年產(chǎn)5萬(wàn)噸乙醇化工廠(chǎng)設(shè)計(jì)【含4張CAD圖紙】
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如何由玉米生產(chǎn)乙醇Nathan S. Mosier and Klein Ileleji 摘要: 燃料乙醇在過(guò)去20年來(lái)已成為一個(gè)非常重要的農(nóng)產(chǎn)品。 2005年,超過(guò)13的美國(guó)玉米產(chǎn)量作出了對(duì)這種燃料添加劑/燃料擴(kuò)展,從而減少美國(guó)對(duì)外國(guó)石油進(jìn)口的依賴(lài),是對(duì)環(huán)境更清潔,并已對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響的農(nóng)產(chǎn)品。關(guān)鍵詞:玉米,乙醇,發(fā)酵法,發(fā)酵車(chē)間,蒸餾車(chē)間1. 燃料乙醇乙醇是糖由酵母發(fā)酵而成的。它是相同的發(fā)酵酒精生產(chǎn)與在啤酒,葡萄酒,和烈酒上。燃料乙醇是乙醇已高度集中,以消除與其他化合物混合,使水和酒精不能飲用。燃料乙醇可單獨(dú)使用作為燃料,如汽車(chē)在印地賽車(chē)聯(lián)盟,或者可以與汽油混合,作為燃料使用。今天所有在道路上的汽車(chē)和卡車(chē)可以使用汽油高達(dá)10/乙醇混合燃料乙醇(90汽油),也被稱(chēng)為“E10中?!备哌_(dá)85的乙醇混合,也稱(chēng)為為“E85燃料”,可以用作運(yùn)輸?shù)钠?chē)和(約每車(chē)100美元)稍作修改卡車(chē)的燃料。這些靈活燃料汽車(chē)可以使用汽油或包括混合E85燃料乙醇。 2. 酵母在生產(chǎn)乙醇中的作用所有的乙醇生產(chǎn)是根據(jù)酵母活性(酵母),一個(gè)重要的微生物到人類(lèi)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“發(fā)酵”,用簡(jiǎn)單的糖和酵母產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)和乙醇作為廢品。對(duì)于每一個(gè)簡(jiǎn)單的糖磅,酵母可以生產(chǎn)大約一磅(0.15加侖)乙醇和二氧化碳等量。3. 玉米作為乙醇原料表12 玉米的組成 水分 蛋白質(zhì) 脂肪 碳水化合物 粗纖維 灰分 615 8.5 57 6573 1.3 1.72005年,約11億蒲式耳玉米生產(chǎn)了在美國(guó)印第安納州,2005年玉米產(chǎn)量約為8.89億蒲式耳(農(nóng)業(yè)部,2006)。美國(guó)乙醇生產(chǎn)在2005年突破4billion加侖,花費(fèi)1.4億蒲式耳的玉米,價(jià)值在29億美元(NCGA,2005年)。這是后動(dòng)物飼料和出口市場(chǎng)為美國(guó)玉米的第三大需求。隨著更多的乙醇工廠(chǎng)建設(shè)的需求和增加乙醇,燃料乙醇產(chǎn)量預(yù)計(jì)將超過(guò)之前設(shè)定的2005年能源政策法案(EPACT05提出了今年2012target 7.5billion加侖)。對(duì)玉米作為乙醇生產(chǎn)原料的價(jià)值,是因?yàn)槠浜写罅康奶妓衔?,特別是淀粉,玉米目前的淀粉加工可以很輕松生成單糖,然后可以加入生產(chǎn)乙醇,現(xiàn)代乙醇生產(chǎn)技術(shù)可達(dá)到生產(chǎn)每加侖燃料乙醇用約2.7蒲式耳玉米。4. 工業(yè)生產(chǎn)乙醇在美國(guó)工業(yè)生產(chǎn)生產(chǎn)商業(yè)乙醇燃料乙醇是由玉米淀粉轉(zhuǎn)化為單糖(葡萄糖),主要產(chǎn)品(乙醇)和副產(chǎn)品(例如,動(dòng)物飼料)。兩大生產(chǎn)燃料乙醇工業(yè)的方法是用在美國(guó):濕磨和干磨。干磨乙醇生產(chǎn)的乙醇處理代表在美國(guó)( 70的多數(shù)產(chǎn)品),所有新建乙醇工廠(chǎng)雇用了一些基本的干磨工藝變化,因?yàn)檫@種植物可以在一個(gè)較小的規(guī)模上建立了一個(gè)小投資。4.1濕磨法濕磨法是用于除生產(chǎn)燃料乙醇等的許多產(chǎn)品。大型的,資本密集,玉米深加工生產(chǎn)等不同的濕造紙廠(chǎng)的產(chǎn)品,高果糖玉米糖漿(高果糖漿),可生物降解塑料,食品添加劑,如檸檬酸,黃原膠,玉米油(烹調(diào)油),和牲畜飼料。 濕磨被稱(chēng)為“濕”,因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中的第一步是浸泡在水中的糧食(浸泡)軟化糧食,使其更易于分離(分餾)玉米粒的各個(gè)組成部分,使淀粉,纖維,細(xì)菌,等各組成部分分別進(jìn)行處理。 濕法磨乙醇生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品是兩個(gè)動(dòng)物飼料產(chǎn)品,玉米蛋白粉(高蛋白質(zhì),40)和玉米蛋白飼料(低蛋白,28),玉米胚芽,可進(jìn)一步加工成玉米油。 4.2干磨在干磨法生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中,整個(gè)糧食處理主要有五個(gè)步驟:(1)干磨(粉碎)(2)液化(3)糖化(4)發(fā)酵(5)蒸餾和回收4.2.1干磨通過(guò)干磨法加工涉及錘磨把玉米粒粉碎到直徑為3.2之間(玉米4.0毫米),以產(chǎn)生一種玉米面粉,然后給玉米粉加水混合為水漿,加入熱穩(wěn)定酶(a-淀粉酶)。4.2.1液化這是煮漿,也稱(chēng)為“液化”。液化是使用噴射爐,使玉米粉漿液在高于100(212 F)的溫度下。利用熱量和蒸煮過(guò)程的機(jī)械剪切斷使淀粉顆粒的內(nèi)核胚乳在酶的作用下分解成小片段的淀粉聚合物。煮熟的玉米泥,然后讓其冷卻至80-90(175-195 F),另外添加酶a-淀粉酶,并且繼續(xù)至少液化30分鐘玉米泥漿。4.2.2糖化液化后,漿料,現(xiàn)在被稱(chēng)為“玉米醪”,被冷卻到大約30(86 F)時(shí),添加第二個(gè)酶(糖化酶)被。糖化酶完成對(duì)成簡(jiǎn)單的糖(葡萄糖淀粉崩潰)。這一步,被稱(chēng)為“糖化”。經(jīng)常情況下,這一步的生產(chǎn)條件對(duì)整個(gè)下一步(在發(fā)酵罐發(fā)酵)的產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。4.2.3發(fā)酵 在發(fā)酵過(guò)程中,酵母生長(zhǎng)在發(fā)酵罐中,添加玉米醪開(kāi)始簡(jiǎn)單的糖轉(zhuǎn)化為乙醇的過(guò)程。在發(fā)酵過(guò)程,玉米粒(蛋白質(zhì),油,等)的其他組成部分大致維持不變。在大多數(shù)干磨乙醇工廠(chǎng),采用連續(xù)添加法,生產(chǎn)開(kāi)始時(shí),先將一定量的酒母打入發(fā)酵罐,然后根據(jù)生產(chǎn),確定流加速度。一般從接種酵母后,應(yīng)于68小時(shí)內(nèi)將罐裝滿(mǎn)。上流過(guò)程(研磨,液化,糖化)和(蒸餾和回收)下游工序連續(xù)發(fā)生(糧食是不斷通過(guò)設(shè)備處理)。因此,這種設(shè)計(jì)的干磨設(shè)備通常有3個(gè)發(fā)酵罐(發(fā)酵罐)凡在任何時(shí)候,一個(gè)是填充,一個(gè)是發(fā)酵(通常為48小時(shí)),一個(gè)是清空,為下一批準(zhǔn)備。 二氧化碳是發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的。通常情況下,二氧化碳不回收,并從發(fā)酵罐中釋放到大氣中。如果收回,這可以被壓縮二氧化碳和碳酸汽水出售或冷凍干燥成冰冷產(chǎn)品儲(chǔ)存和運(yùn)輸。 4.2.4蒸餾和恢復(fù)發(fā)酵后,發(fā)酵醪部分含8-12(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的乙醇。因?yàn)橐掖嫉姆悬c(diǎn)為78.5,比水的沸點(diǎn)低,因此,乙醇可的提純開(kāi)可以為“蒸餾”的過(guò)程。常規(guī)蒸餾可以生產(chǎn)出92-95純度乙醇。為了進(jìn)一步提高乙醇的純度,可以使乙醇/水蒸汽的混合物經(jīng)過(guò)分子篩的吸附分離,從而可以得到濃度達(dá)到“99(體積分?jǐn)?shù))的乙醇產(chǎn)品。 蒸餾剩余的水和玉米固體,經(jīng)過(guò)蒸餾過(guò)程中仍然被稱(chēng)為“酒糟。酒糟經(jīng)離心后,然后把薄酒糟(濕餅或酒糟固體碎片的液體)?;厥盏降母赡ミM(jìn)程的開(kāi)始,用來(lái)把干磨后的玉米粉調(diào)為玉米粉漿,以節(jié)約設(shè)施使用的水。 余下的酒糟通過(guò)蒸發(fā)器除去水,很大一部分生產(chǎn)濃縮糖漿。通常,糖漿與酒糟混合,干燥,生產(chǎn)動(dòng)物飼料的所謂“酒糟干籽??扇芪铩保―DGS的)。當(dāng)飼料產(chǎn)品市場(chǎng)正好接近工廠(chǎng),副產(chǎn)品直接可售,從而沒(méi)有酒糟或濕酒糟干燥。5. 生產(chǎn)乙醇的能源利用誠(chéng)然,物理定律支配能量是在一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)形式的能源損失。因此,用玉米來(lái)制造能源乙醇也有不足。不過(guò),這也是真正轉(zhuǎn)化為汽油和原油煤發(fā)電。對(duì)乙醇生產(chǎn)的重要問(wèn)題是“是一種真正可再生的燃料乙醇?”和“使用多少化石燃料?” 是的,糧食能源用于生產(chǎn)乙醇,乙醇是一種可再生的燃料,包括拖拉機(jī),聯(lián)合收割機(jī)燃料,糧食運(yùn)到乙醇工廠(chǎng),以及在處理玉米乙醇能源。然而,在目前玉米總能量最大的部分是玉米植株對(duì)太陽(yáng)能的捕獲和儲(chǔ)存的糧食淀粉。用于種植和加工玉米生產(chǎn)乙醇的能源超過(guò)了化石燃料的能源,總計(jì)2040(法瑞爾等人,2006)。 在玉米加工乙醇時(shí),能量大部分是用于蒸餾和DDGS的烘干過(guò)程的步驟。濕酒糟顆??梢晕桂B(yǎng)牲畜且接近乙醇廠(chǎng)時(shí)即可節(jié)省烘干的能量,可為干燥玉米和加工乙醇節(jié)約高達(dá)20的總能量消耗。6.結(jié)論現(xiàn)代干磨乙醇工廠(chǎng)可以把玉米粒轉(zhuǎn)換成乙醇(每蒲式耳2.7-2.8加侖)和DDGS的(每蒲式耳17磅)。這個(gè)相當(dāng)有效的過(guò)程產(chǎn)生的能源可再生液體燃料對(duì) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和能源在美國(guó)使用的重大影響 美國(guó)作為農(nóng)業(yè)的要求和挑戰(zhàn),增加乙醇生產(chǎn)帶來(lái)許多機(jī)會(huì)。玉米飼料,燃料的生產(chǎn)和出口市場(chǎng)的增長(zhǎng)。此外,由于生物技術(shù)的進(jìn)步,人類(lèi)利用這些新技術(shù)工程正在打開(kāi)新的原料,如草,玉米秸稈等利用的可能性,相信將有更大的燃料乙醇在未來(lái)生產(chǎn)中使用。 參考資料【1】Farrell, A. E.; Plevin, R. J.; Turner, B. T.; Jones A. D.; OHare, M.; Kammen, D. M. “Ethanol Can Contribute to Energy and Environmental Goals,” Science 311(5760): 506 508, (2006).【2】National Corn Growers Association (NCGA) AnnualReport (2005).【3】Purdue Laboratory of Renewable Resources Engineering 【4】 Rausch, K. D.; Belyea, R. L.; Ellersieck, M. R.; Singh, V.; Johnston, D. B.; Tumbleson, M. E. “Particle Size Distributions of Ground Corn and DDGS From Dry Grind Processing,” Transactions of the ASAE, 48(1):273277, (2005).。【5】U.S. Department of Agriculture, National Agriculture Statistics Service .【6】Watson, S. A., “Structure and Composition,” Corn: Chemistry and Technology, Watson, S. A. And Ramstad, P. E. (eds). American Association of Cereal Chemists, Inc. pp 53-82, (1987).4
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