生物燃料: 生产乙醇从纤维素材料

生物燃料是从植物等生物物质中提取的燃料。生物燃料是化石燃料的替代品，因为它们可以从世界许多地方的农作物中获得。此外，它们燃烧更清洁，从而减少温室气体排放。

使用最广泛的生物燃料之一是从植物生物质中提取的乙醇，通常是甘蔗和玉米。在美国，大多数乙醇生物燃料是由玉米生产的。

使用玉米作物作为原料是有争议的，因为玉米的生长是能源密集型的，使用大量的肥料，并且将其用作原料会从食品供应中去除大量玉米，尤其是牲畜饲料。因此，其他植物材料或木质纤维素材料的使用正在增加，例如草、树叶、纸张和农作物的非食用部分。

本视频将介绍从木质纤维素材料中提取乙醇的基础知识，并演示在实验室中从木质纤维素原料生产乙醇。

木质纤维素生物质是指具有木质细胞壁的植物物质。这种类型的植物物质是可用的最丰富的原材料之一，因为它通常是农业和制造业的废物。

细胞壁由高度交联的聚合物木质素和两种复合碳水化合物半纤维素和纤维素组成。纤维素是葡萄糖等可发酵糖的主要来源，但必须首先将其与木质素和半纤维素成分分离。

木质纤维素材料加工的第一步是将干燥的植物物质细磨成粉末。然后，研磨原料经过预处理，以分解细胞壁中的木质素和半纤维素屏障，并能够接触到纤维素。

接下来，用水解酶（如纤维素酶和半纤维素酶）处理纤维素。酶水解将纤维素分解成葡萄糖。最后，葡萄糖与酵母发酵以产生乙醇。

以下实验展示了这种逐步方法，即通过去除木质素和半纤维素，然后对纤维素进行酶处理，然后发酵葡萄糖以生产乙醇。

在这个实验中，乙醇将从玉米秸秆、玉米植株的叶子和茎中生产。使用球磨机研磨机，将原料研磨成细粉，确保没有大块残留。

称取 1 g 原料，放入 50 mL 离心管中，并贴上标签。将第二管标记为对照样品，不要添加任何原料。为了对样品进行预处理，将一个 500 mL 烧杯与大约 400 mL 的水一起设置，然后轻轻煮沸。

将 25 mL 蒸馏水加入两个准备好的离心管中，并松散地盖上盖子。旋转试管以混合。将管子放入沸水中，确保浴缸中的水不会泄漏到管子中。让它们煮 30 分钟，然后取出并冷却至室温。

试管冷却后，向两个试管中加入 1 mL 纤维素酶。将试管放入培养箱中 24 小时。24 小时后，取出试管并让它们冷却至室温。乙醇是由消化的纤维素材料通过酵母发酵产生的。要开始此过程，请向每个离心管中加入 1 g 活性酵母，然后旋转混合。

在离心管上放置气闸。气闸允许发酵过程中产生的二氧化碳逸出，因此压力不会在管中积聚。将离心管放在架子上，并置于 37 °C 的培养箱中。发酵完成后，使用乙醇传感器测量对照管和样品管中的乙醇浓度。

为了使生物燃料成为有竞争力的能源，必须回答有关原料结构和性能的某些问题。

了解木质素在各种植物中的分布非常重要，这样才能有效地去除木质素。在这个例子中，通过从植物茎上切薄层来分析植物细胞壁中的木质素分布。然后使用 532 nm 激光共聚焦显微镜对薄片进行成像，以创建植物茎的三维图像。

使用拉曼光谱法测定木质素含量。通过结合共聚焦图像和拉曼光谱，生成了木质素分布的三维图。

为了最大限度地提高植物原料中生物乙醇的含量，必须比较原料的类型。在这个例子中，乙醇是由纸板生产的，并与玉米秸秆进行了比较。如前所述制备纸板，其中地面纸板经过预处理，然后进行酶消化，以便从材料中分离木质素和半纤维素并将纤维素分解成葡萄糖。然后将提取的葡萄糖与酵母发酵以生成乙醇。事实证明，纸板是优于玉米秸秆的原料，因为它产生的乙醇浓度是溶液中乙醇浓度的两倍多。

在美国，绝大多数生物乙醇是由玉米生产的。虽然从玉米中生产乙醇是能源密集型的，但它比从纤维素生物质中生产乙醇要简单。

为了摆脱玉米原料，纤维素生物质的产量必须优于玉米。在此示例中，使用与前面所示相同的程序比较玉米粉和玉米秸秆。

玉米粉产生的乙醇浓度高于玉米秸秆，这表明玉米是一种比玉米秸秆本身略好的原料。然而，玉米秸秆和其他纤维素原料更丰富且更便宜，可能是一种可行的替代品。

您刚刚观看了 JoVE 的生物燃料简介。您现在应该了解从植物原料生产乙醇，以及与该工艺相关的挑战。感谢观看！