopo. La terza opzione, il processo 3, aggiunge l’α-amilasi, i riscaldamenti nel fornello a getto a 150°C, seguito dal flusso al serbatoio flash a 90°C e aggiungendo più α-amilasi.
processi
Tipo di Processo 1
α-amilasi aggiunto; incubate a 85-95ºC
Tipo di Processo 2
Jet fornello 105-120ºC per 2-7 minuti
Flash Serbatoio di 90 ° C; aggiungere delle alfa-amilasi per 3 ore
Tipo di Processo 3
α-amilasi aggiunto
Riscaldamento/Jet cucina @ 150 ºC
Flash serbatoio 90 ; aggiungere più delle alfa-amilasi
L’alfa-amilasi per la liquefazione di atti interni α (1,4) legami glicosidici a cedere destrine e maltosio (glucosio dimeri)., Un tipo di α-amilasi esiste nella saliva degli esseri umani; una diversa α-amilasi è utilizzata dal pancreas. La figura 7.14 a mostra un tipo di α-amilasi. L’α-amilasi funziona un po ‘ più velocemente della β-amilasi e la β-amilasi funziona sul secondo legame glicosidico α (1,4) in modo che si formi il maltosio (vedi Figura 7.14 b). la β-amilasi fa parte del processo di maturazione della frutta aumentando la dolcezza della frutta mentre matura.
in arrivo
Saccarificazione
Il passo successivo nel processo di produzione di etanolo è la saccarificazione. La saccarificazione è il processo di ulteriore idrolisi in monomeri di glucosio. Viene utilizzato un enzima diverso, chiamato glucoamilasi (noto anche con il nome più lungo amiloglucosidasi). Fende entrambi i legami glicosidici α (1,4) e α (1,6) dalle estremità della destrina per formare glucosio., Le condizioni ottimali sono diverse dal passaggio precedente e sono a un pH di 4,5 e una temperatura di 55-65 ° C. La figura 7.14 c mostra uno schema della glucoamilasi, che è anche chiamata ϒ-amilasi. Ci sono un’ampia varietà di enzimi amilasi disponibili che sono derivati da batteri e funghi. La tabella 7.2 mostra diversi enzimi, la loro fonte e l’azione di ciascuno.
| Enzima | Fonte | Azione |
|---|---|---|
| α-Amilasi | Bacillus amyloliquefaciens | Solo α-1,4-oligosaccaridi i link sono spaccati per dare un-destrina e prevalentemente maltosio (G2, G3, G6 e G7 oligosaccaridi |
| B., licheniformis | Solo α-1,4-oligosaccaridi i link sono spaccati per dare un-destrina e prevalentemente maltosio, G3, G4 e G5 oligosaccaridi | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Solo α-1,4 oligosaccaridi i link sono spaccati per dare un-destrina e prevalentemente maltosio e G3 oligosaccaridi | |
| Saccharifying a-amilasi | B., subtilis (amylosacchariticus) | Solo α-1,4-oligosaccaridi i link sono spaccati per dare un-destrina con il maltosio, il G3, G4 e fino al 50% (w/w) di glucosio |
| β-Amilasi | Malto d’orzo | Solo α-1,4-link sono scissi, da non ridurre le estremità, per dare un limite di destrina e b-maltosio |
| Glucoamilasi | A. niger | α-1,4 e α-1,6-link sono scissi, dal nonreducing termina, per dare β-glucosio |
| Pullulanase | B., acidopullulyticus | Solo α-1,6-link sono spaccati a dare retta a catena maltodestrine |
Alcuni dei più recenti sviluppato gli enzimi (granulare amido di spezzettare gli enzimi GSHE) permettono di saltare la fase di liquefazione da spezzettare l’amido a basse temperature di cottura. I vantaggi includono: 1) riduzione del calore/energia, 2) riduzione del funzionamento dell’unità (riduzione del capitale e dei costi operativi), 3) riduzione delle emissioni e 4) DDGS più elevati. Funzionano “carotando” direttamente nei granelli dell’amido senza il rigonfiamento/infusione dell’acqua., Gli svantaggi includono: 1) gli enzimi costano di più e 2) rischi di contaminazione.
Fermentazione
La fase chimica finale nella produzione di etanolo dall’amido è la fermentazione. La reazione chimica della fermentazione è dove 1 mole di glucosio produce 2 moli di etanolo e 2 moli di anidride carbonica. La reazione è mostrata nell’equazione 2 di seguito:
C 6 H 12 O 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
Per far sì che la fermentazione abbia luogo, viene aggiunto il lievito. Un lievito comune da usare è saccharomyces cerevisiae, che è un fungo unicellulare. La reazione avviene a 30-32 ° C per 2-3 giorni in un processo batch., L’azoto supplementare è aggiunto come solfato di ammonio ((NH4) 2SO4) o urea. Una proteasi può essere utilizzata per convertire le proteine in amminoacidi da aggiungere come nutriente aggiuntivo di lievito. Virginiamicina e penicillina sono spesso usati per prevenire la contaminazione batterica. L’anidride carbonica prodotta abbassa anche il pH, che può ridurre il rischio di contaminazione. Vicino al 90-95% del glucosio viene convertito in etanolo.
È possibile fare saccarificazione e fermentazione in un unico passaggio. Si chiama Saccarificazione simultanea e fermentazione (SSF), e sia la glucoamilasi che il lievito vengono aggiunti insieme., Viene fatto a una temperatura inferiore alla saccarificazione (32-35°C), che rallenta l’idrolisi in glucosio. Come si forma il glucosio, viene fermentato, che riduce l’inibizione del prodotto enzimatico. Abbassa le concentrazioni iniziali di glucosio, riduce il rischio di contaminazione, abbassa il fabbisogno energetico e produce rese più elevate di etanolo. Poiché SSF è fatto in una sola unità, può migliorare i costi di capitale e risparmiare tempo di residenza.
Distillazione e aumento della concentrazione di etanolo
L’ultima fase della produzione di etanolo è la lavorazione dell’etanolo per aumentare la concentrazione di etanolo., A valle dei fermentatori, la concentrazione di etanolo è del 12-15% di etanolo in acqua (il che significa che hai l ‘ 85-88% di acqua nella tua soluzione!). La distillazione è stata menzionata in una lezione precedente; il petrolio greggio deve essere distillato in varie frazioni di ebollizione per separare l’olio in prodotti utilizzabili. La distillazione è un processo per separare i componenti utilizzando calore e torri appositamente progettate per mantenere il liquido che scorre verso il basso e i vapori generati per fluire verso l’alto. L’acqua bolle a 100°C, mentre l’etanolo bolle a 78°C., Tuttavia, poiché l’acqua e l’etanolo evaporano a una temperatura inferiore rispetto ai loro punti di ebollizione e poiché entrambi hanno gruppi funzionali OH che sono attratti l’uno dall’altro, le molecole di etanolo e acqua sono fortemente legate l’una all’altra e formano insieme un azeotropo. Ciò significa solo che non è possibile separare completamente l’etanolo dall’acqua: la frazione di etanolo conterrà circa il 5% di acqua e il 95% di etanolo quando si arriva alla fine del processo di distillazione. La figura 7.15 mostra uno schema di un’unità di distillazione., Non vuoi l’acqua nella benzina mentre guidi, perché impedisce una combustione efficiente. Vuoi l’acqua nel tuo etanolo se lo usi come combustibile?
La risposta è no, quindi è necessario utilizzare un metodo aggiuntivo per rimuovere tutta l’acqua dall’etanolo. Il metodo è chiamato disidratazione. L’unità utilizzata è chiamata setaccio molecolare e il materiale utilizzato in esso è chiamato zeolite., In queste condizioni, la zeolite assorbe l’acqua in esso, ma l’etanolo non andrà nella zeolite. Usano quella che viene chiamata unità di adsorbimento a pressione. L’unità è progettata per funzionare in due modalità. Ad alta pressione, l’etanolo viene disidratato nell’unità 1 e, a bassa pressione, l’etanolo anidro viene alimentato attraverso per rimuovere l’acqua dall’unità 2 (Figura 7.16 a). Quando il setaccio di zeolite ha assorbito tutta l’acqua, l’unità 1 viene commutata per diventare il letto rigenerante a bassa pressione e l’unità 2 diventa l’unità ad alta pressione (Figura 7.16 b). Il tempo di permanenza per il processo è di 3-10 minuti., La zeolite per questo processo è un alluminosilicato altamente ordinato con dimensioni dei pori ben definite che si formano in perline o incluse in una membrana. Le zeoliti attirano sia l’acqua che l’etanolo, ma le dimensioni dei pori sono troppo piccole per consentire all’etanolo di entrare. Come notato nella Figura 7.17, la dimensione dei pori della membrana zeolite è 0,30 nm, mentre la dimensione della molecola d’acqua è 0,28 nm e l’etanolo 0,44 nm. A seconda del tipo di unità, la membrana o perline possono essere rigenerati utilizzando calore e vuoto, o facendo scorrere l’etanolo puro attraverso l’unità, così come descritto sopra.,
Il diagramma mostra il 95% di vapore EtOH proveniente dalla distillazione che entra nell’unità 1: un letto di disidratazione ad alta pressione. Di quel 60-85%, EtOH va al prodotto finale mentre il 15-40% dell’EtOH entra nell’unità 2, un letto rigenerante a vuoto a bassa pressione. Fuori di questo, il vapore EtOH bagnato torna alla distillazione.,
Quindi una volta che abbiamo fermentato il materiale in etanolo, passa attraverso una serie di processi per ottenere i prodotti nella forma che li vogliamo. Figura 7.,18a è uno schema di recupero del prodotto e la figura 7.18 b mostra le definizioni di alcuni termini.
Schema di recupero del prodotto di etanolo e altri prodotti. Dalla fermentazione, la CO2 viene recuperata insieme alla birra: 12-13% di etanolo. Da lì avviene la distillazione. Questo recupera 95% etanolo che passa attraverso un setaccio molecolare per diventare 100% etanolo e va in stoccaggio etanolo denaturato con benzina., Dalla distillazione viene recuperato anche l’intero stillage. Questo va in separazione / centrifugazione e produce stillage sottile e WDG. L’alambicco sottile viene riciclato o va nell’evaporatore e diventa sciroppo. Il WDG e lo sciroppo sono combinati per diventare WDG. Il WDGS entra nell’asciutto e diventa DDGS.
L’immagine definisce la terminologia.,
L’intero Stillage (liquido residuo dalla distillazione) va alle centrifughe o alle filtropresse.
Sottile Borlande (liquido da una centrifuga) è riciclato o evaporata fare
Sciroppo (solubili) che vengono aggiunte alla
WDG (Bagnato distillatori grani), che vengono poi essiccati per fare
DDGS (Distiller Secchi Granuli Solubili)
Per riassumere, il mais ha il 62% di amido, il 19% di proteine, 4% di olio, e il 15% di acqua., Se guardi i prodotti su base secca (non guardi l’acqua come un prodotto), il 73% del mais è amido e il 27% è proteine, fibre e olio. Per ogni moggio di mais, realisticamente genererai 2,8 galloni di etanolo, ~17 libbre di CO2 e ~17 libbre di DDGS. Vedremo l’economia di questo processo e un paio di altri processi in una lezione successiva.
Quindi, a questo punto, puoi vedere come generare etanolo dal mais., Se vuoi generare etanolo dalla cellulosa nelle piante, hai le informazioni della Lezione 6 per generare glucosio dalla cellulosa (è un processo più coinvolto), ma una volta che hai glucosio, puoi usare gli stessi passaggi finali nella produzione di etanolo dalla fermentazione del glucosio. Nella prossima sezione, vedremo la produzione di un altro alcol, butanolo.