Ethanol from organic sugar beets versus refined cane sugar/de
Der Zweck meines Projekts besteht darin, die Kosten und Energieausgaben der Ethanolproduktion in kleinem Maßstab aus lokalen und konventionellen Quellen zu ermitteln. Ich habe mich für lokal angebaute Bio-Zuckerrüben entschieden, die mit landwirtschaftlichen Geräten mit Biokraftstoff angebaut werden. Im Vergleich zu den Kosten einer lokalen Quelle habe ich auch konventionellen Zucker verwendet, der aus Mexiko transportiert und an ein lokales Restaurantzulieferunternehmen verkauft wurde. Darüber hinaus habe ich Amals Ethanoldestillieranlage für die Tests gebaut.
Ethanol ist ein Getreidealkohol, der als Kraftstoff in den meisten Viertakt-Ottomotoren verwendet werden kann. Der Prozess der Ethanolherstellung beginnt mit der Extraktion des Zuckers aus einer Zuckerpflanze wie Zuckerrüben oder der Umwandlung der Stärke von Pflanzen wie Mais oder Kartoffeln in Zucker. Pflanzen, die zur Ethanolproduktion verwendet werden, werden als „Futtermittel“ bezeichnet. Stärke- und Zuckerpflanzen haben je nach Region, in der sie angebaut werden, ihre Vorteile. Der Vorteil von Zuckerpflanzen besteht darin, dass sie weniger Energie benötigen, da keine Stärke umgewandelt werden muss. Der Vorteil von Mais besteht darin, dass er viel länger gelagert werden kann als Zuckerrüben, bevor er verrottet. Ich verwende Zuckerrüben, da sie für die Saison und Region die am besten geeignete Pflanze waren. Der Zucker wird extrahiert, indem die Rüben entsaftet und mit Wasser gekocht werden. Die Lösung wird nun „Maische“ genannt und kann fermentiert und dann destilliert werden, um das Ethanol zu extrahieren. Ethanolkraftstoff kann in den meisten umgebauten Motoren verwendet werden, wenn er einen Alkoholgehalt von über 80 % aufweist. Aufgrund der starken Fähigkeit von Ethanol, Wasser zu binden, kann keine Destillieranlage die letzten 5 % Wasser entfernen. Daher beträgt die höchstmögliche Ausbeute einer Destille 95 % Ethanol. Wenn Ethanol mit Benzin gemischt wird, muss das gesamte Wasser entfernt werden, um eine Trennung von Benzin und Ethanol zu verhindern.
Inhalt
Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Zuckerrüben
Rote Bete entsaften
Ich begann damit, die Rüben zu waschen und sie dann in Scheiben zu schneiden, damit sie in den Entsafter passten. Ich entsaftete 18 Pfund Rüben, was 1,4 Gallonen Saft und 7,5 Pfund Fruchtfleisch ergab. Dann fügte ich 2 Gallonen Wasser hinzu und mischte Saft und Fruchtfleisch zu einem Gesamtvolumen von 5 Gallonen.
5-Gallonen-Eimer mit 2 Gallonen Zuckerrübensaft.
Der Entsafter (Rüben-Killa!!).
Fruchtmark aus der Entsaftung der Zuckerrübe.
Fermentieren von Rüben
Maische auf 189 °F erhitzt und diese Temperatur 20 min gehalten, um Bakterien abzutöten. Der gesamte Erhitzungsvorgang dauerte 45 min. Ich ließ die Maische auf 80 °F abkühlen und gab dann 100 g Turbohefe hinzu, die ich online gekauft hatte. Turbohefe ist ein spezieller Hefestamm, der angeblich in 48 Std. bis zu 14 % Alkohol produziert. Beim Gären von Maische ist es wichtig, den höchstmöglichen Alkoholgehalt zu erreichen, damit nach dem Destillieren mehr Alkohol gewonnen werden kann. Nachdem die Hefe hinzugefügt war, schüttelte ich die Lösung 20 min, um die Hefeaktivierung zu erhöhen, und setzte dann Deckel und Gärverschluss auf. Ich ließ die Maische 72 Std. gären, in der Hoffnung, dass alle Zucker in Alkohol umgewandelt werden. Ich konnte den endgültigen Alkoholgehalt meiner Maische nicht bestimmen, da die Lösung zu dick für eine genaue Hydrometerablesung war.
Destillieren von Rübenmaische
Der Trester, der an die Oberfläche der vergorenen Maische schwamm, wurde abgekratzt, dann wurde der Rest der Maische in den Kessel der Destillieranlage gefüllt. Die Destillation begann mit einer Anfangstemperatur von 20,7 °C. Nach 83 min Erhitzen auf einem Propanbrenner erreichte die Temperatur der Destillieranlage 78 °C. Destillat begann aus der Destillieranlage zu fließen und wurde mit einer Rate von 0,18 l/min gesammelt. Mit der Zeit stieg die Temperatur der Destillieranlage, da Alkohol aus dem Kessel extrahiert wurde. Ein Temperaturanstieg über 78,5 °C bedeutet einen höheren Wasseranteil im gesammelten Destillat und daher insgesamt einen geringeren Alkoholgehalt des gesammelten Destillats. Um die Temperatur der Destillieranlage zu senken, wurde die Menge des aus der Rücklaufleitung zur Hauptkolonne zurückgeleiteten Destillats durch weiteres Schließen des Rückflussventils erhöht. Wenn das Rückflussventil geschlossen wird, steigt die Rückflussmenge. Die Rückflussmenge wird dadurch bestimmt, wie viel Destillat durch die Rücklaufleitung zur Säule zurückgeschickt wird, im Verhältnis zu der Menge, die fließen würde, wenn das Rückflussventil zu 100 % geöffnet wäre. Wenn mehr Rückfluss erzeugt wird (ein höherer Prozentsatz Destillat wird zur erneuten Destillation zur Säule zurückgeschickt), tropft die zurückgeführte Flüssigkeit auf die Oberseite der Edelstahl-Scheuerpads (die als Füllmaterial verwendet werden) und tropft nach unten, wodurch ein Temperaturgradient von oben nach unten entsteht. Wenn Ethanol und Wasserdampf vom Kessel in der Säule aufsteigen, trifft der Dampf auf die Scheuerpads, deren Temperatur von unten nach oben abkühlt. Das digitale Thermometer zur Bestimmung der Destilliertemperatur wird über der Oberseite der gestapelten Scheuerpads angebracht, um die Temperatur der Dämpfe abzulesen, die durch die Scheuerpads zum Kondensator strömen. Temperaturen, die 78,5 °C am nächsten kommen, ergeben also den höchsten Ethanolanteil, da 78,5 °C der Verdampfungspunkt von Ethanol ist. Mit steigender Temperatur der Destillieranlage steigt auch die Wassermenge im Dampf, da sie auf 100 °C (den Dampfpunkt von Wasser) ansteigt. Eine Erhöhung der Rückflussmenge senkt die Temperatur der Destillieranlage, was wiederum zu einem höheren Ethanolanteil führt. Wenn Sie jedoch die Rückflussmenge erhöhen, verringert sich die Menge des pro Minute gesammelten Destillats und der Destillationsprozess muss länger laufen.
Ergebnisse und Effizienz
Die Gesamtmenge des gesammelten Destillats betrug 22 Unzen 80 % Alkohol. Diese Menge wurde nach der Dehydrierung zu 18 Unzen 100 % Ethanol. Zuckerrüben haben einen Zuckergehalt von etwa 20 %, sodass die theoretische Ethanolausbeute bei etwa 50 % Alkohol pro Gewicht Zucker liegt. Ein Pfund Rüben mit 0,2 Pfund Zucker sollte also 0,1 Pfund Ethanol ergeben. Ethanol wiegt 6,5 Pfund pro Gallone. Theoretisch würden also 65 Pfund Zuckerrüben 1 Gallone Ethanol ergeben.
Meine Ergebnisse waren, dass 18 Pfund Zuckerrüben 18 Unzen Ethanol ergaben. Bei dieser Ausbeuterate wären 128 Pfund nötig, um eine Gallone Ethanol herzustellen. Mein Verfahren war im Vergleich zur theoretischen Maximalausbeute 50,8 % effizient.
- 12 Gallonen Propan wurden verbraucht, um 14 Gallonen Ethanol zu erzeugen. Der Btu-Input des verbrauchten Propans betrug 194.192 Btu, um Ethanol im Wert von 10.598 Btu zu erzeugen. Die Effizienz des bei der Destillation erzeugten Ethanols pro Einheit des verwendeten Propans beträgt 5,5 %.
Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus herkömmlichem Zucker
Die Zuckerglasur herstellen
Der Zuckerbrei begann mit dem Kochen von 4 Gallonen Wasser, was 62 Minuten dauerte. Dem kochenden Wasser wurden 25 Pfund herkömmlicher Haushaltszucker zugegeben und der pH-Wert auf 4,0 gesenkt. Es wurde mehr Wasser zugegeben, um ein Endvolumen von 12 Gallonen zu erreichen. Der Hydrometerwert zeigte eine Dichte von 1,095, was 24 % Zucker und 13 % Alkoholgehalt entspricht. 150 g Turbohefe wurden hinzugemischt und die Maische 5 Tage lang fermentiert.
Gärergebnisse der Zuckerwäsche
Nach fünf Tagen Gärung zeigte eine abschließende Hydrometerablesung, dass im Gärbehälter noch ein Alkoholpotenzial von 1,5 % vorhanden war und dass die Maische 12 Gallonen mit 11,5 % Alkohol enthielt. 11,5 % von 12 Gallonen sind ein theoretisches Maximum von 1,38 Gallonen 100 %igem Alkohol, der destilliert werden kann.
Destillieren der Zuckerwäsche
In die Destillieranlage passten nur 10 Gallonen Maische, sodass sich die theoretische Höchstmenge an zu destillierendem Alkohol auf 1,08 Gallonen 100 % Ethanol verringerte. Die Destillieranlage wurde 5 Stunden lang mit einem Propanbrenner betrieben und das Destillat wurde von Anfang bis Ende in drei Kategorien (Vorlauf, Mittellauf und Nachlauf) gesammelt. Der Vorlauf bestand aus den ersten 32 Unzen Ethanol mit einer Dichte von 0,8720 und 78 % Alkohol. Die nächste Gruppe (Mittellauf) bestand aus einer Gallone mit 81 % Alkohol und einer Dichte von 0,8655. Der Nachlauf bestand aus den letzten 32 Unzen mit 54 % Alkohol und einer Dichte von 0,9250.
Ergebnisse und Effizienz
Die Gesamtmenge, die gesammelt wurde, betrug 144,64 oz (1,13 gal) 100 % Ethanol. Meine Ergebnisse im Vergleich zur theoretischen Maximalausbeute (1,38 gal 100 % Ethanol) sind 81,9 % effizient. Der 5-stündige Destillationsprozess verbrauchte 2,65 gal Propan. 2,65 gal Propan multipliziert mit 91.600 btu/gal Propan ergibt einen Gesamt-BTU-Propan-Input von 242.740 btu, um 1,13 gal Ethanol herzustellen. 1,13 gal Ethanol multipliziert mit 75.700 btu/gal Ethanol ergibt 98.410 btu produziertes Ethanol.
Daher wurden 242.740 BTU Propan benötigt, um 98.410 BTU Ethanol zu erzeugen. Die Effizienz des bei der Destillation erzeugten Ethanols pro eingesetzter Propaneinheit beträgt 40,5 %.
Kosten pro Gallone Ethanol
Kosten für Ethanol aus lokalen Bio-Rüben
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.
Dieses Projekt begann als Experiment, um Kraftstoff für einen Motorroller herzustellen. Nach der Analyse des Energieaufwands bei der Ethanolproduktion im kleinen Maßstab ist es nicht sinnvoll, Ethanolkraftstoff im Hinterhof unter Verwendung raffinierter Kraftstoffe wie Erdgas und Propan herzustellen. In der Zeit, die ich brauchte, um genug Ethanol herzustellen, um den Motorroller 100 Meilen weit anzutreiben, hätte ich die gleiche Strecke mit dem Fahrrad zurücklegen können. Ethanolkraftstoff ist nur dann effizient, wenn Pflanzen in großem Maßstab angebaut werden. Die Verarbeitungsanlage zur Herstellung von Ethanol muss sich in der Nähe der Ernte befinden, um die Transportkosten zu senken. Der Maische- und Destillationsprozess muss auf nicht-fossilen Ressourcen basieren. Heizalternativen sind das Verbrennen von Biomasse oder die mögliche Verwendung von Solardestillieranlagen, die die Energie der Sonne konzentrieren.
Projektkosten
Zutaten/Materialkosten
| Material | Kosten |
|---|---|
| 40 Pfund Zuckerrüben | $40 |
| 25 Pfund Zucker | 11 $ |
| 12lb Zeolith-Molekularsieb | 70 $ |
| 12oz Turbohefe | $14 |
| Propanbrenner | 48 $ |
| 5-Gallonen-Propantank | $24 |
| Gesamt | 207 $ |
Zeit
| Phase | Zeit in Stunden |
|---|---|
| Bauen Sie noch und sammeln Sie Materialien | 40 |
| Entsaften von Rüben | 7 |
| Maischen | 8 |
| Destillieren | 9 |
| Bearbeitung | 12 |
| Gesamt | 74 Stunden |