דלקים ביולוגיים: הפקת אתנול מחומר צלולוסי
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
בניסוי זה, חומר צלולוסי (כגון גבעולי תירס, עלים, עשבים וכו ') ישמש מזון לייצור אתנול. החו…
1. הכנת מדגם
- בחר חומר צלולוסי שישמש כמאכל. זה יכול להיות גבעולי תירס, עשבים, עלים, מצעים לחיות מחמד, או נייר.
- באמצעות מטחנת טחנת כדור (או מטחנת קפה אם מטחנת כדור אינה זמינה), לטחון את המזון לאבקה דקה ללא חתיכות גדולות שנותרו.
- למדוד 1.0 גרם של הזנה ומניחים בצינור צנטריפוגה 50 מ"ל. תייג את הצינור עם המזון שנבחר.
- סמן צינור צנטריפוגה שני של 50 מ"ל כ"בקרה". אין לשים כל מזון בצינור זה.
2. טיפול מקדים
- הגדירו 500 מל עם כ-400 מל מים על כיריים ומחממים לרתיחה עדינה.
- מוסיפים 25 מ"ל של מים מזוקקים ל -2 צינורות הצנטריפוגה. מערבבים לערבב. שים את המכסה על צינורות הצנטריפוגה באופן רופף.
- שים את צינורות הצנטריפוגה בתוך מלא במים רותחים בעדינות. ודא כי מים מאמבט המים אינו דולף לתוך הצינורות. בואו להרתיח במשך 30 דקות.
- תן צינורות להתקרר לטמפרטורת החדר.
3. עיכול אנזימטי
- הוסף 1 מ"ל של אנזים צלולאז לשני הצינורות.
- שים צינורות באינקובטור ב 50 °C (50 °F) עבור 24 שעות.
- אפשר לצינורות להתקרר לטמפרטורת החדר.
4. תסיסה
- מוסיפים 1.0 גרם של שמרים פעילים (שמרי מכולת רגילים זה בסדר) לכל אחד מצינורות הצנטריפוגות. מערבבים לערבב.
- שים מנעל אוויר על גבי צינור הצנטריפוגה. מנעל האוויר מאפשר CO2 לברוח, שמירה על הלחץ נמוך בצינור הצנטריפוגה.
- מניחים את צינורות הצנטריפוגה במתלה ומכניסים לאינקובטור ב 37 °C (50 °F) למשך 24 שעות.
- באמצעות חיישן אתנול, למדוד את ריכוז האתנול בצינור הבקרה(איור 1). חיישני אתנול ניתן לרכוש דרך ורנייה או PASCO עבור כ $100 כל אחד.
איור 1. בדיקת אתנול המודדת את ריכוז האתנול בצינור הבקרה. - באמצעות חיישן אתנול, למדוד את ריכוז האתנול בצינור המדגם(איור 2).
איור 2. לוח כף יד המציג אחוזים של אתנול.
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!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.