Biobrandstoffen: Ethanol produceren uit cellulosisch materiaal
Bron: Laboratories of Margaret Workman en Kimberly Frye - Depaul University
In dit experiment wordt cellulosisch materiaal (zoals maïsstengels, blader…
1. Sample Preparation
- Selecteer cellulosisch materiaal dat als grondstof zal worden gebruikt. Dit kunnen maïsstengels, grassen, bladeren, huisdierbedden of papier zijn.
- Maal de grondstof met een balmolen (of koffiemolen als er geen balmolen is) tot een fijn poeder zonder grote stukken.
- Meet 1,0 g grondstof af en plaats het in een 50-mL centrifugeerbuis. Label de buis met de gekozen grondstof.
- Label een tweede 50 mL centrifugeerbuis als "Controle". Doe geen grondstof in deze buis.
2. Pretreatment
- Plaats een 500-mL beker met ongeveer 400 mL water op een hotplate en verwarm tot een zachte kook.
- Voeg 25 mL gedestilleerd water toe aan de 2 centrifugeerbuizen. Zwaai om te mengen. Doe de dop losjes op de centrifugeerbuizen.
- Plaats de centrifugeerbuizen in de beker met zacht kokend water. Zorg ervoor dat water uit het waterbad niet in de buizen lekt. Laat 30 min koken.
- Laat de buizen afkoelen tot kamertemperatuur.
3. Enzymatische Digestie
- Voeg 1 mL cellulase-enzym toe aan beide buizen.
- Plaats de buizen in een incubator op 50 °C gedurende 24 uur.
- Laat de buizen afkoelen tot kamertemperatuur.
4. Fermentatie
- Voeg 1,0 g actieve gist (gewone supermarktgist is ok) toe aan elk van de centrifugeerbuizen. Zwaai om te mengen.
- Plaats een luchtslot op de centrifugeerbuis. Het luchtslot laat CO2 ontsnappen, waardoor de druk in de centrifugeerbuis laag blijft.
- Plaats de centrifugeerbuizen in een rek en plaats ze in een incubator op 37 °C gedurende 24 uur.
- Gebruik een ethanolsensor om de ethanolconcentratie in de controlebuis te meten (Figuur 1). Ethanolsensoren kunnen worden gekocht via Vernier of PASCO voor ongeveer $100 per stuk.
Figuur 1. Ethanolsonde die de ethanolconcentratie in de controlebuis meet. - Gebruik een ethanolsensor om de ethanolconcentratie in de monsterbuis te meten (Figuur 2).
Figuur 2. Handheld tablet die % ethanol weergeeft.
Biobrandstoffen zijn brandstoffen die zijn afgeleid van biologische materie, zoals planten. Biobrandstoffen dienen als alternatief voor fossiele brandstoffen, omdat ze kunnen worden verkregen uit gewassen in veel delen van de wereld. Bovendien branden ze schoner, waardoor de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd.
Een van de meest gebruikte biobrandstoffen is ethanol dat wordt afgeleid van plantaardige biomassa, meestal suikerriet en maïs. In de VS wordt het merendeel van de ethanolbiobrandstof geproduceerd uit maïs.
Het gebruik van maïsgewassen als grondstof is controversieel, omdat maïs energie-intensief is om te verbouwen, een grote hoeveelheid meststoffen gebruikt en het gebruik ervan als grondstof verwijdert een grote hoeveelheid maïs uit de voedselvoorraad, vooral voer voor vee. Als gevolg hiervan neemt het gebruik van andere plantaardige materialen of lignocellulosematerialen, zoals gras, bladeren, papier en niet-eetbare delen van gewassen, toe.
Deze video behandelt de basisprincipes van het verkrijgen van ethanol uit lignocellulosemateriaal en toont de productie van ethanol uit lignocellulosegrondstoffen in het laboratorium.
Lignocellulose biomassa verwijst naar plantenmateriaal met houtachtige celwanden. Dit type plantenmateriaal is een van de meest beschikbare grondstoffen, omdat het vaak een afvalproduct is van landbouw en industrie.
De celwanden zijn samengesteld uit het sterk vernetwerkte polymeer, lignine, en twee complexe koolhydraten, hemicellulose en cellulose. Cellulose is de belangrijkste bron van fermenteerbare suikers, zoals glucose, maar het moet eerst worden gescheiden van de lignine- en hemicellulosecomponenten.
De eerste stap in de verwerking van het lignocellulosemateriaal is om het droge plantenmateriaal fijn te malen tot poeder. Het gemalen grondstof ondergaat vervolgens een voorbehandeling om de lignine- en hemicellulosebarrière in de celwand te breken en toegang te geven tot de cellulose.
Vervolgens wordt de cellulose behandeld met hydrolytische enzymen, zoals cellulase en hemicellulase. De enzymatische hydrolyse breekt cellulose af tot glucose. Ten slotte wordt de glucose gefermenteerd met gist om ethanol te produceren.
Het volgende experiment toont deze stapsgewijze methode van het produceren van ethanol uit cellulosische biomassa door de verwijdering van lignine en hemicellulose, gevolgd door de enzymatische behandeling van cellulose en de fermentatie van glucose om ethanol te produceren.
In dit experiment zal ethanol worden geproduceerd uit maïsstro, de bladeren en stengels van maïsplanten. Maal met behulp van een kogelmolen de grondstof tot een fijn poeder en zorg ervoor dat er geen grote stukken overblijven.
Weeg 1 g grondstof, plaats het in een 50-mL centrifugebuis en label het. Label een tweede buis als controlemonster en voeg geen grondstof toe. Om de monsters voor te behandelen, zet een 500-mL beker op met ongeveer 400 ml water en breng het tot een zachte kook.
Voeg 25 ml gedestilleerd water toe aan de twee voorbereide centrifugebuizen en sluit ze losjes af. Draai de buizen om te mengen. Plaats de buizen in het kokende water en zorg ervoor dat het water uit het bad niet in de buizen lekt. Laat ze 30 minuten koken en verwijder ze vervolgens en laat ze afkoelen tot kamertemperatuur.
Zodra de buizen zijn afgekoeld, voeg je 1 ml cellulase-enzym toe aan beide buizen. Plaats de buizen gedurende 24 uur in een incubator. Verwijder na 24 uur de buizen en laat ze afkoelen tot kamertemperatuur. Ethanol wordt geproduceerd uit het verteerde cellulosische materiaal door fermentatie door gist. Om dit proces te starten, voeg je 1 g actieve gist toe aan elk van de centrifugebuizen en draai je om te mengen.
Plaats een luchtslot op de centrifugebuizen. Het luchtslot laat het kooldioxide dat tijdens de fermentatie wordt geproduceerd ontsnappen, zodat er geen druk in de buis opbouwt. Plaats de centrifugebuizen in een rek en plaats ze in een incubator bij 37 °C. Zodra de fermentatie voltooid is, gebruik je een ethanolsensor om de ethanolconcentratie in de controle- en steekproefbuizen te meten.
Om biobrandstoffen een concurrerende energiebron te maken, moeten bepaalde vragen over de structuur en prestaties van de grondstoffen worden beantwoord.
Het is belangrijk om de verdeling van lignine in verschillende planten te begrijpen, zodat de verwijdering ervan efficiënt kan worden uitgevoerd. In dit voorbeeld werd de lignineverdeling in plantencellwanden geanalyseerd door dunne lagen uit een plantstengel te snijden. De dunne plakjes werden vervolgens gefotografeerd met behulp van confocale microscopie met 532 nm laserlicht om driedimensionale beelden van de plantstengel te maken.
Het ligninegehalte werd bepaald met behulp van Raman-spectroscopie. Door de confocale beelden en de Raman-spectra te combineren, werd een driedimensionale kaart van de lignineverdeling gegenereerd.
Om de hoeveelheid bioethanol die uit plantaardige grondstoffen wordt gehaald te maximaliseren, moeten de soorten grondstoffen worden vergeleken. In dit voorbeeld werd ethanol geproduceerd uit karton en vergeleken met maïsstro. Het karton werd bereid zoals eerder werd getoond, waarbij het gemalen karton werd onderworpen aan voorbehandeling, gevolgd door enzymatische vertering om lignine en hemicellulose van het materiaal te scheiden en de cellulose af te breken tot glucose. De geëxtraheerde glucose werd vervolgens gefermenteerd met gist om ethanol te produceren. Karton bleek een superieur grondstof te zijn voor maïsstro, omdat het meer dan twee keer de concentratie ethanol in oplossing produceerde.
In de Verenigde Staten wordt het overgrote deel van de bioethanol geproduceerd uit maïs. Hoewel de productie van ethanol uit maïs energie-intensief is, is het minder complex dan de productie van ethanol uit cellulosische biomassa.
Om de overstap van maïsgrondstoffen te realiseren, moet het rendement van cellulosische biomassa beter zijn dan dat van maïs. In dit voorbeeld werden maïsmeel en maïsstro vergeleken met behulp van dezelfde procedure zoals eerder werd getoond.
Maïsmeel produceerde een hogere concentratie ethanol dan maïsstro, wat aantoont dat maïs een iets betere grondstof is dan de maïsstengels zelf. Echter, maïsstengels en andere cellulosische grondstoffen zijn overvloediger en goedkoper en kunnen een ha
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.