7.3bトウモロコシをエタノールに加工する方法

7.3bトウモロコシをエタノールに加工する方法

トウモロコシをエタノールに加工するプロセスは、多段階のプロセスである。 最初のステップは、トウモロコシの粉砕です。 それは乾燥した製粉かぬれた製粉によってすることができる。 図7.10aおよび図7.10bに、湿式粉砕および乾式粉砕の各プロセスステップを示します。 湿式粉砕のために、トウモロコシの穀粒は、亜硫酸溶液中で2日間加熱することによって澱粉、繊維、トウモロコシ胚芽およびタンパク質に分解される。, 澱粉は分かれ、エタノール、コーンシロップ、または食糧等級の澱粉を作り出すことができ 図7.10aに記載されているように、湿式粉砕プロセスでは、飼料、トウモロコシ油、グルテンミール、グルテン飼料などの追加製品も生産されます。 乾式製粉は湿式製粉よりも簡単なプロセスですが、生産される製品も少なくなります。 乾燥粉砕の主な製品は、エタノール、CO2、および可溶物を含む乾燥蒸留器穀物（DDGS）である。 “Sは乾燥した粉砕プロセスのステップのそれぞれによって行きます。 1）粉砕、2）調理および液化、3）糖化、4）発酵、および5）蒸留である。,

Grinding

乾燥した粉砕のトウモロコシのために粉砕をするのに、ハンマーミルかローラーミルが使用されています。 図7.,11は、トウモロコシがそれを通して置かれているハンマーミルの概略図です。 ハンマーは、ローターをオンにする棒に取り付けられています。 回転子が回転すると、供給（この場合はトウモロコシ）が壁に打ち付けられます。 底のスクリーンは単位を去り、すべての材料が正しいサイズの範囲にあるまで槌で打たれ続けるためにより大きい粒子で保つには十分に小さい粒子 粉砕は澱粉の表面積を増加するトウモロコシの穀粒の堅い外のコーティングを壊すのを助けます。, トウモロコシが分解されると、それはマッシュまたはスラリーを形成するために加熱された水で混合/スラリー化される。

調理および液化

トウモロコシスラリー（マッシュ）が作られると、それは調理および液化を経る。 調理段階は糊化とも呼ばれます。 水は温度が>60°Cのときトウモロコシの澱粉の微粒と相互に作用し、粘性懸濁液を形作ります。 厚い肉汁を作るためにコーンスターチと調理したことがあるか。, 図7.12は、加熱したソースに水を混ぜたデンプンを注いで調理する写真を示しています。 それは熱で濃くなります。

液化ステップは、実際には粘度を低下させる部分加水分解です。 それは本質的により長い澱粉の鎖をより小さい鎖に分割しています。, これを測定する一つの方法は、デキストロース当量（DE）、またはグルコースに対する糖製品中に存在する還元糖の量の尺度を、乾燥ベースでの百分率として表 デキストロースはグルコースとしても知られており、デキストロース等価物は、元の結合数と比較して切断された結合数である。, 式1:100×結合開裂数元の結合数

純粋なグルコース(デキストロース):DE=100

マルトース:DE=50

澱粉:DE=0

デキストリン:DE=1-13

デキストリンは、デンプンまたはグリコーゲンの加水分解によって生成される低分子炭水化物の群である。 デキストリンは、α(1,4)またはα(1,6)グリコシド結合によって連結されたD-グルコース単位のポリマーの混合物である。 デキストリンは接着剤で使用され、食品加工のための鮮明さの増強物である場合もあります。

マルトデキストリン：DE=3-20

マルトデキストリンをビールに添加する。,

澱粉の加水分解は、水が砂糖と反応して砂糖を分解してグルコースを形成する場所であることを思い出してください。 水はH+イオンとOH-イオンに分解され、デンプンが分解するにつれてデンプンと相互作用します。

液化を達成するためには、反応は特定の条件下で行われなければならない。 マッシュのpHは5.9-6.2の範囲に維持され、pHを維持するためにアンモニアおよび硫酸はタンクに加えられます。, 必要なタイプの酵素、α-アミラーゼの約三分の一は、マッシュの流動性を改善するために、ジェット調理前（2-7分で105-120℃）にマッシュに添加することがで ジェット調理は殺菌のステップとして発酵のステップの間に細菌汚染を後で避けるのに役立つ。 この段階では、より短いデキストリンが生成されるが、まだグルコースではない。

液化には三つのタイプのプロセスを利用できます。 図7.13に、三つのオプションを示します。 プロセス1は、α-アミラーゼを添加し、材料を85-95℃でインキュベートする場所である。, プロセス2は、105-120℃のジェット炊飯器で2-7分間マッシュを持ち、次いで90℃のフラッシュタンクに流れる。 第三のオプション、プロセス3は、α-アミラーゼを追加し、150℃でジェットクッカーで加熱し、90℃でフラッシュタンクに流れ、より多くのα-アミラーゼを加える。

液化のためのα-アミラーゼは、内部α(1,4)グリコシド結合に作用し、デキストリンとマルトース（グルコース二量体）を生成する。, ヒトの唾液中にはα-アミラーゼの一種が存在し、膵臓では異なるα-アミラーゼが利用されている。 図7.14aにα-アミラーゼの一種を示します。 Α-アミラーゼはβ-アミラーゼよりもやや速く働き、β-アミラーゼは第二のα(1,4)グリコシド結合に作用し、マルトースが形成される（図7.14b参照）。 β-アミラーゼは、果実が熟すにつれて果実の甘さを増加させる果実の熟成過程の一部である。

糖化

エタノールを製造するプロセスの次のステップは糖化です。 糖化は、グルコースモノマーへのさらなる加水分解のプロセスである。 別の酵素が使用され、グルコアミラーゼ（より長い名前のアミログルコシダーゼでも知られている）と呼ばれる。 それはグルコースを形作るためにデキストリンの端からのα（1,4）およびα（1,6）グリコシドの結束を両方開きます。, 最適条件は前のステップとは異なり、pH4.5、温度55-65℃である図7.14cは、Γ-アミラーゼとも呼ばれるグルコアミラーゼの概略図を示しています。 細菌および菌類から得られる利用できるいろいろアミラーゼの酵素があります。 表7.2は、異なる酵素、それらの供給源、およびそれぞれの作用を示している。

表7.,2:澱粉の解重合で使用される異なった酵素。 (Credit:MF Chaplin and C.Bucke,Enzyme Technology,Cambridge University Press,1990)

酵素	ソース	アクション
Α-アミラーゼ	Bacillus amyloliquefaciens	α-1,4-オリゴ糖リンクのみが切断され、a-デキストリンおよび主にマルトース（g2）、g3、g6、およびg7オリゴ糖
	bが得られる。, licheniformis	α-1,4-オリゴ糖リンクのみが切断され、a-デキストリンおよび主にマルトース、G3、G4、およびG5オリゴ糖
	Aspergillus oryzae、A.niger	α-1,4オリゴ糖リンクのみが切断され、a-デキストリンおよび主にマルトースおよびG3オリゴ糖
糖化a-アミラーゼ	B。, subtilis(amylosacchariticus)	α-1,4-オリゴ糖リンクのみが切断され、マルトース、G3、G4および最大50％（w/w）グルコースでa-デキストリンを与える
β-アミラーゼ	麦芽大麦	α-1,4-リンクのみが切断され、非還元末端から制限デキストリンおよびb-マルトースを与える
グルコアミラーゼ	a.ニジェール	α-1,4およびα-1,6-リンクは、非還元末端から切断され、β-グルコース
プルラナーゼ	Bを与える。, acidopullulyticus	α-1,6-リンクのみが切断されて直鎖マルトデキストリンを与える

新しく開発された酵素（顆粒状デンプン加水分解酵素-GSHE）のいくつかは、調理によって低温でデンプンを加水分解することによって液化段階をスキップすることができる。 利点は下記のものを含んでいる:1）減らされた熱/エネルギー、2）減らされた単位操作（資本および操業費用の削減）、3）減らされた放出、および4）より高いDDG。 それらは水swelling張/注入なしで澱粉の微粒に直接”芯を取ることによって”働きます。, 不利な点は下記のものを含んでいる:1）酵素は多くを要し、2）汚染の危険。

発酵

デンプンからエタノールを製造する最終化学工程は発酵である。 発酵の化学反応は、グルコースの1モルがエタノールの2モルと二酸化炭素の2モルをもたらすところである。 反応を以下の式2に示す：

C6H12O6→2C2H6OH+2CO2

発酵を起こさせるために、酵母を加える。 使用する一般的な酵母は、単細胞真菌であるsaccharomyces cerevisiaeである。 この反応は、バッチプロセスで30-32℃で2-3日間行われる。, 補足窒素は硫酸アンモニウム（（NH4）2SO4）または尿素として加えられます。 プロテアーゼときに変換するために使用されます。タンパク質のアミノ酸として追加する追加酵母の栄養. Virginiamycinおよびペニシリンは頻繁に使用されます細菌汚染を防ぐために。 生成される二酸化炭素はまた、phを低下させ、汚染リスクを低減することができる。 グルコースの90-95％近くがエタノールに変換される。ワンステップで糖化と発酵を行うことができます。

これは同時糖化と発酵（SSF）と呼ばれ、グルコアミラーゼと酵母の両方が一緒に加えられます。, これは、糖化（32-35℃）よりも低い温度で行われ、グルコースへの加水分解を遅らせる。 グルコースが形成されると、それは発酵され、酵素生成物阻害を減少させる。 で低下により当初のブドウ糖濃度の低下により汚染リスクは低エネルギー要件は、高利回りのエタノール. SSFは一つのユニットで行われるため、資本コストを改善し、滞留時間を節約することができます。

蒸留とエタノール濃度の増加

エタノール生産の最後の段階は、エタノール濃度を増加させるためのエタノールの処理である。, 発酵槽から下流では、エタノール濃度は水中で12-15％のエタノールです（つまり、あなたの溶液に85-88％の水があることを意味します！). 原油は、使用可能な製品に油を分離するために様々な沸騰画分に蒸留する必要があります。 蒸留は、液体が下方に流れ続け、蒸気が上方に流れ続けるように熱と特別に設計された塔を使用して部品を分離するプロセスである。 水は100℃で沸騰し、エタノールは78℃で沸騰する。, しかし、水とエタノールは沸点よりも低い温度で蒸発し、OH官能基が互いに引き寄せられているため、エタノールと水分子は互いに強く結合して共沸混合を形成している。 それはちょうどあなたが完全に水からエタノールを分離することはできないことを意味します–あなたが蒸留プロセスの最後に到達するとき、エタノー 図7.15に、蒸留ユニットの概略図を示します。, それは効率的な燃焼を防ぐので、あなたが運転するときにガソリンに水を望んでいません。 燃料として使用する場合は、エタノールに水が必要ですか？

答えはいいえなので、エタノールからすべての水を除去するために追加の方法を使用する必要があります。 この方法は脱水と呼ばれます。 使用される単位は分子sieveと呼ばれ、それで使用される材料はゼオライトと呼ばれます。, これらの条件下では、ゼオライトはその中に水を吸収するが、エタノールはゼオライトに入らない。 それらは圧力振動吸着単位と呼ばれるものを使用する。 単位は二つのモードで動くように設計されている。 高圧では、エタノールをユニット1で脱水し、低圧では無水エタノールを供給してユニット2から水を除去する（図7.16a）。 ゼオライトふるいが全ての水を吸収したとき、ユニット1は低圧再生床に切り替えられ、ユニット2は高圧単位になります（図7.16b）。 プロセスの滞留時間は3-10分です。, このプロセスのためのゼオライトはビーズに形作られるか、または膜に含まれている明確に定義された気孔のサイズの非常に秩序化されたaluminosilicate ゼオライトは水とエタノールの両方を引き付けるが、細孔サイズは小さすぎてエタノールが入ることができない。 図7.17に記載されているように、ゼオライト膜の細孔サイズは0.30nmであり、水分子のサイズは0.28nmおよびエタノール0.44nmである。 ユニットのタイプに応じて、膜またはビーズは、熱および真空を使用して、または純粋なエタノールをユニットを通して流すことによって、ならびに上記,

材料を発酵させてエタノールにすると、一連のプロセスを経て、必要な形で製品を得ることができます。 図7.,図18aは製品回収の概略図であり、図7.18bはいくつかの用語の定義を示しています。

要約すると、トウモロコシは62％のデンプン、19％のタンパク質、4％の油を有し、15%水。, 乾燥ベースで製品を見ると（製品のように水を見ないでください）、トウモロコシの73％は澱粉であり、27％はタンパク質、繊維、および油です。 トウモロコシのすべてのブッシェルについて、現実的には2.8ガロンのエタノール、-17ポンドのCO2、および-17ポンドのDDGSを生成します。 私たちは、このプロセスの経済学と後のレッスンで他のプロセスのカップルを見ていきます。 この時点で、トウモロコシからエタノールを生成する方法を見ることができます。, 植物でセルロースからエタノールを生成したい場合は、セルロースからグルコースを生成するためのレッスン6からの情報を持っています（それはより複雑な 次のセクションでは、別のアルコール、ブタノールの生産を見ていきます。

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