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.

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

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.

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Applicazione e Riepilogo

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 cellu...

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Riferimenti

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).

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Valore vuotoproblema

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.

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