バイオ燃料: セルロースからのエタノールの生産

バイオ燃料は、植物などの生物学的物質に由来する燃料です。バイオ燃料は、世界の多くの地域の作物から調達できるため、化石燃料の代替品として機能します。さらに、よりクリーンな燃焼であるため、温室効果ガスの排出量が削減されます。

最も広く使用されているバイオ燃料の1つは、植物バイオマス、通常はサトウキビとトウモロコシに由来するエタノールです。米国では、エタノールバイオ燃料の大部分はトウモロコシから生産されています。

トウモロコシは成長するためにエネルギー集約的であり、大量の肥料を使用し、原料として使用すると、食料供給、特に家畜の飼料から大量のトウモロコシが除去されるため、トウモロコシ作物を原料として使用することは物議を醸しています。その結果、他の植物材料、または草、葉、紙、および作物の非可食部分などのリグノセルロース材料の使用が増加しています。

このビデオでは、リグノセルロース材料からエタノールを誘導する基本を取り上げ、実験室でのリグノセルロース原料からのエタノールの製造を実演します。

リグノセルロース系バイオマスとは、木質細胞壁を持つ植物を指します。このタイプの植物質は、農業や製造業の廃棄物であることが多いため、利用可能な最も豊富な原材料の1つです。

細胞壁は、高度に架橋されたポリマーであるリグニンと、ヘミセルロースとセルロースの2つの複合炭水化物で構成されています。セルロースは、グルコースなどの発酵性糖の主要な供給源ですが、最初にリグニンとヘミセルロースの成分から分離する必要があります。

リグノセルロース材料の処理の最初のステップは、乾燥した植物性物質を粉末に細かく挽くことです。次に、粉砕された原料は、細胞壁のリグニンとヘミセルロースのバリアを破壊し、セルロースへのアクセスを可能にするために前処理を受けます。

次に、セルロースをセルラーゼやヘミセルラーゼなどの加水分解酵素で処理します。酵素による加水分解により、セルロースがグルコースに分解されます。最後に、グルコースを酵母で発酵させてエタノールを生成します。

次の実験は、リグニンとヘミセルロースの除去、続いてセルロースの酵素処理、およびグルコースの発酵によってセルロース系バイオマスからエタノールを製造するこの段階的な方法を示しています。

この実験では、エタノールはトウモロコシ茎葉、トウモロコシ植物の葉と茎から生成されます。ボールミルグラインダーを使用して、原料を微粉末に粉砕し、大きな破片が残らないようにします。

原料1gを秤量し、50mLの遠心チューブに入れて標識します。2 本目のチューブをコントロールサンプルとしてラベル付けし、原料は追加しないでください。サンプルを前処理するには、約400 mLの水を入れた500 mLビーカーをセットし、穏やかに沸騰させます。

準備した2本の遠心分離チューブに蒸留水25mLを加え、ゆるくキャップをします。チューブを渦巻いて混ぜます。チューブを沸騰したお湯に入れ、バスからの水がチューブに漏れないようにします。30分間沸騰させてから、取り出して室温まで冷まします。

チューブが冷えたら、両方のチューブに1mLのセルラーゼ酵素を加えます。チューブをインキュベーターに24時間置きます。24時間後、チューブを取り外し、室温まで冷まします。エタノールは、消化されたセルロース系物質から酵母による発酵によって製造されます。このプロセスを開始するには、各遠心分離チューブに1 gの活性酵母を加え、渦巻いて混合します。

遠心分離管にエアロックを取り付けます。エアロックにより、発酵中に発生する二酸化炭素を逃がすことができるため、チューブ内に圧力が蓄積されるのを防ぎます。遠心分離管をラックに入れ、37°Cのインキュベーターに入れます。発酵が完了したら、エタノールセンサーを使用して、コントロールチューブとサンプルチューブ内のエタノール濃度を測定します。

バイオ燃料を競争力のあるエネルギー源にするためには、原料の構造と性能に関する特定の質問に答える必要があります。

リグニンの除去を効率的に行うためには、さまざまな植物におけるリグニンの分布を理解することが重要です。この例では、植物の茎から薄い層をスライスすることにより、植物の細胞壁のリグニン分布を分析しました。次に、薄いスライスを532 nmレーザー光を用いた共焦点顕微鏡を使用して画像化し、植物の茎の3次元画像を作成しました。

リグニン含有量は、ラマン分光法を使用して決定しました。共焦点画像とラマンスペクトルを組み合わせることで、リグニン分布の3次元マップを生成しました。

植物原料由来のバイオエタノールの量を最大化するためには、原料の種類を比較する必要があります。この例では、エタノールは段ボールから製造され、トウモロコシ茎葉と比較されました。段ボールは、前に示したように調製され、粉砕された段ボールを前処理し、続いて酵素消化を行って、材料からリグニンとヘミセルロースを分離し、セルロースをグルコースに分解しました。抽出したブドウ糖を酵母で発酵させ、エタノールを製造しました。段ボールは、溶液中のエタノールの濃度が2倍以上生成されるため、トウモロコシ茎葉よりも優れた原料であることが証明されました。

米国では、バイオエタノールの大部分はトウモロコシから生産されています。トウモロコシからのエタノールの生産はエネルギー集約的ですが、セルロース系バイオマスからのエタノールの生産よりも複雑ではありません。

トウモロコシ原料から移行するためには、セルロース系バイオマスからの収量がトウモロコシの収量よりも優れている必要があります。この例では、コーンミールとコーン ストーバーを、前に示したのと同じ手順を使用して比較しました。

コーンミールはトウモロコシ茎葉よりも高濃度のエタノールを生成し、トウモロコシがトウモロコシの茎自体よりもわずかに優れた原料であることを示しています。ただし、トウモロコシの茎やその他のセルロース系原料は、より豊富で安価であり、実行可能な代替品を提供する可能性があります。

JoVEのバイオ燃料入門をご覧になりました。これで、植物原料からのエタノールの生産と、そのプロセスに関連する課題について理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます!