JoVE Science Education

Environmental Sciences

Environmental Science

Biocarburants : produire de l'éthanol à partir de matière cellulosique

Biofuels: Producing Ethanol from Cellulosic Material

JoVE Science Education
Environmental Science

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Environmental Science

Biofuels: Producing Ethanol from Cellulosic Material

1.3: Using GIS to Investigate Urban Forestry

1.15: Analysis of Earthworm Populations in Soil

53,090 Views

•

07:34 min

•

April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye – Depaul University

Cellulosiques (tels que des tiges de maïs, feuilles, herbes, etc.), dans cette expérience, servira de matière première pour la production d’éthanol. Le matériau cellulosique est tout d’abord prétraité (rez-de-chaussée et chauffée), digérés par les enzymes et puis fermentés avec des levures. Production d’éthanol est contrôlée à l’aide d’une sonde de l’éthanol. L’expérience peut être étendue pour optimiser la production d’éthanol en faisant varier la matière première utilisée, conditions de prétraitement, variation de l’enzyme, variation de la levure, etc.. Une autre méthode de contrôle de la réaction est de mesurer le dioxyde de carbone produit (à l’aide d’un détecteur de gaz) au lieu de l’éthanol. Comme une alternative Low-Tech, glucomètres (trouvés dans n’importe quel magasin de drogue) peuvent être utilisés pour surveiller la glycémie au cours du processus, si un détecteur de gaz éthanol sonde ou dioxyde de carbone n’est pas disponible.

Avec une emphase accrue sur “apprentissage fondé sur la recherche », sondes scientifiques sont de plus en plus populaires. Appareils de poche comme la quête de laboratoire Vernier utilisé en conjonction avec une variété de sondes (tels que ceux de la conductivité, oxygène dissous, tension, etc.) permettant de moins se concentrer sur la collecte de données et/ou de faire des graphiques et plus sur l’analyse des données et faire des prédictions. Un autre avantage est que ceux-ci sont compacts et légers et peuvent être prises dans le champ pour les mesures.

Principles

Aux États-Unis, cherche à se sevrer hors de combustibles fossiles, en particulier le pétrole utilisé dans l’essence. Changement climatique, la dépendance à l’égard des pays étrangers et une instabilité politique accrue dans le monde entier sont seulement quelques raisons pour lesquelles. Une façon possible de diminuer notre dépendance au pétrole comme un carburant de transport consiste à utiliser plus d’éthanol. Actuellement, l’essence ordinaire contient environ 10 % d’éthanol comme additif. Véhicules flex-fuel spécial peuvent consommer d’essence E85, qui est de 85 % d’éthanol. ¹

Au Brésil, l’éthanol est faite à l’aide de canne à sucre comme matière première. Le principal produit de la canne à sucre est le saccharose, qui est un disaccharide de glucose et de fructose. La plupart des espèces de levures ont la saccharase enzymatique et sont capables de cliver le glucose – obligations de fructose. Le saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁) est fermenté par les levures pour produire de l’éthanol et du gaz carbonique. La réaction chimique globale apparaît dans l’équation 1. ^{2, 3}

Toutefois, aux États-Unis, l’éthanol est fait de maïs. Maïs stocke les glucides comme un polysaccharide appelé amidon. Cela nécessite plus d’efforts que de faire de l’éthanol de canne à sucre parce que la levure ne peut pas se clivent les liaisons dans l’amidon. Pour rendre l’éthanol de maïs, premiers grains de maïs doivent être au sol vers le haut, puis le maïs moulu traités avec des enzymes pour convertir l’amidon dans le maïs au glucose. Après cette étape, le processus se poursuit comme dans la méthode de la canne à sucre dessus à l’aide de levure pour faire fermenter le glucose en éthanol et en dioxyde de carbone. La réaction chimique est montrée dans l’équation 2. ²

La production d’éthanol de maïs est problématique, cependant. D’une part, il faut du maïs sur l’approvisionnement en aliments, en particulier d’alimentation pour le bétail, ainsi grimper les prix. C’est aussi l’énergie et engrais intensive pour produire maïs, diminuant son opportunité comme une alternative de carburant de transport de pétrole. Par conséquent, les scientifiques sont tournent à cellulosiques pour faire de l’éthanol. Ces matériaux comprendre le bois, les graminées et les parties non comestibles des plantes. Celles-ci sont préférables car ils n’ont aucune incidence d’approvisionnement alimentaire. Toutefois, afin de libérer le glucose de la matière cellulosique, beaucoup plus d’effort est nécessaire, car le glucose à partir de matières cellulosiques est lié à la cellulose, qui est ensuite enveloppée avec l’hémicellulose et la lignine. La cellulose doit d’abord être extrait des hémicelluloses et liaisons de la lignine. Cela se fait par un prétraitement de meulage et hydrolyse acide. Ensuite, la cellulose est traitée avec des enzymes de le casser vers le haut en son glucose composant. Enfin, le glucose peut être fermenté avec de la levure pour produire de l’éthanol et l’eau. Le processus peut se résumer comme le montre l’équation 3.

C’est actuellement trop énergivore pour rendre une méthode pratique pour la production d’éthanol à grande échelle. Toutefois, des recherches sont en cours pour améliorer le processus. ^{2, 3}

Procedure

1. préparation de l’échantillon

Sélectionnez cellulosiques pour être utilisé comme matière première. Cela peut être des tiges de maïs, herbes, feuilles, litière pour animaux de compagnie ou du papier.
À l’aide d’une meuleuse moulin à billes (ou moulin à café si ball mill moulin n’est pas disponible), moudre des matières premières en une fine poudre pas de gros morceaux restant.
Mesurer à 1,0 g de matière première et le placer dans un tube à centrifuger de 50 mL. Etiqueter le tube avec la matière première choisie.
Un deuxième tube à centrifuger 50 mL qualifier de « Contrôle ». Ne mettez pas de toute matière première dans ce tube.

2. prétraitement

Mettre en place un bécher de 500 mL avec environ 400 mL d’eau sur une plaque de cuisson et faire chauffer jusqu’à ébullition douce.
Ajouter 25 mL d’eau distillée pour les tubes de 2 centrifugeuse. Tourbillon de mélanger. Remettre le capuchon sur les tubes de centrifugeuse sans serrer.
Mettre les tubes à centrifuger dans le bécher rempli de doucement l’eau bouillante. N’oubliez pas que l’eau du bain-marie ne fuit pas dans les tubes. Laisser bouillir pendant 30 min.
Laisser refroidir de tubes à température ambiante.

3. Digestion enzymatique

Ajouter 1 mL d’enzyme cellulase dans les deux tubes.
Mettre les tubes dans un incubateur à 50 ° C pendant 24 h.
Laisser les tubes refroidir à température ambiante.

4. la fermentation

Ajouter 1,0 g de levure active (épicerie régulière levure est OK) à chacun des tubes de centrifugeuse. Tourbillon de mélanger.
Mettre une poche d’air sur le dessus du tube à centrifuger. Le SAS permet de CO₂ d’échapper, maintenir la pression en bas dans le tube à centrifuger.
Placer les tubes de centrifugeuse dans un rack et mis dans un incubateur à 37 ° C pendant 24 h.
À l’aide d’un capteur d’éthanol, mesurer la concentration d’éthanol dans le tube de contrôle (Figure 1). Capteurs d’éthanol peuvent être achetés par Vernier ou PASCO pour environ 100 $ chacun.

Figure 1. Sonde d’éthanol mesurant la concentration d’éthanol dans le tube de contrôle.
À l’aide d’un capteur d’éthanol, mesurer la concentration d’éthanol dans le tube à essais (Figure 2).

Figure 2. Tablette de poche affichage % d’éthanol.

Les biocarburants sont des carburants dérivés de matières biologiques, comme les plantes. Biocarburants servent d’alternative aux combustibles fossiles, comme elles peuvent provenir de cultures dans de nombreuses régions du monde. En outre, ils nettoyant brûlent, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre.

L’un des biocarburants plus largement utilisés est l’éthanol dérivé de la biomasse végétale, en général la canne à sucre et du maïs. Aux États-Unis, la majorité des biocarburant éthanol est produite à partir de maïs.

L’utilisation du maïs cultures comme une matière première est controversée, comme maïs est énergivore à croître, utilise une grande quantité d’engrais et de son utilisation comme matière première supprime une grande quantité de maïs de l’approvisionnement alimentaire, surtout alimentation pour le bétail. En conséquence, l’utilisation d’autres matières végétales, ou des matériaux lignocellulosiques, tels que l’herbe, les feuilles, le papier et les parties non comestibles des récoltes est en augmentation.

Cette vidéo va couvrir les bases de la dérivation de l’éthanol de matière lignocellulosique et démontrer la production d’éthanol à partir de matières premières lignocellulosiques en laboratoire.

La biomasse lignocellulosique fait référence aux matières ligneuses des parois cellulaires des plantes. Ce type de matière végétale est l’une des plus abondantes matières premières disponibles, comme c’est souvent un produit des déchets de l’agriculture et de la fabrication.

Les parois des cellules sont composées de l’hémicellulose polymère lignine et deux hydrates de carbone complexes, hautement réticulé et de cellulose. Cellulose est la principale source de sucres fermentescibles, comme le glucose, mais il doit être tout d’abord séparé des lignine et hémicellulose composants.

La première étape de transformation de la matière lignocellulosique est de broyer finement la matière végétale sèche en poudre. La matière première au sol subit ensuite un prétraitement pour rompre les barrières de la lignine et hémicellulose dans la paroi cellulaire et permettre l’accès à la cellulose.

Ensuite, la cellulose est traitée avec des enzymes hydrolytiques, tels que la cellulase et hémicellulase. L’hydrolyse enzymatique rompt la cellulose en glucose. Enfin, le glucose est fermenté avec de la levure pour produire de l’éthanol.

L’expérience suivante illustre cette méthode par étapes de production d’éthanol à partir de la biomasse par la suppression de la lignine et d’hémicellulose, suivi par le traitement enzymatique de la cellulose et la fermentation du glucose pour produire de l’éthanol cellulosique.

Dans cette expérience, l’éthanol est produite à partir des résidus de maïs, les feuilles et les tiges de plants de maïs. À l’aide d’une meule de moulin de boule, broyer les matières premières en poudre fine et faire en sorte qu’aucun gros morceaux ne reste.

Peser 1 g de matières premières, placez-le dans un tube à centrifuger de 50 mL et l’étiquette. Étiqueter un deuxième tube comme témoin et ne pas ajouter de toute matière première. Pour pré-traiter les échantillons, mis en place un bécher de 500 mL avec environ 400 mL d’eau et amener à ébullition douce.

Ajouter 25 mL d’eau distillée pour les deux tubes de centrifugeuse préparés et leur cap sans serrer. Agiter les tubes à mélanger. Placer les tubes dans l’eau bouillante et faire en sorte que l’eau du bain ne fuit pas dans les tubes. Laissez-les bouillir pendant 30 min, puis retirer et laisser refroidir à température ambiante.

Une fois que les tubes ont refroidi, ajouter 1 mL d’enzyme cellulase dans les deux tubes. Placer les tubes dans un incubateur pendant 24 h. Après 24h, retirer les tubes et laissez-les refroidir à température ambiante. Éthanol est issu de la matière cellulosique digérée par fermentation par la levure. Pour commencer ce processus, ajoutez 1 g de levure active à chacun des tubes de centrifugeuse et agiter pour mélanger.

Placer un bouchon d’air sur les tubes à centrifuger. Le SAS permet le dioxyde de carbone qui est généré lors de la fermentation de s’échapper alors que la pression ne monte pas dans le tube. Placer les tubes de centrifugeuse dans un rack et placer dans un incubateur à 37 ° C. Une fois la fermentation terminée, utilisez une sonde éthanol pour mesurer la concentration d’éthanol dans les tubes de contrôle et d’échantillonnage.

Pour faire des biocarburants une source d’énergie compétitive, certaines questions concernant la structure et la performance des matières premières il faut répondre.

Il est important de comprendre la répartition de la lignine dans diverses plantes, donc sa suppression peut être réalisée efficacement. Dans cet exemple, la distribution de lignine dans les parois cellulaires des plantes a été analysée par tranchage des couches minces d’une tige de la plante. Les fines tranches ont été projetés puis à l’aide de la microscopie confocale à 532 nm laser pour créer des images en trois dimensions de la tige de la plante.

Teneur en lignine a été déterminée à l’aide de la spectroscopie Raman. En combinant les images confocales et les spectres Raman, une carte tridimensionnelle de la distribution de la lignine a été générée.

Afin de maximiser la quantité de bioéthanol dérivé de matières premières végétales, les types de matières premières doivent être comparées. Dans cet exemple, l’éthanol a été produit à partir de carton et par rapport aux canne de maïs. Le carton a été préparé comme indiqué précédemment, où le carton au sol a été soumis à un prétraitement, suivie d’une digestion enzymatique afin de séparer le matériel de la lignine et hémicellulose et de décomposer la cellulose en glucose. Le glucose extrait a été ensuite fermenté avec des levures pour produire de l’éthanol. Carton a été une charge supérieure à la canne de maïs, car il produit plus de deux fois la concentration d’éthanol dans la solution.

Aux Etats-Unis, la grande majorité de bioéthanol est produite à partir de maïs. La production d’éthanol de maïs est énergivore, mais il est moins complexe que la production d’éthanol à partir de la biomasse cellulosique.

Pour la transition de matières premières de maïs, le rendement de la biomasse cellulosique doit être meilleur que celle du maïs. Dans cet exemple, semoule de maïs et maïs fourrage ont été comparées en utilisant la même procédure comme indiqué précédemment.

Semoule de maïs produit une plus forte concentration d’éthanol de canne de maïs, montrant que le maïs est une charge un peu mieux que les tiges de maïs eux-mêmes. Cependant, les tiges de maïs et d’autres matières premières cellulosiques, sont plus abondants et bon marché et pourrait constituer une alternative viable.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux biocarburants. Vous devez maintenant comprendre la production d’éthanol à partir de matières premières végétales et les défis associés au processus. Merci de regarder !

Results

Le % d’éthanol dans la solution apparaît sur l’écran de la tablette de poche utilisant le logiciel lié à la marque de la sonde de l’éthanol utilisée (Figure 2).

Des résultats représentatifs de l’éthanol pourcentage émanant de diverses matières premières peuvent être vu dans le tableau 1.

Matières premières	Éthanol produit
Sciure de bois	0,70 %
Tiges de maïs	0,60 %
En carton	1.67 %
Panic	0,37 %
Contrôle	0,11 %

Table 1. Résultats représentatifs de l’éthanol pourcentage émanant de diverses matières premières.

Applications and Summary

La Energy Independence and Security Act of 2007 défini dans la loi un carburant renouvelable standard. Il a créé une application progressive pour les volumes de carburant renouvelable commençant à 9 milliards de gallons en 2008 et se terminant à 36 milliards de gallons en 2022. De cette 36 milliards, il était prévu que 16 milliards de qui proviendrait de matériaux cellulosiques. Pour 2014, la proposition initiale était de 18,15 milliards de gallons de carburant renouvelable, 1,75 milliards de celui provenant de matériaux cellulosiques. Malheureusement, basée sur le volume d’éthanol cellulosique qui n’est possible d’être produites actuellement, ce nombre a dû être réduite à 17 millions de gallons d’après une récente proposition de l’EPA. ¹ améliorer le processus de création de l’éthanol à partir de matières cellulosiques est actuellement une zone très chaude de la recherche. Dans cette expérience, les étudiants seront être émulant les pratiques scientifiques qui suivent les scientifiques dans les laboratoires de recherche de pointe.

Une variété de matériaux de matières premières de la biomasse peut être utilisée pour produire de l’éthanol cellulosique pour le transport. Bioénergie Technologies Office de le U.S. Department of Energy s’attache à développer des matières cellulosiques de matériel végétal de base non alimentaires et les technologies connexes qui permettront une conversion économiquement faisable de cette biomasse en carburants de transport. Ils étudient les sources de biomasse allant de résidus agricoles, cultures énergétiques herbacées et matériaux de la forêt de gaspiller des matériaux et des algues. Dans cette activité de laboratoire, étudiants peuvent varier les matières premières qu’ils utilisent et comparer la quantité d’éthanol qui en résulte. Les possibilités incluent la canne de maïs, herbes, feuilles, carton, Journal, papier, fleurs, etc..

Un barrage routier à la production d’éthanol cellulosique à grande échelle est le caractère coûteux (à la fois en termes d’argent et d’énergie) du processus de prétraitement. Beaucoup de recherches se fait sur la réduction de ces coûts et facilite la décomposition de la matière cellulosique. Entreprises de l’enzyme passent beaucoup de temps et d’argent, développer de nouvelles enzymes pour augmenter le rendement de l’éthanol. Dans cette activité de laboratoire, les étudiants peuvent varier les enzymes qu’ils utilisent et comparer la quantité d’éthanol qui en résulte. Une variété d’enzymes Cellulase peut être achetée auprès des entreprises de produits chimiques qui se vendent dans les écoles, tels que la cellulase d’Aspergillus niger ou cellulase de Trichoderma virde. Ou des enzymes peuvent être achetés de sociétés de spécialité d’enzyme, mais elles sont coûteuses. Autres enzymes peuvent servir, comme l’amylase, de comparer leur capacité de production d’éthanol à partir de matières cellulosiques d’origine à celle des cellulases.

Un autre domaine émergent de la recherche améliore la capacité de la levure pour convertir la biomasse cellulosique en éthanol. Lignocellulose a évolué chez les plantes pour assurer la stabilité. Cela est dû à la réticulation entre cellulose et hémicellulose et les liens ester en lignine. Il est nécessaire de séparer la cellulose de la lignine et ensuite traiter la cellulose pour décomposer en un monosaccharide. En outre, l’hémicellulose a un pourcentage élevé des pentoses comme xylose, qui est plus difficile à fermenter qu’un hexose comme le glucose. ⁴

References

The Energy Independence and Security Act of 2007. United States Congress, Washington DC. January 4, (2007).
Balat, M., Balat, H., Oz, C. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science. 34 (2008).
Ragauskas, A.J., Williams, C.K., Davison, B.H., Britovsek, G., Cairney, J., Eckert, C.A., Frederick Jr, W.J., Hallett, J.P., Leak, D.J., Liotta, C.L., Mielenz, J.R., Murphy, R., Templer, R., Tschaplinski, T. The Path Forward for Biofuels and Biomaterials. Science. 311 484 (2006).
Demirbas, A. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Source. 27 327-337 (2005).

Transcript

Biofuels are fuels that are derived from biological matter, such as plants. Biofuels serve as an alternative to fossil fuels, as they can be sourced from crops in many parts of the world. Additionally, they are cleaner burning, thereby reducing greenhouse gas emissions.

One of the most widely used biofuels is ethanol derived from plant biomass, typically sugar cane and corn. In the US, the majority of ethanol biofuel is produced from corn.

The use of corn crops as a feedstock is controversial, as corn is energy intensive to grow, uses a large quantity of fertilizers, and its use as a feedstock removes a large quantity of corn from the food supply, especially feed for livestock. As a result, the use of other plant materials, or lignocellulosic materials, such as grass, leaves, paper, and non-edible parts of crops is increasing.

This video will cover the basics of deriving ethanol from lignocellulosic material, and demonstrate the production of ethanol from lignocellulosic feedstocks in the laboratory.

Lignocellulosic biomass refers to plant matter with woody cell walls. This type of plant matter is one of the most abundant raw materials available, as it is frequently a waste product of agriculture and manufacturing.

The cell walls are composed of the highly crosslinked polymer, lignin, and two complex carbohydrates, hemicellulose, and cellulose. Cellulose is the primary source of fermentable sugars, such as glucose, but it must be first separated from the lignin and hemicellulose components.

The first step in processing of the lignocellulosic material is to finely grind the dry plant matter into a powder. The ground feedstock then undergoes pretreatment to break down the lignin and hemicellulose barrier in the cell wall, and enable access to the cellulose.

Next, the cellulose is treated with hydrolytic enzymes, such as cellulase and hemicellulase. The enzymatic hydrolysis breaks down cellulose into glucose. Finally, the glucose is fermented with yeast to produce ethanol.

The following experiment demonstrates this step-wise method of producing ethanol from cellulosic biomass through the removal of lignin and hemicellulose, followed by the enzymatic treatment of cellulose, and the fermentation of glucose to produce ethanol.

In this experiment, ethanol will be produced from corn stover, the leaves and stalks from corn plants. Using a ball mill grinder, grind the feedstock into a fine powder, and ensure that no large pieces remain.

Weigh 1 g of feedstock, place it into a 50-mL centrifuge tube, and label it. Label a second tube as the control sample, and do not add any feedstock. To pretreat the samples, set up a 500-mL beaker with approximately 400 mL of water, and bring it to a gentle boil.

Add 25 mL of distilled water to the two prepared centrifuge tubes and cap them loosely. Swirl the tubes to mix. Place the tubes in the boiling water, and ensure that the water from the bath does not leak into the tubes. Allow them to boil for 30 min, then remove and let them cool to room temperature.

Once the tubes have cooled, add 1 mL of cellulase enzyme to both tubes. Place the tubes in an incubator for 24 h. After 24 h, remove the tubes and allow them to cool to room temperature. Ethanol is produced from the digested cellulosic material through fermentation by yeast. To begin this process, add 1 g of active yeast to each of the centrifuge tubes, and swirl to mix.

Place an airlock on the centrifuge tubes. The airlock allows the carbon dioxide that is generated during the fermentation to escape so pressure does not build up in the tube. Place the centrifuge tubes in a rack, and place in an incubator at 37 °C. Once fermentation is complete, use an ethanol sensor to measure the ethanol concentration in the control and sample tubes.

To make biofuels a competitive energy source, certain questions about the structure and performance of the feedstocks must be answered.

It is important to understand the distribution of lignin in various plants, so its removal can be performed efficiently. In this example, the lignin distribution in plant cell walls was analyzed by slicing thin layers from a plant stem. The thin slices were then imaged using confocal microscopy with 532 nm laser light to create three-dimensional images of the plant stem.

Lignin content was determined using Raman spectroscopy. By combining the confocal images and the Raman spectra, a three-dimensional map of lignin distribution was generated.

In order to maximize the amount of bioethanol derived from plant feedstocks, the types of feedstocks must be compared. In this example, ethanol was produced from cardboard, and compared to corn stover.The cardboard was prepared as shown previously, where the ground cardboard was subjected to pretreatment, followed by enzymatic digestion in order to separate lignin and hemicellulose from the material and break down the cellulose to glucose. The extracted glucose was then fermented with yeast to produce ethanol. Cardboard proved to be a superior feedstock to corn stover, as it produced more than double the concentration of ethanol in solution.

In the United States, the vast majority of bioethanol is produced from corn. While the production of ethanol from corn is energy intensive, it is less complex than the production of ethanol from cellulosic biomass.

In order to transition away from corn feedstocks, the yield from cellulosic biomass must be better than that of corn. In this example, cornmeal and corn stover were compared using the same procedure as shown previously.

Cornmeal produced a higher concentration of ethanol than corn stover, showing that corn is a slightly better feedstock than the corn stalks themselves. However, corn stalks and other cellulosic feedstocks, are more plentiful and inexpensive and may provide a viable alternative.

You’ve just watched JoVE’s Introduction to Biofuels. You should now understand the production of ethanol from plant feedstocks, and the challenges associated with the process. Thanks for watching!

Tags

Valeur vide question