Биотопливо: производство этанола из целлюлозного материала

Биотопливо — это топливо, полученное из биологических веществ, таких как растения. Биотопливо служит альтернативой ископаемому топливу, поскольку его можно получить из сельскохозяйственных культур во многих частях мира. Кроме того, они являются более чистыми горящими, тем самым сокращая выбросы парниковых газов.

Одним из наиболее широко используемых видов биотоплива является этанол, получаемый из растительной биомассы, обычно сахарного тростника и кукурузы. В США большая часть этанолового биотоплива производится из кукурузы.

Использование кукурузы в качестве сырья является спорным, так как кукуруза энергоемка в выращивании, использует большое количество удобрений, а ее использование в качестве сырья исключает большое количество кукурузы из продуктов питания, особенно кормов для скота. В результате увеличивается использование других растительных материалов или лигноцеллюлозных материалов, таких как трава, листья, бумага и несъедобные части сельскохозяйственных культур.

В этом видео будут освещены основы получения этанола из лигноцеллюлозного материала, а также продемонстрировано производство этанола из лигноцеллюлозного сырья в лаборатории.

Лигноцеллюлозная биомасса относится к растительным веществам с древесными клеточными стенками. Этот тип растительного вещества является одним из самых распространенных доступных видов сырья, так как он часто является отходами сельского хозяйства и производства.

Клеточные стенки состоят из сильно сшитого полимера, лигнина, и двух сложных углеводов, гемицеллюлозы и целлюлозы. Целлюлоза является основным источником сбраживаемых сахаров, таких как глюкоза, но сначала ее необходимо отделить от компонентов лигнина и гемицеллюлозы.

Первым шагом в обработке лигноцеллюлозного материала является тонкое измельчение сухих растительных веществ в порошок. Затем измельченное сырье подвергается предварительной обработке для разрушения барьера лигнина и гемицеллюлозы в клеточной стенке и обеспечения доступа к целлюлозе.

Далее целлюлозу обрабатывают гидролитическими ферментами, такими как целлюлаза и гемицеллюлаза. Ферментативный гидролиз расщепляет целлюлозу на глюкозу. Наконец, глюкоза ферментируется с помощью дрожжей для получения этанола.

Следующий эксперимент демонстрирует этот поэтапный метод получения этанола из целлюлозной биомассы путем удаления лигнина и гемицеллюлозы с последующей ферментативной обработкой целлюлозы и ферментацией глюкозы с получением этанола.

В этом эксперименте этанол будет производиться из кукурузной косточки, листьев и стеблей кукурузных растений. Используя шаровую мельницу, измельчите сырье в мелкий порошок и убедитесь, что не осталось крупных кусков.

Взвесьте 1 г сырья, поместите его в центрифужную пробирку объемом 50 мл и промаркируйте. Пометьте вторую пробирку как контрольный образец и не добавляйте сырье. Для предварительной обработки образцов установите стакан объемом 500 мл с примерно 400 мл воды и доведите его до слабого кипения.

Добавьте 25 мл дистиллированной воды в две подготовленные центрифужные пробирки и неплотно закупорьте их. Перемешайте трубки, чтобы перемешать. Поместите трубки в кипящую воду, и следите за тем, чтобы вода из ванны не просачивалась в трубки. Дайте им покипеть в течение 30 минут, затем выньте и дайте остыть до комнатной температуры.

Когда пробирки остынут, добавьте 1 мл фермента целлюлазы в обе пробирки. Поместите пробирки в инкубатор на 24 ч. Через 24 ч извлеките трубки и дайте им остыть до комнатной температуры. Этанол производится из переваренного целлюлозного материала путем брожения дрожжами. Чтобы начать этот процесс, добавьте 1 г активных дрожжей в каждую из пробирок центрифуги и перемешайте.

Установите воздушный шлюз на пробирки центрифуги. Воздушный шлюз позволяет углекислому газу, образующемуся во время брожения, выходить, поэтому давление в трубке не накапливается. Поместите пробирки центрифуги в решетку и поместите в инкубатор при температуре 37 °C. После завершения ферментации используйте датчик этанола для измерения концентрации этанола в контрольной и пробной пробирках.

Чтобы сделать биотопливо конкурентоспособным источником энергии, необходимо ответить на некоторые вопросы о структуре и производительности сырья.

Важно понимать распределение лигнина в различных растениях, чтобы его удаление можно было выполнить эффективно. В этом примере распределение лигнина в клеточных стенках растений было проанализировано путем срезания тонкими слоями стебля растения. Затем тонкие срезы были визуализированы с помощью конфокальной микроскопии с лазерным светом 532 нм для создания трехмерных изображений стебля растения.

Содержание лигнина определяли с помощью рамановской спектроскопии. Объединив конфокальные изображения и спектры комбинационного рассеяния, была создана трехмерная карта распределения лигнина.

Чтобы максимизировать количество биоэтанола, полученного из растительного сырья, необходимо сравнить типы сырья. В этом примере этанол был получен из картона, и его сравнили с кукурузным стружкой. Картон готовили, как показано выше, где измельченный картон подвергали предварительной обработке с последующей ферментативной обработкой с целью отделения лигнина и гемицеллюлозы от материала и расщепления целлюлозы до глюкозы. Затем извлеченную глюкозу ферментировали с дрожжами для получения этанола. Картон оказался превосходным сырьем по сравнению с кукурузным стержнем, так как он производил более чем в два раза большую концентрацию этанола в растворе.

В Соединенных Штатах подавляющее большинство биоэтанола производится из кукурузы. Хотя производство этанола из кукурузы является энергоемким, оно менее сложное, чем производство этанола из целлюлозной биомассы.

Для того чтобы отказаться от кукурузного сырья, выход целлюлозной биомассы должен быть выше, чем у кукурузы. В этом примере кукурузная мука и кукурузный стовер сравнивались с использованием той же процедуры, что и показано ранее.

Кукурузная мука производила более высокую концентрацию этанола, чем кукурузная мука, показывая, что кукуруза является немного лучшим сырьем, чем сами стебли кукурузы. Тем не менее, стебли кукурузы и другое целлюлозное сырье более распространены и недороги и могут стать жизнеспособной альтернативой.

Вы только что посмотрели программу JoVE «Введение в биотопливо». Теперь вы должны понимать производство этанола из растительного сырья и проблемы, связанные с этим процессом. Спасибо за просмотр!