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Understanding Ethanol Combustibile Produzione ed Uso ISBN: 0-86619-203-4 [C]1984, Volontarii in Assistenza Tecnica
PREFACE
Questa carta č una di una serie pubblicata da Volontarii in Tecnico Assistenza per provvedere un'introduzione a specifico all'avanguardia le tecnologie di interesse a persone in paesi in sviluppo. Si intende che le carte siano usate come orientamenti per aiutare, persone scelgono tecnologie che sono appropriate alle loro situazioni. Non si intende che loro provvedano costruzione o la realizzazione, Persone di details. sono esortate per contattare VITA o un'organizzazione simile per informazioni ulteriore ed assistenza tecnica se loro scoperta che una tecnologia particolare sembra soddisfare le loro necessitŕ.
Le carte nella serie furono scritte, furono fatte una rassegna, e furono illustrate quasi completamente da VITA Volunteer esperti tecnici su un puramente basis. volontario che Alcuni 500 volontarii stati comportati nella produzione dei primi 100 titoli pubblicati, mentre offrendo approssimativamente 5,000 ore del loro time. il personale di VITA incluse Leslie Gottschalk come redattore primario, Julie Berman che si occupa di typesetting e configurazione, e Margaret Crouch come direttore di progetto.
Cliff Bradley e Comprensione Runnion, coautori di questa carta si specializzi in alcol combustibile produzione tecnologie. Bradley č un microbiologo e Runnion un ingegnere chimico a Rinnovabile Tecnologie, Inc. Loro hanno pubblicato molti manuali pratici e libretti nel campo, e sta indagando attualmente e metodi nuovi che sviluppano di migliorare il processo di idrolisi di amido richiesto per produzione di combustibile di alcol. Recensori di Kenneth Brunot, C. Gene Haugh, e Daniele Ingold č anche specialisti nel area. Brunot, vicepresidente senior per la Tecnologia di Wright era precedentemente presidente dell'Energia di Wright Societŕ per azioni di Nevada, dove lui si specializzato in studi relativo ad ethanol produzione usando energia di geothermal per requisiti di energia di processo. le teste di Haugh il Reparto dell'Ingegneria Agricola a Politecnico di Virginia Institute. Ingold č un biophysicist addestrando ed un ingegnere di ricerca a Societŕ per azioni di Tecnologia Adatta.
VITA č un'organizzazione privata, disinteressato che sostiene persone lavorando su problemi tecnici in paesi in sviluppo. le offerte di VITA informazioni ed assistenza puntarono ad individui utili e gruppi per selezionare e perfezionare le tecnologie appropriano loro situations. VITA mantiene un Servizio di Indagine internazionale, un centro di documentazione specializzato, ed un elenco computerizzato di volontario consulenti tecnici; maneggia progetti di campo a lungo termine; e pubblica una varietŕ di manuali tecnici e carte.
IO. INTRODUZIONE
Questa carta descrive la produzione ed uso di ethanol (alcol etilico) come un fuel. liquido La produzione di ethanol č un ben stabilito tecnologia; comunque, l'uso di ethanol come un liquido combustibile č un soggetto complesso.
Ethanol era uno dei primi combustibili usato in automobile engines. Esso stato usato estensivamente in Germania durante guerra mondiale II ed anche in Brasile, il Filippine, e gli Stati Uniti. Durante il postbellico periodo, come approvvigionamenti di petrolio divennero convenienti ed abbondante, benzina sostituě grandemente ethanol come un fuel. Not automobilistico fino a che gli anni settanta, quando l'approvvigionamento di petrolio fu restretto, faceva ethanol re-emergono come un'alternativa ad o extender per petrolio-basato combustibili liquidi (ethanol come un extender č aggiunto a questi combustibili per aumentare il loro volume). Today, 12 paesi producono e usi un ammontare significativo di ethanol. In Brasile, per esempio uno terzo degli usi di automobili di quel paese ethanol puro come combustibile; il rimanendo due terze misture di uso di benzina ed ethanol. Francia, gli Stati Uniti, Indonesia, il Filippine, Guatemala Pica di Costa, Argentina, la Repubblica dell'Africa Meridionale, Kenia La Thailandia, e Sudan č paesi altri con governo o privato ethanol alimentano programs. I programmi sono progettati per ridurre un la dipendenza di paese su combustibile importato e costoso ed assistere in creando un'industria di combustibile nazionale e nuova.
Ethanol puri possono sostituire benzina in scintilla-ignizione cambiata motori, o puň essere mescolato con benzina a su a 20 percento la concentrazione per alimentare motori di benzina non modificati. Miscela di
servizi due scopi: (1) estende benzina approvvigiona, e (2) come un enhancer di ottano, sostituisce, piombo combina nella benzina. Ethanol puň essere usato anche nel diesel cambiato (ignizione di compressione) motori; comunque, questo non č comune.
La produzione ed uso di ethanol del combustibile possono servire indirettamente una varietŕ di needs. Su un livello nazionale, ethanol possono migliorare equilibrio di pagamenti spostando nazionalmente petrolio importato con fuel. prodotto che Questo puň provvedere lavoro rurale ed anche aumentato e mercati alternativi per merci agricole. Su una comunitŕ + livello individuale, ethanol alimentano produzione spesso č visto come un mezzi di divenire indipendente di combustibili acquistati, a tenga soldi all'interno dell'economia locale, e provvedere un sicuro approvvigionamento di combustibile nell'evento delle scarsitŕ di combustibili di petrolio.
II. PRINCIPI CONDUZIONE
PRODUZIONE DI ETHANOL
Ethanol alimenta produzione č una combinazione di biologico e fisico processes. Ethanol č prodotto da fermentazione di zuccheri con yeast. č concentrato per alimentare grado da distillation. Figure 1
č una rappresentazione schematica dei passi principali in combustibile produzione di ethanol.
Feedstocks, le materie prime vili sono o zuccheri o amido-contenendo crops. Questi " Raccolti " del Combustibile della Biomassa (tuberi e grani) comunemente includa barbabietole di zucchero, patate, mais, grano, orzo Carciofi di Gerusalemme, e sorgo dolce. Sugar i raccolti come canna di zucchero, barbabietole di zucchero, o sorgo dolce sono estratte per produrre una soluzione che zucchero-contiene che puň essere fermentata direttamente da yeast. Starch feedstocks, comunque devono essere portati attraverso un passo di conversione supplementare.
Amido č un polimero di catena " lungo " di glucosio (i.e., glucosio molto unitŕ di polimero collegate in una catena). Gli Amidi di non puň essere direttamente fermentato ad ethanol. Loro devono essere rotti in giů in prima il unitŕ di glucosio piů semplice attraverso un processo di idrolisi. Nel passo di idrolisi, feedstocks dell'amido sono macinati e mescolati con annaffi produrre una mescolanza che contiene tipicamente 15 a 20 percento starch. La mescolanza č cucinata poi a punto d'ebollizione o sopra e trattato in sequenza con due preparazioni di enzima. Il primo hydrolyzes dell'enzima inamidano molecole a catene corte; il secondo hydrolyzes dell'enzima le catene corte a glucosio. che La mescolanza č poi rinfrescato a 30[degrees] C, e fermento č aggiunto.
Fermenti sono microrganismi che producono ethanol. Questi microrganismi č capace di convertire zucchero in alcol da un biologico processo chiamato la fermentazione. L'equazione seguente mostra il
reazione biologica e di base nella conversione da fermentazione di un chilogrammo di glucosio ad ethanol, diossido di carbone, e calore:
Teoreticamente, l'efficienza di conversione di massimo di glucosio a ethanol č 51 percento su una base di peso. However, un po' di glucosio č usato dal fermento per la produzione di massa di cella e per metabolico prodotti altro che l'ethanol. In pratica, tra il 40 ed il 48 percento di glucosio č convertito ad ethanol. Con una 45-percento efficienza di fermentazione, 1,000 chilogrammi di zucchero di fermentable produca approssimativamente 570 litri di ethanol puro. Conversely, approssimativamente 1,800 chilogrammi di zucchero di fermentable sono costretti a produrre 1,000 litri di Mescolanza di ethanol. contengono tipicamente tra il 50 ed il 100 grammi di ethanol per litro (5 a 10 peso di percento per volume) quando la fermentazione č completa.
Ethanol č separato da mescolanza da distillazione--un processo fisico in che i componenti di una soluzione (in questo caso, acqua ed ethanol) č separato da differenze in punto d'ebollizione o pressione di vapore.
Ethanol e forma di acqua un azeotrope, o soluzione bollitura e continua, di approssimativamente 95 alcol di percento e cinque acqua di percento. Il cinque acqua di percento non puň essere separata da distillazione convenzionale. La produzione di puro, acqua-libero (anidro) l'ethanol richiede un passo di disidratazione la distillazione seguente. Disidratazione di , un relativamente passo complesso in ethanol alimenta produzione, č portato a termine in uno di due ways. Il primo metodo usa un terzo liquido, piů comunemente benzene che č aggiunto all'ethanol / innaffi mixture. Questo cambia le caratteristiche bollitura del soluzione, permettendo separazione di ethanol anidro. Il secondo metodo assume setacci molecolari sui quali selettivamente assorbono acqua la base della differenza in taglia molecolare tra acqua e ethanol.
Il non-fermentable solids in mescolanza distillata (lo stillage) contenga ammontari variabili di fibra e proteina, dipendendo dal feedstock. Il liquido puň contenere anche proteina solubile e nutrients altro. Il ricupero della proteina e nutrients altro in stillage per uso come alimentazione di bestiame puň essere essenziale per economico ethanol alimentano contenuto di Proteina di production. varierŕ con feedstock. Dei grani (e.g., mais, orzo) produca un sottoprodotto solido --distillatori asciugarono grani (DDG)--quello varia da 25 a 30 percento proteina e costituisce un'alimentazione eccellente bestiame. Se il trattando attrezzatura č costruito di senza macchia ricopra d'acciaio e trattando č eseguito sotto le condizioni bene-controllato, la proteina sottoprodotti possono essere consumati anche da creature umane.
La produzione di ethanol produce anche emissario liquido che č un problema di inquinamento potenziale. che approssimativamente 9 litri di emissario sono prodotto per ogni litro di ethanol. In piante bene-disegnate, alcuni dell'emissario puň essere riciclato. L'Emissario di puň avere un alto Biologico Richiesta di ossigeno (BOD) che č una misura di acqua organica inquinamento potenziale, e č siliceo. richiede trattamento di fronte a requisiti di Trattamento di discharge. dipenda da feedstock e regolamentazioni di controllo di inquinamento locali. a causa dell'acido contentano, cura si deve prendersi se l'emissario č diffuso su campi.
ETHANOL END L'USO
Ethanol č un liquido di alta qualitŕ, stabile. Alcuno del chimico e proprietŕ fisiche di ethanol sono compendiate in Tavola 1.
Table 1. Sommario delle Proprietŕ di Ethanol
Proprietŕ Ethanol
Formula chimica.............................. [C.SUB.2][H.SUB.5]OH
Peso molecolare.............................. 46.07
Densitŕ (20[degrees] C)....................... 0.791 G/CC
Punto d'ebollizione [un]............................. 78.5[DEGREES] C
Calore del Combustone [b]........................ 5625 KCAL/1
Calore di Vaporizzazione [c]...................... 9.225 KCAL/MOLE
Ottano che Tassa................................. 106-108
Stoichiometric Air/Fuel Rapporto [d]............. 9/1
[punto d'ebollizione di a] č la temperatura a che un cambi liquidi mette in fase e diviene una benzina; il punto a che la pressione di vapore del liquido uguaglia la pressione di vapore del sistema.
[b] Scaldano del combustone č l'ammontare di calore dato via quando un Quantitŕ di unitŕ di di alcuno idrocarburi (e.g., ethanol) č bruciň a diossido di carbone ed acqua.
[c] Scaldano di vaporizzazione č il contributo di calore costrinse a cambiare liquido al suo punto d'ebollizione ad un vapore alla temperatura stessa (e.g., annaffi a 100[degrees] C per vaporizzare a 100[degrees] C).
[il d] Il rapporto di air/fuel di stoichiometric č l'ammontare di aria necessario completamente ossidare (la scottatura) il combustibile.
Ethanol Use in Motori
Ethanol č usato piů comunemente in trasporto e l'agricoltura alimentare il combustone interno, quattro-ciclo, motori di scintilla-ignizione. Si usa come una sostituzione diretta per benzina, o ha mescolato con benzina come un extender ed elevatore di ottano.
L'uso di ethanol per sostituire benzina richiede modifiche a il carburatore, componenti di sistema di combustibile e spesso la compressione ratio. che La conversione efficiente di esistere motori di benzina richiede tecnici specializzati, bene informato.
Motori specificamente disegnarono e fabbricarono operare su ethanol alimentano sarŕ generalmente piů efficiente che cambiň benzina engines. le concentrazioni di Ethanol di tra il 80 ed il 95 percento puň essere usato come combustibile che elimina il bisogno per sofisticato sistemi di disidratazione e semplifica la distillazione. In molti casi, la conversione di motori per operare su ethanol puň essere piů semplice e piů costato efficiente che disidratazione di ethanol. Lo svantaggio di conversione di motore č quella distanza di viaggio di veicolo č limitata dall'approvvigionamento disponibile e la distribuzione di ethanol.
Dei sistemi di combustibile " duplici--ovvero, motori con un carburatore che od operare su ethanol o sulla benzina--č stato sviluppato su un basis. limitato In Brasile, una porzione significativa del flotta di trasporto usa ethanol alimentano specialmente in automobili con motori disegnati, fabbricati da automobile internazionale e notevole societŕ.
In motori non modificati, ethanol possono sostituire su a 20 percento di il gasoline. Blending ethanol con benzina estende la benzina approvvigioni, e migliora la qualitŕ di benzina aumentando suo ottano value. Come un enhancer di ottano, ethanol possono sostituire piombo combina in gasoline. There č vantaggi ad usando benzina / ethanol mescola piuttosto che ethanol puro. Le Miscele di non richiede motore modification. In cosě, ethanol possono essere integrati rapidamente con approvvigionamento di benzina esistente e sistemi di distribuzione. Sostituendo piombo combina con ethanol rimuove uno del direttore problemi di inquinamento di aria associarono con benzina.
Lo svantaggio di usare miscele di ethanol/gasoline č che il ethanol devono essere anidri, mentre richiedendo un passo di disidratazione in produzione. Se ethanol non-anidro č mescolato con benzina, il miscele separeranno in una fase di benzina ed un water/ethanol metta in fase, mentre provocando spettacolo di motore eccentrico.
Oltre al suo uso in automobili benzina-alimentate ed in autocarro o motori di trattore, ethanol possono essere usati in tipi altri di engines. Per esempio, piccolo, motori di benzina di quattro-ciclo fondarono in attrezzatura agricola e su piccola scala (e.g., mette i polloni, trattori piccoli) bruciare 80 a 95 ethanol del percento come una sostituzione diretta spesso per gasoline. Tali motori alimentati da ethanol richiedono modifiche minime.
L'uso di ethanol in motori di due-ciclo specialmente disegnati ha stato dimostrato su una base limitata. Il problema di usare ethanol in questi motori č che l'ethanol non mescola bene con oil. che lubrifica per ottenere circa questo problema, ricerca č sotto modo di trovare lubrificando petroli che non sono colpiti da ethanol.
Sebbene ethanol usano in motori diesel-alimentati č fattibile, ha il suo limitations. Ethanol non si accende sotto compressione e non mescoli bene con combustibile di diesel. Therefore, ethanol non possono essere usato come una sostituzione diretta per combustibile di diesel o mescolň con combustibile di diesel per uso in motori di ignizione di compressione. Ethanol puň sia usato solamente come una sostituzione per combustibile di diesel se il motore č andato bene con spine elettriche di bagliore.
Ethanol puň essere usato su in motori di diesel sovralimentati per a approssimativamente 25 percento del combustibile totale. Questo č fatto portando il ethanol in un serbatoio di combustibile separato ed iniettandolo nel diesel motore attraverso un airstream del compressore.
Ethanol puň sostituire anche combustibile di aviazione in motori di aereo.
Ethanol Use in Apparecchi
Ethanol puň essere usato in una varietŕ di cucinando, scaldando, ed accendere appliances. In dei casi, ethanol possono essere usati in cambiň apparecchi disegnarono per combustibili convenzionali. In casi altri, apparecchi specificamente disegnati per combustibile di ethanol sono richiesti.
III. VARIAZIONI DEL DISEGNO DELLA PIANTA
Questa sezione descrive brevemente i processi ed attrezzatura necessarie per ogni passo principale in ethanol alimenti produzione. Esso anche provvede una discussione generale delle economie di combustibile di ethanol production. che non č voluto dire provvedere informazioni specifiche su disegno di pianta.
Processi ed attrezzatura variano grandemente, mentre dipendendo da feedstock, il abbia bisogno per idrolisi di amido, ethanol finiscono uso, appoggio disponibile le utilitŕ, fonte di energia di processo, uso di sottoprodotto, e pianta scala.
LAVORAZIONE DI FEEDSTOCK
Studi di disegno di pianta indicano che un'economia di scala esiste per un 30,000,000 gal/year piantano producendo idrato (190 prova) l'ethanol e co-generatore, i.e., utilizzando su-luogo benzina turbina generatore set alimentati con ethanol idrato per provvedere associarono le necessitŕ di potere per il plant. La benzina di scappamento di turbina potrebbe essere usata ottenere vapore di alto-pressione e lo scappamento di turbina caldo ed esausto benzina potrebbe essere usata in sottoprodotto di processo che asciuga Provvedimento di operations.
produrre sottoprodotti di processo (distillatori asciugarono grani (DDG), diossido di carbone, e fusel lubrificano componenti dovrebbero essere inclusi nel disegno complessivo per massimizzare l'efficacia di costo.
Il tipo di feedstock eletto per ethanol alimenti produzione ha un impatto significativo su disegno di pianta. Ethanol č prodotto da un varietŕ di zucchero - o amido-contenendo raccolti, con modifiche nel disegno dei processi di preparazione di feedstock. Il modifiche sono costrette ad accomodare le proprietŕ fisiche del feedstock, cosě come la natura del carboidrato (i.e., zuccheri contro amido).
Attrezzatura di preparazione č necessaria a sgobbone, polverizzatore o estratto il feedstock prima che possa essere trattato. Milling l'attrezzatura per preparazione di feedstock varia, mentre dipendendo da tali caratteristiche del feedstock come umiditŕ struttura contenta, fisica, e contenuto di fibra.
Inamidi Idrolisi
Feedstocks che amido-contiene richiedono attrezzatura di idrolisi di amido incluso serbatoi, riscaldamento e sistemi di raffreddamento, sistemi di agitazione, pompe di trasferimento, ed esaminando strumenti. feedstocks Amidaceo debba essere macinato di fronte ad idrolisi ad una taglia di particella che puň passi attraverso un schermo di 20-maglia.
Vapore circolato attraverso exchangers di calore č il piů comune vuole dire di riscaldamento la mescolanza; perciň, idrolisi di amido che scalda requisiti deve essere incluso in capacitŕ di caldaia di pianta.
Raffreddando la mescolanza dal bollire a temperatura di fermentazione (approssimativamente 30[degrees] C) generalmente il fattore che determina in exchanger di calore design. Questo č specialmente vero in climi tropicali dove č relativamente la temperatura circostante dell'acqua di raffreddamento alto.
I sistemi di agitazione per serbatoi di idrolisi di amido devono essere adeguati mescolare viscoso (spesso) soluzioni di amido efficientemente. Quando amido č scaldato in acqua, forma un gel molto spesso. Starch gelatinization č essenziale per idrolisi enzimatica ed efficiente. Mescolare completo di mescolanza di amido gelificata č necessario per assicurare cambio di calore efficiente e l'attivitŕ di enzima.
Attrezzatura che esamina per idrolisi di amido include termometri misurare temperatura di mescolanza e temperatura di vapore, e pressione indicatori di livello per misurare pressione di mescolanza se pressurizzň idrolisi di amido sistemi sono used. Tests per misurare l'efficienza di idrolisi di amido č anche necessary. Generally che parlano, il feedstock č l'elemento piů importante nel determinare le economie di ethanol produzione, ed idrolisi di amido inefficiente puň avere un impatto economico e notevole su produzione di ethanol.
Inamidi sistemi di idrolisi sono di due tipi generali: sistemi a lotti e systems. continuo che sistemi A lotti consistono di serbatoi che sono messo in ordine di grandezza in relazione a capacitŕ di serbatoio di fermentazione e tempo che tiene. Il serbatoio č dotato di exchangers di calore, di solito interno bobine che circolano vapore e raffreddando acqua. che La mescolanza č agitato da un motore dotato di riduzione di cambio e mescolando impellers. Transfer le pompe capace di occuparsi di un livello alto di solids sono usati per trasferire la mescolanza della fermentazione tanks. Con feedstocks molto viscoso, cambio di calore e l'agitazione di mescolanza sono portato a termine pompando la mescolanza attraverso un exchanger di calore esterno ed indietro nel tank. sistemi A lotti sono operati da riempendo il serbatoio, eseguendo che il multistep, tratta di enzima idrolisi, e pompando poi il volume di mescolanza intero in fermenters.
Sistemi di idrolisi di amido continui richiedono piů sofisticato attrezzatura, ma loro sono di solito piů efficienti. sistemi Continui generalmente uso " scarica fornelli " nei quali sono mescolanza e gambo mescolato sotto pressione a temperature di 105 a 150[degrees] C. Water, feedstock, ed enzima č alimentato in un serbatoio di premix ad un controllato tassi, riscaldato, e pompň sotto pressione attraverso il jet. La mescolanza č tenuto a pressione alta e temperature alte per alcuni minuti, poi rilasciň dal fornello a tenendo serbatoi, dove č rinfrescato ed enzima supplementare č aggiunto. che La mescolanza č trasferita poi a fermenters. La pressione alta e temperatura di questi sistemi danno luogo a gelatinization dell'amido piů efficiente ed idrolisi. Questi sistemi richiedono caldaie di alto-pressione e relativamente sistemi sofisticati per mantenere la mescolanza sotto pressione. Attrezzatura č messa in ordine di grandezza sulla base di capacitŕ di fermenter di pianta e tempo di residenza di mescolanza in fornelli.
Fermentazione
La fermentazione ha luogo in serbatoi dotati di agitazione e scaldi exchangers per rimuovere il calore generato da fermentazione. Taglia di serbatoio č basata sulla concentrazione di zucchero nella mescolanza, tempo di fermentazione, la finale concentrazione di ethanol, e produzione di pianta percentuale.
La finale concentrazione di ethanol di mescolanza č una funzione diretta di mescolanza zuccheri concentration. All'interno dei limiti di feedstocks e fermento tolleranza di ethanol, le concentrazioni di ethanol piů alte sono desiderabili. La massimo mescolanza ethanol concentrazione č approssimativamente 10 peso di percento per volume. Alle concentrazioni piů alto che 10 percento, fermento č killed. Generally, feedstocks con contenuto di umiditŕ alto e zucchero o le concentrazioni di amido meno che 20 percento possono essere fermentati senza dilution. Feedstocks con amido alto o zucchero le concentrazioni richiedono la diluizione. Lo zucchero sarŕ sprecato se il la concentrazione č in eccesso dell'ammontare necessario produrre il ammontare di massimo di ethanol tollerato dal fermento.
La fermentazione richiede tipicamente da 12 a 72 ore che dipendono su l'ammontare di fermento avviava fermentazione e zucchero di mescolanza Piante di concentration. sono dotate di fermentazione multipla di solito serbatoi corsi su orari barcollati per provvedere un continuo approvvigioni di mescolanza fermentata per la distillazione.
Uno dei problemi piů significativi in produzione di ethanol, specialmente in piante su piccola scala, č contaminazione di mescolanza da Batteri di bacteria. utilizzano zuccheri che sarebbero convertiti altrimenti ad ethanol. disegno di pianta Buono e la fermentazione efficiente controllare wihout di contaminazione che ricorre a sterilizzazione costosa sistemi.
Distillazione
Sistemi di distillazione o possono essere a lotti o continui. Scegliendo un sistema o l'altro č basato su scala di pianta. Ambo i tipi richieda sistemi di riscaldamento, di solito vaporizzi (quale puň essere da basso-pressione caldaie), una colonna di distillazione, ed un condensatore. Figuri 2 mostra schematics di questi due tipi di sistemi.
Taglia di colonna di distillazione e percentuale di produzione di ethanol sono basate su la concentrazione di ethanol nella mescolanza fermentata, la fermentazione capacitŕ, ed orari di produzione. piante Su piccola scala--su a approssimativamente il produzione di ethanol annuale di 100,000 litri--efficientemente uso sistemi di distillazione a lotti. In sistemi a lotti, la mescolanza intera volume č passato, o addebitň, ad un vaso grande chiamato un ancora, quale č poi heated. ad I vapori č permesso per passare nel distillazione column. Sebbene sistemi a lotti sono efficiente che sistemi di distillazione di alimentazione continui, loro molto sono piů facili a costruisca ed operi.
In sistemi di alimentazione continui, mescolanza fermentata č pompata ad un controllato tassi nella colonna di distillazione, con calore presentato al fondo della colonna. Il Provvedimento di č fatto alla cima di la colonna per alimentare unprocessed pesta di nuovo attraverso il sistema. Colonne di alimentazione continue dovrebbero essere usate in piante di grande potenza dove l'efficienza migliorata giustifica la complessitŕ aggiunta.
Disidratazione
L'uso intenzionale dell'ethanol determina il bisogno per disidratazione sistemi per rimuovere l'acqua di percento del cinque che non puň essere separň da distillation. Se ethanol sarŕ mescolato con benzina, disidratazione č richiesta. La presenza di acqua in benzina-miscele di ethanol danno luogo a separazione di fase in deposito + combustibile che Disidratazione di tanks. non č richiesta se ethanol deve essere sostituisca gasoline. Ethanol puň essere usato direttamente in cambiň motori alle concentrazioni di tra il 80 ed il 95 percento.
Ricupero di sottoprodotto
Sottoprodotti solidi sono recuperati da stillage con solid/liquid separazione equipment. che Questa attrezzatura puň variare da semplice schermi a tale attrezzatura complessa come centrifuga o pulisce con l'aspirapolvere filtri. Proteina solubile in stillage sottile puň essere recuperata da evaporation. Se sottoprodotti saranno immagazzinati o saranno trasportati distanze significative, asciugare č necessario. Stillage con alto contenuto di umiditŕ spesso puň essere dato direttamente a bestiame ad o vicino il luogo di produzione di ethanol con separazione minima o trattando.
Trattamento di emissario
Produzione di ogni volume di ethanol del combustibile genererŕ circa nove volumi di effluent. che Una porzione dell'emissario puň essere riciclata ed usato diluire feedstocks di concentrazione alto. However, anche se l'emissario č riciclato, ancora puň causare un significativo inquinamento problem. per evitare inquinamento di acqua di superficie o acqua macinata, l'emissario deve subire la degradazione di microbiological; ovvero, la questione organica e dannosa contenne nel emissario si deve rompersi prima che l'emissario č disposto di. Questo č fatto anaerobicamente, aerobicamente, o da un seguente combinazione dei due metodi. La degradazione di Emissario di di solito č fatto in un stagno di trattamento semplice, seguito da una stabilizzazione stagni, se necessary. Alternatively, l'emissario puň essere alimentato digestivi di biogas, combinando produzione di energia con trattamento di spreco.
Utilitŕ
La produzione di Ethanol richiede acqua, combustibile di caldaia, e trasporto per feedstock, ethanol, e sottoprodotti. L'Elettricitŕ di puň essere corra pompe, motori eccitanti, controlli di processo, e strumentazione, ma ci sono molte unitŕ in tutto il mondo che produca su a 10,000 galloni per anno senza Acqua di electricity.
č richiesto per la diluizione di mescolanza e rinfrescando in exchangers di calore usň con sistemi di idrolisi di amido, fermenters, e condensatori.
Caldaie generavano vapore di processo richieda un a buon mercato, di scarsa qualitŕ alimenti come benzina naturale, biogas, biomassa, carbone, residuo lubrifichi, o bagasse (bagasse č schiacciato canna di zucchero o scarto di barbabietola da creazione di zucchero) . combustibili liquidi e Di alta qualitŕ o l'elettricitŕ sono costoso ed inefficiente per uso come combustibile di caldaia. Finally, il feedstock ha bisogno di essere trasportato alla pianta; ed i prodotti, ethanol e sottoprodotto alimentazione animale, abbia bisogno di essere trasportato al punto di uso.
I requisiti di energia di processo per ethanol alimentano produzione vari dipendendo estesamente da attrezzatura, disegno di processo, e feedstock. Il produzione di un litro di ethanol con un valore di riscaldamento di 5,625 Kcal/liter richiederebbe tipicamente 800 a 1,200 Kcal per cucinare, 1,300 a 1,500 Kcal per la distillazione, 800 a 1,000 Kcal per disidratazione, ed approssimativamente 300 Kcal per azionare motori eccitanti e pumps. L'asciugare di sottoprodotti dalla produzione di uno č probabile che litro di ethanol richieda un 600 a 700 Kcal. supplementare Il produzione di ethanol anidri e sottoprodotti essiccati da grano--rappresentando la serie alta per energia di processo-- richieda 2,800 a 3,800 Kcal/liter. La produzione di 90 percento ethanol da feedstock di zucchero senza sottoprodotto che asciuga--rappresentando la serie bassa per energia di processo--richiederebbe 1,600 a 1,800 Kcal/liter.
La disponibilitŕ ed il costo delle utilitŕ sono fattori critici ambo nella scala e le economie di alcol production. Due fattori hanno offerto al fallimento di progetti di combustibile di ethanol in countries: in sviluppo (1) piante per la produzione di ethanol combustibile sia cosě grande che le utilitŕ di appoggio erano incapaci a riunione la loro energia ha bisogno; e (2) le piante furono situate finora dal feedstock che trasporto non era economico.
Scala di pianta
Ethanol alimenta serie di piante in taglia da alcuni milli litri a piů di 100 milioni di litri di produzione annuale. Il disegno e operazione di piante su piccola scala puň essere semplificata grandemente da idrolisi di amido che combina, la fermentazione, e la distillazione a lotti in serbatoi di processo di multi-scopo. Le piante potrebbero includere uno o molti serbatoi che provvedono mescolanza fermentata per una distillazione singola column. Plants su ad approssimativamente 100,000 litri di produzione annuale puň essere disegnato questo way. Even che piante a lotti e piů grandi possono essere considerate se combustibile di caldaia a buon mercato č disponibile. Con buono tecnico assistenza, piante a lotti e su piccola scala possono essere costruite e possono essere operate con locale, risorse di comunitŕ-livello e le abilitŕ.
Efficienza conduzione e piů grande puň essere ottenuta in piante piů grandi da idrolisi di amido di separazione e la fermentazione in specialmente disegnň sistemi ed usando colonne di distillazione di alimentazione continue. Generalmente, il capitale piů grande costň e la complessitŕ conduzione di questo tipo di pianta sarŕ ritornato in efficienza conduzione. Piante di alcol di grande potenza richiedono almeno alcuni impiegati con relativamente gestione sofisticata e Pianta di skills. tecnica disegno, attrezzatura, e costruzione spesso richiedono fuori risorse la comunitŕ locale.
COST/ECONOMICS
Č difficile provvedere informazioni generali su combustibile di ethanol economie perché spese di produzione e valore di prodotto dipendono su pianti ubicazione, feedstock, scala di produzione, ed uso di fine.
La produzione di Ethanol include capitale e costs. Due conduzione, fattori importanti in spese di capitale per piante a lotti e piccole sono inamidi sistemi di idrolisi e capacitŕ di caldaia. In piante grandi, pianificando, sistemi di distillazione e controllo di processo č relativamente piů significant. Generally, capitale costa per alcol piante variano da $.50 a $1 (gli Stati Uniti) per litro di produzione annuale capacity. Based su figure da piante di Stati Uniti, capitale spese per litro di capacitŕ di produzione annuale per molto piccolo e piante molto grandi sono generalmente piů grandi di quelli per intermedio-scala piante--1 a 10 il produzione annuale di milione litri.
La spesa d'esercizio piů grande in produzione di ethanol, nonostante scali, č feedstock. Per ethanol alimenti produzione per essere proficuo, un approvvigionamento economico di feedstock č essenziale. In piccolo piante, lavoro-spese possono essere anche relativamente importanti.
Spese indirette per conversione di motore, la distribuzione e marketing, pianti le utilitŕ, e trasporto di feedstock e prodotti č anche importante nel valutare spese di produzione di ethanol.
Ethanol introduce sul mercato valore dipende da uso di fine. Il valore di mercato di ethanol come un combustibile di sostituzione sarebbero misurati generalmente relativi a benzina prices. Il valore di mercato di ethanol quando mescolň con benzina puň essere piů alto della benzina a causa del valore di ottano aumentato di miscele di ethanol/gasoline.
Valore di mercato di sottoprodotto č misurato contro il prezzo locale di feed. animale Il valore č determinato tipicamente comparare il contenuto di proteina di alimentazioni.
Fattori altri, a parte da produzione di ethanol costa ed il mercato valore di ethanol, puň essere anche significativo all'analisi economica. Dislocamento di petrolio importato con nazionalmente produsse combustibile rinnovabile puň migliorare deficit di equilibrio-di-pagamento e essere economicamente vantaggioso nonostante ethanol relativamente piů alto le Opportunitŕ di costs. per lavoro rurale, mercati alternativi per merci agricole, e l'indipendenza di energia puň provveda vantaggi economici e significativi oltre ad un diretto la contabilitŕ della redditivitŕ di pianta.
IV. COMPARING LE ALTERNATIVE
COMBUSTIBILI CHE COMPETONO CON ETHANOL
Metanolo, butanol, e dei tipi di petrolio vegetale sono tre alternative ad ethanol. metanolo e butanol, possono essere usati a sostituisca o estenda benzina o combustibile di diesel. Comunque, petroli Vegetali č limitato a sostituendo solamente combustibile di diesel fino a che ricerca ulteriore prova altrimenti.
Metanolo č l'alternativa piů importante. č un alcol liquido un atomo di carbone che contiene ([CH.sub.3]OH). Like l'ethanol, č usato sostituire o sia mescolato con benzina. Il Metanolo di č prodotto da un processo chimico che usa metano come il feedstock primario. Metanolo puň essere prodotto anche da carbone o biomassa. Su un scala mondiale, l'industria di produzione di metanolo č relativamente grande, ed usa benzina naturale per feedstock. Produzione di Metanolo di
richiede temperatura alta, pressione alta, e catalizzatori speciali.
Questo processo č molto piů complesso di produzione di ethanol e č generalmente economico in piante industriali solamente molto grandi.
Butanol č un alcol di quattro-carbone. ha due possibile chimico strutture, dipendendo dalla posizione del hydroxyl: IL BUTANOL DI N ([CH.sub.3] [CH.sub.2] [CH.sub.2][CH.sub.2]OH) e 2 butanol ([CH.sub.3] [OH.sub.1] [CH.sub.2] [CH.sub.3]) la Fermentazione di .
produce N butanol. Diversamente da ethanol o metanolo, butanol possono sostituisca per o sia mescolato con combustibile di diesel in compressione ignizione engines. del quale č prodotto da fermentazione batterica amido - o zucchero-contenendo feedstocks e purificň da distillazione. I batteri producono ethanol ed acetone oltre al prodotto principale, butanol.
La produzione di butanol ha due svantaggi: (1) la fermentazione di butanol č difficile comparato con quello di ethanol; e (2) la fermentazione di butanol produce combustibile meno-utile per unitŕ di feedstock che la fermentazione di ethanol con fermento. Butanol č stato prodotto commercialmente sotto le condizioni di tempo di guerra. Comunque, Today butanol č prodotto piů commercialmente per uso come combustibile.
RICERCA CORRENTE E SVILUPPO
Ethanol alimenta produzione č una tecnologia commerciale e ben stabilita. Ma č anche una tecnologia che ha stanza per migliorare. Ecco perché indaga e sforzi di sviluppo in combustibile di ethanol produzione č ongoing. Le aree di ricerca relativo a questo tecnologia che continua ad essere indirizzata include (1) il feedstock; (2) idrolisi di amido e disegno di processo di fermentazione; (3) ethanol ed usi di fine di sottoprodotto; e (4) l'integrazione luogo-specifica di produzione di ethanol con economie agricole e locali.
Feedstock č l'elemento di costo piů significativo di produzione di ethanol. Domande della competizione possibile per primavera agricolo sbarchi, ed impatti di produzione di ethanol su approvvigionamento di cibo e la distribuzione č cruciale al sociale ed il successo economico di questo technology. Un'area importante di ricerca č l'identificazione di amido - o zucchero-contenendo raccolti che puň essere cresciuto su terra povera e quello richieda un ammontare minimo della coltura e contributi chimici (e.g., fertilizzanti). che Tali feedstocks devono essere compatibile con le condizioni climatiche e locali, le risorse di acqua, ed il suolo type. Loro non dovrebbero disgregare il locale agricolo economy. feedstocks Alternativo sotto valutazione in parti varie del mondo includono sago toccano col palmo, bambů, dolce patate, ed alberi di locusta di miele. Once che raccolti potenziali sono identificati, ricerca sarŕ diretta verso l'aumentare prodotti, raccolti che adattano a situazioni specifiche, e la coltura in sviluppo, raccolga, e tecniche di deposito.
Feedstocks alternativi costringeranno ricerca ad adattare amido idrolisi ed attrezzatura di fermentazione e procedure al particolare caratteristiche di feedstock e la concentrazione di fermentable č probabile che ricerca di Fermentazione di sugars. includa anche la selezione di sforzi di fermento per efficienza di fermentazione migliorata. Miglioramenti di
includere la tolleranza aumentata a zucchero alto e le concentrazioni di ethanol, tolleranza a temperatura di fermentazione alta + l'adattamento a caratteristiche di feedstock particolari.
Le necessitŕ di ricerca in ethanol ed usi di fine di sottoprodotto potrebbero includere valutazione della tecnologia ed economie per usi di ethanol altro che come un combustibile a motore; valutazione di tecniche di conversione per tipi specifici di motori; e valutazione di feedstocks specifico per ricupero ed uso di sottoprodotti.
Indaghi sull'integrazione di produzione di combustibile di ethanol con agricolo economie potrebbero coprire una serie larga di temi, incluso economie di feedstock e la coltura, pianta e disegno di attrezzatura andare bene costrizioni locali e specifiche, fonti di combustibile di processo, impatti su lavoro e la distribuzione di reddito, ed effetti su nazionale bilancio dei pagamenti.
V. INTEGRAZIONE DI
L'introduzione riuscito di produzione di combustibile di ethanol ed usa in paesi in sviluppo richiedono pianificazione accurata. La tecnologia deve essere integrato con condizioni economiche e locali, disponibile risorse, ed uso di fine potenziale degli ethanol ed i suoi sottoprodotti. L'efficienza conduzione di piante di ethanol di grande potenza essere piů grande di quello di piante su piccola scala. However, questo efficienza puň essere di valore piccolo se la pianta č troppo grande per i feedstock disponibili e le utilitŕ di appoggio o se il locale economie di produzione di cibo e la distribuzione sono disgregate.
Le piante di Ethanol dovrebbero essere scalate cosě che richiesta per feedstock non disgreghi sistemi di distribuzione e mercati per agricolo commodities. Support le utilitŕ e trasporto dovrebbero essere capaci sostenere la scala di produzione di ethanol. Uno importante, ignoto costi di piante di ethanol di grande potenza č il costo di costruire o strade che promuovono, sistemi di approvvigionamento di acqua, sistemi di controllo di inquinamento e l'elettricitŕ capacitŕ generatrice. che Il metodo finanziava questi sistemi di appoggio sono una domanda economica ed importante.
Distillatori asciugarono grani (DDG) č la merce di sottoprodotto notevole essendo il risultato di produzione di ethanol. che Questo prodotto di proteina alto č un'alimentazione di bestiame eccellente, ed alimenta destini potrebbero essere localizzati vicini l'ethanol plant. Un altro uso potenziale ed estremamente importante di questo materiale proteina-ricco potrebbe essere come un supplemento di cibo umano.
Uso di fine degli ethanol e sottoprodotti deve essere su una scala che fiammiferi production. che risorse Tecniche hanno bisogno di essere disponibile per conversioni di motore se necessario. Se ethanol sarŕ mescolato con benzina, marketing e sistemi di distribuzione per ethanol e per miscele di ethanol/gasoline devono essere sviluppate in parallelo col costruzione ed operazione di piante di combustibile di ethanol.
L'integrazione corretta puň migliorare economie di produzione di ethanol e puň essere realizzato con bene-disegnato piccolo - e mezzo-scala plants. piante Su piccola scala possono approfittare di valore basso spesso + spreca feedstocks come cibo che tratta spreco o danneggiato o crops. guastato che Una varietŕ di caldaia a buon mercato alimenta come biogas, sprechi calore da industria altra o piante di potere, o biomassa essere usň se le piante sono scalate per accoppiare le risorse disponibile all'interno di distanze di trasporto economiche. La Disidratazione di puň essere eliminata se ethanol č usato in motori convertiti. Alternatively, un numero di piante di ethanol piccole puň provvedere 80 a 95 ethanol del percento ad una pianta centralizzata per disidratazione e Sottoprodotto di distribution.
trattando si puň ridurre se la pianta č scalata provveda richiesta di alimentazione di bestiame nell'area immediata della pianta.
Piante su piccola scala molto sono piů semplice a forma ed operano che plants. grande Con assistenza tecnica, piante di ethanol su piccola scala puň essere costruito e puň essere azionato usando le abilitŕ localmente disponibili e resources. Con l'eccezione di tale attrezzatura come motori, caldaie, e controlli, piante su piccola scala possono essere costruite ragionevolmente in alcuno negozio di macchina ben equipaggiato, purché quello tecnicamente il suono piani sono available. sui quali piante Su piccola scala possono essere montate anche roulotte di piatto-letto cosě loro possono essere mosssi da luogo per situare.
Inamidi idrolisi e disidratazione di ethanol sono i due passi acquisto a lungo termine che richiede di materiali fuori del locale o anche level. nazionale La produzione di enzimi di idrolisi di amido e setacci molecolari richiedono relativamente la tecnologia sofisticata. Enzimi e setacci molecolari sono approvvigionati da un numero di companies. Come un'alternativa ad acquistando questi materiali, loro puň essere fabbricato in piante centralizzate per la distribuzione a piante di ethanol su piccola scala.
VI. CHOOSING LA TECNOLOGIA ADATTA
La decisione di produrre e combustibile di ethanol di uso richiede indirizzamento questions. tecnico ed economico diretto ed indiretto Questi domande sono importanti su alcuna scala di sviluppo che varia da una decisione locale ed individuale di produrre su un a scala ridotta a nazionale-livello programmi.
Domande tecniche ed economiche dirette nella decisione per produrre ed ethanol dell'uso alimentano includa il costo e la disponibilitŕ di feedstock; ethanol ed usi di fine di sottoprodotto ed introducendo sul mercato; le leggi e regolamentazioni; scala di produzione; e selezione di disegno di pianta e scelte di attrezzatura.
Fattori la disponibilitŕ di feedstock toccante e costo includono trasporto, deposito, deterioramento potenziale, e variazioni stagionali in approvvigionamento e prezzo.
Ethanol ed usi di sottoprodotto sono colpiti da trasporto di prodotto e la distribuzione, deposito, deterioramento possibile di sottoprodotti variazioni stagionali in richiesta di mercato o uso di su-luogo, e se l'ethanol č sostituire o sia mescolato con benzina. Se ethanol sarŕ mescolato con benzina, le spese ed i sistemi per la distribuzione, miscela, e marketing hanno bisogno di essere prese in account. Se ethanol č sostituire benzina, le spese di motore conversione e limitazioni ad uso di veicolo sono due fattori importanti.
Leggi e regolamentazioni ethanol toccanti alimentano produzione varierŕ da paese a Variazioni di country. puň accadere anche fra legale e giurisdizioni politiche all'interno di paesi. Le Regolamentazioni di deve essere controllato per ogni caso individuale. che Le regolamentazioni principali sono quelli che prevengono l'uso di ethanol del combustibile per il consumo umano. Generalmente, queste regolamentazioni richiedono che ethanol sia snaturato da agenti chimici che aggiungono all'ethanol per farlo inabilitare per creatura umana consumption. piů prontamente denaturant disponibile per ethanol č benzina mescolň all'una percento per volume. che regolamentazioni Altre possono governi scarichi di liquido ed emissari gassosi e professionale la sicurezza e Leggi di health. che dettano conformance a costruendo codici (e.g., elettrico, piombando, e la sicurezza di fuoco programma) anche applichi.
Decisioni riguardo a scala di pianta, attrezzatura, e disegno di processo dipenda primariamente da feedstock, la disponibilitŕ di mercati per ethanol ed i suoi sottoprodotti, e la disponibilitŕ di pianta Economie di financing. di scala in ethanol alimentano produzione č molto importante che bene-progettň integrazione di produzione di combustibile di ethanol con economie agricole, trasporto locale, locale utilitŕ, ed usi di fine.
Domande sociali ed economiche indirette sono anche molto importanti in la decisione di produrre e combustibile di ethanol di uso. decisioni Economiche riguardo a produzione di ethanol piů puň contare sull'abilitŕ di incontrare tali obiettivi come aumentando lavoro rurale, realizzando energia indipendenza, e provvedendo mercati alternativi per raccolti che su valutazione diretta di spese di produzione e mercato values. Technical decisioni riguardo a scala di pianta, disegno di processo, ed attrezzatura puň essere influenzato dall'abilitŕ di soddisfare tali obiettivi come l'uso di lavoro locale ed attrezzatura localmente fabbricata, il la creazione di mercati alternativi per raccolti agricoli come feedstocks, e l'uso locale di energia di processo.
La comparsa di ethanol come un'alternativa vitale a benzina ha condotto a due controversie di maggiore che possono colpire decisioni riguardando ethanol alimentano produzione.
La prima controversia concerne la domanda di ponga le reti in prodotto di energia; ovvero, se il contenuto di energia dell'ethanol č piů grande che l'energia consumata in produzione. Con tecnologia efficiente, il contenuto di energia di ethanol eccede l'in-pianta diretta tratti contributi di energia entro approssimativamente 2 a 1. However, un'analisi recente quale prese in considerazione l'energia coltivava feedstocks e trasportare feedstock e prodotti, calcolň quello produzione di ethanol consuma piů energia che č produced. Il risposta tecnica a questa analisi č che ethanol non č un primario fonte di energia; piuttosto, č una conversione di energia e deposito system. In produzione di ethanol, primario di scarsa qualitŕ, diffuso fonti di energia sono promosse ad un combustibile di alta qualitŕ, liquido. Energia solare nella forma di carboidrato di pianta e di scarsa qualitŕ combustibili di caldaia sono convertiti ad un combustibile appropriato per uso in trasporto. In termini semplici, la risposta č quell'automobili non correre su cassava. Quando ethanol č visto come un'energia sistema di conversione, la domanda di energia netta č estesamente irrilevante. Ciononostante, la domanda č utile perché indica il abbia bisogno di selezionare quelli feedstocks che richiedono relativamente poco la coltura e contributi bassi di fertilizzante e chemicals, ed il abbia bisogno di usare combustibili di caldaia di scarsa qualitŕ.
La seconda controversia circonda il problema di cibo contro combustibile; ovvero, se l'uso di raccolti agricoli per combustibile di ethanol produzione colpirŕ avversamente l'ammontare di terra disponibile per produzione di cibo ed approvvigionamento di cibo, cosě come cibo toccante prices. Questa č una domanda complessa a che c'č nessuno assoluto answers. Sulla mano del una, una diversione di grande potenza di raccolti di cibo a produzione di ethanol potrebbe ridurre cibo approvvigiona ed aumento cibo prices. d'altra parte un progettň attentamente e bene-integrň ethanol alimentano industria non risulta necessariamente in la competizione diretta per terra agricola e cibo la Basso-valore di supplies.
raccolti cresciuti su terra marginale sono feedstocks dell'alcol spesso buoni con cibo povero la Coltura di value. di raccolti di basso-valore puň offra all'economia attraverso conversione ad un'alto-valore product. Increased lavoro rurale puň aumentare persone č economico accesso a cibo di alta qualitŕ. Ethanol sarebbe prodotto anche da merci agricole che sarebbero esportate altrimenti. Canna di zucchero, per esempio puň valere piů come un feedstock per produzione di combustibile nazionale per spostare petrolio importato che come un'esportazione crop. Il problema di cibo contro combustibile enfatizza il abbia bisogno per pianificazione accurata ma non voglia dire che combustibile di ethanol produzione č una tecnologia impropria.
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Indagini di referenza su temi specifici relativo a combustibile di ethanol produzione puň essere riferitsi attraverso VITA al personale di Rinnovabile Tecnologie, Inc. che preparň questo rapporto o a VITA altro volontarii con expertise in combustibile di ethanol.