7.3 B jak przetwarza się kukurydzę do etanolu
7.3 B jak przetwarza się kukurydzę do etanolu
proces wytwarzania kukurydzy do etanolu jest procesem wieloetapowym. Pierwszym krokiem jest mielenie kukurydzy. Można to zrobić przez frezowanie na sucho lub frezowanie na mokro. Rysunki 7.10 a i 7.10 b przedstawiają etapy procesu dla każdego frezowania na mokro i na sucho. W przypadku mielenia na mokro ziarna kukurydzy są rozkładane na skrobię, włókno, zarodki kukurydzy i białko przez ogrzewanie w roztworze kwasu siarkowego przez 2 dni., Skrobia jest oddzielana i może produkować Etanol, syrop kukurydziany lub skrobię spożywczą. Jak zaznaczono na rysunku 7.10 a, proces mielenia na mokro wytwarza również dodatkowe produkty, w tym paszę, olej kukurydziany, mączkę glutenową i paszę glutenową. Frezowanie na sucho jest prostszym procesem niż frezowanie na mokro, ale produkuje również mniej produktów. Głównymi produktami suchego mielenia są Etanol, CO2 i suszone ziarno destylacyjne z rozpuszczalnymi substancjami (DDGS). Niech ” s przejść przez każdy z etapów w procesie szlifowania na sucho. Pięć etapów to: 1) mielenie, 2) gotowanie i upłynnianie, 3) scukrzanie, 4) fermentacja i 5) destylacja.,
schemat procesu mielenia na mokro
- pierwsza kukurydza jest przesiąknięta. Od namaczania kukurydzy produkty są rozdzielane na:
- skrobia / Gluten
-
skrobia/Gluten przechodzi kolejny etap oddzielania, a skrobia jest łączona z całą inną skrobią.,l>
-
suszenie w celu wytworzenia skrobi
-
fermentacja w celu wytworzenia etanolu chemicznego
-
rafinacja syropu w celu wytworzenia syropu kukurydzianego, dekstrozy i syropu kukurydzianego o wysokiej zawartości fruktozy
-
-
kiełki
przechodzi rafinację oleju, aby stać się olejem kukurydzianym
kiełki kukurydzy/włókna przechodzą przesiewanie mielenia w celu uzyskania plonu
- skrobia / Gluten
-
włókno
-
staje się produktem paszowym, paszą mokrą
-
pierwsza kukurydza jest mielona, gotowana, skroplona i scukrzona. Z scukrzania przechodzi przez fermentację, która wytwarza CO2. Po fermentacji przechodzi do destylacji, która wytwarza Etanol. Następnie jest odwirowany i odparowywany, co daje destylatory ziaren z roztworami rozpuszczalnymi.
Szlifowanie
do mielenia kukurydzy na sucho służy Młyn młotkowy lub walcowy. Rysunek 7.,11 jest schematem młyna młotkowego, w którym wsadza się kukurydzę. Młoty są przymocowane do prętów, które obracają się na wirniku. Gdy wirnik obraca się, pasza (w tym przypadku kukurydza) jest uderzana o ścianę. Ekran na dole pozwala cząstkom, które są wystarczająco małe, aby opuścić urządzenie i utrzymać w większych cząstkach, aby nadal być młotkowane, aż cały materiał będzie w odpowiednim zakresie wielkości. Szlifowanie pomaga przełamać twarde zewnętrzne powłoki jądra kukurydzy, co zwiększy powierzchnię skrobi., Po rozbiciu kukurydzy miesza się ją z podgrzaną wodą w celu utworzenia zacieru lub zawiesiny.
gotowanie i skraplanie
gdy gnojowica kukurydziana (zacieru) jest wykonana, przechodzi przez gotowanie i skraplanie. Etap gotowania nazywany jest również żelatynizacją. Woda wchodzi w interakcję z granulkami skrobi w kukurydzy, gdy temperatura wynosi>60°C i tworzy lepką zawiesinę. Gotowałeś kiedyś ze skrobi kukurydzianej, żeby zrobić gęsty sos?, Rysunek 7.12 pokazuje obraz skrobi zmieszanej z wodą wlewaną do podgrzanego sosu podczas gotowania. Zgęstnieje od ciepła.
etap skraplania jest rzeczywiście częściowa hydroliza, która obniża lepkość. Polega ona zasadniczo na rozbijaniu dłuższych łańcuchów skrobi na mniejsze łańcuchy., Jednym ze sposobów pomiaru tego jest przyjrzenie się równoważnikom dekstrozy (DE), czyli miarze ilości cukrów redukujących obecnych w produkcie cukrowym w stosunku do glukozy, wyrażonej jako procent w suchej masie. Dekstroza jest również znana jako glukoza, a równoważnikiem dekstrozy jest liczba rozszczepionych wiązań w porównaniu do pierwotnej liczby wiązań., Równanie TO:
równanie 1: 100× liczba wiązań rozszczepionych liczba wiązań pierwotnych
czysta glukoza (dekstroza): DE = 100
maltoza: DE = 50
skrobia: DE = 0
dekstryny: DE = 1 do 13
dekstryny to grupa węglowodanów o niskiej masie cząsteczkowej wytwarzanych w wyniku hydrolizy skrobi lub glikogenu. Dekstryny są mieszaninami polimerów jednostek D-glukozy połączonych wiązaniami glikozydowymi α (1,4) lub α (1,6). Dekstryny są stosowane w klejach i mogą być wzmacniaczem chrupkości w przetwarzaniu żywności.
maltodekstryna: DE = 3 do 20
maltodekstrynę dodaje się do piwa.,
Przypomnijmy, że hydroliza skrobi to miejsce, w którym woda reaguje z cukrem, rozkładając cukier i tworząc glukozę. Woda rozpada się na jony H + I OH -, aby wchodzić w interakcje ze skrobią, gdy się rozkłada.
w celu uzyskania skraplania reakcja musi odbywać się w określonych warunkach. PH zacieru utrzymuje się w zakresie 5,9-6,2, A amoniak i kwas siarkowy są dodawane do zbiornika w celu utrzymania pH., Około jednej trzeciej wymaganego rodzaju enzymu, α-amylazy, można dodać do zacieru przed gotowaniem strumieniowym (2-7 minut w temperaturze 105-120°c) w celu poprawy sypkości zacieru. Gotowanie strumieniowe służy jako etap sterylizacji, aby uniknąć zanieczyszczenia bakteryjnego podczas późniejszego etapu fermentacji. Na tym etapie powstają krótsze dekstryny, ale nie są jeszcze glukozą.
do skraplania można wykorzystać trzy rodzaje procesów. Rysunek 7.13 pokazuje trzy opcje. Proces 1 polega na dodaniu α-amylazy i inkubacji materiału w temperaturze 85-95°C., Proces 2 ma zacieru w kuchence jet w temperaturze 105 – 120ºC przez 2-7 minut, a następnie przepływa do zbiornika flash w temperaturze 90°C. α-Amylaza dodaje się trzy godziny później. Trzecia opcja, Proces 3, dodaje α-amylazę, ogrzewa się w kuchence strumieniowej w temperaturze 150°C, a następnie przepływa do zbiornika błysku w temperaturze 90°C i dodaje więcej α-amylazy.
trzy procesy
Typ procesu 1
α-amylaza dodana; inkubowana w temperaturze 85-95ºC
Typ procesu 2
kuchenka Jet 105-120ºC przez 2-7 minut
zbiornik Flash do 90ºC; dodaj α-amylazę przez 3 godziny
Typ procesu 3
α-amylaza dodana
ogrzewanie/gotowanie strumieniowe @ 150ºC
zbiornik flash do 90ºC ; dodać więcej α-amylazy
α-amylaza do skraplania działa na wewnętrzne wiązania α (1,4) glikozydowe, aby uzyskać dekstryny i maltozę (Dimery glukozy)., Rodzaj α-amylazy istnieje w ślinie ludzi; Inna α-amylaza jest wykorzystywana przez trzustkę. Rysunek 7.14 a pokazuje jeden typ α-amylazy. Α-amylaza działa nieco szybciej niż β-amylaza, a β-amylaza działa na drugim wiązaniu glikozydowym α (1,4), dzięki czemu powstaje maltoza (patrz rysunek 7.14 b). β-amylaza jest częścią procesu dojrzewania owoców zwiększając słodycz owoców w miarę ich dojrzewania.
coming
scukrzanie
kolejnym krokiem w procesie wytwarzania etanolu jest scukrzanie. Scukrzanie jest procesem dalszej hydrolizy do monomerów glukozy. Stosuje się inny enzym, zwany glukoamylazą (znaną również pod dłuższą nazwą amyloglukozydaza). Rozszczepia wiązania glikozydowe α (1,4) i α (1,6) z końców dekstryny, tworząc glukozę., Optymalne warunki różnią się od poprzedniego etapu i mają pH 4,5 i temperaturę 55-65°C. rysunek 7.14 C pokazuje schemat glukoamylazy, która jest również nazywana ϒ-amylazą. Istnieje wiele różnych enzymów amylazy, które pochodzą z bakterii i grzybów. Tabela 7.2 pokazuje różne enzymy, ich źródło i działanie każdego z nich.
| enzym | źródło | Akcja |
|---|---|---|
| α-amylaza | Bacillus amyloliquefaciens | tylko α-1,4-oligosacharydy są rozszczepiane w celu uzyskania a-dekstryn i głównie maltozy (G2), G3, g6 i g7 oligosacharydy |
| B., licheniformis | tylko ogniwa α-1,4-oligosacharydowe są rozszczepiane, aby dać a-dekstryny i głównie maltozę, G3, G4 i G5 oligosacharydy | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | tylko ogniwa α-1,4 oligosacharydowe są rozszczepiane, aby dać a-dekstryny i głównie maltozę i oligosacharydy G3 | |
| a-amylaza scukrzająca | B., subtilis (amylosacchariticus) | tylko łączniki α-1,4-oligosacharydowe są rozcinane, aby dać a-dekstryny z maltozą, G3, G4 i do 50% (w/w) glukozy |
| β-Amylaza | słód jęczmienny | tylko łączniki α-1,4 są rozcinane, z końców nie redukujących, w celu nadania dekstrynom granicznym i B-maltozie |
| glukoamylazie | A. z nieredukcyjnych końców rozszczepia się α-1,4 i α-1,6, dając β-glukozę | |
| pullulanazę | B., acidopullulyticus | tylko α-1,6-ogniwa są rozcinane, aby dać maltodekstryny o prostym łańcuchu |
niektóre nowsze opracowane enzymy (granulowane enzymy hydrolizujące skrobię-GSHE) umożliwiają pominięcie etapu upłynniania przez hydrolizowanie skrobi przy niskim poziomie temperatury przy gotowaniu. Zalety obejmują: 1) zmniejszenie ciepła / energii,2) zmniejszenie operacji jednostkowej (zmniejszenie kapitału i kosztów operacyjnych), 3) zmniejszenie emisji i 4) wyższe DDGS. Działają one poprzez” rdzeniowanie ” do granulek skrobi bezpośrednio bez pęcznienia/wlewu wody., Wady obejmują: 1) enzymy kosztują więcej i 2) ryzyko zanieczyszczenia.
fermentacja
ostatnim etapem chemicznym w produkcji etanolu ze skrobi jest fermentacja. Reakcja chemiczna fermentacji polega na tym, że 1 mol glukozy daje 2 mole etanolu i 2 mole dwutlenku węgla. Reakcja przedstawiona jest w równaniu 2 poniżej:
c 6 H 12 o 6 →2 C 2 h 6 OH + 2 CO 2
aby spowodować fermentację, dodaje się drożdże. Powszechnie stosowane drożdże to saccharomyces cerevisiae, który jest jednokomórkowym grzybem. Reakcja zachodzi w temperaturze 30-32°C przez 2-3 dni w procesie wsadowym., Dodatkowy azot dodaje się jako siarczan amonu ((NH4)2SO4) lub mocznik. Proteaza może być używana do konwersji białek do aminokwasów, aby dodać jako dodatkowy składnik odżywczy drożdży. Virginiamycyna i penicylina są często stosowane w celu zapobiegania zanieczyszczeniu bakteryjnemu. Wytwarzany dwutlenek węgla obniża również pH, co może zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia. Blisko 90-95% glukozy jest przekształcane w Etanol.
możliwe jest scukrzanie i fermentacja w jednym kroku. Nazywa się to równoczesnym Scukrzaniem i fermentacją (SSF), a zarówno glukoamylaza, jak i drożdże są dodawane razem., Odbywa się w niższej temperaturze niż scukrzanie (32-35°c), co spowalnia hydrolizę do glukozy. Gdy powstaje glukoza, jest fermentowana, co zmniejsza hamowanie produktu enzymatycznego. Obniża początkowe stężenia glukozy, zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia, zmniejsza zapotrzebowanie na energię i wytwarza wyższe plony etanolu. Ponieważ SSF odbywa się w jednej jednostce, może poprawić koszty kapitałowe i zaoszczędzić czas pobytu.
destylacja i wzrost stężenia etanolu
ostatnią fazą produkcji etanolu jest przetwarzanie etanolu w celu zwiększenia stężenia etanolu., Poniżej fermentatorów stężenie etanolu wynosi 12-15% etanolu w wodzie (co oznacza, że masz 85-88% wody w roztworze!). Destylacja była wspomniana we wcześniejszej lekcji; ropa naftowa musi być destylowana na różne wrzące frakcje, aby rozdzielić olej na użyteczne produkty. Destylacja jest procesem oddzielania składników za pomocą ciepła i specjalnie zaprojektowanych wież, aby utrzymać płyn w dół, a generowane opary przepływały w górę. Woda wrze w temperaturze 100°C, podczas gdy Etanol wrze w temperaturze 78°C., Jednak ponieważ woda i Etanol odparowują w niższej temperaturze niż ich temperatura wrzenia i ponieważ oba mają grupy funkcyjne OH, które są przyciągane do siebie, cząsteczki etanolu i wody są silnie ze sobą związane i tworzą razem azeotropę. Oznacza to tylko, że nie można całkowicie oddzielić etanolu od wody – frakcja etanolu będzie zawierać około 5% wody i 95% etanolu po zakończeniu procesu destylacji. Rysunek 7.15 przedstawia schemat jednostki destylacyjnej., Nie potrzebujesz wody w benzynie podczas jazdy, ponieważ zapobiega to wydajnemu spalaniu. Czy chcesz wody w etanolu, jeśli używasz go jako paliwa?
odpowiedź brzmi nie, więc musisz użyć dodatkowej metody, aby usunąć całą wodę z etanolu. Metoda ta nazywa się odwodnieniem. Jednostka, która jest używana, nazywa się sitem molekularnym, a materiał użyty w nim nazywa się zeolitem., W tych warunkach zeolit wchłania wodę do niego, ale etanol nie trafi do zeolitu. Używają tak zwanej jednostki adsorpcji zmiennociśnieniowej. Urządzenie jest przeznaczone do pracy w dwóch trybach. Przy wysokim ciśnieniu etanol jest odwodniony w jednostce 1, a przy niskim ciśnieniu Etanol bezwodny jest podawany w celu usunięcia wody z jednostki 2 (Rysunek 7.16 a). Gdy sito zeolitowe wchłonie całą wodę, Jednostka 1 zostaje przełączona na Niskociśnieniowe złoże regenerujące, a Jednostka 2 staje się jednostką wysokociśnieniową (rysunek 7.16 b). Czas przebywania procesu wynosi 3-10 minut., Zeolit do tego procesu jest wysoko uporządkowanym glinokrzemianem o dobrze określonych rozmiarach porów, które są formowane w kulki lub zawarte w membranie. Zeolity przyciągają zarówno wodę, jak i Etanol, ale rozmiary porów są zbyt małe, aby Etanol mógł wejść. Jak wspomniano na rysunku 7.17, wielkość porów membrany zeolitu wynosi 0,30 nm, podczas gdy wielkość cząsteczki wody wynosi 0,28 nm, a etanolu 0,44 nm. W zależności od typu urządzenia membrana lub kulki mogą być regenerowane za pomocą ciepła i próżni lub poprzez przepływ czystego etanolu przez urządzenie, jak opisano powyżej.,
schemat pokazuje 95% pary EtOH z destylacji przechodzącej do jednostki 1: wysokociśnieniowego złoża odwadniającego. Z tego 60-85% EtOH trafia do produktu końcowego, podczas gdy 15-40% EtOH trafia do jednostki 2, niskociśnieniowego złoża regenerującego próżnię. Z tego mokra Opara EtOH wraca do destylacji.,
więc po fermentacji materiału do etanolu, przechodzi przez szereg procesów w celu uzyskania produktów w postaci, że chcemy je. Rysunek 7.,18a jest schematem odzysku produktu, a rysunek 7.18 b pokazuje definicje niektórych terminologii.
schemat odzysku produktu etanolu i innych produktów. W wyniku fermentacji CO2 odzyskuje się wraz z piwem: 12-13% etanolu. Stamtąd następuje destylacja. To odzyskuje 95% etanolu, który przechodzi przez sito molekularne, aby stać się 100% etanolu i przechodzi do denaturacji etanolu z benzyną., Z destylacji odzyskuje się również cały stemple. To przechodzi w separację/odwirowanie i daje cienki stempel i WDG. Cienki stempel jest poddawany recyklingowi lub trafia do parownika i staje się syropem. WDG i syrop są połączone, aby stać się WDGS. WDGS przechodzi w suchy i staje się DDGS.
obraz definiuje terminologię.,
cały destylat (ciecz odpadowa z destylacji) trafia do wirówek lub pras filtracyjnych.
cienki destylat (ciecz z wirówki) jest poddawany recyklingowi lub odparowywany w celu wytworzenia
syrop (rozpuszczalne), który dodaje się do
WDG (mokre ziarna destylacyjne), które następnie suszy się w celu wytworzenia
DDGS (Destylator suszone ziarna z rozpuszczalnymi)
podsumowując, kukurydza ma 62% skrobi, 19% białka, 4% oleju i 15% wody., Jeśli patrzysz na produkty na sucho (nie patrzysz na wodę jak na produkt), 73% kukurydzy to skrobia, a 27% to białko, błonnik i olej. Dla każdego buszla kukurydzy realistycznie wygenerujesz 2,8 galona etanolu, ~17 funtów CO2 i ~17 funtów DDGS. W dalszej lekcji przyjrzymy się ekonomii tego procesu i kilku innym procesom.
czyli w tym momencie można zobaczyć jak wytwarzać Etanol z kukurydzy., Jeśli chcesz wytworzyć Etanol z celulozy w roślinach, masz informacje z lekcji 6, aby wytworzyć glukozę z celulozy( jest to bardziej zaangażowany proces), ale gdy masz glukozę, możesz użyć tych samych końcowych etapów w produkcji etanolu z fermentacji glukozy. W następnej sekcji przyjrzymy się produkcji innego alkoholu, butanolu.