الوقود الحيوي: إنتاج الإيثانول من مادة السليلوزية

الوقود الحيوي هو وقود مشتق من المواد البيولوجية ، مثل النباتات. يعمل الوقود الحيوي كبديل للوقود الأحفوري ، حيث يمكن الحصول عليه من المحاصيل في أجزاء كثيرة من العالم. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تحترق أكثر نظافة ، وبالتالي تقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

أحد أكثر أنواع الوقود الحيوي استخداما هو الإيثانول المشتق من الكتلة الحيوية النباتية ، وعادة ما يكون قصب السكر والذرة. في الولايات المتحدة ، يتم إنتاج غالبية الوقود الحيوي للإيثانول من الذرة.

يعد استخدام محاصيل الذرة كمادة وسيطة أمرا مثيرا للجدل ، حيث أن الذرة كثيفة الاستخدام للطاقة للنمو ، وتستخدم كمية كبيرة من الأسمدة ، واستخدامها كمادة وسيطة يزيل كمية كبيرة من الذرة من الإمدادات الغذائية ، وخاصة علف الماشية. نتيجة لذلك ، يتزايد استخدام المواد النباتية الأخرى ، أو المواد الليجنوسليلوزية ، مثل العشب والأوراق والورق والأجزاء غير الصالحة للأكل من المحاصيل.

سيغطي هذا الفيديو أساسيات اشتقاق الإيثانول من مادة ليجنوسليلوزية ، ويوضح إنتاج الإيثانول من المواد الأولية اللجنوسليلوزية في المختبر.

تشير الكتلة الحيوية Lignocellulosic إلى المواد النباتية ذات جدران الخلايا الخشبية. يعد هذا النوع من المواد النباتية أحد أكثر المواد الخام المتاحة وفرة ، حيث أنه غالبا ما يكون نفايات الزراعة والتصنيع.

تتكون جدران الخلايا من البوليمر شديد التشابك واللجنين واثنين من الكربوهيدرات المعقدة ، الهيميسليلوز ، والسليلوز. السليلوز هو المصدر الأساسي للسكريات القابلة للتخمير ، مثل الجلوكوز ، ولكن يجب فصله أولا عن مكونات اللجنين والهيميسليلوز.

تتمثل الخطوة الأولى في معالجة المادة اللجنوسليلوزية في طحن المادة النباتية الجافة بدقة إلى مسحوق. ثم تخضع المادة الأولية الأرضية للمعالجة المسبقة لتحطيم حاجز اللجنين والهيميسليلوز في جدار الخلية ، وتمكين الوصول إلى السليلوز.

بعد ذلك ، تتم معالجة السليلوز بإنزيمات تحلل مائي ، مثل السليلوز والهيميسيلولاز. يقوم التحلل المائي الأنزيمي بتكسير السليلوز إلى جلوكوز. أخيرا ، يتم تخمير الجلوكوز بالخميرة لإنتاج الإيثانول.

توضح التجربة التالية هذه الطريقة التدريجية لإنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية السليلوزية من خلال إزالة اللجنين والهيميسليلوز ، يليه المعالجة الأنزيمية للسليلوز ، وتخمير الجلوكوز لإنتاج الإيثانول.

في هذه التجربة ، سيتم إنتاج الإيثانول من سفور الذرة والأوراق والسيقان من نباتات الذرة. باستخدام مطحنة الكرة ، قم بطحن المادة الأولية إلى مسحوق ناعم ، وتأكد من عدم بقاء قطع كبيرة.

قم بوزن 1 جم من المواد الأولية ، وضعها في أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل ، وقم بتسميتها. قم بتسمية أنبوب ثان كعينة تحكم ، ولا تضيف أي مادة وسيطة. لمعالجة العينات مسبقا ، قم بإعداد دورق سعة 500 مل مع حوالي 400 مل من الماء ، واتركه حتى يغلي برفق.

أضف 25 مل من الماء المقطر إلى أنبوبي الطرد المركزي المجهزين وقم بتغطيتهما بشكل غير محكم. قم بتدوير الأنابيب للخلط. ضع الأنابيب في الماء المغلي ، وتأكد من عدم تسرب الماء من الحمام إلى الأنابيب. اتركيها تغلي لمدة 30 دقيقة ، ثم أخرجيها واتركيها تبرد حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة.

بمجرد أن تبرد الأنابيب ، أضف 1 مل من إنزيم السليلاز إلى كلا الأنبوبين. ضع الأنابيب في حاضنة لمدة 24 ساعة. بعد 24 ساعة ، قم بإزالة الأنابيب واتركها لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة. يتم إنتاج الإيثانول من مادة السليلوز المهضومة من خلال التخمير بالخميرة. لبدء هذه العملية ، أضف 1 جم من الخميرة النشطة إلى كل أنبوب من أنابيب الطرد المركزي ، وقم باللف للخلط.

ضع غرفة معادلة الضغط على أنابيب أجهزة الطرد المركزي. يسمح غرفة معادلة الضغط لثاني أكسيد الكربون المتولد أثناء التخمير بالهروب حتى لا يتراكم الضغط في الأنبوب. ضع أنابيب الطرد المركزي في رف ، وضعها في حاضنة عند 37 درجة مئوية. بمجرد اكتمال التخمير ، استخدم مستشعر الإيثانول لقياس تركيز الإيثانول في أنابيب التحكم والعينات.

لجعل الوقود الأحيائي مصدرا تنافسيا للطاقة ، يجب الإجابة على بعض الأسئلة حول هيكل وأداء المواد الأولية.

من المهم فهم توزيع اللجنين في النباتات المختلفة ، بحيث يمكن إزالته بكفاءة. في هذا المثال ، تم تحليل توزيع اللجنين في جدران الخلايا النباتية عن طريق تقطيع طبقات رقيقة من جذع النبات. ثم تم تصوير الشرائح الرفيعة باستخدام الفحص المجهري متحد البؤر مع ضوء ليزر 532 نانومتر لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد لجذع النبات.

تم تحديد محتوى اللجنين باستخدام التحليل الطيفي رامان. من خلال الجمع بين الصور متحد البؤر وأطياف رامان ، تم إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد لتوزيع اللجنين.

من أجل تعظيم كمية الإيثانول الحيوي المشتق من المواد الأولية النباتية ، يجب مقارنة أنواع المواد الأولية. في هذا المثال ، تم إنتاج الإيثانول من الورق المقوى ، ومقارنته بالذرة ستوفر. تم تحضير الورق المقوى كما هو موضح سابقا ، حيث تعرض الورق المقوى المطحون للمعالجة المسبقة ، متبوعا بالهضم الأنزيمي من أجل فصل اللجنين والهيميسليلوز عن المادة وتكسير السليلوز إلى جلوكوز. ثم تم تخمير الجلوكوز المستخرج بالخميرة لإنتاج الإيثانول. أثبت الورق المقوى أنه مادة وسيطة متفوقة على الذرة ، حيث أنتجت أكثر من ضعف تركيز الإيثانول في المحلول.

في الولايات المتحدة ، يتم إنتاج الغالبية العظمى من الإيثانول الحيوي من الذرة. في حين أن إنتاج الإيثانول من الذرة كثيف الاستخدام للطاقة ، إلا أنه أقل تعقيدا من إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية السليلوزية.

من أجل الانتقال بعيدا عن المواد الأولية للذرة ، يجب أن يكون محصول الكتلة الحيوية السليلوزية أفضل من محصول الذرة. في هذا المثال ، تمت مقارنة دقيق الذرة والذرة باستخدام نفس الإجراء كما هو موضح سابقا.

أنتج دقيق الذرة تركيزا أعلى من الإيثانول من الذرة ، مما يدل على أن الذرة هي مادة وسيطة أفضل قليلا من سيقان الذرة نفسها. ومع ذلك ، فإن سيقان الذرة وغيرها من المواد الأولية السليلوزية ، أكثر وفرة وغير مكلفة وقد توفر بديلا قابلا للتطبيق.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الوقود الحيوي. يجب أن تفهم الآن إنتاج الإيثانول من المواد الأولية النباتية والتحديات المرتبطة بالعملية. شكرا للمشاهدة!