Biyoyakıtlar: Selülozik Malzemeden Etanol Üretimi
Kaynak: Margaret Workman ve Kimberly Frye Laboratuvarları - Depaul Üniversitesi
Bu deneyde, selülozik malzeme (mısır sapları, yapraklar, otlar vb.) et…
1. Numune Hazırlama
- Hammadde olarak kullanılacak selülozik malzemeyi seçin. Bu mısır sapları, otlar, yapraklar, evcil hayvan yatakları veya kağıt olabilir.
- Bir bilyalı değirmen öğütücü (veya bilyalı değirmen öğütücü yoksa kahve değirmeni) kullanarak, besleme çubuğunu büyük parça kalmayacak şekilde ince bir toz haline getirin.
- 1,0 g hammadde ölçün ve 50 mL'lik bir santrifüj tüpüne yerleştirin. Tüpü seçilen hammadde ile etiketleyin.
- İkinci bir 50 mL santrifüj tüpünü "Kontrol" olarak etiketleyin. Bu tüpe herhangi bir hammadde koymayın.
2. Ön arıtma
- Bir ocak gözüne yaklaşık 400 mL su ile 500 mL'lik bir beher yerleştirin ve hafifçe kaynatın.
- 2 santrifüj tüpüne 25 mL damıtılmış su ekleyin. Karıştırmak için döndürün. Kapağı santrifüj tüplerinin üzerine gevşek bir şekilde yerleştirin.
- Santrifüj tüplerini hafifçe kaynar su ile dolu behere koyun. Su banyosundan gelen suyun tüplere sızmadığından emin olun. 30 dakika kaynatın.
- Tüpleri oda sıcaklığına soğumaya bırakın.
3. Enzimatik Sindirim
- Her iki tüpe de 1 mL selülaz enzimi ekleyin.
- Tüpleri 24 saat boyunca 50 °C'de bir inkübatöre koyun.
- Tüplerin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
4. Fermantasyon
- Santrifüj tüplerinin her birine 1.0 g aktif maya (normal market mayası tamam) ekleyin. Karıştırmak için döndürün.
- Santrifüj tüpünün üstüne bir hava kilidi koyun. Hava kilidi, CO2'nin kaçmasına izin vererek santrifüj tüpündeki basıncı düşük tutar.
- Santrifüj tüplerini bir rafa yerleştirin ve 37 °C'de 24 saat boyunca bir inkübatöre koyun.
- Bir etanol sensörü kullanarak, kontrol tüpündeki etanol konsantrasyonunu ölçün (Şekil 1). Etanol sensörleri, Vernier veya PASCO aracılığıyla her biri yaklaşık 100 $ karşılığında satın alınabilir.
Şekil 1. Kontrol tüpündeki etanol konsantrasyonunu ölçen etanol probu. - Bir etanol sensörü kullanarak, numune tüpündeki etanol konsantrasyonunu ölçün (Şekil 2).
Şekil 2. Etanol yüzdesini gösteren el tipi tablet.
Biyoyakıtlar, bitkiler gibi biyolojik maddelerden elde edilen yakıtlardır. Biyoyakıtlar, dünyanın birçok yerindeki mahsullerden elde edilebildikleri için fosil yakıtlara bir alternatif olarak hizmet eder. Ek olarak, daha temiz yanarlar, böylece sera gazı emisyonlarını azaltırlar.
En yaygın kullanılan biyoyakıtlardan biri, bitki biyokütlesinden, tipik olarak şeker kamışı ve mısırdan elde edilen etanoldür. ABD'de etanol biyoyakıtın çoğunluğu mısırdan üretilmektedir.
Mısır mahsullerinin hammadde olarak kullanılması tartışmalıdır, çünkü mısır büyümek için enerji yoğundur, büyük miktarda gübre kullanır ve hammadde olarak kullanılması gıda arzından, özellikle de hayvancılık için yemden büyük miktarda mısırı uzaklaştırır. Sonuç olarak, çimen, yapraklar, kağıt ve mahsullerin yenilebilir olmayan kısımları gibi diğer bitki materyallerinin veya lignoselülozik materyallerin kullanımı artmaktadır.
Bu video, lignoselülozik malzemeden etanol elde etmenin temellerini kapsayacak ve laboratuvarda lignoselülozik hammaddelerden etanol üretimini gösterecektir.
Lignoselülozik biyokütle, odunsu hücre duvarlarına sahip bitki maddesini ifade eder. Bu tür bitki maddeleri, genellikle tarım ve imalatın atık bir ürünü olduğu için mevcut en bol hammaddelerden biridir.
Hücre duvarları, yüksek oranda çapraz bağlı polimer, lignin ve iki kompleks karbonhidrat, hemiselüloz ve selülozdan oluşur. Selüloz, glikoz gibi fermente edilebilir şekerlerin birincil kaynağıdır, ancak önce lignin ve hemiselüloz bileşenlerinden ayrılmalıdır.
Lignoselülozik malzemenin işlenmesinde ilk adım, kuru bitki maddesinin ince bir şekilde öğütülerek toz haline getirilmesidir. Öğütülmüş besleme stoğu daha sonra hücre duvarındaki lignin ve hemiselüloz bariyerini parçalamak ve selüloza erişim sağlamak için ön işleme tabi tutulur.
Daha sonra selüloz, selülaz ve hemiselülaz gibi hidrolitik enzimlerle muamele edilir. Enzimatik hidroliz, selülozu glikoza parçalar. Son olarak, glikoz, etanol üretmek için maya ile fermente edilir.
Aşağıdaki deney, lignin ve hemiselülozun uzaklaştırılması, ardından selülozun enzimatik muamelesi ve etanol üretmek için glikozun fermantasyonu yoluyla selülozik biyokütleden etanol üretmenin bu adım adım yöntemini göstermektedir.
Bu deneyde, mısır sobasından etanol, mısır bitkilerinden elde edilen yaprak ve saplardan etanol üretilecektir. Bir bilyalı değirmen değirmeni kullanarak, hammaddeyi ince bir toz haline getirin ve büyük parça kalmadığından emin olun.
1 g hammaddeyi tartın, 50 mL'lik bir santrifüj tüpüne yerleştirin ve etiketleyin. İkinci bir tüpü kontrol numunesi olarak etiketleyin ve herhangi bir hammadde eklemeyin. Numuneleri ön işleme tabi tutmak için, yaklaşık 400 mL su ile 500 mL'lik bir beher ayarlayın ve hafifçe kaynatın.
Hazırlanan iki santrifüj tüpüne 25 mL damıtılmış su ekleyin ve gevşek bir şekilde kapatın. Karıştırmak için tüpleri döndürün. Tüpleri kaynar suya yerleştirin ve banyodan gelen suyun tüplere sızmadığından emin olun. 30 dakika kaynatın, ardından çıkarın ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın.
Tüpler soğuduktan sonra, her iki tüpe de 1 mL selülaz enzimi ekleyin. Tüpleri 24 saat boyunca bir inkübatöre yerleştirin. 24 saat sonra tüpleri çıkarın ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın. Etanol, sindirilmiş selülozik malzemeden maya ile fermantasyon yoluyla üretilir. Bu işleme başlamak için, santrifüj tüplerinin her birine 1 g aktif maya ekleyin ve karıştırmak için döndürün.
Santrifüj tüplerine bir hava kilidi yerleştirin. Hava kilidi, fermantasyon sırasında oluşan karbondioksitin kaçmasına izin verir, böylece tüpte basınç oluşmaz. Santrifüj tüplerini bir rafa yerleştirin ve 37 °C'de bir inkübatöre yerleştirin. Fermantasyon tamamlandıktan sonra, kontrol ve numune tüplerindeki etanol konsantrasyonunu ölçmek için bir etanol sensörü kullanın.
Biyoyakıtları rekabetçi bir enerji kaynağı haline getirmek için, hammaddelerin yapısı ve performansı ile ilgili bazı soruların cevaplanması gerekir.
Ligninin çeşitli bitkilerdeki dağılımını anlamak önemlidir, böylece uzaklaştırılması verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir. Bu örnekte, bitki hücre duvarlarındaki lignin dağılımı, bir bitki sapından ince tabakaların dilimlenmesiyle analiz edildi. İnce dilimler daha sonra bitki sapının üç boyutlu görüntülerini oluşturmak için 532 nm lazer ışığı ile konfokal mikroskopi kullanılarak görüntülendi.
Lignin içeriği Raman spektroskopisi kullanılarak belirlendi. Konfokal görüntüleri ve Raman spektrumlarını birleştirerek, lignin dağılımının üç boyutlu bir haritası oluşturuldu.
Bitki hammaddelerinden elde edilen biyoetanol miktarını en üst düzeye çıkarmak için, hammadde türlerinin karşılaştırılması gerekmektedir. Bu örnekte, etanol kartondan üretildi ve mısır sobası ile karşılaştırıldı. Karton, daha önce gösterildiği gibi hazırlandı, burada öğütülmüş karton, malzemeden lignin ve hemiselülozu ayırmak ve selülozu glikoza parçalamak için enzimatik sindirime tabi tutuldu. Ekstrakte edilen glikoz daha sonra etanol üretmek için maya ile fermente edildi. Karton, çözeltideki etanol konsantrasyonunun iki katından fazlasını ürettiği için mısır sobasından daha üstün bir hammadde olduğunu kanıtladı.
Amerika Birleşik Devletleri'nde biyoetanolün büyük çoğunluğu mısırdan üretilmektedir. Mısırdan etanol üretimi enerji yoğun olsa da, selülozik biyokütleden etanol üretiminden daha az karmaşıktır.
Mısır hammaddelerinden uzaklaşmak için, selülozik biyokütleden elde edilen verimin mısırdan daha iyi olması gerekir. Bu örnekte, mısır unu ve mısır sobası, daha önce gösterildiği gibi aynı prosedür kullanılarak karşılaştırılmıştır.
Mısır unu, mısır sobasından daha yüksek konsantrasyonda etanol üretti, bu da mısırın mısır saplarının kendisinden biraz daha iyi bir hammadde olduğunu gösteriyor. Bununla birlikte, mısır sapları ve diğer selülozik hammaddeler daha bol ve ucuzdur ve uygun bir alternatif sağlayabilir.
JoVE'nin Biyoyakıtlara Giriş kitabını yeni izlediniz. Artık bitki hammaddelerinden etanol üretimini ve süreçle ilgili zorlukları anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!
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.