7.3 b Como o Milho é Processado para Fazer Etanol
7.3 b Como o Milho é Processado para Fazer Etanol
O processo de tomada de milho para o etanol é um processo várias etapas. O primeiro passo é moer o milho. Pode ser feito por moagem a seco ou moagem a húmido. As figuras 7.10 a e 7.10 b apresentam as etapas de processo de cada moagem por via húmida e seca. Para moagem por via húmida, os grãos de milho são decompostos em amido, fibra, gérmen de milho e proteínas por aquecimento na solução de ácido sulfuroso durante 2 dias., O amido é separado e pode produzir etanol, xarope de milho ou amido de qualidade alimentar. Como se refere na figura 7.10 a, o processo de moagem por via húmida também produz produtos adicionais, incluindo alimentos para animais, óleo de milho, farinha de glúten e alimentos para glúten. A moagem a seco é um processo mais simples do que a moagem a húmido, mas também produz menos produtos. Os principais produtos da moagem a seco são etanol, CO2 e grãos de destilador secos com solúveis (DDGS). Vamos passar por cada um dos passos no processo de moagem a seco. Os cinco passos são: 1) moagem, 2) cozimento e liquefação, 3) sacarificação, 4) fermentação e 5) destilação.,
esquemático do processo de moagem por via húmida
- o primeiro milho é embebido. A partir da maceração do milho, os produtos são separados em: amido/glúten, amido/glúten, amido / glúten, o amido / glúten passa por um novo passo de separação e o amido é combinado com todo o outro amido.,l>
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Secagem para fazer amidos
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processo de Fermentação etanol química
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Xarope de refino para fazer xarope de milho, dextrose, e de alta frutose xarope de milho
de Gérmen de Milho e Fibra de ir através de moagem de triagem para produção
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Germe
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passa de refino de petróleo para tornar-se o óleo de milho
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Fibra
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se Torna feed de produtos, molhado feed
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moagem
para moer milho seco, é utilizada uma Marteleira ou moinho de roletes para moer o milho. Figura 7.,11 é um esquema de um hammermill com milho sendo colocado através dele. Os martelos estão ligados a varas que ligam um rotor. À medida que o rotor gira, a alimentação (milho neste caso) é martelada contra a parede. Uma tela na parte inferior permite que as partículas que são pequenas o suficiente para deixar a unidade e manter nas partículas maiores para continuar a ser martelado até que todo o material está na faixa de tamanho correto. A moagem ajuda a quebrar as revestimentos exteriores resistentes do grão de milho, o que irá aumentar a área de superfície do amido., Uma vez que o milho é quebrado, ele é misturado/arrastado com água aquecida para formar um puré ou chorume.
o passo de liquefação é na verdade hidrólise parcial que diminui a viscosidade. Trata-se essencialmente de quebrar as cadeias de amido mais longas em cadeias mais pequenas., Uma maneira de medir isso é olhar para equivalentes de dextrose( DE), ou uma medida da quantidade de açúcares redutores presentes em um produto de açúcar, em relação à glicose, expressa em percentagem em base seca. Dextrose é também conhecida como glicose, e equivalente dextrose é o número de ligações clivadas em comparação com o número original de ligações., A equação é:
Equação 1: 100× número de títulos clivada número de original obrigações
Puro glicose (dextrose): DE = 100
Maltose: DE = 50
Amido: DE = 0
de féculas, de Dextrina: DE = de 1 a 13
de féculas, de Dextrina são um grupo de baixo peso molecular, os hidratos de carbono produzidos pela hidrólise de amido ou de glicogênio. Dextrina são misturas de polímeros de unidades de D-glucose ligadas por ligações glicosídicas α (1,4) ou α (1,6). As dextrinas são usadas em colas e podem ser um potenciador de crispness para o processamento de alimentos.maltodextrina: de = 3 a 20
maltodextrina é adicionada à cerveja.,lembre-se que a hidrólise do amido é onde a água reage com o açúcar para quebrar o açúcar e formar glucose. A água entra nos íons H+ E OH – ions para interagir com o amido à medida que ele se decompõe.
A fim de realizar a liquefação, a reação deve ter lugar sob certas condições. O pH do mash é mantido na gama de 5.9-6.2, e amônia e ácido sulfúrico são adicionados ao tanque para manter o pH., Cerca de um terço do tipo de enzima necessário, a α-amilase, pode ser adicionado ao puré antes da cozedura a jacto (2-7 minutos a 105-120°C) para melhorar a fluidez do puré. A cozedura a jato serve como um passo de esterilização para evitar a contaminação bacteriana durante a fase de fermentação mais tarde. Nesta fase, as dextrinas mais curtas são produzidas, mas ainda não são glicose.
três tipos de processos podem ser utilizados para liquefação. A figura 7.13 mostra as três opções. O processo 1 é onde se adiciona a α-amilase e o material é incubado a 85-95 ° C., O processo 2 tem o puré na panela a 105-120ºc durante 2-7 minutos, fluindo para um tanque de flash a 90°C. α-amilase é adicionado três horas depois. A terceira opção, o processo 3, adiciona a α-amilase, os aquecimentos no fogão a 150°C, seguido de fluxo para o tanque de flash a 90°C e adicionando mais α-amilase.
Três processos
Processo de Tipo 1
α-amilase adicionado; incubados a 85-95
Processo de Tipo 2
Jet fogão 105-120º c por 2-7 minutos
Flash Tanque de 90ºC; adicionar a α-amilase por 3 horas
Processo de Tipo 3
α-amilase adicionado
Aquecimento/Jet cozinhar @ 150ºC
Flash tanque de 90ºC ; adicionar mais α-amilase
A α-amilase para a liquefação de atos interno α (1,4) ligações glicosídicas para rendimento de féculas, de dextrina e maltose (glicose dímeros)., Existe um tipo de α-amilase na saliva humana; uma α-amilase diferente é utilizada pelo pâncreas. A figura 7.14 a mostra um tipo de α-amilase. A α-amilase funciona um pouco mais rápido que a β-amilase, e a β-amilase funciona na segunda ligação α (1,4) glicosídica para que a maltose seja formada (ver Figura 7.14 b). a β-amilase faz parte do processo de maturação dos frutos, aumentando a doçura dos frutos à medida que amadurece.
sacarificação
o próximo passo no processo de produção de etanol é a sacarificação. Saccharificação é o processo de posterior hidrólise em monómeros de glucose. Uma enzima diferente é usada, chamada glucoamilase (também conhecida pelo nome mais longo amiloglucosidase). Cliveia as ligações glicosídicas α (1,4) e α (1,6) das extremidades da dextrina para formar glicose., As condições ideais são diferentes do passo anterior e estão a um pH de 4,5 e a uma temperatura de 55-65°C. A Figura 7.14 c mostra um esquema da glucoamilase, que também é chamada de ϒ-amilase. Há uma grande variedade de enzimas amilase disponíveis que são derivadas de bactérias e fungos. A tabela 7.2 mostra diferentes enzimas, sua origem e a ação de cada uma.
| Enzima | Fonte | Ação |
|---|---|---|
| α-Amilase | Bacillus amyloliquefaciens | Somente α-1,4-oligossacarídeo links são clivados para dar-uma-de féculas, de dextrina e predominantemente maltose (G2), G3, G6 e G7 oligossacarídeos |
| B., licheniformis | Somente α-1,4-oligossacarídeo links são clivados para dar-uma-de féculas, de dextrina e, predominantemente, maltose, G3, G4 e G5 oligossacarídeos | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | Somente α-1,4 oligossacarídeo links são clivados para dar-uma-de féculas, de dextrina e, predominantemente, maltose e G3 oligossacarídeos | |
| Saccharifying a-amilase | B., subtilis (amylosacchariticus) | Somente α-1,4-oligossacarídeo links são clivados para dar-uma-de féculas, de dextrina com maltose, G3, G4 e até 50% (w/w) de glicose |
| β-Amilase | cevada Maltada | Somente α-1,4-links são clivados, a partir de não-redução extremidades, para dar limite de féculas, de dextrina e b-maltose |
| Glucoamylase | A. niger | α-1,4 e α-1,6-links são clivados, a partir do nonreducing extremidades, para dar β-glicose |
| Pululanase | B., acidopullulyticus | Somente α-1,6-links são clivados para dar reta cadeia de maltodextrinas |
Alguns dos mais recentes desenvolvidos enzimas (amido granular hydrolyzing enzimas – GSHE) permitem pular a liquefação do palco pela hydrolyzing amido a temperaturas baixas, com a cozinha. As vantagens incluem: 1) Redução de calor / energia, 2) redução da operação por unidade (redução de capital e custos operacionais), 3) Redução De Emissões e 4) maiores odd. Eles trabalham “coring” em grânulos de amido diretamente sem o inchaço/infusão de água., As desvantagens incluem: 1) as enzimas custam mais e 2) os riscos de contaminação.a fase química final na produção de etanol a partir do amido é a fermentação. A reação química da fermentação é onde 1 mole de glicose produz 2 moles de etanol e 2 moles de dióxido de carbono. A reação é mostrada na equação 2 abaixo:
C 6 h 12 O 6 →2 C 2 h 6 OH + 2 CO 2
para causar a fermentação, levedura é adicionada. Uma levedura comum a usar é saccharomyces cerevisiae, que é um fungo unicelular. A reacção ocorre a 30-32 ° C durante 2-3 dias num processo por lote., Adiciona-se azoto suplementar sob a forma de sulfato de amónio ((NH4)2SO4) ou ureia. Uma protease pode ser usada para converter proteínas em aminoácidos para adicionar como um nutriente adicional de levedura. Virginiamicina e penicilina são muitas vezes usados para prevenir a contaminação bacteriana. O dióxido de carbono produzido também reduz o pH, o que pode reduzir o risco de contaminação. Cerca de 90-95% da glicose é convertida em etanol.é possível fazer sacarificação e fermentação numa só etapa. É chamado de sacarificação simultânea e fermentação (SSF), e tanto a glucoamilase e levedura são adicionadas., É feito a uma temperatura inferior à sacarificação (32-35°c), o que atrasa a hidrólise em glicose. À medida que a glucose é formada, é fermentada, o que reduz a inibição do produto enzimático. Reduz as concentrações iniciais de glicose, reduz o risco de contaminação, reduz as necessidades de energia e produz maiores rendimentos de etanol. Como SSF é feito em uma unidade, ele pode melhorar os custos de capital e economizar tempo de residência.
destilação e aumento da concentração de etanol
a última fase da produção de etanol é a transformação de etanol para aumentar a concentração de etanol., A jusante dos fermentadores, a concentração de etanol é de 12-15% de etanol na água (o que significa que você tem 85-88% de água em sua solução!). A destilação foi mencionada em uma lição anterior; o petróleo bruto deve ser destilado em várias frações de ebulição para separar o óleo em produtos utilizáveis. Destilação é um processo para separar componentes usando calor e torres especialmente projetadas para manter o líquido fluindo para baixo e os vapores sendo gerados para fluir para cima. A água ferve a 100 ° C, enquanto o etanol ferve a 78 ° C., No entanto, porque a água e o etanol evaporam a uma temperatura mais baixa do que os seus pontos de ebulição, e porque ambos têm OH grupos funcionais que são atraídos um pelo outro, as moléculas de etanol e água estão fortemente ligadas entre si e formam um azeótropo juntos. Isso só significa que você não pode separar completamente etanol da água – a fração de etanol irá conter cerca de 5% de água e 95% de etanol quando você chegar ao final do processo de destilação. A figura 7.15 apresenta um esquema de uma unidade de destilação., Você não quer água na gasolina como você dirige, porque impede a combustão eficiente. Você quer água em seu etanol se você usá-lo como combustível?
a resposta é não, por isso deve utilizar um método adicional para remover toda a água do etanol. O método é chamado de desidratação. A unidade que é usada é chamada de crivo molecular, e o material usado nela é chamado zeólito., Sob estas condições, o zeólito absorve a água, mas o etanol não vai para o zeólito. Eles usam o que é chamado de uma unidade de adsorção de Pressão-swing. A unidade foi projetada para funcionar em dois modos. A alta pressão, o etanol é desidratado na Unidade 1, e a baixa pressão, o etanol anidro é alimentado através Para remover a água Da Unidade 2 (Figura 7.16 a). Quando o peneiro de zeólito absorve toda a água, a Unidade 1 é alterada para se tornar o leito regenerador a baixa pressão, e a unidade 2 torna-se a unidade de alta pressão (figura 7.16 b). O tempo de residência para o processo é de 3-10 minutos., O zeólito para este processo é um aluminossilicato altamente ordenado com tamanhos de poros bem definidos que são formados em contas ou incluídos em uma membrana. Os zeólitos atraem água e etanol, mas os tamanhos dos poros são muito pequenos para permitir que o etanol entre. Como observado na figura 7.17, o tamanho DOS poros da membrana zeólita é de 0,30 nm, enquanto o tamanho da molécula de água é de 0,28 nm e o etanol 0,44 nm. Dependendo do tipo de unidade, a membrana ou contas podem ser regeneradas usando calor e vácuo, ou fluindo o etanol puro através da unidade, bem como descrito acima.,
O diagrama mostra 95% de vapor EtOH da destilação indo para a Unidade 1: uma cama de desidratação de alta pressão. Desses 60-85%, EtOH vai para o produto final, enquanto 15-40% da EtOH entra na Unidade 2, uma cama regeneradora a vácuo de baixa pressão. Fora disto, o Vapor EtOH húmido volta à destilação.,
assim, uma vez fermentado o material para etanol, ele passa por uma série de processos para obter os produtos na forma que queremos. Figura 7.,18a é um esquema de recuperação do produto, e a figura 7.18 b mostra as definições de alguma da terminologia.
Diagrama de recuperação do produto do etanol e de outros produtos. A partir da fermentação, o CO2 é recuperado juntamente com a cerveja: 12-13% etanol. Daí ocorre a destilação. Isso recupera o etanol 95% que passa por uma peneira molecular para se tornar 100% etanol e vai para o armazenamento de etanol desnaturado com gasolina., Da destilação é também recuperado todo o stillage. Isto vai para a separação / centrifugação e produz uma fina stillage e WDG. O stillage fino é reciclado ou vai para o evaporador e torna-se xarope. O WDG e o xarope são combinados para se tornarem WDGS. O WDGS vai para o seco e torna-se DDGS.crédito: módulo BEEMS B5/div >
a imagem define terminologia.,a Stillage Total (resíduos líquidos da destilação) vai para centrifugadoras ou prensas filtrantes.
Vinhaça Fina (líquido de centrífuga) é reciclado ou evaporado para fazer
Xarope (solúveis) que são adicionados ao
AUXIL (Molhado destiladores de grãos), que, em seguida, são secas para fazer
o DDGS (Distiller Dried Grains with Solubles)
Para resumir, o milho tem 62% de amido ou fécula, 19% de proteína, 4% de óleo, e 15% de água., Se você olhar para os produtos em uma base seca (você não olha para a água como um produto), 73% do milho é amido e 27% é proteína, fibra e óleo. Para cada alqueire de milho, realisticamente você vai gerar 2,8 galões de etanol, ~17 lbs de CO2, e ~17 lbs de DDGS. Vamos olhar para a economia deste processo e alguns outros processos em uma lição posterior.
então, neste ponto, você pode ver como gerar etanol a partir do milho., Se você quer gerar etanol a partir de celulose em plantas, você tem a informação da Lição 6 para gerar glicose a partir de celulose (é um processo mais envolvido), mas uma vez que você tem glicose, você pode usar os mesmos passos finais na produção de etanol a partir da fermentação de glicose. Na próxima seção, veremos a produção de outro álcool, butanol.