Overview
Quelle: Labors von Margaret Workman und Kimberly Frye - Depaul University
In diesem Experiment wird Zellulose Material (z. B. Maisstroh, Blätter, Gräser, etc.) als Rohstoff für die Herstellung von Ethanol verwendet werden. Die Zellulose Material ist zunächst vorbehandelt (Boden und beheizt), mit Enzymen verdaut und dann mit Hefe vergoren. Ethanol-Produktion wird mit einem Ethanol-Sonde überwacht. Das Experiment kann erweitert werden, um Ethanol-Produktion zu optimieren, durch Variation der Rohstoff verwendet, Vorbehandlung, Enzym-Variation, Hefe Variation usw.. Eine alternative Methode zur Überwachung der Reaktions ist das Kohlendioxid hergestellt (einen Gassensor) Messen statt das Ethanol. Als Low-Tech-Alternative Blutzuckermessgeräte (gefunden in jeder Apotheke) lässt sich die Glukose während des Prozesses überwachen wenn ein Ethanol-Sonde oder Kohlendioxid-Gas-Sensor nicht verfügbar ist.
Mit eine stärkere Betonung "Inquiry-based Learning™", wissenschaftliche Sonden werden immer beliebter. Handheld-Geräte wie das Vernier Lab streben verwendet in Verbindung mit einer Vielzahl von Sensoren (z. B. für Leitfähigkeit, gelösten Sauerstoff und Spannung) erlauben weniger Fokus auf Datenerfassung und/oder Grafiken und mehr auf die Analyse der Daten und Vorhersagen zu treffen. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese sind klein und leicht und das Feld für Messungen berücksichtigt werden können.
Principles
Die Vereinigten Staaten sucht entwöhnen sich weg von fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdöl in Benzin verwendet. Der globale Klimawandel, Abhängigkeit vom Ausland und zunehmende politische Instabilität auf der ganzen Welt sind nur ein paar Gründe dafür. Eine Möglichkeit, die Abhängigkeit vom Erdöl als Kraftstoff zu verringern ist mit mehr Ethanol. Normalbenzin enthält, ca. 10 % Ethanol als Zusatzstoff. Spezielle Flex-Fuel-Fahrzeuge können E85 Benzin, 85 % Ethanol ist. 1
In Brasilien wird Ethanol mithilfe Zuckerrohr als Ausgangsmaterial hergestellt. Das Hauptprodukt von Zuckerrohr ist Saccharose, ein Disaccharid aus Glucose und Fructose ist. Die meisten Arten von Hefe Enzym Saccharase haben und sind in der Lage, Glukose-Fruktose-Bindung zu Spalten. Die Saccharose (C12H22O11) wird durch Hefen, Ethanol und Kohlendioxid zu produzieren fermentiert. Die insgesamt chemische Reaktion ist in Gleichung 1dargestellt. 2,3
Allerdings ist in den USA, Ethanol aus Mais hergestellt. Mais speichert Kohlenhydrate als ein Polysaccharid Stärke genannt. Dies erfordert mehr Aufwand als Ethanol aus Zuckerrohr zu machen, weil Hefe die Anleihen in Stärke Spalten kann nicht. Um Ethanol aus Mais zu machen, müssen ersten Maiskörner zu Boden, dann die Grundmais mit Enzymen, die Stärke im Korn zu Glukose umwandeln behandelt. Nach diesem Schritt wird der Prozess fortgesetzt wie die Zuckerrohr-Methode oben mit Hefe, die Glucose in Ethanol und Kohlendioxid vergären. Die chemische Reaktion ist in Gleichung 2dargestellt. 2
Die Produktion von Ethanol aus Mais ist allerdings problematisch. Für eine Sache, dauert es etwas Mais aus der Versorgung mit Lebensmitteln, vor allem Futter für das Vieh, so treiben die Preise. Es ist auch Energie und Dünger intensive, Mais, verringert seine Attraktivität als ein Transport-Kraftstoff-Alternative zum Erdöl zu produzieren. Daher sind Wissenschaftler zunehmend auf Zellulose Material, um Ethanol zu machen. Diese Materialien sind Holz, Gräser und nicht essbare Teile von Pflanzen. Das sind mehr wünschenswert, da sie nicht auf die Versorgung mit Lebensmitteln auswirken. Allerdings ist um die Glukose aus der Zellulose Material freizugeben, viel mehr Aufwand erforderlich, da die Glukose aus Zellulose Material in Zellulose, gebunden ist, der dann mit Hemicellulosen und Lignin umwickelt ist. Zuerst muss die Zellulose aus Hemicellulosen und Lignin Bindungen extrahiert werden. Dies geschieht durch eine Vorbehandlung des Schleifens und saure Hydrolyse. Dann wird die Zellulose mit Enzymen, um es zu brechen in ihrer Komponente Glukose behandelt. Schließlich kann die Glukose mit Hefe, Ethanol und Wasser zu produzieren fermentiert werden. Der Prozess kann zusammengefasst werden, wie in Gleichung 3dargestellt.
Dies ist derzeit zu energieintensiv zu machen, eine praktische Methode für die groß angelegte Ethanolproduktion. Forschung ist jedoch im Gange, den Prozess besser zu machen. 2,3
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Procedure
1. die Probenvorbereitung
- Wählen Sie Zellulose Material als Rohstoff verwendet werden. Dies kann Maisstroh, Gräser, Blätter, Haustier Bettwäsche oder Papier sein.
- Mit einer Kugel Mühle Mühle (oder Kaffeemühle wenn Kugel Mühle Mühle nicht verfügbar ist), Mahlen Rohstoff zu einem feinen Pulver mit keine großen Stücke übrig.
- 1,0 g der Rohstoff und Ort in einem 50 mL Zentrifugenröhrchen zu messen. Beschriften Sie das Rohr mit dem Rohstoff gewählt.
- Beschriften Sie eine zweite 50 mL Zentrifugenröhrchen als "Control". Legen Sie keine Rohstoffe in diesem Rohr.
2. Vorbehandlung
- Richten Sie einen 500-mL-Becherglas mit etwa 400 mL Wasser auf einer Herdplatte und Hitze zu einem zärtlichen Furunkel.
- Die 2 Zentrifuge Rohre 25 mL destilliertem Wasser hinzufügen. Wirbel zu mischen. Setzen Sie die Kappe auf die Zentrifuge Rohre lose.
- Setzen Sie die Zentrifuge Röhren in den Becher voll von sanft kochendes Wasser geben. Achten Sie darauf, dass Wasser aus dem Wasserbad nicht in die Rohre undicht ist. 30 min kochen lassen.
- Lassen Sie Rohre auf Raumtemperatur abkühlen.
(3) enzymatische Verdauung
- Beide Röhren 1 mL Enzym Cellulase hinzufügen.
- Setzen Sie Rohre in einem Inkubator bei 50 ° C für 24 h.
- Lassen Sie die Röhrchen auf Raumtemperatur abkühlen.
(4) Gärung
- Fügen Sie jedes der Zentrifuge Rohre 1,0 g aktive Hefe (regelmäßige Lebensmittelgeschäft Hefe ist ok hinzu). Wirbel zu mischen.
- Setzen Sie eine Luftschleuse auf die Zentrifugenröhrchen. Die Schleuse ermöglicht CO2 zu entkommen, den Druck in den Zentrifugenröhrchen gering zu halten.
- Die Zentrifuge Rohre in einem Rack legen Sie und in einem Inkubator bei 37 ° C für 24 h.
- Über einen Ethanol-Sensor messen Sie die Ethanolkonzentration in das Steuerrohr (Abbildung 1). Ethanol-Sensoren können durch Nonius oder PASCO für etwa $100 pro Person erworben werden.
Abbildung 1. Ethanol-Sonde misst die Ethanolkonzentration in das Steuerrohr. - Mit einem Ethanol-Sensor, Messen Sie die Ethanolkonzentration in das Probenröhrchen (Abbildung 2).
Abbildung 2. Handheld-Tablet anzeigen % Ethanol.
Biokraftstoffe sind Brennstoffe, die aus biologischer Materie, wie zum Beispiel Pflanzen stammen. Biokraftstoffe dienen als Alternative zu fossilen Brennstoffen, wie sie aus Kulturen in vielen Teilen der Welt bezogen werden können. Darüber hinaus sind sie Reiniger brennen, damit die Treibhausgasemissionen zu verringern.
Eines der am häufigsten verwendeten Biokraftstoffe ist Ethanol aus pflanzlicher Biomasse, in der Regel Zuckerrohr und Mais abgeleitet. In den USA wird die Mehrheit der Biokraftstoff Ethanol aus Mais hergestellt.
Die Verwendung von Mais zu ernten, als Ausgangsmaterial umstritten, wie ist Mais ist energieintensiv zu wachsen, verwendet eine große Menge an Dünger und seine Verwendung als Rohstoff die Versorgung mit Lebensmitteln, eine große Menge an Mais entzieht vor allem Futtermittel für das Vieh. Infolgedessen steigt die Verwendung von anderen pflanzlichen Stoffen oder Lignocellulose Materialien, wie Rasen, Laub, Papier und nicht essbare Teile von Pflanzen.
Dieses Video wird umfassen die Grundlagen von Ethanol aus Lignocellulose Material ableiten, und zeigen die Herstellung von Ethanol aus Lignocellulose Rohstoffe im Labor.
Lignocellulose Biomasse bezieht sich um Pflanzen mit holzigen Zellwände. Diese Art von Pflanzenmaterial ist eines der am häufigsten vorkommende Rohstoffe zur Verfügung, wie es häufig ein Abfallprodukt der Landwirtschaft und Industrie ist.
Die Zellwände bestehen aus hoch vernetzte Polymer Lignin und zwei komplexe Kohlenhydrate, Hemicellulose und Cellulose. Cellulose ist die primäre Quelle von vergärbaren Zucker wie Glukose, aber es muss zuerst von Lignin und Hemicellulose Komponenten getrennt werden.
Der erste Schritt bei der Verarbeitung des Werkstoffes Lignocellulose soll fein die trockene Pflanzenteile zu einem Pulver zermahlen. Der Boden-Feedstock durchläuft dann Vorbehandlung zu brechen das Lignin und Hemicellulose Barriere in der Zellwand, und ermöglichen den Zugriff auf die Zellulose.
Als nächstes wird die Zellulose mit hydrolytischen Enzymen, wie z. B. Cellulasen und Hemicellulasen behandelt. Die enzymatische Hydrolyse bricht Zellulose in Glukose. Zu guter Letzt wird die Glukose mit Hefe zu Ethanol zu produzieren fermentiert.
Das folgende Experiment veranschaulicht diese schrittweisen Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Zellulose-Biomasse durch die Beseitigung von Lignin und Hemicellulose, gefolgt von der enzymatischen Behandlung von Cellulose und die Vergärung von Glucose zu Ethanol zu produzieren.
In diesem Experiment wird Ethanol aus Mais Stover, Blätter und Stiele produziert werden von Maispflanzen. Mit einer Kugel-Mühle-Mühle, zermahlen Sie das Rohmaterial zu einem feinen Pulver und sicherzustellen Sie, dass keine großen Stücke bleiben.
Wiegen Sie 1 g Rohstoff, legen Sie es in ein 50 mL Zentrifugenröhrchen, und beschriften Sie sie. Beschriften eine zweiten Röhre als Kontrollprobe, und fügen Sie jedem Rohstoff. Vorbehandeln der Proben, richten Sie eine 500-mL-Becherglas mit etwa 400 mL Wasser und bringen Sie es zu einem zärtlichen Furunkel.
Die beiden vorbereiteten Zentrifuge Rohre 25 mL destilliertes Wasser hinzu und verschließen sie locker. Schwenken Sie die Rohre zu mischen. Legen Sie die Rohre in das kochende Wasser, und stellen Sie sicher, dass das Wasser aus der Wanne in die Röhren nicht leckt. Lassen sie kochen für 30 min, dann zu entfernen und lassen sie kühle Raumtemperatur.
Sobald Sie die Röhren abgekühlt haben, fügen Sie 1 mL Enzym Cellulase beide Röhren hinzu. Legen Sie die Rohre in einem Inkubator für 24 h. Nach 24 h die Rohre zu entfernen und auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Ethanol wird aus dem verdauten Zellulose Material durch Gärung von Hefe hergestellt. Um diesen Prozess zu beginnen, jedes der Zentrifuge Rohre 1 g aktive Hefe hinzu, und wirbeln um zu mischen.
Legen Sie eine Luftschleuse auf der Zentrifuge Röhren. Die Schleuse ermöglicht das Kohlendioxid, das generiert wird, während der Gärung zu entkommen, so dass Druck im Rohr nicht aufbauen wird. Die Zentrifuge Rohre in einem Rack Platz und Platz in einem Inkubator bei 37 ° C. Sobald die Gärung abgeschlossen ist, verwenden Sie einen Ethanol-Sensor zur Messung der Ethanolkonzentration in den Kontroll- und Probe Röhren.
Um Biokraftstoffe eine wettbewerbsfähige Energiequelle zu machen, müssen bestimmte Fragen über die Struktur und Leistung der Rohstoffe beantwortet werden.
Es ist wichtig zu verstehen, die Verteilung von Lignin in verschiedenen Pflanzen, so dass seine Entfernung effizient durchgeführt werden kann. In diesem Beispiel wurde die Verteilung von Lignin in pflanzlichen Zellwänden durch Schneiden von dünnen Schichten aus einem Pflanzenstängel analysiert. Die Scheiben wurden dann abgebildet mit konfokalen Mikroskopie mit 532 nm Laser-Licht um dreidimensionale Bilder der Pflanzenstängel erstellen.
Ligningehalt wurde unter Verwendung von Raman-Spektroskopie bestimmt. Durch die Kombination der konfokalen Bilder und die Raman-Spektren, wurde eine dreidimensionale Karte des Lignins Verteilung generiert.
Um die Menge an Bioethanol abgeleitet aus pflanzlichen Rohstoffen zu maximieren, müssen die Art der Rohstoffe verglichen werden. In diesem Beispiel Ethanol aus Pappe hergestellt wurde, und im Vergleich zu Mais Stover. Der Karton war vorbereitet, wie zuvor gezeigt, wo der Boden Pappe Vorbehandlung, ausgesetzt war gefolgt von enzymatischen Verdauung um Lignin und Hemicellulose aus dem Material zu trennen und die Zellulose zu Glukose abgebaut. Die extrahierte Glukose war dann fermentiert, mit Hefe, Ethanol zu produzieren. Pappe erwies sich als überlegene Einsatzstoff, Mais Stover, denn es wird mehr als das doppelte die Konzentration von Ethanol in Lösung hergestellt.
In den Vereinigten Staaten wird die überwiegende Mehrheit der Bioethanol aus Mais hergestellt. Während die Produktion von Ethanol aus Mais energieintensiv ist, ist es weniger komplex als die Produktion von Ethanol aus Zellulose-Biomasse.
Um den Übergang weg von Mais Rohstoffe, muss die Ausbeute aus zellulosehaltigen Biomasse besser als die von Mais sein. In diesem Beispiel, Maismehl und Mais Stover wurden verglichen mit dem gleichen Verfahren wie zuvor gezeigt.
Maismehl produziert eine höhere Konzentration von Ethanol als Mais Stover, zeigen, dass Mais etwas bessere Rohstoff als Maisstroh selbst ist. Allerdings Maisstroh und anderen zellulosehaltigen Ausgangsmaterialien sind reichlich und preiswert und kann eine echte Alternative bieten.
Sie habe nur Jupiters Einführung in Biokraftstoffe beobachtet. Sie sollten nun die Produktion von Ethanol aus pflanzlichen Rohstoffen und die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Prozess verstehen. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Das % Ethanol in der Lösung wird auf dem handheld-Tablet-Bildschirm mit Hilfe der Software rund um die Marke des Vinylalkohol verwendeten Sensors (Abbildung 2) angezeigt.
Repräsentative Ergebnisse der Prozent Ethanol hergestellt durch verschiedene Rohstoffe ist in Tabelle 1ersichtlich.
| Rohstoff | Ethanol erzeugt |
| Sägemehl | 0,70 % |
| Maisstroh | 0,60 % |
| Karton | 1,67 % |
| Rutenhirse | 0,37 % |
| Kontrolle | 0,11 % |
Tabelle 1. Repräsentative Ergebnisse der Prozent Ethanol von verschiedenen Rohstoffen produziert.
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Applications and Summary
Der Energy Independence and Security Act von 2007 in Recht einen nachwachsenden Brennstoff standard gesetzt. Es erstellt eine Phase für erneuerbare Kraftstoffe Bände ab 9 Milliarden Gallonen im Jahr 2008 und endet bei 36 Milliarden Gallonen im Jahr 2022. Von diesem 36 Milliarden wurde davon ausgegangen, dass 16 Milliarden davon aus zellulosehaltigen Materialien kommen würde. Für das Jahr 2014 war der ursprüngliche Vorschlag für 18,15 Milliarden Gallonen erneuerbaren Kraftstoff, 1,75 Milliarden von diesem aus Zellulose Material. Leider hat basierend auf dem Umfang von Zellulose-Ethanol möglich, die aktuell produziert werden, diese Zahl hatte auf 17 Millionen Gallonen nach einem letzten EPA Vorschlag reduziert werden. 1 Verbesserung des Prozess der Erstellung von Ethanol aus Zellulose Material ist derzeit ein sehr heißes Gebiet der Forschung. In diesem Experiment werden Studierenden die wissenschaftlichen Praktiken emuliert, die Wissenschaftler in den oberen Forschungslabors folgen.
Eine Vielzahl von Biomassen Rohstoff kann verwendet werden, um Zellulose-Ethanol für den Transport zu produzieren. Das U.S. Department of Energy Bioenergie Technologien Büro konzentriert sich auf Zellulose Ausgangsmaterial von Nonfood-basierte Pflanzenmaterial und die damit verbundenen Technologien, mit denen eine wirtschaftlich machbare Umstellung dieser Biomasse auf Kraftstoff zu entwickeln. Sie untersuchen, Biomasse-Quellen von landwirtschaftlicher Rückstände, krautigen Energiepflanzen und Wald Materialien, Materialien und Algen zu verschwenden. In dieser Aktivität Labor können Studenten das Ausgangsmaterial variieren, das Sie verwenden und die Menge an Ethanol, die Ergebnisse zu vergleichen. Möglichkeiten umfassen Mais Stover, Gräser, Blätter, Pappe, Zeitung, Papier, Blumen, etc..
Ein Hindernis für die groß angelegte Produktion von Zellulose-Ethanol ist die kostspielige Art (sowohl in Bezug auf Geld und Energie) der das Vorbehandlungsverfahren. Viel ist geforscht, auf diese Kosten zu senken und den Abbau von Zellulose Material erleichtert. Enzym-Unternehmen investieren viel Zeit und Geld in die Entwicklung neuer Enzyme zur Erhöhung der Ausbeute von Ethanol. In dieser Aktivität Labor können Studenten die Enzyme variieren, die Sie verwenden und die Menge an Ethanol, die Ergebnisse zu vergleichen. Eine Vielzahl von Enzymen Cellulase kann von Unternehmen der chemischen Industrie erworben werden, die an Schulen, wie z. B. Cellulasen aus Aspergillus Niger oder Cellulasen aus Trichoderma Virde verkaufen. Oder proprietäre Enzyme können von Spezialität Enzym Unternehmen gekauft werden, jedoch sind diese teuer. Andere Enzyme können wie Amylase, verwendet werden, um ihre Fähigkeit zur Herstellung von Ethanol aus Zellulose Material mit derjenigen der Cellulasen vergleichen.
Einem anderen aufstrebenden Forschungsgebiet ist die Fähigkeit der Hefe, Zellulose-Biomasse in Ethanol umwandeln zu verbessern. Lignocellulose entwickelte sich in Pflanzen, um Stabilität zu gewährleisten. Dies ist auf die Vernetzung zwischen die Ester-Verbindungen in Lignin, Zellulose und Hemizellulose. Es ist notwendig, um die Zellulose aus dem Lignin zu trennen und dann behandeln die Zellulose zu brechen sie in ein Monosaccharid. Darüber hinaus hat die Hemizellulose einen hohen Prozentsatz der Pentosen wie Xylose, was ist schwieriger als eine Hexose wie Glukose zu gären. 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).
