1.21: Проект «Біопаливо»

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6223

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Цілі

Перетворення целюлозної біомаси на корисне біопаливо.

Результати навчання студентів

Тестові прогнози про те, як такі змінні, як тип біомаси або подрібнення, впливають на перетворення в цукри та етанол.
Простежте перетворення целюлози в глюкозу, а потім етанол.
Зробіть висновок про дію ферментів целюлази на целюлозу на основі показань цукру.
Виміряйте перетворення цукрів в етанол за допомогою датчиків етанолу.
Використовуйте показання цукру та етанолу, щоб оцінити початкові прогнози та зробити висновки про наслідки змінних лікування.

Вступ

Біомаса - це будь-який органічний матеріал, який надходить від організмів, таких як рослини. Біомаса рослин містить енергію, яку можна використовувати в їжу або паливо залежно від того, яка частина рослини використовується. Целюлозна біомаса - це частина рослини, яку більшість людей не можуть перетравлювати, наприклад, жорстку волокнисту або деревну траву, листя, стебла, квіти, стебла кукурудзи, деревину або паперові вироби. Хоча целюлозну біомасу не можна використовувати в їжу, вона містить велику кількість енергії, яку можна використовувати як паливо для транспортування. Целюлозна біомаса, яку також називають целюлозою, є основним компонентом клітинних стінок рослин. Без целюлози рослини не змогли б стояти вертикально. Целюлоза є однією з найпоширеніших молекул на Землі і являє собою величезний потенційний пул відновлюваної енергії, якщо ми можемо знайти спосіб легко перетворити її на транспортне паливо.

У цій лабораторії ви будете досліджувати проблему перетворення целюлозної біомаси в етанол. Ви будете використовувати деякі з тих же стратегій, які використовуються вченими та інженерами в біотехнологічних компаніях. Процес включає три ключові етапи: попередня обробка, гідроліз (ферментативне перетравлення) і бродіння.

Огляд біопаливного трубопроводу

Процес, описаний нижче, надає огляд етапів та описує хімічні зміни, що відбуваються, коли целюлозна біомаса перетворюється на цукор, а потім етанол. Ми називаємо це «трубопроводом виробництва біопалива», оскільки продукти, отримані з одного етапу, використовуються на наступному етапі, поки не буде вироблено етанол.

На стадії попередньої обробки метою є послаблення структури клітинної стінки так, щоб целюлоза була оголена. Стінки клітин рослин складаються з трьох первинних компонентів: целюлози, геміцелюлози та лігніну. Ці молекули повинні бути розділені, щоб ферменти могли дістатися до целюлози. Нагрівання і подрібнення є ефективними методами попередньої обробки.

Целюлоза насправді складається з довгих ланцюгів (полімерів) молекул глюкози. На стадії гідролізу мета полягає в тому, щоб розбити довгі молекули целюлози на окремі молекули глюкози. Спеціальні ферменти, звані целюлазами, здатні розрізати нитки целюлози на глюкозу. Глюкоза - це простий цукор, який може бути використаний в їжу багатьма організмами.

На заключному етапі трубопроводу в ферментативно перетравлену суміш біомаси додають дріжджі. Без кисню дріжджі споживають глюкозу і виробляють етанол за допомогою процесу, званого бродінням. Дріжджі, що використовуються в цьому процесі, - це ті ж одноклітинні організми, які використовуються для випікання хліба або варіння пива.

У цьому розслідуванні ви та ваша дослідницька група виберете зразок целюлозної біомаси для перетворення спочатку в цукри, а потім в етанол за допомогою процесу, описаного вище. Ви будете відстежувати процес перетворення, вимірюючи рівень цукру (глюкози) та етанолу на ключових етапах. Дані, які ви та ваші однокласники збираєте, допоможуть вам визначити, які джерела біомаси та методи попередньої обробки є найбільш ефективними для виробництва цукрів та етанолу, та розробити пояснення того, чому деякі зразки виробляють більше цукру та етанолу, ніж інші.

Частина 1: Передлабораторна робота

Перед лабораторією

Мета цієї лабораторії - перетворити зразок целюлозної біомаси в цукор, а потім етанол. Ваша лабораторна група повинна вибрати зразок біомаси та обробку різання/подрібнення, які, на вашу думку, будуть ефективно виробляти етанол. Ваша група підготує як експериментальну, так і контрольну обробку для оцінки впливу ферменту на виробництво цукру та етанолу.

Фото тюбиків з речовиною, що заповнює близько третини. Один маркується як експериментальний зразок, інший як контрольний
Малюнок 2: Експериментальні та контрольні зразки біомаси

Експериментальний зразок

• Біомаса

• Різання/шліфування

Лікування

• Фермент

Контрольний зразок

• Біомаса

• Різання/шліфування

Лікування

• * Без ферменту*

Таблиця 21.1.

Таблиця 21.1 Хронологія проекту
Лабораторні дослідження Етап	Тривалість	Діяльність
Експериментальне проектування та планування	1-2 дні	• Розробити план досліджень • Виберіть тип біомаси та/або варіанти попередньої обробки (різання або подрібнення)
Підготовка зразків та попередня обробка	1 день	• Налаштуйте експеримент • Нарізати, подрібнити і/або відварити біомасу • Виміряйте початковий рівень цукру
Гідроліз (ферментне травлення)	1 день	• Додати ферменти целюлази • Виміряйте рівень цукру (через 24 години)
Бродіння	1 день	• Виміряйте початкові рівні етанолу • Додати дріжджі • Виміряйте кінцевий рівень етанолу (через 24 години)
Аналіз даних, висновки та обговорення	1-2 дні	• Графік кінцевих результатів • Узагальнити висновки та спілкуватися висновки до класу • Напишіть остаточні результати на основі доказів результати вашої іншої лабораторної групи

Експериментальне проектування та планування

У вашій групі обговоріть та вирішіть, які варіанти біомаси та подрібнення будуть найкращими для виробництва етанолу. За вказівкою вашого вчителя, запишіть, чому ви думаєте, що він буде виробляти найбільше етанолу. Будьте готові пояснити, що, на вашу думку, відбудеться в цьому експерименті, і точно визначити, які докази ви будете використовувати, щоб визначити, чи був ваш прогноз точним.

Мета цієї лабораторії - виробляти якомога більше етанолу з 1 грама біомаси, змішаної з 25-мл води. Виходячи з варіантів, наданих вашим учителем, працюйте з вашою групою лабораторії, щоб вирішити, який тип біомаси та варіант подрібнення ви хотіли б перетворити на етанол. Дайте відповідь на запитання нижче і будьте готові поділитися своїми відповідями з класом.

Яку біомасу ви обрали? Поясніть чому.

Якщо застосовно, який варіант шліфування ви вибрали? Поясніть чому.

Які докази ви отримаєте з цього експерименту, щоб визначити, чи ефективно ваша біомаса перетворюється на етанол?
На якому етапі в лабораторії (попередня обробка, ферментне перетравлення, ферментація) і в якому лікуванні (контрольному або експериментальному) ви очікуєте виміряти найвищий рівень глюкози? Поясніть.
На якій стадії (попередня обробка, ферментне перетравлення, бродіння) і в якому лікуванні (контрольному або експериментальному) ви очікуєте виміряти найвищий рівень етанолу? Поясніть.

Матеріали

Інтерфейс збору даних Vernier або Pasco	4/клас
Зонд для етанолу ноніуса або Паско	4/клас
50 мл конічні центрифужні трубки	2/група
ІСТИННИЙ баланс глюкометр	1/група
Тест-смужки глюкози в крові	~10/група
Вощений папір або параплівка	1 лист/група
Целюлозна біомаса: тирса, солома, кукурудзяна плита, свічграс, картон тощо.	~ 50 грам кожного
Вага човнів	1/група
Електронні ваги	1/група
Подрібнювач для зразків біомаси	4/клас
Ножиці, пили, ножиці тощо для різання біомаси	~ 1/група
25 або 50 мл градуйований циліндр	1/група
Склянки 600 мл	1/група
Нагрівальні плити	1/група
Ручки або скотч для маркування труб Falcon	1/група
Піпетки	1/група
Термометр	1/група
Водяна баня або інкубатор зі стійками для утримання трубок	1/клас
Фермент целюлази (Celluclast: доступний від Sigma)	~ 10 мл/клас
Дріжджі (стандартні сухі активні пекарські)	1/2 ч.л./група
1/4 чайної ложки міра	1/група

Безпека

Слід використовувати всі відповідні заходи безпеки та одяг, необхідні для наукової лабораторії, включаючи захисні окуляри. Будь ласка, зверніться до інструкцій вашого вчителя.
Після завершення лабораторії добре вимийте руки з милом.

Частина II: Експеримент

Порядок дій

КРОК 1: Підготовка зразків та попередня обробка

МЕТА

Розщеплюйте стінки клітин рослин, щоб звільнити волокна целюлози

Позначте дві конічні трубки та ковпачки об'ємом 50 мл ініціалами вашої команди, датою та описом зразка (джерело біомаси та будь-яка попередня обробка)
- Мітки на рис. 3. є прикладами. Кожна група матиме 2 установки труб з однаковою біомасою.
- Якщо потрібна попередня обробка, зробіть це (різання, шліфування, сушка тощо).
Виміряйте 1,0 грам ваших зразків біомаси і покладіть 1,0 грам у відповідну 50-мл соколину трубку.
Перевірте початкову концентрацію глюкози за допомогою тест-монітора глюкози в крові і тест-смужок, запишіть ці дані. Опишіть біомасу (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).
Перевірте початкову концентрацію етанолу за допомогою зондів етанолу; запишіть ці дані. Опишіть біомасу (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).

Приклади ярликів і схеми підготовки проб

Малюнок 3: Приклад ярликів і схема підготовки зразків.

Попередня підготовка гарячої води

Почніть гарячу плиту, щоб довести приблизно 400-мл води до м'якого кипіння в скляній склянці об'ємом 500 мл. Використовуйте попередньо підігріту воду, щоб наповнити склянку.
Налаштуйте конічний тримач трубки (тобто екран з курячим дротом або алюмінієву) фольгу для вашої склянки об'ємом 500 мл відповідно до вказівок вашого вчителя. Якщо ви співпрацюєте з іншою групою, ви можете упакувати 4 тюбики в склянку, не встановлюючи тримач.

Малюнок 4: Як налаштувати конфорку і трубки.
Додайте 25-мл дистильованої води до всіх трьох мічених 50-мл конічних трубок.
Вихрте, щоб змішати біомасу і воду. Дайте йому постояти 1 хвилину.
Нещільно накрутіть ковпачок на конічну трубку; НЕ затягуйте до кінця.

Малюнок 5: Зміст соколиної (конічної) труби.
Зачекайте, поки вода в склянці прийде до ніжного кипіння на вашій гарячій плиті.
Акуратно натисніть два зразки конічної трубки в склянку через алюмінієву фольгу або дротяний екран. Якщо ви використовуєте метод з 4 тюбиками, упакуйте 4 тюбики в склянку об'ємом 500 мл. Переконайтеся, що зразки біомаси та рідина повністю занурені під поверхню окропу в склянці.
Залиште трубки у воді від 10 до 25 хвилин залежно від того, скільки часу у вас є. Чим більше часовий період, тим вище буде потенційний вихід етанолу.
Вимкніть конфорку і видаліть зразки. Дайте їм охолонути до кімнатної температури. Порада лабораторії: Використовуйте ванну з холодною водою, щоб трубки швидше охолоджували.
Перевірте концентрацію глюкози за допомогою тест-монітора глюкози в крові та тест-смужок; запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).
Перевірте концентрацію етанолу за допомогою зондів етанолу; запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).
Якщо зразки не будуть використані протягом наступних 2 днів, негайно охолодіть або заморозьте їх. Це

пригнічує ріст мікробів.

Крок 2: Ферментативне травлення (гідроліз)

МЕТА

Перетравлюють волокна целюлози в глюкозу (цукор)

Вийміть зразки з холодильника або морозильної камери і доведіть до кімнатної температури.
Переконайтеся, що загальна водяна баня або інкубатор знаходиться при 50° C.
Додайте 1,0 мл продукту ферменту целюлази Celluclast™ до кожної пробірки, яка проходить гідроліз. У контроль не буде додано жодного ферменту.
Накручуйте кришки на щільно. Акуратно перемішайте.
Помістіть обидві конічні трубки в загальну водяну баню або інкубатор при 50° C.
Залиште трубочки на водяній бані на 24 години.
Після 24-годинного збору даних гідролізу: Використовуйте монітор тесту глюкози в крові та тест-смужки для перевірки концентрації глюкози пост-ферменту у зразку. Запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).
Перевірте концентрацію етанолу за допомогою зондів етанолу. Запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (наприклад: Зовнішній вигляд, запах).

ПРИМІТКА: Для більш точних показань етанолу дозвольте зразкам досягти кімнатної температури перед проведенням вимірювань.

Якщо ферментація не почнеться на цьому етапі, заморозьте або охолодіть зразки, щоб запобігти мікробному забрудненню.

Крок 3: Бродіння

МЕТА

Перетворення глюкози (цукру) в етанол (паливо)

Переконайтеся, що загальна водяна баня або інкубатор знаходиться при 37° C.
Додайте ¼ чайної ложки або 1,0 грама активних дріжджів в кожну трубочку. Ці вимірювання приблизно еквівалентні.
Акуратно перемішайте дріжджі. Дріжджі будуть рости швидше, якщо рівномірно перемішати.
Нещільно прикрутити ковпачок до трубок. Важливо, щоб трубки не були герметичними для бродіння. Дріжджі вироблятимуть CO2 і нарощуватимуть тиск у трубці, якщо газу не дозволять виходити.
Помістіть конічні трубки вертикально в водяній бані або інкубаторі 37° C. Використовуйте стійку для пробірки або аналогічний апарат (курячий дріт), щоб тримати трубки вертикально.

НЕОБОВ'ЯЗКОВО: Через 30 хвилин виміряйте концентрацію етанолу і глюкози, записуйте дані та інші спостереження про зміни, що відбуваються в пробірках.

Поверніть свої трубки у загальну водяну баню або інкубатор 37° C протягом 24 годин бродіння.
Через 24 години вийміть трубки з водяної бані 37° C.

ПРИМІТКА: Якщо 24-годинне вимірювання не відповідає графіку занять, інструктор може видалити зразки з водяної бані та охолодити або заморозити до остаточних вимірювань.

Візьміть остаточні показання глюкози: Використовуйте монітор тесту глюкози в крові та тест-смужки, щоб перевірити концентрацію глюкози пост-ферменту зразка. Запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (зовнішній вигляд, запах?).

Зробіть остаточні показання етанолу. Перевірте концентрацію етанолу за допомогою зондів етанолу.
Запишіть ці дані. Опишіть будь-які виявлені зміни в біомасі (Зовнішній вигляд, запах). ПРИМІТКА: Для більш точних показань етанолу дозвольте зразкам досягти кімнатної температури перед проведенням вимірювань.
Очистіть трубки та область лабораторії відповідно до вказівок вашого вчителя.

АНАЛІЗ ДАНИХ

Щоб організувати та зробити висновки з ваших даних, корисно порівнювати зміни рівня глюкози та етанолу з плином часу за допомогою гістограми. Використовуючи комп'ютерну програму, таку як Microsoft Excel (або вручну), створіть дві гістограми, щоб узагальнити результати (Графіки 21.1-2). Порожні графіки нижче можуть служити орієнтиром (повнорозмірні доступні на сторінці 21-9).

Обговоріть графіки з вашою групою лабораторій:

Чи відповідають ці результати вашому початковому прогнозу? Чому чи чому ні?
Як ви пояснюєте свої результати? Підсумовуйте та повідомляйте результати відповідно до інструкцій вашого інструктора.

Графік 21.1.

Графік 21.2.

РЕЗУЛЬТАТИ

Використовуйте свої графіки та дані лабораторних ноутбуків, щоб відповісти на ці запитання щодо результатів цього експерименту. Будьте готові поділитися своїми відповідями з класом.

Чи спостерігали ви будь-які зміни рівня глюкози та етанолу після стадії перетравлення ферментів (гідролізу)? Поясніть, чому чи чому ні.
Звідки береться глюкоза в цьому експерименті?
Чи спостерігали ви будь-які зміни рівня глюкози та етанолу після бродіння? Поясніть.
Чому ви думаєте, що рівень глюкози піднявся, а потім знизився протягом цього експерименту?
Чи відповідають ваші спостережувані результати того, що ви очікували, станеться? Поясніть, чому чи чому ні.

ВИСНОВОК

Поділіться своїми результатами та початковими висновками з класом. Дізнайтеся з результатів та спостережень своїх однокласників, щоб визначити, які можуть бути найбільш ефективними способами перетворення біомаси в етанол.

ВИВЧЕННЯ ПИТАННЯ

З усіх зразків, випробуваних у вашому класі, яка обробка біомаси виробляла найбільше глюкози та етанолу? Поясніть, чому ви вважаєте, що це лікування було найбільш ефективним.
З усіх зразків, випробуваних у вашому класі, яка обробка біомаси виробляла найменше глюкози та етанолу? Поясніть, чому ви вважаєте, що це лікування було найменш ефективним.
Якби ви спробували цей експеримент знову виробляти більше етанолу, що б ви зробили по-іншому? Поясніть чому.
Поясніть, як ви розробите експеримент, щоб визначити, чи вплинула попередня обробка кипіння на скільки виробляється глюкози та етанолу.

Цей матеріал заснований на роботі, частково підтриманої дослідницьким центром біоенергетики Великих озер, Міністерством енергетики США, Управлінням науки, Управлінням біологічних та екологічних досліджень під номерами премії DE-SC0018409 та DE-FC02-07ER64494 і має ліцензію CC-BY-NC-SA. Оригінальна діяльність, CB2E: Перетворення целюлозної біомаси в етанол.