Zrównoważone biopaliwa – od drewna do energii

W tym module uczniowie dowiedzą się i doświadczą, jak za pomocą enzymów można przekształcić celulozę w surowce do produkcji biopaliw. Przeanalizujemy niektóre procesy biochemiczne, badając reakcję enzymatyczną rozbijającą drewno na cukier, która jest wykorzystywana do produkcji etanolu. Uczniowie będą pracować w 2- lub 4-osobowych grupach. Nauczyciel Newton wprowadzi uczniów do zadań i podsumuje je. Moduł kończy się dyskusją na temat wpływu biopaliw na środowisko. 

Moduł ten składa się z 4 zadań:
• Zadanie 1: Budujemy polisacharyd. Każdy uczeń zbuduje model monosacharydu, który będzie wykorzystany do budowy modelu polisacharydu. Porozmawiajcie o roli enzymów w rozkładzie cząsteczek. 
• Zadanie 2: Badanie reakcji enzymatycznej.  Nauczyciel Newton pokazuje instalację do pomiaru tempa reakcji enzymatycznej.  Uczniowie użyją danych z doświadczenia pokazowego, aby wykazać związek między czasem a stężeniem glukozy. Po tym zadaniu nastąpi rozmowa o wykorzystywaniu modeli matematycznych w badaniach i rozwoju. 
• Zadanie 3: Od cukru do alkoholu.  Uczniowie wyprodukują etanol z reakcji fermentacji. Zwiększenie stężenia etanolu i dwutlenku węgla jest rejestrowane przy użyciu rozwiązań do rejestrowania danych.  
• Zadanie 4: Zrównoważone biopaliwa.  Uczniowie będą pełnić rolę konsultantów w zakresie budowy fabryki paliwa w ich regionie. Przeprowadzą dyskusję o zaletach i wadach paliw kopalnych oraz różnych źródeł biopaliw, a także wybiorą lokalizację fabryki. Zadanie jest podsumowywane z całą klasą. 

Biopaliwa – podstawowe informacje

Uczniowie przestudiują dwa spośród etapów przemysłowej produkcji biopaliw: rozkład enzymatyczny drewna do cukru i fermentacja cukru do paliwa (etanolu). W pierwszym etapie procesu przemysł biopaliwowy wykorzystuje enzymy celulazy (celulazę) do przekształcania celulozy znajdującej się w ścianach komórek roślin w cukier (glukozę). W ostatnich czasach zaczęto używać enzymów nowego typu, które rozbijają celulozę znacznie szybciej niż kiedyś. Połączenie celulaz i nowych superenzymów umożliwia bardziej efektywne i szybsze rozbijanie drewna na cukier (nie w ciągu tygodni, lecz godzin), co czyni ten proces tańszym. W tym module uczniowie uczą się o celulazach. 

W kolejnym etapie cukier jest przekształcany na etanol w ramach procesu fermentacji alkoholowej. Etanol może być następnie stosowany osobno lub zmieszany z paliwem/gazem w różnych silnikach. Aby wyprodukować zaawansowane paliwo lotnicze, alkohol należy przekształcić w łańcuchy węglowodorów w drodze reakcji termochemicznych. Technologia ta nazywa się alcohol-to-jet i jest jedną z 5 zatwierdzonych metod produkcji paliwa lotniczego (2018). Ta ostatnia faza nie jest omawiana w pracowni Newton Room. 

Bioetanol od dawna był produkowany z prostej, degradowalnej biomasy z roślin spożywczych, takich jak soja i rzepak. Ten typ biopaliwa znany jest jako biopaliwa konwencjonalne (biopaliwa 1. generacji) W kontekście klimatu zastąpienie paliwa kopalnego paliwami konwencjonalnymi byłoby mądrą decyzją. Jednak z perspektywy zrównoważonego rozwoju lepiej byłoby produkować biopaliwa z niespożywczej biomasy, która nie konkuruje z przemysłem spożywczym o zasoby takie jak woda, energia i przestrzeń/lokalizacja/teren/ Obliczanie wpływu biopaliw na środowisko jest skomplikowane. Jednak najważniejszym czynnikiem decydującym o wpływie biopaliw na środowisko jest wybór surowców. Biopaliwa z niespożywczej biomasy nazywają się zaawansowanymi biopaliwami z upraw leśnych lub z oceanu (biopaliwa 2. i 3. generacji). Przemysł stoi w obliczu technologicznych wyzwań i trudności ekonomicznych związanych z zastąpieniem w przyszłości biopaliw kopalnych i konwencjonalnych biopaliwami zaawansowanymi.