提高发酵玉米和乙醇通过近红外光谱(NIRS)

在过去的几年中,生物燃料的生产从可再生原料成倍地增加。因为它可以从(可再生)原材料生产富含淀粉和糖,生物乙醇是一种最有趣的化石燃料的替代品。亚博网站下载

图片来源:中东FZC瑞士万通

玉米淀粉发酵生成乙醇燃料是一个复杂的生化过程,需要大量的监测参数,以确保最佳的生产。

测量这些参数使用传统实验室方法是提高工厂生产能力和效率的限制步骤,大约需要一个小时才能完成。近红外光谱(NIRS)可以代替常规实验室分析,提高工厂的效率和能力,降低运营成本。

生产高质量的乙醇作为燃料添加剂

在全球燃料市场,乙醇是越来越重要的组件作为国家减少温室气体排放量相对于化石燃料和国内燃料供应安全。巴西和美国领导全球生物乙醇生产和供应的83%。

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2020年,约有260亿加仑(1000亿公升)的乙醇生产。¹由于全球大流行破碎对汽油和乙醇的需求,这是略低于2019年的峰值。

随着美国增加E15的采用混合(15%乙醇汽油),玉米转化为乙醇的需求仍可能增加。²与中国等国家实施机动车E10燃料标准,乙醇出口也可能增加的需求。

提高工厂生产能力的一个关键方法满足产品需求增加,同时保持价格竞争力。然而,越来越多的生产站点或提高其效率,监测的标准实验室分析工作流的不同部分发酵过程可以是一个限制因素。

原料质量的季节性甚至地区差别是另一个考虑,需要乙醇生产商密切监控发酵过程,确保相同质量的产品。

国家可再生能源实验室的一份报告估计,将近40%的玉米燃料乙醇的生产成本来自供应,劳动,运营成本开销和变量。³

这些成本的优化,包括发酵和蒸馏塔的定期维护,日常质量检查的发酵肉汤和筛选过程及时,导致更高的乙醇生产设施的盈利能力。

实验室的限制必须克服生物乙醇生产和盈利能力最大化。近红外(NIR)光谱是一种证明快速、经济、操作简便的方法来克服常见的实验室的局限性。

一些背景信息的生产生物乙醇是下面之前如何优化流程。

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乙醇过程:湿和干磨

创建时乙醇从起始原料如玉米淀粉和糖,有两种主要生产工艺:湿铣削过程和干磨过程,如图1所示。亚博网站下载

图1。干磨机乙醇的示意图表示的过程。图片来源:中东FZC瑞士万通

在美国几乎所有的燃料乙醇生产(世界上最大的生物乙醇制造商)是由利用干磨机过程。²首先,谷物磨成更小、更均匀的粒子在干铣削过程中,这使得更容易渗透的外壳或shell。yabo214

酶和水被添加到创建一个泥浆称为麦芽浆。土豆泥是加热到特定的温度促进淀粉的转化糖,然后冷却之前添加酵母。

酵母的工作从转换后的糖通过创建乙醇发酵的过程。然而,乙醇的比例仍然很低,和获得所需的浓度和纯度燃料添加剂,解决方案必须是蒸馏和脱水。

湿磨不同于这个过程之前先泡谷物研磨和分离各种组件。与干磨一样,然后,将淀粉转化成糖用于发酵过程。

实验室分析不足

实验室提供许多功能,但监测的进展在每个发酵罐发酵是一个关键的功能。通常,这需要许多不同的技术,作为一个参数的数量必须检查以确保发酵正轨。

紧密监测和控制不同的糖(如葡萄糖、麦芽糖、DP3等)。在整个发酵过程中需要了解淀粉的分解途径(葡萄糖生成)出现在土豆泥和优化乙醇生产。

理解这个途径允许适当的剂量的酶和酵母的麦芽浆浆坦克加速分解,如图1所示。所以,优化酵母和酶混合对这个过程是至关重要的。

这些都是消耗品成本最高乙醇生产和显著影响生产的速度和最终产量的乙醇。表1显示了一些最常见的分析工具和他们的用例。

表1。在发酵过程中典型的仪器和测量参数的玉米乙醇。来源:中东FZC瑞士万通

参数	测量技术	分析时间(分钟)及样品准备。
溶解固体(°Bx)	折射计	3 - 5
pH值	酸度计	3 - 5
固体(非易失性)	红外平衡	15 - 20
乙醇	高效液相色谱法	30 - 45
糖概要(DP2、DP3 DP4 +葡萄糖、总糖)	高效液相色谱法	30 - 45
甘油	高效液相色谱法	30 - 45
乳酸	离子色谱法	30 - 45
醋酸	离子色谱法	30 - 45
水含量	费歇尔滴定法	5 - 10

它可以很容易地花一个小时和6个不同的设备如果所有的属性表1中测量。app亚博体育常规发酵的时间分析增加保理在调节步骤和参考扫描,以确保适当的校准。

这可以接管55个小时为一个玉米发酵,一个小时进行分析和六个小时之间测量。然而,增加并发发酵4或6的数量意味着测量从不同的坦克将开始重叠。

生物乙醇生产商,重叠的仪器需求结合长时间分析导致各种不同的挑战。首先,如果预定的采样时间重叠,那么样品必须年龄在等待分析或抽样必须被推迟。

其次,分析时间长意味着数据不再是当前的,但当它已经传达到工厂控制中心,它是最小一个小时或以上,降低其处理偏差的能力。为制造商,这些情况是理想,因为时间就是金钱。

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罕见的测量和实验室分析长时间减少的能力进行干预或调整其他重要参数(例如,过程温度或酶添加率)。此外,这么长的等待时间可以阻碍决定终止发酵初期和重新开始如果判定为批处理超出复苏。

速度测量等于更高的利润

克服测量时间的挑战最明显的方法是添加自动化和/或增加的数量在实验室的工具。然而,这种方法有成本;样品制备的两倍增加营业费用,仍未能提供高速反馈工厂运营团队。

使用近红外光谱(NIRS)是一个更好的方法来克服测量时间延迟。它可以执行所有的传统实验室测量设备的一部分,同时在五分钟。app亚博体育

无数次发酵期间平均乙醇浓度的高效液相色谱法测量从一个如图2所示。在第一个12小时,数据展示了明显的不连续性,峰值在溶解固体和葡萄糖。

图2。关键参数测量玉米发酵乙醇据表1中列出的主要分析方法。图片来源:中东FZC瑞士万通

同样清楚的是,在48小时内的总固体量测量是错误的。然而,这一峰值被忽略而不是测试实验室花这么多时间来收集数据。技术替代传统的测量显示在图3是一个发酵以接近实时的监控。

这种高速分析是有可能的,因为样品制备是NIRS微不足道。相比,高效液相色谱法等分析技术的结合,将每个样本,大约一个小时的操作时间近红外线相同的参数,并给出了质量检测结果在一分钟左右。

能够收集很多近红外光谱在发酵过程的早期阶段提供了一个更高的保真度,允许更多的及时干预乙醇产量最大化。

批次的数量和收入增长,显示在表2中,更高的速度NIRS分析可以用来增加总吞吐量。与传统的分析、发酵是允许运行了62 - 65小时,根据最后的实验室结果(图2)。

图3。玉米发酵酒精的近红外光谱。图片来源:中东FZC瑞士万通

这在大约56小时发酵完成NIRS分析,如图3所示。在过去的一年,降低发酵时间6小时扩大潜在由13个批次的数量,代表一个潜在的工厂生产能力增长10%。

表2。比较明显的发酵时间主要基于实验室分析和技术分析。来源:中东FZC瑞士万通

	传统的实验室分析	NIRS分析
总测量时间	12个小时	5个小时
数量的测量	12	62年
发酵终点	~ 62小时	56个小时
批处理能力	37850升	37850升
每年批次	129年	142年

近红外光谱解乙醇生产商

简化分析和优化生产,瑞士万通乙醇生产商提供了大量的技术解决方案。的DS2500固体分析仪见图4中是理想的众多的快速实验室分析发酵过程中的关键质量参数。

此外,瑞士万通也使得检测仪器直接测量在这个过程中,绕过要求删除样本并把它们运送到实验室。测量收集使用这种方法是最具代表性的实际工艺条件,所以运营商提供高质量的数据。

控制室之间的数据通信和处理分析器允许直接概述当前的条件没有延迟和提供集成的可能性警告当读数的规范或通知运营商在发酵过程被认为是完整的。

图4。在瑞士万通DS2500固体分析仪。图片来源:中东FZC瑞士万通

总结

进程内发酵样品,近红外分析降低测量时间约90%,从一个小时到5分钟。快速测量使发酵过程是更加密切,节省操作时间,降低成本和优化工艺条件和工厂操作。

能力增强的10%是可行的能够停止发酵基础上的快速测定不同参数在发酵罐NIRS慢而不是传统的实验室技术。

近红外光谱方法可以提供优势在乙醇工厂除了发酵监控测量其他工厂组件的性能如离心机或烘干机,使之成为一个有价值的工具来提高整个设备操作。

引用

1. 一年一度的美国和世界乙醇生产燃料乙醇生产。可再生燃料协会:华盛顿特区,2021年。https://ethanolrfa.org/statistics/annual-ethanol-production/
2. 必不可少的能源:2021乙醇工业前景。可再生燃料协会:华盛顿特区,2021年。https://ethanolrfa.org/wp-content/uploads/2021/02/RFA_Outlook_2021_fin_low.pdf
3. 确定生产乙醇的成本从玉米淀粉和木质纤维素的原料。国家可再生能源实验室(NREL):金色,科罗拉多州,美国,2000。https://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28893.pdf

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