Overview
Fuente: Laboratorios de Margaret obrero y Kimberly Frye - Universidad de Depaul
En este experimento, se utilizará material celulósico (tales como tallos del maíz, hojas, hierbas, etc.) como materia prima para la producción de etanol. El material celulósico primero es pretratado (tierra y climatizada), digerido con las enzimas y entonces se fermenta con levadura. Producción de etanol se controla utilizando una sonda de etanol. El experimento puede ampliarse para optimizar la producción de etanol mediante la variación de la materia prima utilizada, condiciones de pretratamiento, variación de enzima, variación de levadura, etcetera. Un método alternativo de control de la reacción es medir el dióxido de carbono producido (mediante un sensor de gas) en lugar de etanol. Como una alternativa de baja tecnología, medidores de glucosa (que se encuentra en cualquier farmacia) pueden utilizarse para monitorear la glucosa durante el proceso, si no se dispone de un sensor de gas etanol sonda o dióxido de carbono.
Con un mayor énfasis en ' aprendizaje basado en la investigación ", las sondas científicas son cada vez más populares. Dispositivos de mano como la búsqueda de laboratorio de Vernier utilizado en conjunto con una variedad de sondas (como los de conductividad, oxígeno disuelto, tensión y más) permiten menos centrada en la recogida de datos y hacer gráficos y más en el análisis de los datos y hacer predicciones. Otra ventaja es que estos son pequeños y ligeros y se pueden tomar en el campo de las mediciones.
Principles
Estados Unidos está tratando de destetar a sí mismo de los combustibles fósiles, especialmente petróleo utilizado en la gasolina. El cambio climático global, la dependencia de países extranjeros y la inestabilidad política creciente alrededor del mundo son sólo algunas de las razones por qué. Una posible forma de disminuir la dependencia del petróleo como combustible de transporte es mediante el uso de etanol más. Actualmente, la gasolina regular contiene aproximadamente 10% de etanol como aditivo. Vehículos flex-fuel especial pueden utilizar gasolina E85, que es el 85% de etanol. 1
En Brasil, etanol se hace mediante el uso de caña de azúcar como la materia prima. El principal producto de caña de azúcar es sacarosa, que es un disacárido de glucosa y fructosa. Mayoría de las especies de levadura que la sacaras de la enzima y es capaces de desdoblan la glucosa – bonos de fructosa. La sacarosa (C12H22O11) es fermentada por las levaduras para producir etanol y dióxido de carbono. La reacción química global se muestra en la ecuación 1. 2, 3
Sin embargo, en los Estados Unidos etanol es hecho de maíz. Maíz almacena carbohidratos como un polisacárido llamado almidón. Esto requiere más esfuerzo que hacer etanol de caña de azúcar porque la levadura no partirá por los bonos en almidón. Para hacer etanol de maíz, granos de maíz de primera necesitan a ser molido para arriba, entonces el maíz molido tratado con enzimas para convertir el almidón en el maíz a la glucosa. Después de este paso, el proceso continúa como en el método de la caña de azúcar por encima mediante el uso de levadura para fermentar la glucosa en etanol y dióxido de carbono. La reacción química se muestra en la ecuación 2. 2
La producción de etanol de maíz es problemática, sin embargo. Por un lado, toma algún maíz de la alimentación, especialmente la alimentación para el ganado, elevando así los precios. Es también energía y fertilizante intensivo para producir maíz, disminuyendo su conveniencia como una alternativa de transporte combustible al petróleo. Por lo tanto, los científicos cada vez más recurren a material celulósico para hacer etanol. Estos materiales incluyen madera, hierbas y partes no comestibles de las plantas. Son más deseables que no afectan el suministro de alimentos. Sin embargo, para lanzar la glucosa a partir del material celulósico, se necesita mucho más esfuerzo, como la glucosa a partir de material celulósico está ligado en celulosa, que luego se envuelve con las hemicelulosas y la lignina. Primero la celulosa debe ser extraído de la hemicelulosa y los enlaces de lignina. Esto se hace a través de un tratamiento previo de pulido e hidrólisis ácida. Posteriormente, la celulosa se trata con enzimas para romper en su glucosa componente. Finalmente, la glucosa puede ser fermentada con levaduras para producir etanol y agua. El proceso se puede resumir como se muestra en la ecuación 3.
Esto actualmente es demasiado intensa para que sea un método práctico para la producción de etanol a gran escala de energía. Sin embargo, la investigación está en marcha mejorar el proceso de. 2, 3
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Procedure
1. preparación de la muestra
- Seleccione el material celulósico que se utilizará como materia prima. Esto puede ser tallos de maíz, pastos, hojas, ropa de cama del animal doméstico o papel.
- Usando una amoladora del molino de bola (o molinillo de café si no hay molino molino de bola), moler la materia prima en un polvo fino con no trozos restantes.
- Medir 1.0 g de materia prima y colocarla en un tubo de centrífuga de 50 mL. Etiquetar el tubo con la materia prima elegida.
- Un segundo tubo de centrífuga de 50 mL de la etiqueta como "Control". No ponga cualquier materia prima en este tubo.
2. tratamiento previo
- Configurar un vaso de precipitados de 500 mL con aproximadamente 400 mL de agua sobre una placa caliente y calor a un hervor suave.
- Añadir 25 mL de agua destilada a los tubos de 2 centrífuga. Agite para mezclar. Ponga la tapa en los tubos de la centrífuga sin apretar.
- Poner los tubos de la centrífuga en el vaso lleno de agua ligeramente hirviendo. Asegúrese de que el agua de la bañera de agua no fugas en los tubos. Dejamos cocer durante 30 minutos.
- Deje enfriar los tubos a temperatura ambiente.
3. enzimática digestión
- Añadir 1 mL de enzima celulasa a ambos tubos.
- Poner tubos en una incubadora a 50 ° C durante 24 h.
- Permita que los tubos se enfríen a temperatura ambiente.
4. fermentación
- Agregar 1,0 g de levadura activa (tienda de comestibles regular levadura es aceptable) a cada uno de los tubos de la centrífuga. Agite para mezclar.
- Poner una bolsa de aire en la parte superior del tubo de centrífuga. La esclusa permite CO2 escapar, manteniendo la presión baja en el tubo de centrífuga.
- Colocar los tubos de la centrífuga en una rejilla y poner en una incubadora a 37 ° C durante 24 h.
- Utilizando un sensor de etanol, medir la concentración de etanol en el tubo de control (figura 1). Sensores de etanol pueden adquirirse a través de Vernier o PASCO por aproximadamente $100 cada uno.
Figura 1. Sonda de etanol midiendo la concentración de etanol en el tubo de control. - Utilizando un sensor de etanol, medir la concentración de etanol en el tubo de muestra (figura 2).
Figura 2. Tableta portátil mostrando % de etanol.
Los biocombustibles son combustibles que se derivan de la materia biológica, como las plantas. Biocombustibles sirven como una alternativa a los combustibles fósiles, como puede ser origen de cultivos en muchas partes del mundo. Además, ellos están limpiador quemando, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero.
Uno de los biocombustibles más utilizados es el etanol derivado de biomasa vegetal, generalmente caña de azúcar y maíz. En los Estados Unidos, la mayoría de biocombustibles etanol es producida a base de maíz.
El uso de maíz como materia prima es polémica, como los cultivos maíz es energía intensiva a crecer, utiliza una gran cantidad de fertilizantes y su uso como materia prima elimina una gran cantidad de maíz de la alimentación, especialmente la alimentación para el ganado. Como resultado, está aumentando el uso de otros materiales vegetales, o de materiales lignocelulósicos, como hierba, hojas, papel y partes no comestibles de los cultivos.
Este video se abarcan los conceptos básicos de derivados de material lignocelulósico a etanol y demostrar la producción de etanol de materias primas lignocelulósicas en el laboratorio.
Biomasa lignocelulósica se refiere al asunto con madera las paredes celulares de la planta. Este tipo de materia vegetal es una de las materias primas más abundantes disponibles, ya que con frecuencia es un producto de desecho de la agricultura y la fabricación.
Las paredes celulares se componen de la altamente reticulado polímero lignina y carbohidratos complejos dos, hemicelulosa y celulosa. La celulosa es la principal fuente de azúcares fermentables, como la glucosa, pero debe ser primero separado de los componentes de la lignina y la hemicelulosa.
El primer paso en el procesamiento de materiales lignocelulósicos es triturar finamente la materia de la planta seca en un polvo. La materia prima de la tierra entonces somete a un tratamiento previo para romper la barrera de hemicelulosa y lignina en la pared celular y permiten el acceso a la celulosa.
A continuación, la celulosa se trata con enzimas hidrolíticas, como la celulasa y hemicelulasa. La hidrólisis enzimática descompone la celulosa en glucosa. Finalmente, la glucosa es fermentada con levadura para producir etanol.
El siguiente experimento demuestra este método paso a paso de producir etanol a partir de biomasa celulósica a través de la eliminación de la lignina y la hemicelulosa, seguido por el tratamiento enzimático de la celulosa y la fermentación de la glucosa para producir etanol.
En este experimento, se producirán etanol de rastrojo de maíz, las hojas y tallos de las plantas de maíz. Usando una amoladora del molino de bola, moler la materia prima en un polvo fino y asegurar que no hay piezas de grandes tamaño.
Pesar 1 g de materia prima, lo coloca en un tubo de centrífuga de 50 mL y etiquetarla. Un segundo tubo de la muestra de control de la etiqueta y no añadir ninguna materia prima. Pretratar las muestras, configurar un vaso de precipitados de 500 mL con aproximadamente 400 mL de agua, y darle un hervor.
Añadir 25 mL de agua destilada a los tubos de centrífuga preparado dos y les tapa libremente. Agitar los tubos para mezclar. Colocar los tubos en agua hirviendo y asegurar que el agua del baño no fugas en los tubos. Que puedan hervir durante 30 minutos, luego retire y deje que enfríe a temperatura ambiente.
Una vez que los tubos se han enfriado, añadir 1 mL de enzima celulasa a ambos tubos. Colocar los tubos en una incubadora durante 24 h. Después de 24 horas, retirar los tubos y déjelos enfriar a temperatura ambiente. Etanol se produce del material celulósico digerido a través de la fermentación por la levadura. Para comenzar este proceso, añadir 1 g de levadura activa a cada uno de los tubos de la centrífuga y agitar para mezclar.
Coloque una bolsa de aire en los tubos de la centrífuga. La esclusa permite que el dióxido de carbono que se genera durante la fermentación para escapar por lo que la presión no se acumulan en el tubo. Colocar los tubos de centrífuga en un estante y coloque en una incubadora a 37 ° C. Una vez completada la fermentación, utiliza un sensor de etanol para medir la concentración de etanol en los tubos de muestra y control.
Para hacer biocombustibles una fuente de energía competitiva, algunas cuestiones sobre la estructura y el rendimiento de las materias primas deben ser contestadas.
Es importante entender la distribución de la lignina en plantas diferentes, por lo que su eliminación puede ser realizada eficientemente. En este ejemplo, se analizó la distribución de lignina en las paredes celulares por cortar capas delgadas de un tallo de la planta. Las rodajas fueron luego reflejadas usando microscopia confocal con luz de láser de 532 nm para crear imágenes tridimensionales de la espiga de la planta.
Contenido de lignina se determinó usando la espectroscopia de Raman. Al combinar las imágenes confocales y los espectros de Raman, se generó un mapa tridimensional de la distribución de la lignina.
Para maximizar la cantidad de bioetanol derivado de materias primas de la planta, deben compararse con los tipos de materias primas. En este ejemplo, etanol fue producido a partir de cartón y en comparación con rastrojo del maíz. La cartulina fue preparada como se indica anteriormente, donde el cartón del suelo fue sometido a tratamiento previo, seguido por digestión enzimática para separar la lignina y la hemicelulosa del material y descomponen la celulosa en glucosa. La glucosa extraída luego fue fermentada con levaduras para producir etanol. Cartulina resultó para ser una materia prima superior a rastrojo de maíz, como los que producen más del doble la concentración de etanol en la solución.
En los Estados Unidos, la mayoría de bioetanol se produce a base de maíz. Mientras que la producción de etanol de maíz es energía intensiva, es menos compleja que la producción de etanol de biomasa celulósica.
Con el fin de la transición de las materias primas maíz, el rendimiento de biomasa celulósica debe ser mejor que la de maíz. En este ejemplo, la harina de maíz y maíz rastrojo fueron comparados utilizando el mismo procedimiento como se muestra anteriormente.
Harina de maíz produce una mayor concentración de etanol que el rastrojo de maíz, mostrando que el maíz es una materia prima un poco mejor que los tallos de maíz se. Sin embargo, tallos de maíz y otras materias primas celulósicas, son más abundantes y de bajo costo y puede proporcionar una alternativa viable.
Sólo ha visto introducción de Zeus a los biocombustibles. Ahora debería entender la producción de etanol a partir de materias primas de la planta y los retos asociados con el proceso. ¡Gracias por ver!
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Results
El % de etanol en la solución se mostrará en la pantalla de la tableta portátil con el software relacionado con la marca del sensor de etanol utilizado (figura 2).
Resultados representativos del etanol por ciento producidas por varias materias primas pueden verse en la tabla 1.
| Materia prima | Etanol producido |
| Serrín | 0.70% |
| Tallos de maíz | 0.60% |
| Cartón | 1.67% |
| Switchgrass | 0.37% |
| Control | 0.11% |
Tabla 1. Resultados representativos del etanol por ciento producidas por diferentes materias primas.
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Applications and Summary
La independencia energética y la ley de seguridad de 2007 establecen en la legislación un combustible renovable estándar. Creó un prerregistro para los volúmenes de combustible renovable a partir de 9 billones de galones en el 2008 y terminando en 36 billones de galones en 2022. De 36 billones, se espera que los 16 billones de vendría de materiales celulósicos. Para el año 2014, la propuesta original era de 18,15 billones de galones de combustible renovable, 1,75 billones de proveniente de material celulósico. Desafortunadamente, basado en el volumen de etanol celulósico que es factible de ser producida en la actualidad, este número tiene que reducirse a 17 millones de galones según una reciente propuesta de la EPA. 1 mejorar el proceso de creación de etanol de material celulósico es actualmente una zona muy caliente de la investigación. En este experimento, los estudiantes se estar emulando las prácticas científicas que los científicos en los laboratorios de investigación son los siguientes.
Una variedad de materiales de materia prima la biomasa puede utilizarse para producir etanol celulósico para el transporte. Bioenergía tecnologías de oficina del Departamento de energía se centra en desarrollar materias primas celulósicas de material vegetal de base no alimentarios y las relacionados con tecnologías que permitan una conversión económicamente viable de esta biomasa para combustible de transporte. Están investigando fuentes de biomasa de residuos agrícolas, cultivos energéticos herbáceos y bosques materiales de residuos materiales y algas. En esta actividad de laboratorio, los estudiantes pueden variar las materias primas que utilizan y compare la cantidad de etanol que resulta. Las posibilidades incluyen rastrojo de maíz, pastos, hojas, cartón, periódico, papel, flores, etcetera.
Un obstáculo para la producción a gran escala de etanol celulósico es la naturaleza costosa (tanto en términos de dinero y energía) del proceso de tratamiento previo. Mucha investigación se está trabajando en reducir estos costos y facilitando la descomposición del material celulósico. Las compañías de la enzima están gastando un montón de tiempo y dinero en el desarrollo nuevas enzimas para aumentar la producción de etanol. En esta actividad de laboratorio, los estudiantes pueden variar las enzimas utilizan y comparar la cantidad de etanol que resulta. Una variedad de enzimas celulasa puede adquirirse en empresas químicas que venden en las escuelas, tales como celulasas de Aspergillus niger o de la celulasa de Trichoderma virde. O enzimas propietarias pueden adquirirse empresas de enzima de especialidad, sin embargo son costosas. Otras enzimas pueden utilizarse, como amilasa, para comparar su capacidad de producir etanol a partir de material celulósico a eso de las celulasas.
Otra área emergente de investigación es mejorar la capacidad de la levadura para convertir biomasa celulósica en etanol. Lignocelulosa ha evolucionado en plantas para proporcionar estabilidad. Esto es debido al entrecruzamiento entre la celulosa y hemicelulosa y los enlaces de éster en lignina. Es necesario separar la celulosa de la lignina y luego tratar la celulosa para descomponerlo en un monosacárido. Además, el hemicellulose tiene un alto porcentaje de pentosas como xilosa, que es más difícil de fermentar de hexosas como la glucosa. 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).
