الغرض من مشروعي هو تحديد مدخلات التكلفة ومخرجات الطاقة لإنتاج الإيثانول على نطاق صغير من مصادر محلية وتقليدية. قررت استخدام البنجر السكري العضوي المزروع محليًا والمُزروع باستخدام معدات زراعية تعمل بالوقود الحيوي. وبالمقارنة بتكاليف المصدر المحلي، استخدمت أيضًا السكر التقليدي المنقول من المكسيك والمباع في شركة توريد مطاعم محلية. بالإضافة إلى ذلك، قمت بتصنيع الإيثانول الخاص بأمل لإجراء الاختبارات.
الإيثانول هو كحول حبيبي يمكن استخدامه كوقود في معظم محركات الإشعال بالشرارة ذات الأربع دورات. تبدأ عملية تصنيع الإيثانول باستخراج السكريات من محصول السكر مثل البنجر السكري، أو تحويل النشويات من المحاصيل مثل الذرة أو البطاطس إلى سكريات. تُسمى المحاصيل المستخدمة في إنتاج الإيثانول "مخزون الأعلاف". تتمتع محاصيل النشا والسكر بفوائدها اعتمادًا على المنطقة التي يتم إنتاجها فيها. تتمثل فائدة محاصيل السكر في أنها تتطلب مدخلات طاقة أقل حيث لا تحتاج إلى تحويل النشويات. تتمثل فائدة الذرة في أنها يمكن تخزينها لفترة أطول بكثير من بنجر السكر قبل التعفن. أنا أستخدم بنجر السكر لأنه كان المحصول الأكثر ملاءمة للموسم والمنطقة. يتم استخراج السكريات عن طريق عصر البنجر وغليها بالماء. الآن يسمى المحلول "المزيج" ويمكن تخميره ثم تقطيره لاستخراج الإيثانول. يمكن استخدام وقود الإيثانول في معظم المحركات المحولة إذا كانت نسبة الكحول فيه أكبر من 80٪. نظرًا لقدرة الإيثانول القوية على الارتباط بالماء، لا يمكن لأي جهاز تقطير إزالة آخر 5% من الماء. وبالتالي فإن أعلى إنتاج ممكن من جهاز تقطير هو 95% من الإيثانول. في حالة مزج الإيثانول بالبنزين، يجب إزالة كل الماء لمنع انفصال البنزين والإيثانول.
محتويات
عملية تصنيع الإيثانول من البنجر السكري
عصير البنجر
بدأت بغسل البنجر ثم تقطيعه إلى شرائح حتى يتناسب مع حجم العصارة. قمت بعصر 18 رطلاً من البنجر، وأنتج ذلك 1.4 جالون من العصير و7.5 رطل من اللب. ثم أضفت 2 جالون من الماء وخلطت العصير واللب معًا للحصول على حجم إجمالي قدره 5 جالونات.
دلو سعة خمسة جالون مع 2 جالون من عصير البنجر السكري.
عصارة البنجر (قاتلة البنجر!!).
لب من عصير البنجر السكري.
تخمير البنجر
سخنت الهريس إلى 189 فهرنهايت واحتفظت بدرجة الحرارة لمدة 20 دقيقة لقتل البكتيريا. استغرقت عملية التسخين الإجمالية 45 دقيقة. تركت الهريس يبرد إلى 80 فهرنهايت ثم أضفت 100 جرام من خميرة توربو التي تم شراؤها عبر الإنترنت. خميرة توربو هي سلالة خاصة من الخميرة يزعم أنها تنتج ما يصل إلى 14٪ كحول في 48 ساعة. عند تخمير الهريس، من المهم تحقيق أعلى نسبة كحول ممكنة حتى يمكن جمع المزيد من الكحول بمجرد التقطير. بمجرد إضافة الخميرة، حركت المحلول لمدة 20 دقيقة لزيادة تنشيط الخميرة ثم وضعته على الغطاء وقفل الهواء. تركت الهريس يتخمر لمدة 72 ساعة على أمل تحويل جميع السكريات إلى كحول. لم أتمكن من تحديد نسبة الكحول النهائية للهريس لأن المحلول كان سميكًا جدًا للحصول على قراءة دقيقة لمقياس كثافة السوائل.
تقطير هريس البنجر
تم كشط اللب الذي طفا على سطح الهريس المخمر، ثم تم نقل بقية الهريس إلى غلاية المقطر. بدأت عملية التقطير بدرجة حرارة أولية ثابتة تبلغ 20.7 درجة مئوية. بعد 83 دقيقة من التسخين على موقد البروبان، وصلت درجة حرارة المقطر إلى 78 درجة مئوية. بدأ المقطر يتدفق من المقطر وتم جمعه بمعدل 0.18 لتر / دقيقة. مع مرور الوقت، ارتفعت درجة حرارة المقطر مع استخراج الكحول من المرجل. تعني الزيادة في درجة الحرارة فوق 78.5 درجة مئوية نسبة أكبر من الماء في المقطر الذي يتم جمعه، وبالتالي نسبة أقل من إجمالي نسبة الكحول في المقطر الذي يتم جمعه. لخفض درجة حرارة المقطر، تمت زيادة كمية المقطر التي يتم إرسالها إلى العمود الرئيسي من خط العودة عن طريق إغلاق صمام الارتداد بشكل أكبر. مع إغلاق صمام الارتداد، تزداد كمية الارتداد. يتم تحديد كمية الارتداد من خلال كمية المقطر التي يتم إرسالها مرة أخرى إلى العمود من خلال خط الإرجاع لكل كمية تتدفق عندما يكون صمام الارتداد مفتوحًا بنسبة 100٪. عندما يتم تحريض المزيد من الارتداد (يتم إرسال نسبة أكبر من المقطر إلى العمود لإعادة التقطير)، يقطر السائل العائد على الجزء العلوي من منصات الغسيل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ (تستخدم للتغليف) ويقطر لأسفل، مما يخلق تدرجًا في درجة الحرارة من الأعلى إلى الأسفل. عندما يرتفع الإيثانول وبخار الماء إلى أعلى العمود من المرجل، يواجه البخار منصات الغسيل التي تبرد في درجة الحرارة من الأسفل إلى الأعلى. يتم وضع مقياس الحرارة الرقمي المستخدم لتحديد درجة الحرارة الساكنة فوق الجزء العلوي من منصات الغسيل المكدسة لقراءة درجة حرارة الأبخرة التي تمر عبر منصات الغسيل وإلى المكثف. وبالتالي فإن درجات الحرارة الأقرب إلى 78.5 درجة مئوية ستعطي أعلى نسبة من الإيثانول لأن 78.5 درجة مئوية هي نقطة بخار الإيثانول. مع ارتفاع درجة حرارة جهاز التقطير، تزداد أيضًا كمية الماء في البخار مع ارتفاعه نحو 100 درجة مئوية (نقطة بخار الماء). تؤدي زيادة كمية الارتداد إلى انخفاض درجة حرارة جهاز التقطير، مما ينتج عنه نسبة أعلى من الإيثانول. ومع ذلك، عند زيادة كمية الارتداد، فإن ذلك يقلل من كمية المقطر الذي يتم جمعه في الدقيقة ويتطلب تشغيلًا أطول لعملية التقطير.
النتائج والكفاءات
بلغ إجمالي كمية المقطرات التي تم جمعها 22 أونصة من 80% كحول. أصبحت هذه الكمية 18 أونصة من الإيثانول بنسبة 100% بمجرد تجفيفها. يحتوي البنجر السكري على نسبة سكر تبلغ حوالي 20%، لذا فإن العائد النظري للإيثانول المنتج يبلغ حوالي 50% كحول لكل وزن من السكر. لذا فإن رطلًا واحدًا من البنجر مع 0.2 رطل سكر يجب أن ينتج 0.1 رطل من الإيثانول. يزن الإيثانول 6.5 رطل/غالون. لذا من الناحية النظرية فإن 65 رطلاً من البنجر السكري ينتج 1 جالون من الإيثانول.
كانت نتائجي أن 18 رطلاً من بنجر السكر أنتجت 18 أونصة من الإيثانول. وبهذا المعدل من الإنتاج، سيستغرق الأمر 128 رطلاً لإنتاج جالون واحد من الإيثانول. كانت عمليتي فعّالة بنسبة 50.8% عند مقارنتها بالحد الأقصى النظري للإنتاج.
- تم استهلاك 12 جالونًا من البروبان لإنتاج 14 جالونًا من الإيثانول. بلغت مدخلات وحدة حرارية بريطانية من البروبان المستهلك 194,192 وحدة حرارية بريطانية لإنتاج 10,598 وحدة حرارية بريطانية من الإيثانول. تبلغ كفاءة الإيثانول المنتج بالتقطير لكل وحدة من البروبان المستخدم 5.5%.
عملية تصنيع الإيثانول من السكر التقليدي
صنع غسول السكر
بدأ هريس السكر بغلي 4 جالونات من الماء، واستغرق الأمر 62 دقيقة. تمت إضافة 25 رطلاً من سكر المائدة التقليدي إلى الماء المغلي وخفض الرقم الهيدروجيني إلى 4.0. تمت إضافة المزيد من الماء لصنع الحجم النهائي 12 جالونًا. أظهرت قراءة مقياس كثافة السوائل كثافة نوعية 1.095 والتي ترتبط بنسبة 24٪ سكر و 13٪ كحول محتمل. تم خلط 150 جرامًا من خميرة توربو وتم تخمير الغسيل لمدة 5 أيام.
نتائج التخمير لغسيل السكر
بعد خمسة أيام من التخمير، أظهرت القراءة النهائية لمقياس كثافة السوائل أن هناك إمكانية بنسبة 1.5% من الكحول المتبقي في المخمر وأن الغسيل كان 12 جالونًا من 11.5% من الكحول. 11.5% من 12 جالونًا هو الحد الأقصى النظري لـ 1.38 جالون من 100% كحول ليتم تقطيرها.
تقطير غسيل السكر
لم يكن من الممكن وضع سوى 10 جالونات من الهريس في جهاز التقطير، لذا انخفض الحد الأقصى النظري للكحول المراد تقطيره إلى 1.08 جالون من الإيثانول بنسبة 100%. تم تشغيل جهاز التقطير لمدة 5 ساعات على موقد يعمل بالبروبان وتم جمع المقطر في ثلاث فئات من البداية إلى النهاية (الرؤوس والوسط والذيل). كانت الرؤوس هي أول 32 أونصة من الإيثانول تم جمعها والتي كانت كثافتها النوعية 0.8720 و78% كحول. تم جمع المجموعة التالية (الوسط) على شكل جالون واحد من 81% كحول بكثافة نوعية 0.8655. كانت الذيل هي آخر 32 أونصة تم جمعها بنسبة 54% كحول وكثافة نوعية 0.9250.
النتائج والكفاءات
بلغ إجمالي الكمية التي تم جمعها 144.64 أوقية (1.13 جالون) من الإيثانول بنسبة 100%. وكانت نتائجي مقارنة بالعائد الأقصى النظري (1.38 جالون من الإيثانول بنسبة 100%) فعّالة بنسبة 81.9%. استهلكت عملية التقطير التي استغرقت 5 ساعات 2.65 جالون من البروبان. 2.65 جالون من البروبان مضروبًا في 91600 وحدة حرارية بريطانية/جالون من البروبان هو إجمالي مدخلات وحدة حرارية بريطانية من البروبان تبلغ 242740 وحدة حرارية بريطانية لإنتاج 1.13 جالون من الإيثانول. 1.13 جالون من الإيثانول مضروبًا في 75700 وحدة حرارية بريطانية/جالون من الإيثانول هو 98410 وحدة حرارية بريطانية من الإيثانول المنتج.
لذلك، استُخدمت 242,740 وحدة حرارية بريطانية من البروبان لإنتاج 98,410 وحدة حرارية بريطانية من الإيثانول. وتبلغ كفاءة الإيثانول المنتج بالتقطير لكل وحدة من البروبان المستخدم 40.5%.
تكلفة جالون الإيثانول
تكلفة الإيثانول من البنجر العضوي المحلي
My results show that distilling with propane consumes more energy than energy stored in the ethanol produced.From this experiment, making.14gal of ethanol required 18lb of sugar beets purchased for $1.00/lb ($18.00). The mash was heated on two natural gas burners for 45min. The amount of energy used in this process is undetermined and will not be included. 100g of Turbo Yeast used cost ($4.16). The distillation process consumed 2.12gal of propane purchased for $3.00/gal ($6.36). Total cost of producing.14gal ethanol was $28.52. Therefore the cost of making ethanol from local organic sugar beets is $203.71/gal.
Cost of Ethanol Produced From Conventional Sugar
From this experiment, making 1.13gallons of ethanol required 21lb of conventional sugar purchased for $0.44/lb ($9.24). Also the wash was heated on two natural gas burners for 62min. The amount of energy consumed in this process is undetermined and will not be included in the cost of production. 150g of Turbo Yeast were used ($6.23). The distillation process consumed 2.65gal of propane purchased for $7.95. The total cost of making 1.13gal of ethanol from conventional sugar is $23.42, therefore, making one gallon of ethanol from conventional store-bought sugar costs $20.73.
Conclusion
The amount of energy put into local sugar beet ethanol and conventional sugar ethanol is greater than the return. The yields for the local sugar beets were much lower than expected, and many factors could have been at stake. Mixing the beet juice with the pulp may have hindered the yeasts ability to move around mash and ferment all of the sugars available. Also the sugar beets used had been stored for a few months which means their amount of sugars may have degraded. Another possible factor is that the pH was not adjusted before fermentation.
The conventional sugar had much better results than the local sugar beets, however there are many other external costs since the sugar used is a conventionally modified organism grown with the use pesticides and petrol fertilizers. One must question the energy inputs of growing such a crop, processing the harvest, refining the sugar, packaging, and shipping to Northern California from Mexico. All of these factors couldn't be measured in my project but they must be taken into account for their appropriateness.
بدأ هذا المشروع كتجربة لصنع وقود للدراجات البخارية. وبعد تحليل مدخلات الطاقة لإنتاج الإيثانول على نطاق صغير، تبين أنه لا معنى لصنع وقود الإيثانول في الفناء الخلفي باستخدام الوقود المكرر مثل الغاز الطبيعي والبروبان. ففي الوقت الذي استغرقه صنع ما يكفي من الإيثانول لتشغيل الدراجة البخارية لمسافة 100 ميل، كان بوسعي أن أقطع نفس المسافة بدراجتي. ولا يكون وقود الإيثانول فعالاً إلا عندما تزرع المحاصيل على نطاق واسع. ولابد أن تكون منشأة المعالجة لصنع الإيثانول محلية بالقرب من المحصول لخفض تكاليف النقل. ولابد أن تعتمد عملية الهريس والتقطير على موارد غير أحفورية. ومن البدائل المتاحة للتدفئة حرق الكتلة الحيوية أو الاستخدام المحتمل للمقطرات الشمسية التي تعمل على تركيز طاقة الشمس.
تكاليف المشروع
تكاليف المكونات/المواد
| مادة | يكلف |
|---|---|
| 40 رطل من البنجر السكري | 40 دولارا |
| 25 رطل سكر | 11 دولار |
| منخل جزيئي من الزيوليت سعة 12 رطل | 70 دولارا |
| 12 أونصة من الخميرة التوربينية | 14 دولار |
| موقد البروبان | 48 دولار |
| خزان البروبان سعة 5 جالون | 24 دولار |
| المجموع | 207 دولار |
وقت
| مرحلة | الوقت بالساعات |
|---|---|
| البناء ساكن وجمع المواد | 40 |
| عصير البنجر | 7 |
| هريس | 8 |
| التقطير | 9 |
| تحرير | 12 |
| المجموع | 74 ساعة |