生物燃料: 生产乙醇从纤维素材料

Environmental Science
 

Overview

资料来源: 玛格丽特工人和金伯利弗莱-Depaul 大学实验室

在这个实验中,纤维素材料 (如玉米秸秆、 树叶、 草等) 将被用于作为原料生产乙醇。纤维素材料首先经过预处理 (地面和加热),消化的酶,然后用酵母发酵而成。采用乙醇探头监控生产乙醇。可以扩展实验,以优化生产乙醇通过改变使用的原料、 预处理条件、 酶变异、 酵母变异等。监测反应的一种替代方法是测量二氧化碳 (使用气体传感器) 生产乙醇。作为一个技术含量较低的替代方案,可以使用血糖仪 (在任何药店中找到) 血糖监测过程中,如果一种乙醇探针或二氧化碳气体传感器不可用。

更加注重探究式学习",科学探索正变得更受欢迎。手持设备一样与各种探头 (类电导率、 溶解的氧、 电压,和更多的) 结合使用游标卡尺实验室寻求允许少侧重于收集数据和/或制作图和更多的数据分析和预测。另一个好处是,这些是小,重量轻,而且可以考虑测量领域。

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JoVE Science Education Database. 环境科学精要. 生物燃料: 生产乙醇从纤维素材料. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

美国正在寻求摆脱对化石燃料,尤其是石油用的汽油。全球气候变化、 依赖国外,以及世界各地增加政治不稳定是只有几个理由。一个可能的方式来减少对石油的依赖,作为运输燃料是利用更多的乙醇。目前,普通汽油含有大约 10%的乙醇作为一种添加剂。特别的灵活燃料汽车可以使用 E85 汽油,是 85%的乙醇。1

在巴西,乙醇是由以甘蔗为原料。甘蔗的主要产品是蔗糖,是一种二糖的葡萄糖和果糖。大多数种类的酵母酶蔗糖酶和能够劈开葡萄糖-果糖债券。蔗糖 (C12H22O11) 是通过酵母菌发酵,产生乙醇和二氧化碳。总体化学反应方程 1所示。2,3

Equation 1

然而,在美国,乙醇是由玉米。玉米储存碳水化合物作为称为淀粉多糖。这就需要更大的努力使从甘蔗中的提炼乙醇,因为酵母不能劈开债券在淀粉。要从玉米生产乙醇,第一个玉米粒需要被磨碎,然后用酶将玉米中的淀粉转化为葡萄糖处理地面玉米。在这一步之后, 继续该过程在上述甘蔗方法通过使用酵母发酵葡萄糖成乙醇和二氧化碳。化学反应方程 2所示。2

Equation 2

从玉米中提炼乙醇的生产是有问题的然而。一方面,它需要一些玉米进入食品供应,尤其是喂养牲畜,从而推高了价格。它也是能源和化肥的集约化生产玉米,降低其可取性作为一种运输燃料替代石油。因此,科学家们正越来越多地转向纤维素原料生产乙醇。这些材料包括木材、 草、 和植物的非食用部分。这些都是更可取的因为他们不会影响粮食供应。然而,为了释放葡萄糖从纤维素材料,更多的努力被需要,因为从纤维素材料葡萄糖被绑定在纤维素,然后包裹着半纤维素和木质素。首先纤维素需要提取的半纤维素和木质素绑定。这通过磨预处理和酸水解。然后,纤维素被处理将它分解成其成分葡萄糖的酶。最后,能发酵葡萄糖,用酵母产生乙醇和水。过程可以总结方程 3中所示。

Equation 3

这也是目前能源密集型做到大规模乙醇生产的实用方法。然而,正在研究使过程更好。2,3

Procedure

1.样品的制备

  1. 选择要用作原料的纤维素材料。这可以是玉米秸、 草、 树叶、 宠物床上用品或纸张。
  2. 利用球磨磨 (或咖啡研磨机如果球磨磨不可用),磨成细粉剩余没有大块原料。
  3. 测量 1.0 g 的原料和 50 毫升离心管的地方。与原料选择标签管。
  4. 第二个 50 mL 离心管列为"控制"。不要把任何原料在这根管子。

2.预处理

  1. 设置与大约 400 毫升的水加热和热烧开温柔的 500 毫升烧杯。
  2. 添加 2 离心管 25 毫升的蒸馏水。旋流混合。把瓶盖上离心管松散。
  3. 离心管置于烧杯装满了轻轻地沸腾的水。因此,请务必从水浴水不漏入管。让煮 30 分钟。
  4. 让管冷却至室温。

3.酶消化

  1. 添加两个管 1 毫升的纤维素酶。
  2. 把管放在一个孵化器在 50 ° C 为 24 小时。
  3. 使玻璃管冷却至室温。

4.发酵

  1. 每个离心管添加 1.0 g 活性酵母 (定期杂货店酵母是好的)。旋流混合。
  2. 放在离心管的气闸舱。气闸舱允许 CO2逃脱,保持低在离心管中的压力。
  3. 将离心管放在机架上,放在一个孵化器在 37 ° C 为 24 小时。
  4. 用乙醇气体传感器,测量控制管 (图 1) 中的乙醇浓度。乙醇传感器可以通过游标或帕斯科购买大约 100 美元。
    Figure 1
    图 1.测量控制管中的乙醇浓度的乙醇探针。
  5. 用乙醇气体传感器,测量样品管 (图 2) 中的乙醇浓度。
    Figure 2
    图 2.掌上平板显示 %的乙醇。

生物燃料是源自生物的物质,例如植物的燃料。生物燃料作为替代化石燃料,他们可以来自世界许多地区的农作物。此外,他们都更加清洁的燃料,从而减少温室气体排放。

来自植物生物量、 通常甘蔗和玉米乙醇是使用最广泛的生物燃料之一。在美国,大多数的乙醇生物燃料是从玉米产生的。

用玉米作物作为一种原料是有争议的作为玉米是能源密集型增长,使用了大量的肥料和它的用途作为原料的粮食供应,从中删除了大量的玉米特别是家畜饲料。其结果是,其他植物材料或木质材料,如草、 树叶、 纸张和作物的非食用部分的使用正在增加。

这个视频将涉及基本的乙醇源于木质纤维材料,并证明木质纤维原料在实验室生产乙醇。

木质纤维素生物质是指植物木质细胞壁的毛病。这种类型的植物物质是原料的最丰富可用,经常都是原料的一件废品的农业和制造业。

细胞壁是由高度交联聚合物,木质素和两个复杂的碳水化合物,纤维素和纤维素组成。纤维素是发酵的糖,如葡萄糖的主要来源,但必须首先分开的木质素和半纤维素的组件。

处理的木质材料的第一步是细磨成粉干植物物质。地面原料然后经过预处理打破木质素和半纤维素细胞壁,并启用对纤维素的访问。

接下来,纤维素被处理水解酶、 纤维素酶和半纤维素酶等。酶法水解分解成葡萄糖的纤维素。最后,葡萄糖发酵酵母来生产乙醇。

下面的实验演示这种的生产从通过去除木质素和半纤维素,其次是纤维素,酶处理和发酵葡萄糖,以生产乙醇的纤维素生物质乙醇的逐步方法。

在这个实验中,将从玉米秸秆、 树叶和秸秆生产乙醇的玉米植株。使用球磨研磨机,把原料磨成粉末,并确保没有大块保持。

重 1 克的原料,将其放入 50 毫升离心管,和它贴上标签。标签作为控制样品,第二管和不添加任何的原料。预处理样品,成立 500 毫升大烧杯的大约 400 毫升的水,并把它带给烧开温柔。

25 毫升的蒸馏水添加两个准备的离心管和限制它们松散。旋流管混合。将管放入煮沸的水,并确保从洗澡水不漏入管。允许他们煮 30 分钟,然后删除,让它们冷却至室温。

一旦有冷却管,向既管添加纤维素酶 1 毫升。将管子放在孵化器 24 h。24 小时后,删除管,让他们来冷却至室温。从消化纤维素材料通过发酵生产乙醇的酵母。要开始此过程,每个离心管中,添加 1 g 活性酵母和旋流混合。

气闸舱置于离心管中。气闸舱允许在发酵过程中逃脱所以压力不能管中产生的二氧化碳排放。将离心管放在机架上,并将放置在一个孵化器在 37 ° c。发酵完成后,请使用乙醇传感器来测量控制和采样管中的乙醇浓度。

要使生物燃料具有竞争力的能源来源,必须回答某些问题有关的结构和性能的原料。

它是重要的是了解在各种植物中,木质素的分布,因此可以有效地执行其去除。在此示例中,在植物细胞壁木素分布进行切片从植物茎的薄层。薄片然后成像用 532 nm 激光共聚焦显微镜创建植物茎的三维图像。

拉曼光谱法测定木素含量。通过共聚焦图像和拉曼光谱结合,生成的木素分布的三维地图。

为了最大化的来自植物原料的生物乙醇量,必须比较类型的原料。在此示例中,乙醇是由纸板,和相比玉米秸秆。纸板制得所示以前,地面纸板受到预处理,其次是为满足从材料分隔木质素和半纤维素、 纤维素分解成葡萄糖的酶消化。然后用酵母产生乙醇发酵提取的葡萄糖。纸板被证明是对玉米秸秆的高级原料产生两倍以上浓度的乙醇溶液中。

在美国,绝大多数的生物乙醇被由玉米。从玉米中提炼乙醇的生产是能源密集型,固然,不如从纤维素生物质乙醇生产复杂。

为了从玉米原料过渡,从纤维素生物质产量必须优于玉米。此示例、 玉米面、 玉米秸秆中比较了使用相同的过程,如上图所示。

玉米粉产生较高浓度的乙醇比玉米秸秆,显示玉米玉米秸秆本身比略好原料。然而,玉米秸秆和其他纤维素原料,更丰富也更便宜,可能提供一个可行的选择。

你刚看了生物燃料的朱庇特的简介。现在,您应该了解生产乙醇从植物原料制成,并与该进程关联的挑战。谢谢观赏 !

Results

%的乙醇溶液中将使用与用乙醇传感器 (图 2) 的品牌相关的软件掌上平板屏幕上显示。

代表结果的各种原料 %乙醇可以见表 1

原料 乙醇生产
锯末 0.70%
玉米秸秆 0.60%
纸板 1.67%
柳枝稷 0.37%
控制 0.11%

表 1。百分比的乙醇生产的各种原料的代表结果。

Applications and Summary

能源独立与安全法案 》 2007年设置入法可再生燃料标准。它创造了分阶段的可再生燃料卷从 2008 年开始在 90 亿加仑,2022 年月底 360 亿加仑。那个 360 亿,预计 160 亿,将来自纤维素材料。2014 年,原来的建议是为 181 亿 5000 万加仑的可再生燃料,17 亿 5000 万的那来自纤维素材料。不幸的是,基于的是可行的目前生产的纤维素乙醇量,这一数字不得不减少到最近的美国环保署建议 1700 万加仑。1提高创建乙醇从纤维素材料的过程是研究的目前一个非常热门领域。在这个实验中,学生将效仿跟上顶尖的研究实验室的科学家的科学实践。

各种生物质原料材料可以用于生产纤维素乙醇的运输。美国能源部生物能源技术办公室侧重于开发纤维素原料从非食品根据的植物材料,将允许此生物质经济上可行转为运输燃料的相关的技术。他们正在调查从农业残留物、 草本能源作物和林木材料浪费材料和藻类生物质来源。在这个实验室活动中,学生可以改变的原料它们使用和比较结果的乙醇的量。可能性包括玉米秸秆、 草、 树叶、 纸板、 纸、 鲜花、 报纸等。

大规模生产纤维素乙醇的一个障碍是昂贵性质 (既在金钱和能源) 的预处理工艺。很多研究是目前正就降低这些成本,以及方便的纤维素材料击穿。酶公司花费大量的时间和钱去研发新的酶提高乙醇的产量。在这个实验室活动中,学生可以不同的酶,它们使用和比较结果的乙醇的量。可以从卖给学校,如从黑曲霉纤维素酶或从木霉 virde 纤维素的化学公司购买各种纤维素酶。或专有酶可以从专业酶公司购买,然而这些都是昂贵。可以像淀粉酶,使用其他酶的活性来比较他们的生产从纤维素材料的纤维素乙醇的能力。

另一个新兴的研究领域提高酵母将纤维素生物质转化为乙醇的能力。木质纤维素厂提供稳定性发生了变化。这是由于交联纤维素和半纤维素和木质素的酯联系之间。有必要将纤维素与木质素分开,然后把纤维素分解成单糖。此外,半纤维素有高比例的戊糖木糖,像是更难比己糖像葡萄糖发酵。4

References

  1. The Energy Independence and Security Act of 2007. United States Congress, Washington DC. January 4, (2007).
  2. Balat, M., Balat, H., Oz, C. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science. 34 (2008).
  3. Ragauskas, A.J., Williams, C.K., Davison, B.H., Britovsek, G., Cairney, J., Eckert, C.A., Frederick Jr, W.J., Hallett, J.P., Leak, D.J., Liotta, C.L., Mielenz, J.R., Murphy, R., Templer, R., Tschaplinski, T. The Path Forward for Biofuels and Biomaterials. Science. 311 484 (2006).
  4. Demirbas, A. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Source. 27 327-337 (2005).

1.样品的制备

  1. 选择要用作原料的纤维素材料。这可以是玉米秸、 草、 树叶、 宠物床上用品或纸张。
  2. 利用球磨磨 (或咖啡研磨机如果球磨磨不可用),磨成细粉剩余没有大块原料。
  3. 测量 1.0 g 的原料和 50 毫升离心管的地方。与原料选择标签管。
  4. 第二个 50 mL 离心管列为"控制"。不要把任何原料在这根管子。

2.预处理

  1. 设置与大约 400 毫升的水加热和热烧开温柔的 500 毫升烧杯。
  2. 添加 2 离心管 25 毫升的蒸馏水。旋流混合。把瓶盖上离心管松散。
  3. 离心管置于烧杯装满了轻轻地沸腾的水。因此,请务必从水浴水不漏入管。让煮 30 分钟。
  4. 让管冷却至室温。

3.酶消化

  1. 添加两个管 1 毫升的纤维素酶。
  2. 把管放在一个孵化器在 50 ° C 为 24 小时。
  3. 使玻璃管冷却至室温。

4.发酵

  1. 每个离心管添加 1.0 g 活性酵母 (定期杂货店酵母是好的)。旋流混合。
  2. 放在离心管的气闸舱。气闸舱允许 CO2逃脱,保持低在离心管中的压力。
  3. 将离心管放在机架上,放在一个孵化器在 37 ° C 为 24 小时。
  4. 用乙醇气体传感器,测量控制管 (图 1) 中的乙醇浓度。乙醇传感器可以通过游标或帕斯科购买大约 100 美元。
    Figure 1
    图 1.测量控制管中的乙醇浓度的乙醇探针。
  5. 用乙醇气体传感器,测量样品管 (图 2) 中的乙醇浓度。
    Figure 2
    图 2.掌上平板显示 %的乙醇。

生物燃料是源自生物的物质,例如植物的燃料。生物燃料作为替代化石燃料,他们可以来自世界许多地区的农作物。此外,他们都更加清洁的燃料,从而减少温室气体排放。

来自植物生物量、 通常甘蔗和玉米乙醇是使用最广泛的生物燃料之一。在美国,大多数的乙醇生物燃料是从玉米产生的。

用玉米作物作为一种原料是有争议的作为玉米是能源密集型增长,使用了大量的肥料和它的用途作为原料的粮食供应,从中删除了大量的玉米特别是家畜饲料。其结果是,其他植物材料或木质材料,如草、 树叶、 纸张和作物的非食用部分的使用正在增加。

这个视频将涉及基本的乙醇源于木质纤维材料,并证明木质纤维原料在实验室生产乙醇。

木质纤维素生物质是指植物木质细胞壁的毛病。这种类型的植物物质是原料的最丰富可用,经常都是原料的一件废品的农业和制造业。

细胞壁是由高度交联聚合物,木质素和两个复杂的碳水化合物,纤维素和纤维素组成。纤维素是发酵的糖,如葡萄糖的主要来源,但必须首先分开的木质素和半纤维素的组件。

处理的木质材料的第一步是细磨成粉干植物物质。地面原料然后经过预处理打破木质素和半纤维素细胞壁,并启用对纤维素的访问。

接下来,纤维素被处理水解酶、 纤维素酶和半纤维素酶等。酶法水解分解成葡萄糖的纤维素。最后,葡萄糖发酵酵母来生产乙醇。

下面的实验演示这种的生产从通过去除木质素和半纤维素,其次是纤维素,酶处理和发酵葡萄糖,以生产乙醇的纤维素生物质乙醇的逐步方法。

在这个实验中,将从玉米秸秆、 树叶和秸秆生产乙醇的玉米植株。使用球磨研磨机,把原料磨成粉末,并确保没有大块保持。

重 1 克的原料,将其放入 50 毫升离心管,和它贴上标签。标签作为控制样品,第二管和不添加任何的原料。预处理样品,成立 500 毫升大烧杯的大约 400 毫升的水,并把它带给烧开温柔。

25 毫升的蒸馏水添加两个准备的离心管和限制它们松散。旋流管混合。将管放入煮沸的水,并确保从洗澡水不漏入管。允许他们煮 30 分钟,然后删除,让它们冷却至室温。

一旦有冷却管,向既管添加纤维素酶 1 毫升。将管子放在孵化器 24 h。24 小时后,删除管,让他们来冷却至室温。从消化纤维素材料通过发酵生产乙醇的酵母。要开始此过程,每个离心管中,添加 1 g 活性酵母和旋流混合。

气闸舱置于离心管中。气闸舱允许在发酵过程中逃脱所以压力不能管中产生的二氧化碳排放。将离心管放在机架上,并将放置在一个孵化器在 37 ° c。发酵完成后,请使用乙醇传感器来测量控制和采样管中的乙醇浓度。

要使生物燃料具有竞争力的能源来源,必须回答某些问题有关的结构和性能的原料。

它是重要的是了解在各种植物中,木质素的分布,因此可以有效地执行其去除。在此示例中,在植物细胞壁木素分布进行切片从植物茎的薄层。薄片然后成像用 532 nm 激光共聚焦显微镜创建植物茎的三维图像。

拉曼光谱法测定木素含量。通过共聚焦图像和拉曼光谱结合,生成的木素分布的三维地图。

为了最大化的来自植物原料的生物乙醇量,必须比较类型的原料。在此示例中,乙醇是由纸板,和相比玉米秸秆。纸板制得所示以前,地面纸板受到预处理,其次是为满足从材料分隔木质素和半纤维素、 纤维素分解成葡萄糖的酶消化。然后用酵母产生乙醇发酵提取的葡萄糖。纸板被证明是对玉米秸秆的高级原料产生两倍以上浓度的乙醇溶液中。

在美国,绝大多数的生物乙醇被由玉米。从玉米中提炼乙醇的生产是能源密集型,固然,不如从纤维素生物质乙醇生产复杂。

为了从玉米原料过渡,从纤维素生物质产量必须优于玉米。此示例、 玉米面、 玉米秸秆中比较了使用相同的过程,如上图所示。

玉米粉产生较高浓度的乙醇比玉米秸秆,显示玉米玉米秸秆本身比略好原料。然而,玉米秸秆和其他纤维素原料,更丰富也更便宜,可能提供一个可行的选择。

你刚看了生物燃料的朱庇特的简介。现在,您应该了解生产乙醇从植物原料制成,并与该进程关联的挑战。谢谢观赏 !

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