Biocombustibles: Producción etanol a partir de material celulósico

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.

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}

1. preparación de la muestra

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Un segundo tubo de centrífuga de 50 mL de la etiqueta como "Control". No ponga cualquier materia prima en este tubo.

2. tratamiento previo

1. Configurar un vaso de precipitados de 500 mL con aproximadamente 400 mL de agua sobre una placa caliente y calor a un hervor suave.
2. 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.
3. 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.
4. Deje enfriar los tubos a temperatura ambiente.

3. enzimática digestión

1. Añadir 1 mL de enzima celulasa a ambos tubos.
2. Poner tubos en una incubadora a 50 ° C durante 24 h.
3. Permita que los tubos se enfríen a temperatura ambiente.

4. fermentación

1. 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.
2. 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.
3. Colocar los tubos de la centrífuga en una rejilla y poner en una incubadora a 37 ° C durante 24 h.
4. 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.
5. Utilizando un sensor de etanol, medir la concentración de etanol en el tubo de muestra (figura 2).
   
   Figura 2. Tableta portátil mostrando % de etanol.

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.

Tabla 1. Resultados representativos del etanol por ciento producidas por diferentes materias primas.

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

1. The Energy Independence and Security Act of 2007. United States Congress, Washington DC. January 4, (2007).
2. Balat, M., Balat, H., Oz, C. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science. 34 (2008).
3. 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).
4. Demirbas, A. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Source. 27 327-337 (2005).