Overview
출처: 마가렛 노동자와 킴벌리 프라이의 실험실 - 데폴 대학
본 실험에서, 셀룰로오스 물질(옥수수 줄기, 잎, 풀 등)은 에탄올 생산을 위한 사료로 사용될 것이다. 셀룰로오스 물질은 먼저 전처리 (지상 및 가열), 효소로 소화한 다음 효모로 발효됩니다. 에탄올 생산은 에탄올 프로브를 사용하여 모니터링됩니다. 이 실험은 사용되는 공급원료, 전처리 조건, 효소 변화, 효모 변이 등을 변화시킴으로써 에탄올 생산을 최적화하기 위해 확장될 수 있다. 반응을 모니터링하는 다른 방법은 에탄올 대신 생산된 이산화탄소(가스 센서 사용)를 측정하는 것이다. 저기술 대체품으로서, 포도당 계측기(모든 약국에서 발견)는 에탄올 프로브 또는 이산화탄소 가스 센서를 사용할 수 없는 경우 공정 중에 포도당을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
'조회 기반 학습'에 대한 강조가 증가함에 따라 과학 프로브가 인기를 얻고 있습니다. 다양한 프로브(예: 전도도, 용존 산소, 전압 등)와 함께 사용되는 Vernier Lab Quest와 같은 핸드헬드 장치는 데이터 수집 및/또는 그래프 를 만드는 데 더 적은 초점을 맞출 수 있으며 데이터를 분석하고 예측을 하는 데 더 집중할 수 있습니다. 또 다른 장점은 작고 가볍고 측정을 위해 필드로 취할 수 있다는 것입니다.
Principles
미국은 화석 연료, 특히 가솔린에 사용되는 석유에서 자신을 원고찾고 있습니다. 세계 기후 변화, 외국에 대한 의존도, 전 세계의 정치적 불안정 증가는 몇 가지 이유일 뿐입니다. 운송 연료로서 석유에 대한 의존도를 줄이는 한 가지 방법은 에탄올을 더 많이 사용하는 것입니다. 현재 일반 휘발유에는 첨가제로서 약 10%의 에탄올이 함유되어 있습니다. 특수 플렉스 연료 차량은 85 %의 에탄올인 E85 가솔린을 사용할 수 있습니다. 1
브라질에서 에탄올은 사탕수수를 사료원료로 사용하여 만들어집니다. 사탕수수의 주요 제품은 포도당과 과당의 불식증인 자당입니다. 효모의 대부분의 종은 효소 수크라스를 가지고 있으며 포도당을 갈라 갈 수 있습니다 - 과당 결합. 자당 (C12H22O11)은효모에 의해 발효되어 에탄올과 이산화탄소를 생산합니다. 전반적인 화학 반응은 방정식 1에표시됩니다. 2,3
그러나, 미국에서, 에탄올은 옥수수로 만들어집니다. 옥수수는 전분이라고 불리는 다당류로 탄수화물을 저장합니다. 이것은 효모가 전분에 있는 유대를 갈라둘 수 없기 때문에 사탕수수에서 에탄올을 만드는 것보다 더 많은 노력이 필요합니다. 옥수수에서 에탄올을 만들기 위해, 첫 번째 옥수수 커널은 분쇄 할 필요가, 다음 땅 옥수수는 포도당옥수수의 전분을 변환하는 효소로 처리. 이 단계 후, 이 과정은 효모를 사용하여 포도당을 에탄올 과 이산화탄소로 발효시킴으로써 위의 사탕수수 방법에서와 같이 계속된다. 화학 반응은 방정식 2에도시된다. 2
그러나 옥수수에서 에탄올을 생산하는 것은 문제가 됩니다. 한 가지, 그것은 식량 공급에서 일부 옥수수를 걸립니다., 특히 가축에 대 한 먹이, 따라서 가격을 운전. 또한 옥수수를 생산하는 데 집중적인 에너지와 비료로 석유에 대한 운송 연료 대안으로서의 바람직성을 감소시습니다. 따라서 과학자들은 에탄올을 만들기 위해 셀룰로오스 물질로 점점 더 의존하고 있습니다. 이러한 재료에는 목재, 잔디 및 식물의 식용 이외 부분이 포함됩니다. 이들은 식량 공급에 영향을 미치지 않기 때문에 더 바람직합니다. 그러나 셀룰로오스 물질로부터 포도당을 방출하기 위해서는 셀룰로오스 물질의 포도당이 셀룰로오스에 묶여 있어 헤미셀룰로스와 리그닌으로 감싸기 때문에 훨씬 더 많은 노력이 필요합니다. 먼저 셀룰로오스는 헤미셀룰로스와 리그닌 바인딩에서 추출해야 합니다. 이것은 연삭 및 산 가수 분해의 전처리를 통해 이루어집니다. 그런 다음 셀룰로오스는 효소로 치료되어 성분 포도당으로 분해됩니다. 마지막으로, 포도당은 에탄올과 물을 생산하기 위해 효모로 발효 될 수 있습니다. 이 프로세스는 수학식 3에표시된 대로 요약할 수 있습니다.
이것은 현재 대규모 에탄올 생산을위한 실용적인 방법을 만들기 위해 너무 에너지 집약적이다. 그러나, 더 나은 과정을 만들기 위해 연구가 진행. 2,3
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Procedure
1. 샘플 준비
- 공급 원료로 사용할 셀룰로오스 재료를 선택합니다. 이것은 옥수수 줄기, 풀, 잎, 애완 동물 침구 또는 종이 일 수 있습니다.
- 볼 밀 분쇄기 (또는 볼 밀 분쇄기를 사용할 수없는 경우 커피 분쇄기를 사용하여), 나머지 큰 조각이없는 미세 분말로 공급 원료를 갈기.
- 1.0 g의 공급 원료를 측정하고 50mL 원심분리기 튜브에 놓습니다. 선택한 피드스톡으로 튜브에 라벨을 지정합니다.
- 두 번째 50mL 원심분리기 튜브를 "제어"로 레이블을 지정합니다. 이 튜브에 공급 원료를 넣지 마십시오.
2. 전처리
- 핫플레이트에 약 400mL의 물이 있는 500mL 비커를 설치하고 부드러운 끓입니다.
- 2원심분리기 튜브에 증류수 25mL를 추가합니다. 혼합 소용돌이. 원심분리기 튜브에 캡을 느슨하게 놓습니다.
- 원심분리기 튜브를 부드럽게 끓는 물로 가득 찬 비커에 넣습니다. 수조의 물이 튜브에 누출되지 않도록하십시오. 30분 동안 끓입니다.
- 튜브를 실온으로 식힙니다.
3. 효소 소화
- 두 튜브에 셀룰라아제 효소 1mL를 추가합니다.
- 24 시간 동안 50 °C에서 인큐베이터에 튜브를 넣습니다.
- 튜브가 실온으로 식힙니다.
4. 발효
- 각 원심분리기 튜브에 활성 효모(일반 식료품점 효모는 ok)를 1.0g 추가합니다. 혼합 소용돌이.
- 원심분리기 튜브 위에 에어록을 놓습니다. 에어록을 사용하면 CO2가 탈출하여 원심분리기 튜브의 압력을 낮게 유지할 수 있습니다.
- 원심분리기 튜브를 랙에 넣고 인큐베이터에 넣고 37°C에서 24시간 동안 넣습니다.
- 에탄올 센서를 사용하여 제어 관에서 에탄올 농도를 측정합니다(도1). 에탄올 센서는 버니어 또는 PASCO를 통해 각각 약 $100에 구입할 수 있습니다.
그림 1. 제어 관내에 에탄올 농도를 측정하는 에탄올 프로브. - 에탄올 센서를 사용하여 샘플 튜브에서 에탄올 농도를 측정합니다(도2).
그림 2. 에탄올의 %를 표시하는 휴대용 태블릿.
바이오 연료는 식물과 같은 생물학적 물질에서 파생된 연료입니다. 바이오 연료는 화석 연료의 대안으로 작용하며, 전 세계 많은 지역의 작물에서 공급할 수 있습니다. 또한, 그들은 청정 연소, 따라서 온실 가스 배출을 감소.
가장 널리 사용되는 바이오 연료 중 하나는 식물 바이오 매스, 전형적으로 사탕수수 및 옥수수에서 파생된 에탄올입니다. 미국에서는 대부분의 에탄올 바이오 연료가 옥수수에서 생산됩니다.
옥수수가 성장하는 에너지 집약적이며, 다량의 비료를 사용하고, 사료 원료로 사용하면 식품 공급, 특히 가축 사료에서 대량의 옥수수를 제거하므로 옥수수 작물을 사료로 사용하는 것이 논란의 여지가 있습니다. 그 결과, 다른 식물 재료, 또는 잔디와 같은 리그노 셀룰로오스 물질의 사용, 잎, 종이, 그리고 작물의 비식용 부분 증가.
이 비디오는 리그노셀룰로오스 재료로부터 에탄올을 유도하는 기본을 다루고 실험실에서 리그노셀룰로오스 피드스톡에서 에탄올 생산을 시연합니다.
리뉴올룰로오스 바이오매스는 우디 세포벽을 가진 식물 물질을 말합니다. 이러한 유형의 식물 문제는 농업과 제조의 폐기물이 자주 있기 때문에 가장 풍부한 원료 중 하나입니다.
세포벽은 고도로 교차된 폴리머, 리그닌 및 두 개의 복잡한 탄수화물, 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스로 구성됩니다. 셀룰로오스는 포도당과 같은 발효 가능한 설탕의 주요 공급원이지만, 먼저 리그닌 및 헤미셀룰로오스 성분에서 분리되어야 합니다.
리그노셀룰로오스 물질의 처리의 첫 번째 단계는 건조 식물 물질을 분말로 미세하게 분쇄하는 것입니다. 지상 공급 원료는 세포 벽의 리그닌 및 헤미셀룰로오스 장벽을 분해하고 셀룰로오스에 대한 액세스를 가능하게하기 위해 전처리를 거칩니다.
다음으로, 셀룰로오스는 셀룰라아제 및 헤미셀룰라제와 같은 가수분해 효소로 치료된다. 효소 가수 분해는 셀룰로오스를 포도당으로 분해합니다. 마지막으로, 포도당은 에탄올을 생산하기 위해 효모로 발효됩니다.
다음 실험에서는 리닌과 헤미셀룰로오스의 제거를 통해 셀룰로오스 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 단계별 방법을 시연하고, 셀룰로오스의 효소 치료, 포도당의 발효를 통해 에탄올을 생산한다.
이 실험에서 에탄올은 옥수수 줄기, 옥수수 식물의 잎 및 줄기에서 생산됩니다. 볼 밀 분쇄기를 사용하여 피드스톡을 미세 한 분말로 갈아서 큰 조각이 남아 있지 않도록하십시오.
1 g의 피드스톡의 무게를 측정하고 50mL 원심분리기 튜브에 넣고 라벨을 붙입니다. 두 번째 튜브를 제어 샘플로 레이블을 지정하고 공급 원료를 추가하지 않습니다. 샘플을 퇴각하려면 약 400mL의 물로 500mL 비커를 설치하고 부드러운 끓입니다.
준비된 두 원심분리기 튜브에 증류수 25mL를 넣고 느슨하게 캡을 씌워보냅니다. 튜브를 소용돌이휘서 섞어보세요. 튜브를 끓는 물에 넣고 욕조의 물이 튜브에 누출되지 않도록하십시오. 30분 동안 끓인 다음 제거하고 실온으로 식힙니다.
튜브가 식으면 두 튜브에 셀룰라아제 효소 1mL을 추가합니다. 튜브를 인큐베이터에 24시간 동안 배치합니다. 24 시간 후, 튜브를 제거하고 실온으로 냉각 할 수 있습니다. 에탄올은 효모에 의한 발효를 통해 소화된 셀룰로오스 물질로부터 생산된다. 이 과정을 시작하려면 각 원심분리기 튜브에 활성 효모 1 g을 넣고 혼합하려면 소용돌이합니다.
원심분리기 튜브에 에어록을 놓습니다. 에어록은 발효 중에 발생하는 이산화탄소를 탈출하여 압력이 튜브에 쌓이지 않도록 합니다. 원심분리기 튜브를 랙에 놓고 인큐베이터에 37°C로 배치합니다. 발효가 완료되면 에탄올 센서를 사용하여 제어 및 샘플 튜브의 에탄올 농도를 측정합니다.
바이오 연료를 경쟁력 있는 에너지원으로 만들기 위해서는 공급원료의 구조와 성능에 대한 특정 질문에 답해야 합니다.
다양한 식물에서 리그닌의 분포를 이해하는 것이 중요하므로 제거를 효율적으로 수행 할 수 있습니다. 이 예에서, 식물 세포벽의 리그닌 분포는 식물 줄기로부터 얇은 층을 슬라이스함으로써 분석되었다. 얇은 조각은 그 때 식물 줄기의 3차원 심상을 만들기 위하여 532 nm 레이저 빛으로 공초점 현미경 검사를 사용하여 심상화되었습니다.
리그닌 함량은 라만 분광법을 사용하여 결정되었다. 공초점 이미지와 라만 스펙트럼을 결합하여 리그닌 분포의 3차원 맵이 생성되었다.
식물 사료원료에서 추출한 바이오에탄올의 양을 최대화하려면 사료의 종류를 비교해야 한다. 이 예에서 에탄올은 골판지에서 생산되었으며 옥수수 스토버와 비교되었습니다. 골판지는 이전에 표시된 바와 같이 제조되었으며, 지상 골판지는 전처리를 거쳤으며, 그 다음에 는 리닌과 헤미셀룰로오스를 재료로부터 분리하고 셀룰로오스를 포도당으로 분해하기 위해 효소 소화가 뒤따랐다. 추출된 포도당은 에탄올을 생산하기 위해 효모로 발효되었다. 골판지는 용액에 에탄올 농도의 두 배 이상을 생산하기 때문에 옥수수 스토버에 우수한 공급 원료로 입증되었습니다.
미국에서는 대부분의 바이오에탄올이 옥수수에서 생산됩니다. 옥수수에서 에탄올의 생산은 에너지 집약적이지만 셀룰로오스 바이오 매스에서 에탄올의 생산보다 덜 복잡합니다.
옥수수 공급 원료에서 멀리 전환하기 위해, 셀룰로오스 바이오 매스의 수율은 옥수수보다 더 나은해야합니다. 이 예에서, 옥수수밀과 옥수수 스트루버는 이전에 표시된 것과 동일한 절차를 사용하여 비교되었다.
콘밀은 옥수수 줄기 자체보다 옥수수가 약간 더 나은 공급 원료임을 보여주는 옥수수 냄새보다 에탄올의 높은 농도를 생산했다. 그러나 옥수수 줄기 및 기타 셀룰로오스 사료는 더 풍부하고 저렴하며 실행 가능한 대안을 제공 할 수 있습니다.
당신은 방금 조브의 바이오 연료 소개를 지켜보았습니다. 이제 플랜트 피드스톡에서 에탄올 생산과 공정과 관련된 과제를 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
용액의 %에탄올은 사용되는 에탄올 센서의 브랜드와 관련된 소프트웨어를 사용하여 핸드헬드 태블릿 화면에표시됩니다(도 2).
다양한 공급원료에 의해 생성된 퍼센트 에탄올의 대표적인 결과는 표 1에서볼 수 있다.
| 피드스톡 | 에탄올 생산 |
| 톱밥 | 0.70% |
| 옥수수 줄기 | 0.60% |
| 판지 | 1.67% |
| 스위치그래스 | 0.37% |
| 제어 | 0.11% |
표 1. 다양한 공급원료에 의해 생성된 퍼센트 에탄올의 대표적인 결과입니다.
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Applications and Summary
2007년 에너지 독립 및 보안법은 법에 따라 재생 가능한 연료 표준을 제정했습니다. 2008년 90억 갤런에서 시작하여 2022년에는 360억 갤런으로 끝나는 재생 연료 량에 대한 단계적 인 연료를 만들었습니다. 그 중 360억 은 셀룰로오스 재료에서 160억 달러가 나올 것으로 예상되었습니다. 2014년, 원래 제안은 셀룰로오스 소재에서 나오는 181억 5천만 갤런의 재생 가능 연료였습니다. 불행하게도, 현재 생산 될 수있는 셀룰로오스 에탄올의 볼륨에 따라,이 수는 최근 EPA 제안에 따라 1,700 만 갤런으로 감소해야했다. 1 셀룰로오스 물질로부터 에탄올을 만드는 과정을 개선하는 것은 현재 매우 뜨거운 연구 영역입니다. 이 실험에서 학생들은 최고 연구 실험실의 과학자들이 따르는 과학적 관행을 모방할 것입니다.
다양한 바이오매스 공급 원료를 사용하여 운송용 셀룰로오스 에탄올을 생산할 수 있습니다. 미국 에너지부의 바이오 에너지 기술 사무소는 비식품 기반 플랜트 재료와 이 바이오매스를 운송 연료로 경제적으로 실현 가능하게 변환할 수 있는 관련 기술에서 셀룰로오스 공급원료를 개발하는 데 주력하고 있습니다. 그들은 농업 잔류물, 초본 에너지 작물, 폐기물 및 조류에 산림 재료에 이르기까지 바이오 매스 소스를 조사하고 있습니다. 이 실험실 활동에서 학생들은 사용하는 공급 원료를 변경하고 그 결과 에탄올의 양을 비교할 수 있습니다. 가능성은 옥수수 스토버, 잔디, 잎, 골판지, 신문, 종이, 꽃 등을 포함한다.
셀룰로오스 에탄올의 대규모 생산에 하나의 장애물은 전처리 과정의 비용이 많이 드는 자연 (돈과 에너지 모두)입니다. 이러한 비용을 절감 하 고 셀룰로오스 물질의 고장을 쉽게 만들기에 많은 연구가 수행 되 고 있다. 효소 회사는 에탄올의 수율을 높이기 위해 새로운 효소를 개발하는 데 많은 시간과 비용을 지출하고 있습니다. 이 실험실 활동에서, 학생들은 그들이 사용하는 효소를 변경하고 그 결과 에탄올의 양을 비교할 수 있습니다. 아스퍼질러스 니제르의 셀룰라아제 나 트리코데르마 버데의 셀룰라아제 와 같은 학교에 판매하는 화학 회사에서 다양한 셀룰라아제 효소를 구입할 수 있습니다. 또는 독점 효소는 전문 효소 회사에서 구입할 수 있지만 비용이 많이 듭니다. 다른 효소는 아밀라제와 같이 셀룰로오스 물질에서 에탄올을 세포로오스의 세포질과 비교하는 데 사용할 수 있습니다.
연구의 또 다른 신흥 분야는 세포로오스 바이오매스를 에탄올로 변환하는 효모의 능력을 개선하고 있습니다. 리그노셀룰로오스는 안정성을 제공하기 위해 식물에서 진화했습니다. 이것은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스와 리그닌의 에스테르 연계 사이의 교차 연결 때문입니다. 셀룰로오스를 리그닌에서 분리한 다음 셀룰로오스를 치료하여 단당구로 분해할 필요가 있습니다. 또한, 헤미셀룰로오스는 포도당과 같은 헥소보다 발효가 더 어려운 자일로오스와 같은 펜토스의 비율이 높습니다. 4
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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).
