Ethanol from organic sugar beets versus refined cane sugar/nl
Het doel van mijn project is om de kosteninputs en energie-outputs van kleinschalige ethanolproductie uit lokale en conventionele bronnen te bepalen. Ik besloot om lokaal geteelde biologische suikerbieten te gebruiken die werden geteeld met landbouwmachines op biobrandstof. In vergelijking met de kosten van een lokale bron, gebruikte ik ook conventionele suiker die werd getransporteerd vanuit Mexico en verkocht bij een lokaal restaurantleverancier. Daarnaast maakte ik Amal's ethanolstill om de tests uit te voeren.
Ethanol is een graanalcohol die gebruikt kan worden als brandstof in de meeste viertaktmotoren met vonkontsteking. Het proces van het maken van ethanol begint met het extraheren van de suikers uit een suikergewas zoals suikerbieten, of het omzetten van de zetmelen van gewassen zoals maïs of aardappelen in suikers. Gewassen die worden gebruikt voor de productie van ethanol worden "feedstocks" genoemd. Zetmeel- en suikergewassen hebben beide hun voordelen, afhankelijk van de regio waarin ze worden geproduceerd. Het voordeel van suikergewassen is dat ze minder energie nodig hebben, omdat er geen zetmelen hoeven te worden omgezet. Het voordeel van maïs is dat het veel langer kan worden bewaard dan suikerbieten voordat het gaat rotten. Ik gebruik suikerbieten omdat ze het meest geschikte gewas waren voor het seizoen en de regio. De suikers worden gewonnen door de bieten te persen en te koken met water. Nu wordt de oplossing "mash" genoemd en kan het worden gefermenteerd en vervolgens worden gedestilleerd om de ethanol te extraheren. Ethanolbrandstof kan worden gebruikt in de meeste omgebouwde motoren als het een alcoholpercentage heeft van meer dan 80%. Vanwege het sterke vermogen van ethanol om water te binden, kan geen enkele distilleerderij de laatste 5% water verwijderen. Daarom is de hoogst mogelijke opbrengst van een distilleerderij 95% ethanol. Als ethanol met benzine wordt gemengd, moet al het water worden verwijderd om scheiding van de benzine en ethanol te voorkomen.
Inhoud
Proces van het maken van ethanol uit suikerbieten
Bieten persen
Ik begon met het wassen van de bieten en sneed ze vervolgens in plakjes zodat ze in de sapcentrifuge pasten. Ik perste 18 pond bieten uit, wat 1,4 gallon sap en 7,5 pond pulp opleverde. Vervolgens voegde ik 2 gallon water toe en mengde sap en pulp samen voor een totaal volume van 5 gallon.
Een emmer van 19 liter met 7,5 liter suikerbietensap.
De sapcentrifuge (bietenkilla!!).
Vruchtvlees van het persen van suikerbieten.
Fermenteren van bieten
Verwarmde mash tot 189F en hield de temperatuur 20min vast om bacteriën te doden. Het totale verwarmingsproces duurde 45min. Ik liet de mash afkoelen tot 80F en voegde toen 100g Turbo Yeast toe die online was gekocht. Turbo yeast is een speciale gistsoort waarvan wordt beweerd dat het tot 14%alc produceert in 48 uur. Bij het fermenteren van mash is het belangrijk om het hoogst mogelijke alc% te bereiken, zodat er meer alc kan worden verzameld na distillatie. Nadat de gist was toegevoegd, schudde ik de oplossing 20min om de gistactivering te verhogen en plaatste vervolgens het deksel en de waterslot erop. Ik liet de mash 72 uur fermenteren in de hoop dat alle suikers in alcohol zouden worden omgezet. Ik kon het uiteindelijke alc% van mijn mash niet bepalen omdat de oplossing te dik was voor een nauwkeurige hydrometermeting.
Distilleren van bietenpulp
De pulp die naar de bovenkant van de gefermenteerde mash dreef werd eraf geschraapt, waarna de rest van de mash werd overgebracht naar de ketel van de ketel. De distillatie begon met een initiële keteltemperatuur van 20,7 °C. Na 83 minuten verwarmen op een propaanbrander bereikte de keteltemperatuur 78 °C. Het distillaat begon uit de ketel te stromen en werd verzameld met een snelheid van 0,18 liter/min. Naarmate de tijd verstreek, steeg de temperatuur van de ketel naarmate er alcohol uit de ketel werd gehaald. Een temperatuurstijging boven 78,5 °C betekent meer waterpercentage in het distillaat dat wordt verzameld, en dus minder algeheel alc% van het distillaat dat wordt verzameld. Om de keteltemperatuur te verlagen, werd de hoeveelheid distillaat die vanuit de retourleiding naar de hoofdkolom werd teruggestuurd, verhoogd door de terugstroomklep verder te sluiten. Naarmate de terugstroomklep wordt gesloten, neemt de hoeveelheid reflux toe. De hoeveelheid reflux wordt bepaald door hoeveel distillaat via de retourleiding naar de kolom wordt teruggestuurd per hoeveelheid die zou stromen wanneer de terugstroomklep 100% open is. Wanneer er meer reflux wordt geïnduceerd (meer procent van het destillaat wordt teruggestuurd naar de kolom om opnieuw te worden gedestilleerd), druppelt de teruggevoerde vloeistof op de bovenkant van de roestvrijstalen scrubberpads (gebruikt als pakking) en druppelt naar beneden, waardoor een temperatuurgradiënt van boven naar beneden ontstaat. Terwijl ethanol en waterdamp vanuit de ketel omhoog stijgen in de kolom, komt de damp scrubberpads tegen die van onder naar boven afkoelen in temperatuur. De digitale thermometer die wordt gebruikt om de temperatuur van de ketel te bepalen, wordt boven de bovenkant van de gestapelde scrubberpads geplaatst om de temperatuur van de dampen te meten die door de scrubberpads en op de condensor gaan. Dus temperaturen die het dichtst bij 78,5 °C liggen, geven het hoogste percentage ethanol, aangezien 78,5 °C het damppunt van ethanol is. Naarmate de temperatuur van de ketel stijgt, stijgt ook de hoeveelheid water in de damp naarmate deze stijgt naar 100 °C (het damppunt van water). Door de hoeveelheid reflux te verhogen, daalt de temperatuur van de ketel, wat op zijn beurt een hoger percentage ethanol oplevert. Wanneer u echter de hoeveelheid reflux vergroot, vermindert u de hoeveelheid destillaat die per minuut wordt verzameld en duurt het destillatieproces langer.
Resultaten en efficiëntie
De totale hoeveelheid verzameld destillaat was 22oz van 80%alc. Deze hoeveelheid werd 18oz van 100% ethanol na dehydratie. Suikerbieten hebben een suikergehalte van ongeveer 20%, dus de theoretische opbrengst van geproduceerde ethanol is ongeveer 50%alc per gewicht van suiker. Dus één 1lb bieten met 0,2lb suiker zou 0,1lb ethanol moeten opleveren. Ethanol weegt 6,5lbs/gal. Dus theoretisch zou 65lb suikerbieten 1gallon ethanol opleveren.
Mijn resultaten waren dat 18 pond suikerbieten 18 oz ethanol opleverden. Met deze opbrengstsnelheid zou het 128 pond kosten om één gallon ethanol te maken. Mijn proces was 50,8% efficiënt vergeleken met de theoretische maximale opbrengst.
- 12 gallon propaan werd verbruikt om 14 gallon ethanol te produceren. De Btu input van verbruikte propaan was 194.192 Btu om 10.598 Btu aan ethanol te produceren. De efficiëntie van ethanol geproduceerd in distillatie per eenheid gebruikte propaan is 5,5%.
Proces van het maken van ethanol uit conventionele suiker
Het maken van de suikerwas
De suikermash begon met het koken van 4 gallons water, wat 62 minuten duurde. 25 pond conventionele tafelsuiker werd toegevoegd aan het kokende water en de pH werd verlaagd tot 4,0. Er werd meer water toegevoegd om een eindvolume van 12 gallons te maken. De hydrometerwaarde toonde een soortelijk gewicht van 1,095, wat overeenkomt met 24% suiker en 13% alc-potentieel. 150 g Turbo-gist werd toegevoegd en de wash fermenteerde gedurende 5 dagen.
Fermentatieresultaten van suikerwas
Na vijf dagen fermentatie gaf een laatste hydrometermeting aan dat er nog 1,5% alc-potentieel in de fermentor over was en dat de wasvloeistof 12 gallons van 11,5% alc bedroeg. 11,5% van 12 gallons is een theoretisch maximum van 1,38 gallons 100% alcohol dat gedistilleerd moet worden.
Het distilleren van de suikerwas
Slechts 10 gallons mash pasten in de ketel, dus het theoretische maximum aan alcohol dat gedistilleerd moest worden, werd verlaagd tot 1,08 gallon 100% ethanol. De ketel werd 5 uur lang op een propaanbrander gedraaid en het distillaat werd verzameld in drie categorieën van begin tot eind (heads, mids en tails). De heads waren de eerste 32oz verzamelde ethanol met een soortelijk gewicht van 0,8720 en 78% alc. De volgende groep (mids) werd verzameld als één gallon 81% alc met een soortelijk gewicht van 0,8655. De tails waren de laatste 32oz verzameld met 54% alc en een soortelijk gewicht van 0,9250.
Resultaten en efficiëntie
De totale hoeveelheid verzameld was 144,64 oz (1,13 gal) 100% ethanol. Mijn resultaten vergeleken met de theoretische maximale opbrengst (1,38 gal 100% ethanol) zijn 81,9% efficiënt. Het 5 uur durende distillatieproces verbruikte 2,65 gal propaan. 2,65 gal propaan vermenigvuldigd met 91.600 btu/gal propaan is een totale propaan Btu-input van 242.740 btu om 1,13 gal ethanol te maken. 1,13 gal ethanol vermenigvuldigd met 75.700 btu/gal ethanol is 98.410 btu geproduceerde ethanol.
Daarom was er 242.740 btu propaan nodig om 98.410 btu ethanol te produceren. De efficiëntie van ethanol geproduceerd in destillatie per eenheid propaan gebruikt is 40,5%.
Kosten per gallon ethanol
Kosten van ethanol van lokale biologische bieten
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.
Dit project begon als een experiment om brandstof te maken voor een scooter. Na analyse van de energie-input van kleinschalige ethanolproductie is het niet logisch om achtertuin-ethanolbrandstof te maken met behulp van geraffineerde brandstoffen zoals aardgas en propaan. In de tijd die nodig was om genoeg ethanol te maken om de scooter 100 mijl te laten rijden, had ik dezelfde afstand op mijn fiets kunnen afleggen. Ethanolbrandstof is alleen efficiënt als gewassen op grote schaal worden verbouwd. De verwerkingsfaciliteit voor het maken van ethanol moet lokaal zijn voor het gewas om transportkosten te besparen. Het proces van maischen en distilleren moet vertrouwen op niet-fossiele bronnen. Alternatieven voor verwarming zijn het verbranden van biomassa of het mogelijke gebruik van zonne-energieketels die de energie van de zon concentreren.
Projectkosten
Ingrediënten/Materialen Kosten
| Materiaal | Kosten |
|---|---|
| 40lb suikerbieten | $40 |
| 25 pond suiker | $11 |
| 12lb zeoliet moleculaire zeef | $70 |
| 12oz Turbo Gist | $14 |
| propaanbrander | $48 |
| 5 gallon propaantank | $24 |
| Totaal | $207 |
Tijd
| Fase | Tijd in uren |
|---|---|
| nog steeds bouwen en materialen verzamelen | 40 |
| bieten persen | 7 |
| stampen | 8 |
| distilleren | 9 |
| bewerken | 12 |
| Totaal | 74 uur |