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如何由玉米生產(chǎn)乙醇
Nathan S. Mosier and Klein Ileleji
摘要: 燃料乙醇在過(guò)去20年來(lái)已成為一個(gè)非常重要的農(nóng)產(chǎn)品。 2005年，超過(guò)13％的美國(guó)玉米產(chǎn)量作出了對(duì)這種燃料添加劑/燃料擴(kuò)展，從而減少美國(guó)對(duì)外國(guó)石油進(jìn)口的依賴，是對(duì)環(huán)境更清潔，并已對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響的農(nóng)產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：玉米,乙醇,發(fā)酵法,發(fā)酵車間,蒸餾車間
1. 燃料乙醇
乙醇是糖由酵母發(fā)酵而成的。它是相同的發(fā)酵酒精生產(chǎn)與在啤酒，葡萄酒，和烈酒上。燃料乙醇是乙醇已高度集中，以消除與其他化合物混合，使水和酒精不能飲用。燃料乙醇可單獨(dú)使用作為燃料，如汽車在印地賽車聯(lián)盟，或者可以與汽油混合，作為燃料使用。
今天所有在道路上的汽車和卡車可以使用汽油高達(dá)10％/乙醇混合燃料乙醇（90％汽油），也被稱為“E10中?！备哌_(dá)85％的乙醇混合，也稱為為“E85燃料”，可以用作運(yùn)輸?shù)钠嚭停s每車100美元）稍作修改卡車的燃料。這些靈活燃料汽車可以使用汽油或包括混合E85燃料乙醇。
2. 酵母在生產(chǎn)乙醇中的作用
所有的乙醇生產(chǎn)是根據(jù)酵母活性（酵母），一個(gè)重要的微生物到人類。通過(guò)這個(gè)過(guò)程稱為“發(fā)酵”，用簡(jiǎn)單的糖和酵母產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）和乙醇作為廢品。對(duì)于每一個(gè)簡(jiǎn)單的糖磅，酵母可以生產(chǎn)大約一磅（0.15加侖）乙醇和二氧化碳等量。
3. 玉米作為乙醇原料
表1—2 玉米的組成
水分 蛋白質(zhì) 脂肪 碳水化合物 粗纖維 灰分
6—15 8.5 5—7 65—73 1.3 1.7
`
2005年，約11億蒲式耳玉米生產(chǎn)了在美國(guó)印第安納州，2005年玉米產(chǎn)量約為8.89億蒲式耳（農(nóng)業(yè)部，2006）。美國(guó)乙醇生產(chǎn)在2005年突破4billion加侖，花費(fèi)1.4億蒲式耳的玉米，價(jià)值在29億美元（NCGA，2005年）。這是后動(dòng)物飼料和出口市場(chǎng)為美國(guó)玉米的第三大需求。隨著更多的乙醇工廠建設(shè)的需求和增加乙醇，燃料乙醇產(chǎn)量預(yù)計(jì)將超過(guò)之前設(shè)定的2005年能源政策法案（EPACT05提出了今年2012target 7.5billion加侖）。
????對(duì)玉米作為乙醇生產(chǎn)原料的價(jià)值，是因?yàn)槠浜写罅康奶妓衔?，特別是淀粉，玉米目前的淀粉加工可以很輕松生成單糖，然后可以加入生產(chǎn)乙醇，現(xiàn)代乙醇生產(chǎn)技術(shù)可達(dá)到生產(chǎn)每加侖燃料乙醇用約2.7蒲式耳玉米。
4. 工業(yè)生產(chǎn)乙醇
在美國(guó)工業(yè)生產(chǎn)生產(chǎn)商業(yè)乙醇燃料乙醇是由玉米淀粉轉(zhuǎn)化為單糖(葡萄糖)，主要產(chǎn)品(乙醇)和副產(chǎn)品（例如，動(dòng)物飼料）。兩大生產(chǎn)燃料乙醇工業(yè)的方法是用在美國(guó)：濕磨和干磨。干磨乙醇生產(chǎn)的乙醇處理代表在美國(guó)（> 70％的多數(shù)產(chǎn)品），所有新建乙醇工廠雇用了一些基本的干磨工藝變化，因?yàn)檫@種植物可以在一個(gè)較小的規(guī)模上建立了一個(gè)小投資。
4.1濕磨法
濕磨法是用于除生產(chǎn)燃料乙醇等的許多產(chǎn)品。大型的，資本密集，玉米深加工生產(chǎn)等不同的濕造紙廠的產(chǎn)品，高果糖玉米糖漿（高果糖漿），可生物降解塑料，食品添加劑，如檸檬酸，黃原膠，玉米油（烹調(diào)油），和牲畜飼料。
濕磨被稱為“濕”，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中的第一步是浸泡在水中的糧食（浸泡）軟化糧食，使其更易于分離（分餾）玉米粒的各個(gè)組成部分，使淀粉，纖維，細(xì)菌，等各組成部分分別進(jìn)行處理。
濕法磨乙醇生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品是兩個(gè)動(dòng)物飼料產(chǎn)品，玉米蛋白粉（高蛋白質(zhì)，40％）和玉米蛋白飼料（低蛋白，28％），玉米胚芽，可進(jìn)一步加工成玉米油。
4.2干磨
在干磨法生產(chǎn)乙醇的過(guò)程中，整個(gè)糧食處理主要有五個(gè)步驟：
·(1)干磨（粉碎）
(2)液化
(3)糖化
(4)發(fā)酵
(5)蒸餾和回收
4.2.1干磨
通過(guò)干磨法加工涉及錘磨把玉米粒粉碎到直徑為3.2之間（玉米4.0毫米），以產(chǎn)生一種玉米面粉，然后給玉米粉加水混合為水漿，加入熱穩(wěn)定酶（a-淀粉酶）。
4.2.1液化
這是煮漿，也稱為“液化”。液化是使用噴射爐，使玉米粉漿液在高于100℃（212 ° F）的溫度下。利用熱量和蒸煮過(guò)程的機(jī)械剪切斷使淀粉顆粒的內(nèi)核胚乳在酶的作用下分解成小片段的淀粉聚合物。煮熟的玉米泥，然后讓其冷卻至80-90℃（175-195 ° F），另外添加酶a-淀粉酶，并且繼續(xù)至少液化30分鐘玉米泥漿。
4.2.2糖化
液化后，漿料，現(xiàn)在被稱為“玉米醪”，被冷卻到大約30℃（86 ° F）時(shí)，添加第二個(gè)酶（糖化酶）被。糖化酶完成對(duì)成簡(jiǎn)單的糖（葡萄糖淀粉崩潰）。這一步，被稱為“糖化”。經(jīng)常情況下，這一步的生產(chǎn)條件對(duì)整個(gè)下一步（在發(fā)酵罐發(fā)酵）的產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。
4.2.3發(fā)酵
在發(fā)酵過(guò)程中，酵母生長(zhǎng)在發(fā)酵罐中，添加玉米醪開始簡(jiǎn)單的糖轉(zhuǎn)化為乙醇的過(guò)程。在發(fā)酵過(guò)程，玉米粒（蛋白質(zhì)，油，等）的其他組成部分大致維持不變。在大多數(shù)干磨乙醇工廠，采用連續(xù)添加法，生產(chǎn)開始時(shí)，先將一定量的酒母打入發(fā)酵罐，然后根據(jù)生產(chǎn)，確定流加速度。一般從接種酵母后，應(yīng)于6—8小時(shí)內(nèi)將罐裝滿。
?上流過(guò)程（研磨，液化，糖化）和（蒸餾和回收）下游工序連續(xù)發(fā)生（糧食是不斷通過(guò)設(shè)備處理）。因此，這種設(shè)計(jì)的干磨設(shè)備通常有3個(gè)發(fā)酵罐（發(fā)酵罐）凡在任何時(shí)候，一個(gè)是填充，一個(gè)是發(fā)酵（通常為48小時(shí)），一個(gè)是清空，為下一批準(zhǔn)備。
??? 二氧化碳是發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的。通常情況下，二氧化碳不回收，并從發(fā)酵罐中釋放到大氣中。如果收回，這可以被壓縮二氧化碳和碳酸汽水出售或冷凍干燥成冰冷產(chǎn)品儲(chǔ)存和運(yùn)輸。 4.2.4蒸餾和恢復(fù)
發(fā)酵后，發(fā)酵醪部分含8-12％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的乙醇。因?yàn)橐掖嫉姆悬c(diǎn)為78.5℃,比水的沸點(diǎn)低，因此，乙醇可的提純開可以為“蒸餾”的過(guò)程。常規(guī)蒸餾可以生產(chǎn)出92-95％純度乙醇。為了進(jìn)一步提高乙醇的純度，可以使乙醇/水蒸汽的混合物經(jīng)過(guò)分子篩的吸附分離，從而可以得到濃度達(dá)到“99％（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇產(chǎn)品。
蒸餾剩余的水和玉米固體，經(jīng)過(guò)蒸餾過(guò)程中仍然被稱為“酒糟。酒糟經(jīng)離心后，然后把薄酒糟（濕餅或酒糟固體碎片的液體）?；厥盏降母赡ミM(jìn)程的開始，用來(lái)把干磨后的玉米粉調(diào)為玉米粉漿，以節(jié)約設(shè)施使用的水。
余下的酒糟通過(guò)蒸發(fā)器除去水，很大一部分生產(chǎn)濃縮糖漿。通常，糖漿與酒糟混合，干燥，生產(chǎn)動(dòng)物飼料的所謂“酒糟'干籽?？扇芪铩保―DGS的）。當(dāng)飼料產(chǎn)品市場(chǎng)正好接近工廠，副產(chǎn)品直接可售，從而沒(méi)有酒糟或'濕酒糟干燥。
5. 生產(chǎn)乙醇的能源利用
誠(chéng)然，物理定律支配能量是在一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)形式的能源損失。因此，用玉米來(lái)制造能源乙醇也有不足。不過(guò)，這也是真正轉(zhuǎn)化為汽油和原油煤發(fā)電。
對(duì)乙醇生產(chǎn)的重要問(wèn)題是“是一種真正可再生的燃料乙醇？”和“使用多少化石燃料？”
??? 是的，糧食能源用于生產(chǎn)乙醇，乙醇是一種可再生的燃料，包括拖拉機(jī)，聯(lián)合收割機(jī)燃料，糧食運(yùn)到乙醇工廠，以及在處理玉米乙醇能源。然而，在目前玉米總能量最大的部分是玉米植株對(duì)太陽(yáng)能的捕獲和儲(chǔ)存的糧食淀粉。用于種植和加工玉米生產(chǎn)乙醇的能源超過(guò)了化石燃料的能源，總計(jì)20％—40％（法瑞爾等人，2006）。
在玉米加工乙醇時(shí)，能量大部分是用于蒸餾和DDGS的烘干過(guò)程的步驟。'濕酒糟顆?？梢晕桂B(yǎng)牲畜且接近乙醇廠時(shí)即可節(jié)省烘干的能量，可為干燥玉米和加工乙醇節(jié)約高達(dá)20％的總能量消耗。
6.結(jié)論
現(xiàn)代干磨乙醇工廠可以把玉米粒轉(zhuǎn)換成乙醇（每蒲式耳2.7-2.8加侖）和DDGS的（每蒲式耳17磅）。這個(gè)相當(dāng)有效的過(guò)程產(chǎn)生的能源可再生液體燃料對(duì) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和能源在美國(guó)使用的重大影響
美國(guó)作為農(nóng)業(yè)的要求和挑戰(zhàn)，增加乙醇生產(chǎn)帶來(lái)許多機(jī)會(huì)。玉米飼料，燃料的生產(chǎn)和出口市場(chǎng)的增長(zhǎng)。此外，由于生物技術(shù)的進(jìn)步，人類利用這些新技術(shù)工程正在打開新的原料，如草，玉米秸稈等利用的可能性，相信將有更大的燃料乙醇在未來(lái)生產(chǎn)中使用。
參考資料
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【2】National Corn Growers Association (NCGA) AnnualReport (2005).
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