바이오 연료: 셀룰로오스 물질에서 에탄올 생산

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 (C₁₂H₂₂O_11)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

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.

표 1. 다양한 공급원료에 의해 생성된 퍼센트 에탄올의 대표적인 결과입니다.

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