Nebraska ha prodotto 1,81 miliardi di bushel di mais nel 2019. Circa 790 milioni di bushel vanno alla produzione di etanolo. Foto per gentile concessione di F. John Hay

Grano di mais come materia prima etanolo

Introduzione
Mais (Zea Mays) è una materia prima popolare per la produzione di etanolo negli Stati Uniti a causa della sua abbondanza e relativa facilità di conversione in alcool etilico (etanolo). Mais e altri grani di amido alto sono stati convertiti in etanolo per migliaia di anni, ma solo nel secolo scorso ha il suo uso come combustibile notevolmente ampliato., La conversione include la macinazione, la cottura con enzimi, la fermentazione con lievito, la distillazione per rimuovere l’acqua. Per l’etanolo combustibile sono inclusi altri due passaggi; setaccio molecolare per rimuovere l’ultimo dell’acqua e denaturazione per rendere l’etanolo imbevibile.

Potenziale attuale per l’uso come biocarburante

Il grano di mais è una buona materia prima per biocarburanti grazie al suo contenuto di amido e alla relativa facile conversione in etanolo. L’infrastruttura per piantare, raccogliere e conservare il mais in quantità di massa avvantaggia l’industria dell’etanolo di mais., A differenza della canna da zucchero in cui l’acqua zuccherata spremuta può essere fermentata direttamente, l’amido di mais deve essere cotto con enzimi alfa e gluco-amilasi per convertire l’amido in zuccheri semplici. Le materie prime cellulosiche sono ancora più recalcitranti e richiedono tempo ed energia per convertirsi in zuccheri semplici.
Secondo lo standard di combustibile rinnovabile fissato dal congresso nel 2007 (RFS-2) l’etanolo a base di cereali può costituire 15 miliardi di galloni dei 36 miliardi di galloni all’anno. La capacità di produzione di etanolo è di 14,7 miliardi di galloni nel 2015 rispetto a 10,6 miliardi di galloni all’anno nel 2009 (eia.gov).
Produzione di mais negli Stati Uniti, raggiunto livelli record nel 2014 con 14,2 miliardi di bushel (National Ag Statistics Service). Utilizzando una conversione di mais in etanolo di 2,8 galloni di etanolo da un bushel di mais la produzione totale di mais negli Stati Uniti potrebbe produrre circa 38 miliardi di galloni di etanolo che fornirebbero circa il 26% dei nostri 137 miliardi di galloni all’anno consumo di benzina (Energy Information Administration). Utilizzando tutto il nostro mais per l’etanolo non è realistico e non è stato proposto. Creare i 15 miliardi di galloni sotto il RFS-2 richiederebbe 5,4 miliardi di bushel o circa il 39% del nostro raccolto di mais 2015., Un terzo del mais che entra in una bioraffineria di etanolo lascerà come distillatori cereali che possono essere utilizzati per sostituire il mais nelle diete di bovini, suini e pollame. Questa sostituzione di mais con distillatori cereali cambierebbe i numeri. Richiederebbe 27% del nostro raccolto di mais 2015. Con un costante aumento dei rendimenti, gli Stati Uniti hanno il potenziale per aumentare la produzione di etanolo di mais senza espandersi a nuovi acri.
Biologia e adattamento
Mais (Zea Mays) origine in America Centrale con la prima addomesticamento preteso di essere nella Valle di Tehuacan del Messico., Diffusione in tutto il continente nordamericano mais è diventato un raccolto importante per i primi americani. Al suo apice nel 1917, 111 milioni di acri di mais sono stati piantati negli Stati Uniti Oggi il mais è piantato in molte parti del mondo e in molti stati degli Stati Uniti dal sud del Nord Dakota al Texas e ad est a New York. Il mais è ben adattato alla crescita a temperature comprese tra 50 e 86 gradi Fahrenheit (Hoeft et. al. 2000). Per produrre grano, mais utilizzerà circa 22 pollici di acqua che richiede 12 a 20 pollici di pioggia o irrigazione durante la stagione di crescita., Molte parti del Midwest superiore sono adatti per coltivare il mais e questa zona è a volte indicato come la corn-belt.
Produzione e informazioni agronomiche
Il mais nel Midwest superiore viene seminato tra marzo e maggio e raccolto tra settembre e novembre nella maggior parte degli anni. La maggior parte del mais piantato oggi ha una resistenza genetica agli erbicidi e alcuni insetti questi tratti aiutano i produttori a controllare le erbacce e gli insetti. Nella resistenza dei semi la genetica è il risultato dell’ingegneria genetica e dell’allevamento delle piante. Gran parte della cintura di mais ruota la produzione di mais con soia o grano., Queste rotazioni rompono i cicli di infestanti e insetti e riducono i costi di produzione. Il cereale risponde meglio ai suoli altamente fertili con il fertilizzante supplementare applicato nella maggior parte degli anni. Il fertilizzante può essere fertilizzante chimico inorganico o letame. I principali nutrienti richiesti dal mais sono azoto, fosforo e potassio. La produzione di fertilizzanti azotati inorganici è molto energivora e di conseguenza il fertilizzante azotato rappresenta quasi il 30% degli input energetici nella produzione di mais (BESS 2009). Altri input importanti includono l’irrigazione e l’essiccazione del grano., L’input di energia più piccolo ma ancora significativo alla produzione del cereale è combustibile diesel per i trattori, il trasporto, il raccolto e le sostanze chimiche e l’applicazione della gestione dei parassiti.
Rendimenti potenziali
La resa media del mais a livello nazionale è stata di 167,5 bushel per acro nel 2015. La resa di mais è aumentata di circa 2 bushel per acro all’anno dal 1940 (NASS 2009). Questo aumento continuerà probabilmente in futuro con alcune persone che prevedono che la tendenza alla resa aumenti a un ritmo maggiore a causa della biotecnologia e dei progressi nell’allevamento. La resa di etanolo per acro sarebbe di 462 galloni per acro da 165 bushel di mais., Un acro di canna da zucchero può produrre una resa approssimativa di 35 tonnellate o circa 560 galloni di etanolo (Hofstrand, 2009).
Sfide di produzione
La produzione del cereale è benedetta con quasi 100 anni di accumulazione e di ricerca dell’infrastruttura. I produttori hanno una grande conoscenza ed esperienza nella coltivazione del mais. Questa infrastruttura e la conoscenza del coltivatore rende il mais una coltura naturale per usi espansi come l’etanolo. Tuttavia, gli alti costi di produzione e gli elevati input rendono il mais una coltura molto intensiva. Altre colture bioenergetiche possono essere meno intensive che richiedono meno input., I costi contro il profitto per acro devono essere confrontati come economia sono un driver importante nella decisione su quale raccolto è migliore. Crescere un altro raccolto su un acro dove il mais potrebbe essere coltivato ha rischio noto come costi di opportunità. I rischi possono includere; un nuovo sistema di coltivazione, nessuna infrastruttura di raccolta, trasporto o stoccaggio e anche nessun mercato delle materie prime su cui ripiegare se il mercato dei biocarburanti fallisce.
Costi di produzione stimati
I costi di produzione variano ampiamente a seconda della lavorazione, dell’irrigazione, dell’obiettivo di resa (fertilità del suolo), del programma di spruzzatura o della selezione dei semi e della rotazione., Un budget di mais di esempio con rainfed, no-till, semi biotech, rotazione di soia di mais e obiettivo di resa di 125 bushel includerebbe: Spray, Pianta, Spray, Spray, Spray, Raccolto, carrello, camion e grano secco come operazioni per un costo totale di ac 211 per acro se overhead (assicurazione delle colture, terreni, tasse, ecc is) è incluso il totale è di ac 483 per acro. I costi di produzione aumentano a oltre $900 sui campi irrigati con mais continuo (Klein e Wilson, 2015).
Problemi ambientali e di sostenibilità
L’analisi del ciclo di vita (LCA) della produzione di etanolo dal grano di mais ha prodotto un rapporto energetico netto di 1,2 a 1.,45 (Liska et. al. 2009). Questo rappresenta solo un bilancio energetico positivo del 20-45% quando si produce etanolo dal mais. Questo numero è stato la critica di etanolo di mais a causa della grande quantità di energia fossile utilizzata per produrre etanolo. Uno studio USDA pubblicato nel 2016 riporta una maggiore efficienza negli impianti di etanolo che ha portato a rapporti di energia fossile a livello nazionale a 2.0 a 1 e con alcune singole strutture con rapporti fino a 4.0 a 1., (Bilancio energetico 2015 per l’industria dell’etanolo di mais)
La produzione di mais è una produzione di colture di fila altamente intensiva, compreso l’uso di grandi quantità di fertilizzanti e pesticidi. Nel corso di molti anni alcuni corpi idrici sono stati contaminati da suolo, nutrienti e deflusso di pesticidi dai campi agricoli. L’aumento delle pratiche di lavorazione senza lavorazione e ridotta ha ridotto l’erosione del suolo e successivamente il deflusso di nutrienti e pesticidi e la tendenza a una migliore conservazione su questi acri continua., I produttori di mais di oggi stanno producendo più grano su meno acri utilizzando tecniche di conservazione migliori rispetto alla generazione precedente.

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