Understanding Ethanol Fuel Production and Use/Operating principles/hi
II. परिचालन सिद्धांत
इथेनॉल उत्पादन
इथेनॉल ईंधन उत्पादन जैविक और भौतिक प्रक्रियाओं का एक संयोजन है। इथेनॉल का उत्पादन खमीर के साथ शर्करा के किण्वन द्वारा किया जाता है। इसे आसवन द्वारा ईंधन ग्रेड तक केंद्रित किया जाता है।
फीडस्टॉक, आधार कच्चे माल, या तो चीनी या स्टार्च युक्त फसलें हैं । इन "बायोमास ईंधन फसलों" (कंद और अनाज) में आम तौर पर चुकंदर, आलू, मक्का, गेहूं, जौ, जेरूसलम आटिचोक और मीठा ज्वार शामिल हैं। गन्ना, चुकंदर या मीठा ज्वार जैसी चीनी फसलों को चीनी युक्त घोल बनाने के लिए निकाला जाता है जिसे सीधे खमीर द्वारा किण्वित किया जा सकता है। हालांकि, स्टार्च फीडस्टॉक को एक अतिरिक्त रूपांतरण चरण के माध्यम से ले जाना चाहिए। स्टार्च ग्लूकोज की एक लंबी "श्रृंखला" बहुलक है (यानी, एक श्रृंखला में बंधी कई ग्लूकोज बहुलक इकाइयाँ)। स्टार्च को सीधे इथेनॉल में किण्वित नहीं किया जा सकता है। उन्हें पहले हाइड्रोलिसिस की प्रक्रिया के माध्यम से सरल ग्लूकोज इकाइयों में तोड़ा जाना चाहिए। हाइड्रोलिसिस चरण में, स्टार्च फीडस्टॉक को पीसकर पानी के साथ मिलाया जाता है ताकि एक मैश बनाया जा सके जिसमें आम तौर पर 15 से 20 प्रतिशत स्टार्च होता है। फिर मैश को उबलते बिंदु या उससे ऊपर पकाया जाता है और दो एंजाइम तैयारियों के साथ क्रम में उपचारित किया जाता है। पहला एंजाइम स्टार्च अणुओं को छोटी श्रृंखलाओं में हाइड्रोलाइज़ करता है; दूसरा एंजाइम छोटी श्रृंखलाओं को ग्लूकोज में हाइड्रोलाइज़ करता है। फिर मैश को 30[डिग्री] सेल्सियस तक ठंडा किया जाता है, और खमीर मिलाया जाता है।
खमीर सूक्ष्मजीव हैं जो इथेनॉल का उत्पादन करते हैं। ये सूक्ष्मजीव किण्वन नामक जैविक प्रक्रिया द्वारा चीनी को अल्कोहल में बदलने में सक्षम हैं। निम्नलिखित समीकरण किण्वन द्वारा एक किलोग्राम ग्लूकोज को इथेनॉल, कार्बन डाइऑक्साइड और गर्मी में बदलने की मूल जैविक प्रतिक्रिया को दर्शाता है:
सैद्धांतिक रूप से, ग्लूकोज से इथेनॉल में अधिकतम रूपांतरण दक्षता वजन के आधार पर 51 प्रतिशत है। हालांकि, कुछ ग्लूकोज का उपयोग खमीर द्वारा कोशिका द्रव्यमान के उत्पादन और इथेनॉल के अलावा अन्य चयापचय उत्पादों के लिए किया जाता है। व्यवहार में, 40 से 48 प्रतिशत ग्लूकोज इथेनॉल में परिवर्तित हो जाता है। 45 प्रतिशत किण्वन दक्षता के साथ, 1,000 किलोग्राम किण्वनीय चीनी से लगभग 570 लीटर शुद्ध इथेनॉल बनता है। इसके विपरीत, 1,000 लीटर इथेनॉल बनाने के लिए लगभग 1,800 किलोग्राम किण्वनीय चीनी की आवश्यकता होती है। किण्वन पूरा होने पर मैश में आमतौर पर प्रति लीटर 50 से 100 ग्राम इथेनॉल (प्रति आयतन 5 से 10 प्रतिशत वजन) होता है।
इथेनॉल को आसवन द्वारा मैश से अलग किया जाता है - यह एक भौतिक प्रक्रिया है जिसमें घोल के घटकों (इस मामले में, पानी और इथेनॉल) को क्वथनांक या वाष्प दाब में अंतर के आधार पर अलग किया जाता है।
इथेनॉल और पानी एक एज़ोट्रोप या निरंतर उबलते घोल बनाते हैं, जिसमें लगभग 95 प्रतिशत अल्कोहल और पाँच प्रतिशत पानी होता है। पाँच प्रतिशत पानी को पारंपरिक आसवन द्वारा अलग नहीं किया जा सकता है। शुद्ध, पानी रहित (निर्जल) इथेनॉल के उत्पादन के लिए आसवन के बाद निर्जलीकरण चरण की आवश्यकता होती है। निर्जलीकरण, इथेनॉल ईंधन उत्पादन में एक अपेक्षाकृत जटिल चरण है, जिसे दो तरीकों में से एक में पूरा किया जाता है। पहली विधि एक तीसरे तरल का उपयोग करती है, जो आमतौर पर बेंजीन होता है, जिसे इथेनॉल/पानी के मिश्रण में मिलाया जाता है। यह घोल की उबलने की विशेषताओं को बदल देता है, जिससे निर्जल इथेनॉल को अलग किया जा सकता है। दूसरी विधि आणविक छलनी का उपयोग करती है जो पानी और इथेनॉल के बीच आणविक आकार में अंतर के आधार पर चुनिंदा रूप से पानी को अवशोषित करती है।
आसुत मैश (स्टिलेज) में गैर-किण्वनीय ठोस पदार्थों में फीडस्टॉक के आधार पर फाइबर और प्रोटीन की अलग-अलग मात्रा होती है। तरल पदार्थ में घुलनशील प्रोटीन और अन्य पोषक तत्व भी हो सकते हैं। पशुधन फ़ीड के रूप में उपयोग के लिए स्टिलेज में प्रोटीन और अन्य पोषक तत्वों की पुनर्प्राप्ति किफायती इथेनॉल ईंधन उत्पादन के लिए आवश्यक हो सकती है। प्रोटीन की मात्रा फीडस्टॉक के साथ बदलती रहेगी। कुछ अनाज (जैसे, मक्का, जौ) एक ठोस उप-उत्पाद देते हैं, डिस्टिलर सूखे अनाज (डीडीजी) - जिसमें 25 से 30 प्रतिशत प्रोटीन होता है और यह पशुओं के लिए एक उत्कृष्ट चारा बनाता है। यदि प्रसंस्करण उपकरण स्टेनलेस स्टील से बना है और प्रसंस्करण अच्छी तरह से नियंत्रित परिस्थितियों में किया जाता है, तो प्रोटीन उप-उत्पादों का सेवन मनुष्य भी कर सकते हैं।
इथेनॉल के उत्पादन से तरल अपशिष्ट भी निकलता है, जो प्रदूषण की एक संभावित समस्या है। इथेनॉल के प्रत्येक लीटर से लगभग 9 लीटर अपशिष्ट निकलता है। अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए संयंत्रों में, कुछ अपशिष्ट को रीसाइकिल किया जा सकता है। अपशिष्ट में [[बायोलॉजिकल ऑक्सीजन डिमांड]] (BOD) उच्च हो सकता है, जो कार्बनिक जल प्रदूषण क्षमता का एक उपाय है, और यह अम्लीय होता है। डिस्चार्ज से पहले इसे उपचार की आवश्यकता होती है। उपचार की आवश्यकताएं फीडस्टॉक और स्थानीय प्रदूषण नियंत्रण नियमों पर निर्भर करती हैं। एसिड की मात्रा के कारण, अगर अपशिष्ट खेतों में फैला हुआ है तो सावधानी बरतनी चाहिए।
इथेनॉल अंतिम उपयोग
इथेनॉल एक उच्च गुणवत्ता वाला, स्थिर तरल है। इथेनॉल के कुछ रासायनिक और भौतिक गुणों का सारांश तालिका 1 में दिया गया है।
तालिका 1. इथेनॉल गुणों का सारांश
| संपत्ति | इथेनॉल |
| रासायनिक सूत्र............................... | [सी 2 ][एच 5 ]ओएच |
| आणविक वजन.............................. | 46.07 |
| घनत्व (20[डिग्री] सेल्सियस)....................... | 0.791 ग्राम/से.सी. |
| क्वथनांक [a]............................. | 78.5[डिग्री] सेल्सियस |
| दहन की ऊष्मा [ख].................. | 5625 किलोकैलोरी/1 |
| वाष्पीकरण की ऊष्मा [सी]...................... | 9.225 किलोकैलोरी/मोल |
| ऑक्टेन रेटिंग................................. | 106-108 |
| स्टोइकोमेट्रिक वायु/ईंधन अनुपात [डी]............. | 9/1 |
[a] क्वथनांक वह तापमान है जिस पर एक तरल चरण बदलता है और गैस बन जाता है; वह बिंदु जिस पर तरल का वाष्प दबाव प्रणाली के वाष्प दबाव के बराबर होता है।
[बी] दहन ऊष्मा वह ऊष्मा की मात्रा है जो किसी भी हाइड्रोकार्बन (जैसे, इथेनॉल) की एक इकाई मात्रा को कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में जलाने पर निकलती है।
[सी] वाष्पीकरण की ऊष्मा वह ऊष्मा इनपुट है जो तरल को उसके क्वथनांक पर उसी तापमान पर वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक होती है (उदाहरण के लिए, 100[डिग्री] सेल्सियस पर पानी को 100[डिग्री] सेल्सियस पर भाप में बदलना)।
[डी] स्टोइकोमेट्रिक वायु/ईंधन अनुपात ईंधन को पूरी तरह से ऑक्सीकरण (जलाने) के लिए आवश्यक वायु की मात्रा है।
इंजनों में इथेनॉल का उपयोग
इथेनॉल का सबसे ज़्यादा इस्तेमाल परिवहन और कृषि में आंतरिक दहन, चार-चक्र, स्पार्क-इग्निशन इंजन को ईंधन देने के लिए किया जाता है। इसका इस्तेमाल गैसोलीन के सीधे प्रतिस्थापन के रूप में किया जाता है, या इसे एक्सटेंडर और ऑक्टेन बूस्टर के रूप में गैसोलीन के साथ मिश्रित किया जाता है।
गैसोलीन की जगह इथेनॉल के इस्तेमाल के लिए कार्बोरेटर, ईंधन प्रणाली के घटकों और अक्सर संपीड़न अनुपात में संशोधन की आवश्यकता होती है। मौजूदा गैसोलीन इंजनों के कुशल रूपांतरण के लिए कुशल, जानकार तकनीशियनों की आवश्यकता होती है।
इथेनॉल ईंधन पर चलने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन और निर्मित इंजन आम तौर पर संशोधित गैसोलीन इंजन की तुलना में अधिक कुशल होंगे। 80 से 95 प्रतिशत के बीच इथेनॉल सांद्रता का उपयोग ईंधन के रूप में किया जा सकता है, जो परिष्कृत निर्जलीकरण प्रणालियों की आवश्यकता को समाप्त करता है और आसवन को सरल बनाता है। कई मामलों में, इथेनॉल पर चलने के लिए इंजनों का रूपांतरण इथेनॉल निर्जलीकरण की तुलना में सरल और अधिक लागत कुशल हो सकता है। इंजन रूपांतरण का नुकसान यह है कि वाहन की यात्रा की दूरी इथेनॉल की उपलब्ध आपूर्ति और वितरण द्वारा सीमित होती है।
कुछ "दोहरे ईंधन" सिस्टम - यानी कार्बोरेटर वाले इंजन जो इथेनॉल या गैसोलीन पर काम कर सकते हैं - सीमित आधार पर विकसित किए गए हैं। ब्राजील में, परिवहन बेड़े का एक महत्वपूर्ण हिस्सा प्रमुख अंतरराष्ट्रीय ऑटोमोबाइल कंपनियों द्वारा निर्मित विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए इंजनों के साथ ऑटोमोबाइल में इथेनॉल ईंधन का उपयोग करता है।
असंशोधित इंजनों में, इथेनॉल 20 प्रतिशत तक गैसोलीन की जगह ले सकता है। गैसोलीन के साथ इथेनॉल मिलाने से गैसोलीन की आपूर्ति बढ़ जाती है, और इसके ऑक्टेन मान को बढ़ाकर गैसोलीन की गुणवत्ता में सुधार होता है। ऑक्टेन बढ़ाने वाले के रूप में, इथेनॉल गैसोलीन में सीसे के यौगिकों की जगह ले सकता है। शुद्ध इथेनॉल के बजाय गैसोलीन/इथेनॉल मिश्रण का उपयोग करने के कई फायदे हैं। मिश्रणों को इंजन में बदलाव की आवश्यकता नहीं होती है। इस तरह, इथेनॉल को मौजूदा गैसोलीन आपूर्ति और वितरण प्रणालियों के साथ तेज़ी से एकीकृत किया जा सकता है। सीसे के यौगिकों को इथेनॉल से बदलने से गैसोलीन से जुड़ी वायु प्रदूषण की एक मुख्य समस्या दूर हो जाती है।
इथेनॉल/गैसोलीन मिश्रण का उपयोग करने का नुकसान यह है कि इथेनॉल निर्जल होना चाहिए, जिसके लिए उत्पादन में निर्जलीकरण चरण की आवश्यकता होती है। यदि गैर-निर्जल इथेनॉल को गैसोलीन के साथ मिलाया जाता है, तो मिश्रण गैसोलीन चरण और पानी/इथेनॉल चरण में अलग हो जाएगा, जिससे इंजन का प्रदर्शन अनियमित हो जाएगा।
गैसोलीन-ईंधन वाले ऑटोमोबाइल और ट्रक या ट्रैक्टर इंजन में इसके उपयोग के अलावा, इथेनॉल का उपयोग अन्य प्रकार के इंजनों में भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, छोटे पैमाने के कृषि उपकरणों (जैसे, टिलर, छोटे ट्रैक्टर) में पाए जाने वाले छोटे, चार-चक्र वाले गैसोलीन इंजन अक्सर गैसोलीन के प्रत्यक्ष प्रतिस्थापन के रूप में 80 से 95 प्रतिशत इथेनॉल जला सकते हैं। इथेनॉल से चलने वाले ऐसे इंजनों में न्यूनतम संशोधन की आवश्यकता होती है।
विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए दो-चक्र इंजनों में इथेनॉल का उपयोग सीमित आधार पर प्रदर्शित किया गया है। इन इंजनों में इथेनॉल के उपयोग की समस्या यह है कि इथेनॉल चिकनाई तेल के साथ अच्छी तरह से मिश्रित नहीं होता है। इस समस्या से निपटने के लिए, ऐसे चिकनाई तेलों को खोजने के लिए शोध चल रहा है जो इथेनॉल से प्रभावित नहीं होते हैं।
हालाँकि डीजल-ईंधन वाले इंजनों में इथेनॉल का उपयोग संभव है, लेकिन इसकी अपनी सीमाएँ हैं। इथेनॉल संपीड़न के तहत प्रज्वलित नहीं होता है और डीजल ईंधन के साथ अच्छी तरह से मिश्रित नहीं होता है। इसलिए, इथेनॉल का उपयोग डीजल ईंधन के लिए सीधे प्रतिस्थापन के रूप में या संपीड़न इग्निशन इंजन में उपयोग के लिए डीजल ईंधन के साथ मिश्रित रूप में नहीं किया जा सकता है। इथेनॉल का उपयोग डीजल ईंधन के प्रतिस्थापन के रूप में केवल तभी किया जा सकता है जब इंजन में ग्लो प्लग लगे हों।
इथेनॉल का इस्तेमाल सुपरचार्ज्ड डीजल इंजन में कुल ईंधन के लगभग 25 प्रतिशत तक किया जा सकता है। ऐसा इथेनॉल को एक अलग ईंधन टैंक में ले जाकर और सुपरचार्जर एयरस्ट्रीम के ज़रिए डीजल इंजन में इंजेक्ट करके किया जाता है।
इथेनॉल विमान इंजन में विमानन ईंधन का भी स्थान ले सकता है।
उपकरणों में इथेनॉल का उपयोग
इथेनॉल का इस्तेमाल खाना पकाने, हीटिंग और लाइटिंग के कई उपकरणों में किया जा सकता है। कुछ मामलों में, इथेनॉल का इस्तेमाल पारंपरिक ईंधन के लिए डिज़ाइन किए गए संशोधित उपकरणों में किया जा सकता है। अन्य मामलों में, इथेनॉल ईंधन के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए उपकरणों की आवश्यकता होती है।
III. प्लांट डिज़ाइन विविधताएँ
यह खंड इथेनॉल ईंधन उत्पादन में प्रत्येक प्रमुख चरण के लिए आवश्यक प्रक्रियाओं और उपकरणों का संक्षेप में वर्णन करता है। यह इथेनॉल ईंधन उत्पादन के अर्थशास्त्र की एक सामान्य चर्चा भी प्रदान करता है। इसका उद्देश्य संयंत्र डिजाइन पर विशिष्ट जानकारी प्रदान करना नहीं है।
प्रक्रियाएं और उपकरण फीडस्टॉक, स्टार्च हाइड्रोलिसिस की आवश्यकता, इथेनॉल के अंतिम उपयोग, उपलब्ध सहायक उपयोगिताओं, प्रक्रिया ऊर्जा स्रोत, उप-उत्पाद के उपयोग और संयंत्र के पैमाने पर निर्भर करते हुए बहुत भिन्न होते हैं।
फीडस्टॉक प्रसंस्करण
प्लांट डिज़ाइन अध्ययनों से संकेत मिलता है कि हाइड्रेटेड (190 प्रूफ) इथेनॉल का उत्पादन करने वाले 30,000,000 गैलन/वर्ष के प्लांट के लिए पैमाने की अर्थव्यवस्था मौजूद है और सह-उत्पादन, यानी, प्लांट के लिए संबंधित बिजली की ज़रूरतों को पूरा करने के लिए हाइड्रेटेड इथेनॉल से ईंधन वाले ऑन-साइट गैस टरबाइन जनरेटर सेट का उपयोग करना। टर्बाइन निकास गैस का उपयोग उच्च दबाव वाली भाप प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है और खर्च की गई गर्म टर्बाइन निकास गैस का उपयोग प्रक्रिया उप-उत्पाद सुखाने के संचालन में किया जा सकता है। लागत प्रभावशीलता को अधिकतम करने के लिए प्रक्रिया उप-उत्पादों (डिस्टिलर सूखे अनाज (डीडीजी), कार्बन डाइऑक्साइड और फ्यूज़ल तेल घटकों) के उत्पादन का प्रावधान समग्र डिज़ाइन में शामिल किया जाना चाहिए।
इथेनॉल ईंधन उत्पादन के लिए चुने गए फीडस्टॉक के प्रकार का संयंत्र के डिजाइन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इथेनॉल का उत्पादन विभिन्न प्रकार की चीनी या स्टार्च युक्त फसलों से किया जाता है, जिसमें फीडस्टॉक तैयार करने की प्रक्रियाओं के डिजाइन में संशोधन किया जाता है। फीडस्टॉक के भौतिक गुणों के साथ-साथ कार्बोहाइड्रेट की प्रकृति (यानी, चीनी बनाम स्टार्च) को समायोजित करने के लिए संशोधनों की आवश्यकता होती है।
फीडस्टॉक को संसाधित करने से पहले उसे पीसने, चूर्ण करने या निकालने के लिए तैयारी उपकरण की आवश्यकता होती है। फीडस्टॉक की तैयारी के लिए मिलिंग उपकरण फीडस्टॉक की नमी सामग्री, भौतिक संरचना और फाइबर सामग्री जैसी विशेषताओं के आधार पर भिन्न होते हैं।
स्टार्च हाइड्रोलिसिस
स्टार्च युक्त फीडस्टॉक्स के लिए टैंक, हीटिंग और कूलिंग सिस्टम, आंदोलन प्रणाली, ट्रांसफर पंप और निगरानी उपकरणों सहित स्टार्च हाइड्रोलिसिस उपकरण की आवश्यकता होती है। स्टार्चयुक्त फीडस्टॉक्स को हाइड्रोलिसिस से पहले ऐसे कण आकार में पीसना पड़ता है जो 20-मेष स्क्रीन से गुजर सके।
हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से प्रसारित भाप मैश को गर्म करने का सबसे आम साधन है; इसलिए, स्टार्च हाइड्रोलिसिस हीटिंग आवश्यकताओं को संयंत्र बॉयलर क्षमता में शामिल किया जाना चाहिए।
मैश को उबलने से लेकर किण्वन तापमान (लगभग 30[डिग्री] सेल्सियस) तक ठंडा करना आम तौर पर हीट एक्सचेंजर डिज़ाइन में निर्धारण कारक होता है। यह उष्णकटिबंधीय जलवायु में विशेष रूप से सच है जहाँ ठंडा पानी का परिवेश तापमान अपेक्षाकृत अधिक होता है।
स्टार्च हाइड्रोलिसिस टैंक के लिए आंदोलन प्रणाली चिपचिपे (मोटे) स्टार्च घोल को कुशलतापूर्वक मिलाने के लिए पर्याप्त होनी चाहिए। जब स्टार्च को पानी में गर्म किया जाता है, तो यह बहुत गाढ़ा जेल बनाता है। कुशल एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस के लिए स्टार्च जिलेटिनाइजेशन आवश्यक है। कुशल ताप विनिमय और एंजाइम गतिविधि सुनिश्चित करने के लिए जेलयुक्त स्टार्च मैश का पूरी तरह से मिश्रण आवश्यक है।
स्टार्च हाइड्रोलिसिस के लिए निगरानी उपकरणों में मैश तापमान और भाप तापमान को मापने के लिए थर्मामीटर और दबाव गेज शामिल हैं, यदि दबावयुक्त स्टार्च हाइड्रोलिसिस सिस्टम का उपयोग किया जाता है तो मैश दबाव को मापने के लिए। स्टार्च हाइड्रोलिसिस की दक्षता को मापने के लिए परीक्षण भी आवश्यक हैं। आम तौर पर, इथेनॉल उत्पादन के अर्थशास्त्र को निर्धारित करने में फीडस्टॉक सबसे महत्वपूर्ण तत्व है, और अकुशल स्टार्च हाइड्रोलिसिस इथेनॉल उत्पादन पर एक बड़ा आर्थिक प्रभाव डाल सकता है।
स्टार्च हाइड्रोलिसिस सिस्टम दो सामान्य प्रकार के होते हैं: बैच सिस्टम और निरंतर सिस्टम। बैच सिस्टम में टैंक होते हैं जिनका आकार किण्वन टैंक की क्षमता और होल्डिंग समय के संबंध में होता है। टैंक हीट एक्सचेंजर्स से सुसज्जित होता है, आमतौर पर आंतरिक कॉइल, जो भाप और ठंडा पानी प्रसारित करते हैं। मैश को गियर रिडक्शन और मिक्सिंग इम्पेलर्स से सुसज्जित मोटर द्वारा उत्तेजित किया जाता है। उच्च स्तर के ठोस पदार्थों को संभालने में सक्षम ट्रांसफर पंप का उपयोग किण्वन टैंक के मैश को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। बहुत चिपचिपे फीडस्टॉक्स के साथ, हीट एक्सचेंज और मैश आंदोलन मैश को बाहरी हीट एक्सचेंजर के माध्यम से पंप करके और वापस टैंक में डालकर पूरा किया जाता है। बैच सिस्टम टैंक को भरकर, एंजाइम हाइड्रोलिसिस की बहु-चरणीय प्रक्रिया को पूरा करके और फिर पूरे मैश वॉल्यूम को किण्वकों में पंप करके संचालित होते हैं।
निरंतर स्टार्च हाइड्रोलिसिस सिस्टम के लिए अधिक परिष्कृत उपकरणों की आवश्यकता होती है, लेकिन वे आमतौर पर अधिक कुशल होते हैं। निरंतर सिस्टम आम तौर पर "जेट कुकर" का उपयोग करते हैं, जिसमें मैश और स्टेम को 105 से 150 [डिग्री] सेल्सियस के तापमान पर दबाव में मिलाया जाता है। पानी, फीडस्टॉक और एंजाइम को नियंत्रित दर पर प्रीमिक्स टैंक में डाला जाता है, गर्म किया जाता है और जेट के माध्यम से दबाव में पंप किया जाता है। मैश को कुछ मिनटों के लिए उच्च दबाव और उच्च तापमान पर रखा जाता है, फिर कुकर से होल्डिंग टैंक में छोड़ दिया जाता है, जहां इसे ठंडा किया जाता है और अतिरिक्त एंजाइम मिलाया जाता है। फिर मैश को किण्वकों में स्थानांतरित कर दिया जाता है। इन प्रणालियों के उच्च दबाव और तापमान के परिणामस्वरूप अधिक कुशल स्टार्च जिलेटिनाइजेशन और हाइड्रोलिसिस होता है। इन प्रणालियों को मैश को दबाव में बनाए रखने के लिए उच्च दबाव वाले बॉयलर और अपेक्षाकृत परिष्कृत प्रणालियों की आवश्यकता होती है। उपकरण का आकार प्लांट किण्वक क्षमता और कुकर में मैश के रहने के समय के आधार पर होता है।
किण्वन
किण्वन द्वारा उत्पन्न गर्मी को हटाने के लिए आंदोलन और हीट एक्सचेंजर्स से सुसज्जित टैंकों में किण्वन होता है। टैंक का आकार मैश में चीनी की सांद्रता, किण्वन समय, अंतिम इथेनॉल सांद्रता और संयंत्र उत्पादन दर पर आधारित होता है।
अंतिम मैश इथेनॉल सांद्रता मैश चीनी सांद्रता का प्रत्यक्ष कार्य है। फीडस्टॉक और यीस्ट इथेनॉल सहनशीलता की सीमाओं के भीतर, उच्च इथेनॉल सांद्रता वांछनीय है। अधिकतम मैश इथेनॉल सांद्रता प्रति आयतन लगभग 10 प्रतिशत वजन है। 10 प्रतिशत से अधिक सांद्रता पर, यीस्ट मर जाता है। आम तौर पर, उच्च नमी सामग्री और 20 प्रतिशत से कम चीनी या स्टार्च सांद्रता वाले फीडस्टॉक को बिना पतला किए किण्वित किया जा सकता है। उच्च स्टार्च या चीनी सांद्रता वाले फीडस्टॉक को पतला करने की आवश्यकता होती है। यदि सांद्रता यीस्ट द्वारा सहन की जाने वाली अधिकतम मात्रा में इथेनॉल का उत्पादन करने के लिए आवश्यक मात्रा से अधिक है, तो चीनी बर्बाद हो जाएगी।
किण्वन के लिए आमतौर पर 12 से 72 घंटे लगते हैं, जो किण्वन शुरू करने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले खमीर की मात्रा और मैश शुगर सांद्रता पर निर्भर करता है। संयंत्र आमतौर पर आसवन के लिए किण्वित मैश की निरंतर आपूर्ति प्रदान करने के लिए अलग-अलग समय पर चलने वाले कई किण्वन टैंकों से सुसज्जित होते हैं।
इथेनॉल उत्पादन में सबसे महत्वपूर्ण समस्याओं में से एक, विशेष रूप से छोटे पैमाने के संयंत्रों में, बैक्टीरिया द्वारा मैश का संदूषण है। बैक्टीरिया शर्करा का उपयोग करते हैं जो अन्यथा इथेनॉल में परिवर्तित हो जाते हैं। अच्छे संयंत्र डिजाइन और कुशल किण्वन महंगी नसबंदी प्रणालियों का सहारा लिए बिना संदूषण को नियंत्रित कर सकते हैं।
आसवन
आसवन प्रणालियाँ या तो बैच या निरंतर हो सकती हैं। एक या दूसरे सिस्टम का चयन प्लांट के पैमाने पर आधारित है। दोनों प्रकारों में हीटिंग सिस्टम की आवश्यकता होती है, आमतौर पर भाप (जो कम दबाव वाले बॉयलर से हो सकती है), एक आसवन स्तंभ और एक कंडेनसर।
आसवन स्तंभ का आकार और इथेनॉल उत्पादन दर किण्वित मैश में इथेनॉल की सांद्रता, किण्वन क्षमता और उत्पादन कार्यक्रम पर आधारित है। छोटे पैमाने के संयंत्र - लगभग 100,000 लीटर वार्षिक इथेनॉल उत्पादन - बैच आसवन प्रणाली का कुशलतापूर्वक उपयोग कर सकते हैं। बैच सिस्टम में, पूरे मैश वॉल्यूम को एक बड़े बर्तन में भेजा जाता है, या चार्ज किया जाता है, जिसे स्टिल कहा जाता है, जिसे फिर गर्म किया जाता है। वाष्प को आसवन स्तंभ में जाने दिया जाता है। हालाँकि बैच सिस्टम निरंतर फ़ीड आसवन प्रणाली की तुलना में कम कुशल हैं, लेकिन उन्हें बनाना और संचालित करना बहुत आसान है।
निरंतर फीड सिस्टम में, किण्वित मैश को नियंत्रित दर पर आसवन स्तंभ में पंप किया जाता है, जिसमें स्तंभ के निचले भाग में गर्मी डाली जाती है। स्तंभ के शीर्ष पर अप्रसंस्कृत मैश को सिस्टम के माध्यम से वापस खिलाने के लिए प्रावधान किया जाता है। निरंतर फीड कॉलम का उपयोग बड़े पैमाने के संयंत्रों में किया जाना चाहिए जहां बेहतर दक्षता अतिरिक्त जटिलता को उचित ठहराती है।
निर्जलीकरण
इथेनॉल का इच्छित उपयोग निर्जलीकरण प्रणालियों की आवश्यकता को निर्धारित करता है ताकि पांच प्रतिशत पानी को हटाया जा सके जिसे आसवन द्वारा अलग नहीं किया जा सकता है। यदि इथेनॉल को गैसोलीन के साथ मिश्रित किया जाना है, तो निर्जलीकरण की आवश्यकता होती है। इथेनॉल गैसोलीन-मिश्रणों में पानी की उपस्थिति के परिणामस्वरूप भंडारण या ईंधन टैंक में चरण पृथक्करण होता है। यदि गैसोलीन को बदलने के लिए इथेनॉल का उपयोग किया जाना है तो निर्जलीकरण की आवश्यकता नहीं है। इथेनॉल का उपयोग सीधे संशोधित इंजनों में 80 से 95 प्रतिशत की सांद्रता पर किया जा सकता है।
उपोत्पाद पुनर्प्राप्ति
ठोस उप-उत्पादों को ठोस/तरल पृथक्करण उपकरण के साथ स्टिलेज से पुनर्प्राप्त किया जाता है। यह उपकरण साधारण स्क्रीन से लेकर सेंट्रीफ्यूज या वैक्यूम फिल्टर जैसे जटिल उपकरण तक हो सकते हैं। पतले स्टिलेज में घुलनशील प्रोटीन को वाष्पीकरण द्वारा पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। यदि उप-उत्पादों को काफी दूरी तक संग्रहीत या परिवहन किया जाना है, तो सुखाने की आवश्यकता होती है। उच्च नमी सामग्री वाले स्टिलेज को अक्सर न्यूनतम पृथक्करण या प्रसंस्करण के साथ इथेनॉल उत्पादन स्थल पर या उसके आस-पास पशुओं को सीधे खिलाया जा सकता है।
अपशिष्ट जल उपचार
ईंधन इथेनॉल की प्रत्येक मात्रा के उत्पादन से लगभग नौ मात्रा में अपशिष्ट उत्पन्न होगा। अपशिष्ट के एक हिस्से को पुनर्चक्रित किया जा सकता है और उच्च सांद्रता वाले फीडस्टॉक को पतला करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हालांकि, भले ही अपशिष्ट को पुनर्चक्रित किया जाता है, फिर भी यह एक महत्वपूर्ण प्रदूषण समस्या पैदा कर सकता है। सतही जल या भूजल के प्रदूषण से बचने के लिए, अपशिष्ट को सूक्ष्मजीवविज्ञानी गिरावट से गुजरना चाहिए; यानी अपशिष्ट के निपटान से पहले अपशिष्ट में निहित हानिकारक कार्बनिक पदार्थ को तोड़ा जाना चाहिए। यह अवायवीय, वायवीय या दो तरीकों के क्रमिक संयोजन द्वारा किया जाता है। अपशिष्ट विघटन आमतौर पर एक साधारण उपचार तालाब में किया जाता है, उसके बाद यदि आवश्यक हो तो स्थिरीकरण तालाब का उपयोग किया जाता है। वैकल्पिक रूप से, अपशिष्ट को बायोगैस डाइजेस्टर में डाला जा सकता है, जिससे ऊर्जा उत्पादन और अपशिष्ट उपचार का संयोजन होता है।
उपयोगिताएँ
इथेनॉल उत्पादन के लिए पानी, बॉयलर ईंधन और फीडस्टॉक, इथेनॉल और उप-उत्पादों के परिवहन की आवश्यकता होती है। पंप, स्टिरिंग मोटर, प्रक्रिया नियंत्रण और इंस्ट्रूमेंटेशन चलाने के लिए बिजली का उपयोग किया जा सकता है, लेकिन दुनिया भर में कई इकाइयाँ हैं जो बिना बिजली के प्रति वर्ष 10,000 गैलन तक उत्पादन करती हैं। स्टार्च हाइड्रोलिसिस सिस्टम, किण्वक और कंडेनसर के साथ उपयोग किए जाने वाले हीट एक्सचेंजर्स में मैश कमजोर पड़ने और ठंडा करने के लिए पानी की आवश्यकता होती है।
प्रक्रिया भाप उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले बॉयलर को प्राकृतिक गैस, बायोगैस, बायोमास, कोयला, अवशिष्ट तेल या खोई (खोई चीनी बनाने से निकलने वाला कुचला हुआ गन्ना या चुकंदर का कचरा है) जैसे कम लागत वाले, कम गुणवत्ता वाले ईंधन की आवश्यकता होती है। उच्च गुणवत्ता वाले तरल ईंधन या बिजली बॉयलर ईंधन के रूप में उपयोग के लिए अलाभकारी और अक्षम हैं। अंत में, फीडस्टॉक को संयंत्र तक ले जाने की आवश्यकता होती है; और उत्पादों, इथेनॉल और उप-उत्पाद पशु चारा दोनों को उपयोग के बिंदु तक ले जाने की आवश्यकता होती है।
इथेनॉल ईंधन उत्पादन के लिए प्रक्रिया ऊर्जा की आवश्यकताएँ उपकरण, प्रक्रिया डिज़ाइन और फीडस्टॉक के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न होती हैं। 5,625 किलो कैलोरी/लीटर के तापन मूल्य वाले एक लीटर इथेनॉल के उत्पादन में आमतौर पर खाना पकाने के लिए 800 से 1,200 किलो कैलोरी, आसवन के लिए 1,300 से 1,500 किलो कैलोरी, निर्जलीकरण के लिए 800 से 1,000 किलो कैलोरी और हलचल मोटर और पंप चलाने के लिए लगभग 300 किलो कैलोरी की आवश्यकता होगी। एक लीटर इथेनॉल के उत्पादन से उप-उत्पादों को सुखाने के लिए अतिरिक्त 600 से 700 किलो कैलोरी की आवश्यकता हो सकती है। निर्जल इथेनॉल और अनाज से सूखे उप-उत्पादों का उत्पादन - जो प्रक्रिया ऊर्जा के लिए उच्च श्रेणी का प्रतिनिधित्व करता है - के लिए 2,800 से 3,800 किलो कैलोरी/लीटर की आवश्यकता होगी। उप-उत्पाद सुखाने के बिना चीनी फीडस्टॉक से 90 प्रतिशत इथेनॉल का उत्पादन - जो प्रक्रिया ऊर्जा के लिए निम्न श्रेणी का प्रतिनिधित्व करता है - के लिए 1,600 से 1,800 किलोकैलोरी/लीटर की आवश्यकता होगी।
उपयोगिताओं की उपलब्धता और लागत शराब उत्पादन के पैमाने और अर्थव्यवस्था दोनों में महत्वपूर्ण कारक हैं। विकासशील देशों में इथेनॉल ईंधन परियोजनाओं की विफलता में दो कारकों ने योगदान दिया है: (1) इथेनॉल ईंधन के उत्पादन के लिए संयंत्र इतने बड़े थे कि सहायक उपयोगिताएँ अपनी ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा करने में असमर्थ थीं; और (2) संयंत्र फीडस्टॉक से इतनी दूर स्थित थे कि परिवहन किफायती नहीं था।
पादप स्केल
इथेनॉल ईंधन संयंत्रों का आकार कुछ हज़ार लीटर से लेकर 100 मिलियन लीटर से ज़्यादा वार्षिक उत्पादन तक होता है। स्टार्च हाइड्रोलिसिस, किण्वन और बैच डिस्टिलेशन को बहुउद्देश्यीय प्रक्रिया टैंकों में मिलाकर छोटे पैमाने के संयंत्रों के डिज़ाइन और संचालन को बहुत सरल बनाया जा सकता है। संयंत्रों में एक या कई टैंक शामिल हो सकते हैं जो एकल आसवन स्तंभ के लिए किण्वित मैश की आपूर्ति करते हैं। लगभग 100,000 लीटर वार्षिक उत्पादन वाले संयंत्रों को इस तरह से डिज़ाइन किया जा सकता है। यदि कम लागत वाला बॉयलर ईंधन उपलब्ध है, तो बड़े बैच प्लांट पर भी विचार किया जा सकता है। अच्छी तकनीकी सहायता के साथ, स्थानीय, सामुदायिक-स्तरीय संसाधनों और कौशल के साथ छोटे पैमाने के बैच प्लांट बनाए और संचालित किए जा सकते हैं।
विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए सिस्टम में स्टार्च हाइड्रोलिसिस और किण्वन को अलग करके और निरंतर फ़ीड आसवन स्तंभों का उपयोग करके बड़े संयंत्रों में अधिक परिचालन दक्षता प्राप्त की जा सकती है। आम तौर पर, इस प्रकार के संयंत्र की अधिक पूंजी लागत और परिचालन जटिलता परिचालन दक्षता में वापस आ जाएगी। बड़े पैमाने पर अल्कोहल संयंत्रों को अपेक्षाकृत परिष्कृत प्रबंधन और तकनीकी कौशल वाले कम से कम कुछ कर्मचारियों की आवश्यकता होती है। संयंत्र के डिजाइन, उपकरण और निर्माण के लिए अक्सर स्थानीय समुदाय के बाहर संसाधनों की आवश्यकता होती है।
लागत/अर्थशास्त्र
इथेनॉल ईंधन अर्थशास्त्र के बारे में सामान्य जानकारी प्रदान करना कठिन है, क्योंकि उत्पादन लागत और उत्पाद मूल्य संयंत्र के स्थान, फीडस्टॉक, उत्पादन पैमाने और अंतिम उपयोग पर निर्भर करते हैं।
इथेनॉल उत्पादन में पूंजी और परिचालन लागत दोनों शामिल हैं। छोटे बैच संयंत्रों के लिए पूंजी लागत में दो महत्वपूर्ण कारक स्टार्च हाइड्रोलिसिस सिस्टम और बॉयलर क्षमता हैं। बड़े संयंत्रों में, इंजीनियरिंग, आसवन प्रणाली और प्रक्रिया नियंत्रण अपेक्षाकृत अधिक महत्वपूर्ण हैं। आम तौर पर, अल्कोहल संयंत्रों के लिए पूंजी लागत वार्षिक उत्पादन क्षमता के प्रति लीटर $.50 से $1 (यूएस) तक होती है। अमेरिकी संयंत्रों के आंकड़ों के आधार पर, बहुत छोटे और बहुत बड़े संयंत्रों के लिए वार्षिक उत्पादन क्षमता के प्रति लीटर पूंजी लागत आम तौर पर मध्यम-स्तरीय संयंत्रों की तुलना में अधिक होती है - 1 से 10 मिलियन लीटर वार्षिक उत्पादन।
इथेनॉल उत्पादन में सबसे बड़ी परिचालन लागत, चाहे वह किसी भी पैमाने पर हो, फीडस्टॉक की होती है। इथेनॉल ईंधन उत्पादन को लाभदायक बनाने के लिए फीडस्टॉक की किफायती आपूर्ति आवश्यक है। छोटे संयंत्रों में, श्रम-लागत भी अपेक्षाकृत महत्वपूर्ण हो सकती है।
इंजन रूपांतरण, वितरण और विपणन, संयंत्र उपयोगिताओं, तथा फीडस्टॉक और उत्पादों के परिवहन की अप्रत्यक्ष लागतें भी इथेनॉल उत्पादन लागत के मूल्यांकन में महत्वपूर्ण हैं।
इथेनॉल का बाजार मूल्य अंतिम उपयोग पर निर्भर करता है। प्रतिस्थापन ईंधन के रूप में इथेनॉल का बाजार मूल्य आम तौर पर गैसोलीन की कीमतों के सापेक्ष मापा जाएगा। गैसोलीन के साथ मिश्रित होने पर इथेनॉल का बाजार मूल्य गैसोलीन से अधिक हो सकता है क्योंकि इथेनॉल/गैसोलीन मिश्रणों के ऑक्टेन मूल्य में वृद्धि होती है।
उप-उत्पाद का बाजार मूल्य पशु आहार की स्थानीय कीमत के आधार पर मापा जाता है। मूल्य आमतौर पर आहार में प्रोटीन की मात्रा की तुलना करके निर्धारित किया जाता है।
इथेनॉल उत्पादन लागत और इथेनॉल के बाजार मूल्य के अलावा अन्य कारक भी आर्थिक विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण हो सकते हैं। आयातित पेट्रोलियम को घरेलू स्तर पर उत्पादित नवीकरणीय ईंधन से बदलने से भुगतान संतुलन घाटे में सुधार हो सकता है और अपेक्षाकृत उच्च इथेनॉल लागत के बावजूद आर्थिक रूप से लाभप्रद हो सकता है। ग्रामीण रोजगार के अवसर, कृषि वस्तुओं के लिए वैकल्पिक बाजार और ऊर्जा स्वतंत्रता संयंत्र लाभप्रदता के प्रत्यक्ष लेखांकन के अलावा महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ प्रदान कर सकते हैं।
