Corn (Maize) for Bioethanol as a Fuel Source/vi

▼Trang này cần thông tin và sự kiểm chứng từ người có chuyên môn. Nhận xét: Ngoài ra, cần có dẫn chứng cho tất cả các khẳng định.

Ngô (Zea Mays) hay bắp là một loại cây trồng phổ biến để sản xuất ethanol. Ethanol còn được gọi là rượu etyl, rượu ngũ cốc hoặc cồn.

Ngô là một loại cây trồng có khả năng chuyển hóa năng lượng cao, chuyển đổi hiệu quả năng lượng bức xạ từ mặt trời thành năng lượng hóa học. Năng lượng này được tích trữ trong cây và hạt ngô, dưới dạng cellulose, dầu và tinh bột.

Ngô được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất ethanol do hàm lượng carbohydrate cao, đặc biệt là tinh bột.

Tinh bột được chế biến để phân giải thành các loại đường đơn, sau đó được dùng làm thức ăn cho men để sản xuất rượu.

sử dụng Ethanol

Việc sử dụng ngô làm nguồn nhiên liệu ethanol trong ngành công nghiệp ô tô bắt đầu từ năm 1908. Chiếc xe đầu tiên của hãng Ford Motor Company, Model T, đã sử dụng xăng ethanol từ ngô.

Dòng thời gian lịch sử Ethanol

• Năm 1826, Samuel Morey đã phát minh ra một động cơ chạy bằng ethanol và nhựa thông.
• Năm 1896, Henry Ford chế tạo chiếc xe bốn bánh chạy bằng nhiên liệu ethanol nguyên chất.
• Năm 1908, chiếc ô tô đầu tiên của hãng Ford Motor, Model T, được thiết kế để sử dụng cồn ngô.
• Năm 1920, Standard Oil bắt đầu pha trộn ethanol vào xăng để tăng chỉ số octan và giảm hiện tượng kích nổ động cơ.
• Năm 1940, nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu đầu tiên được quân đội Hoa Kỳ xây dựng tại Omaha, Nebraska. Mục đích là để sản xuất nhiên liệu cho quân đội và cung cấp ethanol để pha trộn với các loại nhiên liệu khác.
• 1940-1970 Giá xăng ở Hoa Kỳ rất thấp, dẫn đến việc không có nhiên liệu ethanol nào được bán cho người tiêu dùng.
• Những năm 1980, các chất chứa oxy như Ethyl Tertiary Butyl Ether (ETBE), được sản xuất từ ​​ethanol và dầu mỏ, đã được thêm vào xăng.
• Năm 1988, nhiên liệu pha ethanol có chứa oxy lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trong suốt mùa đông ở Denver, Colorado. Điều này cho phép kiểm soát lượng khí thải carbon monoxide.
• Luật sửa đổi Đạo luật Không khí Sạch năm 1990 đã quy định việc sử dụng nhiên liệu có chứa oxy vào mùa đông ở 39 khu vực.
• Các sửa đổi của Đạo luật Không khí Sạch năm 1995 yêu cầu sử dụng chất oxy hóa quanh năm ở 9 khu vực.
• Từ những năm 1990 đến nay, các nhà sản xuất ô tô lớn của Hoa Kỳ bắt đầu bán các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt, chạy bằng 85% ethanol.
• Năm 2003, California chuyển sang sử dụng ethanol để sản xuất xăng cải tiến.
• Từ năm 2003 đến nay, đa số các tiểu bang của Hoa Kỳ, theo sau California, đã thay thế Methyl Tert-Butyl Ether (MTBE) bằng ethanol.
• Đạo luật Chính sách Năng lượng năm 2005 quy định rằng xăng bán tại Mỹ phải chứa một lượng nhiên liệu tái tạo tối thiểu.
• Tháng 9 năm 2006, Chương trình Tiêu chuẩn Nhiên liệu Tái tạo (RFS) được ký kết. Chương trình này được thiết kế để thúc đẩy việc pha trộn nhiên liệu tái tạo (ethanol) vào nhiên liệu động cơ trên toàn quốc.
• Đạo luật Độc lập và An ninh Năng lượng tháng 12 năm 2007 , được tổng thống và quốc hội ký ban hành, yêu cầu phải có 15 tỷ gallon nhiên liệu tái tạo (ethanol) vào năm 2015.
• Năm 2007-2008, có sự gia tăng mạnh mẽ tại các tiểu bang trong việc bắt buộc sử dụng xăng E10 có hàm lượng ethanol 10%.

Sản xuất Ethanol công nghiệp

Việc sản xuất ethanol thương mại làm nhiên liệu ở Hoa Kỳ bắt đầu bằng việc phân giải tinh bột trong ngô thành đường đơn (glucose). Những đường này được dùng làm thức ăn cho men để kích thích quá trình lên men, và sản phẩm chính thu được là ethanol. Một sản phẩm phụ của quá trình này là thức ăn chăn nuôi. Có hai phương pháp sản xuất ethanol nhiên liệu trên quy mô công nghiệp ở Hoa Kỳ là phương pháp xay ướt và xay khô.

Quá trình nghiền khô chiếm hơn 70% sản lượng ethanol, do các nhà máy loại này được xây dựng ở quy mô nhỏ hơn với chi phí đầu tư thấp hơn. Tóm tắt quy trình này là xử lý toàn bộ hạt ngũ cốc và sau đó tách các thành phần còn lại ở cuối quá trình.

Quá trình sản xuất ethanol bằng phương pháp nghiền khô gồm năm bước chính.

1. Xay
2. Sự hóa lỏng
3. Đường hóa
4. Quá trình lên men
5. Chưng cất & Thu hồi

Xay

Bước đầu tiên bao gồm việc chế biến ngô bằng máy nghiền búa có lưới lọc từ 3,2 đến 4,0 mm. Sau khi ngô được chế biến qua máy nghiền, nó trở thành bột ngô. Nước được trộn với bột ngô nguyên cám này, sau đó một loại enzyme chịu nhiệt gọi là (α-amylase) được thêm vào. (Hình ảnh: Corn mill.jpg)

Sự hóa lỏng

Bước thứ hai là hóa lỏng, bao gồm việc nấu hỗn hợp bột ngô này. Quá trình bắt đầu bằng việc sử dụng nồi nấu phản lực để phun hơi nước vào hỗn hợp bột ngô, giúp nó đạt đến nhiệt độ trên 100°C (212°F). Các hạt tinh bột bên trong nội nhũ hạt ngô bị phá vỡ bởi nhiệt và lực cơ học trong suốt quá trình nấu. Enzyme là tác nhân phân giải polymer tinh bột thành các mảnh nhỏ hơn. Hỗn hợp ngô đã nấu chín này được làm nguội đến 80-90°C (175-195°F), và thêm enzyme chịu nhiệt (α-amylase). Hỗn hợp ngô này tiếp tục được hóa lỏng trong ít nhất 30 phút.

Đường hóa

Hỗn hợp sệt này sau quá trình hóa lỏng có thể được gọi là "bã ngô". Bã ngô được làm nguội đến khoảng 30°C (86°F), và một loại enzyme thứ hai gọi là glucoamylase được thêm vào. Glucoamylase hoàn tất quá trình phân giải tinh bột thành đường đơn (glucose). Thuật ngữ "đường hóa" được sử dụng để mô tả quá trình xảy ra khi bã ngô được đổ đầy vào thùng lên men để chuẩn bị cho quá trình lên men. Quá trình đường hóa tiếp tục diễn ra trong suốt quá trình lên men.

Quá trình lên men

Bước lên men bắt đầu bằng việc thêm men được nuôi cấy trong bể chứa cùng với bột ngô, men này bắt đầu quá trình chuyển hóa đường đơn thành ethanol. Các thành phần bên trong hạt ngô như protein, dầu, v.v., không thay đổi trong suốt quá trình lên men. Quá trình này diễn ra theo từng mẻ, trong đó một bể được đổ đầy, lên men hoàn toàn, sau đó được xả hết để bắt đầu mẻ khác. Sau khi quá trình lên men hoàn tất, phần chất lỏng còn lại của hỗn hợp chứa 8-12% ethanol theo trọng lượng.

Chưng cất và thu hồi

Chưng cất là quá trình tách etanol khỏi nước. Quá trình tách bắt đầu từ việc biết rằng etanol có nhiệt độ sôi thấp hơn nước. Các hệ thống chưng cất/tinh chế tiêu chuẩn có thể đạt được độ tinh khiết etanol từ 92-95%. Để đạt được etanol tinh khiết (>99%), nước dư được loại bỏ bằng cách sử dụng sàng phân tử, chất này hấp thụ nước một cách chọn lọc từ hỗn hợp hơi etanol/nước. Thuật ngữ "bã chưng cất" dùng để chỉ nước dư và chất rắn từ ngô còn lại sau quá trình chưng cất. Bã chưng cất này được tách bằng máy ly tâm, tách phần chất lỏng (bã chưng cất loãng) khỏi phần chất rắn của hạt ngô (bã chưng cất). Nước có thể được tiết kiệm bằng cách tái chế một phần bã chưng cất loãng trở lại giai đoạn đầu của toàn bộ quá trình xay khô này.

Các phương pháp sản xuất Ethanol thực tiễn và hiệu quả

Các quy trình thượng nguồn: Nghiền, Hóa lỏng và Đường hóa

Các quy trình tiếp theo : (Chưng cất và thu hồi)

• Một hệ thống xay khô hiệu quả sẽ liên tục sử dụng cả quy trình thượng nguồn và hạ nguồn cùng một lúc. Các cơ sở sử dụng phương pháp này thường có ba bể lên men. Một bể đang được đổ đầy, một bể đang lên men (trong 48 giờ), và một bể đang được làm rỗng và chuẩn bị cho nhánh tiếp theo.
• Một phương pháp khác để tăng hiệu quả tổng thể của một cơ sở nghiền khô là thu giữ khí Carbon Dioxide được tạo ra trong quá trình lên men. Khí này có thể được nén và bán cho các công ty sản xuất nước giải khát để tạo ga hoặc đông lạnh để sử dụng làm đá khô.
• Bã rượu có thể được cô đặc để tạo ra một loại siro đặc. Siro này có thể được trộn với bã rượu và sấy khô để sản xuất một loại thức ăn chăn nuôi. Sản phẩm này được gọi là "Bã rượu khô có chất hòa tan" (DDGS). Sản phẩm này có thể được bán cho nông dân địa phương, giúp khép kín chu trình sản xuất bio-ethanol. Ước tính khoảng 17 pound DDGS có thể được sản xuất trên mỗi bushel.

Kết luận

Các nhà máy sản xuất ethanol bằng phương pháp nghiền khô hiện nay có khả năng chuyển đổi hạt ngô thành ethanol với tốc độ khoảng 2,8 gallon mỗi bushel.

Lợi ích của Ethanol

Ethanol được coi là một nguồn năng lượng tái tạo. Lợi ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời để trồng trọt, sau đó chế biến thành nhiên liệu vận chuyển, lớn hơn nhiều so với tác động của việc chuyển đổi tài nguyên thiên nhiên thành nhiên liệu. Loại nhiên liệu thay thế này giúp tiết kiệm dầu mỏ và giảm lượng khí thải.

An ninh năng lượng

Hoa Kỳ nhập khẩu khoảng 24% lượng dầu mỏ tiêu thụ của cả nước.

Nếu không pha trộn ethanol vào xăng, tỷ lệ 24% sẽ lên tới 32%.

Ngành vận tải chiếm khoảng 3/4 tổng lượng tiêu thụ xăng dầu của Hoa Kỳ. Việc pha trộn ethanol vào nhiên liệu có tác động đáng kể đến lượng khí thải ra khí quyển.

Tác động đến việc làm: Sản xuất ethanol tạo ra việc làm ở các vùng nông thôn và thúc đẩy cơ hội việc làm ở những nơi cần thiết.

Sản xuất ethanol năm 2015 đã dẫn đến

• Điều này sẽ tạo ra thêm khoảng 86.000 việc làm trên toàn quốc.
• 44 tỷ đô la Mỹ đóng góp vào GDP
• 24 tỷ thu nhập hộ gia đình

Việc pha trộn ethanol vào xăng thúc đẩy

• hỗ trợ cho nền kinh tế Hoa Kỳ
• sự đa dạng trong đội xe vận tải của Hoa Kỳ
• Giảm thiểu tác động của sự gián đoạn nguồn cung quốc tế.

Giảm phát thải

Lượng khí carbon dioxide thải ra từ xe cộ trong quá trình đốt cháy ethanol được bù đắp bởi lượng khí carbon dioxide được hấp thụ khi trồng ngô để sản xuất ethanol. Lượng khí thải nhà kính giảm khoảng 40% khi sử dụng ethanol làm từ ngô được sản xuất bằng phương pháp xay khô.

Những mâu thuẫn trong việc sản xuất Ethanol từ ngô

Hiệu suất năng lượng thu hồi trên vốn đầu tư (EROI) phụ thuộc vào các nguồn lực đã được sử dụng để trồng ngô, chế biến ethanol và vận chuyển nhiên liệu.

Các yếu tố EROI

• Dầu diesel cho máy móc (Máy kéo & Máy gặt đập liên hợp)
• Khí tự nhiên được sử dụng để sản xuất phân bón nitơ.
• Khí đốt tự nhiên và điện tại nhà máy sản xuất ethanol
• Năng lượng tiêu hao để vận chuyển ethanol từ ngô

Chuyển đổi đất đai để sản xuất ngô

các vấn đề liên quan đến việc chuyển đổi đồng cỏ nguyên sinh thành đất nông nghiệp

• mất đa dạng sinh học
• Carbon được lưu trữ dưới dạng chất hữu cơ và được giải phóng vào khí quyển.
• Là nguyên nhân góp phần vào sự phát thải khí nhà kính.

Tăng cường sử dụng phân bón

Sự gia tăng đột ngột sản lượng ngô để sản xuất ethanol đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ lượng phân bón sử dụng. Điều này làm tăng nguy cơ phân bón chảy tràn vào các hệ sinh thái nhạy cảm, có thể gây ra những thiệt hại sinh thái nghiêm trọng.

Thức ăn so với năng lượng

Việc chuyển đổi ngô từ lương thực sang nhiên liệu làm nhiên liệu đã dẫn đến tăng giá ngô. Nhu cầu về ngô tăng lên để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về việc sử dụng ethanol trong xăng ở Hoa Kỳ, điều này đã gây ra sự tăng giá ngô trên toàn cầu. Các nước đang phát triển, vốn phụ thuộc nhiều vào ngô để đáp ứng nhu cầu calo hàng ngày, bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

tài nguyên

"Lợi ích và những điều cần cân nhắc về Ethanol." Trung tâm Dữ liệu Nhiên liệu Thay thế: Lợi ích và những điều cần cân nhắc về Ethanol, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_benefits.html.

Mosier, Nathan S., và Klein Lleleji. "Cách sản xuất nhiên liệu ethanol từ ngô." Đại học Purdue, ngày 3 tháng 6 năm 2012, trang 1–4.

Tverberg, Gail. "Những vấn đề khi sử dụng ethanol từ ngô làm nhiên liệu là gì?" Thế giới hữu hạn của chúng ta, ngày 10 tháng 1 năm 2011, ourfiniteworld.com/2011/01/10/what-are-the-problems-with-using-corn-ethanol-for-fuel/.

Voelcker, John. "EPA Giữ Nguyên Quy Định Bắt Buộc Sử Dụng Ethanol Từ Ngô, Bác Bỏ Yêu Cầu Đình Chỉ." Green Car Reports, 19 tháng 11 năm 2012, www.greencarreports.com/news/1080551_epa-keeps-corn-based-ethanol-mandate-rejects-suspension-request.