Jakten på det optimale biodrivstoffet! Vg1 Vg3 120 minutter

Transkript

1 Lærerveiledning Passer for: Varighet: Jakten på det optimale biodrivstoffet! Vg1 Vg3 120 minutter Jakten på det optimale biodrivstoffet er et skoleprogram hvor elevene får lære om hvordan kjemirelatert forskning kan bidra til samfunnsmessig utvikling. Elevene får i oppgave å finne frem til hvilket biodrivstoff som egner seg best som drivstoffkilde for fremtidens miljøvennlige sportsbiler. Gjennom dette får de lære om utvikling av biodrivstoff og de får jobbe aktivt med ulike reaksjonstyper for å produsere biodrivstoff ved INSPIRIAs kjemilaboratorium. Elevene får regneoppgaver som skal bidra til økt forståelse av prosessen, samtidig som de får anledning til å reflektere over nytteverdien av den. Det beste er at elever og lærere er forberedt når de kommer på INSPIRIA science center. Lærerveiledningen inneholder viktig informasjon om skoleprogrammet, og det er derfor fint om den blir lest i god tid før besøket. Dette programmet krever at aktivitetene i forarbeidet gjennomføres. Vi ønsker at lærerne skal få en best mulig opplevelse og læringsutbytte av å ta med klasser til senteret. Vi oppfordrer til aktivt å ta del i opplegget sammen med elevene. Skoletilbudet til INSPIRIA science center er ment å være en integrert del av opplæringen. Ved å utføre for- og etterarbeid til programmet vil elevenes læringsutbytte økes, og lærerne vil kunne benytte aktivitetene som et verktøy til å nå konkrete mål i kunnskapsløftet. 1

2 Hovedområder og kompetansemål fra kunnskapsløftet: Naturfag Energi for fremtiden Gjøre rede for ulik bruk av biomasse som energikilde Bærekraftig utvikling Kartlegge egne forbruksvalg og argumentere faglig og etisk for egne forbruksvalg som kan bidra til bærekraftig forbruksmønster Forskerspiren Planlegge og gjennomføre ulike typer undersøkelser med identifisering av variabler, innhente og bearbeide data, og skrive rapport med diskusjon av måleusikkerhet og vurdering av mulige feilkilder Kjemi 1 Språk og modeller Sette opp reaksjonslikninger med tilstandssymboler og bruke reaksjonslikninger i beregninger med stoffmengde Gjøre rede for forhold som påvirker reaksjonsfarten Metoder og forsøk Planlegge og gjennomføre forsøk og vurdere risiko, feilkilder og resultater Skrive rapporter fra forsøk og presentere prosess, metode og resultater med og uten digitale hjelpemidler Organisk kjemi Gjøre rede for struktur, navnsetting, framstilling, egenskaper og bruk av alifatiske hydrokarboner, alkylhalider, alkoholer, aldehyder, ketoner, karboksylsyrer, estere, etere og aminer Kjemi 2 Forskning Finne fram til og presentere eksempler på aktuell, kjemirelatert forskning innen miljø og industri Publisere rapporter fra egne forsøk, med og uten digitale verktøy Organisk kjemi Gjøre rede for reaksjonstypene oksidasjon, substitusjon, addisjon, eliminasjon, kondensasjon og hydrolyse, og gjøre forsøk med minst to av dem Gjøre forsøk med enzymer og forklare hvordan de fungerer 2

3 Forarbeid Før besøket på INSPIRIA science center skal elevene ha utført enkelte aktiviteter og ha kjennskap til en del begreper knyttet til skoleprogrammet. Nedenfor følger aktivitetene og begrepene. Aktiviteter 1. Produksjon av biodiesel Som et eksempel på biodrivstoff kan elevene forsøke å produsere biodiesel på skolen. Se Vedlegg Forarbeid 1. Laboratorieprotokoll for produksjon av biodiesel. Elevene kan undersøke biodieselen ved å studere punktene nevnt nedenfor. Lukt Blandbarhet med vann Brennbarhet Elevene skal lage en biodiesellampe under skoleprogrammet. 2. Enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose Les gjennom laboratorieprotokollen. Se Vedlegg Forarbeid 2. Laboratorieprotokoll for enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose. Tips: Skal man i etterkant av besøket skrive rapport fra forsøkene, kan det være lurt å ta bilder under besøket som man kan bruke. 3. Labvettregler Det er viktig at elevene har kjennskap til vanlige labvettregler. Se Kopieringsmal Forarbeid 3. Labvettregler. Begreper Biodrivstoff - Drivstoff som produseres fra biologisk materiale kalles biodrivstoff. 1. generasjons biodrivstoff - Er i stor grad basert på matvarevekster som raps, sukker, soya, hvete, mais og palmeolje. 2. generasjons biodrivstoff - Er i stor grad basert på biologisk materiale fra avfall eller egen overskuddsskog. 3

4 Hydrolyse - Som et ledd i produksjonen av bioetanol fra trær hydrolyseres cellulosefibrer til glukose ved hjelp av enzymer. Hydrolyse er det motsatte av en kondensreaksjon. I en kondensreaksjon avspaltes vann, mens ved hydrolyse tas vann opp. Typer av biodrivstoff Biodiesel - Biodiesel er et biodrivstoff som er produsert av planteolje eller annet biologisk basert fett. Biodiesel produseres industrielt ved at det biologiske fettet tilsettes 10 % metanol og forestres til en metylester. Bioetanol - Bioetanol fremstilles ved at sukker og stivelse gjæres. Etanolen som dannes blir foredlet (fjerning av vann) og renset. Råstoffer som brukes i produksjonen av etanol er som regel sukkerrike planter som for eksempel sukkerrør (Brasil) eller stivelsesrike planter som mais eller hvete (USA, Canada, Europa). I den senere tiden har det blitt aktuelt å utnytte cellulose og hemicellulose til etanolproduksjon. Dette åpner for etanolproduksjon fra skogbaserte råvarer. Biogass - Biogass produseres ved anaerob gjæring av vått organisk avfall. Typiske råstoffkilder til biogassproduksjon er kloakkslam, matavfall og husdyrgjødsel. Det organiske materialet brytes ned av bakterier som lever uten tilgang på O2. Sluttproduktet blir biogass. Biohydrogen - Når hydrogen skal introduseres som energibærer i brenselsceller, er det også aktuelt å benytte biomasse som råstoff. Mange forskningsmiljøer jobber intenst for å få fram kommersielle løsninger for biomassebasert hydrogen. 4

5 Etterarbeid Aktiviteter 1. Regneoppgaver Elevene får utdelt regneoppgaver til Enzymatisk nedbrytning av glukose under skoleprogrammet. Se Vedlegg Etterarbeid 1. FASIT/lærerveiledning - Regneoppgaver til Enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose. 2. Rapport Elevene får i oppgave fra INSPIRIAs utviklingsavdeling å jakte på det optimale biodrivstoffet for fremtidens miljøvennlige sportsbiler. Elevene vil jobbe parvis i grupper under skoleprogrammet. For at teamet i utviklingsavdelingen skal bli overbevist om at det er nettopp deres biodrivstoff de skal velge, så ønsker de at elevene argumenterer for dette i en rapport basert på resultater fra forsøk, regneoppgaver og kunnskap som de tilegner seg i løpet av skoleprogrammet. En kopi av rapportene sendes til INSPIRIA science center som i tillegg til å benytte dem til videre utvikling av det optimale biodrivstoffet, vil benytte rapportene til å evaluere skoleprogrammet og til forskning på læringsutbytte. Vi vil ikke under noen omstendigheter publisere navn på elever eller lærere. Rapportene sendes til: skole@inspiria.no Vi ønsker at elevene benytter et fast oppsett for rapportskriving. Se Kopieringsmal Etterarbeid 2. Mal for rapportskriving. 5

6 3. Rollemodell ALFA er et rollemodellbyrå med engasjerte og dedikerte rollemodeller som representerer et mangfold av personligheter, kunnskap og erfaringer innenfor realfaglige og teknologiske yrker og studier. Målgruppen er ungdomsskoler og videregående skoler i hele landet. ALFA eies av RENATEsenteret, som er Kunnskapsdepartementets nasjonale senter for realfagsrekruttering. Norge er blant de landene i verden som raskest tar i bruk ny teknologi vi gjør oss bemerket innenfor en rekke internasjonalt viktige områder basert på teknologisk og realfaglig kunnskap. Likevel har vi ikke klart å motivere mange nok ungdommer til å velge utdanning som bringer dem over i disse yrkene. Hvis klassen har lyst til å høre mer om et spesielt yrke eller fagfelt, så har dere mulighet for å bestille en rollemodell fra ALFA. Rollemodellen brenner for yrket og faget sitt og kan komme til deres skole for å fortelle mer om nettopp dette. Mer informasjon finnes på følgende lenke: 6

7 Vedlegg Forarbeid 1. Laboratorieprotokoll for produksjon av biodiesel. Laboratorieprotokoll for produksjon av biodiesel Hensikt Å fremstille biodiesel ved omestring av fett. Fett KOH, CH3OH Omestring Biodiesel (Metylester) Verneutstyr Vernebriller og labrakker bruker under hele forsøket. Materialer og utstyr Delfiafett (kokosfett) Metanol Kaliumhydroksid (fast KOH) Lag en 5 % løsning av KOH i metanol (5 gram KOH i 100 ml metanol) Reagensrør Fremgangsmåte 1. Smelt delfiafett og fyll et reagensrør ca 1/3 fullt. Tilsett omtrent så mye metanolløsning at det utgjør 1/5 av fettmengden. 2. Kok opp blandingen - kokvarmt vannbad (eller gassbrenner) 3. Reagensglasset settes lunt så det holder varmen, og etter noen minutter skiller glyserol- /metanolfasen seg ut på bunnen, mens biodieselen legger seg på toppen. Laboratorieprotokollen er utarbeidet av: Truls Grønneberg, Skolelaboratoriet Kjemi Universitetet i Oslo 7

8 Vedlegg Forarbeid 2. Laboratorieprotokoll for enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose. Laboratorieprotokoll for enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose Hensikt Cellulosefibrene hydrolyseres med enzymer til glukose. Mengden glukose måles med blodsukkerapparat, og teoretisk mengde etanol ved en fermentering av sukkeret beregnes. Verneutstyr Vernebriller og labfrakker brukes under hele forsøket. Materialer og utstyr Cellulose fra gran med tørrstoff på ca. 28 % (dvs. 28 % cellulose og 72 % vann) Dramsglass med lokk Graderte plastpipetter Teflonbelagt magnet Ferdiglaget enzymløsning som inneholder: Enzymer Natriumcitrat buffer (justert til ph 5) Vann Magnetrører Blodsukkerapparat (Accu-Chek) med målestrips (måleområde for glukose er 0,6-33 mmol/l) Fremgangsmåte 1. Ca. 1 gram cellulosemasse er ferdig veid ut i dramsglasset. 2. Tilsett 4,0 ml av den ferdiglagde enzymløsningen (inneholder enzymer, buffer og vann). Dersom vi antar at tettheten til enzymløsningen er 1 gir dette en totalvekt rundt 5 g. Konsentrasjonen av cellulose i løsningen blir ca. 5,6 %: Mengde cellulose i 1 g prøve, tørrstoff i prøven er 28 %: 8

9 Mengde cellulose i hydrolyseblandingen: 3. Mål sukkerkonsentrasjon ved start av forsøket 4. La løsningen stå til røring på magnetrører i ca. 1,5 time. For å sammenligne effekten av røring og varme kan noen elever la dramsglasset stå med røring ved romtemperatur mens andre setter dramsglasset i et varmeskap ved 50 C uten røring. 5. Mengde frigjort sukker måles som følger: Mål ut 0,5 ml av hydrolyseløsningen med en pipette og ha dette over i et rent dramsglass. Mål konsentrasjonen av glukose med blodsukkerapparatet. Strips settes i apparatet, vent til display viser en strips med dråpe. Stikk stripsen i dråpen, ta ut når displayet viser et timeglass. Resultatet oppgis i mm (= mmol/l) glukose. Dersom konsentrasjonen av glukose er for høy vil feilmelding Hi vises i displayet. Ved feilmelding Hi betyr det at konsentrasjonen er høyere enn 33 mmol/l. Det betyr at vi trygt kan fortynne 1:9 før vi foretar en ny måling. 6. Vask av utstyr: sukkerløsninger, celluloserester og enzymløsning kan helles ut i vasken. Pass på så magnetene ikke forsvinner ned i sluket. Glassutstyret vaskes. Laboratorieprotokollen er utarbeidet av: Martin Lersch, Forsker og gruppeleder Borregaard 9

10 Kopieringsmal Forarbeid 3. Labvettregler 1. Laboratorieprotokoller skal leses grundig og følges helt nøyaktig, og arbeidet skal utføres med forsiktighet. 2. Vernebriller og labfrakk skal brukes under alle forsøk. 3. Ved koking i reagensrør skal åpningen vendes bort fra folk. Det kan støtkoke og gi sprut. 4. Har du fått sprut i øyet så skal øyet spyles lenge med vann. Konsulter lege. 5. Smak aldri på noe. Ikke spis eller drikk på laboratoriet selv om kjemikalier ikke er i bruk. 6. Ikke ta i kjemikalier med hendene. Hvis du rører stoffer, vaks hendene med såpe og vann. 7. Ved bruk av gassbrenner - tenn fyrstikken før du skrur på gassen. Ellers vil uforbrent gass komme ut i rommet. Slokk flammen ved å skru av gassen. 8. Pass på håret og klærne så de ikke tar fyr. 9. Ved brann slukkes alle flammer, så slukkes ilden med teppe og brannslukker. 10. Det skal være rent og ryddig på arbeidsplassen. 10

11 Vedlegg Etterarbeid 1. FASIT/lærerveiledning - Regneoppgaver til Enzymatisk nedbrytning av cellulose til glukose FASIT/lærerveiledning 1. Hvorfor er det viktig å måle mengden av sukker ved starten av forsøket? Må vite om det er noe sukker i løsningen når vi starter. Evt. små utslag her kan skyldes at sukker av og til brukes for å konservere enzymblandinger. 2. Hvor mye cellulose har vi tilsatt? Beregn nøyaktig konsentrasjon av cellulose i hydrolyseblandingen basert på oppgitt vekt av cellulose. Antar vi innveid masse = 0,95 g så gir det: 3. Regn ut antall gram glukose som er frigjort fra cellulosen i hydrolyseblandingen. Hvor mange prosent av cellulosen har blitt hydrolysert? Hva kan gjøres for at mer cellulose skal hydrolyseres? Vi antar innveid mengde cellulose er 0,95 g. Da blir totalvolum i reaksjonen 4,95 ml. Vi antar måleresultat 151 mmol/l. Mw(glukose) = 180,16 g/mol. Mengde frigitt glukose er da gitt ved: Fordi vann adderes ved hydrolyse av cellulose vil 1 g cellulose teoretisk kunne gi 1,1 g glukose ettersom Mw(glukose) = 180 og Mw(vann) = 18. Her må vi også ta hensyn til at den våte cellulosen kun har et tørrstoffinnhold på 28%. Vi har derfor fått hydrolysert: For å øke utbyttet av glukose kan man la hydrolysen gå lenger tid bruke mer enzym kjøre hydrolysen ved høyere temperatur (optimum for enzymene er faktisk 50 C) bruke bedre enzymer (det forskes veldig mye på dette) 11

12 gjøre cellulosen mer tilgjengelig for nedbrytning 4. Glukose kan fermenteres til etanol. Dersom glukosen kommer fra cellulose slik som i forsøket vil etanolen karakteriseres som 2. generasjons bioetanol. Reaksjonsligningen for fermentering av glukose til etanol er vist under: Beregn teoretisk utbytte av etanol fra glukose i en fermentering (tenk slik: hvor mange gram etanol kan vi få fra ett gram glukose?). Vi bruker her Mw(glukose) = 180,16 og Mw(etanol) = 46,07 1 mol glukose = 180,16 g 2 mol etanol = 92,14 g Utbyttet er da: Eller sagt på en annen måte: 1 gram glukose gir maksimalt 0,511 g etanol. 5. Om vi antar at 95 % av sukkeret kan omdannes til etanol i en fermentering, hvor mange gram etanol ville vi kunne produsert fra det frigjorte sukkeret i forsøket? Ved å bruke tall fra de foregående utregningene ville vi da få frigjort: 6. Vi skal nå prøve å regne ut hva det vil koste å produsere etanol basert på hydrolyseforsøket vi har gjort. Til dette trenger vi følgende tall: pris cellulose = ca NOK/tonn (NB: Denne prisen er for tørr cellulose!) pris enzymblanding = ca NOK/m3 tetthet etanol = 0,789 kg/l Om vi antar at 95 % av sukkeret omdannes til etanol i fermenteringen. Hva blir da råvarekostnaden for å produseres en liter etanol? Fra oppgave 3 vet vi at 0,95 kg cellulose gir 0,1346 kg glukose. Med et fermenteringsutbytte på 95 % svarer dette til: 12

13 (0,511 er teoretisk utbytte i fermentering, 0,95 er korreksjon fordi vi antar 95 % av teoretisk utbytte og 0,789 er tettheten til etanol) I forsøket over doserte vi 4 ml enzym på 1 g våt cellulose. Dette tilsvarer 4 L enzym pr. kg våt cellulose. Her må vi tan hensyn til at celluloseprisen er oppgitt for tørr cellulose. Vi må også regne om prisen til NOK/kg og NOK/L. Prisen for den produserte etanolen blir da: Det er flere grunner til at dette tallet blir veldig høyt: for det først har vi kun hydrolysert en liten andel av hydrolysen (i oppgave 3 regnet vi ut at ca. 5 % ble hydrolysert) for det andre har vi brukt enormt mye enzym for å få en passe målbar mengde i løpet av 1,5 timer (dette diskuteres for øvrig videre i oppgave 8) 7. For et mer realistisk overslag over hva etanolen vil koste kan vi anta at vi greier å hydrolysere 90 % av cellulosen til glukose. Hva blir etanolprisen da? Da får vi at 1 kg cellulose gir: Forklaring til faktorene: 0,28 for å ta hensyn til tørrstoffet 0,90 fordi vi antar at vi kan hydrolysere 90 % av cellulosen 1,1 fordi 1 kg cellulose teoretisk svarer til 1,1 kg glukose Dette svarer til: Og vi får da følgende literprise for etanolen: 8. Hva tror du kan gjøres for å senke kostnadene ved bruk av enzymatisk hydrolyse for produksjon av 2. generasjons bioetanol? Bruke mindre enzym. I mange forsøk bruker vi 1/20 av enzymmengden som ble brukt i dette forsøket. Og i et tenkt fullskala produksjonsanlegg må mengden enzym enda lenger ned for å få kostnaden ned mot 3-4 NOK/L. 13

14 Gjøre hydrolysen ved høyere tørrstoffkonsentrasjon enn 5 % cellulose. På den måten får man mindre reaktorer/tanker (= billigere å bygge) og ikke minst mindre vann som må fjernes etter fermenteringen når etanolen skal destilleres. Det å separere vann fra etanol (enten ved fordampning, ved bruk av zeolitter/molekylsikt eller ved membranfiltrering) er svært energikrevende. Få tak i billigere cellulose. Borregaard produserer i dag en veldig ren cellulose med helt spesielle kjemiske egenskaper, og som råstoff vil slik cellulose være for dyrt om man ønsker å lage etanol. Dessuten bruker Borregaard gran som råstoff for produksjonen i Sarpsborg. For billigst mulig produksjon av etanol vil det kanskje heller lønne seg å bruke landbruksavfall som for eksempel halm eller strå. En annen ting som vi så vidt har vært innom er at vi slå langt bare har utnyttet cellulosen i biomassen. I virkeligheten utgjør cellulose bare ca. 40 % av biomassen. Det å for eksempel kunne omdanne pentosene i hemicellulosen til etanol vil også bidra vesentlig til å få ned kostnadene. Oppgavene er utarbeidet av: Martin Lersch, Forsker og gruppeleder Borregaard 14

15 Kopieringsmal Etterarbeid 2. Mal for rapportskriving Mal for rapportskriving Overskrift, skole, navn, gruppe, dato 1 Hensikt Oppgavens hensikt skal beskrives kort og konsist. 2 Teori Gjør rede for den teoretiske bakgrunnen. 3 Materialer og metoder Beskriv reagenser, utstyr og fremgangsmåten. 4 Resultater Beskriv resultater og svar på spørsmål i oppgaven. 5 Diskusjon Resultatene diskuteres. De viktigste feilkildene skal nevnes. Ta med eventuelle forslag til forbedringer av metoder. Resultatene kan også sammenliknes med publiserte resultater fra liknende forsøk. 6 Konklusjon Konklusjon på oppgaven som ser tilbake på oppgavens ordlyd og hensikt. Hva har vi lært? Var forsøket vellykket? Vedlegg Dersom det er observasjoner eller beregninger som er for omfattende til å ta med i resultatdelen skal disse legges ved som vedlegg. Litteraturreferanser Referanselisten skal angi all litteratur som er benyttet i forbindelse med gjennomføring av forsøket og rapportskrivingen. 15