Biocarburanti: produzione di etanolo da materiali cellulosici

I biocarburanti sono combustibili derivati da materia biologica, come le piante. I biocarburanti rappresentano un'alternativa ai combustibili fossili, in quanto possono provenire da colture in molte parti del mondo. Inoltre, bruciano in modo più pulito, riducendo così le emissioni di gas serra.

Uno dei biocarburanti più utilizzati è l'etanolo derivato da biomasse vegetali, tipicamente canna da zucchero e mais. Negli Stati Uniti, la maggior parte del biocarburante a base di etanolo è prodotto dal mais.

L'uso delle colture di mais come materia prima è controverso, poiché il mais è ad alta intensità energetica per la coltivazione, utilizza una grande quantità di fertilizzanti e il suo uso come materia prima rimuove una grande quantità di mais dall'approvvigionamento alimentare, in particolare dai mangimi per il bestiame. Di conseguenza, l'uso di altri materiali vegetali, o materiali lignocellulosici, come erba, foglie, carta e parti non commestibili delle colture è in aumento.

Questo video tratterà le basi della derivazione dell'etanolo da materiale lignocellulosico e dimostrerà la produzione di etanolo da materie prime lignocellulosiche in laboratorio.

La biomassa lignocellulosica si riferisce alla materia vegetale con pareti cellulari legnose. Questo tipo di materia vegetale è una delle materie prime più abbondanti disponibili, in quanto è spesso un prodotto di scarto dell'agricoltura e della produzione.

Le pareti cellulari sono composte da un polimero altamente reticolato, la lignina, e da due carboidrati complessi, l'emicellulosa e la cellulosa. La cellulosa è la fonte primaria di zuccheri fermentabili, come il glucosio, ma deve essere prima separata dai componenti della lignina e dell'emicellulosa.

Il primo passo nella lavorazione del materiale lignocellulosico consiste nel macinare finemente la materia vegetale secca in polvere. La materia prima macinata viene quindi sottoposta a un pretrattamento per abbattere la barriera di lignina ed emicellulosa nella parete cellulare e consentire l'accesso alla cellulosa.

Successivamente, la cellulosa viene trattata con enzimi idrolitici, come la cellulasi e l'emicellulasi. L'idrolisi enzimatica scompone la cellulosa in glucosio. Infine, il glucosio viene fermentato con lievito per produrre etanolo.

Il seguente esperimento dimostra questo metodo graduale di produzione di etanolo da biomassa cellulosica attraverso la rimozione della lignina e dell'emicellulosa, seguita dal trattamento enzimatico della cellulosa e dalla fermentazione del glucosio per produrre etanolo.

In questo esperimento, l'etanolo sarà prodotto dal pagliaccio di mais, dalle foglie e dagli steli delle piante di mais. Usando un macinatore a palle, macina la materia prima in una polvere fine e assicurati che non rimangano pezzi di grandi dimensioni.

Pesare 1 g di materia prima, metterla in una provetta da centrifuga da 50 ml ed etichettarla. Etichettare una seconda provetta come campione di controllo e non aggiungere alcuna materia prima. Per pretrattare i campioni, preparare un becher da 500 ml con circa 400 ml di acqua e portarlo a ebollizione delicata.

Aggiungere 25 ml di acqua distillata alle due provette da centrifuga preparate e tapparle senza stringere. Agitare i tubi per mescolare. Mettere i tubi nell'acqua bollente e assicurarsi che l'acqua del bagno non fuoriesca nei tubi. Lasciarli bollire per 30 minuti, quindi toglierli e lasciarli raffreddare a temperatura ambiente.

Una volta che le provette si sono raffreddate, aggiungere 1 mL di enzima cellulasi a entrambe le provette. Mettere le provette in un'incubatrice per 24 ore. Trascorse 24 ore, rimuovere i tubi e lasciarli raffreddare a temperatura ambiente. L'etanolo viene prodotto dal materiale cellulosico digerito attraverso la fermentazione del lievito. Per iniziare questo processo, aggiungere 1 g di lievito attivo a ciascuna delle provette da centrifuga e agitare per mescolare.

Posizionare una camera d'aria sulle provette da centrifuga. La camera di compensazione consente all'anidride carbonica generata durante la fermentazione di fuoriuscire in modo che la pressione non si accumuli nel tubo. Posizionare le provette da centrifuga in una griglia e metterle in un'incubatrice a 37 °C. Una volta completata la fermentazione, utilizzare un sensore di etanolo per misurare la concentrazione di etanolo nelle provette di controllo e nel campione.

Per rendere i biocarburanti una fonte di energia competitiva, è necessario rispondere ad alcune domande sulla struttura e sulle prestazioni delle materie prime.

È importante comprendere la distribuzione della lignina nelle varie piante, in modo che la sua rimozione possa essere eseguita in modo efficiente. In questo esempio, la distribuzione della lignina nelle pareti cellulari delle piante è stata analizzata tagliando strati sottili da uno stelo di pianta. Le fette sottili sono state quindi visualizzate utilizzando la microscopia confocale con luce laser a 532 nm per creare immagini tridimensionali del fusto della pianta.

Il contenuto di lignina è stato determinato utilizzando la spettroscopia Raman. Combinando le immagini confocali e gli spettri Raman, è stata generata una mappa tridimensionale della distribuzione della lignina.

Al fine di massimizzare la quantità di bioetanolo derivato dalle materie prime vegetali, è necessario confrontare i tipi di materie prime. In questo esempio, l'etanolo è stato prodotto dal cartone e confrontato con la paglia di mais. Il cartone è stato preparato come mostrato in precedenza, dove il cartone macinato è stato sottoposto a pretrattamento, seguito da digestione enzimatica al fine di separare la lignina e l'emicellulosa dal materiale e scomporre la cellulosa in glucosio. Il glucosio estratto veniva poi fermentato con lievito per produrre etanolo. Il cartone si è dimostrato una materia prima superiore alla paglia di mais, in quanto produceva più del doppio della concentrazione di etanolo in soluzione.

Negli Stati Uniti, la stragrande maggioranza del bioetanolo è prodotta dal mais. Sebbene la produzione di etanolo dal mais sia ad alta intensità energetica, è meno complessa della produzione di etanolo dalla biomassa cellulosica.

Al fine di abbandonare le materie prime di mais, la resa della biomassa cellulosica deve essere migliore di quella del mais. In questo esempio, la farina di mais e la paglia di mais sono state confrontate utilizzando la stessa procedura mostrata in precedenza.

La farina di mais ha prodotto una maggiore concentrazione di etanolo rispetto alla paglia di mais, dimostrando che il mais è una materia prima leggermente migliore rispetto agli steli di mais stessi. Tuttavia, i gambi di mais e altre materie prime cellulosiche sono più abbondanti ed economici e possono fornire una valida alternativa.

Hai appena visto l'introduzione ai biocarburanti di JoVE. Ora dovresti comprendere la produzione di etanolo da materie prime vegetali e le sfide associate al processo. Grazie per l'attenzione!