Оборудование для производства биоэтанола: Alfa Laval — Производство биоэтанола

Хранение может быть проблемой для некоторых культур. Некоторые продукты следует обработать в течение нескольких месяцев после сбора урожая, а если это не так, их необходимо высушить в достаточной степени для хранения. Сушка и хранение требуют дополнительных затрат, и их лучше избегать. Вы, конечно, должны будете предусмотреть условия для содержания вашего сырья на ежедневной основе, чтобы поддерживать бесперебойную работу, особенно если вы планируете использовать перегонный куб в партиях, а не на постоянной основе.

Купить или построить?

Для мелких производителей топлива многие конструкции все еще настолько просты, что гораздо проще и дешевле построить оборудование, а не покупать его. Особенно это касается операций небольшой мощности. В этом масштабе не нужны дорогостоящие компоненты из нержавеющей стали — для колонн и водопроводов подойдет обычная труба из мягкой стали, а в некоторых случаях можно использовать пластиковые трубы. Точно так же резервуары и чаны не должны быть чем-то особенным, но для этих элементов часто дешевле просто купить бывшее в употреблении оборудование на фермерском аукционе (молочные резервуары из нержавеющей стали и резервуары для переработки являются обычными предметами аукциона).

Если у вас есть сварочные навыки и место для работы, вы намного впереди всех. Что касается используемых компонентов, нет реальной причины использовать новые материалы. Любой склад металлолома или металлолома, скорее всего, произведет именно те детали, которые вам понадобятся. Если вы не привередливы, из старого масляного резервуара можно сделать приличную котельную, а аналогичные емкости для хранения жидкости можно приспособить для использования в качестве варочных аппаратов с мешалкой. Многие компоненты являются самодельными элементами из других приложений, поэтому при выборе подходящих кандидатов вам придется проявить творческий подход.К сожалению, многие изделия из стали, особенно из нержавеющей стали, выросли в цене на рынке бывших в употреблении товаров, потому что растет зарубежный рынок для вторичного использования качественной стали в целом и для качественной американской продукции в частности, особенно среди развивающихся стран. Детали сантехники — это по большей части стандартные готовые изделия.

Оплата услуг профессионального сварщика значительно увеличит стоимость оборудования, а может быть, даже вдвое.Вы можете сократить расходы, самостоятельно определив местонахождение всех материалов и подготовив детали к установке и сварке перед выполнением работы. Чем меньше сварщик должен делать на формовку, подгонку и шлифовку, тем меньше времени он или она потратит на проект, уменьшая почасовую оплату. Эта подготовительная работа не требует особого труда, и на данном этапе вложения в инструменты очень разумны, поэтому вы можете подумать о том, чтобы воспользоваться этим подходом и сэкономить несколько долларов при сделке.

Ценность вашего времени

К несчастью для некоторых из нас, мы наделены желанием учиться и добиваться успехов, а не стремлением получать прибыль.Так обстоит дело с теми, кто работает на начальных этапах создания домашнего ликеро-водочного завода. Тем не менее, вкладывать много сил в свой проект по производству этанола — разумное решение, особенно для тех, кто не полностью привержен идее производства больших объемов топливного спирта. Это сокращает объем денежных вложений (и, следовательно, риск), а также обеспечивает близкое знакомство с оборудованием, которого вы никогда не испытаете, просто купив его.

Когда вы приступите к производству этанола, вы должны оценить свое время, даже если оно минимальное.Назначение почасовой оплаты вашего труда по сбору и переработке сырья, поддержанию работы ликеро-водочного завода и обращению с этанолом, а также ведение его учета позволит вам честно и точно рассчитать, сколько стоит быть независимым от обычной сети нефтяного топлива.

Расчет стоимости галлона

Нетрудно понять, во что вам обойдется производство галлона этанола, учитывая некоторую степень стабильности в стоимости вашего топлива для приготовления пищи / отопления и источников сырья.В традиционном фермерском хозяйстве производственные затраты четко установлены и не зависят от урожайности с акра и рыночной стоимости урожая, пока не придет время рассчитать фактический уровень прибыли. (См. Третье изображение на первой странице этой статьи, где показаны образцы урожайности 190 крепких спиртов из разных типов сельскохозяйственных культур.)

Ситуация схожая с этанольным топливом, хотя многие производители, особенно те, которые работают с порчей и переработкой излишков, будут не беспокоиться об урожайности сельскохозяйственных культур, кроме их ценности в крахмале или сахаре.

Чтобы ваши вычисления были последовательными, разумно преобразовать выход алкоголя в стандартную контрольную меру, особенно если вы получаете различные процентные доли этанола из своего перегонного куба. В главе 3 я установил, как налоговые органы рассчитывают показатель этанола для целей налогообложения; вы должны использовать аналогичный метод для определения стоимости вашего топлива. (Посетите наш интернет-магазин, чтобы купить всю книгу.)

Например, если вы сделали 100 галлонов этанола пробы 185 за один цикл и 50 галлонов этанола пробы 190 за другой, вы можете сделать вывод, что ваш выход составляет 140 галлонов 100-процентного этанола.Фактический продукт, конечно, не так уж чист, но вы просто устанавливаете стандартный общий знаменатель, с которым можете работать для целей расчетов.

После того, как это установлено, вы можете определить стоимость вашего исходного сырья, рассчитать стоимость его транспортировки к месту работы и вычесть стоимость любого выхода побочного продукта, независимо от того, продается ли он в виде дистилляционного зерна или используется для себя в Справедливая рыночная стоимость. Сюда входит углекислый газ для розлива в бутылки и любые побочные продукты целлюлозы, которые можно ферментировать для получения газообразного метана или сушить для получения котельного топлива.

На этом этапе у вас есть чистая стоимость сырья, для которой вы должны теперь учитывать затраты на конверсию в этанол. Операционные расходы, связанные с этим процессом, включают стоимость таких материалов, как ферменты и дрожжи, стоимость топлива для приготовления сусла и нагрева дистилляционного котла, а также стоимость страховки, лицензирования и любого финансирования. Они добавляются к показателю чистого сырья, чтобы получить стоимость этанола до корректировки амортизации и других различных затрат, таких как электричество для перекачки, техническое обслуживание и ремонт.Амортизация может представлять собой стоимость любого арендованного оборудования или приобретенного оборудования, которая может быть продлена или амортизирована в течение определенного периода, обычно пяти лет. Здесь также могут быть учтены затраты на рабочую силу, хотя они могут изменяться с увеличением или уменьшением производства.

Затем устанавливается общая стоимость топлива путем добавления приведенных выше скорректированных затрат к предварительно скорректированной стоимости этанола, чтобы получить чистую стоимость. Разделив это число на количество галлонов чистого этанола (не фактических галлонов), вы получите стоимость галлона вашего с трудом заработанного продукта.

Начиная с 2005 года, расширенная налоговая льгота для мелких производителей стала доступна с принятием Закона об энергетической политике 2005 года. Раздел 40 Налогового кодекса США теперь разрешает правомочным малым производителям этанола, определяемым как один, производящий менее 60 миллионов галлонов на каждый год, федеральный подоходный налог, равный 0,10 доллара за галлон за первые 15 миллионов произведенных галлонов. В отдельных штатах могут быть и другие подобные стимулы для мелких производителей.

Этот отрывок был перепечатан с разрешения из Alcohol Fuel: A Guide to Small Scale Ethanol , опубликованного New Society Publishing, 2009.Купите эту книгу в нашем магазине: Спиртовое топливо: Руководство по маломасштабному этанолу .

Первоначально опубликовано: 9 мая 2013 г.

Новые технологии производства биоэтанола: от дистилляции до утилизации отходов

* Соответствующие авторы

^а Центр исследования продуктов и процессов, Научно-исследовательский институт пищевой промышленности, No.331 Shih-Pin Rd., Синьчжу, Тайвань, Китайская Республика

^b Centro Tecnológico de la Carne de Galicia, rúa Galicia no. 4, Parque Tecnológico de Galicia, San Cibrao das Viñas, Оренсе, Испания

^c Департамент инженерии материалов и биопроцессов, Школа химической инженерии, Университет Кампинаса (UNICAMP), Кампинас, Сан-Паулу, Бразилия

^г Департамент пищевых наук, факультет пищевой инженерии, Университет Кампинаса (UNICAMP), Кампинас, Сан-Паулу, Бразилия

^e Кафедра технологии химии, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Баку, Азербайджан

^f Область питания и пищевых наук, профилактическая медицина и общественное здравоохранение, кафедра пищевых наук, токсикологии и судебной медицины, фармацевтический факультет, Universitat de València, Avda.Vicent Andrés Estellés, s / n, 46100 Burjassot, Валенсия, Испания
Эл. Почта: [email protected]

оборудования для производства этанола, оборудование для производства этанола Поставщики и производители на Alibaba.com

 
 Пивоварение дома или в коммерческих целях теперь легко и весело благодаря пищевому качеству. Оборудование для производства этанола  доступно в моделях для самостоятельного изготовления и профессионального уровня. Файл. Оборудование для производства этанола  , доступное на Alibaba.com, может быть изготовлено из различных материалов и иметь различные характеристики, а также уникальная формула, удобная для пользователя и доступная по цене. Просмотрите наши уникальные и качественные.  Оборудование для производства этанола  закуплено у производителей и поставщиков мирового класса, чтобы выбрать лучшее. 
 
 The. Оборудование для производства этанола  Доступное для продажи  доступно в различных вариантах: от ведер для брожения, стеклянных бутылей, пластиковых бутылок, конических ферментеров и т. Д.Эти.  Оборудование для производства этанола  включает в себя десятки высокоэффективных функций, включая системы аэрации, автосифоны, пробки, воздушные шлюзы, стеллажи для тростей, трубки, мешалки, регуляторы температуры, воронки и многое другое. Ты найдешь.  Оборудование для производства этанола  различных размеров, от стеклянных кувшинов на 1 галлон до ферментеров из нержавеющей стали, доступных в тысячах галлонов. 
 
 The. Оборудование для производства этанола   на Alibaba.com имеет высокий рейтинг энергоэффективности и создано с использованием высококачественных материалов, чтобы служить вам долгие годы.Эти. Оборудование для производства этанола   имеет простую, удобную для пользователя конструкцию с низким уровнем загрязнения, обеспечивающую плавное приготовление пива. Большинство из. Оборудование для производства этанола   изготовлено из высококачественных и пищевых материалов, в том числе из высокопрочной нержавеющей стали, прочного пластика и прочного стекла. 
 
 Если вы хотите снабдить свой оптовый или розничный магазин товаром amazing.  оборудование для производства этанола Ассортимент , не нарушая вашего бюджета, просмотрите Alibaba.com, чтобы открыть для себя прочные, универсальные, удобные и экономичные продукты, уникально созданные для удовлетворения потребностей ваших клиентов. Продукция уникально отобрана только от лучших мировых производителей, так что выбирайте лучшее и сделайте свой пивоваренный опыт более интригующим. 
 

Сорта сладкого сорго Супер-1 и Супер-2 и их оборудование для биоэтанола в Индонезии

Спрос на альтернативные источники энергии в настоящее время растет, потому что люди теперь больше осведомлены о многих негативных воздействиях ископаемого топлива на окружающую среду.Возобновляемые источники энергии на основе растений предоставляют потенциальные источники энергии с преимуществами более чистого топлива и возможностью интеграции с производством пищевых культур. Сорго считается очень потенциальным источником пищи, кормов и топлива, особенно сладкое сорго из стеблей, которое выполняет одновременно функции источника пищи из зерна и топлива, получаемого из сока стеблей. Хорошо известно, что сорта сорго обладают отличной адаптируемостью в маргинальных районах, особенно в районах, подверженных засухе, где другие продовольственные культуры не могут расти.Настоящий документ направлен на то, чтобы поделиться результатами текущих исследований многих видов функционального использования сортов сладкого стебельчатого сорго, опубликованными в Индонезийском научно-исследовательском институте зерновых культур (ICERI). Среди множества сортов, которые были выпущены, были два сорта сладкого сорго СУПЕР-1 и СУПЕР-2, выпущенные в 2013 году, которые выделяются по выходу биомассы и производству биоэтанола. Основываясь на различных исследованиях, проведенных в разных местах и ​​в разные сезоны, потенциал урожайности биомассы составлял 30-40 т / га, при этом более высокая урожайность наблюдалась в засушливый сезон.Было обнаружено, что содержание сахара в соке стебля в бриксе было выше в засушливый сезон и составляло от 13,6% до 18,4%, а количество стеблей сока составляло примерно 30–50% от общего выхода биомассы. Кроме того, производство биоэтанола из сока стеблей после ферментации составляло от 8 до 10% от общего объема сока стеблей. Также была проведена модификация оборудования для обработки биоэтанола, что позволило увеличить концентрацию перегоняемого этанола с 85% -92% до 90% -95%. Другой полученный результат заключался в сокращении времени ферментации с 14–21 дней до 6–10 дней.Кроме того, выход этанола из сока также составлял в среднем от 4,95% до 6,75%.

Анализ обрастания при производстве биоэтанола | Новости и информация

Нет ничего более неприятного, чем иметь дело с неисправным оборудованием. Этот верно для офисной работы, строителя, учителя и даже производителей биоэтанола.

Отложение твердых частиц на внутренней поверхности технологического оборудования обычно известное как обрастание в индустрии биотоплива.Твердые частицы мешают правильной работе оборудования и снизить пропускную способность и увеличить расходы на перекачку.

Чтобы помочь производителям в решении проблем обрастания, Роб Уайтли, глава школы химии инженерии в Университете штата Оклахома, предложили исследование Департаменту транспортных исследований и Управление инновационных технологий через программу грантов South Central Sun, который был утвержден в 2013 году.Уайтли, также исследователь в OSU’s Biobased Products и Energy Center, взволнованы некоторыми открытиями, обнаруженными в ходе исследования.

«Влияние обрастания на производство биоэтанола из кукурузы хорошо известно», — сказал он. сказал. «Степень, в которой засорение является проблемой в производстве сладкого сорго-этанола. неизвестно ».

Исследование «Многоуровневая характеристика загрязнения ферментированного / гидролизованного сладкого сорго», ответил на ключевой вопрос об экономической жизнеспособности децентрализованного производства сладкого сорго в качестве энергетической культуры.Количество сухих веществ в ферментированном сладком сорго составляет примерно 2 массовых процента по сравнению с 20 массовыми процентами в ферментированной кукурузе. пюре.

«Основываясь исключительно на содержании твердых частиц, можно было бы ожидать проблемы загрязнения при использовании сладкого сорго в 10 раз меньше, чем кукурузы », — сказал он.

Однако Уайтли и его команда на сегодняшний день не наблюдали каких-либо значительных обрастаний в их установка разделения спирта в масштабе фермы.Этот результат подтвержден в лаборатории, где не было обнаружено значительного загрязнения в трубке теплообменника (одна из самых вероятные места осаждения).

«На самом деле, наши исследования показали, что засорение ферментированным сладким сорго не было более значительным. чем для водопроводной воды », — сказал Уайтли. «Мы связываем это открытие с тот факт, что процесс производства биоэтанола из сладкого сорго практически не содержит крахмала.”

Эти результаты подтверждают возможность производства биоэтанола из сладкого сорго. без дорогостоящих простоев и обслуживания, связанных с кукурузо-этанолом.

«Это увеличивает глобальный портфель транспортных энергоносителей и обеспечивает экономическое развитие. возможности для штата Оклахома и подобных регионов мира », — Уайтли сказал.«Увеличение количества вариантов устойчивого производства энергии имеет важное значение. чтобы удовлетворить потребности растущего населения мира ».

Уайтли поблагодарил Анурадху Мукерджи, аспиранта, недавно завершившего ее доктор философии степень, которая помогла спроектировать, построить и управлять АГУ для ее диссертации исследование.

Оценка безопасности, здоровья и окружающей среды при производстве биоэтанола из сахарного тростника, кукурузы и кукурузной соломы

Биотопливо как возобновляемый ресурс является одним из вариантов решения проблем, связанных с истощением ресурсов ископаемого топлива и загрязнением атмосферы.Несколько исследований были сосредоточены на техническом, экономическом и экологическом воздействии биотоплива, особенно производства биоэтанола. Тем не менее, было мало усилий для включения факторов риска для окружающей среды, здоровья и безопасности (EHS) во всеобъемлющую оценку устойчивости альтернатив производства биоэтанола. В данном исследовании основное внимание уделяется этим аспектам устойчивости производства биоэтанола с использованием методов EHS и индекса внутренней безопасности (ISI). Многокритериальная оценка также включает совокупную потребность в энергии как широко используемый индикатор оценки воздействия жизненного цикла.Сахарный тростник, кукуруза и кукурузная солома считаются ресурсами биомассы, и для оценки базового случая используются типичные условия процесса. Анализ чувствительности используется для исследования влияния условий процесса, состава корма и настроек метода на конечный результат. Результаты показывают, что как методы ISI, так и методы EHS имеют одинаковые общие рейтинги с процессами, полученными из сахарного тростника и кукурузной соломы, как наиболее и наименее опасные, соответственно. Тем не менее, в оценке участков процесса возникают несходства, подчеркивающие различные опасные аспекты.Наконец, включение оценки воздействия жизненного цикла в двухкритериальную оценку показывает, что процесс, полученный из сахарного тростника, явно превосходит процесс, за которым следуют процессы, полученные из кукурузы и из соломы кукурузы.

1 Введение

Концепция замещения ископаемых ресурсов биомассой для производства этанола привлекла большое внимание с целью снижения выбросов парниковых газов и перехода на возобновляемые источники энергии. Биоэтанол можно производить из различных видов биомассы, которые можно разделить на три основные группы: сахарозосодержащие материалы, крахмалистые материалы и лигноцеллюлозная биомасса [1].Различные аспекты производства биоэтанола и воздействия на окружающую среду обсуждались в предыдущих исследованиях. Были рассмотрены тенденции проектирования процессов производства энергии из различных видов биоресурсов [2, 3] и выполнен технико-экономический анализ современных и будущих технологий предварительной обработки и преобразования [4], включая международный транспорт для цепочки поставок биоэнергетики [5]. Воздействие на окружающую среду, выражающееся в основном в выбросах парниковых газов, также оценивалось для производства биоэтанола из различного сырья, включая кукурузу в США [6–9], сахарный тростник в Бразилии [10, 11] и кукурузную солому [12, 13].Кроме того, были изучены вопросы доступности биомассы [14] и использования воды и земли [15, 16].

При разработке процесса, включающего новую технологию, необходимо тщательно проверить различные аспекты технологических систем. Помимо потребления и доступности ресурсов, обсуждавшихся в предыдущих исследованиях биомассы, необходимо тщательно проанализировать местные проблемы, связанные с опасностями, для внедрения различных технологий биомассы [17]. Особенно в отношении источников энергии было признано, что безопасность процесса должна быть одной из наиболее важных точек зрения [18], то есть технологии с высоким риском для безопасности должны быть пересмотрены, даже если они могут значительно снизить воздействие на окружающую среду.Поскольку производство биоэтанола рассматривалось как технология для устойчивого производства энергии или материалов, аспекты безопасности производственных процессов должны быть прояснены и тщательно проверены перед широкомасштабным внедрением. Однако исследования по анализу безопасности процесса производства биоэтанола отсутствуют, хотя аналогичные исследования были проведены для биодизеля [19], и есть некоторые отчеты о безопасности транспортировки и обращения с биоэтанолом [20] и производстве биодизеля. -производные из биоэтанола [21].В целом, различные виды биомассы, используемые для производства биоэтанола, требуют различных технологий предварительной обработки и ферментации, что приводит к различным структурам процесса и рабочим условиям, которые могут напрямую влиять на показатели безопасности.

В этой статье мы стремимся внести свой вклад в анализ устойчивости процессов производства биоэтанола путем применения систематических методов оценки безопасности, окружающей среды и здоровья. Были изучены процессы производства биоэтанола из трех основных видов биомассы: сахарного тростника, кукурузы и кукурузной соломы, содержащих сахарозу, крахмал и целлюлозу, соответственно.Производство биоэтанола из этих ресурсов было хорошо изучено и задокументировано в литературе в отношении баланса массы и энергии и доступных технологий, что дает необходимую информацию для методов оценки опасности. Были применены два метода оценки опасности: метод индекса внутренней безопасности (ISI) [22] и метод окружающей среды, здоровья и безопасности (EHS) [23]. Эти методы также недавно были интегрированы в процессы модернизации [24] и концептуального проектирования [25].Хотя оба метода учитывают свойства вещества и условия процесса и могут предоставлять категориальные и агрегированные результаты для одного показателя, они также позволяют количественно оценить различные аспекты опасностей процесса. На основе этих различных методов оценки опасности можно всесторонне выявить факторы риска технологий производства биоэтанола. Настоящее исследование также демонстрирует, как эти или аналогичные ориентированные на опасность метрики могут быть объединены с другими проектными метриками для улучшения многокритериального принятия решений.В этом исследовании совокупный спрос на энергию (CED) принят в качестве расчетной метрики для воздействия на окружающую среду, поскольку он имеет сильную корреляцию с другими метриками в оценке воздействия жизненного цикла (LCIA), такими как потенциал глобального потепления или EcoIndicator 99, и может применяться к оценить экологическую нагрузку [26–28].

3 Результаты и обсуждение

3.1 Метод ISI

Оценка процессов производства биоэтанола с использованием метода ISI представлена ​​на Рисунке 2.Согласно этому анализу, одинаковая картина проявляется для всех процессов в том, что касается ранжирования участков процесса, а именно, стадия ферментации является наиболее опасной, за ней следуют стадии очистки и предварительной обработки. Это в основном связано с выделением тепла в результате экзотермических реакций во время ферментации (например, побочная реакция образования уксусной кислоты из глюкозы) и реакционной способности побочных продуктов (например, уксусной кислоты, молочной кислоты и янтарной кислоты). Последнее также применимо к секции очистки, где этанол очищается от этих побочных продуктов.

Рисунок 2

ISI альтернативных процессов производства биоэтанола.

Предварительная обработка сырья для процесса, полученного из сахарного тростника, имеет самый низкий балл ISI, главным образом потому, что он проводится при более низкой температуре по сравнению с процессами, полученными на основе кукурузы и кукурузной соломы. По сути, разница в рабочих условиях, применяемых на этапе предварительной обработки, является основным фактором, который отличает исследованные процессы производства биоэтанола в соответствии с методом ISI.Согласно этому рейтингу, процесс на основе сахарного тростника является самым безопасным, за ним следуют процессы на основе кукурузы и кукурузной соломы.

Наконец, проверяется, чувствительны ли результаты ранжирования к граничным условиям анализа, выраженным диапазонами для состава биомассы, и рабочими условиями процесса, указанными в таблице 1. Показано, что ни изменения в рабочих условиях процесса, ни состав сырья из разных частей мира искажает результаты ранжирования по методу ISI (см. также раздел 3 таблицы S11 вспомогательной информации).

Однако предельное превосходство процесса, полученного из сахарного тростника, в отношении аспектов безопасности исчезает, когда весь процесс рассматривается как одна секция [то есть при сравнении общего (разложенного) и общего (неразложенного), соответственно, на Рисунке 2]. Причина в том, что при декомпозиции процесса выделяются специфические для секции опасности, которые не обнаруживаются, если декомпозиция не выполняется. Это указывает на то, что настройки метода ISI, определенные лицом, принимающим решение, иногда могут быть более важными, чем рабочие параметры процесса.

3.2 Метод EHS

Оценка процессов производства биоэтанола с использованием метода EHS представлена ​​на рисунке 3. Опять же, одни и те же закономерности появляются во всех трех процессах в отношении ранжирования участков процесса, то есть ферментация оценивается как наименее опасная секция, за которой следует секции предварительной обработки и очистки. Интересно, что этот паттерн отличается от предложенного методом ISI (рис. 2). Метод EHS отрицательно влияет на секцию очистки в основном из-за более высоких значений стойкости, возникающих из-за наличия CO ₂ в продувке абсорбера.Категория стойкости относится к воздействию на окружающую среду, не учтенному методом ISI; поэтому дифференциация результатов метода EHS оправдана с этой точки зрения. Также следует отметить, что некоторые из рассматриваемых категорий в методе EHS (например, эффекты, опосредованные водой и воздухом), которые не включены в ориентированный на безопасность метод ISI (см. Также Таблицу A1 в Приложении), не учитываются. играют важную роль в оценке. Другие, такие как категория мобильности, относящаяся к давлению паров вещества, рассматриваются в целостных категориях температуры и давления процесса в методе ISI, поэтому не являются специфическими для вещества.Категория мобильности метода EHS важна для оценки как секции ферментации, так и секции очистки по сравнению с секцией предварительной обработки, в основном из-за CO ₂ , образующегося во время ферментации.

Рисунок 3

Показатель опасности EHS альтернативных процессов производства биоэтанола.

Некоторыми другими аспектами метода EHS, также ответственными за ранжирование технологических секций, являются категории острой токсичности и пожара / взрыва, которые также учитываются методом ISI в категории опасных веществ.Эти аспекты серьезно сказываются на разделе предварительной обработки всех производственных процессов для метода EHS, в то время как эффект дифференциации для метода ISI минимален. Одна из причин этого заключается в том, что на метод EHS сильно влияют массовые запасы рассматриваемых веществ, в данном случае состава сырья, которые умножаются на внутренние опасные свойства вещества для количественной оценки соответствующих опасностей. С другой стороны, инвентарная категория метода ISI, имеющая некоторую аналогию с массой веществ в методе EHS, рассматривается как отдельная категория без какого-либо эффекта умножения.Более того, как видно из рисунка 2, инвентаризационная категория метода ISI оказывает незначительное влияние на предполагаемые рейтинги технологических участков для всех видов сырья настоящего исследования.

Возможность согласования результатов ISI и методов EHS дополнительно исследуется путем присвоения весов категориям метода EHS. Веса могут быть оптимизированы в различных поддиапазонах от 0 до 1, единственным другим ограничением является то, что они должны суммироваться до 1.Целью оптимизации является максимальное увеличение коэффициента корреляции Пирсона (R-Pearson) между двумя методами оценки процессов производства разложенного биоэтанола на основе трех различных исходных материалов. Для этого используются два разных режима метода EHS. В первом режиме отбрасываются категории стойкость, опасность для воды и воздуха, раздражение и хроническая токсичность (т. Е. Их вес был установлен равным нулю), потому что, согласно таблице A1 в Приложении, только категории острая токсичность, мобильность, Пожар / взрыв и реакция / разложение обычно используются в методах ISI и EHS.Во втором режиме включены все категории метода EHS. На рисунках 4A и B показаны соответствующие результаты этих двух режимов, то есть веса, приводящие к максимальным корреляциям, и соответствующие значения коэффициентов корреляции. В первом режиме (рис. 4A) очевидно, что достигается значительное согласие между методами ISI и EHS (т.е. с R-Pearson> 0,9), когда категории реакции / разложения и подвижности получают более высокие веса. Это также верно и для второго режима (рис. 4B), добавляющего категории острой токсичности и раздражения.Важность химической реактивности уже упоминалась во время анализа результатов метода ISI (Рисунок 2), а влияние мобильности и острой токсичности уже было выявлено при анализе результатов EHS (Рисунок 3). Однако влияние категории раздражения было трудно предвидеть на основании результатов, представленных на Рисунке 3. Основным эффектом, по-видимому, является то, что путем присвоения более высокого веса этой категории, которая играет второстепенную роль в разделе предварительной обработки, значение опасности этого раздела уменьшается, больше напоминая оценку ISI (Рисунок 2).Конечно, следует отметить, что эти результаты относятся к конкретному случаю, и необходимо провести более подробные и разнообразные тематические исследования, чтобы вывести оптимальный вес для максимального согласия между методами ISI и EHS.

Рисунок 4

Соглашение между методами ISI и EHS в соответствии с коэффициентом корреляции Пирсона (R-Pearson) для результатов оценки процессов производства разложенного биоэтанола на основе трех различных видов сырья.

Несмотря на различия методов EHS и ISI для оценки участков процесса, общий рейтинг процесса одинаков, то есть процесс, полученный из сахарного тростника, является наименее опасным, а процесс, полученный из кукурузной соломы, является наиболее опасным. Однако метод EHS кажется более чувствительным к различным граничным условиям анализа. В частности, когда весь процесс рассматривается как одна секция, ранжирование искажается в большей степени по сравнению с методом ISI, то есть ранжирование процесса, полученного из сахарного тростника, полностью изменяется с наименее опасного на наиболее опасное.Здесь следует отметить, что разрешение индексов конечных точек как для методов ISI, так и для методов EHS непросто сделать, этот аспект в настоящее время является предметом обсуждения для всех методов, основанных на индексах идентификации опасностей [38, 39].

Наконец, как и для метода ISI, для метода EHS был проведен анализ чувствительности в отношении условий процесса и биомассы сырья. Хотя влияние на оценки EHS было более очевидным, оно все же было недостаточно значительным, чтобы вызвать общие изменения в рейтинге процессов (см. Также раздел 3, Таблица S12 во вспомогательной информации).

3.3 Сравнение опасности и воздействия на окружающую среду

Для многокритериальной оценки процессов производства биоэтанола обычно следует рассматривать более одного аспекта. В этом исследовании профиль бикритериев в отношении идентификации опасностей, выраженный методами EHS и ISI, и CED представлен на рисунке 5. Было показано, что CED имеет сильную корреляцию с другими метриками LCIA, оценивающими нагрузку на окружающую среду [26–28 ]. В этом исследовании значения CED от колыбели до ворот были оценены с использованием базы данных Ecoinvent 2010 [40] и литературных источников (см. Также раздел 4, Таблица S13 во вспомогательной информации).Следует отметить, что уже было опубликовано несколько статей с ориентацией на жизненный цикл, посвященных экологическим характеристикам продуктов на биологической основе. В частности, в случае кукурузы, могут наблюдаться большие различия в чистой энергетической ценности из-за различных данных сельскохозяйственного производства, урожайности, технологий преобразования этанола, эффективности производства удобрений, норм внесения удобрений, оценки побочных продуктов и количества энергозатрат. Помимо наборов данных, методологические вопросы, включая выбор границ системы и процедур распределения, также могут играть роль в этих вариациях [41].Ясно, что процесс, полученный из сахарного тростника, значительно превосходит остальные процессы в отношении обоих показателей, которым следуют процессы, полученные из кукурузы, и процессы, полученные из кукурузной соломы. Однако может также существовать компромисс между процессами получения кукурузы и кукурузной соломы из-за перекрытия диапазонов значений CED. В то время как LCIA (например, CED) учитывает только ввод / вывод материалов и энергии на функциональную единицу, методы идентификации опасностей могут выражать как экстенсивные, так и интенсивные параметры процесса, такие как технологические температуры и давления.Однако следует отметить, что результаты ОВЖЦ включают анализ «от колыбели до ворот», расширяющий границы системы, включая производство биомассы, восстановление побочных продуктов и обработку отходов технологических стоков, тогда как оценка опасности относится к локальной системе производства биоэтанола. границы которого определены схемами на рис. 1A – C.

Рисунок 5

Опасность (EHS и ISI) в сравнении с LCIA, описанная CED [LCIA (CED)].

Как правило, тот же тип многокритериального анализа, представленный здесь на основе упрощенных схем, может быть повторен с более подробной информацией о процессе. В таком случае ожидается, что на метод ISI в основном будут влиять дополнительные вещества в виде вспомогательных химических веществ, которыми здесь можно пренебречь, тогда как метод EHS будет дополнительно более чувствителен к обновленным значениям массового расхода. Что касается ОВЖЦ, более подробные технологические схемы могут обеспечить стимулы для подходов к интеграции энергии и массы, таким образом обновляя расчет выбросов от ворот к воротам, потребления воды и энергии [42, 43].

3.4 Проектирование процесса зеленого биоэтанола

При проектировании экологически чистых процессов производства биоэтанола следует учитывать риски для безопасности, здоровья и окружающей среды, а также воздействия на жизненный цикл [17]. Три типа производства биоэтанола в этом исследовании, то есть этанол, полученный из сахарного тростника, кукурузы и кукурузной соломы, относятся к наиболее репрезентативным ресурсам биомассы для материалов, содержащих сахарозу, крахмальных материалов и лигноцеллюлозной биомассы. Поэтому, основываясь на результатах этого исследования, новая точка зрения, то есть оценка опасности процесса, может быть внедрена в производство биоэтанола в дополнение к экономическим аспектам, ОВЖЦ, доступности ресурсов и использованию земли и воды, обсуждаемым другими исследователями [14 –16].В этом контексте особая категория воздействия на окружающую среду, связанная с питательными веществами, используемыми при выращивании биомассы, такими как азот, фосфор и калий, также важна, и их баланс ввода / вывода и циклы между вовлеченными переносчиками, такими как животные и растения, должны быть тщательно рассмотрены. [44]. Однако этот подробный анализ выходит за рамки настоящего исследования, которое в основном сосредоточено на оценке опасности технологий биомассы как одного из дополнительных элементов для устойчивого производства биоэтанола.

Технологии биоэтанола второго поколения на основе лигноцеллюлозной биомассы были разработаны в связи с отсутствием конкуренции с поставщиками продуктов питания. Это исследование рассматривало только кукурузную солому из этой категории и показало, что опасность соответствующего процесса выше, тогда как его значение CED может быть ниже, чем у процесса на основе кукурузы. Эта более высокая опасность связана с разделом предварительной обработки, на что указывают методы ISI и EHS, указывая на необходимость дальнейшего развития технологий предварительной обработки кукурузной соломы с учетом перспектив безопасности, здоровья и окружающей среды.Обзор различных вариантов предварительной обработки можно найти в научной литературе [1, 45]. С точки зрения ISI, было бы выгодно ориентироваться на более мягкие условия процесса (то есть более низкие температуры и давления), потому что это было основной причиной штрафных санкций в секции предварительной обработки кукурузной соломы. С этой целью могут быть рассмотрены технологии взрыва аммиачного волокна (AFEX) и жидкой горячей воды (LHW). С одной стороны, для AFEX (~ 90 ° C) сообщается об аналогичном технологическом давлении и более умеренной температуре технологического процесса, но требуется система для извлечения аммиака, которая усложняет процесс и может дополнительно ухудшить его с точки зрения EHS.С другой стороны, процесс LHW проще, что становится более актуальным для метода ISI, если в расчетах учитываются подиндексы безопасности оборудования и структура процесса. Однако процесс LHW не предполагает более низких температур (170–230 ° C) или давления (> 5 МПа). Влияние этих других вариантов предварительной обработки в соответствии с методом EHS предвидеть труднее, поскольку требуется баланс массы. Однако эти методы еще не реализованы в больших масштабах, и соответствующие данные процесса не имеют одинаковой точности.Это также верно для других описанных вариантов предварительной обработки (например, с использованием сверхкритических жидкостей или облучения). По этой причине эти варианты предварительной обработки не включены в текущее исследование, но, безусловно, представляют собой материал для будущих исследований. Более того, аналогичные исследования других ресурсов лигноцеллюлозной биомассы (например, пырея) необходимы для получения более полного профиля оценки технологий биоэтанола второго поколения, которые постоянно вызывают интерес. Было бы также интересно сравнить описанные здесь маршруты производства биоэтанола с традиционными методами производства этанола, чтобы выделить как преимущества, так и проблемы.

Наконец, как упоминалось выше, методы ISI и EHS не имеют общего объема анализа и могут выявить различные аспекты опасностей процесса. С точки зрения безопасности процесса для метода ISI наибольшая опасность выделяется в процессе ферментации из всех технологий биомассы, тогда как метод EHS выделяет секцию очистки как наиболее опасную. Таким образом, это исследование показывает, что важно не только рассматривать методы оценки опасностей для разработки многокритериального процесса, но также понимать различную основу и масштабы таких методов.

Ссылки

[1] Sánchez J, Cardona CA. Биоресурсы. Technol. 2008, 99, 5270–5295. Искать в Google Scholar

[2] Cardona CA, Sánchez J. Bioresour. Technol. 2007, 98, 2415–2457. Искать в Google Scholar

[3] Мойзер Н., Вайман К., Дейл Б., Эландер Р., Ли Й.Й., Хольцаппл М., Ладиш М. Биоресур. Technol. 2005, 96, 673–686. Искать в Google Scholar

[4] Hamelinck CN, Hooijdonk GV, Faaij APC. Биомасса Биоэнергетика 2005, 28, 384–410. Искать в Google Scholar

[5] Hamelinck CN, Suurs RAA, Faaij APC.Биомасса Биоэнергетика 2005, 29, 114–134. Искать в Google Scholar

[6] Pimentel D. Nat. Ресурс. Res. 2003, 12, 127–134. Искать в Google Scholar

[7] Pimentel D, Patzek WT. Nat. Ресурс. Res. 2005, 14, 65–75. Искать в Google Scholar

[8] Liska AJ, Yang HS, Bremer VR, Klopfenstein TJ, Walters DT, Erickson GE, Cassman KG. J. Ind. Ecol. 2009, 13, 58–74. Искать в Google Scholar

[9] Plevin RJ. J. Ind. Ecol. 2009, 13, 495–507. Искать в Google Scholar

[10] Macedo IC, Seabra JEA, Silva JEAR.Биомасса Биоэнергетика 2008, 32, 582–595. Искать в Google Scholar

[11] Луо Л., Ван дер Воет Э., Хуппес Г. Ренью. Sust. Energ. Ред. 2009, 13, 1613–1619. Искать в Google Scholar

[12] Шихан Дж., Аден А., Паустиан К., Киллиан К., Бреннер Дж., Уолш М., Нельсон Р. Дж. Инд. Экол. 2003, 7, 117–146. Искать в Google Scholar

[13] Луо Л., Ван дер Воет Э, Хуппес Г. Ренью. Sust. Energ. Ред. 2009, 13, 2003–2011. Искать в Google Scholar

[14] Hedegaard K, Thyø KA, Wenzel H.Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 7992–7999. Искать в Google Scholar

[15] Gopalakrishnan G, Negri MC, Wang M, Wu M, Snyder SW, Lafreniere L. Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 6094–6100. Искать в Google Scholar

[16] Cai X, Zhang X, Wang D. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 334–339. Поиск в Google Scholar

[17] Хименес-Гонсалес C, Констебль DJC, ред., Зеленая химия и инженерия: практический подход к проектированию, John Wiley & Sons: New Jersey, 2011. Поиск в Google Scholar

[18] Фукусима Й, Кикучи Й, Кадзикава Й, Кубота М, Накагаки Т, Мацуката М, Като Й, Кояма М.J. Chem. Англ. Jpn. 2011, 44, 365–369. Искать в Google Scholar

[19] Li X, Zanwar A, Jayswal A, Lou HH, Huang Y. Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 2981–2993. Искать в Google Scholar

[20] Brandes E, Frobese DH. Форш. Ing.wes.-Eng. Res. 2009, 73, 25–32. Искать в Google Scholar

[21] Nguyen THT, Kikuchi Y, Noda M, Sugiyama H, Hirao M. Proc. 20-е ПОБЕГ, Comput. Aided Chem. Англ. 2010, 27, 1955–1960. Искать в Google Scholar

[22] Хейккиля А. Внутренняя безопасность при проектировании технологических установок, Публикации VTT 384.Центр технических исследований Финляндии: Эспоо, Финляндия, 1999. Поиск в Google Scholar

[23] Koller G, Fischer U, Hungerbühler K. Ind. Eng. Chem. Res. 2000, 39, 960–972. Искать в Google Scholar

[24] Карвалью А., Гани Р., Матос Х. Процесс. Saf. Environ. 2008, 86, 328–346. Поиск в Google Scholar

[25] Сугияма Х, Фишер У, Хунгербюлер К., Хирао М. Айше Дж. 2008, 54, 1037–1053. Искать в Google Scholar

[26] Wernet G, Mutel C, Hellweg S, Hungerbühler K.J. Ind. Ecol. 2011, 15, 96–107. Искать в Google Scholar

[27] Huijbregts MAJ, Rombouts LJA, Hellweg S, Frischknecht R, Hendriks AJ, Van de Meent D, Ragas AMJ, Reijnders L, Struijs J. Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 641–648. Искать в Google Scholar

[28] Huijbregts MAJ, Hellweg S, Frischknecht R, Hendriks HWM, Hungerbühler K, Hendriks AJ. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 2189–2196. Искать в Google Scholar

[29] Quintero JA, Montoya MA, Sánchez OJ, Giraldo OH, Cardona CA.Энергия 2008, 33, 385–399. Искать в Google Scholar

[30] Rein P. Cane Sugar Engineering, Verlag Dr. Albert Bartens KG: Berlin, 2007. Искать в Google Scholar

[31] McAloon A, Taylor F, Yee W, Ibsen K, Wooley R . Определение стоимости производства этанола из кукурузного крахмала и лигноцеллюлозного сырья, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии: Голден, Колорадо, Отчет № NREL / TP-580-28893, 2000 г. Доступно по адресу: http://www.agmrc.org/media /cms/16_5299EA3DD888C.pdf. Искать в Google Scholar

[32] Тейлор Ф., Маркес А.М., Джонстон Б.Д., Голдберг М.Н., Хикс Б.К.Биоресурсы. Technol. 2010, 101, 4403–4408. Искать в Google Scholar

[33] Квятковски JR, McAloon AJ, Taylor F, Johnston DB. Ind. Crop. Prod. 2006, 23, 288–296. Искать в Google Scholar

[34] Вули Р., Рут М., Шихан Дж., Ибсен К., Майдески Х., Гальвез А. Лигноцеллюлозная биомасса для разработки и экономики процесса этанола с использованием прямоточного предварительного гидролиза разбавленной кислоты и ферментативного гидролиза Текущие и футуристические сценарии, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии: Голден, Колорадо, Отчет №NREL / TP-580-26157, 1999. Доступно по адресу: http://www.nrel.gov/docs/fy99osti/26157.pdf. Искать в Google Scholar

[35] Рахман М., Хейккила А.М., Хурме М. Дж. Предотвращение потерь. Proc. 2005, 18, 327–334. Искать в Google Scholar

[36] Аду И.К., Сугияма Х., Фишер У., Хунгербюлер К. Process Saf. Environ. Prot. 2008, 86, 77–93. Искать в Google Scholar

[37] Banimostafa A, Papadokonstantakis S, Hungerbühler K. Process Saf. Environ. Prot. 2012, 1, 8–26. Искать в Google Scholar

[38] Gentile M, Rogers WJ, Mannan MS.Процесс Saf. Environ.