w 2019 roku w Nebrasce wyprodukowano 1,81 miliarda buszli kukurydzy. Około 790 milionów buszli trafia do produkcji etanolu. Zdjęcie dzięki uprzejmości F. John Hay

Ziarno kukurydzy jako surowiec etanolu

wprowadzenie
kukurydza (Zea Mays) jest popularnym surowcem do produkcji etanolu w Stanach Zjednoczonych ze względu na jego obfitość i względną łatwość konwersji do alkoholu etylowego (Etanol). Kukurydza i inne ziarna wysokiej skrobi zostały przekształcone w etanolu przez tysiące lat, ale tylko w ubiegłym wieku ma swoje zastosowanie jako paliwo znacznie rozszerzone., Konwersja obejmuje mielenie, Gotowanie z enzymami, fermentację drożdżami, destylację w celu usunięcia wody. W przypadku paliwa etanolowego uwzględniono jeszcze dwa etapy; sito molekularne, aby usunąć ostatnią wodę i denaturowanie, aby Etanol był niezdatny do picia.

obecne możliwości wykorzystania jako biopaliwo

ziarno kukurydzy jest dobrym surowcem do biopaliw ze względu na zawartość skrobi i stosunkowo łatwą konwersję na Etanol. Infrastruktura do sadzenia, zbioru i przechowywania kukurydzy w masowych ilościach przynosi korzyści przemysłowi etanolu kukurydzianego., W przeciwieństwie do trzciny cukrowej, gdzie ściśnięta woda cukrowa może być bezpośrednio fermentowana, skrobia kukurydziana musi być gotowana z enzymami alfa i gluko amylazy, aby przekształcić skrobię w cukry proste. Pasze celulozowe są jeszcze bardziej oporne i wymagają czasu i energii, aby przekształcić się w cukry proste.
zgodnie ze standardem paliw odnawialnych ustanowionym przez Kongres w 2007 roku (RFS-2) Etanol na bazie ziarna może stanowić 15 miliardów galonów z 36 miliardów galonów rocznie. Zdolność produkcyjna etanolu wynosi 14,7 mld galonów w 2015 r. w porównaniu z 10,6 mld galonów rocznie w 2009 r. (eia.gov).
produkcja kukurydzy w USA, osiągnął rekordowe wyniki w 2014 roku z 14,2 mld buszli (National Ag Statistics Service). Wykorzystanie konwersji kukurydzy na etanol z 2,8 galonów etanolu z buszla kukurydzy całkowita produkcja kukurydzy w USA może wyprodukować około 38 miliardów galonów etanolu, co zapewni około 26% naszego 137 miliardów galonów rocznie zużycia benzyny (Energy Information Administration). Wykorzystanie całej naszej kukurydzy do produkcji etanolu nie jest realistyczne i nie zostało zaproponowane. Stworzenie 15 miliardów galonów w ramach RFS-2 wymagałoby 5,4 miliarda buszli lub około 39% naszych zbiorów kukurydzy 2015., Jedna trzecia kukurydzy wchodzącej do biorefinery etanolu pozostawia jako ziarna destylacyjne, które mogą być używane do zastąpienia kukurydzy w diecie bydła, trzody chlewnej i drobiu. To zastąpienie kukurydzy ziarnami destylatorów zmieniłoby liczbę. Wymagałoby to 27% naszych upraw kukurydzy z 2015 roku. Ze stałym wzrostem plonów USA ma potencjał do zwiększenia produkcji etanolu kukurydzy bez rozszerzenia na nowe Akry.
Biologia i adaptacja
kukurydza (Zea Mays) pochodzi z Ameryki Środkowej, a pierwsze udomowienie rzekomo miało miejsce w Dolinie Tehuacan w Meksyku., Rozprzestrzenianie się kukurydzy na kontynencie północnoamerykańskim stało się ważną rośliną uprawną dla wczesnych Amerykanów. W szczytowym okresie w 1917 roku w Stanach Zjednoczonych posadzono 111 milionów akrów kukurydzy. dziś kukurydza jest sadzona w wielu częściach świata i w wielu stanach USA od Południowej Dakoty Północnej po Teksas i wschód po Nowy Jork. Kukurydza jest dobrze przystosowana do uprawy w temperaturach od 50 do 86 stopni Fahrenheita (Hoeft et. al. 2000). Aby wyprodukować Zboże, kukurydza będzie zużywać około 22 cali wody, która wymaga 12 do 20 cali opadów lub nawadniania w sezonie wegetacyjnym., Wiele części Górnego Środkowego Zachodu jest dobrze przystosowanych do uprawy kukurydzy i obszar ten jest czasami określany jako pas kukurydzy.
produkcja i informacje agronomiczne
kukurydza na Środkowym Zachodzie jest wysiewana od marca do maja i zbierana od września do listopada przez większość lat. Większość sadzonej dziś kukurydzy ma genetyczną odporność na herbicydy, a niektóre owady te cechy pomagają producentom w kontroli chwastów i owadów. W genetyce oporności nasion są wynikiem inżynierii genetycznej i hodowli roślin. Duża część taśmy kukurydzianej obraca produkcję kukurydzy za pomocą soi lub pszenicy., Te rotacje łamią cykle chwastów i owadów i obniżają koszty produkcji. Kukurydza najlepiej reaguje na bardzo żyzne gleby nawozem uzupełniającym stosowanym przez większość lat. Nawóz może być nieorganicznym nawozem chemicznym lub obornikiem. Głównymi składnikami odżywczymi wymaganymi przez kukurydzę są azot, fosfor i potas. Produkcja nieorganicznych nawozów azotowych jest bardzo energochłonna i w rezultacie nawóz azotowy stanowi prawie 30% nakładów energetycznych w produkcji kukurydzy (BESS 2009). Inne ważne środki to nawadnianie i suszenie ziarna., Mniejszy, ale nadal znaczący wkład energii do produkcji kukurydzy to olej napędowy do ciągników, transport, zbiory i środki chemiczne do zwalczania szkodników i zastosowań.
potencjalne plony
średni plon kukurydzy w kraju w 2015 r.wynosił 167,5 buszla na akr. Wydajność kukurydzy wzrosła o około 2 buszle na akr rocznie od 1940 roku (NASS 2009). Wzrost ten prawdopodobnie utrzyma się w przyszłości, a niektórzy przewidują, że tendencja plonów wzrośnie w większym tempie ze względu na biotechnologię i postępy w hodowli. Wydajność etanolu na akr wynosiłaby 462 galony na akr z 165 buszli kukurydzy., Akr trzciny cukrowej może produkować około 35 ton plonu lub około 560 galonów etanolu (Hofstrand, 2009).
wyzwania produkcyjne
produkcja kukurydzy jest obdarzona prawie 100-letnią budową infrastruktury i badaniami. Producenci posiadają ogromną wiedzę i doświadczenie w uprawie kukurydzy. Ta infrastruktura i wiedza hodowców sprawiają, że kukurydza jest naturalną rośliną do rozszerzonych zastosowań, takich jak etanol. Jednak wysokie koszty produkcji i wysokie nakłady sprawiają, że kukurydza jest bardzo intensywna. Inne uprawy bioenergetyczne mogą być mniej intensywne i wymagać mniejszej ilości nakładów., Koszty w porównaniu z zyskiem na akr należy porównać, ponieważ ekonomia jest głównym czynnikiem decydującym o tym, która uprawa jest najlepsza. Uprawa innej rośliny na Akrze, gdzie można uprawiać kukurydzę, wiąże się z ryzykiem znanym jako koszty alternatywne. Ryzyko może obejmować nowy system uprawy, brak infrastruktury zbiorów, transportu lub magazynowania, a także brak rynku towarowego, na którym można by się oprzeć w przypadku niepowodzenia rynku biopaliw.
szacowane koszty produkcji
koszty produkcji różnią się znacznie w zależności od uprawy, nawadniania, celu plonowania (żyzności gleby), harmonogramu opryskiwania lub wyboru nasion i rotacji., Przykładowy budżet kukurydzy z opadami deszczu, bez uprawy, nasionami biotechnologicznymi, rotacją kukurydzy sojowej i 125 celem wydajności buszla obejmowałby: Spray, roślinę, Spray, Spray, Spray, zbiory, Wózek, ciężarówkę i suche ziarno jako operacje za całkowity koszt 211 USD za akr, jeśli koszty ogólne (ubezpieczenie upraw, Ziemia, podatki, itp.) jest wliczony w cenę całkowita wynosi 483 USD za akr. Koszty produkcji rosną do ponad 900 USD na nawadnianych polach z ciągłą kukurydzą (Klein and Wilson, 2015).
kwestie ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju
analiza cyklu życia (LCA) produkcji etanolu z ziarna kukurydzy dała stosunek energii netto 1,2 do 1.,45 (Liska et. al. 2009). Stanowi to tylko 20-45% dodatniego bilansu energii podczas produkcji etanolu z kukurydzy. Liczba ta była krytyką etanolu kukurydzianego ze względu na dużą ilość energii kopalnej używanej do produkcji etanolu. Badanie USDA opublikowane w 2016 donosi, że zwiększona wydajność w zakładach etanolu doprowadziła do wskaźników energii kopalnej w kraju na poziomie 2,0 do 1, a niektóre poszczególne obiekty o wskaźnikach tak wysokich jak 4,0 do 1., (Bilans energetyczny 2015 dla przemysłu etanolu kukurydzianego)
produkcja kukurydzy to bardzo intensywna produkcja roślinna rzędowa, w tym stosowanie dużych ilości nawozów i pestycydów. Przez wiele lat niektóre zbiorniki wodne zostały zanieczyszczone glebą, składnikami odżywczymi i pestycydami spływającymi z pól rolniczych. Wzrost praktyk uprawy bez uprawy i ograniczenie uprawy zmniejszyło erozję gleby, a następnie odpływ składników odżywczych i pestycydów, a tendencja do lepszej ochrony tych akrów nadal trwa., Dzisiejsi producenci kukurydzy produkują więcej ziarna na mniej hektarach przy użyciu lepszych technik konserwacji niż poprzednie pokolenie.

Biofuel Energy Systems Simulator (BESS), 2008, ver.2008.3.1, A Model For Life-Cycle Energy & Emissions Analysis of Corn-Etanol Biofuel Production Systems, University of Nebraska-Lincoln
Bromberg L. and Cohn D. R.,, 2008, Effective Octane and Efficiency Advantages of Direct Injection Alcohol Engines, mit Laboratory for Energy and Environment Report, LFEE 2008-01 RP
Environmental Protection Agency, http://www.EPA.gov
Hoeft R. G., Nafziger E. D., Johnson R. R., 2000, Aldrich S. R. Modern Corn and Soi Production, MCSP Publications Champaign IL
Hofstrand D. http://www.extension.iastate.edu/agdm
,, 2010, Crop Budgets Nebraska 2010, University of Nebraska – Lincoln Extension, EC 872, January
Liska A. J., Yang H. S., Bremer V. R., Klopfenstein T. J., Walters D. T., Erickson G. E., Cassman K. G., 2009, Improvements in Life Cycle Energy Efficiency and Greenhouse Gas Emissions of Corn-Etanol, Journal of Industrial Ecology, 13, 58-74
National Agriculture Statistics Service (NASS), http://www.nass.usda.gov
renewable Fuel Association, http://www.ethanolrfa.org
Smith J. L. and Workman J. P., 2004, alcohol for Motor Fuels, Farm and Ranch Series equipment no. 5.010,