7.2: Виробництво етанолу цукрової тростини

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31868

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

7.2 Виробництво етанолу цукрової тростини

Виробництво етанолу з кукурудзи буде розглянуто в наступному розділі; цей розділ буде присвячений виробництву етанолу цукрової тростини. Отже, що потрібно зробити, щоб отримати цукор з цукрової тростини?

Перший крок - збирання цукрової тростини. Значна частина збирання проводиться ручною працею, особливо в багатьох тропічних регіонах. Деяка заготівля проводиться механічним способом. Потім матеріал швидко транспортується вантажівкою, щоб зменшити втрати.

Потім тростину розрізають і подрібнюють водою. При цьому утворюється сік з 10-15% сухих речовин, з якого витягується сахароза. Сік містить небажані органічні сполуки, які можуть викликати так звану інверсію цукру (гідроліз цукру на фруктозу і глюкозу). Це призводить до етапу освітлення з метою запобігання інверсії цукру.

На стадії освітлення сік нагрівають до 115°C і обробляють вапном і сірчаною кислотою, яка осаджує небажані неорганічні речовини.

Наступним етапом виробництва етанолу є стадія бродіння, де сік і патока змішуються так, щоб вийшов 10-20% розчин сахарози. Ферментація екзотермічна; тому для підтримки реакції в умовах бродіння необхідне охолодження. Дріжджі додають разом з поживними речовинами (азотом і мікроелементами), щоб зберегти зростання дріжджів. Бродіння може відбуватися як в періодичних, так і в реакторах безперервної дії, хоча Бразилія в основному використовує реактори безперервної дії.

На малюнку 7.4 показана схема одного процесу виробництва етанолу разом з можливістю виробництва рафінованого цукру, а також. Цукрова тростина містить наступне: вода (73-76%), розчинні тверді речовини (10-16%), а також суха клітковина або багаса (11-16%). Потрібно ряд фізичних та хімічних процесів, які відбуваються в 7 кроків, щоб зробити два основні продукти, етанол та цукор.

Схему процесу цукрової тростини для отримання етанолу та цукру див. текстовий опис нижче — Малюнок 7.4: Схема процесу цукрової тростини для отримання етанолу та цукру.

Клацніть тут для тексту, альтернативного малюнку 7.4

Ось список семи етапів процесу цукрової тростини, а потім покрокове пояснення семи етапів:

Етап 1: Етап екстракції
2: Лікування соку (що призводить до цукру)
Етап 3: Лікування соком (що призводить до етанолу)
Етап 4: Випарник з кількома ефектами
Етап 5: Кристалізація, сушка
Етап 6: Ферментор
Етап 7: Дистиляція етанолу
Пояснення семи етапів, що починаються з цукрової тростини

Етап 1 (Екстракція) призводить до соку [також виробляє багасу]. Сік відправляється на дві можливі стадії: етап 2 (врешті-решт призводить до цукру) або 3 етап (врешті-решт призводить до етанолу).
Етап 2 виробляє оброблений сік [також виробляє макуха].
Етап 3 виробляє оброблений сік. Оброблений сік зі стадії 3 відправляється на стадію 6 (ферментор), тоді як оброблений сік зі стадії 2 відправляється на стадію 4 (Multi Effect випарник).
Результатом етапу 4 (Multi Effect Evaporator) є сироп [ця стадія також виробляє пар]. Цей сироп відправляють по декількох можливих напрямках.
Варіант 1. Сироп закінчується на 5 стадії (Кристалізація, Сушка), де сироп стає цукром [або субпродуктами].
Варіант 2. Сироп проходить етап 5 (Кристалізація, Сушка), де сироп перетворюється в патоку, а потім переходить на стадію 6 (Ферментор).
Варіант 3. Сироп надходить безпосередньо на 6 стадію (Ферментор).
Результатом 6-го етапу (Ферментор) є вино. Вино відправляється на 7 Етап.
Результатом етапу 7 (Дистиляція етанолу) є етанол [цей етап також виробляє субпродукти].

Отже, навіщо виробляти і цукор, і етанол? Обидва є товарними продуктами, тому ціна та ринок товару можуть диктувати, скільки кожного продукту зробити. Ось так налаштовані бразильські заводи етанолу. Для того, щоб мати економічний процес, всі продукти, навіть побічні продукти, використовуються певним чином.

Як зазначалося раніше, одним з основних побічних продуктів є сухе волокно переробки, також відоме як багаса. Багасса також є побічним продуктом переробки стебла сорго. Найчастіше багасу спалюють для отримання тепла та енергії для переробки. Перевагою спалювання багасу є зниження потреби у зовнішній енергії, що, в свою чергу, також знижує чистий вуглецевий слід і покращує чистий енергетичний баланс процесу. При переробці кукурудзи виготовляється побічний продукт, який можна використовувати для кормів для тварин, званих дистиляторами зерна, але цей матеріал також можна спалити, щоб забезпечити технологічне тепло та енергію. На малюнку 7.5 показана установка для згоряння багасу. Основним недоліком спалювання багаси є високий вміст води; високий вміст води знижує вихід енергії і є проблемою для більшості джерел біомаси порівняно з викопним паливом, які мають більш високу щільність енергії та менший вміст води.

Багасс (див. Рис. 7.6) може мати і інше застосування. Склад багаси: 1) целюлоза, 45-55%, 2) геміцелюлоза, 20-25%, 3) лігнін, 18-24%, 4) мінерали, 1-4% і 5) воски, < 1%. З вмістом целюлози його можна використовувати для виробництва паперу та біорозкладних паперових виробів. Зазвичай його возять на невеликих вантажівках, які виглядають так, ніби вони мають «волосся», що ростуть з них.

цукровий млин — Малюнок 7.5: Цукровий завод Usina Santa Elisa в Сертаозіньо, Бразилія. Багаса, побічний продукт виробництва цукру, може бути спалений для отримання енергії або перетворений в етанол.

*Кредит: Енерзін*

багас- виглядає як сушена, засмагла лушпиння — Малюнок 7.6: Багасса.

Кредит: «Рібейра принципал-лікеро-горілчаний II-Canne à sucre déchiquetée» від Ji-Elle - Власна робота. через Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Ще одна культура, яка має деяку схожість з цукровою тростиною, - сорго. Сорго - вид трави, з одним видом, який вирощується на зерно, і багатьма іншими видами, які використовуються як кормові рослини (корм для тварин). Рослини культивуються в теплішому кліматі і є рідними для тропічних та субтропічних регіонів. Сорго біколор - світова культура, яка використовується в їжу (як зерно, так і в сиропі сорго або патоці), як корм для тварин, виробництво алкогольних напоїв, біопалива. Більшість сортів сорго стійкі до посухи та тепла навіть у посушливих регіонах і використовуються як харчовий продукт для бідних та сільських громад. На малюнку 7.7 зображено зображення поля сорго.

рослини сорго: тонни круглих помаранчево-коричневих грон на вершині стебла — Малюнок 7.7: Сорго росте в Міссісіпі.

*Кредит: Служба розширення університету штату Міссісіпі*

США можуть використовувати кілька альтернативних джерел цукру для виробництва етанолу; виявляється, кукурудза є найменш дорогим і, отже, найвигіднішим кормом і методом виробництва етанолу. У таблиці 7.1 наведено порівняння різної сировини, яка може бути використана для виробництва етанолу, порівнюючи витрати на сировину, виробничі витрати та загальні витрати. Коли ви дивитеся на використання цукру для виготовлення етанолу (з різних джерел), ви можете побачити, що витрати на переробку низькі, але ціни на сировину високі. Однак у Бразилії витрати на корми для цукрової тростини значно нижчі, ніж в інших країнах. Зверніть увагу на дані з 2006 року.

Таблиця 7.1: Підсумок оціночних витрат на виробництво етанолу ($/гал) ^a (Кредит: USDA Rural Development)

Стато витрат	Витрати на сировину ^b	Витрати на обробку	Загальні витрати
UC Кукурудза мокрого помелу	0,40	0,63	1.03
UC Кукурудза сухого помелу	0,53	0,52	1.05
Цукрова тростина США	1.48	0,92	2.40
США Цукровий буряк	1.58	0,77	2.35
США патока ^c	0.91	0,36	1.27
США Цукор-сирець ^c	3.12	0,36	3.48
США рафінований цукор ^c	3.61	0,36	3.97
Бразилія Цукрова тростина ^d	0,30	0,51	0,81
ЄС Цукровий буряк ^d	0,97	1,92	2.89

a Виключає капітальні витрати

b Витрати на сировину для мокрого та сухого помелу кукурудзи в США є чистими витратами на сировину; сировина для цукрової тростини США та цукрових буряків є валовими витратами на сировину

c Виключає транспортні витрати

d Середнє значення опублікованих оцінок