Biokraftstoffe: Herstellung von Ethanol aus Zellulose-Material

Biokraftstoffe sind Kraftstoffe, die aus biologischem Material, wie z. B. Pflanzen, gewonnen werden. Biokraftstoffe dienen als Alternative zu fossilen Brennstoffen, da sie in vielen Teilen der Welt aus Nutzpflanzen gewonnen werden können. Darüber hinaus verbrennen sie sauberer und reduzieren so die Treibhausgasemissionen.

Einer der am weitesten verbreiteten Biokraftstoffe ist Ethanol, das aus pflanzlicher Biomasse, typischerweise Zuckerrohr und Mais, gewonnen wird. In den USA wird der Großteil des Ethanol-Biokraftstoffs aus Mais hergestellt.

Die Verwendung von Mais als Rohstoff ist umstritten, da der Anbau von Mais energieintensiv ist, eine große Menge an Düngemitteln verbraucht wird und seine Verwendung als Rohstoff eine große Menge Mais aus der Lebensmittelversorgung nimmt, insbesondere Futtermittel für Nutztiere. Infolgedessen nimmt die Verwendung anderer pflanzlicher Materialien oder lignozellulosehaltiger Materialien wie Gras, Blätter, Papier und nicht essbare Teile von Nutzpflanzen zu.

Dieses Video behandelt die Grundlagen der Gewinnung von Ethanol aus lignozellulosehaltigem Material und demonstriert die Herstellung von Ethanol aus lignozellulosehaltigen Rohstoffen im Labor.

Als lignozellulosehaltige Biomasse wird Pflanzenmaterial mit holzigen Zellwänden bezeichnet. Diese Art von Pflanzenmaterial ist einer der am häufigsten vorkommenden Rohstoffe, da es sich häufig um Abfallprodukte der Landwirtschaft und Produktion handelt.

Die Zellwände bestehen aus dem hochvernetzten Polymer Lignin und den beiden komplexen Kohlenhydraten Hemicellulose und Cellulose. Cellulose ist die Hauptquelle für fermentierbare Zucker wie Glukose, muss aber zuerst von den Lignin- und Hemicellulosekomponenten getrennt werden.

Der erste Schritt bei der Verarbeitung des lignozellulosehaltigen Materials besteht darin, das trockene Pflanzenmaterial fein zu einem Pulver zu vermahlen. Das gemahlene Ausgangsmaterial wird dann einer Vorbehandlung unterzogen, um die Lignin- und Hemizellulosebarriere in der Zellwand aufzubrechen und den Zugang zur Zellulose zu ermöglichen.

Als nächstes wird die Cellulose mit hydrolytischen Enzymen, wie Cellulase und Hemicellulase, behandelt. Durch die enzymatische Hydrolyse wird Cellulose in Glukose aufgespalten. Schließlich wird die Glukose mit Hefe fermentiert, um Ethanol herzustellen.

Das folgende Experiment demonstriert diese schrittweise Methode zur Herstellung von Ethanol aus zellulosehaltiger Biomasse durch die Entfernung von Lignin und Hemicellulose, gefolgt von der enzymatischen Behandlung von Cellulose und der Fermentation von Glukose zur Herstellung von Ethanol.

In diesem Experiment wird Ethanol aus Maisstroh, den Blättern und Stängeln von Maispflanzen hergestellt. Mahlen Sie das Ausgangsmaterial mit einer Kugelmühle zu einem feinen Pulver und stellen Sie sicher, dass keine großen Stücke übrig bleiben.

Wiegen Sie 1 g Ausgangsmaterial, geben Sie es in ein 50-ml-Zentrifugenröhrchen und beschriften Sie es. Kennzeichnen Sie ein zweites Röhrchen als Kontrollprobe und fügen Sie kein Ausgangsmaterial hinzu. Um die Proben vorzubehandeln, stellen Sie ein 500-ml-Becherglas mit ca. 400 mL Wasser auf und bringen Sie es zum sanften Kochen.

Geben Sie 25 mL destilliertes Wasser in die beiden vorbereiteten Zentrifugenröhrchen und verschließen Sie sie locker. Schwenken Sie die Röhren, um sie zu mischen. Legen Sie die Schläuche in das kochende Wasser und stellen Sie sicher, dass das Wasser aus dem Bad nicht in die Schläuche gelangt. 30 min kochen lassen, dann herausnehmen und auf Zimmertemperatur abkühlen lassen.

Sobald die Röhrchen abgekühlt sind, geben Sie 1 ml Cellulase-Enzym in beide Röhrchen. Legen Sie die Röhrchen für 24 Stunden in einen Inkubator. Nach 24 h die Röhren entfernen und auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Ethanol wird aus dem vergärten Zellulosematerial durch Fermentation durch Hefe hergestellt. Um diesen Vorgang zu starten, geben Sie 1 g aktive Hefe in jedes der Zentrifugenröhrchen und schwenken Sie, um es zu mischen.

Platzieren Sie eine Gärschleuse an den Zentrifugenröhrchen. Durch die Schleuse kann das Kohlendioxid, das bei der Gärung entsteht, entweichen, so dass sich kein Druck im Rohr aufbaut. Legen Sie die Zentrifugenröhrchen in ein Gestell und stellen Sie sie in einen Inkubator bei 37 °C. Sobald die Fermentation abgeschlossen ist, verwenden Sie einen Ethanolsensor, um die Ethanolkonzentration in den Kontroll- und Probenröhrchen zu messen.

Um Biokraftstoffe zu einer wettbewerbsfähigen Energiequelle zu machen, müssen bestimmte Fragen zur Struktur und Leistungsfähigkeit der Rohstoffe beantwortet werden.

Es ist wichtig, die Verteilung von Lignin in verschiedenen Pflanzen zu verstehen, damit seine Entfernung effizient durchgeführt werden kann. In diesem Beispiel wurde die Ligninverteilung in pflanzlichen Zellwänden analysiert, indem dünne Schichten aus einem Pflanzenstamm geschnitten wurden. Die dünnen Scheiben wurden dann mittels konfokaler Mikroskopie mit 532 nm Laserlicht abgebildet, um dreidimensionale Bilder des Pflanzenstängels zu erstellen.

Der Ligningehalt wurde mittels Raman-Spektroskopie bestimmt. Durch die Kombination der konfokalen Bilder und der Raman-Spektren wurde eine dreidimensionale Karte der Ligninverteilung erstellt.

Um die Menge an Bioethanol, das aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen wird, zu maximieren, müssen die Arten von Rohstoffen verglichen werden. In diesem Beispiel wurde Ethanol aus Pappe hergestellt und mit Maisstroh verglichen. Der Karton wurde, wie zuvor gezeigt, vorbereitet, wobei der gemahlene Karton einer Vorbehandlung und einem anschließenden enzymatischen Aufschluss unterzogen wurde, um Lignin und Hemicellulose aus dem Material zu trennen und die Zellulose zu Glukose abzubauen. Die extrahierte Glukose wurde dann mit Hefe fermentiert, um Ethanol herzustellen. Pappe erwies sich als überlegener Rohstoff gegenüber Maisstroh, da sie mehr als die doppelte Konzentration von Ethanol in Lösung erzeugte.

In den Vereinigten Staaten wird der überwiegende Teil des Bioethanols aus Mais hergestellt. Die Herstellung von Ethanol aus Mais ist zwar energieintensiv, aber weniger komplex als die Herstellung von Ethanol aus zellulosehaltiger Biomasse.

Um von Maisrohstoffen wegzukommen, muss die Ausbeute aus zellulosehaltiger Biomasse besser sein als die von Mais. In diesem Beispiel wurden Maismehl und Maisstroh mit dem gleichen Verfahren wie zuvor verglichen.

Maismehl produzierte eine höhere Konzentration an Ethanol als Maisstroh, was zeigt, dass Mais ein etwas besserer Rohstoff ist als die Maisstängel selbst. Maisstängel und andere zellulosehaltige Rohstoffe sind jedoch reichlich vorhanden und kostengünstiger und können eine praktikable Alternative darstellen.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in Biokraftstoffe gesehen. Sie sollten nun die Herstellung von Ethanol aus pflanzlichen Rohstoffen und die damit verbundenen Herausforderungen verstehen. Danke fürs Zuschauen!