7.3 b Hvordan Kornet er Behandlet for å Lage Etanol
7.3 b Hvordan Kornet er Behandlet for å Lage Etanol
prosessen med å lage korn i etanol er en flere trinn. Det første trinnet er å fresing kornet. Det kan gjøres ved å tørre fresing eller våt maling. Tallene 7.10 en og 7.10 b viser prosessen trinn for hver våt og tørr fresing. For våt maling, kornet kjerner er brutt ned i stivelse, fiber, korn bakterie, og protein ved oppvarming i sulfurous sur løsning for 2 dager., Stivelsen er atskilt og kan produsere etanol, mais sirup, eller mat-grade stivelse. Som er angitt i Figur 7.10 en, den våte fresing prosessen produserer også flere produkter inkludert fôr, maisolje, gluten måltid, og gluten-feed. Tørr fresing er en enklere prosess enn våt maling, men det fører også til færre produkter. De viktigste produkter av tørr fresing er etanol, CO2, og tørket distiller korn med solubles (DDGS). Let ‘ s go gjennom hvert av trinnene i den tørre slipe prosessen. De fem trinnene er: 1) sliping, 2) matlaging og lng (liquefied natural gas, 3) saccharification, 4) gjæring, og 5) destillasjon.,
Skjematisk av Våt Maling Prosessen
- Første Mais er gjennomsyret av. Fra bløtlegging av korn produktene er delt inn i:
- Stivelse/Gluten
-
Stivelse/Gluten går gjennom et steg videre av separasjon og stivelse er kombinert med alle de andre stivelse.,l>
-
Tørking for å gjøre stivelse
-
Gjæring å lage etanol kjemiske
-
Sirup raffinering å gjøre mais sirup, druesukker, og høy fruktose mais sirup
-
- Stivelse/Gluten
-
Korn Bakterie/Fiber gå gjennom sliping screening for å gi
-
Bakterie
-
går gjennom oljeraffinering å bli mais olje –
– >
-
-
Fiber
-
Blir mate produkt, hermetisert
-
-
Første mais bakken, kokt, flytende og saccharified. Fra saccharification, det går gjennom gjæring som produserer CO2. Etter gjæring, den går inn destillasjon som produserer etanol. Det er så sentrifugerte og fordampet som gir distillers grains med solubles.
Sliping
For tørr sliping mais, en hammermill eller roller mill brukes til å gjøre sliping. Figur 7.,11 er en illustrasjon av en hammermill med korn blir satt gjennom det. Hammerne er knyttet til stenger som slår på en rotor. Som rotoren blir, mate (korn i dette tilfellet) er hamret mot veggen. En skjerm på bunnen gjør at partikler som er små nok til å la enheten og holde i større partikler til å fortsette å være hamret til alt materialet er i riktig størrelse utvalg. Sliping bidrar til å bryte den tøffe ytre belegg av kornet og kjernen, noe som vil øke arealet av stivelse., Når kornet er brutt ned, det er blandet/slurried med oppvarmet vann og danner en mash eller slurry.
Matlaging og lng (liquefied natural gas
Når kornet slurry (mos) er gjort, går gjennom matlaging og lng (liquefied natural gas. Matlaging fasen kalles også gelatinization. Vann samhandler med stivelse granulater i kornet når temperaturen er >60°C og danner en tyktflytende suspensjon. Har du noen gang kokt med cornstarch å gjøre tykk saus?, Figur 7.12 viser et bilde av stivelse, blandet med vann som strømmet inn i et oppvarmet saus som det kokker. Det vil tykne med varme.
lng (liquefied natural gas trinn er faktisk delvis hydrolyse som senker viskositet. Det er i hovedsak å bryte opp lenger stivelse kjeder i mindre kjeder., En måte å måle dette på er å se på druesukker-ekvivalenter (DE), eller et tiltak for å redusere mengden av sukker som finnes i en sukker-produkt, i forhold til glukose, uttrykt som en prosentandel på tørr basis. Druesukker er også kjent som glukose, og druesukker tilsvarende er antall obligasjoner spaltet i forhold til det opprinnelige antall obligasjoner., Ligningen er:
Ligning 1: 100× antall obligasjoner spaltet antall opprinnelige obligasjoner
Ren glukose (druesukker): DE = 100
Maltose: DE = 50
Stivelse: DE = 0
Dextrins: DE = 1 til 13
Dextrins er en gruppe med lav molekylvekt, karbohydrater produsert av hydrolyse av stivelse eller glykogen. Dextrins er en blanding av polymerer av D-glukose enheter koblet av α (1,4) eller α (1,6) glycosidic obligasjoner. Dextrins brukes i lim og kan være en skarphet enhancer for næringsmiddelproduksjon.
Maltodextrin: DE = 3 gjennom 20
Maltodextrin er lagt til øl.,
Husker at hydrolyse av stivelse er der vann reagerer med sukker for å bryte sukker ned og danner glukose. Vannet bryter seg inn i H+ og OH – ioner til å samhandle med stivelse som bryter det ned.
for å oppnå lng (liquefied natural gas, reaksjonen må skje under visse betingelser. PH-verdien av mos er opprettholdt i området 5,9-6.2, og ammoniakk og svovelsyre er lagt til tanken for å opprettholde pH., Om lag en tredjedel av de nødvendige type av enzymet α-amylase, kan bli lagt til mash før jet matlaging (2-7 minutter på 105-120°C) for å bedre flyteevne av mos. Jet matlaging fungerer som en sterilisering trinn for å unngå bakteriell kontaminering under gjæring trinn senere. På dette stadiet, kortere dextrins er produsert, men er ennå ikke glukose.
Tre typer prosesser kan brukes for lng (liquefied natural gas. Figur 7.13 viser de tre alternativene. Prosess 1 er der α-amylase er lagt til, og materialet er inkubert på 85-95°C., Prosess 2 mos i jet komfyr på 105-120ºC for 2-7 minutter, deretter strømmer til flash tank på 90°C. α-Amylase er lagt til tre timer senere. Det tredje alternativet, Prosess 3, legger α-amylase, den varmer i jet komfyr på 150°C, etterfulgt av flyt-til-flash tank på 90°C, og legge til mer α-amylase.
Tre prosesser
Prosessen med Type 1 –
– >
α-amylase lagt; inkubert ved 85-95ºC
Behandle Type 2
Jet komfyr 105-120ºC for 2-7 minutter
Flash-Tank for å 90ºC; legg til α-amylase for 3 timer
Behandle Type 3
α-amylase lagt
Oppvarming/Jet matlaging @ 150ºC
Flash-tank for å 90ºC ; legge til flere α-amylase
α-amylase for lng (liquefied natural gas fungerer på den interne α (1,4) glycosidic obligasjoner for å gi dextrins og maltose (glukose dimers)., En type α-amylase finnes i spytt av mennesker; en annen α-amylase benyttes av bukspyttkjertelen. Figur 7.14 viser en én type α-amylase. De α-amylase går litt fortere enn β-amylase, og β-amylase fungerer på den andre α (1,4) glycosidic bond slik at maltose er dannet (se Figur 7.14 b). β-amylase er en del av modningsprosessen av frukt øke sødme i frukten som den modner.
kommer
Saccharification
Det neste trinnet i prosessen med å lage etanol er saccharification. Saccharification er prosessen med ytterligere hydrolyse til glukose monomers. Et annet enzym som brukes, kalles en glucoamylase (også kjent ved lengre navn amyloglucosidase). Det cleaves både α (1,4) og α (1,6) glycosidic obligasjoner fra dextrin endene for å danne glukose., Den optimale betingelser som er forskjellige fra forrige trinn, og er på en pH-verdi på 4,5 og en temperatur på 55-65°C. Figur 7.14 c viser en skjematisk av glucoamylase, noe som også kalles en ϒ-amylase. Det finnes et bredt utvalg av amylase enzymer som er avledet fra bakterier og sopp. Tabell 7.2 viser forskjellige enzymer, deres kilde, og virkningen av hvert.
| Enzym | Kilde | Handling |
|---|---|---|
| α-Amylase | Bacillus amyloliquefaciens | Bare α-1,4-oligosaccharide koblinger er spaltet å gi en-dextrins og overveiende maltose (G2), G3, G6 og G7 oligosakkarider |
| B., licheniformis | Bare α-1,4-oligosaccharide koblinger er spaltet å gi en-dextrins og overveiende maltose, G3, G4 og G5-oligosakkarider | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Bare α-1,4 oligosaccharide koblinger er spaltet å gi en-dextrins og overveiende maltose og G3 oligosakkarider | |
| Saccharifying en-amylase | B., subtilis (amylosacchariticus) | Bare α-1,4-oligosaccharide koblinger er spaltet å gi en-dextrins med maltose, G3, G4 og opp til 50% (w/w) – glukose |
| β-Amylase | Malted bygg | Bare α-1,4-koblinger er spaltet, fra ikke-redusere ender, for å gi begrense dextrins og b-maltose |
| Glucoamylase | A. niger | α-1,4 og α-1,6-koblinger er spaltet, fra nonreducing ender, for å gi β-glukose |
| Pullulanase | B., acidopullulyticus | Bare α-1,6-koblinger er spaltet å gi rett-kjedet maltodextrins |
Noen av de nyere utviklet enzymer (granular stivelse hydrolyzing enzymer – GSHE) kan hoppe over lng (liquefied natural gas scenen ved hydrolyzing stivelse ved lave temperaturer med matlaging. Fordeler inkluderer: 1) redusert varme/energi, 2) redusert enhet drift (redusere kapital-og driftskostnader), 3) redusert utslipp, og 4) høyere DDGS. De jobber med «lufting» i stivelse granulater direkte uten vann hevelse/infusjon., Ulempene inkluderer: 1) enzymer koste mer, og 2) smitt.
Gjæring
Det endelige kjemiske trinn i produksjon av etanol fra stivelse er gjæring. Den kjemiske reaksjonen av gjæringen er der 1 mol glukose gir 2 føflekker av etanol og 2 føflekker av karbondioksid. Reaksjonen er vist i Ligning 2 nedenfor:
C 6 H 12 O 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
for Å føre til gjæring å ta plass, gjær er lagt til. En vanlig gjær å bruke, er saccharomyces cerevisiae, som er en encellet sopp. Reaksjonen skjer ved 30-32°C i 2-3 dager i en batch prosess., Tilførsel av nitrogen er lagt til som ammonium sulfate ((NH4)2SO4) eller urea. En protease kan brukes til å konvertere proteiner til aminosyrer for å legge til som en ekstra gjær næringsinnhold. Virginiamycin og penicillin er ofte brukt til å forebygge bakteriell forurensning. De karbondioksid også senker pH, noe som kan redusere risiko for forurensning. Nær 90-95% av glukose omdannes til etanol.
Det er mulig å gjøre saccharification og gjæring i ett trinn. Det kalles Samtidig Saccharification og Fermentering (SSF), og både glucoamylase og gjær er lagt sammen., Det er gjort på en lavere temperatur enn saccharification (32-35°C), som bremser hydrolyse til glukose. Som glukose er dannet, det er gjæret, som reduserer enzym produktet hemming. Det senker første glukose konsentrasjon, reduserer risiko for forurensning, reduserer energibehovet, og gir høyere avkastning av etanol. Fordi SSF er gjort i en enhet, kan det forbedre kapitalkostnader og lagre residence tid.
Destillasjon og Øke Konsentrasjonen av Etanol
Den siste fasen av etanol produksjon er behandling av etanol for å øke etanol konsentrasjon., Nedstrøms fra fermenters, etanol konsentrasjon er 12-15% etanol i vann (som betyr at du har 85-88% vann i din løsning!). Destillasjon ble nevnt i en tidligere leksjon; råolje må være destillert i ulike kokende fraksjoner for å skille olje i brukbar produkter. Destillasjon er en prosess for å skille komponenter ved hjelp av varme og spesialdesignet tårnene for å holde væsken flyter nedover og damper blir generert til å strømme oppover. Vann koker ved 100°C, mens etanol koker på 78°C., Imidlertid, fordi vann og etanol fordamper ved en lavere temperatur enn sine kokende poeng, og fordi de begge har OH funksjonelle grupper som er tiltrukket av hverandre, etanol og vann-molekylene er sterkt bundet til hverandre og danne en azeotrope sammen. Det betyr bare at du ikke helt separate etanol fra vann – etanol brøkdel vil inneholde omtrent 5% vann og 95% etanol når du kommer til slutten av destillasjon prosessen. Figur 7.15 viser skjematisk en destillasjon enhet., Du ikke vil ha vann i bensin som du kjører, fordi det hindrer effektiv forbrenning. Ønsker du vann i etanol hvis du skal bruke det som drivstoff?
svaret er nei, så du må bruke en ekstra metode for å fjerne alt vannet fra etanol. Metoden kalles dehydrering. Den enhet som brukes kalles en molekylær sil, og materialet som brukes i det heter zeolitt., Under disse forholdene, zeolitt som absorberer vann i det, men etanol vil ikke gå inn i den zeolitt. De bruker det som kalles en trykk-swing adsorption enhet. Enheten er designet for å kjøre i to moduser. Under høyt trykk, etanol er dehydrert i del 1, og ved lavt trykk, vannfri etanol er matet gjennom å fjerne vann fra Enhet 2 (Figur 7.16 en). Når zeolitten sil har absorbert alt vannet, Unit 1 er slått på å bli det lave trykket regenererende seng, og Enhet 2 blir høytrykks-enheten (Figur 7.16 b). Botid for prosessen er 3-10 minutter., Zeolitt for denne prosessen er en svært bestilt aluminosilicate med veldefinerte pore-størrelser som formes til perler eller inkludert i en membran. Den zeolites tiltrekke seg både i vann og etanol, men pore størrelser er for små til å tillate etanol å gå inn. Som nevnt i Figur 7.17, den pore størrelse på zeolitt membranen er 0,30 nm, mens størrelsen av vann molekylet er 0.28 nm og etanol 0.44 nm. Avhengig av type enhet, membran eller perler kan regenereres ved hjelp av varme og vakuum, eller ved å flyte ren etanol gjennom enhet så vel som beskrevet ovenfor.,
diagrammet viser 95% EtOH damp fra destillasjon går inn i Enhet 1: et høytrykk tørke seng. Ut av at 60-85%, EtOH går til det endelige produktet når det er 15-40% av EtOH går inn i enhet 2, et lavtrykk vakuum regenererende seng. Ut av dette, våt EtOH Damp går tilbake til destillasjon.,
Så når vi har gjæret materialet til etanol, det går gjennom en rekke prosesser for å få produkter i form av at vi vil ha dem. Figur 7.,18a er en illustrasjon av produktet utvinning, og Figur 7.18 b viser definisjoner av noen av terminologi.
Product recovery-diagram av etanol og andre produkter. Fra gjæring, CO2 er inndrives sammen med Øl: 12-13% Etanol. Fra det destillasjon oppstår. Dette gjenoppretter 95% etanol som går gjennom en molekylær sil til å bli 100% etanol og går inn denaturert etanol lagring med bensin., Fra destillasjon hele stillage er også gjenopprettet. Dette går inn separasjon/sentrifugering og gir tynne stillage og WDG. Den tynne stillage blir enten resirkulert, eller det går over i fordamper og blir til sirup. Den WDG og sirup er kombinert til å bli WDGS. Den WDGS går inn i det tørre og blir DDGS.
bildet definerer terminologi.,
Hele Stillage (flytende avfall fra destillasjon) går til sentrifuger eller presser.
Tynne Stillage (væske fra sentrifuger) er gjenvunnet eller fordampet å gjøre
Sirup (solubles) som er lagt til
WDG (Våt distillers grains) som blir deretter tørket for å gjøre
DDGS (Distiller Tørket Korn med Solubles)
for Å oppsummere, mais har 62% stivelse, 19% protein, 4% olje, og 15% vann., Hvis du ser på produkter på en tørr basis (du trenger ikke se på vannet som et produkt), 73% av mais stivelse og 27% er protein, fiber, og olje. For hver bushel for mais, realistisk sett, vil du generere 2.8 liter etanol, ~17 kg CO2, og ~17 kg DDGS. Vi skal se på de økonomiske sidene av denne prosessen og et par andre prosesser i en senere leksjon.
Så, på dette punktet, kan du se hvordan du kan generere etanol fra mais., Hvis du ønsker å generere etanol fra cellulose i planter, du har den informasjonen fra Leksjon 6 for å generere glukose fra cellulose (det er en mer omfattende prosess), men når du har glukose, kan du bruke den samme fremgangsmåten i etanol produksjon fra fermentering av glukose. I neste avsnitt vil vi se på produksjon av annen alkohol, butanol.