바이오 연료: 셀룰로오스 물질에서 에탄올 생산

바이오 연료는 식물과 같은 생물학적 물질에서 파생된 연료입니다. 바이오 연료는 세계 여러 지역의 작물에서 얻을 수 있기 때문에 화석 연료의 대안으로 사용됩니다. 또한 더 깨끗하게 연소되어 온실 가스 배출을 줄입니다.

가장 널리 사용되는 바이오 연료 중 하나는 식물 바이오매스, 일반적으로 사탕수수와 옥수수에서 추출한 에탄올입니다. 미국에서는 대부분의 에탄올 바이오 연료가 옥수수에서 생산됩니다.

옥수수를 원료로 사용하는 것은 옥수수가 재배하는 데 에너지 집약적이고, 많은 양의 비료를 사용하며, 옥수수를 공급 원료로 사용하면 식량 공급, 특히 가축 사료에서 많은 양의 옥수수가 제거되기 때문에 논란의 여지가 있습니다. 그 결과, 다른 식물 재료 또는 잔디, 나뭇잎, 종이 및 작물의 먹을 수 없는 부분과 같은 리그노셀룰로오스 재료의 사용이 증가하고 있습니다.

이 비디오는 리그노셀룰로오스 물질에서 에탄올을 추출하는 기본 사항을 다루고 실험실에서 리그노셀룰로오스 공급 원료에서 에탄올을 생산하는 방법을 보여줍니다.

리그노셀룰로오스 바이오매스는 목질 세포벽이 있는 식물 물질을 말합니다. 이러한 유형의 식물 물질은 농업 및 제조업의 폐기물인 경우가 많기 때문에 사용 가능한 가장 풍부한 원료 중 하나입니다.

세포벽은 고도로 가교결합된 고분자인 리그닌(lignin)과 두 가지 복합 탄수화물인 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 셀룰로오스(cellulose)로 구성되어 있습니다. 셀룰로오스는 포도당과 같은 발효성 당의 주요 공급원이지만 먼저 리그닌 및 헤미셀룰로오스 성분에서 분리해야 합니다.

리그노셀룰로오스 물질 가공의 첫 번째 단계는 건조 식물 물질을 분말로 미세하게 분쇄하는 것입니다. 그런 다음 분쇄 공급 원료는 세포벽의 리그닌 및 헤미셀룰로오스 장벽을 파괴하고 셀룰로오스에 접근할 수 있도록 전처리를 거칩니다.

다음으로, 셀룰로오스는 셀룰라아제 및 헤미셀룰라아제와 같은 가수분해 효소로 처리됩니다. 효소 가수분해는 셀룰로오스를 포도당으로 분해합니다. 마지막으로, 포도당은 효모와 함께 발효되어 에탄올을 생성합니다.

다음 실험은 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거하여 셀룰로오스 바이오매스에서 에탄올을 생산한 다음 셀룰로오스를 효소 처리하고 포도당을 발효시켜 에탄올을 생산하는 이 단계적 방법을 보여줍니다.

이 실험에서 에탄올은 옥수수 스토버, 옥수수 식물의 잎과 줄기에서 생산됩니다. 볼 밀 그라인더를 사용하여 공급 원료를 미세한 분말로 분쇄하고 큰 조각이 남지 않도록 합니다.

공급 원료 1g의 무게를 측정하고 50mL 원심분리 튜브에 넣고 라벨을 붙입니다. 두 번째 튜브를 대조군으로 표시합니다.ample, 공급 원료를 추가하지 마십시오. 샘플을 전처리하려면 약 400mL의 물이 담긴 500mL 비커를 설정하고 부드럽게 끓입니다.

준비된 두 개의 원심분리기 튜브에 증류수 25mL를 넣고 느슨하게 캡을 씌웁니다. 튜브를 소용돌이쳐 섞습니다. 끓는 물에 튜브를 넣고 욕조의 물이 튜브로 새지 않도록 합니다. 30분 동안 끓인 다음 제거하고 실온으로 식히십시오.

튜브가 냉각되면 두 튜브에 셀룰라아제 효소 1mL를 추가합니다. 튜브를 인큐베이터에 24시간 동안 넣습니다. 24시간 후 튜브를 제거하고 실온으로 식히십시오. 에탄올은 효모에 의한 발효를 통해 소화된 셀룰로오스 물질로부터 생산됩니다. 이 과정을 시작하려면 각 원심분리기 튜브에 활성 효모 1g을 넣고 섞도록 휘젓습니다.

원심분리기 튜브에 에어록을 놓습니다. 에어록은 발효 중에 발생하는 이산화탄소를 배출하여 튜브에 압력이 축적되지 않도록 합니다. 원심분리기 튜브를 랙에 놓고 37°C의 인큐베이터에 넣습니다. 발효가 완료되면 에탄올 센서를 사용하여 제어 및 샘플 튜브의 에탄올 농도를 측정합니다.

바이오 연료를 경쟁력 있는 에너지원으로 만들기 위해서는 공급 원료의 구조와 성능에 대한 몇 가지 질문에 답해야 합니다.

다양한 식물에서 리그닌의 분포를 이해하는 것이 중요하므로 리그닌 제거가 효율적으로 수행될 수 있습니다. 이 예에서는 식물 세포벽의 리그닌 분포를 식물 줄기에서 얇은 층을 잘라내어 분석했습니다. 그런 다음 532nm 레이저 광을 사용한 컨포칼 현미경을 사용하여 얇은 조각을 이미지화하여 식물 줄기의 3차원 이미지를 생성했습니다.

리그닌 함량은 라만 분광법을 사용하여 측정되었습니다. 컨포칼 이미지와 라만 스펙트럼을 결합하여 리그닌 분포의 3차원 지도가 생성되었습니다.

식물 공급 원료에서 파생된 바이오 에탄올의 양을 최대화하려면 공급 원료의 유형을 비교해야 합니다. 이 예에서 에탄올은 판지에서 생산되었으며 옥수수 스토버와 비교되었습니다. 판지는 앞서 그림과 같이 제조되었으며, 분쇄 된 판지를 전처리 한 후 효소 분해를 수행하여 재료에서 리그닌과 헤미셀룰로오스를 분리하고 셀룰로오스를 포도당으로 분해했습니다. 추출된 포도당을 효모로 발효시켜 에탄올을 생성하였다. 판지는 용액에서 에탄올 농도의 두 배 이상을 생산하기 때문에 옥수수 스토버보다 우수한 공급 원료임이 입증되었습니다.

미국에서는 대부분의 바이오 에탄올이 옥수수에서 생산됩니다. 옥수수에서 에탄올을 생산하는 것은 에너지 집약적이지만 셀룰로오스 바이오매스에서 에탄올을 생산하는 것보다 덜 복잡합니다.

옥수수 공급 원료에서 벗어나기 위해서는 셀룰로오스 바이오매스의 수율이 옥수수의 수율보다 좋아야 합니다. 이 예에서는 이전에 표시된 것과 동일한 절차를 사용하여 옥수수 가루와 옥수수 스토버를 비교했습니다.

옥수수 가루는 옥수수 스토버보다 더 높은 농도의 에탄올을 생성했으며, 이는 옥수수가 옥수수 줄기 자체보다 약간 더 나은 공급 원료임을 보여줍니다. 그러나 옥수수 줄기 및 기타 셀룰로오스 공급 원료는 더 풍부하고 저렴하며 실행 가능한 대안을 제공할 수 있습니다.

방금 JoVE의 바이오 연료 소개를 시청했습니다. 이제 식물 공급 원료에서 에탄올을 생산하는 것과 이 공정과 관련된 문제를 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!