דלקים ביולוגיים: הפקת אתנול מחומר צלולוסי

דלקים ביולוגיים הם דלקים שמקורם בחומר ביולוגי, כמו למשל צמחים. דלקים ביולוגיים משמשים כחלופה לדלקים מאובנים, שכן ניתן להפיק אותם מגידולים בחלקים רבים של העולם. בנוסף, הם נשרפים נקיים יותר, ובכך מפחיתים את פליטת גזי החממה.

אחד הדלקים הביולוגיים הנפוצים ביותר הוא אתנול שמקורו בביומסה צמחית, בדרך כלל קנה סוכר ותירס. בארה"ב, רוב הדלק הביולוגי אתנול מיוצר מתירס.

השימוש בגידולי תירס כחומר גלם שנוי במחלוקת, שכן גידול תירס עתיר אנרגיה, משתמש בכמות גדולה של דשנים, והשימוש בו כחומר גלם מסיר כמות גדולה של תירס מאספקת המזון, במיוחד מזון לבעלי חיים. כתוצאה מכך, השימוש בחומרים צמחיים אחרים, או בחומרים ליגנוצלולוזיים, כגון דשא, עלים, נייר וחלקים לא אכילים של יבולים הולך וגובר.

סרטון זה יכסה את היסודות של הפקת אתנול מחומר ליגנוצלולוז, וידגים את ייצור האתנול מחומרי גלם ליגנוצלולוזיים במעבדה.

ביומסה ליגנוצלולוזית מתייחסת לחומר צמחי עם דפנות תאים עציים. סוג זה של חומר צמחי הוא אחד מחומרי הגלם הנפוצים ביותר שיש, מכיוון שהוא לעתים קרובות תוצר פסולת של חקלאות וייצור.

דפנות התא מורכבות מפולימר צולב מאוד, ליגנין, ושתי פחמימות מורכבות, המיצלולוז ותאית. תאית היא המקור העיקרי לסוכרים מותססים, כגון גלוקוז, אך תחילה יש להפריד אותה ממרכיבי הליגנין וההמיצלולוזה.

השלב הראשון בעיבוד החומר הליגנוצלולוזי הוא טחינה דק של החומר הצמחי היבש לאבקה. לאחר מכן חומר הזנה טחון עובר טיפול מקדים כדי לפרק את מחסום הליגנין וההמיצלולוז בדופן התא, ולאפשר גישה לתאית.

לאחר מכן, מטפלים בתאית באנזימים הידרוליטיים, כגון צלולאז והמיצלולאז. ההידרוליזה האנזימטית מפרקת תאית לגלוקוז. לבסוף, הגלוקוז מותסס עם שמרים לייצור אתנול.

הניסוי הבא מדגים שיטה צעדית זו לייצור אתנול מביומסה תאית באמצעות הסרת ליגנין והמיצלולוז, ולאחר מכן טיפול אנזימטי בתאית, ותסיסה של גלוקוז לייצור אתנול.

בניסוי זה, אתנול יופק מצמחי תירס, העלים והגבעולים מצמחי תירס. בעזרת מטחנת כדור טוחנים את חומר ההזנה לאבקה דקה, ומוודאים שלא יישארו חתיכות גדולות.

שקלו 1 גרם חומרי הזנה, הניחו אותו בצינור צנטריפוגה של 50 מ"ל וסמנו אותו. סמן צינור שני כדגימת הבקרה, ואל תוסיף חומרי גלם. כדי לטפל מראש בדגימות, הקימו כוס של 500 מ"ל עם כ-400 מ"ל מים, והביאו לרתיחה עדינה.

הוסף 25 מ"ל מים מזוקקים לשני צינורות הצנטריפוגה המוכנים וכסה אותם באופן רופף. מערבבים את הצינורות לערבוב. הניחו את הצינורות במים הרותחים, וודאו שהמים מהאמבטיה לא ידלפו לצינורות. הניחו להם לרתיחה במשך 30 דקות, ואז הוציאו אותם ותנו להם להתקרר לטמפרטורת החדר.

לאחר שהצינורות התקררו, הוסף 1 מ"ל של אנזים צלולאז לשני הצינורות. מניחים את הצינורות בחממה למשך 24 שעות. לאחר 24 שעות, הסר את הצינורות ואפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר. אתנול מיוצר מחומר התאית המעוכל באמצעות תסיסה על ידי שמרים. כדי להתחיל בתהליך זה, הוסיפו 1 גרם שמרים פעילים לכל אחד מצינורות הצנטריפוגה, וערבבו לערבוב.

הנח נעילת אוויר על צינורות הצנטריפוגה. נעילת האוויר מאפשרת לפחמן הדו חמצני שנוצר במהלך התסיסה לברוח כך שהלחץ לא יצטבר בצינור. מניחים את צינורות הצנטריפוגה במתלה, ומניחים באינקובטור בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס. לאחר השלמת התסיסה, השתמש בחיישן אתנול כדי למדוד את ריכוז האתנול בצינורות הבקרה והדגימה.

כדי להפוך דלקים ביולוגיים למקור אנרגיה תחרותי, יש לענות על שאלות מסוימות לגבי המבנה והביצועים של חומרי הזנה.

חשוב להבין את התפלגות הליגנין בצמחים שונים, כך שניתן יהיה לבצע את הסרתו ביעילות. בדוגמה זו, התפלגות הליגנין בדפנות תאי הצמח נותחה על ידי חיתוך שכבות דקות מגזע הצמח. לאחר מכן צולמו הפרוסות הדקות באמצעות מיקרוסקופיה קונפוקלית עם אור לייזר של 532 ננומטר כדי ליצור תמונות תלת מימדיות של גזע הצמח.

תכולת הליגנין נקבעה באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן. על ידי שילוב התמונות הקונפוקליות וספקטרום הראמאן, נוצרה מפה תלת מימדית של התפלגות הליגנין.

על מנת למקסם את כמות הביו-אתנול שמקורו בחומרי הזנה צמחיים, יש להשוות בין סוגי חומרי ההזנה. בדוגמה זו, אתנול הופק מקרטון, והושווה לתירס. הקרטון הוכן כפי שהוצג קודם לכן, כאשר הקרטון הטחון עבר טיפול מקדים, ואחריו עיכול אנזימטי על מנת להפריד ליגנין והמיצלולוז מהחומר ולפרק את התאית לגלוקוז. לאחר מכן הגלוקוז המופק הותסס עם שמרים לייצור אתנול. קרטון הוכיח את עצמו כחומר גלם עדיף על תירס, מכיוון שהוא ייצר יותר מפי שניים מריכוז האתנול בתמיסה.

בארצות הברית, הרוב המכריע של ביו-אתנול מיוצר מתירס. בעוד שייצור אתנול מתירס הוא עתיר אנרגיה, הוא פחות מורכב מייצור אתנול מביומסה תאית.

על מנת להתרחק מחומרי הזנה של תירס, התשואה מביומסה תאית חייבת להיות טובה יותר מזו של תירס. בדוגמה זו, קמח תירס וסטובר תירס הושוו באמצעות אותו הליך שהוצג קודם לכן.

קמח תירס ייצר ריכוז גבוה יותר של אתנול מאשר תירס, מה שמראה שתירס הוא חומר גלם מעט טוב יותר מגבעולי התירס עצמם. עם זאת, גבעולי תירס וחומרי גלם תאיים אחרים, הם בשפע וזולים יותר ועשויים לספק אלטרנטיבה בת קיימא.

זה עתה צפיתם במבוא לדלקים ביולוגיים של JoVE. כעת עליך להבין את ייצור האתנול מחומרי גלם צמחיים, ואת האתגרים הקשורים לתהליך. תודה שצפית!