Corn (Maize) for Bioethanol as a Fuel Source/pl
Kukurydza (Zea Mays) lub kukurydza to popularne źródło uprawy do produkcji etanolu. Etanol jest również nazywany alkoholem etylowym, alkoholem zbożowym lub alkoholem.
Kukurydza jest rośliną o dużej wydajności, która przechodzi wydajną konwersję energii promieniowania słonecznego na tworzenie energii chemicznej. Energia znajduje się w roślinie i jej ziarnach, jako celuloza, olej i skrobia.
Kukurydza jest wykorzystywana jako surowiec do produkcji etanolu ze względu na dużą zawartość węglowodanów, zwłaszcza skrobi.
Skrobia jest przetwarzana w celu rozłożenia na cukry proste, które są następnie podawane drożdżom w celu wytworzenia alkoholu.
Historyczne zużycie etanolu
Początki korporacji wykorzystującej kukurydzę jako źródło paliwa etanolowego w przemyśle motoryzacyjnym sięgają 1908 roku. Pierwszy samochód Ford Motor Company, Model T, wykorzystywał benzynę kukurydzianą na bazie etanolu.
Oś czasu historii etanolu
- 1826 Samuel Morey skonstruował silnik zasilany etanolem i terpentyną.
- W 1896 roku Henry Ford zbudował czterokołowiec, który napędzany był czystym etanolem.
- 1908 Pierwszy samochód firmowy Ford Motor, Model T, został zaprojektowany tak, aby wykorzystywać alkohol kukurydziany.
- W 1920 roku firma Standard Oil zaczęła dodawać etanol do benzyny w celu zwiększenia liczby oktanowej i zmniejszenia spalania stukowego w silniku.
- 1940 Pierwsza fabryka etanolu paliwowego została zbudowana przez armię Stanów Zjednoczonych w Omaha w Nebrasce. Celem było wytwarzanie paliwa dla armii i dostarczanie etanolu do mieszania z paliwami.
- 1940–1970 Cena benzyny w Stanach Zjednoczonych była bardzo niska, w związku z czym nie sprzedawano powszechnie etanolu jako paliwa komercyjnego.
- W latach 80. do benzyny zaczęto dodawać związki utleniające, takie jak eter etylowy tert-butylowy (ETBE), który powstaje z etanolu i ropy naftowej.
- 1988 Pierwsze obowiązkowe paliwa etanolowe z tlenem były stosowane przez całą zimę w Denver w stanie Kolorado. Pozwoliło to na kontrolę emisji tlenku węgla.
- Poprawki do ustawy o czystym powietrzu z 1990 r. nakazywały zimowe stosowanie paliw utlenionych w 39 obszarach.
- Nowelizacja ustawy o czystym powietrzu z 1995 r. nałożyła obowiązek całorocznego stosowania środków utleniających w 9 obszarach.
- Od lat 90. XX wieku do chwili obecnej najwięksi amerykańscy producenci samochodów zaczęli sprzedawać pojazdy z elastycznym zasilaniem paliwem, które wykorzystują 85% etanolu.
- W 2003 roku Kalifornia zaczęła używać etanolu w celu produkcji zmodyfikowanej benzyny.
- Od 2003 do chwili obecnej większość stanów USA poszła w ślady Kalifornii i zastąpiła eter metylowo-tert-butylowy (MTBE) etanolem.
- Ustawa o polityce energetycznej z 2005 r. nakazuje, aby benzyna sprzedawana w USA zawierała minimalną ilość paliwa odnawialnego.
- Wrzesień 2006 Podpisano program Renewable Fuel Standard Program (RFS). Został on zaprojektowany w celu promowania mieszania paliw odnawialnych (etanolu) w paliwach silnikowych w całym kraju.
- Ustawa o niezależności energetycznej i bezpieczeństwie z grudnia 2007 r. , podpisana przez naszego prezydenta i Kongres, wymagała, aby do 2015 r. zużywano 15 miliardów galonów paliwa odnawialnego (etanolu).
- W latach 2007–2008 w poszczególnych stanach nastąpił gwałtowny wzrost nakazów stosowania benzyny E10 z 10% etanolem.
Produkcja etanolu przemysłowego
Komercyjna produkcja etanolu jako źródła paliwa tutaj w Stanach Zjednoczonych zaczyna się od rozbicia skrobi, która znajduje się w kukurydzy na cukry proste (glukozę). Cukry te są podawane drożdżom w celu wywołania (fermentacji), a głównym produktem jest etanol. Produktem ubocznym tego procesu jest pasza dla zwierząt. Istnieją dwie różne metody produkcji etanolu paliwowego na skalę przemysłową. W Stanach Zjednoczonych są to mielenie na mokro i mielenie na sucho.
Suche mielenie stanowi ponad 70% produkcji etanolu, ponieważ tego typu zakłady są budowane na mniejszą skalę przy niższych kosztach inwestycyjnych. Przegląd tego procesu polega na przetworzeniu całego ziarna, a następnie oddzieleniu resztkowych składników na końcu procesu.
Produkcja etanolu metodą suchego mielenia składa się z pięciu głównych etapów.
- Przemiał
- Skraplanie
- Sacharyfikacja
- Fermentacja
- Destylacja i odzyskiwanie
Przemiał
Pierwszy etap polega na przetworzeniu kukurydzy przez młyn młotkowy, który ma sita o średnicy od 3,2 do 4,0 mm. Po przetworzeniu początkowej kukurydzy przez młyn, jest to mąka kukurydziana. Woda jest mieszana z całą mąką kukurydzianą, a następnie dodawany jest enzym termostabilny, znany jako (a-amylaza). File:Corn mill.jpg
Skraplanie
Upłynnianie to drugi etap, który obejmuje gotowanie tej kukurydzianej „papy”. Proces zaczyna się od użycia jet-cookerów, które wtryskują parę do zawiesiny mąki kukurydzianej, co pozwala jej osiągnąć temperaturę wyższą niż 100°C (212°F). Granulki skrobi w bielmie ziarna są rozbijane przez ciepło i siły mechaniczne w trakcie procesu gotowania. Enzymy są czynnikiem, który rozkłada polimer skrobi na mniejsze fragmenty. Ta ugotowana zacier kukurydziany jest schładzana do 80-90°C (175-195°F), a następnie dodawany jest dodatkowy enzym termostabilny (α-amylaza). Ta zawiesina kukurydziana nadal się upłynnia przez co najmniej 30 minut.
Sacharyfikacja
Tę zawiesinę można teraz nazwać „zacierem kukurydzianym” po procesie upłynnienia. Zacier jest schładzany do około 30°C (86°F), a następnie dodawany jest do niego drugi enzym zwany glukoamylazą. Glukoamylaza kończy rozkład skrobi do prostego cukru (glukozy). Słowo „sacharyfikacja” jest używane do opisania procesu, który zachodzi, gdy zacier kukurydziany wypełnia fermentor w celu przygotowania do fermentacji. sacharyfikacja trwa w procesie fermentacji.
Fermentacja
Etap fermentacji rozpoczyna się od dodania drożdży, które są hodowane w zbiornikach nasiennych z zacierem kukurydzianym, co rozpoczyna proces przekształcania cukrów prostych w etanol. Zawartość ziarna kukurydzy, taka jak białka, olej itp., pozostaje niezmienna przez cały czas fermentacji. Proces ten odbywa się partiami, w których zbiornik jest napełniany, całkowicie fermentuje, a następnie opróżniany w celu rozpoczęcia kolejnej partii. Po zakończeniu fermentacji pozostała płynna część zawiesiny składa się z 8-12% etanolu według masy.
Destylacja i odzysk
destylacja to proces oddzielania etanolu od wody. Separacja zaczyna się od wiedzy, że etanol ma niższą temperaturę wrzenia niż woda. Standardowe systemy destylacji/rektyfikacji są w stanie osiągnąć czystość etanolu na poziomie 92-95%. Aby uzyskać czysty etanol (>99%), usuwa się pozostałą wodę za pomocą sit molekularnych, które selektywnie adsorbują wodę z mieszanki etanolu/pary wodnej. Termin „wywar gorzelniany” odnosi się do pozostałej wody i stałych cząstek kukurydzy, które pozostają po procesie destylacji. Wywar ten jest oddzielany za pomocą wirówki, która oddziela ciecz (rzadki wywar gorzelniany) od stałych części ziarna (ziarna gorzelniczego). Wodę można oszczędzać, poddając recyklingowi część rzadkiego wywaru gorzelnianego z powrotem na początek całego procesu mielenia na sucho.
Praktyczne i efektywne metody produkcji etanolu
procesy wstępne: mielenie, upłynnianie i scukrzanie
procesy downstream : (destylacja i odzysk)
- wydajny system mielenia na sucho będzie stale wykorzystywał zarówno procesy w górę, jak i w dół w tym samym czasie. Obiekty wykorzystujące tę metodę zazwyczaj mają trzy zbiorniki do fermentacji. Jeden jest napełniany, jeden fermentuje (przez 48 godzin), a jeden jest opróżniany i przygotowywany do następnej gałęzi.
- inną metodą zwiększenia ogólnej wydajności zakładu do mielenia na sucho jest wychwytywanie dwutlenku węgla, który powstaje podczas fermentacji. Można go sprężyć i sprzedać firmom produkującym napoje bezalkoholowe w celu nasycenia dwutlenkiem węgla lub zamrozić, aby wykorzystać go jako suchy lód.
- Wywar gorzelniany można odparować, aby uzyskać gęsty syrop. Ten syrop można zmieszać z ziarnami gorzelni i wysuszyć, aby uzyskać rodzaj paszy dla zwierząt. Ten produkt nazywa się „Dystylowe ziarna gorzelni z substancjami rozpuszczalnymi” (DDGS). Można go sprzedać lokalnym rolnikom, co pomaga zamknąć obieg w tym systemie produkcji bioetanolu. Na buszel można wyprodukować około 17 funtów DDGS.
Wniosek
Obecne zakłady produkujące etanol metodą mielenia na sucho są w stanie przetworzyć ziarno kukurydzy na etanol w tempie ok. 2,8 galona na buszel.
Korzyści z etanolu
Etanol jest uważany za odnawialne źródło energii. Korzyści z wykorzystania słońca do uprawy roślin, które następnie mogą być przetwarzane na paliwo transportowe, przewyższają wpływ przekształcania zasobów naturalnych w paliwo. To alternatywne paliwo oszczędza ropę naftową i zmniejsza emisje.
Bezpieczeństwo energetyczne
Stany Zjednoczone importowały około 24% zużywanej w kraju ropy naftowej.
Gdyby nie dodawanie etanolu do benzyny, te 24% wzrosłoby do 32%.
Transport odpowiada za około 3/4 całkowitego zużycia ropy naftowej w Stanach Zjednoczonych. Włączenie etanolu do mieszanek paliwowych ma znaczący wpływ na emisje uwalniane do atmosfery.
Wpływ na zatrudnienie Produkcja etanolu tworzy miejsca pracy na obszarach wiejskich i promuje możliwości zatrudnienia tam, gdzie są one potrzebne.
Produkcja etanolu w 2015 r. wyniosła
- utworzenie około 86 000 nowych miejsc pracy w całym kraju.
- 44 miliardy dolarów do PKB
- 24 miliardy dolarów dochodu gospodarstw domowych
Dodanie etanolu do benzyny sprzyja
- wsparcie dla gospodarki Stanów Zjednoczonych
- różnorodność w obrębie floty transportowej Stanów Zjednoczonych
- Zmniejsza wpływ międzynarodowych zakłóceń w dostawach
Redukcje emisji
Dwutlenek węgla uwalniany przez pojazd podczas spalania etanolu zostaje zrekompensowany przez dwutlenek węgla wychwycony podczas uprawy kukurydzy w celu produkcji etanolu. Emisja gazów cieplarnianych jest zmniejszona o około 40% w przypadku etanolu na bazie kukurydzy produkowanego w suchych młynach.
Konflikty z produkcją etanolu z kukurydzy
Zwrot energetyczny z inwestycji (EROI) zależy od zasobów użytych do uprawy kukurydzy, przetwarzania etanolu i transportu paliwa.
Czynniki EROI
- Diesel do maszyn (traktory i kombajny)
- Gaz ziemny stosowany do produkcji nawozów azotowych
- Gaz ziemny i prąd w zakładzie etanolowym
- Energia wykorzystywana do transportu etanolu kukurydzianego
Konwersja gruntów pod uprawę kukurydzy
problemy związane z przekształcaniem dziewiczych prerii w tereny rolnicze
- utrata różnorodności biologicznej
- Węgiel magazynowany w postaci materii organicznej uwalnianej do atmosfery
- Powoduje emisję gazów cieplarnianych.
Zwiększenie wykorzystania nawozów
Nagły wzrost produkcji kukurydzy na potrzeby etanolu spowodował drastyczny wzrost wykorzystania nawozów. Zwiększa to ryzyko spływu nawozów do wrażliwych ekosystemów, co może spowodować znaczne szkody ekologiczne.
Jedzenie kontra energia
Przejście z kukurydzy na paliwo zamiast żywności powoduje wzrost ceny kukurydzy. Popyt na kukurydzę wzrósł, aby sprostać rosnącym nakazom dotyczącym stosowania etanolu w benzynie w Stanach Zjednoczonych, co spowodowało globalny wzrost ceny kukurydzy. Kraje rozwijające się, które są w dużym stopniu uzależnione od kukurydzy w celu zaspokojenia dziennego zapotrzebowania na kalorie, zostały poważnie dotknięte.
Zasoby
„Zalety i uwagi dotyczące etanolu”. Centrum danych o paliwach alternatywnych: Korzyści i uwagi dotyczące etanolu, Departament Energii USA, www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_benefits.html.
Mosier, Nathan S. i Klein Lleleji. „Jak powstaje paliwo etanolowe z kukurydzy”. Purdue University, 3 czerwca 2012 r., s. 1–4.
Tverberg, Gail. „Jakie są problemy z wykorzystaniem etanolu kukurydzianego jako paliwa?” Our Finite World, 10 stycznia 2011, ourfiniteworld.com/2011/01/10/what-are-the-problems-with-using-corn-ethanol-for-fuel/.
Voelcker, John. „EPA utrzymuje nakaz stosowania etanolu na bazie kukurydzy, odrzuca wniosek o zawieszenie”. Green Car Reports, 19 listopada 2012 r., www.greencarreports.com/news/1080551_epa-keeps-corn-based-ethanol-mandate-rejects-suspension-request.
