Nebraska vyrobila v roce 2019 1,81 miliardy bušlů kukuřice. Přibližně 790 milionů bušlů jde na výrobu ethanolu. Foto s laskavým svolením F. John Hay

Kukuřice, Obilí jako Ethanol Suroviny

Úvod
Kukuřice (Zea Mays) je oblíbenou surovinou pro výrobu etanolu ve Spojených Státech, vzhledem k jeho množství a relativní snadnost přechodu na ethylalkohol (ethanol). Kukuřice a další vysoká zrna škrobu byly přeměněny na ethanol po tisíce let, ale teprve v minulém století se jeho použití jako palivo značně rozšířilo., Konverze zahrnuje broušení, vaření enzymy, fermentaci kvasinkami, destilaci k odstranění vody. Pro palivový ethanol jsou zahrnuty další dva kroky; molekulární síto k odstranění poslední vody a denaturaci, aby se ethanol nepropustný.

současný potenciál pro použití jako biopalivo

kukuřičné zrno je dobrou surovinou pro biopaliva díky obsahu škrobu a relativní snadné konverzi na ethanol. Infrastruktura pro pěstování, sklizeň a skladování kukuřice v hromadných množstvích prospívá průmyslu kukuřičného ethanolu., Na rozdíl od cukrové třtiny, kde vymačkané cukr, voda může být přímo fermentované, kukuřičný škrob, musí být vařené s alfa-a gluko-amyláza enzymy k přeměně škrobu na jednoduché cukry. Celulózové suroviny jsou ještě více vzpurné a vyžadují čas a energii k přeměně na jednoduché cukry.
podle standardu obnovitelného paliva stanoveného Kongresem v roce 2007 (RFS-2) může ethanol na bázi zrna tvořit 15 miliard galonů z 36 miliard galonů ročně. Výrobní kapacita ethanolu je 14,7 miliardy galonů v roce 2015 z 10,6 miliardy galonů ročně v roce 2009 (eia.gov).
produkce kukuřice v USA., v roce 2014 dosáhla rekordních maxim se 14,2 miliardami bušlů (National AG Statistics Service). Pomocí kukuřice na etanol konverze 2,8 litrů etanolu z bušl kukuřice celkové AMERICKÉ produkce kukuřice by mohla produkovat přibližně 38 miliard litrů etanolu, které by poskytly přibližně 26% 137 miliard galonů za rok spotřeba benzínu (Energy Information Administration). Použití všech našich kukuřice pro ethanol není realistické a nebylo navrženo. Vytvoření 15 miliard galonů za RFS-2 bude vyžadovat 5,4 miliardy bušlů nebo o 39% 2015 kukuřice plodin., Jedna třetina kukuřice vstupující do ethanolu biorefinery opustí jako destilátory zrna, které mohou být použity k nahrazení kukuřice v skotu, prasata, a drůbež stravy. Tato výměna kukuřice s palírnami zrn by změnila čísla. Vyžadovalo by to 27% naší kukuřičné plodiny v roce 2015. Se stálým nárůstem výnosů má USA potenciál zvýšit produkci kukuřičného ethanolu bez rozšíření na nové akry.
biologie a adaptace
kukuřice (Zea Mays) vznikla ve Střední Americe s první domestikací údajně v Tehuacan Valley v Mexiku., Šíření po celém severoamerickém kontinentu se stalo důležitou plodinou pro rané Američany. Na svém vrcholu v roce 1917, 111 milionů akrů kukuřice byly vysázeny v USA Dnes je kukuřice vysazeny v mnoha částech světa a v mnoha státech v USA od Jižní Severní Dakotě, Texasu a na Východ do New Yorku. Kukuřice je dobře přizpůsobena růstu v teplotách mezi 50 a 86 stupni Fahrenheita (Hoeft et. Ala. 2000). K výrobě obilí, kukuřice bude používat přibližně 22 palců vody, která vyžaduje 12 na 20 palců srážek nebo zavlažování během vegetačního období., Mnoho částí horního Středozápadu se dobře hodí k pěstování kukuřice a tato oblast je někdy označována jako kukuřičný pás.
produkce a agronomické informace
kukuřice na horním Středozápadě se vysazuje mezi březnem a květnem a sklízí se od září do listopadu ve většině let. Většina kukuřice vysazených dnes má genetickou odolnost vůči herbicidům a některým hmyzům tyto vlastnosti pomáhají producentům kontrolovat plevele a hmyz. Genetika rezistence na semena je výsledkem genetického inženýrství a šlechtění rostlin. Velká část kukuřičného pásu otáčí produkci kukuřice se sójovými boby nebo pšenicí., Tyto rotace porušují cykly plevelů a hmyzu a snižují výrobní náklady. Kukuřice nejlépe reaguje na vysoce úrodné půdy s doplňkovým hnojivem aplikovaným ve většině let. Hnojivo může být anorganické chemické hnojivo nebo hnůj. Hlavními živinami vyžadovanými kukuřicí jsou dusík, fosfor a draslík. Výroba anorganických dusíkatých hnojiv je velmi energeticky náročná a výsledkem je, že dusíkaté hnojivo představuje téměř 30% energetických vstupů při výrobě kukuřice (BESS 2009). Mezi další hlavní vstupy patří zavlažování a sušení zrna., Menší, ale stále významný energetický vstup do výroby kukuřice je motorová nafta pro traktory, doprava, sklizeň, a chemikálie pro hubení škůdců a aplikace.
Potenciální Výnosy
Průměrný výnos kukuřice na národní úrovni byl 167.5 bušlů na akr v roce 2015. Výnos kukuřice se od roku 1940 (NASS 2009) zvýšil přibližně o 2 bušly na akr ročně. Toto zvýšení bude pravděpodobně pokračovat do budoucna s některými lidmi, kteří předpovídají trend výnosu, aby se zvýšil ve větší míře díky biotechnologiím a pokrokům v chovu. Výtěžnost ethanolu na akr by byla 462 galonů na akr ze 165 bušlů kukuřice., Akr cukrové třtiny může produkovat přibližně 35 tunový výtěžek nebo asi 560 galonů ethanolu (Hofstrand, 2009).
Výrobní výzvy
produkce kukuřice je požehnána téměř 100 lety budování a výzkumu infrastruktury. Výrobci mají velké znalosti a zkušenosti s pěstováním kukuřice. Díky této infrastruktuře a znalostem pěstitelů je kukuřice přirozenou plodinou pro rozšířená použití, jako je ethanol. Vysoké výrobní náklady a vysoké vstupy však činí kukuřici velmi intenzivní plodinou. Ostatní bioenergetické plodiny mohou být méně intenzivní a vyžadují méně vstupů., Náklady versus zisk na akr je třeba porovnat, protože ekonomika je hlavním tahounem rozhodování o tom, která plodina je nejlepší. Pěstování další plodiny na akru, kde by mohla být pěstována kukuřice, má riziko známé jako náklady na příležitost. Rizika mohou zahrnovat; nový systém oříznutí, žádná infrastruktura pro sklizeň, dopravu nebo skladování a také žádný komoditní trh, na který by se mohl vrátit, pokud trh s biopalivy selže.
Odhadované Výrobní Náklady
Výrobní náklady se velmi liší v závislosti na obdělávání půdy, zavlažování, výnos cíl (úrodnost půdy), postřik plán nebo výběru semen, a rotace., Příklad kukuřice rozpočtu s rainfed, ne-dokud, biotechnologické osivo, kukuřice, sója rotace, a 125 bušl výnos cílem by zahrnovat: Sprej, Rostliny, Sprej, Sprej, Postřik, Sklizeň, Košík, Vozík, a Suché Obilí jako operace na celkové náklady 211 dolarů za akr, pokud režii (pojištění plodin, půdy, daně, atd…) je zahrnuto celkem 483 dolarů za akr. Výrobní náklady se zvyšují na více než 900 $na zavlažovaných polích s nepřetržitou kukuřicí (Klein a Wilson, 2015).
otázky životního prostředí a udržitelnosti
analýza životního cyklu (LCA) výroby ethanolu z kukuřičného zrna přinesla čistý energetický poměr 1, 2 až 1.,45 (Liska et. Ala. 2009). To představuje pouze 20 až 45% pozitivní energetickou rovnováhu při výrobě ethanolu z kukuřice. Toto číslo bylo kritikou kukuřičného ethanolu kvůli velkému množství fosilní energie používané k výrobě ethanolu. USDA Studie zveřejněné v roce 2016, hlásí zvýšenou účinnost v ethanolu zařízení vedly k fosilní energetické poměry na vnitrostátní úrovni 2,0-1 a s některými jednotlivá zařízení s poměry tak vysoko, jak 4.0-1., (2015 energetická bilance pro průmysl kukuřičného ethanolu)
produkce kukuřice je vysoce intenzivní řada plodin včetně použití velkého množství hnojiv a pesticidů. Během mnoha let se některé vodní útvary kontaminovaly půdou, živinami a odtokem pesticidů ze zemědělských polí. Nárůst ne-do a snížené postupy zpracování půdy snížila erozi půdy a následně živin a pesticidů odtok a trend pro lepší ochranu na těchto akrů pokračuje., Dnešní producenti kukuřice produkují více obilí na méně akrech pomocí lepších technik ochrany než předchozí generace.

simulátor energetických systémů biopaliv (BESS), 2008, ver.2008.3.1, Model pro Život-Cyklus Energie & Emise Analýzy Kukuřice-Etanol Výroba Biopaliv Systémy, University of Nebraska-Lincoln
Bromberg L. a D. R. Cohn,, 2008, Účinný Oktanové číslo a Účinnost Výhody Přímého Vstřikování Alkoholu Motory, MIT Laboratoř pro Energii a životní Prostředí Zpráva, LFEE 2008-01 RP
Agentura pro Ochranu Životního prostředí, http://www.EPA.gov
Hoeft R. G., Nafziger. E. D., Johnson R. R., 2000, Aldrich. S. R. Moderní Kukuřice a Sóji Výroby, MCSP Publikace Champaign IL
Hofstrand D., 2009, Brazílie Etanolu Průmyslu, Ag Rozhodovací pravomocí, Iowa State University, http://www.extension.iastate.edu/agdm
Klein r. n. a R. K. Wilson,, 2010, Oříznutí Rozpočtů Nebraska 2010, University of Nebraska – Lincoln Rozšíření, ES 872, leden
Liska a. J., Yang, H. S., V. R. Bremer, Klopfenstein T. J., Walters D. T., G. E. Erickson, Cassman K. G., 2009, Zlepšení Životní Cyklus Energetické Účinnosti a Emisí Skleníkových Plynů z Kukuřice-Etanol, Journal of Industrial Ecology, 13, 58-74
Národní zemědělské Statistiky, Služby (NASS), http://www.nass.usda.gov
Obnovitelné Palivo Asociace, http://www.ethanolrfa.org
Smith J. L. a Dělník J. P., 2004, Líh pro Motorová Paliva, Farma a Ranč Řady Zařízení, bez. 5.010,