Quy trình 5 bước sản xuất ethanol từ ngô tại nhà máy chi tiết nhất

Ethanol được biết đến như một loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên. Các nhà máy sản xuất ethanol được coi là nhà máy chế biến sinh học đó là bởi vì chúng chuyển đổi các hạt ngũ cốc thành nhiên liệu sinh học bằng cách sử dụng các enzym và vi sinh vật sống.

Vậy bạn đã bao giờ thắc mắc quy trình sản xuất cồn thực phẩm ethanol tại các nhà máy này diễn ra như thế nào chưa? Hãy cùng QuangTrungChem tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé.!

Quy trình sản xuất cồn thực phẩm ethanol từ ngô

Quy trình sản xuất ethanol từ ngô là một quá trình gồm nhiều bước. Ngô sau khi được thu hoạch từ các cánh đồng được nghiền nhỏ bằng 2 cách phổ biến nhất là xay khô hoặc xay ướt. 

Sản xuất ethanol từ cây ngô theo phương pháp xay ướt

Trong quy trình sản xuất cồn thực phẩm ethanol từ cây ngô bằng phương pháp xay ướt. Hạt ngô tươi được phân hủy thành tinh bột, chất xơ, mầm ngô và protein bằng cách đun nóng trong dung dịch axit lưu huỳnh trong 2 ngày.

Tinh bột được tách ra và có thể sản xuất ethanol.

Việc áp dụng quy trình sản xuất ethanol từ cây ngô bằng phương pháp xay xát ướt cũng tạo ra các sản phẩm bổ sung bao gồm thức ăn chăn nuôi, dầu ngô, bột gluten và thức ăn chăn nuôi có gluten.

Quy trình sản xuất cồn thực phẩm ethanol theo phương pháp xay khô

Quy trình sản xuất cồn thực phẩm ethanol theo phương pháp xay khô là một quá trình đơn giản hơn xay ướt, nhưng nó cũng tạo ra ít sản phẩm hơn. Các sản phẩm chính của quá trình xay xát khô là ethanol, CO2 và hạt chưng cất khô với các chất hòa tan (DDGS). 

Phương pháp xay khô hiện nay được sử dụng chủ yếu tại các nhà máy bởi chúng đơn giản và dễ thực hiện. Trái ngược với phương pháp xay ướt sản phẩm thu được ethanol là sản phẩm phụ thì phương pháp này ethanol thu được nhiều hơn. Thêm nữa, phương pháp này giúp tiết kiệm được toàn bộ nhân lực, thời gian cũng như sản phẩm thu được là ethanol chủ yếu.

Chúng ta cùng tìm hiểu 5 bước trong quy trình sản xuất ethanol bằng phương pháp xay khô nhé.

1. Nghiền ngô thành dạng bột “cám ngô”

Đối với ngô nghiền khô, máy nghiền búa hoặc máy nghiền con lăn được sử dụng để nghiền. 

Việc xay nhỏ ngô sẽ giúp phá vỡ lớp bao bọc dai bên ngoài của hạt ngô. Điều này là cần thiết bởi sẽ làm tăng diện tích bề mặt của tinh bột. Một khi ngô xay nhỏ thành bột, nó được trộn / trộn với nước nóng để tạo thành một dạng bột hoặc sệt.

2. Quá trình hồ hóa tinh bột trong sản xuất cồn ethanol 

Sau khi tạo thành dạng bột sệt, nó sẽ được nấu chín và hóa lỏng. Giai đoạn nấu còn được gọi là hồ hóa. 

Nước tác dụng tốt nhất với các hạt tinh bột trong ngô khi nhiệt độ >60°C. Và tạo thành dạng lỏng (hỗn hợp tốt nhất được xác định có độ lỏng tươn đối hơi giống nhớt). 

Bước hóa lỏng tinh bột này thực chất là thủy phân một phần để làm giảm độ nhớt. Về cơ bản, nó là quá trình phá vỡ các chuỗi tinh bột dài hơn thành các chuỗi nhỏ hơn. 

Nhắc lại rằng quá trình thủy phân tinh bột là nơi nước phản ứng với đường tinh bột để phá vỡ đường và tạo thành glucose. 

Nước vỡ thành các ion H + và OH- phản ứng với tinh bột khiến tinh bột bị phân hủy.

3. Quá trình hóa lỏng hỗn hợp bột sệt

Để thực hiện được quá trình hóa lỏng trong sản xuất ethanol tại các nhà máy, phản ứng phải diễn ra trong những điều kiện nhất định. 

• Độ pH của hỗn hợp nghiền được duy trì trong khoảng 5.9 – 6.2
• Amoniac (NH3) và axit sunfuric (H2SO4) được thêm vào hỗn hợp để duy trì độ pH. 
• Khoảng một phần ba số lượng enzym: α-amylase, có thể được thêm vào hỗn hợp “cám ngô” trước khi nấu bằng nồi áp suất (2-7 phút ở 105-120 ° C) để cải thiện độ chảy của “cám”.

Quá trình nấu bằng nồi áp suất cũng đóng vai trò như một bước khử trùng để tránh nhiễm vi khuẩn trong quá trình lên men sau này. 

Ở giai đoạn này, các dextrin ngắn hơn được tạo ra nhưng chưa phải là glucose.

Có ba cách để hóa lỏng hỗn hợp “cám ngô”. 

Cách 1:

• Thêm α-amylase; ủ ở 85-95ºC

Cách 2: 

• Nồi phản lực 105-120ºC trong 2-7 phút
• Dùng tank flash (loại thùng chứa sử dụng sự tăng nhanh nhiệt độ hoặc sự giảm nhanh áp suất để tách chất lỏng khỏi khí)  ở 90ºC; thêm α-amylase trong 3 giờ

Cách 3:

• Thêm α-amylase
• Nấu bằng nồi áp suất ở 150ºC
• Dùng tank flash 90ºC; thêm nhiều α-amylase

Enzym Α-amylase thêm vào dùng tác dụng đối với các liên kết bên trong α-glycosidic để tạo ra dextrin và maltose (chất dime hóa glucose). 

• Một loại α-amylase tồn tại trong nước bọt của người; một α-amylase khác được tuyến tụy sử dụng. 
• Α-amylase hoạt động nhanh hơn một chút so với β-amylase, và β-amylase tác dụng đối với liên kết α-glycosidic. Mục đích để maltose thứ 2 được hình thành. 
• β-amylase là một phần của quá trình làm trái cây chín. Làm tăng vị ngọt của trái cây khi nó chín.

4. Quá trình đường hóa (hồ hóa)

Bước tiếp theo trong quá trình sản xuất ethanol là đường hóa. 

• Quá trình đường hóa là quá trình đường tinh bột tiếp tục thủy phân thành các monome glucozơ. Một loại enzyme khác được sử dụng. Được gọi là gluco amylase (còn được gọi với cái tên dài hơn là amyloglucosidase). Nó phân cắt cả liên kết α-glycosidic và glycosidic bond từ dextrin để tạo thành glucose. Điều kiện tối ưu cần cho quá trình là độ pH ở 4-5 và nhiệt độ 55-65 ° C.
• Có rất nhiều loại enzym amylase có sẵn có nguồn gốc từ vi khuẩn và nấm. Một số enzym được phát triển mới hơn (enzym thủy phân tinh bột dạng hạt – GSHE) cho phép bỏ qua giai đoạn hóa lỏng bằng cách thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp với nấu chín. 

Các ưu điểm bao gồm: 

1. Giảm nhiệt / năng lượng, 
2. Giảm vận hành đơn vị (giảm vốn và chi phí vận hành), 
3. Giảm phát thải
4. DDGS cao hơn

Nhưng cũng tồn tại một số những nhược điểm bao gồm:

1. Chi phí enzyme cao hơn và 
2. Rủi ro nhiễm bẩn.

5. Lên Men

Bước cuối cùng để sản xuất ethanol từ cây ngô là lên men. Phản ứng hóa học của quá trình lên men là 1 mol glucozơ tạo ra 2 mol ethanol và 2 mol khí cacbonic (CO2).

Phản ứng được biểu diễn trong phương trình 2 dưới đây:

C6H12O6 → 2C2H6OH + 2CO2

• Để làm cho quá trình lên men diễn ra, nấm men được thêm vào. Một loại nấm men phổ biến được sử dụng là saccharomyces cerevisiae, là một loại nấm đơn bào. Phản ứng diễn ra ở 30-32 ° C trong 2-3 ngày.
• Nitơ bổ sung được thêm vào dưới dạng amoni sunfat ((NH4) 2SO4) hoặc urê. Một chất xúc tác thủy phân có thể được sử dụng để chuyển đổi protein thành các axit amin để thêm vào như một chất dinh dưỡng bổ sung cho nấm men.
• 2 loại kháng sinh Virginiamycin và penicillin thường được sử dụng để ngăn ngừa vi khuẩn có hại phát triển. Carbon dioxide được tạo ra cũng làm giảm độ pH, có thể làm giảm nguy cơ vi khuẩn phát triển. 

90-95% glucose sẽ được chuyển thành etanol ở quá trình này.

Có thể thực hiện quá trình đường hóa và lên men trong cùng một bước. Đồng thời, cả glucoamylase và nấm men đều có thể được thêm vào cùng nhau. Tuy nhiên, nó phải được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với quá trình đường hóa (32-35°C) để làm chậm quá trình thủy phân thành glucose. 

6. Chưng cất và tăng nồng độ ethanol

Giai đoạn cuối của quá trình sản xuất ethanol là tách và tăng nồng độ cồn ethanol. Nồng độ ethanol trong dung dịch lúc này chỉ đạt khoảng 12-15% etanol (có nghĩa là bạn có 85-88% nước trong dung dịch của mình). 

Chưng cất là một quá trình để tách các thành phần bằng cách sử dụng nhiệt và tháp được thiết kế đặc biệt để giữ cho chất lỏng chảy xuống và hơi được tạo ra để chảy lên trên.

• Nước sôi ở 100°C, trong khi ethanol sôi ở 78°C. Tuy nhiên, do nước và ethanol bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chúng và vì cả hai đều có nhóm chức OH hút vào nhau, nên etanol và phân tử nước liên kết mạnh với nhau và tạo thành một azeotrope với nhau.
• Điều này có nghĩa là bạn không thể tách hoàn toàn ethanol khỏi nước. Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất là ethanol 95 – 96% tức sẽ chứa khoảng 5% nước.
• Bạn có thể phải sử dụng một số phương pháp bổ sung để loại bỏ hết nước. Chất được sử dụng được gọi chất hấp thụ molecular sieves, và chất được sử dụng trong đó được gọi là zeolit một loại khoáng chất silicat của nhôm.
• Zeolit ​​hấp thụ nước vào nó, nhưng ethanol sẽ không đi vào zeolit. hay nói cách khác với kích thước lỗ được xác định rõ. Các zeolit ​​thu hút cả nước và etanol, nhưng kích thước lỗ quá nhỏ để cho phép etanol đi vào.
• kích thước lỗ của màng zeolit ​​là 0,30 nm, trong khi kích thước của phân tử nước là 0,28 nm và của etanol là 0,44 nm. 

Trên thực tế, với mỗi 22kg ngô bạn sẽ tạo ra 10,5 lít cồn ethanol, ~ 17 lbs CO2 và ~ 17 lbs DDGS. 

Tính kinh tế của quá trình này đã được chia sẻ ở bài viết: Nhiên liệu sinh học có đủ khả năng thay thế xăng E95?

Nguồn tham khảo thêm:

How Corn is Processed to Make Ethanol by www.e-education.psu.edu