1.5: Biopaliwa: produkcja etanolu z materiału celulozowego

1. Przygotowanie próbki

1. Wybierz materiał celulozowy, który ma być użyty jako surowiec. Mogą to być łodygi kukurydzy, trawy, liście, ściółka dla zwierząt domowych lub papier.
2. Za pomocą młynka kulowego (lub młynka do kawy, jeśli młynek kulowy nie jest dostępny), zmiel surowiec na drobny proszek, bez dużych kawałków.
3. Odmierz 1,0 g surowca i umieść w probówce wirówkowej o pojemności 50 ml. Oznacz probówkę wybranym wsadem.
4. Oznacz drugą probówkę wirówkową o pojemności 50 ml jako "Kontrola". Nie umieszczaj w tej probówce żadnych surowców.

2. Obróbka wstępna

1. Na płycie grzejnej umieść zlewkę o pojemności 500 ml z około 400 ml wody i podgrzej do delikatnego wrzenia.
2. Dodaj 25 ml wody destylowanej do 2 probówek wirówek. Zamieszaj, aby wymieszać. Luźno załóż nakrętkę na probówki wirówkowe.
3. Umieść probówki wirówkowe w zlewce pełnej delikatnie wrzącej wody. Upewnij się, że woda z łaźni wodnej nie przecieka do probówek. Gotuj przez 30 minut.
4. Pozwól rurkom ostygnąć do temperatury pokojowej.

3. Trawienie enzymatyczne

1. Dodaj 1 ml enzymu celulazy do obu probówek.
2. Umieścić probówki w inkubatorze w temperaturze 50 °C na 24 godziny.
3. Pozwól rurkom ostygnąć do temperatury pokojowej.

4. Fermentacja

1. Dodaj 1,0 g aktywnych drożdży (zwykłe drożdże ze sklepu spożywczego są w porządku) do każdej z probówek wirówkowych. Zamieszaj, aby wymieszać.
2. Umieść śluzę powietrzną na górze probówki wirówkowej. Śluza powietrzna umożliwia ucieczkę CO₂, utrzymując niskie ciśnienie w probówce wirówkowej.
3. Umieścić probówki wirówkowe w stojaku i umieścić w inkubatorze w temperaturze 37 °C na 24 godziny.
4. Za pomocą czujnika etanolu zmierz stężenie etanolu w probówce kontrolnej (Rysunek 1). Czujniki etanolu można kupić za pośrednictwem Vernier lub PASCO za około 100 USD za sztukę.
   
   Rysunek 1. Sonda etanolu mierząca stężenie etanolu w probówce kontrolnej.
5. Za pomocą czujnika etanolu zmierz stężenie etanolu w probówce z próbką (Rysunek 2).
   
   Rysunek 2. Tabletka ręczna z zawartością alkoholu etylowego.

Biopaliwa to paliwa pochodzące z materii biologicznej, takiej jak rośliny. Biopaliwa stanowią alternatywę dla paliw kopalnych, ponieważ można je pozyskiwać z upraw w wielu częściach świata. Dodatkowo spalają się czyściej, zmniejszając w ten sposób emisję gazów cieplarnianych.

Jednym z najczęściej stosowanych biopaliw jest etanol pochodzący z biomasy roślinnej, zazwyczaj trzciny cukrowej i kukurydzy. W Stanach Zjednoczonych większość biopaliw etanolowych jest produkowana z kukurydzy.

Wykorzystanie upraw kukurydzy jako surowca jest kontrowersyjne, ponieważ kukurydza jest energochłonna w uprawie, zużywa dużą ilość nawozów, a jej stosowanie jako surowca usuwa dużą ilość kukurydzy z pożywienia, zwłaszcza paszy dla zwierząt gospodarskich. W rezultacie wzrasta wykorzystanie innych materiałów roślinnych lub materiałów lignocelulozowych, takich jak trawa, liście, papier i niejadalne części upraw.

W tym filmie omówiono podstawy pozyskiwania etanolu z materiału lignocelulozowego i zademonstrowano produkcję etanolu z surowców lignocelulozowych w laboratorium.

Biomasa lignocelulozowa odnosi się do materii roślinnej ze zdrewniałymi ścianami komórkowymi. Ten rodzaj materii roślinnej jest jednym z najobficiej występujących surowców, ponieważ często jest produktem odpadowym rolnictwa i produkcji.

Ściany komórkowe składają się z silnie usieciowanego polimeru, ligniny i dwóch węglowodanów złożonych, hemicelulozy i celulozy. Celuloza jest głównym źródłem cukrów ulegających fermentacji, takich jak glukoza, ale najpierw musi zostać oddzielona od składników ligniny i hemicelulozy.

Pierwszym etapem przetwarzania materiału lignocelulozowego jest drobne zmielenie suchej masy roślinnej na proszek. Zmielony surowiec jest następnie poddawany obróbce wstępnej w celu rozbicia bariery ligniny i hemicelulozy w ścianie komórkowej oraz umożliwienia dostępu do celulozy.

Następnie celuloza jest traktowana enzymami hydrolitycznymi, takimi jak celulaza i hemicelulaza. Hydroliza enzymatyczna rozkłada celulozę na glukozę. Na koniec glukoza jest fermentowana przez drożdże w celu wytworzenia etanolu.

Poniższe doświadczenie demonstruje tę etapową metodę wytwarzania etanolu z biomasy celulozowej poprzez usunięcie ligniny i hemicelulozy, a następnie enzymatyczną obróbkę celulozy i fermentację glukozy w celu wytworzenia etanolu.

W tym eksperymencie etanol będzie produkowany ze słomy kukurydzianej, liści i łodyg roślin kukurydzy. Za pomocą młynka kulowego zmiel surowiec na drobny proszek i upewnij się, że nie pozostały żadne duże kawałki.

Zważ 1 g surowca, umieść go w probówce wirówkowej o pojemności 50 ml i oznacz. Oznaczyć drugą probówkę jako próbkę kontrolną i nie dodawać żadnego surowca. Aby poddać próbki obróbce wstępnej, należy ustawić zlewkę o pojemności 500 ml z około 400 ml wody i doprowadzić do delikatnego wrzenia.

Dodaj 25 ml wody destylowanej do dwóch przygotowanych probówek wirówkowych i luźno je zakryj. Zakręć rurkami, aby wymieszać. Umieść probówki we wrzącej wodzie i upewnij się, że woda z kąpieli nie przecieka do rurek. Gotuj je przez 30 minut, a następnie wyjmij i pozwól im ostygnąć do temperatury pokojowej.

Po ostygnięciu probówek dodaj 1 ml enzymu celulazy do obu probówek. Umieść probówki w inkubatorze na 24 godziny. Po 24 godzinach wyjmij rurki i pozwól im ostygnąć do temperatury pokojowej. Etanol jest wytwarzany z przefermentowanego materiału celulozowego w procesie fermentacji przez drożdże. Aby rozpocząć ten proces, dodaj 1 g aktywnych drożdży do każdej z probówek wirówkowych i zamieszaj, aby wymieszać.

Umieść śluzę powietrzną na probówkach wirówek. Śluza powietrzna umożliwia ucieczkę dwutlenku węgla, który jest wytwarzany podczas fermentacji, dzięki czemu nie rośnie ciśnienie w rurce. Umieścić probówki wirówkowe w stojaku i umieścić w inkubatorze w temperaturze 37 °C. Po zakończeniu fermentacji użyj czujnika etanolu, aby zmierzyć stężenie etanolu w probówkach kontrolnych i probówkach z próbkami.

Aby biopaliwa stały się konkurencyjnym źródłem energii, należy odpowiedzieć na pewne pytania dotyczące struktury i wydajności surowców.

Ważne jest, aby zrozumieć rozmieszczenie ligniny w różnych roślinach, aby można było skutecznie usunąć ligninę. W tym przykładzie rozkład ligniny w ścianach komórkowych roślin analizowano poprzez wycinanie cienkich warstw z łodygi rośliny. Cienkie plasterki zostały następnie zobrazowane za pomocą mikroskopii konfokalnej ze światłem laserowym o długości fali 532 nm, aby stworzyć trójwymiarowe obrazy łodygi rośliny.

Zawartość ligniny oznaczono za pomocą spektroskopii Ramana. Łącząc obrazy konfokalne i widma Ramana, uzyskano trójwymiarową mapę rozkładu ligniny.

Aby zmaksymalizować ilość bioetanolu pochodzącego z surowców roślinnych, należy porównać rodzaje surowców. W tym przykładzie etanol został wyprodukowany z tektury i porównany ze słomą kukurydzianą. Karton został przygotowany w sposób pokazany wcześniej, gdzie zmielony karton poddano obróbce wstępnej, a następnie trawieniu enzymatycznemu w celu oddzielenia ligniny i hemicelulozy od materiału i rozbicia celulozy na glukozę. Wyekstrahowana glukoza była następnie fermentowana przez drożdże w celu wytworzenia etanolu. Tektura okazała się lepszym surowcem niż słoma kukurydziana, ponieważ wytwarzała ponad dwukrotnie większe stężenie etanolu w roztworze.

W Stanach Zjednoczonych zdecydowana większość bioetanolu jest produkowana z kukurydzy. Chociaż produkcja etanolu z kukurydzy jest energochłonna, jest mniej złożona niż produkcja etanolu z biomasy celulozowej.

Aby odejść od surowców kukurydzianych, plony z biomasy celulozowej muszą być lepsze niż z kukurydzy. W tym przykładzie mąka kukurydziana i słoma kukurydziana zostały porównane przy użyciu tej samej procedury, jak pokazano wcześniej.

Mączka kukurydziana wytwarzała wyższe stężenie etanolu niż słoma kukurydziana, co pokazuje, że kukurydza jest nieco lepszym surowcem niż same łodygi kukurydzy. Jednak łodygi kukurydzy i inne surowce celulozowe są bardziej obfite i niedrogie i mogą stanowić realną alternatywę.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do biopaliw JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć produkcję etanolu z surowców roślinnych i wyzwania związane z tym procesem. Dzięki za oglądanie!