Biocarburants : produire de l'éthanol à partir de matière cellulosique

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye - Depaul University

Cellulosiques (tels que des tiges de maïs, feuilles, herbes, etc.), dans cette expérience, servira de matière première pour la production d’éthanol. Le matériau cellulosique est tout d’abord prétraité (rez-de-chaussée et chauffée), digérés par les enzymes et puis fermentés avec des levures. Production d’éthanol est contrôlée à l’aide d’une sonde de l’éthanol. L’expérience peut être étendue pour optimiser la production d’éthanol en faisant varier la matière première utilisée, conditions de prétraitement, variation de l’enzyme, variation de la levure, etc.. Une autre méthode de contrôle de la réaction est de mesurer le dioxyde de carbone produit (à l’aide d’un détecteur de gaz) au lieu de l’éthanol. Comme une alternative Low-Tech, glucomètres (trouvés dans n’importe quel magasin de drogue) peuvent être utilisés pour surveiller la glycémie au cours du processus, si un détecteur de gaz éthanol sonde ou dioxyde de carbone n’est pas disponible.

Avec une emphase accrue sur "apprentissage fondé sur la recherche », sondes scientifiques sont de plus en plus populaires. Appareils de poche comme la quête de laboratoire Vernier utilisé en conjonction avec une variété de sondes (tels que ceux de la conductivité, oxygène dissous, tension, etc.) permettant de moins se concentrer sur la collecte de données et/ou de faire des graphiques et plus sur l’analyse des données et faire des prédictions. Un autre avantage est que ceux-ci sont compacts et légers et peuvent être prises dans le champ pour les mesures.

Aux États-Unis, cherche à se sevrer hors de combustibles fossiles, en particulier le pétrole utilisé dans l’essence. Changement climatique, la dépendance à l’égard des pays étrangers et une instabilité politique accrue dans le monde entier sont seulement quelques raisons pour lesquelles. Une façon possible de diminuer notre dépendance au pétrole comme un carburant de transport consiste à utiliser plus d’éthanol. Actuellement, l’essence ordinaire contient environ 10 % d’éthanol comme additif. Véhicules flex-fuel spécial peuvent consommer d’essence E85, qui est de 85 % d’éthanol. ¹

Au Brésil, l’éthanol est faite à l’aide de canne à sucre comme matière première. Le principal produit de la canne à sucre est le saccharose, qui est un disaccharide de glucose et de fructose. La plupart des espèces de levures ont la saccharase enzymatique et sont capables de cliver le glucose – obligations de fructose. Le saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁) est fermenté par les levures pour produire de l’éthanol et du gaz carbonique. La réaction chimique globale apparaît dans l’équation 1. ^{2, 3}

Toutefois, aux États-Unis, l’éthanol est fait de maïs. Maïs stocke les glucides comme un polysaccharide appelé amidon. Cela nécessite plus d’efforts que de faire de l’éthanol de canne à sucre parce que la levure ne peut pas se clivent les liaisons dans l’amidon. Pour rendre l’éthanol de maïs, premiers grains de maïs doivent être au sol vers le haut, puis le maïs moulu traités avec des enzymes pour convertir l’amidon dans le maïs au glucose. Après cette étape, le processus se poursuit comme dans la méthode de la canne à sucre dessus à l’aide de levure pour faire fermenter le glucose en éthanol et en dioxyde de carbone. La réaction chimique est montrée dans l’équation 2. ²

La production d’éthanol de maïs est problématique, cependant. D’une part, il faut du maïs sur l’approvisionnement en aliments, en particulier d’alimentation pour le bétail, ainsi grimper les prix. C’est aussi l’énergie et engrais intensive pour produire maïs, diminuant son opportunité comme une alternative de carburant de transport de pétrole. Par conséquent, les scientifiques sont tournent à cellulosiques pour faire de l’éthanol. Ces matériaux comprendre le bois, les graminées et les parties non comestibles des plantes. Celles-ci sont préférables car ils n’ont aucune incidence d’approvisionnement alimentaire. Toutefois, afin de libérer le glucose de la matière cellulosique, beaucoup plus d’effort est nécessaire, car le glucose à partir de matières cellulosiques est lié à la cellulose, qui est ensuite enveloppée avec l’hémicellulose et la lignine. La cellulose doit d’abord être extrait des hémicelluloses et liaisons de la lignine. Cela se fait par un prétraitement de meulage et hydrolyse acide. Ensuite, la cellulose est traitée avec des enzymes de le casser vers le haut en son glucose composant. Enfin, le glucose peut être fermenté avec de la levure pour produire de l’éthanol et l’eau. Le processus peut se résumer comme le montre l’équation 3.

C’est actuellement trop énergivore pour rendre une méthode pratique pour la production d’éthanol à grande échelle. Toutefois, des recherches sont en cours pour améliorer le processus. ^{2, 3}

1. préparation de l’échantillon

1. Sélectionnez cellulosiques pour être utilisé comme matière première. Cela peut être des tiges de maïs, herbes, feuilles, litière pour animaux de compagnie ou du papier.
2. À l’aide d’une meuleuse moulin à billes (ou moulin à café si ball mill moulin n’est pas disponible), moudre des matières premières en une fine poudre pas de gros morceaux restant.
3. Mesurer à 1,0 g de matière première et le placer dans un tube à centrifuger de 50 mL. Etiqueter le tube avec la matière première choisie.
4. Un deuxième tube à centrifuger 50 mL qualifier de « Contrôle ». Ne mettez pas de toute matière première dans ce tube.

2. prétraitement

1. Mettre en place un bécher de 500 mL avec environ 400 mL d’eau sur une plaque de cuisson et faire chauffer jusqu'à ébullition douce.
2. Ajouter 25 mL d’eau distillée pour les tubes de 2 centrifugeuse. Tourbillon de mélanger. Remettre le capuchon sur les tubes de centrifugeuse sans serrer.
3. Mettre les tubes à centrifuger dans le bécher rempli de doucement l’eau bouillante. N’oubliez pas que l’eau du bain-marie ne fuit pas dans les tubes. Laisser bouillir pendant 30 min.
4. Laisser refroidir de tubes à température ambiante.

3. Digestion enzymatique

1. Ajouter 1 mL d’enzyme cellulase dans les deux tubes.
2. Mettre les tubes dans un incubateur à 50 ° C pendant 24 h.
3. Laisser les tubes refroidir à température ambiante.

4. la fermentation

1. Ajouter 1,0 g de levure active (épicerie régulière levure est OK) à chacun des tubes de centrifugeuse. Tourbillon de mélanger.
2. Mettre une poche d’air sur le dessus du tube à centrifuger. Le SAS permet de CO₂ d’échapper, maintenir la pression en bas dans le tube à centrifuger.
3. Placer les tubes de centrifugeuse dans un rack et mis dans un incubateur à 37 ° C pendant 24 h.
4. À l’aide d’un capteur d’éthanol, mesurer la concentration d’éthanol dans le tube de contrôle (Figure 1). Capteurs d’éthanol peuvent être achetés par Vernier ou PASCO pour environ 100 $ chacun.
   
   Figure 1. Sonde d’éthanol mesurant la concentration d’éthanol dans le tube de contrôle.
5. À l’aide d’un capteur d’éthanol, mesurer la concentration d’éthanol dans le tube à essais (Figure 2).
   
   Figure 2. Tablette de poche affichage % d’éthanol.

Le % d’éthanol dans la solution apparaît sur l’écran de la tablette de poche utilisant le logiciel lié à la marque de la sonde de l’éthanol utilisée (Figure 2).

Des résultats représentatifs de l’éthanol pourcentage émanant de diverses matières premières peuvent être vu dans le tableau 1.

Table 1. Résultats représentatifs de l’éthanol pourcentage émanant de diverses matières premières.

La Energy Independence and Security Act of 2007 défini dans la loi un carburant renouvelable standard. Il a créé une application progressive pour les volumes de carburant renouvelable commençant à 9 milliards de gallons en 2008 et se terminant à 36 milliards de gallons en 2022. De cette 36 milliards, il était prévu que 16 milliards de qui proviendrait de matériaux cellulosiques. Pour 2014, la proposition initiale était de 18,15 milliards de gallons de carburant renouvelable, 1,75 milliards de celui provenant de matériaux cellulosiques. Malheureusement, basée sur le volume d’éthanol cellulosique qui n’est possible d’être produites actuellement, ce nombre a dû être réduite à 17 millions de gallons d’après une récente proposition de l’EPA. ¹ améliorer le processus de création de l’éthanol à partir de matières cellulosiques est actuellement une zone très chaude de la recherche. Dans cette expérience, les étudiants seront être émulant les pratiques scientifiques qui suivent les scientifiques dans les laboratoires de recherche de pointe.

Une variété de matériaux de matières premières de la biomasse peut être utilisée pour produire de l’éthanol cellulosique pour le transport. Bioénergie Technologies Office de le U.S. Department of Energy s’attache à développer des matières cellulosiques de matériel végétal de base non alimentaires et les technologies connexes qui permettront une conversion économiquement faisable de cette biomasse en carburants de transport. Ils étudient les sources de biomasse allant de résidus agricoles, cultures énergétiques herbacées et matériaux de la forêt de gaspiller des matériaux et des algues. Dans cette activité de laboratoire, étudiants peuvent varier les matières premières qu’ils utilisent et comparer la quantité d’éthanol qui en résulte. Les possibilités incluent la canne de maïs, herbes, feuilles, carton, Journal, papier, fleurs, etc..

Un barrage routier à la production d’éthanol cellulosique à grande échelle est le caractère coûteux (à la fois en termes d’argent et d’énergie) du processus de prétraitement. Beaucoup de recherches se fait sur la réduction de ces coûts et facilite la décomposition de la matière cellulosique. Entreprises de l’enzyme passent beaucoup de temps et d’argent, développer de nouvelles enzymes pour augmenter le rendement de l’éthanol. Dans cette activité de laboratoire, les étudiants peuvent varier les enzymes qu’ils utilisent et comparer la quantité d’éthanol qui en résulte. Une variété d’enzymes Cellulase peut être achetée auprès des entreprises de produits chimiques qui se vendent dans les écoles, tels que la cellulase d’Aspergillus niger ou cellulase de Trichoderma virde. Ou des enzymes peuvent être achetés de sociétés de spécialité d’enzyme, mais elles sont coûteuses. Autres enzymes peuvent servir, comme l’amylase, de comparer leur capacité de production d’éthanol à partir de matières cellulosiques d’origine à celle des cellulases.

Un autre domaine émergent de la recherche améliore la capacité de la levure pour convertir la biomasse cellulosique en éthanol. Lignocellulose a évolué chez les plantes pour assurer la stabilité. Cela est dû à la réticulation entre cellulose et hémicellulose et les liens ester en lignine. Il est nécessaire de séparer la cellulose de la lignine et ensuite traiter la cellulose pour décomposer en un monosaccharide. En outre, l’hémicellulose a un pourcentage élevé des pentoses comme xylose, qui est plus difficile à fermenter qu’un hexose comme le glucose. ⁴