バイオ燃料: セルロースからのエタノールの生産

Environmental Science
 

Overview

マーガレット職人とキンバリー ・ フライ - デュポール大学のソース: 研究所

この実験では、セルロース系素材 (トウモロコシの茎、葉、草等) などはエタノールの生産のための原料として使用されます。(地面と温水)、セルロース系材料は前処理まず消化酵素と酵母で発酵させて。エタノールの生産は、エタノールのプローブを使用して監視されます。実験は、使用原料、前処理条件、酵素変動、酵母変異などを変化させることによりエタノール生産を最適化するために拡張できます。反応を監視する別の方法は、エタノールの代わりに (ガス センサーを使用して) 生成された二酸化炭素を測定するためです。ローテクの代替としてエタノール プローブまたは二酸化炭素ガスセンサーが利用できない場合の過程でブドウ糖を監視するブドウ糖のメートル (任意のドラッグ ストアで発見) を使用できます。

高められた重点と ' お問い合わせベースの学習」、科学的なプローブは、人気が高まっています。様々 なプローブ (導電率、溶存酸素量、電圧など) と組み合わせて使用するバーニア演習クエストのようなハンドヘルド ・ デバイスは、データを分析し、予測を作成するデータの収集および/またはグラフの作成とより少ない焦点。別の利点は、これらが小型・軽量測定のフィールドに撮影することができます。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 環境科学の本質. バイオ燃料: セルロースからのエタノールの生産. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

アメリカ合衆国、特に石油ガソリンで使用される化石燃料から脱却しています。地球の気候変動、外国と世界政治不安定性増加への依存のみいくつかの理由をなぜあります。輸送用燃料としての石油への依存を減らす 1 つの可能な方法より多くのエタノールを使用してです。現在、レギュラー ガソリンには添加物としての約 10% のエタノールが含まれています。特別なフレックス燃料車は、85% のエタノールである E85 ガソリンを使用できます。1

ブラジルでは、エタノールはサトウキビを原料として使用して作られました。サトウキビの主な製品は、ブドウ糖と果糖の二糖類であるショ糖です。酵母のほとんどの種は酵素スクラーゼをしてグルコース-果糖の結合を切断することができます。ショ糖 (C12H22O11) は、エタノールと二酸化炭素を生成する酵母による発酵です。全体としての反応は、式 1に表示されます。2, 3

Equation 1

しかし、米国では、エタノールはトウモロコシから作られます。トウモロコシは、デンプンと呼ばれる多糖類として炭水化物を格納します。酵母がデンプンで債券をできないでのでサトウキビからエタノールを作るよりもより多くの努力が必要です。トウモロコシからエタノールを作る、地上のトウモロコシはトウモロコシのデンプンをグルコースに変換する酵素で処理し、最初のトウモロコシの粒が、地面に必要。この手順の後プロセスはエタノールと二酸化炭素にブドウ糖を発酵させる酵母を使用して上記のサトウキビ メソッドのように続きます。化学反応は、式 2に表示されます。2

Equation 2

トウモロコシからのエタノールの生産は、しかし、問題が。一つは、特に価格を押し上げるため、家畜の飼料、食料供給のうちいくつかのトウモロコシをかかります。また、トウモロコシ、石油の輸送燃料代替としてその望ましさの減少を生成するエネルギーと肥料の集中です。したがって、科学者は、エタノールを作るセルロース材料にますます回っています。これらの材料には、木、草、そして植物の非可食部分が含まれます。これらは食糧供給に影響を与えることがなくより望ましいです。ただし、セルロース系材料からのブドウ糖を解放するために多くの努力が必要なセルロースからグルコースがセルロース、ヘミセルロースとリグニンが包んででこもっているよう。最初、セルロースはヘミセルロースとリグニンのバインディングから抽出する必要があります。これは研削加工の前処理、および酸加水分解。その後、セルロースはそのコンポーネントのブドウ糖に分割する酵素で処理されます。最後に、エタノールと水を生成する酵母とブドウ糖を発酵することができます。プロセスは、式 3のようにまとめることができます。

Equation 3

これは、現在も大規模なエタノールの生産のための実用的な方法に集中的なエネルギー。しかし、研究は進行中プロセスをよりよくさせるです。2, 3

Procedure

1. サンプル準備

  1. セルロース系素材を原料として使用するを選択します。これは、トウモロコシの茎、草、葉、ペットの寝具、または紙をすることができます。
  2. 残りのない大部分の微粉末に原料を挽くボール径エンドミル研削盤 (またはコーヒーミル ボール径エンドミル研削盤が使用できない場合)。
  3. 1.0 g の原料と 50 mL 遠心管中の場所を測定します。選ばれた原料とチューブ ラベルを付けます。
  4. 「コントロール」として 2 番目の 50 mL の遠心管にラベルを付けます。このチューブで任意の原料を入れないでください。

2. 前処理

  1. ホット プレートと穏やかな沸騰させる水約 400 mL を 500 mL のビーカーを設定します。
  2. 2 遠心チューブに 25 mL の蒸留水を追加します。ミックスに旋回。遠沈管にキャップを緩く置きます。
  3. 遠沈管をそっと水を沸騰のビーカーに入れます。チューブに風呂の水から水が漏れていないことを確認します。30 分間煮込みます。
  4. 部屋の温度に冷ますチューブ。

3. 酵素の消化力

  1. 両方の管にセルラーゼ酵素の 1 つの mL を追加します。
  2. 24 h の 50 ° c の定温器でチューブを入れてください。
  3. 部屋の温度に冷却するチューブを許可します。

4. 発酵

  1. (規則的な食料雑貨品店の酵母は ok です) アクティブな酵母の 1.0 g を遠沈管のそれぞれに追加します。ミックスに旋回。
  2. 遠心分離機管の上にエアロックを置きます。エアロックは、遠心管中の圧力を抑え、脱出する CO2をことができます。
  3. 遠沈管をラックに置き、37 ° C で 24 時間のインキュベーターに入れてください。
  4. エタノール センサー、制御管 (図 1) 中のエタノール濃度を測定します。エタノール センサーは、約 $ 100 各バーニアやパスコを通じて購入できます。
    Figure 1
    図 1.エタノール プローブ制御管中のエタノール濃度を測定します。
  5. エタノール センサー、サンプル管 (図 2) 中のエタノール濃度を測定します。
    Figure 2
    図 2 。エタノールの % を表示するタブレット。

バイオ燃料は、植物などの生物学的問題から派生した燃料です。バイオ燃料としてください世界の多くの部分で作物から供給される化石燃料に代わるものとして。さらに、クリーナー燃えている、温室効果ガスの排出量を減らします。

最も広く使用されているバイオ燃料の 1 つは、植物バイオマス、通常サトウキビ、トウモロコシ由来のエタノールです。米国では、エタノール燃料の大半はトウモロコシから生成されます。

トウモロコシの使用作物の原料として物議を醸すトウモロコシが成長する集中的なエネルギーを使用して大量の肥料とその使用原料が食料供給から大量のトウモロコシを削除するよう特にを教えれば、家畜。その結果、他の植物材料、または草、葉、紙、非食用作物部などのリグノ セルロース系材料の使用が増加しています。

このビデオはリグノ セルロース系材料からエタノールを派生する基本原則をカバーし、研究室では、リグノ セルロース系原料からのエタノールの生産を示します。

リグノ セルロース系バイオマスは、木質細胞壁を持つ植物を指します。植物の問題のこのタイプは、農業および製造業の廃棄物で、頻繁に利用可能な最も豊富な原料の一つです。

細胞壁は、高架橋ポリマー、リグニン、および 2 つの複雑な炭水化物、ヘミセルロース、セルロースので構成されます。セルロースは、グルコースなどの発酵性糖の主なソースですが、それはまずリグニンおよびヘミセルロースのコンポーネントから区切る必要があります。

リグノ セルロース系材料の処理の最初のステップは、粉末状に乾燥物を細かく粉砕することです。地面の原料、細胞壁のリグニンおよびヘミセルロースの障壁を打破し、セルロースへのアクセスを有効にする前処理が行われます。

次に、セルロースはヘミセルロースなどの加水分解酵素で処理されます。酵素加水分解はセルロースをブドウ糖に分解します。最後に、ブドウ糖はエタノールを生産する酵母を使って発酵させます。

次の実験は、リグニンおよびヘミセルロース、セルロースの酵素処理とエタノールを生成するグルコースの発酵が続くの除去によるセルロース系バイオマスからのエタノールの生産のこの段階のメソッドを示しています。

この実験では、トウモロコシの茎葉、葉、茎からエタノールが生成されますトウモロコシから。ボール径エンドミル研削盤を使用して、微粉末に原料を挽くし、大規模な作品が残っていないか確認します。

原料の 1 グラムの重量を量る、50 mL 遠心チューブに入れます、ラベルを付けます。コントロールのサンプルとして 2 番目の管にラベルを付けるし、任意の原料を追加しないでください。サンプルを前処理するには、約 400 ml の水、500 mL ビーカーを設定し、穏やかな沸騰にそれをもたらします。

25 mL の蒸留水を加える 2 つの準備された遠心分離機管とそれらを緩くキャップします。ミックス チューブを旋回します。沸騰したお湯にチューブを置き、チューブにお風呂から水が漏れていないことを確認します。室温にクールにできるように、30 分間沸騰を削除し、それらを聞かせて。

チューブは、冷却後、両方のチューブにセルラーゼ酵素の 1 つの mL を追加します。24 h のインキュベーターにチューブを置きます。24 h 後チューブを取り出して室温に冷ます。エタノールは酵母による発酵によって消化したセルロース系物質から生成されます。このプロセスを開始するには、アクティブな酵母の 1 g を遠沈管のそれぞれに追加混合旋回します。

場所遠沈管のエアロック。エアロックは、二酸化炭素圧力がチューブに溜まらないようにエスケープする発酵中に生成されることができます。ラック、遠沈管を配置し、37 ° C の定温器の配置発酵が完了すると、コントロールとサンプル チューブ中のエタノール濃度を測定するのにエタノール センサーが使用します。

バイオ燃料を競争力のあるエネルギー源にするには、構造と、原料の性能に関する特定の質問を答える必要があります。

その除去を効率的に実行できるように、様々 な植物のリグニンの分布を理解することが重要です。この例では、植物の茎から薄層をスライスして植物細胞壁のリグニンの分布を調べた。薄くスライスし、共焦点顕微鏡 532 nm のレーザー光を用いた植物の茎の三次元画像を作成するをイメージしました。

ラマン分光法を用いたリグニン含量を求めた。共焦点画像とラマン スペクトルを用いてリグニン分布の三次元地図を生成されました。

植物原料由来のバイオエタノールの量を最大化するため原料の種類を比較する必要があります。この例では、エタノールは、段ボールから制作され、に比べてトウモロコシの茎葉。段ボールは示した地上段ボールが、前処理を受けたように準備された材料からリグニンとヘミセルロースを分離し、セルロースをグルコースに分解するために酵素消化が続きます。抽出されたグルコースはエタノールを生産する酵母で発酵させてください。段ボールは、液中エタノールの濃度 2 倍以上生産にトウモロコシの茎葉に優れた原料ことが分かった。

アメリカ合衆国では、トウモロコシからバイオエタノールの大半が生成されます。トウモロコシからのエタノールの生産はエネルギーを要するが、セルロース系バイオマスからのエタノール生産よりも簡単です。

トウモロコシ原料から移行するためにセルロース系バイオマスからの収量はトウモロコシより必要があります。この例、コーンミール、トウモロコシ stover 以前に示すように、同じ手順を使用して比較しました。

コーンミールは、トウモロコシの茎葉、トウモロコシはトウモロコシの茎自体よりもわずかに良い原料であることを示す以上のエタノールの濃度を生産しました。しかし、トウモロコシの茎および他のセルロース系原料がより豊富で安価な実行可能な代替を提供することがあります。

バイオ燃料のゼウスの概要を見てきただけ。今植物原料とプロセスに関連付けられている課題からのエタノールの生産を理解する必要があります。見てくれてありがとう!

Results

ソリューションのエタノールは、エタノール センサー使用 (図 2) のブランドに関連するソフトウェアを使用して、タブレット画面になります。

様々 な原料によって生成されるパーセントのエタノールの代表の結果は、表 1で見ることができます。

原料 エタノール生産
おがくず 0.70%
トウモロコシの茎 0.60%
段ボール 1.67%
スイッチ グラス 0.37%
コントロール 0.11%

表 1.様々 な原料によって生成されるパーセントのエタノールの代表の結果。

Applications and Summary

エネルギー独立性及び安全保障法 2007 年の法律に再生可能燃料標準設定。それは、再生可能燃料ボリューム 90 億ガロン年から開始、2022 年 360 億ガロンで終了の段階的導入を作成しました。その 360 億の 160 億するはセルロース系材料からなることが期待されました。2014 年の元の提案は 181 億 5000 万ガロン 17 億 5000 万セルロース材料から来ることの再生可能燃料のためだった。残念ながら、現在作り出されるべき現実的ではセルロース系のエタノールの量に基づいて、この番号はならなかった最近 EPA の提案によると 1700 万ガロンになります。1現在はセルロースからエタノールを作成するプロセスの改善研究の非常にホットな分野です。この実験では、学生はトップ研究所の科学者たちは次の科学的な慣行をエミュレートすること。

様々 なバイオマス原料材料は輸送のセルロース系エタノールを生成する使用できます。米国エネルギー省のバイオ エネルギー技術オフィスはセルロース系原料から非食品ベースの植物材料とこのバイオマスの輸送用燃料への経済的に実行可能な変換を可能にする関連技術の開発に焦点を当てた。バイオマス廃棄物や藻に資材、草本エネルギー作物、農業残渣に至るを調査しています。この研究所の活動では、学生は、原料を使用していて結果エタノールの量を比較を変更できます。可能性は、トウモロコシの茎葉、草、葉、段ボール、新聞、紙、花、等を含んでいます。

セルロース系エタノールの大規模生産するうえでの 1 つは、溶銑予備処理プロセスの高価な性質 (両方のお金とエネルギーの面で) です。多くの研究は、これらのコストを削減し、セルロース系材料の内訳を簡単に行われています。酵素の企業は、多くの時間とお金のエタノールの収率を高めるために新しい酵素の開発に費やしています。この研究所の活動では、学生は使用結果エタノールの量を比較する、酵素を変更できます。セルラーゼ酵素の様々 なは、コウジカビ ニジェールからのセルラーゼやトリコデルマ virde からセルラーゼなどの学校に販売する化学会社から購入できます。または、独自の酵素は、しかし、これらは高価な特殊酵素会社から購入できます。他の酵素、アミラーゼのようなセルラーゼのセルロースからのエタノールの生産の能力を比較する使用することができます。

別の新興分野研究のセルロース系バイオマスをエタノールに変換する酵母の能力の向上です。リグノ セルロースは、植物の安定性を提供するために進化しています。これはセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンのエステル結合間架橋のためです。リグニンからセルロースを分離し、単糖類に分解するセルロースを扱う必要があります。さらに、ヘミセルロースにはグルコースなどの糖よりも発酵させることがより困難であるようなキシロース、ペントースの割合が高い。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. サンプル準備

  1. セルロース系素材を原料として使用するを選択します。これは、トウモロコシの茎、草、葉、ペットの寝具、または紙をすることができます。
  2. 残りのない大部分の微粉末に原料を挽くボール径エンドミル研削盤 (またはコーヒーミル ボール径エンドミル研削盤が使用できない場合)。
  3. 1.0 g の原料と 50 mL 遠心管中の場所を測定します。選ばれた原料とチューブ ラベルを付けます。
  4. 「コントロール」として 2 番目の 50 mL の遠心管にラベルを付けます。このチューブで任意の原料を入れないでください。

2. 前処理

  1. ホット プレートと穏やかな沸騰させる水約 400 mL を 500 mL のビーカーを設定します。
  2. 2 遠心チューブに 25 mL の蒸留水を追加します。ミックスに旋回。遠沈管にキャップを緩く置きます。
  3. 遠沈管をそっと水を沸騰のビーカーに入れます。チューブに風呂の水から水が漏れていないことを確認します。30 分間煮込みます。
  4. 部屋の温度に冷ますチューブ。

3. 酵素の消化力

  1. 両方の管にセルラーゼ酵素の 1 つの mL を追加します。
  2. 24 h の 50 ° c の定温器でチューブを入れてください。
  3. 部屋の温度に冷却するチューブを許可します。

4. 発酵

  1. (規則的な食料雑貨品店の酵母は ok です) アクティブな酵母の 1.0 g を遠沈管のそれぞれに追加します。ミックスに旋回。
  2. 遠心分離機管の上にエアロックを置きます。エアロックは、遠心管中の圧力を抑え、脱出する CO2をことができます。
  3. 遠沈管をラックに置き、37 ° C で 24 時間のインキュベーターに入れてください。
  4. エタノール センサー、制御管 (図 1) 中のエタノール濃度を測定します。エタノール センサーは、約 $ 100 各バーニアやパスコを通じて購入できます。
    Figure 1
    図 1.エタノール プローブ制御管中のエタノール濃度を測定します。
  5. エタノール センサー、サンプル管 (図 2) 中のエタノール濃度を測定します。
    Figure 2
    図 2 。エタノールの % を表示するタブレット。

バイオ燃料は、植物などの生物学的問題から派生した燃料です。バイオ燃料としてください世界の多くの部分で作物から供給される化石燃料に代わるものとして。さらに、クリーナー燃えている、温室効果ガスの排出量を減らします。

最も広く使用されているバイオ燃料の 1 つは、植物バイオマス、通常サトウキビ、トウモロコシ由来のエタノールです。米国では、エタノール燃料の大半はトウモロコシから生成されます。

トウモロコシの使用作物の原料として物議を醸すトウモロコシが成長する集中的なエネルギーを使用して大量の肥料とその使用原料が食料供給から大量のトウモロコシを削除するよう特にを教えれば、家畜。その結果、他の植物材料、または草、葉、紙、非食用作物部などのリグノ セルロース系材料の使用が増加しています。

このビデオはリグノ セルロース系材料からエタノールを派生する基本原則をカバーし、研究室では、リグノ セルロース系原料からのエタノールの生産を示します。

リグノ セルロース系バイオマスは、木質細胞壁を持つ植物を指します。植物の問題のこのタイプは、農業および製造業の廃棄物で、頻繁に利用可能な最も豊富な原料の一つです。

細胞壁は、高架橋ポリマー、リグニン、および 2 つの複雑な炭水化物、ヘミセルロース、セルロースので構成されます。セルロースは、グルコースなどの発酵性糖の主なソースですが、それはまずリグニンおよびヘミセルロースのコンポーネントから区切る必要があります。

リグノ セルロース系材料の処理の最初のステップは、粉末状に乾燥物を細かく粉砕することです。地面の原料、細胞壁のリグニンおよびヘミセルロースの障壁を打破し、セルロースへのアクセスを有効にする前処理が行われます。

次に、セルロースはヘミセルロースなどの加水分解酵素で処理されます。酵素加水分解はセルロースをブドウ糖に分解します。最後に、ブドウ糖はエタノールを生産する酵母を使って発酵させます。

次の実験は、リグニンおよびヘミセルロース、セルロースの酵素処理とエタノールを生成するグルコースの発酵が続くの除去によるセルロース系バイオマスからのエタノールの生産のこの段階のメソッドを示しています。

この実験では、トウモロコシの茎葉、葉、茎からエタノールが生成されますトウモロコシから。ボール径エンドミル研削盤を使用して、微粉末に原料を挽くし、大規模な作品が残っていないか確認します。

原料の 1 グラムの重量を量る、50 mL 遠心チューブに入れます、ラベルを付けます。コントロールのサンプルとして 2 番目の管にラベルを付けるし、任意の原料を追加しないでください。サンプルを前処理するには、約 400 ml の水、500 mL ビーカーを設定し、穏やかな沸騰にそれをもたらします。

25 mL の蒸留水を加える 2 つの準備された遠心分離機管とそれらを緩くキャップします。ミックス チューブを旋回します。沸騰したお湯にチューブを置き、チューブにお風呂から水が漏れていないことを確認します。室温にクールにできるように、30 分間沸騰を削除し、それらを聞かせて。

チューブは、冷却後、両方のチューブにセルラーゼ酵素の 1 つの mL を追加します。24 h のインキュベーターにチューブを置きます。24 h 後チューブを取り出して室温に冷ます。エタノールは酵母による発酵によって消化したセルロース系物質から生成されます。このプロセスを開始するには、アクティブな酵母の 1 g を遠沈管のそれぞれに追加混合旋回します。

場所遠沈管のエアロック。エアロックは、二酸化炭素圧力がチューブに溜まらないようにエスケープする発酵中に生成されることができます。ラック、遠沈管を配置し、37 ° C の定温器の配置発酵が完了すると、コントロールとサンプル チューブ中のエタノール濃度を測定するのにエタノール センサーが使用します。

バイオ燃料を競争力のあるエネルギー源にするには、構造と、原料の性能に関する特定の質問を答える必要があります。

その除去を効率的に実行できるように、様々 な植物のリグニンの分布を理解することが重要です。この例では、植物の茎から薄層をスライスして植物細胞壁のリグニンの分布を調べた。薄くスライスし、共焦点顕微鏡 532 nm のレーザー光を用いた植物の茎の三次元画像を作成するをイメージしました。

ラマン分光法を用いたリグニン含量を求めた。共焦点画像とラマン スペクトルを用いてリグニン分布の三次元地図を生成されました。

植物原料由来のバイオエタノールの量を最大化するため原料の種類を比較する必要があります。この例では、エタノールは、段ボールから制作され、に比べてトウモロコシの茎葉。段ボールは示した地上段ボールが、前処理を受けたように準備された材料からリグニンとヘミセルロースを分離し、セルロースをグルコースに分解するために酵素消化が続きます。抽出されたグルコースはエタノールを生産する酵母で発酵させてください。段ボールは、液中エタノールの濃度 2 倍以上生産にトウモロコシの茎葉に優れた原料ことが分かった。

アメリカ合衆国では、トウモロコシからバイオエタノールの大半が生成されます。トウモロコシからのエタノールの生産はエネルギーを要するが、セルロース系バイオマスからのエタノール生産よりも簡単です。

トウモロコシ原料から移行するためにセルロース系バイオマスからの収量はトウモロコシより必要があります。この例、コーンミール、トウモロコシ stover 以前に示すように、同じ手順を使用して比較しました。

コーンミールは、トウモロコシの茎葉、トウモロコシはトウモロコシの茎自体よりもわずかに良い原料であることを示す以上のエタノールの濃度を生産しました。しかし、トウモロコシの茎および他のセルロース系原料がより豊富で安価な実行可能な代替を提供することがあります。

バイオ燃料のゼウスの概要を見てきただけ。今植物原料とプロセスに関連付けられている課題からのエタノールの生産を理解する必要があります。見てくれてありがとう!

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