エタノールはどのように作られるのですか?

エタノールはどのように作られるのでしょうか？ ある程度の機械の適性が必要ですが、適切な原料を発酵させて 96 プルーフのアルコールにすることで燃料を作ることができます。

手頃な価格で再生可能で、自分のコミュニティで直接生産できる燃料があったとしたらどうでしょうか? もしあなたが100年前に生きていたら、そのような燃料についてすべて知っていたでしょう。 それはアルコールと呼ばれ、一般にランプ燃料として販売されているきれいに燃焼する液体でした。 つい最近になって、私たちはアルコール燃料（現在はエタノールとして一般的に知られている）と、輸送用の国産燃料としてのその可能性を再検討しています。

私はエタノールを大規模に生産するという農産業の課題についてお話しするためにここにいるわけではありません。 私がこれから説明するのは、車やオートバイ、耕運機、芝生トラクターなどの他のガスエンジンで使用する燃料を自分で作る方法です。 これらのガス エンジンを改造して、ストレート アルコールで動作するようにすることができます (エンジンの改造については、以下の「エタノールで車を動作させる」で詳しく説明します)。

小規模で生産される場合、エタノールは自分で栽培した穀物から、または食品廃棄物や作物の淘汰など、地元の持続可能な幅広い原料から作ることができます。 少し特殊な装置とノウハウがあれば、これらの材料をアルコール燃料に変えることができ、ガソリンや市販のエタノールのポンプに支払うコストよりも安くなります。

継続的なコストは 1 ガロンあたり 2 ドル未満で、独自のエタノールを生産できます。 自分でトウモロコシを栽培すると、1 エーカーのトウモロコシから 300 ガロン以上のエタノールを蒸留できます。 年間の走行距離が 10,000 マイル未満であれば、2 エーカーのトウモロコシからすべての燃料を自前で生産できますが、当然のことながら、多大な労力がかかります。 つまり、私がエタノールについて話すとき、私は日曜大工の燃料について話しており、個人およびコミュニティ規模での地域の自立の実践について話しているのです。

エタノール燃料に関する最も強力な主張の 1 つは、外国資源に依存せずに自国で製造できるということです。 1925年、ヘンリー・フォードはニューヨーク・タイムズの記者に、「1エーカーのジャガイモの1年間の収穫量には、100年間畑を耕すのに必要な機械を動かすのに十分なアルコールが含まれている」と語った。 このたたき上げのビジネスマンは、アメリカの農場の価値、より具体的には国内で調達された材料の重要性を認識していました。 彼は、全国の農場が燃料と食料の両方を作るのに必要な作物を提供することを思い描いていました。

エタノールが魅力的な燃料の選択肢であるもう 1 つの理由は、エタノールが基本的に液体エネルギーであることです。 エタノールは、大量のエネルギーを使用可能、保存可能、輸送可能な形に詰め込んだ透明な液体です。体積あたりのエネルギーでエタノールと競合できるのは石油だけです。 しかし、エタノールには酸素が含まれているという追加の利点があります。つまり、分子構造に酸素が含まれているため、よりきれいな燃焼が得られます。 ガソリンと比較して、エタノールは炭化水素と一酸化炭素の排出量が約 20% 少ないです。

燃料生産者を志す者は、自社で燃料を製造するには許可を申請しなければならないが、1970年代のエネルギー危機の後、連邦政府は許可手続きを大幅に合理化した。 飲料と燃料スピリッツの違いを認識し、財務省はアルコール燃料製造許可証（フォーム 5110.74）の簡略化された申請書を考案しました。この許可では、小規模製造者を、1 件あたり最大 10,000 プルーフガロンの燃料を製造できる者として指定します。年。 (プルーフ ガロンは、華氏 60 度で 50 パーセントのアルコールを含む蒸留酒の 1 液体ガロンです。) これは、5,263 ガロンの 190 プルーフ エタノール燃料を製造するのに十分です。 各州には独自の許可要件があり、通常は連邦規則をモデルとしています。 税金や適用される州および地方自治体の規制を調査する必要があります。 いずれの場合も、燃料用アルコールは、少なくとも 2 容量パーセントの灯油または無鉛ガソリンを添加することにより、「変性」するか、または飲料に適さなくする必要があります。

エタノールの生成は、炭素、水素、酸素を含む有機化合物である炭水化物の発酵によって生じる自然なプロセスです。 植物や作物は、デンプン、糖、セルロースの形で炭水化物を生成します。 セルロースの分子構造の結合は切断するのが困難ですが、ほとんどの植物のでんぷんと糖は、熱、水、酵素を加えると簡単に単糖に分解されます。 単糖が確立されたら、酵母を加えてその糖を食べて繁殖させ、その過程で二酸化炭素とアルコールを排出します。

原材料の選択は重要な要素です。 糖分やデンプンの含有量が多い作物が理想的ですが、（腐敗が始まる前に使用すれば）ほぼすべての作物の間引きや余剰でも使用できるため、利用可能な中で最も経済的で持続可能な材料を選択できます。 リンゴやその他の小さな果物、ジャガイモ、豆、小麦、ライ麦、ソルガムの穀物はすべて潜在的な候補であり、加工時に残る乳糖であるチーズホエーも同様です。 飲料、ベーキング、スナック、菓子業界からの食品加工廃棄物は、砂糖 (またはデンプン) の含有量が多いことで有名であり、現場から直接調達される原料の代替となる可能性があります。

発酵が完了したら、水からエタノールを蒸留する必要があります。 これは、蒸留塔を備えた還流蒸留器を使用するのが最も効果的です。 このカラムは、一連の多孔板または充填されたコンパートメントを使用して、分別と呼ばれるプロセスで水を除去します。 加熱された水とアルコールの蒸気が各段階を通過するにつれて、徐々に強いアルコール蒸気が生成されます。 蒸留中、2 つの流体の異なる沸点を利用するためにカラム温度を制御する必要があります。 アルコールの蒸気は上昇しますが、水は凝縮して落下し、蒸気混合物として何度も再導入されます。

最も強力なアルコール蒸気は塔の上部から出て水冷却器で冷却され、192 プルーフ (純度 96 パーセント) エタノールとして収集されます。 残りの 4 パーセントを絞り出すことは可能ですが、追加の機器が必要であり、通常、小規模の事業者にとっては法外なコストがかかります。 また、少量の水が存在してもエンジンの性能に影響を与えることはありません。

車のエンジンは、ストレートエタノールで動作するように改造する必要があります。 最も簡単なエンジンの変更には、点火タイミングを数度進めること、キャブレターのメイン燃料回路を再噴射してジェット直径を面積で 30 ～ 35 パーセント拡大すること、より多くの燃料流量を可能にするためにアイドル回路を調整または拡大することが含まれます。 燃料噴射式エンジンでは、インジェクターを交換して流量を増やしたり、燃料圧力を高めたりすることができます。

エンジンのマイクロプロセッサー制御ユニットをだまして、燃料パルスを開いた状態を長くしたり、混合気を濃くすることで人為的にリーン状態を補償したりするように設計されたアフターマーケットキットもあります。 燃料と空気を予熱し、点火プラグの熱範囲を変更し、圧縮比を高めることで、エンジンをエタノール用にさらに最適化できます。

では、小規模な蒸留所を設立するには何が必要でしょうか? それは、どれだけ小さな操作をしたいかによって異なります。 シンプルなバッチ式蒸留器は、古い給湯器と 3 インチの長さの導管から作られ、木材または天然ガスで加熱されます。 このサイズの蒸留器では、1 時間あたり約 1-1/2 ガロンの燃料用エタノールが製造されます。 100 ドル未満の投資で、完全に再生可能な自家製燃料を使用して芝生トラクターや小型オートバイを稼働させることができます。

より現実的なスケールでは、6 インチの塔型蒸留器を構築すると、1 時間あたり 6 ガロンの生産量が期待できます。これはかなりの収量ですが、追加コストがかかります。 そのサイズでは、原料を準備するためのハンマーミルまたはグラインダー、別々の調理タンクと発酵タンク、蒸留液または残留物を含む使用済みビールの保管容器（市場に流通する蒸留器の穀物を分離するためのプレス機も併せて）を備えたものが最適です。エタノール自体の保管場所。 比重計、数台の温度計、pH および糖度の検査ツールに加えて、遠心ポンプ、配管、バルブも計画に必要な部分です。 500 ～ 1,200 ガロンのタンクに接続された 6 インチのカラムは、1 バッチを 4 ～ 7 時間で実行します。

軟鋼を使用すると、特別なスキルや設備を必要とせずにコンポーネントを溶接して柱を構築できますが、金属は時間の経過とともに最終的に酸化します。 ステンレス鋼の方が良い選択ですが、専門的な製造に支払う多額の予算がない限り、おそらくバットや貯蔵タンクに限定されるでしょう。 使用済みの蒸留塔は、農場および産業オークションのディーラーを通じて入手できる場合があります。

エタノールの製造コストは、プロセスにどれだけの労力を費やすかによって決まります。 たとえ間引かれた原料を使用しても、生産中にエネルギーを無駄にすれば、経済的な製品が保証されるわけではありません。 熱入力の発生源、継続時間、程度は、効率的な酵素と熱回収設計を使用することで節約できる重要な要素です。 栄養素を含むアルコール耐性酵母を使用すると変換効率も向上し、有用な副産物 (高タンパク質の蒸留穀物など) を最大限に活用することで収益が高まります。

あなたが田舎にいて、1エーカー以上の農地をエタノール生産に専念することを選択した場合、その地域に適した作物がどれが耐寒性、耐水性、収穫労力、アルコール（砂糖とアルコール）の最適なバランスをとるかを判断する必要があります。デンプン）収量。 一般的な穀物や根菜類の発酵可能割合は、16 ～ 80 パーセント近くの間で大幅に異なります。 おそらくより重要なのは、エーカー当たりのアルコール収量であり、トウモロコシの場合は約 300 ガロン、テンサイの場合は 400 ガロン、サトウキビ、ソルガム、キクイモの場合は約 600 ガロンに及ぶ可能性があります。 他の作物は収量が低いかもしれませんが、変換、貯蔵、または加工において利点があります。 以下の表は、小規模な操作の場合の代表的なコストと回収の内訳であり、特定の状況によって異なります。

そして、これを心に留めておいてください。今日のガソリンのコストよりも安くエタノールを小規模で製造できるかどうかだけが問題ではありません。 また、クリーンに燃焼し、持続可能な方法で生産された燃料を使用していること、将来的にガス価格がどれほど高騰しても、手頃な価格で自分で燃料を作ることができるという知識もあります。

元々は、『MOTHER EARTH NEWS』2010 年 4 月/5 月号に「Make Your Own Gas! Alcohol Fuel Basics」として掲載されました。

リチャード・フロイデンバーガーは、1980 年から 1990 年までマザー・アース・ニュースの研究施設を管理し、その間アルコール燃料プログラムを調整しました。 彼はノースカロライナ州ヘンダーソンビルに住んでおり、BackHome Magazine の発行者兼技術編集者です。 彼は『アルコール燃料: 再生可能燃料としてのエタノールの作成と使用』の著者でもあります。