Biocarburanti: produzione di etanolo da materiali cellulosici

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

In questo esperimento, il materiale cellulosico (come gambi di mais, foglie, erbe, ecc.) sarà utilizzato come materia prima per la produzione di etanolo. Il materiale cellulosico viene prima pretrattato (macinato e riscaldato), digerito con enzimi e quindi fermentato con lievito. La produzione di etanolo viene monitorata utilizzando una sonda a etanolo. L'esperimento può essere esteso per ottimizzare la produzione di etanolo variando la materia prima utilizzata, le condizioni di pretrattamento, la variazione enzimatica, la variazione del lievito, ecc. Un metodo alternativo di monitoraggio della reazione consiste nel misurare l'anidride carbonica prodotta (utilizzando un sensore di gas) al posto dell'etanolo. Come alternativa a bassa tecnologia, i glucometri (che si trovano in qualsiasi farmacia) possono essere utilizzati per monitorare il glucosio durante il processo, se non è disponibile una sonda di etanolo o un sensore di gas di anidride carbonica.

Con una maggiore enfasi sull'"apprendimento basato sull'indagine", le sonde scientifiche stanno diventando sempre più popolari. Dispositivi portatili come il Vernier Lab Quest utilizzati in combinazione con una varietà di sonde (come quelle per conducibilità, ossigeno disciolto, tensione e altro) consentono una minore attenzione alla raccolta di dati e / o alla creazione di grafici e più sull'analisi dei dati e sulla previsione. Un altro vantaggio è che questi sono piccoli e leggeri e possono essere portati sul campo per le misurazioni.

Gli Stati Uniti stanno cercando di svezzare se stessi dai combustibili fossili, in particolare dal petrolio utilizzato nella benzina. Il cambiamento climatico globale, la dipendenza da paesi stranieri e l'aumento dell'instabilità politica in tutto il mondo sono solo alcune delle ragioni per cui. Un modo possibile per ridurre la dipendenza dal petrolio come carburante per il trasporto è utilizzare più etanolo. Attualmente, la benzina normale contiene circa il 10% di etanolo come additivo. I veicoli speciali flex-fuel possono utilizzare benzina E85, che è l'85% di etanolo. ¹

In Brasile, l'etanolo è prodotto utilizzando la canna da zucchero come materia prima. Il prodotto principale della canna da zucchero è il saccarosio, che è un disaccaride di glucosio e fruttosio. La maggior parte delle specie di lievito hanno l'enzima sucrasi e sono in grado di scindere il legame glucosio-fruttosio. Il saccarosio (C₁₂H₂₂O₁₁₎viene fermentato dal lievito per produrre etanolo e anidride carbonica. La reazione chimica complessiva è mostrata nell'equazione 1. ^2,3

Tuttavia, negli Stati Uniti, l'etanolo è prodotto dal mais. Il mais immagazzina carboidrati come un polisaccaride chiamato amido. Ciò richiede uno sforzo maggiore rispetto alla produzione di etanolo dalla canna da zucchero perché il lievito non può scindere i legami nell'amido. Per produrre etanolo dal mais, prima i chicchi di mais devono essere macinati, quindi il mais macinato trattato con enzimi per convertire l'amido nel mais in glucosio. Dopo questa fase, il processo continua come nel metodo della canna da zucchero sopra utilizzando il lievito per fermentare il glucosio in etanolo e anidride carbonica. La reazione chimica è mostrata nell'equazione 2. ²

La produzione di etanolo dal mais è problematica, tuttavia. Per prima cosa, toglie un po 'di mais dall'approvvigionamento alimentare, in particolare i mangimi per il bestiame, facendo così salire i prezzi. È anche energivoro e fertilizzante per produrre mais, diminuendo la sua desiderabilità come carburante per il trasporto alternativo al petrolio. Pertanto, gli scienziati si rivolgono sempre più al materiale cellulosico per produrre etanolo. Questi materiali includono legno, erbe e parti non commestibili delle piante. Questi sono più desiderabili in quanto non influiscono sull'approvvigionamento alimentare. Tuttavia, al fine di rilasciare il glucosio dal materiale cellulosico, è necessario molto più sforzo, poiché il glucosio dal materiale cellulosico è legato in cellulosa, che viene quindi avvolto con emicellulosi e lignina. In primo luogo la cellulosa deve essere estratta dalle emicellulosi e dai leganti della lignina. Questo viene fatto attraverso un pretrattamento della macinazione e dell'idrolisi acida. Quindi, la cellulosa viene trattata con enzimi per scomporla nel suo glucosio componente. Infine, il glucosio può essere fermentato con lievito per produrre etanolo e acqua. Il processo può essere riassunto come mostrato nell'equazione 3.

Questo è attualmente troppo dispendioso in termini di energia per renderlo un metodo pratico per la produzione di etanolo su larga scala. Tuttavia, la ricerca è in corso per migliorare il processo. ^2,3

1. Preparazione del campione

1. Selezionare il materiale cellulosico da utilizzare come materia prima. Questo può essere gambi di mais, erbe, foglie, lettiere per animali domestici o carta.
2. Utilizzando un macinino a sfere (o un macinino da caffè se il macinino a sfere non è disponibile), macinare le materie prime in una polvere fine senza pezzi di grandi dimensioni rimanenti.
3. Misurare 1,0 g di materia prima e posizionarla in un tubo centrifuga da 50 ml. Etichettare il tubo con la materia prima scelta.
4. Etichettare un secondo tubo centrifugo da 50 ml come "Controllo". Non mettere alcuna materia prima in questo tubo.

2. Pretrattamento

1. Impostare un becher da 500 ml con circa 400 ml di acqua su una piastra elettrica e riscaldare a ebollizione delicata.
2. Aggiungere 25 ml di acqua distillata ai 2 tubi della centrifuga. Vortice da mescolare. Mettere il tappo sui tubi della centrifuga liberamente.
3. Mettere i tubi della centrifuga nel becher pieno di acqua bollente delicatamente. Assicurarsi che l'acqua dal bagno d'acqua non fuoriesca nei tubi. Lasciare bollire per 30 min.
4. Lasciare raffreddare i tubi a temperatura ambiente.

3. Digestione enzimatica

1. Aggiungere 1 mL di enzima cellulasi ad entrambi i tubi.
2. Mettere i tubi in un'incubatrice a 50 °C per 24 ore.
3. Lasciare raffreddare i tubi a temperatura ambiente.

4. Fermentazione

1. Aggiungere 1,0 g di lievito attivo (il normale lievito del negozio di alimentari è ok) a ciascuno dei tubi della centrifuga. Vortice da mescolare.
2. Metti una camera d'aria sopra il tubo della centrifuga. L'airlock consente alla CO₂ di fuoriuscire, mantenendo bassa la pressione nel tubo della centrifuga.
3. Posizionare i tubi della centrifuga in una griglia e mettere in un incubatore a 37 °C per 24 ore.
4. Utilizzando un sensore di etanolo, misurare la concentrazione di etanolo nel tubo di controllo (Figura 1). I sensori di etanolo possono essere acquistati tramite Vernier o PASCO per circa $ 100 ciascuno.
   
   Figura 1. Sonda a etanolo che misura la concentrazione di etanolo nel tubo di controllo.
5. Utilizzando un sensore di etanolo, misurare la concentrazione di etanolo nella provetta del campione (Figura 2).
   
   Figura 2. Tablet portatile con percentuale di etanolo.

La % di etanolo nella soluzione verrà visualizzata sullo schermo del tablet portatile utilizzando il software relativo alla marca del sensore di etanolo utilizzato (Figura 2).

I risultati rappresentativi della percentuale di etanolo prodotta da varie materie prime possono essere visti nella Tabella 1.

Tabella 1. Risultati rappresentativi della percentuale di etanolo prodotta da varie materie prime.

L'Energy Independence and Security Act del 2007 ha stabilito in legge uno standard sui combustibili rinnovabili. Ha creato un phase-in per i volumi di carburante rinnovabile a partire da 9 miliardi di galloni nel 2008 e terminando a 36 miliardi di galloni nel 2022. Di quei 36 miliardi, ci si aspettava che 16 miliardi di questi sarebbero venuti da materiali cellulosici. Per il 2014, la proposta originale era di 18,15 miliardi di galloni di combustibile rinnovabile, 1,75 miliardi di quelli provenienti da materiale cellulosico. Sfortunatamente, sulla base del volume di etanolo cellulosico che è possibile produrre attualmente, questo numero ha dovuto essere ridotto a 17 milioni di galloni secondo una recente proposta dell'EPA. ¹ Migliorare il processo di creazione di etanolo da materiale cellulosico è attualmente un'area di ricerca molto calda. In questo esperimento, gli studenti emuleranno le pratiche scientifiche che gli scienziati nei migliori laboratori di ricerca stanno seguendo.

Una varietà di materie prime da biomassa può essere utilizzata per produrre etanolo cellulosico per il trasporto. L'ufficio per le tecnologie bioenergetiche del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è focalizzato sullo sviluppo di materie prime cellulosiche da materiale vegetale non alimentare e sulle tecnologie correlate che consentiranno una conversione economicamente fattibile di questa biomassa in carburante per il trasporto. Stanno studiando fonti di biomassa che vanno dai residui agricoli, alle colture energetiche erbacee e ai materiali forestali ai materiali di scarto e alle alghe. In questa attività di laboratorio, gli studenti possono variare la materia prima che usano e confrontare la quantità di etanolo che risulta. Le possibilità includono stover di mais, erbe, foglie, cartone, giornale, carta, fiori, ecc.

Un ostacolo alla produzione su larga scala di etanolo cellulosico è la natura costosa (sia in termini di denaro che di energia) del processo di pretrattamento. Molte ricerche sono in corso per ridurre questi costi e rendere più facile la scomposizione del materiale cellulosico. Le aziende enzimatiche stanno spendendo molto tempo e denaro per sviluppare nuovi enzimi per aumentare la resa di etanolo. In questa attività di laboratorio, gli studenti possono variare gli enzimi che usano e confrontare la quantità di etanolo che risulta. Una varietà di enzimi cellulasi può essere acquistata da aziende chimiche che vendono alle scuole, come la cellulasi di Aspergillus niger o la cellulasi di Trichoderma virde. Oppure gli enzimi proprietari possono essere acquistati da aziende specializzate in enzimi, tuttavia questi sono costosi. Altri enzimi possono essere utilizzati, come l'amilasi, per confrontare la loro capacità di produrre etanolo da materiale cellulosico a quella delle cellulasi.

Un'altra area emergente di ricerca è il miglioramento della capacità del lievito di convertire la biomassa cellulosica in etanolo. La lignocellulosa si è evoluta nelle piante per fornire stabilità. Ciò è dovuto alla reticolazione tra cellulosa ed emicellulosa e ai legami estere nella lignina. È necessario separare la cellulosa dalla lignina e quindi trattare la cellulosa per scomporla in un monosaccaride. Inoltre, l'emicellulosa ha un'alta percentuale di pentosi come lo xilosio, che è più difficile da fermentare di un esosio come il glucosio. 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).