7.3 B Hur majs bearbetas för att göra etanol
7.3 B Hur majs bearbetas för att göra etanol
processen att göra majs till etanol är en multistep process. Det första steget är att fräsa majsen. Det kan göras genom torrfräsning eller våtfräsning. Figurerna 7.10 A och 7.10 B visar processtegen för varje våt och torr fräsning. För våtmalning bryts majskärnorna ner i stärkelse, fiber, majsgroddar och protein genom uppvärmning i svavelsyralösningen i 2 dagar., Stärkelsen separeras och kan producera etanol, majssirap eller livsmedelskvalitet stärkelse. Som framgår av figur 7.10 a producerar våtmalningsprocessen också ytterligare produkter, inklusive foder, majsolja, glutenmjöl och glutenfoder. Torrfräsning är en enklare process än våt fräsning, men den producerar också färre produkter. De viktigaste produkterna av torrmalning är etanol, CO2 och torkad destillatörkorn med lösliga ämnen (DDGS). Låt ” s gå igenom var och en av stegen i den torra slip processen. De fem stegen är: 1) slipning, 2) matlagning och kondensering, 3) sackarifiering, 4) jäsning och 5) destillation.,
schematisk för Våtmalningsprocessen
- första majsen är genomsyrad. Från steeping majsen separeras produkterna i:
- stärkelse/Gluten
-
stärkelsen/Gluten går igenom ett ytterligare steg av separation och stärkelsen kombineras med all annan stärkelse.,l>
-
torkning för att göra stärkelse
-
jäsning för att göra etanol kemisk
-
sirap raffinering för att göra majssirap, dextros, och hög fruktos majssirap
-
- stärkelse/Gluten
majsgroddar/Fiber går genom slipning screening för att ge
-
groddar
-
går igenom oljeraffinering för att bli majsolja
-
-
fiber
-
blir foderprodukt, våtfoder
-
första majsen är mald, kokad, flytande och sackarifierad. Från sackarifiering går det genom jäsning som producerar CO2. Efter jäsning går det till destillation som producerar etanol. Den centrifugeras sedan och indunstas vilket ger destillatörkorn med lösliga ämnen.
slipning
för torrslipning majs, En hammermill eller roller mill används för att göra slipningen. Figur 7.,11 är en schematisk av en hammermill med majs sätts genom den. Hammarna är fästa på stavar som slår på en rotor. När rotorn vänder hamras matningen (majs i detta fall) mot väggen. En skärm längst ner tillåter partiklar som är tillräckligt små för att lämna enheten och hålla i de större partiklarna för att fortsätta att hamras tills allt material är i rätt storleksområde. Slipningen hjälper till att bryta de tuffa yttre beläggningarna av majskärnan, vilket ökar stärkelseens yta., När majsen bryts ner, blandas den / slurried med uppvärmt vatten för att bilda en mos eller uppslamning.
matlagning och kondensering
När majsuppslamningen (mash) är gjord går den genom matlagning och flytning. Matlagningssteget kallas också gelatinisering. Vatten interagerar med stärkelsegranulerna i majsen när temperaturen är > 60°C och bildar en viskös suspension. Har du någonsin kokat med majsstärkelse för att göra tjock sås?, Figur 7.12 visar en bild av stärkelse blandat med vatten som hälls i en uppvärmd sås när den lagar mat. Det kommer att tjockna med värme.
kondenseringssteget är faktiskt partiell hydrolys som sänker viskositeten. Det bryter i huvudsak upp de längre stärkelsekedjorna i mindre kedjor., Ett sätt att mäta detta är att titta på dextrosekvivalenter (DE), eller ett mått på mängden reducerande sockerarter som finns i en sockerprodukt, i förhållande till glukos, uttryckt i procent på torr basis. Dextros är också känd som glukos, och dextros ekvivalent är antalet bindningar klyvs jämfört med det ursprungliga antalet bindningar., Ekvationen är:
ekvation 1: 100× antal bindningar klyvda antal ursprungliga bindningar
ren glukos (dextros): de = 100
maltos: de = 50
stärkelse: de = 0
dextrin: de = 1 till 13
dextrin är en grupp kolhydrater med låg molekylvikt som produceras genom hydrolys av stärkelse eller glykogen. Dextrin är blandningar av polymerer av D-glukosenheter förbundna med α (1,4) eller α (1,6) glykosidbindningar. Dextriner används i lim och kan vara en crispness enhancer för livsmedelsförädling.
Maltodextrin: de = 3 till 20
Maltodextrin läggs till öl.,
Kom ihåg att stärkelsehydrolys är där vatten reagerar med sockret för att bryta ner sockret och bilda glukos. Vattnet bryts in i H + och OH – joner för att interagera med stärkelsen när den bryts ner.
för att åstadkomma kondensering måste reaktionen ske under vissa förhållanden. Mosens pH bibehålls i intervallet 5,9-6,2, och ammoniak och svavelsyra tillsätts till tanken för att bibehålla pH., Ungefär en tredjedel av den önskade typen av enzym, α-amylas, kan tillsättas till mosen före jetkokning (2-7 minuter vid 105-120°C) för att förbättra mosens flytbarhet. Jetkokningen fungerar som ett steriliseringssteg för att undvika bakteriell kontaminering under jäsningssteget senare. I detta skede produceras kortare dextrin men är ännu inte glukos.
tre typer av processer kan användas för kondensering. Figur 7.13 visar de tre alternativen. Process 1 är där α-amylas tillsätts och materialet inkuberas vid 85-95 ° C., Process 2 har mosen i jetkokaren vid 105-120ºC i 2-7 minuter, strömmar sedan till en flashtank vid 90 ° C. α-amylas tillsätts tre timmar senare. Det tredje alternativet, Process 3, lägger till α-amylas, värmer i jetkokaren vid 150°C, följt av flöde till flashtanken vid 90°C och lägger till mer α-amylas.
tre processer
Process typ 1
α-amylas tillsatt; inkuberad vid 85-95ºC
Process typ 2
Jet spis 105-120ºC för 2-7 minuter
Flash Tank till 90ºC; lägg α-amylas för 3 timmar
Process typ 3
α-amylas tillsatt
värme/jet matlagning @ 150ºC
Flash tank till 90ºC ; lägg till mer α-amylas
α-amylas för kondensering verkar på den inre α (1,4) glykosidbindningar för att ge dextrin och maltos (glukos dimers)., En typ av α-amylas finns i saliv av människor; en annan α-amylas används av bukspottkörteln. Figur 7.14 A visar en typ av α-amylas. Α-amylas fungerar lite snabbare än β-amylas, och β-amylas fungerar på den andra α (1,4) glykosidbindningen så att maltos bildas (se figur 7.14 b). β-amylas är en del av mognadsprocessen av frukt som ökar fruktens sötma när den mognar.
kommer
Sackarifiering
nästa steg i processen att göra etanol är sackarifiering. Sackarifiering är processen med ytterligare hydrolys till glukosmonomerer. Ett annat enzym används, kallat glukoamylas (även känt med det längre namnet amyloglukosidas). Det klyver både α (1,4) och α (1,6) glykosidbindningar från dextrin slutar för att bilda glukos., De optimala förhållandena skiljer sig från föregående steg och ligger vid ett pH av 4,5 och en temperatur av 55-65°C. figur 7.14 C visar en schematisk av glukoamylas, som också kallas a-amylas. Det finns ett brett utbud av amylasenzymer tillgängliga som härrör från bakterier och svampar. Tabell 7.2 visar olika enzymer, deras källa och verkan av varje.
| enzym | källa | åtgärd |
|---|---|---|
| α-amylas | Bacillus amyloliquefaciens | endast α-1,4-oligosackaridlänkar klyvs för att ge a-dextrin och övervägande maltos (G2), G3, G6 och G7-oligosackarider |
| B., licheniformis | endast α-1,4-oligosackaridlänkar klyvs för att ge a-dextrin och övervägande maltos, G3, G4 och G5-oligosackarider | |
| Aspergillus oryzae, A. niger | endast α-1,4-oligosackaridlänkar klyvs för att ge a-dextrin och övervägande maltos och G3-oligosackarider | |
| sackariserande a-amylas | B., subtilis (amylosacchariticus) | endast α-1,4-oligosaccharid länkar klyvs för att ge a-dextrin med maltos, G3, G4 och upp till 50% (w/w) glukos |
| β-amylas | mältat korn | endast α-1,4-länkar klyvs, från icke-reducerande ändar, för att ge gräns dextrin och B-maltos |
| glukoamylas | A. niger | α-1,4 och α-1,6-länkar klyvs, från de icke-reducerande ändarna, för att ge β-glukos |
| Pullulanas | B., acidopullulyticus | endast α-1,6-länkar klyvs för att ge raka maltodextrin |
några av de nyare utvecklade enzymerna (granulärt stärkelsehydrolyserande enzymer – GSHE) tillåter att man hoppar över kondenseringsstadiet genom att hydrolysera stärkelse vid låga temperaturer med matlagning. Fördelarna inkluderar: 1) minskad värme/energi, 2) minskad enhet Drift (minska kapital och driftskostnader), 3) minskade utsläpp, och 4) högre DDGS. De arbetar genom att” coring ” i stärkelsegranuler direkt utan vattensvullnad/infusion., Nackdelar inkluderar: 1) enzymer kostar mer och 2) föroreningsrisker.
jäsning
det slutliga kemiska steget för framställning av etanol från stärkelsen är jäsning. Den kemiska reaktionen av jäsning är där 1 mol glukos ger 2 mol etanol och 2 mol koldioxid. Reaktionen visas i ekvation 2 nedan:
c 6 H 12 o 6 →2 C 2 H 6 OH + 2 CO 2
för att orsaka jäsning att äga rum tillsätts jäst. En vanlig jäst att använda är saccharomyces cerevisiae, som är en unicellulär svamp. Reaktionen sker vid 30-32 ° C i 2-3 dagar i en satsprocess., Kompletterande kväve tillsätts som ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) eller urea. Ett proteas kan användas för att omvandla proteiner till aminosyror för att lägga till som ett extra jästnäringsämne. Virginiamycin och penicillin används ofta för att förhindra bakterieangrepp. Den koldioxid som produceras sänker också pH, vilket kan minska risken för kontaminering. Nära 90-95% av glukosen omvandlas till etanol.
det är möjligt att göra sackarifiering och jäsning i ett steg. Det kallas samtidig Sackarifiering och jäsning (SSF), och både glukoamylas och jäst tillsätts tillsammans., Det görs vid en lägre temperatur än sackarifiering (32-35°C), vilket saktar hydrolysen till glukos. När glukos bildas fermenteras det, vilket minskar enzymproduktinhiberingen. Det sänker initiala glukoskoncentrationer, sänker föroreningsrisken, sänker energibehovet och ger högre utbyten etanol. Eftersom SSF görs i en enhet kan det förbättra kapitalkostnaderna och spara uppehållstid.
destillation och ökning av Etanolkoncentrationen
den sista fasen av etanolproduktionen är bearbetning av etanol för att öka etanolkoncentrationen., Nedströms från fermentorerna är etanolkoncentrationen 12-15% etanol i vatten (vilket innebär att du har 85-88% vatten i din lösning!). Destillation nämndes i en tidigare lektion; råolja måste destilleras till olika kokande fraktioner för att separera oljan i användbara produkter. Destillation är en process för att separera komponenter med hjälp av värme och specialdesignade torn för att hålla vätskan flyter nedåt och ångorna genereras för att flöda uppåt. Vatten kokar vid 100°C, medan etanol kokar vid 78 ° C., Men eftersom vatten och etanol avdunstar vid en lägre temperatur än deras kokpunkter, och eftersom de båda har OH funktionella grupper som lockas till varandra, etanol och vattenmolekyler är starkt bundna till varandra och bildar en azeotrope tillsammans. Det betyder bara att du inte helt kan skilja etanol från vatten – etanolfraktionen innehåller ca 5% vatten och 95% etanol när du kommer till slutet av destillationsprocessen. Figur 7.15 visar ett schema över en destillationsenhet., Du vill inte ha vatten i bensin när du kör, eftersom det förhindrar effektiv förbränning. Vill du ha vatten i din etanol om du använder den som bränsle?
svaret är nej, så du måste använda en ytterligare metod för att ta bort allt vatten från etanol. Metoden kallas uttorkning. Den enhet som används kallas en molekylsikt, och materialet som används i det kallas zeolit., Under dessa förhållanden absorberar zeolit vattnet i det, men etanolen kommer inte att gå in i zeolit. De använder vad som kallas en tryck-swing adsorptionsenhet. Enheten är utformad för att köras i två lägen. Vid högt tryck dehydreras etanolen i Enhet 1 och vid lågt tryck matas vattenfri etanol genom för att avlägsna vattnet från Enhet 2 (Figur 7.16 a). När zeolitsilen har absorberat allt vatten byts enhet 1 till att bli lågtrycksregenererande bädd och enhet 2 blir högtrycksenheten (figur 7.16 b). Uppehållstiden för processen är 3-10 minuter., Zeolit för denna process är ett högt beställt aluminiumsilikat med väldefinierade porstorlekar som bildas i pärlor eller ingår i ett membran. Zeoliterna lockar både vatten och etanol, men porstorlekarna är för små för att etanolen ska kunna komma in. Såsom noterats i Figur 7.17 är pore-storleken på zeolitmembranet 0,30 nm, medan storleken på vattenmolekylen är 0,28 nm och etanolen 0,44 nm. Beroende på typ av enhet kan membranet eller pärlorna regenereras med hjälp av värme och vakuum, eller genom att strömma den rena etanolen genom enheten såväl som beskrivits ovan.,
diagrammet visar 95% EtOH ånga från destillation går in Enhet 1: en högtrycks uttorkande säng. Av den 60-85% går EtOH till slutprodukten medan 15-40% av EtOH går in i enhet 2, en lågtrycksvakuumregenererande säng. Av detta går den våta EtOH-ångan tillbaka till destillation.,
så när vi har fermenterat materialet till etanol går det igenom en serie processer för att erhålla produkterna i den form som vi vill ha dem. Figur 7.,18a är en schematisk produktåterställning, och figur 7.18 B visar definitionerna av en del av terminologin.
produktåtervinningsdiagram för etanol och andra produkter. Från jäsning återvinns CO2 tillsammans med öl: 12-13% etanol. Därifrån sker destillation. Detta återvinner 95% etanol som går genom en molekylsikt för att bli 100% etanol och går in i denaturerad etanollagring med bensin., Från destillation återvinns också hela stillage. Detta går in i separation/centrifugering och ger tunn stillage och WDG. Den tunna stillagen återvinns antingen eller går in i förångaren och blir sirap. Den WDG och sirap kombineras för att bli WDGS. Den WDGS går in i den torra och blir DDGS.
bilden definierar terminologi.,
hela Stillage (spillvätska från destillation) går till centrifug eller filterpressar.
Thin Stillage (liquid from centrifuge) återvinns eller indunstas för att göra
sirap (solubles) som läggs till
WDG (wet distillers grains) som sedan torkas för att göra
Ddgs (Distiller torkade korn med Solubles)
för att sammanfatta, majs har 62% stärkelse, 19% protein, 4% olja och 15% vatten., Om du tittar på produkterna på torr basis (du tittar inte på vattnet som en produkt) är 73% av majsen stärkelse och 27% är protein, fiber och olja. För varje skäppa av majs, realistiskt kommer du att generera 2.8 gallons etanol, ~ 17 lbs CO2 och ~17 lbs av DDGS. Vi ska titta på ekonomin i denna process och ett par andra processer i en senare lektion.
så, vid denna tidpunkt kan du se hur man genererar etanol från majs., Om du vill generera etanol från cellulosa i växter har du informationen från lektion 6 för att generera glukos från cellulosa (det är en mer involverad process), men när du har glukos kan du använda samma slutsteg i etanolproduktion från jäsning av glukos. I nästa avsnitt tittar vi på produktionen av en annan alkohol, butanol.