El propósito de mi proyecto es determinar los costos de entrada y salida de energía de la producción de etanol a pequeña escala a partir de fuentes locales y convencionales. Decidí utilizar remolachas azucareras orgánicas cultivadas localmente y cultivadas con equipos agrícolas alimentados con biocombustibles. En comparación con los costos de una fuente local, también utilicé azúcar convencional transportada desde México y vendida en una empresa local de suministros para restaurantes. Además, hice el alambique de etanol de Amal para hacer las pruebas.
El etanol es un alcohol de grano que se puede utilizar como combustible en la mayoría de los motores de encendido por chispa de cuatro tiempos. El proceso de elaboración de etanol comienza extrayendo los azúcares de un cultivo azucarero como la remolacha azucarera, o convirtiendo los almidones de cultivos como el maíz o las patatas en azúcares. Los cultivos utilizados para la producción de etanol se denominan "materias primas". Tanto los cultivos de almidón como los de azúcar tienen sus beneficios dependiendo de la región en la que se producen. El beneficio de los cultivos de azúcar es que requieren menos aporte de energía ya que no es necesario convertir almidones. El beneficio del maíz es que puede almacenarse por mucho más tiempo que la remolacha azucarera antes de pudrirse. Utilizo remolacha azucarera porque era el cultivo más apropiado para la temporada y la región. Los azúcares se extraen exprimiendo la remolacha y hirviéndola con agua. Ahora la solución se llama "puré" y se puede fermentar y luego destilar para extraer el etanol. El combustible de etanol se puede utilizar en la mayoría de los motores convertidos si tiene un porcentaje de alcohol superior al 80%. Debido a la gran capacidad del etanol para unirse al agua, ningún alambique puede eliminar el último 5% de agua. Por lo tanto, el mayor rendimiento posible de un alambique es un 95% de etanol. Si mezcla etanol con gasolina, se debe eliminar toda el agua para evitar la separación de la gasolina y el etanol.
Contenido
Proceso de producción de etanol a partir de remolacha azucarera
Jugo de remolacha
Empecé lavando las remolachas y luego las corté en rodajas para que cupieran en el exprimidor. Exprimí 18 libras de remolacha, lo que produjo 1,4 gal de jugo y 7,5 libras de pulpa. Luego agregué 2 galones de agua y mezclé jugo y pulpa para obtener un volumen total de 5 galones.
Balde de cinco galones con 2 galones de jugo de remolacha azucarera.
El Exprimidor (¡killa de remolacha!!).
Pulpa procedente del exprimido de remolacha azucarera.
Fermentar remolachas
Calienta el puré a 189F y mantén la temperatura durante 20 minutos para matar las bacterias. El proceso total de calentamiento tomó 45 minutos. Dejé que el puré se enfriara a 80 ° F y luego agregué 100 g de levadura Turbo que compré en línea. La levadura turbo es una cepa especial de levadura que, según se afirma, produce hasta un 14% de alcohol en 48 horas. Al fermentar el puré, es importante lograr el mayor porcentaje de alc posible para que se pueda recolectar más alc una vez destilado. Una vez que se agregó la levadura, agité la solución durante 20 minutos para aumentar la activación de la levadura y luego la coloqué en la tapa y en la esclusa de aire. Dejé que el puré fermentara durante 72 horas con la esperanza de que todos los azúcares se convirtieran en alcohol. No pude determinar el % de alc final de mi puré porque la solución era demasiado espesa para una lectura precisa del hidrómetro.
Destilar puré de remolacha
La pulpa que flotaba hasta la superficie del puré fermentado se raspaba y luego el resto del puré se transfería a la caldera del alambique. La destilación comenzó con una temperatura inicial del alambique de 20,7°C. Después de 83 minutos de calentamiento en un quemador de propano, la temperatura del destilador alcanzó los 78°C. El destilado comenzó a fluir fuera del alambique y se recogió a una velocidad de 0,18 litros/min. Con el paso del tiempo, la temperatura del alambique aumentó a medida que se extraía alcohol de la caldera. Un aumento de la temperatura por encima de 78,5 °C significa más porcentaje de agua en el destilado que se recoge y, por tanto, menos % de alc total del destilado que se recoge. Para reducir la temperatura del alambique, se aumentó la cantidad de destilado que se enviaba de regreso a la columna principal desde la línea de retorno cerrando aún más la válvula de reflujo. A medida que se cierra la válvula de reflujo, aumenta la cantidad de reflujo. La cantidad de reflujo está determinada por la cantidad de destilado que se envía de regreso a la columna a través de la línea de retorno por cantidad que fluiría cuando la válvula de reflujo esté abierta al 100%. Cuando se induce más reflujo (se envía más porcentaje de destilado a la columna para ser redestilado), el líquido devuelto gotea sobre la parte superior de las almohadillas de acero inoxidable (utilizadas como empaquetadura) y gotea hacia abajo, creando un gradiente de temperatura desde de arriba hacia abajo. A medida que el etanol y el vapor de agua suben por la columna desde la caldera, el vapor encuentra almohadillas depuradoras cuya temperatura se enfría de abajo hacia arriba. El termómetro digital utilizado para determinar la temperatura fija se coloca sobre la parte superior de los estropajos apilados para leer la temperatura de los vapores que pasan a través de los estropajos y llegan al condensador. Por lo tanto, las temperaturas más cercanas a 78,5 °C darán el mayor porcentaje de etanol, ya que 78,5 °C es el punto de vapor del etanol. A medida que aumenta la temperatura del alambique, también aumenta la cantidad de agua en el vapor a medida que aumenta hacia los 100 °C (el punto de vapor del agua). Al aumentar la cantidad de reflujo, la temperatura del alambique disminuye, lo que a su vez produce un mayor porcentaje de etanol. Sin embargo, cuando aumenta la cantidad de reflujo, se reduce la cantidad de destilado que se recolecta por minuto y requiere una operación más prolongada del proceso de destilación.
Toda la operación en acciónResultados y Eficiencias
La cantidad total de destilado recolectado fue de 22 oz de 80% alc. Esta cantidad se convirtió en 18oz de etanol 100% una vez deshidratado. La remolacha azucarera tiene un contenido de azúcar de alrededor del 20%, por lo que el rendimiento teórico de etanol producido es de alrededor del 50% alc por peso de azúcar. Entonces, 1 libra de remolacha con 2 libras de azúcar debería producir 1 libra de etanol. El etanol pesa 6,5 libras/gal. Entonces, en teoría, 65 libras de remolacha azucarera producirían 1 galón de etanol.
Mis resultados fueron que 18 libras de remolacha azucarera produjeron 18 onzas de etanol. A este ritmo de rendimiento, se necesitarían 128 libras para producir un galón de etanol. Mi proceso tuvo una eficiencia del 50,8 % en comparación con el rendimiento máximo teórico.
- Se consumieron 12 galones de propano para producir 14 galones de etanol. La entrada de Btu de propano consumido fue de 194.192 Btu para producir 10.598 Btu de etanol. La eficiencia del etanol producido en la destilación por unidad de propano utilizada es del 5,5%.
Proceso de elaboración de etanol a partir de azúcar convencional
Hacer el lavado de azúcar
El puré de azúcar comenzó hirviendo 4 galones de agua, lo que tomó 62 minutos. Se añadieron 25 libras de azúcar de mesa convencional al agua hirviendo y se redujo el pH a 4,0. Se añadió más agua para obtener un volumen final de 12 gal. La lectura del hidrómetro mostró una gravedad específica de 1,095, que se correlaciona con un 24 % de azúcar y un 13 % de potencial de alc. Se mezclaron 150 g de Turbo Yeast y el lavado se fermentó durante 5 días.
Resultados de fermentación del lavado de azúcar
Después de cinco días de fermentación, una lectura final del hidrómetro mostró que quedaba un potencial de 1,5% de alc en el fermentador y que el lavado fue de 12 galones de 11,5% de alc. 11,5% de 12 gal es un máximo teórico de 1,38 gal de alcohol 100% para destilar.
Enfriando el lavado en mi laboratorio.Destilar el lavado de azúcar
Solo cabían 10 galones de puré en el alambique, por lo que el máximo teórico de alcohol a destilar se redujo a 1,08 galones de etanol 100%. El alambique se hizo funcionar durante 5 horas en un quemador de propano y el destilado se recogió en tres categorías de principio a fin (cabezas, medios y colas). Las cabezas fueron las primeras 32 onzas de etanol recolectadas que tenían una gravedad específica de 0,8720 y 78% de alcohol. El siguiente grupo (medios) se recolectó como un galón de 81% alc con una gravedad específica de 0,8655. Las colas fueron las últimas 32 oz recolectadas con 54% de alcohol y una gravedad específica de 0,9250.
El etanol se recoge de la destilación del puré de azúcar.Resultados y Eficiencias
La cantidad total recolectada fue de 144,64 oz (1,13 gal) de etanol 100%. Mis resultados en comparación con el rendimiento máximo teórico (1,38 gal 100 % de etanol) son 81,9 % de eficiencia. El proceso de destilación de 5 horas consumió 2,65 galones de propano. 2,65 gal de propano multiplicados por 91.600 btu/gal de propano dan un total de Btu de propano de 242.740 btu para producir 1,13 gal de etanol. 1,13 gal de etanol multiplicados por 75.700 btu/gal de etanol dan como resultado 98.410 btu de etanol producido.
Por lo tanto, se necesitaron 242.740 btu de propano para producir 98.410 btu de etanol. La eficiencia del etanol producido en la destilación por unidad de propano utilizada es del 40,5%.
Costo por galón de etanol
Costo del etanol de la remolacha orgánica local
Mis resultados muestran que destilar con propano consume más energía que la energía almacenada en el etanol producido. A partir de este experimento, para producir 0,14 galones de etanol se necesitaron 18 libras de remolacha azucarera compradas a 1,00 dólares la libra (18,00 dólares). El puré se calentó en dos quemadores de gas natural durante 45 minutos. La cantidad de energía utilizada en este proceso es indeterminada y no se incluirá. 100 g de levadura Turbo usada cuestan ($ 4,16). El proceso de destilación consumió 2,12 galones de propano comprados a $3,00/gal ($6,36). El costo total de producción de 14 galones de etanol fue de 28,52 dólares. Por lo tanto, el costo de producir etanol a partir de remolacha azucarera orgánica local es de $203,71/gal.
Costo del etanol producido a partir de azúcar convencional
A partir de este experimento, para producir 1,13 galones de etanol se necesitaron 21 libras de azúcar convencional compradas a 0,44 dólares la libra (9,24 dólares). Además, el lavado se calentó en dos quemadores de gas natural durante 62 minutos. La cantidad de energía consumida en este proceso es indeterminada y no se incluirá en el coste de producción. Se utilizaron 150 g de levadura Turbo ($6,23). El proceso de destilación consumió 2,65 galones de propano comprado por $7,95. El costo total de producir 1,13 galones de etanol a partir de azúcar convencional es de $23,42; por lo tanto, producir un galón de etanol a partir de azúcar convencional comprado en una tienda cuesta $20,73.
Conclusión
La cantidad de energía invertida en el etanol de remolacha azucarero local y en el etanol de azúcar convencional es mayor que el retorno. Los rendimientos de la remolacha azucarera local fueron mucho menores de lo esperado y podrían haber estado en juego muchos factores. Mezclar el jugo de remolacha con la pulpa puede haber dificultado la capacidad de las levaduras para moverse por el puré y fermentar todos los azúcares disponibles. Además, las remolachas azucareras utilizadas estuvieron almacenadas durante algunos meses, lo que significa que es posible que se haya degradado su cantidad de azúcar. Otro posible factor es que el pH no se ajustó antes de la fermentación.
El azúcar convencional tuvo resultados mucho mejores que la remolacha azucarera local, sin embargo, hay muchos otros costos externos ya que el azúcar utilizado es un organismo modificado convencionalmente cultivado con el uso de pesticidas y fertilizantes derivados del petróleo. Hay que cuestionar los insumos energéticos necesarios para cultivar un cultivo de este tipo, procesar la cosecha, refinar el azúcar, empaquetarlo y enviarlo al norte de California desde México. Todos estos factores no se pudieron medir en mi proyecto pero deben tenerse en cuenta para determinar su idoneidad.
Este proyecto comenzó como un experimento para fabricar combustible para un scooter. Después de analizar los insumos de energía de la producción de etanol a pequeña escala, no tiene sentido fabricar etanol de uso doméstico mediante el uso de combustibles refinados como el gas natural y el propano. En el tiempo que me llevó producir suficiente etanol para impulsar el scooter durante 100 millas, podría haber recorrido en bicicleta la distancia equivalente. El combustible de etanol sólo es eficiente cuando los cultivos se cultivan a gran escala. La instalación de procesamiento para producir etanol debe ser local del cultivo para reducir los costos de transporte. El proceso de maceración y destilación debe depender de recursos no fósiles. Las alternativas de calefacción son la quema de biomasa o el posible uso de destiladores solares que concentren la energía del sol.
Costos del proyecto
Costos de ingredientes/materiales
| Material | Costo |
|---|---|
| 40 libras de remolacha azucarera | $40 |
| 25 libras de azúcar | $11 |
| Tamiz molecular de zeolita de 12 libras | $70 |
| Levadura turbo de 12 oz | $14 |
| quemador de propano | $48 |
| tanque de propano de 5 galones | $24 |
| Total | $207 |
Tiempo
| Fase | tiempo en horas |
|---|---|
| construyendo quietos y recogiendo materiales | 40 |
| jugo de remolacha | 7 |
| trituración | 8 |
| destilar | 9 |
| edición | 12 |
| Total | 74 horas |