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如何由玉米生產(chǎn)乙醇 Nathan S. Mosier and Klein Ileleji 摘要: 燃料乙醇在過去20年來已成為一個(gè)非常重要的農(nóng)產(chǎn)品。 2005年，超過13％的美國玉米產(chǎn)量作出了對這種燃料添加劑/燃料擴(kuò)展，從而減少美國對外國石油進(jìn)口的依賴，是對環(huán)境更清潔，并已對農(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。通過這個(gè)過程稱為“發(fā)酵”，用簡單的糖和酵母產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）和乙醇作為廢品。對于每一個(gè)簡單的糖磅，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)物飼料和出口市場為美國玉米的第三大需求。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衔铮貏e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：濕磨和干磨。干磨乙醇生產(chǎn)的乙醇處理代表在美國（> 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。糖化酶完成對成簡單的糖（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)酵過程中，酵母生長在發(fā)酵罐中，添加玉米醪開始簡單的糖轉(zhuǎn)化為乙醇的過程。在發(fā)酵過程，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)過蒸餾過程中仍然被稱為“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)品市場正好接近工廠，副產(chǎn)品直接可售，從而沒有酒糟或'濕酒糟干燥。 5. 生產(chǎn)乙醇的能源利用 誠然，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，用玉米來制造能源乙醇也有不足。不過，這也是真正轉(zhuǎn)化為汽油和原油煤發(fā)電。 對乙醇生產(chǎn)的重要問題是“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太陽能的捕獲和儲(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)有效的過程產(chǎn)生的能源可再生液體燃料對 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和能源在美國使用的重大影響 美國作為農(nóng)業(yè)的要求和挑戰(zhàn)，增加乙醇生產(chǎn)帶來許多機(jī)會(huì)。玉米飼料，燃料的生產(chǎn)和出口市場的增長。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生產(chǎn)中使用。 參考資料 【1】Farrell, A. E.; Plevin, R. J.; Turner, B. T.; Jones A. D.; O’Hare, M.; Kammen, D. M. “Ethanol Can Contribute to Energy and Environmental Goals,” Science 311(5760): 506 – 508, (2006). 【2】National Corn Growers Association (NCGA) AnnualReport (2005). 【3】Purdue Laboratory of Renewable Resources Engineering 【4】 Rausch, K. D.; Belyea, R. L.; Ellersieck, M. R.; Singh, V.; Johnston, D. B.; Tumbleson, M. E. “Particle Size Distributions of Ground Corn and DDGS From Dry Grind Processing,” Transactions of the ASAE, 48(1):273?277, (2005).。 【5】U.S. Department of Agriculture, National Agriculture Statistics Service . 【6】Watson, S. A., “Structure and Composition,” Corn: Chemistry and Technology, Watson, S. A. And Ramstad, P. E. (eds). American Association of Cereal Chemists, Inc. pp 53-82, (1987). 4