Biocombustibles: Producción etanol a partir de material celulósico
Fuente: Laboratorios de Margaret obrero y Kimberly Frye - Universidad de Depaul
En este experimento, se utilizará material celulósico (tales como tall…
1. preparación de la muestra
- Seleccione el material celulósico que se utilizará como materia prima. Esto puede ser tallos de maíz, pastos, hojas, ropa de cama del animal doméstico o papel.
- Usando una amoladora del molino de bola (o molinillo de café si no hay molino molino de bola), moler la materia prima en un polvo fino con no trozos restantes.
- Medir 1.0 g de materia prima y colocarla en un tubo de centrífuga de 50 mL. Etiquetar el tubo con la materia prima elegida.
- Un segundo tubo de centrífuga de 50 mL de la etiqueta como "Control". No ponga cualquier materia prima en este tubo.
2. tratamiento previo
- Configurar un vaso de precipitados de 500 mL con aproximadamente 400 mL de agua sobre una placa caliente y calor a un hervor suave.
- Añadir 25 mL de agua destilada a los tubos de 2 centrífuga. Agite para mezclar. Ponga la tapa en los tubos de la centrífuga sin apretar.
- Poner los tubos de la centrífuga en el vaso lleno de agua ligeramente hirviendo. Asegúrese de que el agua de la bañera de agua no fugas en los tubos. Dejamos cocer durante 30 minutos.
- Deje enfriar los tubos a temperatura ambiente.
3. enzimática digestión
- Añadir 1 mL de enzima celulasa a ambos tubos.
- Poner tubos en una incubadora a 50 ° C durante 24 h.
- Permita que los tubos se enfríen a temperatura ambiente.
4. fermentación
- Agregar 1,0 g de levadura activa (tienda de comestibles regular levadura es aceptable) a cada uno de los tubos de la centrífuga. Agite para mezclar.
- Poner una bolsa de aire en la parte superior del tubo de centrífuga. La esclusa permite CO2 escapar, manteniendo la presión baja en el tubo de centrífuga.
- Colocar los tubos de la centrífuga en una rejilla y poner en una incubadora a 37 ° C durante 24 h.
- Utilizando un sensor de etanol, medir la concentración de etanol en el tubo de control (figura 1). Sensores de etanol pueden adquirirse a través de Vernier o PASCO por aproximadamente $100 cada uno.
Figura 1. Sonda de etanol midiendo la concentración de etanol en el tubo de control. - Utilizando un sensor de etanol, medir la concentración de etanol en el tubo de muestra (figura 2).
Figura 2. Tableta portátil mostrando % de etanol.
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Los biocombustibles son combustibles que se derivan de la materia biológica, como las plantas. Los biocombustibles sirven como alternativa a los combustibles fósiles, ya que pueden obtenerse de cultivos en muchas partes del mundo. Además, son de combustión más limpia, lo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.
Uno de los biocombustibles más utilizados es el etanol derivado de la biomasa vegetal, normalmente la caña de azúcar y el maíz. En Estados Unidos, la mayor parte del biocombustible de etanol se produce a partir del maíz.
El uso de cultivos de maíz como materia prima es controvertido, ya que el maíz requiere mucha energía para crecer, utiliza una gran cantidad de fertilizantes y su uso como materia prima elimina una gran cantidad de maíz del suministro de alimentos, especialmente alimento para el ganado. Como resultado, el uso de otros materiales vegetales o materiales lignocelulósicos, como hierba, hojas, papel y partes no comestibles de los cultivos está aumentando.
Este video cubrirá los conceptos básicos de la derivación de etanol a partir de material lignocelulósico y demostrará la producción de etanol a partir de materias primas lignocelulósicas en el laboratorio.
La biomasa lignocelulósica se refiere a la materia vegetal con paredes celulares leñosas. Este tipo de materia vegetal es una de las materias primas más abundantes disponibles, ya que con frecuencia es un producto de desecho de la agricultura y la manufactura.
Las paredes celulares están compuestas por el polímero altamente reticulado, la lignina, y dos carbohidratos complejos, la hemicelulosa y la celulosa. La celulosa es la principal fuente de azúcares fermentables, como la glucosa, pero primero debe separarse de los componentes de lignina y hemicelulosa.
El primer paso en el procesamiento del material lignocelulósico es moler finamente la materia vegetal seca hasta convertirla en polvo. A continuación, la materia prima molida se somete a un tratamiento previo para romper la barrera de lignina y hemicelulosa en la pared celular y permitir el acceso a la celulosa.
A continuación, la celulosa se trata con enzimas hidrolíticas, como la celulasa y la hemicelulasa. La hidrólisis enzimática descompone la celulosa en glucosa. Finalmente, la glucosa se fermenta con levadura para producir etanol.
El siguiente experimento demuestra este método escalonado de producción de etanol a partir de biomasa celulósica mediante la eliminación de lignina y hemicelulosa, seguido del tratamiento enzimático de la celulosa y la fermentación de la glucosa para producir etanol.
En este experimento, el etanol se producirá a partir del rastrojo de maíz, las hojas y los tallos de las plantas de maíz. Con un molinillo de bolas, muela la materia prima hasta convertirla en un polvo fino y asegúrese de que no queden trozos grandes.
Pesa 1 g de materia prima, colócala en un tubo de centrífuga de 50 ml y etiquétala. Etiquete un segundo tubo como muestra de control y no agregue ninguna materia prima. Para tratar previamente las muestras, coloque un vaso de precipitados de 500 ml con aproximadamente 400 ml de agua y déjelo hervir suavemente.
Agregue 25 ml de agua destilada a los dos tubos de centrífuga preparados y tápelos sin apretar. Gira los tubos para mezclar. Coloque los tubos en el agua hirviendo y asegúrese de que el agua del baño no se filtre a los tubos. Déjalos hervir durante 30 min, luego retíralos y déjalos enfriar a temperatura ambiente.
Una vez que los tubos se hayan enfriado, agregue 1 mL de enzima celulasa a ambos tubos. Coloque los tubos en una incubadora durante 24 h. Después de 24 h, retire los tubos y deje que se enfríen a temperatura ambiente. El etanol se produce a partir del material celulósico digerido a través de la fermentación por levadura. Para comenzar este proceso, agregue 1 g de levadura activa a cada uno de los tubos de centrífuga y revuelva para mezclar.
Coloque una esclusa de aire en los tubos de la centrífuga. La esclusa permite que el dióxido de carbono que se genera durante la fermentación escape para que no se acumule presión en el tubo. Coloque los tubos de centrífuga en una rejilla y colóquelos en una incubadora a 37 ?C. Una vez finalizada la fermentación, utilice un sensor de etanol para medir la concentración de etanol en los tubos de control y de muestra.
Para que los biocombustibles sean una fuente de energía competitiva, se deben responder ciertas preguntas sobre la estructura y el rendimiento de las materias primas.
Es importante comprender la distribución de la lignina en varias plantas, para que su eliminación se pueda realizar de manera eficiente. En este ejemplo, se analizó la distribución de lignina en las paredes celulares de las plantas cortando capas delgadas de un tallo de planta. A continuación, se obtuvieron imágenes de las rodajas finas mediante microscopía confocal con luz láser de 532 nm para crear imágenes tridimensionales del tallo de la planta.
El contenido de lignina se determinó mediante espectroscopía Raman. Mediante la combinación de las imágenes confocales y los espectros Raman, se generó un mapa tridimensional de la distribución de la lignina.
Con el fin de maximizar la cantidad de bioetanol derivado de las materias primas vegetales, se deben comparar los tipos de materias primas. En este ejemplo, el etanol se produjo a partir de cartón y se comparó con el rastrojo de maíz. El cartón se preparó como se mostró anteriormente, donde el cartón molido se sometió a un pretratamiento, seguido de una digestión enzimática con el fin de separar la lignina y la hemicelulosa del material y descomponer la celulosa en glucosa. A continuación, la glucosa extraída se fermentó con levadura para producir etanol. El cartón demostró ser una materia prima superior al rastrojo de maíz, ya que producía más del doble de la concentración de etanol en solución.
En los Estados Unidos, la gran mayoría del bioetanol se produce a partir del maíz. Si bien la producción de etanol a partir de maíz es intensiva en energía, es menos compleja que la producción de etanol a partir de biomasa celulósica.
Para alejarse de las materias primas de maíz, el rendimiento de la biomasa celulósica debe ser mejor que el del maíz. En este ejemplo, la harina de maíz y el rastrojo de maíz se compararon utilizando el mismo procedimiento que se mostró anteriormente.
La harina de maíz produjo una mayor concentración de etanol que el rastrojo de maíz, lo que demuestra que el maíz es una materia prima ligeramente mejor que los propios tallos de maíz. Sin embargo, los tallos de maíz y otras materias primas celulósicas son más abundantes y baratas y pueden proporcionar una alternativa viable.
Acabas de ver la Introducción a los Biocombustibles de JoVE. Ahora debe comprender la producción de etanol a partir de materias primas vegetales y los desafíos asociados con el proceso. ¡Gracias por mirar!
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Q1: What are biofuels and why are they considered an alternative to fossil fuels?
Biofuels are fuels derived from biological matter such as plants and serve as alternatives to fossil fuels because they can be sourced from crops worldwide. They are cleaner burning, reducing greenhouse gas emissions compared to traditional fossil fuels. This makes them an environmentally favorable energy option for reducing carbon footprint.
Q2: Why is cellulosic biomass preferred over corn for ethanol production?
Cellulosic biomass, including corn stalks, leaves, and grasses, is preferred because corn crops are energy intensive to grow, require large quantities of fertilizers, and their use as feedstock removes corn from the food supply. Lignocellulosic materials are abundant waste products from agriculture and manufacturing, making them more sustainable and economical alternatives for ethanol production.
Q3: What are the main components of lignocellulosic plant cell walls?
Lignocellulosic plant cell walls contain three main components: lignin, a highly crosslinked polymer; hemicellulose, a complex carbohydrate; and cellulose, another complex carbohydrate. Cellulose is the primary source of fermentable sugars like glucose, but it must be separated from lignin and hemicellulose before fermentation can occur.
Q4: What are the key steps in converting cellulosic material to ethanol?
The process involves four main steps: grinding dry plant matter into fine powder, pretreating with heat to break down lignin and hemicellulose barriers, treating with hydrolytic enzymes like cellulase to break cellulose into glucose, and fermenting glucose with yeast to produce ethanol. Each step is essential for maximizing ethanol yield from cellulosic feedstocks.
Q5: How does pretreatment improve ethanol production from cellulosic biomass?
Pretreatment, typically involving grinding and heating, breaks down the lignin and hemicellulose barrier in plant cell walls. This process enables access to cellulose, making it available for enzymatic digestion. Without pretreatment, the protective polymer structure prevents enzymes from reaching and breaking down cellulose into fermentable glucose.
Q6: What role do enzymes play in cellulosic ethanol production?
Hydrolytic enzymes, particularly cellulase and hemicellulase, break down cellulose into glucose through enzymatic hydrolysis. These enzymes are applied after pretreatment and work to convert the complex carbohydrate structure into simple sugars that yeast can ferment into ethanol, making enzymatic treatment a critical step in the conversion process.
Q7: How can different cellulosic feedstocks be compared for ethanol production efficiency?
Different feedstocks like cardboard and corn stover can be compared by subjecting them to identical pretreatment, enzymatic digestion, and fermentation procedures, then measuring ethanol concentration. Research shows cardboard produces more than double the ethanol concentration of corn stover. Understanding carbon and nitrogen analysis environmental samples helps optimize feedstock selection for maximum production yield.