Кукуруза для производства биотоплива

Кукуруза (Зеа Мэйс) является популярным сырьем для производства этанола в Соединенных Штатах из-за его изобилия и относительной легкости преобразования в этиловый спирт (этанол). Кукуруза и другие злаки с высоким содержанием крахмала превращались в этанол на протяжении тысячелетий, но только в прошлом веке его использование в качестве топлива значительно расширилось. Преобразование включает измельчение, приготовление пищи с ферментами, ферментацию с дрожжами и дистилляцию для удаления воды. Для топливного этанола включены еще два этапа: использование молекулярного сита для удаления остатков воды и денатурация, чтобы сделать этанол непригодным для питья.

Текущий потенциал для использования в качестве биотоплива

Кукурузное зерно является хорошим сырьем для биотоплива из-за содержания в нем крахмала и сравнительно легкой конверсии в этанол. Инфраструктура для выращивания, сбора и хранения кукурузы в больших количествах приносит пользу производству кукурузного этанола.В отличие от сахарного тростника, в котором отжатая сахарная вода может подвергаться непосредственному брожению, кукурузный крахмал должен быть приготовлен с ферментами альфа- и глюко-амилазы для преобразования крахмала в простые сахара. Целлюлозное сырье еще более неподатливо и требует времени и энергии для преобразования в простые сахара. В соответствии со стандартом возобновляемого топлива, установленным Конгрессом в 2007 году (RFS-2), этанол на основе зерна может составлять 15 миллиардов галлонов из требуемых 36 миллиардов галлонов в год. Мощность производства этанола на основе кукурузы в 2009 году составила 10,6 млрд галлонов. Добавление простаивающих мощностей увеличило бы потенциальное производство до 12,5 миллиардов галлонов в год (Ассоциация возобновляемых источников топлива).

Производство кукурузы в Соединенных Штатах достигло рекордного уровня в 2009 году: 13,2 млрд бушелей с 86,5 млн акров (Национальная служба сельскохозяйственной статистики). Используя текущую конверсию кукурузы в этанол 2,8 галлона этанола из бушеля кукурузы, общее производство кукурузы в США может дать примерно 37 миллиардов галлонов этанола, что обеспечит примерно 26% наших 137 миллиардов галлонов бензина в год. потребления (Управление энергетической информации). Однако использование всей нашей кукурузы для производства этанола не является ни реалистичным, ни необходимым, и не предлагалось. Создание 15 миллиардов галлонов, необходимых в соответствии с RFS-2, потребует 5,4 миллиарда бушелей или около 41% нашего урожая кукурузы 2009 года. Хотя этот процент кажется довольно высоким, одна треть веса и 100% питательной ценности кукурузы, поступающей на биоочистительный завод сухой мельницы этанола, возвращается на рынок кормов в виде бардового зерна. Эти барды можно использовать для замены кукурузы в рационе крупного рогатого скота, свиней и птицы. Когда эта замена подсчитывается в общих показателях потребления, она снижает число до 27% нашего урожая кукурузы 2009 года, или только 3,6 миллиарда бушелей кукурузы для производства необходимых 15 миллиардов галлонов. На протяжении всей истории в Соединенных Штатах наблюдался устойчивый рост урожайности как кукурузы, так и производства этанола.Весьма вероятно, что Соединенные Штаты смогут увеличить производство этанола из кукурузы, не расширяясь до новых акров, и при этом у них останется достаточно кукурузы для удовлетворения других потребностей внутреннего потребления и экспорта.

Один бушель зерна кукурузы дает одну треть этанола, одну треть зерна после перегонки и одну треть углекислого газа, или 17 фунтов зерна после перегонки и 2,8 галлона этанола.

Биология и адаптация

Кукуруза (Зеа Мэйс) возникла в Центральной Америке с первым одомашниванием, предположительно в долине Теуакан в Мексике. Распространяясь по всему североамериканскому континенту, кукуруза стала важной культурой для первых американцев. На пике своего развития в 1917 году в Соединенных Штатах было засеяно 111 миллионов акров кукурузы (Gibson and Benson, 2002). Сегодня кукурузу выращивают на всех континентах мира, кроме Антарктиды, и выращивают во многих штатах США, от юга Северной Дакоты до Техаса и на восток до Нью-Йорка. Кукуруза хорошо приспособлена к выращиванию при температуре от 50° до 86° по Фаренгейту (Hoeft et al., 2000). Для производства зерна кукурузе требуется примерно от 22 до 28 дюймов воды, что требует от 12 до 20 дюймов осадков или орошения в течение вегетационного периода (Al-Kaisi, 2000; Hoeft et al., 2000; Kranz et al., 2008). . Несмотря на распространенное заблуждение, почти 90% кукурузы, выращиваемой в США, питается только за счет естественных дождей, без необходимости орошения. Многие части Верхнего Среднего Запада хорошо подходят для выращивания кукурузы, и этот район иногда называют Кукурузным поясом.

Производство и агрономическая информация

Кукурузу на верхнем Среднем Западе высевают в период с марта по май, а урожай собирают в период с сентября по ноябрь в большинстве лет. Большая часть посевной сегодня кукурузы обладает генетической устойчивостью к некоторым сорнякам, насекомым и фитопатогенам. Устойчивость гибридов кукурузы к различным вредителям и патогенам является результатом биотехнологии и селекции растений.Биотехнологические свойства помогают производителям бороться с сорняками и насекомыми, значительно сокращая количество пестицидов, попадающих в окружающую среду (Brookes and Barfoot, 2006). Большая часть кукурузного пояса чередуется с другими культурами, такими как соя или пшеница, чтобы разорвать циклы сорняков, насекомых и болезней, а также снизить себестоимость производства. Кукуруза лучше всего реагирует на высокоплодородные почвы с дополнительными удобрениями, вносимыми в большинстве лет. Удобрение может быть неорганическим химическим удобрением или навозом.

Основными питательными веществами, необходимыми кукурузе, являются азот, фосфор и калий. Производство неорганических азотных удобрений очень энергоемко, и в результате азотные удобрения составляют почти 30% энергии, потребляемой при производстве кукурузы (BESS, 2009). Другие основные затраты включают дизельное топливо для тракторов, транспорт, орошение и электричество для орошения и хранения зерна.

Потенциальная доходность

Средняя урожайность кукурузы по стране в 2009 году составляла 165 бушелей с акра. Начиная с 1940 года урожайность кукурузы увеличивалась примерно на 2 бушеля с акра каждый год (NASS, 2009). Это увеличение, вероятно, продолжится и в будущем, при этом некоторые предсказывают, что тенденция урожайности будет усиливаться более высокими темпами из-за биотехнологии и достижений в области селекции. Выход этанола на акр составит 462 галлона на акр при урожайности кукурузы 165 бушелей на акр. Акр сахарного тростника может дать около 35 тонн урожая, в результате чего получается около 560 галлонов этанола из сахарного тростника (Hofstrand, 2009).

Производственные проблемы

Производство кукурузы благословлено почти 100-летним развитием инфраструктуры и исследованиями. Фермеры обладают большими знаниями и опытом выращивания кукурузы. Эта инфраструктура и интеллект производителей делают кукурузу естественной культурой для расширенного использования, например, для производства этанола. Тем не менее, высокие производственные затраты и высокие затраты делают кукурузу очень интенсивной культурой. Другие биоэнергетические культуры могут быть менее интенсивными и требовать меньших затрат.Необходимо сравнить затраты и прибыль на акр, поскольку экономика является основным фактором при принятии решения о том, какая культура лучше. Выращивание другой культуры на акре, где можно было бы выращивать кукурузу, сопряжено с рисками, которые могут включать в себя новую систему возделывания сельскохозяйственных культур; отсутствие инфраструктуры для сбора урожая, транспортировки или хранения; или нет товарного рынка, на который можно было бы опереться, если рынок биотоплива потерпит неудачу.

Сметные производственные затраты

Производственные затраты сильно различаются в зависимости от обработки почвы, орошения, цели по урожайности (плодородия почвы), графика опрыскивания, выбора семян и чередования. Примерный бюджет кукурузы с неорошаемым земледелием, нулевой обработкой, биотехнологическими семенами, севооборотом кукурузы/сои и целью урожайности 120 бушелей будет включать в себя общую стоимость 211 долларов на акр. Если включить накладные расходы (страхование урожая, землю, налоги), общая сумма составит 305 долларов за акр. Затраты на производство увеличиваются до более чем 600 долларов США на орошаемых полях с непрерывной кукурузой (Klein and Wilson, 2010).

Вопросы окружающей среды и устойчивого развития

Анализ жизненного цикла (LCA) производства этанола из кукурузного зерна показал, что коэффициент чистой энергии составляет от 1,2 до 1,45 (Liska et al., 2009), что представляет собой положительный энергетический баланс всего от 20% до 45% при производстве этанола из кукурузы. Основной критикой кукурузного этанола было большое количество ископаемой энергии, используемой в производстве.

Экологические проблемы при производстве кукурузы связаны с эрозией, использованием пестицидов и использованием питательных веществ. Пестициды и питательные вещества могут загрязнять поверхностные и грунтовые воды. Эрозия почвы привела к потере верхнего слоя почвы и загрязнению ручьев и речных систем илом. Постоянное внимание к этим вопросам привело к улучшениям, но они останутся проблемами в растениеводстве.

использованная литература

• Аль-Каиси М. (2000). Использование воды культурами или эвапотранспирация. Университет штата Айова, факультет агрономии. http://www.ipm.iastate.edu/ipm/
• Симулятор биотопливных энергетических систем (BESS), (2008 г.), версия 2008.3.1. Модель для анализа энергии жизненного цикла и выбросов систем производства биотоплива из кукурузного этанола. Университет Небраски-Линкольн.
• Бромберг Л. и Кон Д.Р. (2008).Эффективное октановое число и эффективность двигателей с непосредственным впрыском спирта. Отчет лаборатории энергетики и окружающей среды Массачусетского технологического института, LFEE 2008-01 RP.
• Брукс Г. и Барфут П. (2006). Глобальное воздействие биотехнологических культур: социально-экономические и экологические последствия за первые десять лет коммерческого использования. AgBioForum, 9(3):139-151.
• Агентство по охране окружающей среды, http://www.EPA.gov
• Гибсон Л. и Бенсон Г. (2002). Происхождение, история и использование кукурузы (Зеа Мэйс), Университет штата Айова, факультет агрономии, http://www.agron.iastate.edu
• Хоефт Р. Г., Нафзигер Э. Д., Джонсон Р. Р. (2000). Олдрич С.Р. Современное производство кукурузы и сои, Публикации MCSP, Шампейн, Иллинойс.
• Хофстранд Д. (2009). Этанольная промышленность Бразилии. Ответственный за принятие решений в сельском хозяйстве, Университет штата Айова, http://www.extension.iastate.edu/agdm/
• Кляйн Р.Н. и Уилсон Р.К. (2010), Crop Budgets Nebraska 2010, University of Nebraska–Lincoln Extension, EC 872, http://www.ianrpubs.unl.edu/epublic/live/ec872/build/ec872.pdf
• Кранц В.Л., Ирмак С., ван Донк С.Дж., Йонц К.Д., Мартин Д.Л. (2008). Управление орошением кукурузы, NebGuide, Расширение Университета Небраски-Линкольн, G1850.
• Лиска А.Дж., Ян Х.С., Бремер В.Р., Клопфенштайн Т.Дж., Уолтерс Д.Т., Эриксон Г.Е., Кассман К.Г. (2009). Улучшение энергоэффективности жизненного цикла и выбросов парниковых газов кукурузного этанола. Журнал промышленной экологии, 13:58-74.
• Национальная служба сельскохозяйственной статистики (NASS), http://www.nass.usda.gov
• Ассоциация возобновляемых источников топлива, http://www.этанолrfa.org
• Смит Дж. Л. и Уоркман Дж. П. (2004). Спирт для моторного топлива, серия Farm and Ranch. Расширение государственного университета Колорадо, нет. 5.010.

Авторы этой статьи

• Ф. Джон Хэй, преподаватель дополнительного образования, Университет Небраски в Линкольне

Рецензенты

• Дженнифер Риз, преподаватель дополнительного образования, Университет Небраски в Линкольне
• Деннис Пеннингтон, преподаватель биоэнергетики, Мичиганский государственный университет