Overview
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
בניסוי זה, חומר צלולוסי (כגון גבעולי תירס, עלים, עשבים וכו ') ישמש מזון לייצור אתנול. החומר הצלולוסי מטופל תחילה (טחון ומחומם), מתעכל עם אנזימים, ולאחר מכן מותסס עם שמרים. ייצור אתנול מנוטר באמצעות גשושית אתנול. הניסוי יכול להיות מורחב כדי לייעל את ייצור האתנול על ידי שינוי ההזנה בשימוש, תנאי טיפול מראש, וריאציית אנזים, וריאציית שמרים, וכו '. שיטה חלופית לניטור התגובה היא למדוד את הפחמן הדו-חמצני המיוצר (באמצעות חיישן גז) במקום האתנול. כחלופה נמוכה, מדי גלוקוז (שנמצאים בכל חנות תרופות) יכולים לשמש לניטור הגלוקוז במהלך התהליך, אם בדיקה אתנול או חיישן גז פחמן דו חמצני אינו זמין.
עם דגש מוגבר על "למידה מבוססת חקירה", בדיקות מדעיות הופכות פופולריות יותר. מכשירי כף יד כמו Vernier Lab Quest המשמשים בשילוב עם מגוון בדיקות (כגון אלה להולכות, חמצן מומס, מתח ועוד) מאפשרים פחות להתמקד באיסוף נתונים ו/או ביצירת גרפים ויותר בניתוח הנתונים ובביצוע תחזיות. יתרון נוסף הוא כי אלה הם קטנים וקלים וניתן לקחת לתוך השדה למדידות.
Principles
ארצות הברית מחפשת ללגום את עצמה מדלקים פוסיליים, במיוחד נפט המשמש בבנזין. שינוי האקלים העולמי, התלות במדינות זרות וחוסר היציבות הפוליטית הגוברת ברחבי העולם הם רק כמה סיבות לכך. אחת הדרך האפשריות להפחית את התלות בנפט כדלק תחבורה היא באמצעות יותר אתנול. נכון לעכשיו, בנ בנזול רגיל מכיל כ 10% אתנול כתוסף. רכבי דלק גמישים מיוחדים יכולים להשתמש בבנזין E85, שהוא 85% אתנול. 1
בברזיל, אתנול נעשה באמצעות קנה סוכר כמו המזון. המוצר העיקרי של קנה סוכר הוא סוכרוז, שהוא disaccharide של גלוקוז פרוקטוז. רוב מיני השמרים הם בעלי סוקראז האנזים ומסוגלים לבקע את הגלוקוז – קשר פרוקטוז. סוכרוז (C12H22O11) מותסס על ידי שמרים כדי לייצר אתנול ופחמן דו חמצני. התגובה הכימית הכוללת מוצגת במשוואה 1. 2,3
עם זאת, בארה"ב, אתנול עשוי מתירס. תירס מאחסן פחמימות כפוליסכריד שנקרא עמילן. זה דורש יותר מאמץ מאשר ביצוע אתנול מקנה סוכר כי שמרים לא יכול לבקע את הקשרים עמילן. כדי להפוך אתנול מתירס, גרעיני תירס הראשונים צריכים להיות טחונים, ואז התירס הקרקעי מטופל באנזימים כדי להמיר את העמילן בתירס לגלוקוז. לאחר שלב זה, התהליך ממשיך כמו בשיטת קנה הסוכר לעיל באמצעות שמרים כדי לתסוס את הגלוקוז לתוך אתנול ופחמן דו חמצני. התגובה הכימית מוצגת במשוואה 2. 2
עם זאת, ייצור האתנול מתירס בעייתי. דבר ראשון, זה לוקח קצת תירס מתוך אספקת המזון, במיוחד להאכיל עבור בעלי חיים, ובכך להעלות את המחירים. זה גם אנרגיה ודשן אינטנסיבי לייצר תירס, הפחתת הרצון שלה כחלופת דלק תחבורה לנפט. לכן, מדענים פונים יותר ויותר לחומר צלולוסי כדי להפוך אתנול. חומרים אלה כוללים עץ, עשבים וחלקים שאינם אכילים של צמחים. אלה רצויים יותר מכיוון שהם אינם משפיעים על אספקת המזון. עם זאת, על מנת לשחרר את הגלוקוז מהחומר התאי, יש צורך במאמץ רב יותר, שכן הגלוקוז מחומר תאית קשור בתאית, אשר לאחר מכן עטוף עם hemicelluloses ו ליגנין. ראשית יש לחלץ את התאית מכריכות המיקלולוזים והליגנין. זה נעשה באמצעות טיפול מקדים של שחיקה והידרוליזה חומצה. לאחר מכן, תאית מטופלת עם אנזימים כדי לשבור אותו לתוך רכיב גלוקוז שלה. לבסוף, גלוקוז יכול להיות מותסס עם שמרים כדי לייצר אתנול ומים. ניתן לסכם את התהליך כפי שמוצג במשוואה 3.
זה כרגע אינטנסיבי מדי אנרגיה כדי להפוך אותו שיטה מעשית לייצור אתנול בקנה מידה גדול. עם זאת, מתבצע מחקר כדי לשפר את התהליך. 2,3
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הכנת מדגם
- בחר חומר צלולוסי שישמש כמאכל. זה יכול להיות גבעולי תירס, עשבים, עלים, מצעים לחיות מחמד, או נייר.
- באמצעות מטחנת טחנת כדור (או מטחנת קפה אם מטחנת כדור אינה זמינה), לטחון את המזון לאבקה דקה ללא חתיכות גדולות שנותרו.
- למדוד 1.0 גרם של הזנה ומניחים בצינור צנטריפוגה 50 מ"ל. תייג את הצינור עם המזון שנבחר.
- סמן צינור צנטריפוגה שני של 50 מ"ל כ"בקרה". אין לשים כל מזון בצינור זה.
2. טיפול מקדים
- הגדירו 500 מל עם כ-400 מל מים על כיריים ומחממים לרתיחה עדינה.
- מוסיפים 25 מ"ל של מים מזוקקים ל -2 צינורות הצנטריפוגה. מערבבים לערבב. שים את המכסה על צינורות הצנטריפוגה באופן רופף.
- שים את צינורות הצנטריפוגה בתוך מלא במים רותחים בעדינות. ודא כי מים מאמבט המים אינו דולף לתוך הצינורות. בואו להרתיח במשך 30 דקות.
- תן צינורות להתקרר לטמפרטורת החדר.
3. עיכול אנזימטי
- הוסף 1 מ"ל של אנזים צלולאז לשני הצינורות.
- שים צינורות באינקובטור ב 50 °C (50 °F) עבור 24 שעות.
- אפשר לצינורות להתקרר לטמפרטורת החדר.
4. תסיסה
- מוסיפים 1.0 גרם של שמרים פעילים (שמרי מכולת רגילים זה בסדר) לכל אחד מצינורות הצנטריפוגות. מערבבים לערבב.
- שים מנעל אוויר על גבי צינור הצנטריפוגה. מנעל האוויר מאפשר CO2 לברוח, שמירה על הלחץ נמוך בצינור הצנטריפוגה.
- מניחים את צינורות הצנטריפוגה במתלה ומכניסים לאינקובטור ב 37 °C (50 °F) למשך 24 שעות.
- באמצעות חיישן אתנול, למדוד את ריכוז האתנול בצינור הבקרה(איור 1). חיישני אתנול ניתן לרכוש דרך ורנייה או PASCO עבור כ $100 כל אחד.
איור 1. בדיקת אתנול המודדת את ריכוז האתנול בצינור הבקרה. - באמצעות חיישן אתנול, למדוד את ריכוז האתנול בצינור המדגם(איור 2).
איור 2. לוח כף יד המציג אחוזים של אתנול.
דלקים ביולוגיים הם דלקים שמקורם בחומר ביולוגי, כגון צמחים. דלקים ביולוגיים משמשים כחלופה לדלקים פוסיליים, שכן הם יכולים להיות מקורם בגידולים בחלקים רבים של העולם. בנוסף, הם שורפים נקיים יותר, ובכך מפחיתים את פליטת גזי החממה.
אחד הדלקים הביולוגיים הנפוצים ביותר הוא אתנול המופק ביומסה צמחית, בדרך כלל קנה סוכר ותירס. בארה"ב, רוב הדלק הביולוגי אתנול מיוצר מתירס.
השימוש בגידוקי תירס כמאכל שנוי במחלוקת, שכן תירס הוא אנרגיה אינטנסיבית לגידול, משתמש בכמות גדולה של דשנים, והשימוש בו כמאכל מסיר כמות גדולה של תירס מאספקת המזון, במיוחד להאכיל בעלי חיים. כתוצאה מכך, השימוש בחומרים צמחיים אחרים, או בחומרים ליגנוקולוסיים, כגון דשא, עלים, נייר וחלקים שאינם אכילים של יבולים גדל.
וידאו זה יכסה את היסודות של הפקת אתנול מחומר לינוקולוסי, ולהדגים את הייצור של אתנול מן הזנה ליגנוקולוסית במעבדה.
ביומסה ליגנוקולוסית מתייחסת לחומר צמחי עם קירות תא עציים. סוג זה של חומר צמחי הוא אחד מחומרי הגלם הנפוצים ביותר הזמינים, שכן הוא לעתים קרובות מוצר פסולת של חקלאות וייצור.
קירות התא מורכבים מהפולימר, ליגנין ושתי פחמימות מורכבות, המיצלולוז ותאית. תאית היא המקור העיקרי לסוכרים מותססים, כגון גלוקוז, אך יש להפריד אותה תחילה מרכיבי ליגנין והמיצלולוז.
השלב הראשון בעיבוד של החומר ליגנוקולוסי הוא לטחון דק את החומר הצמחי היבש לאבקה. לאחר מכן, המזון הקרקעי עובר טיפול מקדים כדי לשבור את מחסום הינין והמיצלולוז בקיר התא, ולאפשר גישה לתאית.
לאחר מכן, תאית מטופלת עם אנזימים הידרוליטיים, כגון צלולאז והיצלולאז. ההידרוליזה האנזימטית מפרקת תאית לגלוקוז. לבסוף, גלוקוז מותסס עם שמרים כדי לייצר אתנול.
הניסוי הבא מדגים שיטה זו צעד חכם של ייצור אתנול מן הביומסה תאית דרך הסרת ליגנין ו hemicellulose, ואחריו טיפול אנזימטי של תאית, ותסיסה של גלוקוז לייצר אתנול.
בניסוי זה, אתנול יופק מסטובר תירס, העלים וגבעולים מצמחי תירס. בעזרת מטחנת כדור, טוחנים את ההזנה לאבקה דקה, ומוודאים שלא יישארו חתיכות גדולות.
שוקלים 1 גרם של מזון, מניחים אותו לתוך צינור צנטריפוגה 50 מ"ל, ולתייג אותו. סמן צינור שני כדגימת הבקרה, ואל תוסיף כל מזן. כדי להתמודד מראש עם הדגימות, להגדיר 500 מל עם כ 400 מל של מים, ולהביא אותו לרתיחה עדינה.
מוסיפים 25 מ"ל של מים מזוקקים לשני צינורות הצנטריפוגה המוכנים ומכסים אותם באופן רופף. מערבבים את הצינורות כדי לערבב. מניחים את הצינורות במים הרותחים, ומוודאים שהמים מהאמבטיה לא דולפים לצינורות. אפשר להם להרתיח במשך 30 דקות, ולאחר מכן להסיר ולתת להם להתקרר לטמפרטורת החדר.
לאחר הצינורות התקררו, להוסיף 1 מ"ל של אנזים צלולאז לשני הצינורות. מניחים את הצינורות באינקובטור ל-24 שעות. לאחר 24 שעות, להסיר את הצינורות ולאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר. אתנול מיוצר מחומר צלולוסיק מתעכל באמצעות תסיסה על ידי שמרים. כדי להתחיל בתהליך זה, להוסיף 1 גרם של שמרים פעילים לכל אחד צינורות צנטריפוגה, מערבולת לערבב.
מניחים מנעל אוויר על צינורות הצנטריפוגות. מנעל האוויר מאפשר לפחמן הדו חמצני שנוצר במהלך התסיסה לברוח כך שהלחץ לא מצטבר בצינור. מניחים את צינורות הצנטריפוגה במדף, ומניחים באינקובטור ב 37 °C (50 °F). לאחר השלמת התסיסה, השתמש בחיישן אתנול כדי למדוד את ריכוז האתנול בצינורות הבקרה והדגימה.
כדי להפוך דלקים ביולוגיים למקור אנרגיה תחרותי, יש לענות על שאלות מסוימות על המבנה והביצועים של המזון.
חשוב להבין את התפלגות ליגנין בצמחים שונים, כך הסרתו יכולה להתבצע ביעילות. בדוגמה זו, התפלגות ליגנין בקירות תא הצמח נותחה על ידי חיתוך שכבות דקות מגבעול צמח. הפרוסות הדקות צולמו אז באמצעות מיקרוסקופיה קונפוקל עם אור לייזר 532 ננומטר כדי ליצור תמונות תלת ממדיות של גזע הצמח.
תכולת ליגנין נקבעה באמצעות ספקטרוסקופיית רמאן. על ידי שילוב התמונות הקונפוקליות והספקטרום של רמאן, נוצרה מפה תלת ממדית של התפלגות ליגנין.
על מנת למקסם את כמות הביואתנול הנגזר ממזון צמחי, יש להשוות את סוגי המזון. בדוגמה זו, אתנול הופק מקרטון, בהשוואה לסטובר תירס. הקרטון הוכן כפי שמוצג קודם לכן, שם קרטון הקרקע היה נתון טיפול מקדים, ואחריו עיכול אנזימטי על מנת להפריד ליגנין ו hemicellulose מהחומר ולפרק את התאית לגלוקוז. גלוקוז שחולץ היה אז מותסס עם שמרים כדי לייצר אתנול. קרטון הוכיח להיות הזנה מעולה לסטובר תירס, כפי שהוא הפיק יותר מכפול הריכוז של אתנול בתמיסה.
בארצות הברית, הרוב המכריע של הביואטנול מיוצר מתירס. בעוד הייצור של אתנול מתירס הוא אינטנסיבי אנרגיה, זה פחות מורכב מאשר הייצור של אתנול ביומסה צלולוסית.
על מנת להתרחק ממזון תירס, התשואה מביומסה צלולוסית חייבת להיות טובה יותר מזו של תירס. בדוגמה זו, קמח תירס ותירס הושוו באמצעות אותו הליך כפי שהוצג בעבר.
קמח תירס ייצר ריכוז גבוה יותר של אתנול מאשר סטובר תירס, מראה כי תירס הוא מזון קצת יותר טוב מאשר גבעולי התירס עצמם. עם זאת, גבעולי תירס ומזון צלולוסי אחרים, הם בשפע יותר וזול ועשויים לספק חלופה מעשית.
הרגע צפיתם בהקדמה של ג'וב לדלקים ביולוגיים. עכשיו אתה צריך להבין את הייצור של אתנול מן המזון הצמחי, ואת האתגרים הקשורים לתהליך. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
האחוז באתנול בפתרון יוצג על מסך הטאבלט כף היד באמצעות התוכנה הקשורה למותג של חיישן האתנול המשמש (איור 2).
תוצאות מייצגות של אחוז אתנול המיוצר על ידי הזנות שונות ניתן לראות בטבלה 1.
| מזון | אתנול מיוצר |
| נסורת | 0.70% |
| גבעולי תירס | 0.60% |
| קרטון | 1.67% |
| תותח | 0.37% |
| לשלוט | 0.11% |
טבלה 1. תוצאות מייצגות של אחוז אתנול המיוצר על ידי הזנות שונות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
חוק העצמאות והביטחון האנרגטי מ-2007 קבע בחוק תקן דלק מתחדש. היא יצרה שלב בנפחי דלק מתחדשים החל מ-9 מיליארד גלונים ב-2008 והסתיים ב-36 מיליארד גלונים ב-2022. מתוך 36 מיליארד זה, היה צפוי כי 16 מיליארד מזה יגיעו מחומרים צלולוסיים. עבור 2014, ההצעה המקורית הייתה עבור 18.15 מיליארד גלונים של דלק מתחדש, 1.75 מיליארד מתום זה מגיע מחומר צלולוסי. למרבה הצער, בהתבסס על נפח האתנול הצלולוזי כי הוא אפשרי להיות מיוצר כרגע, מספר זה היה צריך להיות מופחת ל 17 מיליון גלונים על פי הצעת המשרד לאיכות הסביבה האחרונה. 1 שיפור תהליך יצירת אתנול מחומר צלולוסיק הוא כיום תחום חם מאוד של מחקר. בניסוי זה, התלמידים יחקו את הפרקטיקות המדעיות שמדענים במעבדות המחקר המובילות עוקבים אחריהם.
מגוון של חומרים הזנה ביומסה ניתן להשתמש כדי לייצר אתנול צלולוסיק לתחבורה. משרד הטכנולוגיות הביו-אנרג'י של משרד האנרגיה האמריקאי מתמקד בפיתוח מזון צלולוזי מחומר צמחי שאינו מבוסס מזון והטכנולוגיות הקשורות שיאפשרו המרה אפשרית מבחינה כלכלית של ביומסה זו לדלק תחבורה. הם חוקרים מקורות ביומסה החל משאריות חקלאיות, גידולי אנרגיה עשביים וחומרי יער ועד חומרי פסולת ואצות. בפעילות מעבדה זו, התלמידים יכולים לשנות את המזון שהם משתמשים בו ולהשוות את כמות האתנול הנובעת מכך. האפשרויות כוללות סטובר תירס, עשבים, עלים, קרטון, עיתון, נייר, פרחים וכו '.
מחסום אחד לייצור בקנה מידה גדול של אתנול צלולוזי הוא הטבע היקר (הן מבחינת כסף והן מבחינת אנרגיה) של תהליך הטיפול הקדם. מחקר רב נעשה על הפחתת עלויות אלה ולהפוך את פירוק החומר צלולוסיק קל יותר. חברות אנזימים מבלות הרבה זמן וכסף בפיתוח אנזימים חדשים כדי להגדיל את התשואה של אתנול. בפעילות מעבדה זו, התלמידים יכולים לשנות את האנזימים שבהם הם משתמשים ולהשוות את כמות האתנול הנובעת מכך. מגוון של אנזימי צלולאז ניתן לרכוש מחברות כימיות שמוכרות לבתי ספר, כגון צלולאז מאספרגילוס ניז'ר או צלולאז מ וירדה Trichoderma. או אנזימים קנייניים ניתן לרכוש מחברות אנזימים מיוחדים, אולם אלה הם יקרים. אנזימים אחרים יכולים לשמש, כמו עמילאז, כדי להשוות את יכולתם לייצר אתנול מחומר צלולוזי לזה של cellulases.
תחום מחקר מתפתח נוסף הוא שיפור היכולת של שמרים להמיר ביומסה צלולוסית לאתנול. ליגנוקולוז התפתח בצמחים כדי לספק יציבות. הסיבה לכך היא הקשר בין תאית והיצללוז והצמדות אסתר בליגנין. יש צורך להפריד את התאית מן ליגנין ולאחר מכן לטפל בתאית לשבור אותו לתוך monosaccharide. בנוסף, hemicellulose יש אחוז גבוה של pentoses כמו קסילוז, אשר קשה יותר לתסיסה מאשר hexose כמו גלוקוז. 4
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- The Energy Independence and Security Act of 2007. United States Congress, Washington DC. January 4, (2007).
- Balat, M., Balat, H., Oz, C. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science. 34 (2008).
- 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).
- Demirbas, A. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Source. 27 327-337 (2005).
