کاربرد همزن در تولید اتانول
چکیده
اتانول یا به طور کلی الکل سفید با استفاده از فرآیند تخمیر تولید میشود. تخمیر یا Fermentation فرآیندی است که در آن باکتری ها برای رشد و تکثیر سلولی خود قند موجود در کربوهیدراتها را سوزانده و در نتیجه محصولات جانبی نظیر اتانول و گاز CO2 تولید میکنند. اتانول با خلوص پایین به طور طبیعی طی چندین هفته، از تخمیر هر ماده حاوی قند (ساکاروز، فروکتوز و گلوکز) به کمک باکتریهای بیهوازی به دست میآید. این روند در صنعت، در اثر مخلوط کردن آنزیمهای گوناگون با مواد قندی به وسیلهی میکسرها، تسریع میشود؛ که در نتیجه، الکل با خلوص بالای 95% در زمانی بسیار کوتاه (حدوداً 48 ساعت) تولید میشود. در جستار پیش رو به بررسی مراحل تخمیر اتانول و کاربرد همزنها در این مراحل میپردازیم.
شکل 1: آبجو به همراه اتانول
مقدمه
اتانول یا اتیل الکل یک ترکیب آلی بسیار پرکاربرد در صنعت ، پزشکی و حتی خوراکی است.الکل موجود در شراب، وودکا، ویسکی و … از این نوع الکل است.
این ترکیب از طریق فرآیند تخمیر قند به دست میآید. تخمیر اتانول یک فرآیند بیولوژیکی است که در آن میکروارگانیسمها، کربوهیدراتهایی نظیر قند و نشاسته را به اتانول تبدیل میکنند. در کنار آن دی اکسید کربن نیز به عنوان محصول جانبی تولید میشود. پرکاربردترین میکروارگانیسم در فرایند تخمیر، باکتریهای بیهوازی هستند که در غیاب اکسیژن، تخمیر را انجام میدهند. امروزه کاربرد اتانول به عنوان یک سوخت پاک (Biofuel) برای وسایل نقلیه روز به روز در حال گسترش است. افزودن اتانول به بنزین با کاهش میزان گازهای گلخانهای در اگزوز خودروها، آلودگی هوا را کاهش می دهد.
روند تخمیر اتانول
- به طور کلی 5 گام اصلی در تخمیر اتانول طی میشود که عبارتاند از :
- آسیاب کردن: به طور کلی هر ماده حاوی قند ( مانند انگور، کشمش، توت و…) میتواند برای تولید اتانول استفاده شود، اما مادهی اصلی برای تخمیر در صنعت عمدتاً نشاسته است. نشاسته کربوهیدراتی است که از زنجیرههای بلند مولکولهای قند تشکیل شده است. در شروع کار دانههای کامل ذرت که سرشار از این کربوهیدرات هستند، آسیاب میشوند.
- روانسازی یا Liquefaction: آب به پوره ذرت اضافه میشود تا «دوغاب» درست شود. دوغاب حرارت داده میشود تا مولکولهای بلند نشاسته به قطعات کوچکتر تقسیم شوند. آنزیمی خاص برای تسریع تجزیه مولکولهای نشاسته نیز اضافه میشود.
- قندکافت یا Saccharification: با حرارت دهی به تکه های مولکول نشاسته و به کمک آنزیمها و اسیدهای مخصوص، نشاسته به قند ساده (گلوکز) تجزیه میشوند.
- تخمیر: میکروارگانیسمهای تک سلولی به نام مخمر به دوغاب اضافه میشوند. این میکروارگانیسم ها با جذب قند آن را به اتانول و گاز دی اکسیدکربن تبدیل می کند.
- تقطیر و آبگیری(Distillation and Dehydration): محصول فرآیند تخمیر، تنها حاوی 10 تا 15 درصد اتانول است. در واقع با افزایش غلظت اتانول، میکروارگانیسم ها به تدریج غیر فعال میشوند.
برای تبدیل شدن به اتانول خالص (100%) باید غلیظ شود. اتانول نقطه جوش کمتری نسبت به آب دارد. به طور انتخابی در فرآیندی به نام تقطیر، اتانول تبخیر شده و میعان (تبدیل گاز به مایع) می شود. این فرآیند اتانولی تولید میکند که 95 درصد خالص است. 5 درصد باقیمانده مخلوط را آب تشکیل میدهد. این مخلوط صاف شده و آبگیری میشود تا اتانول خالص تولید شود.
شکل 2: هم زدن و معلق سازی ترکیبات برای تخمیر و تولید اتانول
کاربرد همزن در مراحل تخمیر اتانول
میکسرهای صنعتی نقش مهم و کلیدی در فرآیند تولید اتانول دارند. از این تجهیزات برای اختلاط مؤثر مواد اولیه، بهبود فرآیند واکنشها و افزایش بازده تولید استفاده میشود. در زیر کاربردهای اصلی میکسرهای صنعتی در تولید اتانول را بررسی میکنیم:
- قبل از مرحلهی روانسازی و تشکیل دوغاب، مواد اولیهی حاوی نشاسته جهت رقیقسازی و تنظیم PH با محلولهای بافری مخلوط میشوند. این اختلاط در مخزنی به نام Buffer Dilution Tank با میکسر صورت میپذیرد.
- سپس در مرحله روانسازی یا Liquefaction ، طی سه مرحلهی مجزا، مواد قندی با آب و آنزیمهای خاص مخلوط میشوند و دوغاب حاصل از این سه مرحله اختلاط، با غلظت و PH مناسب، آمادهی ورود به مراحل بعدی میگردد.
- در مرحلهی قندکافت یا Saccharification، دوغاب به تانکهایی برای تبدیل قند نشاسته به قند سادۀ کلوگز فرستاده میشود که این امر با حرارت دادن و هم زدن دوغاب با آنزیمهای خاص صورت میپذیرد. وجود همزن جهت تسریع فرآیند انتقال حرارت و ایجاد محلولی همگن از منظر غلظت و دما بسیار مهم است.
- در مرحله تخمیر، به کمک میکسر، دوغاب حاوی گلوکز با باکتریهای بیهوازی در چندین تانک مجزا مخلوط شده و فرآیند اصلی تخمیر آغاز میشود. همزن صنعتی با همگن نگه داشتن توزیع باکتریها در داخل مخزن انجام سریع واکنش را تضمین میکند.
- پیش از جداسازی اتانول خالص، دوغاب حاوی اتانول، ذرات جامد باقیمانده از نشاسته و آب همگی در مخزنی جدا برای کشتن میکروارگانیسم ها با مواد شیمیایی مخصوص توسط میکسر مخلوط میشوند.
- در نهایت در مخزنی به نام Syrup Tank ، به کمک میکسر کلیهی ذرات جامد به صورت سیروپ از دوغاب جدا شده و محلول مایع حاصل برای تقطیر و جداسازی اتانول خالص آماده میشود.
به این ترتیب میکسرهای صنعتی سبب میشوند فرآیند 30 تا 40 روزهی تخمیر و تولید اتانول، طی 1 الی 2 روز در صنعت انجام گیرد و اتانول با خلوص بالای 95% به دست آید.
کاربرد اتانول به عنوان سوخت پاک
اتانول معمولاً از منابع زیست تجزیهپذیر مانند ذرت، نیشکر و سایر مواد زیستتوده تولید میشود، که آن را به یک منبع انرژی تجدیدپذیر تبدیل میکند. در صنعت حملونقل، اتانول به عنوان افزودنی سوخت (مانند E10 یا E85) برای کاهش انتشار کربن و گازهای گلخانهای و افزایش عدد اکتان به کار میرود. این سوخت جایگزین، با فراهم کردن انرژی کارآمد و کاهش وابستگی به نفت، گامی موثر در جهت استفاده از انرژی پایدار محسوب میشود.
سایر گونه های خانواده الکل
- متانول یا الکل صنعتی
متانول عضو دیگری از خانواده الکل ها است که کاربرد صنعتی و عمدتا در زمینه تولید بسیاری از پلیمر ها دارد. این الکل در مقیاس صنعتی از گاز متان تولید میگردد ولی در مقادیر بسیار کم از تخمیر چوب نیز قابل استحصال است. این الکل بسیار سمی بوده و مقادیر بسیار پایین آن هم برای سلامتی انسان بسیار مضر است.
- ایزوپروپیل الکل
ایزوپروپیل الکل، که با نامهای رایج ایزوپروپانول یا پروپانول نیز شناخته میشود، یک ترکیب آلی بیرنگ، قابل اشتعال و با بوی تند الکلی است که به عنوان سادهترین الکل ثانویه شناخته میشود. از واکنش پروپیلن با اسید سولفوریک و سپس با هیدرولیز محصول این واکنش، ایزوپوپیل الکل تولید میشود که به شدت سمی و برای سلامتی مضر است. ویژگی این ماده حلالیت بالا و قابلیت حل کردن مواد مختلف است. در صنعت، ایزوپروپیل الکل به عنوان حلال برای رزینها، روغنها و مواد شیمیایی دیگر و در تولید محصولات ضدعفونیکننده و شویندهها استفاده میشود. این ماده همچنین در پزشکی برای ضدعفونی سطوح و دست و در آزمایشگاهها به عنوان حلال و عامل تمیزکننده به کار میرود.
جمع بندی
تولید اتانول از طریق فرآیند تخمیر، یکی از فرآیندهای زیستی مهم با کاربردهای گسترده در صنعت و پزشکی است. این فرآیند شامل مراحلی مانند آسیاب کردن، روانسازی، قندکافت، تخمیر و تقطیر است. میکسرهای صنعتی نقش کلیدی در بهینهسازی هر یک از این مراحل ایفا میکنند. وظیفه اصلی آنها اختلاط مؤثر مواد اولیه، تنظیم شرایط واکنش، تسریع فرآیندها و افزایش بازده تولید است. با استفاده از این تجهیزات، فرآیند تولید که به طور طبیعی هفتهها یا حتی ماهها طول میکشد، به چند روز کاهش مییابد و محصول نهایی با خلوص بالاتر به دست میآید. با توجه به وجود میکروارگانیسم های بی هوازی در این فرآیند و لزوم عدم ورود اکسیژن به داخل تانک تخمیر، همزن ها باید مجهز به آب بندهایی مانند مکانیکالسیل و یا گلند و پکینگ باشند.
