1
De gode og
de onde alger
2
Indholdsfortegnelse
Indledning……………………………………………………………………………………………………………………………………….... s.
Chlorophyceae – grønalger………………………………………………………………………………………………………………… s.
Opbygning – morfologisk og cytologisk…………………………………………………………………………..s.
Levesteder og formering…………………………………………………………………………………………… s. 5
Ulva lactuca………………………………………………………………………………………………………………. s. 6
Algers egenskaber og deres betydning for mennesker og natur…………………………………………………….. s. 7
De onde alger…………………………………………………………………………………………………………….. s. 7
Cyanogiftstoffer – blågrønne alger………………………………………………………………… s. 8
Konsekvenser af de giftige alger……………………………………………………………………. s. 8
De gode alger…………………………………………………………………………………………………………….. s. 9
Alger i hverdagen………………………………………………………………………………………….. s. 9
Alger optager CO
2
………………………………………………………………………………………….. s. 9
Biobrændstoffer……………………………………………………………………………………………………………………………. s. 11
Ethanol…………………………………………………………………………………………………………………… s. 12
Fordele ved biobrændstoffer………………………………………………………………………………… s. 13
Forsøg – udvinde ethanol fra søsalat…………………………………………………………………………………………….. s. 13
Før forsøget…………………………………………………………………………………………………………... s. 14
Forsøget forløb sådan……………………………………………………………………………………………. s. 14
Resultater………………………………………………………………………………………………………………. s. 16
Efterbehandling……………………………………………………………………………………………………… s. 16
Diskussion/konklusion……………………………………………………………………………………………. s. 19
Fremtiden med 2. Generations biomasse………………………………………………………………………………………. s. 20
Konklusion…………………………………………………………………………………………………………………………………….. s. 22
Summary ………………………………………………………………………………………………………………………………………. s. 23
Litteraturliste ………………………………………………………………………………………………………………………………… s. 24
Bilag A – øvelses vejledning 2. del………………………………………………………………………………………………….. s. 28
s. 3
s. 4
s. 4
Varde Gymnasium og Hf-kursus 3
Indledning
Det slår næsten aldrig fejl - når sommeren endelig er lun og lækker fyldes tv og aviser med advarsler om
badeforbud på grund af giftige alger, stinkende strande, iltsvind og fiskedød. Og det er netop sådan mange
tænker om algerne. Men det er langt fra alle alger som er til skade for os – for der findes både ”gode” og
”onde” alger. I opgaven vil jeg gøre rede for de karakteristiske træk i alge familien Chlorophyceae, som på
dansk kaldes grønalger. Jeg vil fokusere på en bestemt art inden for grønalge familien, nemlig Ulva lactuca
som jeg senere i opgaven skal bruge. Kildehenvisningen i teksten sker på følgende vis: [nummer på
litteratur]
Inspirationen til opgaven kom efter en dokumentar på dr2, ”Viden om – Alger, fremtidens redning”, som
beskrev algerne som en mulig erstatning til de fossile brændstoffer. Dette fandt jeg spændende da der er
enorme mængder biomasse i de marine områder, og dermed mulighed for bioenergi. Jeg kontaktede
Michael Bo Rasmussen som var en dem der stod bag udsendelsen. Han sendte en forklaring på en
øvelsesvejledning, samt 20 g tørret Ulva lactuca, sådan at jeg selv kunne foretage et forsøg. Herefter vil jeg
bestemme den mulige mængde bioethanol der fremstilles, ud fra en titrering. Det eksperimentelle arbejde i
dette projekt er udført på Varde Gymnasium.
Der kommer hele tiden mere fokus på biobrændstoffer, eftersom de fossile brændstoffer inden længe vil
være brugt. Verden er afhængig af energi, og man er derfor nødsaget til at finde nye alternativer. Derfor vil
jeg til sidst vurdere om det er muligt at opnå en større bioethanol produktion, som ikke er baseret på
fødevare. Her vil jeg inddrage den vedlagte artikel: ”Fra halm til alkohol” fra Aktuel naturvidenskab nr. 3,
2005. Denne artikel er vedlagt som bilag, sammen med den udleverede problemformulering lige efter
forsiden. Jeg vil vurdere hvordan processen kan effektiviseres, bl.a. ved at finde nye enzymer som bedre
kan katalysere biomassen.
Varde Gymnasium og Hf-kursus 4
Chlorophyceae – grønalger
Grønalgerne er den algeklasse som omfatter langt de fleste arter, nemlig helt op til 10.000 som er fordelt
på ca. 450 slægter. De deles op i følgende klasser: Prasinophyceae, Ulvophyceae, Trebouxiophyceae,
Chlorophyceae og Charophyceae, hvor vi senere skal beskæftige os med en art indenfor Ulvophyceae. Det
der karakterisere grønalgerne er at de er eukaryote, har kloroplast, flageller (hos nogle af grønalgerne er
det kun gameterne der har flageller), dobbelt cellevæg og den grønne farve som skyldtes klorofyl a og b.
Opbygning - morfologisk og cytologisk
De alger vi kan se med det blotte øje kalder vi for makro alger. Det er f.eks. Ulva lactuca (søsalat), mens de
alger der kræver mikroskop kaldes mikroskopiske alger, f.eks. Draparnalida (billede..). Grupperne findes i
mange morfologiske typer; både encellede, flercellede, flagellater, kolonier, coccoide former m.m. Hvis en
alge er coccoide formet betyder det at den er kuglelignende i dens
form, og opbygget af celler uden svingtråde. Svingtråene er de der
gør det muligt for algen at flytte sig i vandet, og de alger der
besidder disse kaldes flagellater. Hvis cellerne ikke har svingtråde
af den ene eller anden art, betyder det altså at de ikke kan bevæge
sig ved egen hjælp, men bliver ført af strømningerne i vandet. En
del grønalger er tråd formede og består kun af en enkelt række celler, der er opstået ved gentagende
celledelinger i en retning. Hvis der er sket celledelinger i flere retninger siger man at den har forgrenet sig.
På billede 1 ses en sådan forgrening hos grønalgen Draparnalida. Man ser tydeligt forgreningerne og at de
består af kun en enkelt række celler ved siden af hinanden. En grønalge kan også have siphonale form,
hvilket betyder at den består af mange kerner uden en egentlig tværvæg. Endelig findes der sværmere som
har 2-4 lange svingtråde som udspringer for enden af cellen. Hvis svingtrående er lige lange og glatte kaldes
den isokont, men hvis svingtrående er ulige, den ene glat og den anden med fimmer hår, kaldes den
heterokont. [22]
Cytologisk set er grønalgerne dog meget ens da de som nævnt i starten alle er eucaryoter. Eucaryote celler
adskiller sig fra de procaryote celler, ved at DNA ligger i en cellekerne omgivet af en dobbeltmembran, og
er altså afskåret fra det øvrige cytoplasma. Hos nogle arter, bl.a. siphonale, findes flerkernede celler.
Grønkornenes form varierer fra slægt til slægt, og kan ligne alt fra stjerner, plader, komplicerede net, skiver
osv. I den eucaryote celle findes også strukturer som mitochondrier - der betegnes som cellens kraftværk,
endoplasmatisk reticulum (ER) – som er et system af kæder i cytoplasmaet som blandt andet er lagerplads
Billede 1 – Draparnalida, forgreninger [19]
Varde Gymnasium og Hf-kursus 5
for fedtsyre og fosforlipider. Golgieapparatet som også findes i cellen er bl.a. involveret i transport af
proteiner ud af cellen [22].
Grønalgerne er opbygget af en dobbelt cellevæg, bestående af et slimet yderlag af opløselige pektin stoffer
og et fast inderlag af uopløselig cellulose. Både pektin og cellulose er kulhydrater. Det tydeligste kendetegn
for grønalgerne er deres grønne farve. Den skyldes klorofylindholdet i grønkornene. Alle alger indeholder
klorofyl a, men grønalger adskiller sig her fra andre arter, da de også indeholder klorofyl b. I den kemiske
opbygning er der kun den forskel at der i klorofyl a er en methylgruppe, medens der i b er en
aldehydgruppe. En anden forskel er, at klorofyl b absorbere andre bølgelængder end klorofyl a. De bruger
al klorofylet til at fikserer sollyset med til deres fotosyntese. Da grønalgerne hverken har stængel, rod eller
blade til hjælp når de skal skaffe sig energi, er de derfor helt afhængige af sollys samt kuldioxid for at der i
grønkornene kan ske fotosyntese. Ved fotosyntesen får algerne vigtige ATP molekyler som bruges til
energikrævende processer. Desuden omdannes og oplagres det dannede glukose som stivelse. Stivelse
oplagres som et reservestof i kloroplastret, hvorimod mange andre alge arter oplagre i cytoplasmaet. Man
siger at algerne er fotoautotrofe, da de udnytter sollyset til at omdanne organisk stof til uorganisk stof. Da
grønalgerne som sagt er afhængige af sollyset er de oftest at finde i de øvre lag og bundformerne findes
kun ud til en vis dybde. Den varierer af hvor klart vandet er [22].
Levesteder og formering
Langt de fleste grønalge-arter lever i ferskvand hvor vi ser dem sidde på fast underlag (sten eller muslinger),
løst liggende eller som frit flydende plankton. Plankton alger er de mikroskopiske encellede alger der i
sommerperioden er med til at gøre vandet i nogle søer og have grumset. For det er netop om sommeren at
grønalgerne er mest talrige, da langt de fleste er varmeelskende og der i denne periode er mange
næringssalte og altså gode vækst betingelser. Når grønalgerne i foråret langsomt begynder at formere sig,
sker det på forskellige måder. Grønalgerne kan nemlig både formere sig ukønnet og kønnet, i modsætning
til de blågrønne alger som kun kan lave ukønnet formering. Ved nogen grønalge arter kaldes deres vækst
diffus, da den er tilfældig. En ukønnet formering kan ske på følgende 3 måder; ved celledeling, ved
fragmentering eller ved dannelse af ubevægelige sporer. Sporerne dannes i hver celle og en enkelt celle kan
rumme op til flere hundrede. Sporerne lægges i vandet og nye alger vokser heraf. Kønnet formering sker i
form af isogami som er sammenfletning af to morfologiske og størrelsesmæssige ens kønsceller, eller ved
anisogami som er sammenfletning af to ulige kønsceller, hvor den mindste kaldes hannen og den største
hunnen [22].
Varde Gymnasium og Hf-kursus 6
Når vi snakker næringssalte i forbindelse med alger er det hovedsageligt kvælstof og fosfor, da disse er
væsentlige i opbygningen af henholdsvis proteiner, nukleinsyre og ATP. Men de behøver også mange andre
makro- og micro næringsstoffer i mere eller mindre grad [14]. Grønalgerne, såvel i havet som i ferskvand,
trives bedst i middel- eller svagt eutrofierede biotoper, som f.eks. kan være forurenet med spildevand fra
husholdning, eller landmandens afgrøder. I havet er grønalgerne oftest at finde i havne eller anden steds
hvor der udledes spildevand [22]. Kravene til alger der lever i havet er ofte større end alger i søer og åer.
Her skal de bl.a. kunne klare varierende salt koncentrationer idet de både udsættes for regn- og saltvand,
uregelmæssige vanddækninger i form af bølgesprøjt og bølgeslag. Algerne skal i deres opbygning være
meget fleksible og stærke så de ikke sønderrives af de kraftige bølgeslag, og løsrives fra deres vokseplads
[21].
Ulva lactuca
Ulva lactuca er det latinske og officielle navn for søsalat, som hører ind under grønalger. Søsalat er en af de
mest almindelige og udbredte makroalger her i Danmark. Navnet søsalat er blevet tildelt den, da den
strukturmæssigt minder om salat (se billede 2), og efter som den lever i vand blev det til søsalat. Egentlig
burde den hedde havsalat, da det er her den lever og ikke i søer. Som man
kan se på billede 2 har Ulva lactuca den karakteristiske grønne farve som
kendetegner grønalgerne. Cytologisk består den af en dobbelt
cellemembran, hvor det yderste slimede pektin lag tydeligt ses på billedet.
Søsalat lever som sagt i det marine miljø, hvor de gror på sten eller
muslinger lige under vandlinjen nær kyster. De kan blive op til 20-30 cm og
er kun ca. 40 mikrometer tykke. Denne slægt formere sig ved at producere
zoosporer, der frigiver store mængder af biflagellater. Hannerne (de mindste) og hunnerne (de største), vil
gå sammen og blive til en firflagellat. Disse vil efter en kort periode hvor de bevæger sig rundt, fæstne sig til
havbunden. Herefter begynder de kerne og celle deling, sådan at de kan udvikle sig til en færdig plante.
Celle deling sker først i den samme retning og senere i to forskellige. Dette resulterer i den karakteristiske
opbygning, med en membran bestående af to lag af celler [2]. Den trives godt i middel forurenede områder,
og visse steder bruges den som en indikator på at et område er forurenet.
Mange bruger søsalat i deres mad, da den er meget rig på kulhydrater (pektin og cellulose) og andre
næringsstoffer. Faktisk består tørret søsalat af 60 % kulhydrater, hvilket jeg vil udnytte senere. Men ikke
alle alger er anvendelige for os mennesker og naturen.
Billede 2 – Ulva lactuca (søsalat) [19]
Varde Gymnasium og Hf-kursus 7
Algers egenskaber og deres betydning for mennesker og natur
Når man nævner ordet alger, rynker mange mennesker på næsen. Billeder og historier om iltsvind,
fiskedød, stinkende strande, forgiftninger, ødelagt bade- og drikke vand sætter sig godt fast på nethinden.
Men ud af de kolossal mange arter der findes er det kun en lille brøkdel som er giftige. De vigtigste
algegrupper der danner giftstof (toksiner) er de blågrønne alger som både findes i marine og ferskvands
områder. Furealger og kiselalger er indtil videre kun observeret i ferskvand.
De onde alger
Giftstoffer som er skadelige for mennesker kaldes humantoksiske. Symptomerne på algeforgiftning kan
strække sig fra hudirritation, allergilignende reaktioner, ildebefindende over maveproblemer til alvorlige
forgiftninger som kan gøre skade på de indre organer. Symptomernes alvor afhænger af hvor stor en dosis
man har været udsat for, og selvfølgelig hvilken art da det ikke er den samme gift de producerer. Pga. deres
skadelige effekt på mennesker, er forskningen omkring dem af stor interesse. For selv i dag kendes der ikke
en egentlig modgift eller vaccine mod alge forgiftninger [16]. Det skyldtes blandet andet at de giftige alger
ikke altid er giftige når man undersøger dem i laboratoriet. Små ændringer i vækstkårene er afgørende for
hvor giftige algerne er, hvilket betyder at en alge art kan være giftig i det ene område, men ikke i et andet
[5]. En anden af årsagerne er blandt andet at man mangler metoder, der er gode nok til at analysere
giftstofferne som algerne producere. For at udvikle en sådan
metode skal de kemiske strukturer af stofferne være kendt, og det
kan tage mange år bare at kortlægge et enkelt stof. Giftstofferne
tilhører forskellige kemiske grupper, og de kan være alt lige fra
forholdsvis simple til store komplekse molekyler. Det mest kendte
giftstof er saxitoxin (se figur 3), som også er den hidtil mest giftige
forbindelse. Den er så giftig/farlig at selv militæret har været
interesseret i den som kemisk våben. Saxitoxin er en nervegift, og
er en af de livstruende gifte som alger kan producere. Den påvirker nervesystemet ved at hindre overførsel
af impulser mellem muskel- og nerve celler, således at man bliver lammet. Nervegiften får man som regel
igennem muslinger og betegnes derfor nervetoksisk muslingeforgiftning, NSP. Men også andre
muslingeforgiftninger forårsager påvirkninger i hjernen, og en af disse kaldes paralytisk muslingeforgiftning
eller PSP, og er den kraftigst virkende forgiftningstype. Andre algegifte hæmmer specifikke enzymer i
cellerne, og der medfører at de glatte muskler trækker sig sammen i længere tid. De glatte muskler er de
muskler som findes omkring tarmene, mavesækken m.m. Disse gifte nedbryder samtidig vigtige celler i
tarm og lever, og kaldes derfor levergift. [16]
Figur 3 – Saxitoxin [26]
Varde Gymnasium og Hf-kursus 8
Cyanogiftstoffer – blågrønne alger
Et af de mest kendte giftstoffer er cyanogifte, som er en fællesbetegnelse for de gifte som de blågrønne
alger producerer. De har over hele verden været skyld i mange forgiftninger, som ofte ses i forbindelse med
badning og når søvand anvendes til drikkevand. Der er også set mange eksempler på hunde, kvæg og får
som er blevet syge, efter at havde drukket vand med høje koncentrationer af cyanogiftstoffer. Der er endda
set tilfælde af aborter hos kvæg som skyldes giften. De bedst undersøgt af cyanogiftstoffer er lever- og
nerve gifte, men det menes at blågrønne alger også producere andre former. Inden for de senere år har det
vist sig at algeforgiftninger kan give langvarige kroniske effekter. Hvis man gentagende gange indtager små
doser cyanogiftstoffer, vil leveren tage kraftigt skade og nedsætter immunforsvaret. Cyanogiftstofferne er
også meget kræftfremkaldende, hvilket vil sige de sætter gang i væksten af de kræftceller som allerede
findes i kroppen. Dette er ikke et væsentligt problem her i Danmark, da vi får vores drikkevand fra
grundvandet og sjældent bader med munden åben flere gange i en sø/hav med blågrønne alger. Men det
er til gengæld et væsentligt problem i de asiatiske lande, hvor ferskvand udnyttes som drikkevand uden
videre rensning. Her ses også et højt antal af leverkræft patienter, i forhold til i de områder som får drikke
vand fra grundvandet. [16]
Konsekvenser af de giftige alger
En af de hyppigste årsager til algeforgiftninger i havet er muslinger og fisk. Muslingerne filtrer meget vand
hver eneste dag, og hvis der er giftige alger i vandet, ophobes giften i skaldyrene. De kan altså ende med at
indeholde høje giftkoncentrationer, som kan forgifte de personer der spiser dem. Hvis mennesker spiser
disse giver det dårlig mave, og de betegnes derfor som diarrémuslingeforgiftning eller DSP. I Danmark
kender man kun til problemet fra blåmuslinger, men det er sjældent de forekommer. I Sverige og Norge
indstilles muslingfiskeriet ofte pga. for høje PSP og DSP koncentrationer i blåmuslinger [5]. Giftstofferne
ophobes gennem fødekæden, og på den måde stiger koncentrationen hele tiden. Når fisk eller andre dyr
spiser muslingerne ophobes algegiften i dem, og når de spises af en anden prædator forbliver giften i deres
kroppe. Forgiftede muslinger og fisk har verden rundt ført til kæmpe økonomiske tab for fiskere,
fiskeindustrien og havbrugsejere. [16] De fisketoksiske giftstoffer er i forhold til de humantoksiske meget
dårligt efterforsket. Man mener dog at de fleste fisketoksiske gifte, virker ved at hæmme fiskenes
iltoptagelse. Nogle arter går ind og sprænger de røde blodlegemer, så fiskene ikke kan optage ilt. Store alge
forekomster og opblomstringer har ofte stor økonomisk betydning for de mennesker der lever af turisme.
Stinkende strande og ødelagt badevand trækker ikke just turister til. En sådan episode var den
skumdannende stilkalge Phaeocystis skyld i langs den jyske vestkyst. Algen farver vandet brunt og danner
store mængder ildelugtende skum der holder strandgæster væk [5].
Varde Gymnasium og Hf-kursus 9
De gode alger
Ikke alle alger er ildelugtende farlige slyngler, der findes faktisk også gode alger. Vore marine og ferskvands
områder ville se helt anderledes ud hvis der ikke var alger tilstede. Alger er nemlig vigtig føde for mange af
havets skabninger, da de indeholder mange næringsstoffer. De indeholder blandet andet fedtsyrer som
omega 3, som mange dyr ikke kan producere selv. Algerne, eller nærmere planktonalgerne, spises altså af
zooplankton som f.eks. dafnier og vandlopper som selv spises af fisk. Så uden plankton, ingen fisk og uden
fisk ville der ikke være mad til os og andre større prædatorer. Planktonalgerne er altså med til at danne
grundlag for hele havets fødesystem. Mange forsøg har vist at jo ældre planktonalgen er, jo mindre
nærende. Med hensyn til næringsgrad spiller arten selvfølgelig også ind, da de er vidt forskellige i størrelse,
form og kemisk sammensætning [3].
Alger i hverdagen
På trods af det store artsantal er anvendelsen af alger meget beskeden. Men udviklingen går stærkt, og der
opdages hele tiden nye potentialer i algerne. I dag fungerer nogle arter som vigtige forsøgsorganismer
inden for biologisk forskning. Her er der bl.a. tale om de encellede Chlorella og Scenedesmus som anvendes
i udforskningen af fotosyntese-processer. Andre arter bidrager til forskning i kønnet formering osv. [22]
Men meget få mennesker er klar over at alger allerede i dag anvendes i utrolig mange daglige ting. De
findes f.eks. som et tilsætningsstof i vores fødevare, hvor man ved at lave et udtræk af algerne, kan bruge
det i f.eks. mælkeprodukter, frugtjuice, kager, ketchup og mange andre fødevare. Alger er som sagt meget
rige på næringsstoffer og indeholder sunde fedtsyrer, så man skal ikke være bange for at komme alger i
gryden. Kinesere og japanere har brugt alger igennem flere århundrede til deres mad, her tænker jeg
specielt på sushi. Pga. den høje ernæringsværdi som algerne har, benytter også landmænd dem som
gødning på deres marker og som kosttilskud til deres dyr. Selv i kosmetikindustrien har algerne også gjort
sit indtog, da produkter som læbestift, visse skønhedscremer/masker, barberskum, tandpasta osv.
indeholder former for alger [8].
Alger optager CO
2
Den globale opvarmning er i disse år på alles læber, og forskere over hele verden forsøger at finde en
afløser for de fossile brændstoffer, som hver dag leder millioner tons CO
2
ud i atmosfæren. Forskere mener
nu at man kan bruge algerne i denne sammenhæng – på mere end en måde. Algerne laver som før nævnt
fotosyntese i deres grønkorn, for at producere energi til videre vækst. Reaktionen for fotosyntesen ser ud
som følgende:
Varde Gymnasium og Hf-kursus 10
6
2
+ 6
2
6
12
6
+ 6
2
+
Som man kan se bruger de CO
2
, og omdanner det til glukose og ilt. Det bliver altså bygget ind i algecellerne
sammen med glukose. Kun den del der omsættes i respirationsprocessen frigives igen, resten er bundet i
algerne. Ideen er nu at dyrke store algeparker midt på havet, hvor det ikke genere nogen, så de på den
måde kan optage en del af vores CO
2
. [25]
En anden ide bygger på at skabe et lukket C – kredsløb, baseret på alger. Hvis man ud fra alger kan lave
biobrændsel, vil den CO
2
der udledes ved forbrænding, igen blive optaget i algerne via fotosyntesen, og det
hele kører i ring. Der er en ligevægt mellem CO
2
i luften og det der findes i havet. Ligevægten ser sådan her
ud:
CO
2
(aq) + H
2
O(l) H
2
CO
3
(aq) HCO
3
-
(aq) + H
3
O
+
(aq)
Som det ses i reaktionsskemaet dannes der kulsyre i vandet og en del af kulsyren omdannes til
bikarbonationer og oxoniumioner. Ligevægten medfører at når koncentrationen af kuldioxid i luften stiger
vil koncentrationen af kulsyre, bikarbonationer og oxoniumioner i vandet stige. På den måde vil en øget
algevækst, som der vil være tale om hvis det bliver aktuelt at høste alger til bioethanol, være med til at
bruge af den ekstra kuldioxid der er i luften, og som er medskyldig i den globale opvarmning. Når
bioethanolen afbrændes vil kuldioxiden igen slippe ud i atmosfæren. [24]
Forskere undersøger i øjeblikket mange forskellige typer alger, for at finde de arter der gror hurtigst og
binder mest CO
2
. [7] I Danmark har vi et godt og realistisk bud på dette – nemlig Søsalat. Men forskningen
befinder sig stadig på et tidlige stadie, så der er mange ting man endnu skal have overvejet. F.eks. om det
vil give bagslag når algerne dør, og skal nedbrydes af bakterier på bunden, da dette kræver meget ilt og
kunne forsage iltsvind. Eller om man kan udnytte den mængde CO
2
fra kraftværkerne direkte eller om den
først skal renses. Hvis det lykkedes at producere nok bioethanol ud fra søsalat, og høst – og dyrknings
metoder bliver forbedret, kan alger få en stor betydning for os i fremtiden. Men allerede i dag har alger en
stor betydning for faunaen i de marine områder. De er som før nævnt det første og vigtigste led i
fødekæden, og uden dem i vandmiljøet ville variationen og antal af andre arter være meget beskeden. Men
hvis algerne til gengæld producere gift kan det få fatale konsekvenser for både dyrelivet og vores helbred.
Oftest skyldes muslinge- og fiske forgiftning ofte de giftige alger, som bliver opkoncentreret i dyrene. I
Danmark fører myndighederne kontrol med de muslinger der bliver fanget, så ingen giftige kommer ud til
forbrugerne. Man kan altså slutte at det helt afhænger af algearten, om den er anvendelig eller ej. For lige
Varde Gymnasium og Hf-kursus 11
så farlige og generende, som de giftige alger kan være, lige så nødvendige er de ikke-giftige alger for hele
havets fødekæde og det daglige liv.
Biobrændstoffer
De stigende energipriser har forøget interessen for biobrændstoffer markant, og hermed
biomasseressourcer. Biobrændstoffer fremstilles ud fra biomasse, som defineres ved at være den totale
mængde organisk stof der dannes ved fotosyntese pr. arealenhed pr. år. [4]. Så for at få den største og
mest effektive produktion af biobrændstoffer, må man finde et materiale som indeholder store mængder
biomasse. I dag anvendes der over hele verden blandt andet majs, korn, sukkeroer, halm, træ mm. til
produktionen. Hovedparten af disse er fødevarer som dyrkes på landbrugsarealer og går ind under
betegnelsen 1. generation. Men landbrugsjord er en begrænsende faktor, da markerne også skal bruges til
fødevare til mennesker og dyr. Derfor forskes der meget i den såkaldte 2. generation, som dækker over
biomasse fra skov, restprodukter fra landbruget og nu også det marine miljø. En af de ting der produceres
ud fra biomassen ethanol, som blandt andet kan bruges i benzin og muligvis på lang sigt være en erstatning
for denne. Det er denne form for biobrændsel som opgaven her vil fokusere på [12].
Biomassen består hovedsageligt af en masse kulhydrater i form af stivelse og cellulose, som igennem en
række kemiske processer omdannes til ethanol. Kulhydrater kaldes også for carbohydrater, da det er
organiske materiale og indeholder carbon atomer. Det er for langt de fleste levende organismer, den
vigtigste energikilde som før nævnt, dannes i planternes fotosyntese. Planterne
oplagrer kulhydraterne i form af stivelse, og cellulose som de bruger til at opbygge
cellevægge, der afstiver planten. Kulhydrater opdeles sædvanligvis i mono-, di- og
polysakarider som fortæller noget om et stofs opbygning. Kulhydrater er
karakteriseret ved at alle C-atomerne sidder i en ugrenet kæde, på nær
monosakkariderne hvor der er en vinkel på 110° mellem alle bindingerne i carbon
kæden, således at de to ender kommer til at ligge tæt på hinanden og der opstår en
kemisk binding. Et andet karakteristika for kulhydrater er, at der på hvert C-atom sidder en alkohol gruppe
(OH-gruppe). På figur 4 ses ringslutningen af et glukose molekyle samt alkohol grupperne. Glukose er et
monosakkeraid og det vigtigste i levende organismer, da det er det centrale kulhydrat i energistofskiftet.
Det er en hexose og en aldose, hvilket vil sige at den har 6 C-atomer og dens dobbeltbinding til O sidder på
1. C-atom. Udover glukose kan fruktose, galaktose og ribose nævnes som vigtige monosakkarider, da
næsten alle di- og polysakkarider er opbygget heraf. Stivelse som er et polysakkarid består f.eks. af to slags
molekyler, amylose og amylopektin, som hver består af mange tusinde glukose molekyler som er
sammenkoblet under vandfraspaltning. Cellulose består af næsten 10.000 glukose molekyler, og er langt
Figur 4 – glukose molekyle
Varde Gymnasium og Hf-kursus 12
sværer at nedbryde end stivelse. De to stoffer adskiller
sig fra hinanden ved, at glykosid bindingerne i cellulose
ligger skiftevis oppe og nede, så kæden er et langt
udstrakt molekyle. Figur 5 viser et stykke af et cellulose
molekyle, hvor de røde pile viser at bindingerne skiftevis
ligger over og under cellulosekæden. Imellem bindingerne
dannes der hydrogenbindinger, og disse danner et stærkt netværk der gør at cellulose bliver svært at
nedbryde. Stivelses glykosid bindinger ligger der imod alle sammen nede, hvilket gør den let at nedbryde
[13]. Både stivelse og cellulose indeholder glukose molekyler, og det er netop disse man skal bruge for at
producere bioethanol. Da cellulose er svært at nedbyde, skal der anvendes de helt rigtige enzymer til
ethanol processen for at få det ønskede resultat. Både stivelse og cellulose er meget væsentlige når der skal
findes nye biomasseressourcer.
Ethanol
Ethanol (CH
3
CH
2
OH) er et meget simpelt alkohol, og kemisk set er det det samme om det kommer fra korn,
sukker eller anden biomasse. Ethanol også for alkohol eller sprit. Det er en flydende gennemsigtig væske,
som består af en række C-atomer hvor en alkohol gruppe (-OH/hydroxygruppe) er bundet til det ene. [7]
Det kaldes et primære alkohol, idet OH-gruppen er bundet til et endestillet C-atom og det indeholder
atomgruppen CH
2
OH. Der findes også sekundære og tertiære alkoholer, hvor C-atomet sidder inde i en
kæde og de indeholder henholdsvis CHOH og COH grupper [20]. Ethanol er et meget vigtigt råstof indenfor
kemisk industri, da det anvendes som opløsningsmiddel i diverse ting fx maling, som rusmiddel og i dag
også brændstof. Det kan fremstilles på forskellige måder, men den væsentligste for denne opgave er
gæring. I en gæring omdannes glukose til ethanol og carbondioxid, ved hjælp af en række enzymer som
gærsvampe producere. Reaktionsskemaet for gæringen er:
6
12
6
æ
2
2
5
+ 2
2
Ved en gæring kan man højest fremstille en 15 % ethanolopløsning – hvis den blev højere ville ethanolen
dræbe gærcellerne. Processen foregår under anaerobe forhold idet, der sættes en vandlås på så der ikke
kan komme ilt ned. Hvis man ønsker, som man i de fleste tilfælde gør, at få en højere koncentration end de
15 %, kan man ved en destillation opkoncentrere ethanolen således at man opnår en koncentration
omkring 99 % - altså ren ethanol. Ved en destillation kan man adskille stoffer fra hinanden, i dette tilfælde
vand og ethanol, da disse har forskellige kogepunkter (en destillations opstilling kan ses på figur 7 under
forsøgs beskrivelsen). Ethanol har et kogepunkt på omkring de 78 °C, og det forholdsvise høje kogepunkt, i
Figur 5 – Stykke af et cellulose molekyle
Varde Gymnasium og Hf-kursus 13
forhold til ethan som den er udled af (-89 °C), skyldes hydrogenbindingerne som findes mellem
molekylerne. Dette er stærke bindinger, og temperaturen skal derfor være af en vis grad før de eskalere.
Vands kogepunkt ligger på 100 °C. Det vil sige at når man koger en sådan opløsning, vil ethanol først koge
og hermed fordampe over i et tilstødende glas. Hvis temperaturen stoppes inden man når de 100 °C,
fordamper meget lidt vand og man får altså en næsten ren ethanol opløsning. Ved at føre gasblandingen
over i et andet glas som står i isvand, fortættes gassen og ethanol kommer igen på væske form. [17] På
denne måde kan ethanol fremstilles, og herefter anvendes som biobrændsel.
Fordele ved biobrændstoffer
Ved at omdanne biomasse til biobrændsel forventes en række positive virkninger. Brugen af de fossile
brændstoffer som er skyld i store CO
2
udslip hver dag kan nedsættes, og samtidig øges anvendelsen af
vedvarende energi. Ved de fossile brændstoffer forstås; kul, olie og naturgas, som blev dannet for millioner
af år siden af dødt organisk materiale. Med den vedvarende energi er forbundet en større
forsyningssikkerhed, i og med der hele tiden bliver produceret ny biomasse, mens de fossile brændstoffer
snart vil slippe op. Ved at producerer bioethanol til biler, mindsker man også brugen af miljøskadelige
stoffer som findes i benzin, så som benzen som kan være kræftfremkaldende [4]. Ved brug af bioethanol
kan man forvente en CO
2
reduktion på mellem 30 – 60 % i forhold til almindeligt benzin og diesel. Udsvinget
er så stort, da måden hvor på bioethanolen fremstilles er afgørende. Umiddelbart skulle man tro at CO
2
besparelsen ved biobrændstoffer altid ville være stor, men her skal medregnes vigtige faktorer. For
dyrkningen og den kemiske proces hvor biomassen omdannes til ethanol kræver en del energi, og den
energi kommer i langt de fleste tilfælde fra de fossile brændstoffer, som altså medfører CO
2
udslip. Derfor
reduceres CO
2
besparelsen. [23]
Forsøg – udvinde ethanol fra søsalat
Den nyeste viden er at man anvender søsalat til biobrændstof, da det indeholder betydelige mængder
biomasse. Jeg vil derfor forsøge at udvinde ethanol fra tørret søsalat. Formålet med forsøget er at udvinde
så meget ethanol som muligt, for at se om dette kunne være en bæredygtig erstatning til produktion af
biobrændstof på fødevare, og på længere sigt de fossile brændstoffer. Da jeg samlet havde ca. 20 g tørret
søsalat, valgte jeg at foretage 2 forsøg hvor jeg varierer enzym mængden, da jeg mener dette må være en
vigtig faktor. For hvis stivelsen ikke bliver nedbrudt i cellerne, som enzymerne gør, kan der ikke dannes
ethanol.
Varde Gymnasium og Hf-kursus 14
Før forsøget
60 % af den tørrede søsalat består af kulhydrater som hovedsageligt er stivelse og cellulose fra cellerne. For
at kunne omdanne kulhydrater til ethanol, er det nødvendigt først at få nedbrudt kulhydraterne, som er
polysakkarider, til monosakkarider. Dette kan ske ved en enzymproces. Fra Novozymes bestilte vi enzymet
Termamyl SC som ofte bliver brugt til ethanol fremstilling. Men da der i øvelsesvejledningen ikke var oplyst
hvor stor mængde enzym der skulle bruges, valgte jeg at bruge henholdsvis 5 og 10 mL til forsøgene.
Termamyl SC arbejder bedst ved en temperatur på 50-60 °C og en pH på mellem 4,5 – 6,5, og derfor skulle
opløsningen ned i det interval. Opløsningerne havde en pH på ca. 7, og jeg valgte derfor at justere med
nogle få dråber H
2
SO
4
-
. Justeringen foregik vha. en pH-meter. Når kulhydraterne er blevet nedbrudt til
glukose kan man tilsætte alm. bagergær, og de vil dermed begynde at gære og danne ethanol. [28]
Hvis der bliver dannet ethanol i mit forsøg, kan jeg ved en titrering bestemme det nøjagtige indhold. Men
inden titreringen skal ethanol først omdannes til ethansyre, for ved denne reaktion reagerer ethanol med
Cr
2
O
7
2-
.
Ved titreringen finder jeg ud af hvor meget der er tilbage af dikromationen. Jeg kender forholdet
mellem ethanol og dikromationen ud fra et reaktionsskema, og da jeg præcis ved hvor meget vi tilsatte af
Cr
2
O
7
2-
, kan jeg på den måde bestemme ethanol indholdet. Når ethanol skal omdannes til ethansyre sker
det i 2 trin, man siger at ethanol oxideres. Først oxideres ethanol til stoffet ethanal, og oxideres derefter
videre til ethansyre. Reaktionen ser sådan ud:
3
2
3
3
Ved titreringen fyldes buretten med jern(II)ioner. Når disse dryppes ned i opløsningen er det Fe
2+
som
reagerer med de overskydende Cr
2
O
7
2-
ioner som ikke blev omdannet til Cr
3+
- dette er en grøn ion. Inden
titreringen er opløsningen rød/orange, hvilket skyldes indikatoren ferroin. I begyndelsen af titreringen
omdannes alle jern(II)ionerne, og opløsningen bliver mere og mere grøn da der dannes Cr
3+
. Men
efterhånden som alt Cr
2
O
7
2-
er forbrugt dannes der ikke mere Cr
3+
, og når omslagspunktet eller ækvivalents
punktet er nået, vil en enkelt dråbe jern(II)ion få opløsningen til at skifte farve til blivende rød. Den røde
farve skyldes at ferroin indeholder et stof der sammen med Fe
2+
giver en rød farve. [29]
Forsøget forløb sådan:
- Først afvejes og pulveriseres 10 g tørret søsalat og tilsættes 100 mL
vand i en 250 mL konisk kolbe. Så røres det godt rundt med en spatel.
Jo mere pulveriseret søsalaten blev, jo bedre. Da overfladearealet så
er større og det er lettere for enzymerne at ”sætte” sig. Opløsningen
Figur 6- vandbad
Varde Gymnasium og Hf-kursus 15
lugter meget af alge/sø efter opblandingen med vand og ligner en algesuppe.
- pH-værdien i opløsningen måles nu med et pH-meter og justeres med H
2
SO
4
til mellem 4,5 – 6,5.
Dette skete under grundig oprøring for at fordele syren.
- I forsøg 1 tilsættes nu 5 mL Termamyl SC enzym og 10 mL i forsøg 2, og begge forsøg placeres i et
vandbad på mellem 50-60 °C varmt vand i 2 timer (se figur 6) – i løbet af de to timer tilsættes lidt
demineraliseret vand, så opløsningen ikke udtørrer idet der ikke er låg på kolberne.
- Når de er afkølet til 25-30 °C tilsættes 2 g alm. bagegær til forsøgende og der røres rundt med en
spatel til det er opløst. Så sættes en prop med vandlås på og begge forsøg stilles til gæring i ca. 2
døgn.
- Efter de 2 døgn skulle opløsningen destilleres for at få
ethanolet fra, men da opløsningen var meget tyk pga. store
klumper alger, skulle det først sies. Jeg valgte at anvende en
almindelig si for at få de værste klumper væk. Under
siningen mistes lidt af volumen, da det ikke var muligt at
presse alt væske ud af alge klumperne.
- Så forsøgtes en destillation (figur 7), men efter kort tids
opvarmning boblede det voldsomt op så noget af
opløsningen kom over i det lille måleglas, hvor det var
meningen kun ethanol skulle være. Så tilsættes nogle
pimpsten for se om man kan forhindre det i at boble op, men det samme skete igen. Opløsningen
sugefiltreres så 2 gange for at fjerne mere alge snask. Herefter destilleres igen, men samme
resultat.
- Så tilsættes 10 dråber antiskum og endelig lykkedes det at holde skummet tilbage, så ethanolet
kunne destilleres fra. Der fyldes nu op med demineraliseret vand til stregen på målekolben
- For at bestemme ethanol procenten titreres 5 mL ethanolopløsning + 10 mL mL 0,1 M K
2
Cr
2
O
7
opløst i 4 M H
2
SO
4
. Men inden placeres dette i et vandbad på 50 °C i et kvarter for at ethanol kan
omdannes til ethan.
- Så tilsættes opløsningen ferroin-indikator og buretten nulstilles med 0,2 M (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
opløst i 1
M H
2
SO
4
, og titreringen kan starte. Volumen noteres når der sker et blivende farveskift. Der titreres
på 50 mL.
Figur 7 - Destillations opstilling
Varde Gymnasium og Hf-kursus 16
Resultater
Jeg valgte at titrere på 50 mL, da et af forsøgs glassene væltede og meget af opløsningen gik tabt I. forsøg 1
blev der destilleret på 50 mL algeopløsning, og af det fik jeg en volumen på 26,5 mL ved titrering. Forskellen
på forsøg 2 var ikke stor, her fik jeg en volumen på 26,7 mL. Men yderligere skal man tage til efterretning at
det var denne opløsning som blev brugt som ”forsøgs kanin”, idet der skulle findes en løsning så
destillationen kunne forløbe. Her må man også formode at noget alkohol er gået tabt.
Efterbehandling
For at finde ud af hvor meget ethanol der blev produceret i dette forsøg, skal man først igennem en masse
udregninger, for til sidst at kende ethanol procenten. Jeg har valgt kun at skrive udregningerne for det 1.
forsøg ned, da de er næsten identiske. Til sidst vil jeg sammenligne de to forsøg. I forsøg 1 blev der til sat
26,5 mL 0,2 M (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
før at opløsningen skiftede farve.
Det første trin i beregningerne er at bestemme stofmængden af Fe
2+
. Ud fra formelenheden (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
kan man se, at hver gang der bruges én (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
bruges der også kun én Fe
2+
. Det vil sige de reagerer
1:1, og stofmængden for (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
er derfor den samme som for Fe
2+
. Til beregning af stofmængden
anvender jeg formlen n = C · V, da både C og V er kendt.
= 0,2 0,0265
= 0,0053
Nu kender vi altså stofmængden for Fe
2+
og kan derfor også bestemme stofmængden for Cr
2
O
7
2-
, ved at
betragte følgende reaktionsskema. Og da denne ikke er afstemt er det det første der skal ske.
Først finder man oxidationstallene for hvert af grundstofferne, og notere det over dem. Herefter anførers
med pile at der sker en reduktion ved Cr
2
O
7
2-
da denne bliver reduceret med 3, og der sker en oxidation ved
Fe
2+
da denne oxideres med 1. Så afstemmer man således at ox- og redtal stiger/falder ens, men i dette
tilfælde skal man være opmærksom på at der er to Cr atomer i hvert Cr
2
O
7
2-
ion. Derfor er vi tvunget til at
tage to Cr på produktsiden, så sammenlagt går reduktionstallet for Cr 6 ned. Så for at få det hele til at
stemme skriver man 6 foran Fe, på begge sider af reaktionspilen. Ladningerne på begge sider bestemmes
Varde Gymnasium og Hf-kursus 17
nu til at være henholdsvis 10+ på reaktant siden, og 24+ på produktsiden. Og da disse også skal være ens,
afstemmes der med H
+
på reaktant siden da det er en sur opløsning. Til sidst afstemmes der med H
2
O, og
reaktionen er nu afstemt og beregningerne kan fortsætte.
14
+
+
2
7
2
+ 6
2+
2
3+
+ 6
3+
+ 7
2
0()
Stofmængden for Cr
2
O
7
2-
kan nu bestemmes. I reaktionsskemaet kan man se at Cr
2
O
7
2-
reagerer i forholdet
1:6 med Fe
2+
, derfor siger man som følgende:
Cr
2
O
7
2
=
0,0053
6
1
Cr
2
O
7
2
= 8,8833 · 10
4
For at finde ud af hvor meget Cr
2
O
7
2-
der har reageret med ethanol, må man først beregne den stofmængde
Cr
2
O
7
2-
som blev tilsat i starten. Vi kender både koncentrationen og volumen og bruger derfor formlen
=
2
7
2
= 0,1 0,010
2
7
2
= 0,001
Nu kender jeg både start og slut stofmængde for Cr
2
O
7
2-
, og kan derfor beregne den mængde som har
reageret med CH
3
CH
2
OH, ved blot at trække disse to resultater fra hinanden:
2
7
2
= 0,001 8,883 · 10
4
2
7
2
= 1,17 · 10
4
1,17 · 10
-4
mol Cr
2
O
7
2-
har altså reageret med alkohol. Når vi kender stofmængden for Cr
2
O
7
2-
kan vi må
samme måde som før bestemme stofmængden af CH
3
CH
2
OH. Her betragter vi blot et andet
reaktionsskema, men dette skal også først afstemmes:
Metoden er den samme som ved det forrige reaktionsskema. Først finder man oxidationstallene for hvert
grundstof og derefter anfører man med pile, at der sker en reduktion af Cr
2
O
7
2-
på 3 og en oxidation af
CH
3
CH
2
OH på 4. Så afstemmer man så ox- og redoxtallene stiger og falder ens, men her skal man igen være
opmærksom på at der er to Cr atomer i hvert Cr
2
O
7
2-
, og man kan derfor nøjes med at skrive 2 foran to Cr
atomer i hvert Cr
2
O
7
2-
. Ladningen på reaktant siden er -4, mens den på produktsiden er +12, og da det
Varde Gymnasium og Hf-kursus 18
stadig er en sur opløsning afstemmer man med H
+
på reaktant siden så ladningerne bliver ens. Til sidst
afstemmes der med H
2
O på produkt siden, og reaktionen er nu afstemt.
16
+
+ 3
3
2
+ 2
2
7
2
3
3
+ 4
3+
+ 11
2
()
I reaktionsskemaet kan man se at Cr
2
O
7
2-
reagerer 2:3 med CH
3
CH
2
OH, og stofmængden kan nu
bestemmes:
3
2
=
8,8833 10
4
2
3
3
2
= 0,0013248
I forsøget er der foretaget nogle fortyndinger, helt præcis med en faktor 2. Så for at finde stofmængden af
ethanol i den ufortyndet opløsning, ganger man med 2:
3
2
= 0,0013248 · 2
3
2
= 0,0026496
For til sidst at kunne bestemme den ethanol procent der kom ud af forsøget, skal man først beregne
massen af den ethanol (CH
3
CH
2
OH) som var i opløsningen. Dette kan man beregne da vi i forrige beregning
fandt stofmængden for CH
3
CH
2
OH, og nu blot skal bestemme molarmassen. Jeg benytter formlen
= :
CH
3
CH
2
OH
=
12,011 2
+
1,0079 6
+ 15,999
CH
3
CH
2
OH
= 46,0684
CH
3
CH
2
OH
= 0,0026496 46,0684
CH
3
CH
2
OH
= 0,12
Nu kan jeg bestemme volumen af CH
3
CH
2
OH ved hjælp af densiteten, og derefter bestemme volumen
procenten. Det oplyses at densiteten for CH
3
CH
2
OH er ρ = 0,789 g/mL:
=
CH
3
CH
2
OH
=
0,12
0,789
CH
3
CH
2
OH
= 0,155
Varde Gymnasium og Hf-kursus 19
%
CH
3
CH
2
OH
=
0,155
100
100%
%
CH
3
CH
2
OH
= 0,155%
Diskussion/konklusion:
Ud fra 10 g alger jeg startede med, endte der altså med at komme 0,155 % ethanol ud af. Umiddelbart er
dette resultat ikke prangende, men man må dog huske på at der under forsøget er gået en del tabt, og
samtidig er metoderne ikke gode nok. I forsøg 2 blev der udvundet 0,156 %, hvilket kun er 0,001 % mere
end forsøg 1. I forsøg 2 var der tilsat 5 mL ekstra Termamyl SC enzym, men eftersom en del er gået tabt er
det svært at sige om disse ekstra mL har gjort en forskel. Hvis de 5 mL i forsøg 1 var tilstrækkeligt, ville de
ekstra 5 mL i forsøg 2 ikke påvirke hastigheden. Enzymet skal kunne komme i kontakt med
substratet/algerne for at de kan katalyseres, og hvis det ikke sker, har enzymet ingen effekt.
I et sådan forsøg er der mange faktorer der spiller ind, f.eks. om søsalaten var pulveriseret nok så det kunne
nedbrydes, om der var nok gær til gæringen, og om det fik lov til at gære længe nok. Hvis ikke alt ethanol
blev omdannet til ethansyre og kun nåede til ethanal, kunne den præcise mængde ethanol heller ikke
bestemmes, kort sagt er der en lang række fejlkilder som skal medregnes når man skal konkludere på dette
forsøg. Jeg vil nu beregne hvor mange gram alger der i mit forsøg, skulle bruges for at fremstille 1 L ethanol.
Det er oftest lettere at forholde sig til, når man ved hvor meget 1 L kræver. Først finder jeg ud af hvor
mange gram alger der skal bruges til 1 gram alger, derefter hvad 1 L ethanol vejer:
10
0,12
= 83,333
1
=
1
= 1000 · 0,789
1
= 789
Det vil altså sige at 1 L ethanol vejer 789g, og for at finde ud af hvor mange gram alger der skal anvendes,
ganger jeg blot de to resultater:
83,333
789
65749,7 ~ 65,7
Varde Gymnasium og Hf-kursus 20
Hvis jeg skulle have fremstillet 1 L ethanol, skulle der altså bruges 65,7 kg søsalat. Dette er enorme
mængder for blot en enkelt liter, og det ville slet ikke kunne svare sig i forhold til den energi der bruges på
forsøget. Man må derfor konkludere at ud fra dette forsøg ville det ikke kunne svare sig at udvinde
bioethanol fra søsalat. Men forsøget har dog vist at det er muligt at udvinde ethanol fra alger, men for en
effektiv proces kræver det optimerede metoder. Derfor skal der forskes meget i Ulva lactuca, hvis denne
skal bidrage som 2. generations biomasse, i kampen om resurserne. Men jeg tror bestemt at der er et
potentiale i disse alger.
Fremtiden med 2. genrations biomasse
I takt med at verden vokser, stiger energiforbruget og presset på de fossile brændstoffer bliver større. I dag
dækker disse langt det meste af verdens energibehov, og vi er alle dybt afhængige af de dyre dråber. De
fossile brændstoffer er en begrænset ressource, og efterhånden som det bruges stiger energipriserne
markant. De stigende energipriser, CO
2
-udslip og global opvarmning har fået efterspørgslen på biobrændsel
til at eksplodere. Men produktionen af biobrændsel er ikke uproblematisk, idet der anvendes
landbrugsjord, som også skal udnyttes til produktion af fødevare. Dette har blandt andet ført til stigende
priser på korn og majs, da disse anvendes til produktion af biobrændsel. På længere sigt kan det føre til
fødevaremangel og fattigdom rundt om i verden. Derfor forskes der rigtig meget i de såkaldte 2.
generations biomasser, så man undgår stigende priser på fødevare. 2. generations biomasser er som før
nævnt bi- eller affaldsprodukter fra landbruget, skov og havet, altså materialer som ikke ville kunne
anvendes til menneskelig føde. På verdensplan er der i de sidste par år blevet produceret 30 millioner liter
bioethanol, hvor USA og Brasilien producere over 90 % af det. Hovedproduktionen af bioethanol i de to
lande, bliver fremstillet ud fra sukkerroer, majs og korn – altså 1. generations biomasse. Efterhånden som
udbuddet af bioethanol stiger, vil flere landbrugsarealer benyttes til produktion af dette, og da jord er en
begrænset resurse vil der uundgåelig opstå problemer. Derfor forskes der meget i biomasser ud fra 2.
Generation.
I dag kan biler kører på helt op til 85 % bioethanol i tanken i stedet for benzin, hvorimod biler fra 70’erne
kun kan køre med 10 %. Derfor er der en stigende interesse for at finde billige kilder til bioethanol. Halm er
et ”affaldsprodukt” fra korn, og er blandt andet en vigtig resurse i denne forbindelse. For halm indeholder
nemlig en række kulhydrater, lige som søsalaten, der kan nedbrydes til glukose eller fruktose. Men for en
sådan proces kan betale sig, skal man finde en metode der effektivt omdanner halm til ethanol – uden alt
for store omkostninger. Det vigtigste element er at finde et enzym der kan spalte og nedbryde cellulosen i
halmen, da denne er svært nedbrydelig. Cellulose kan nedbrydes af en række enzymer kaldet cellulaser,
som blandt andet skimmelsvampen Trichoderma reesei producere. Egentlig nedbryder enzymerne ikke
Varde Gymnasium og Hf-kursus 21
cellulosen, men de funger som katalysatorer der speeder processen op. Ellers ville nedbrydningen tage
uendelig lang tid. I dag skal der tilsættes store mængder enzym før man opnår den ønskede nedbrydning,
og dermed en ordentlig mængde bioethanol. Men det høje enzym behov medvirker til, at prisen på
bioethanol overgår prisen på benzin. Der er altså der ingen økonomisk gevinst for forbrugerne at tanke
bioethanol frem for almindeligt benzin, og mange vælge det derfor fra. For at få prisen ned på bioethanol
er det nødvendigt at finde andre enzymer, som kan katalysere halmen bedre. Sammensætningen af
enzymer kan forbedres, så de enkelte enzymer findes i de helt rigtige mængder. Yderligere kan de enkelte
enzymers stabilitet og effektivitet, ved høje temperaturer forbedres. Som hovedregel siges det at enzymers
hastighed øges eller fordobles hver gang temperaturen stiger med 10 °C. Så jo højere temperatur
enzymerne kan klare, jo hurtigere kan processen forløbe. Derfor bestræber man sig på at finde enzymer
som kan klare høje temperaturer, da der så kan nedbrydes mere cellulose, og i sidste ende spares penge.
Derfor forskes der nu i ”termofile skimmelsvampe”, som er svampe der kan tåle temperaturer helt op 50-
60 °C. Det formodes at de derfor også producerer enzymer der kan klare disse temperaturer. Novozymes er
et af de firmaer som arbejder på at effektivisere processen af bioethanol, og deres jagt har allerede ført til
en reduktion i omkostningerne til enzym nedbrydningen. Men det kan stadig gøres bedre [1].
Landbrugsjord er som sagt en begrænsende faktor, og netop derfor er mange forskere på udkig efter nye
alternativer. Nogle har fået øjnene op for den marine biomasse, hvor Ulva lactuca / søsalat hører ind under.
Kriterierne for bioethanol produktionen er, at det skal være ”non food” produkter, med en høj vækst rate
og et stort energiindhold. Disse kriterier kan søsalat leve op til, og derfor forskes der meget i netop denne
slægt. Undersøgelser har vist, at mens det traditionelle landbrug kan producere 10 tons tørstof per hektar,
kan søsalat bidrage med op til 500 tons tørstof per hektar. Den store mængde tørstof er også en væsentlig
faktor for, at interessen stiger for de marine biomasser. At anvender alger til produktion af bioethanol vil
ikke genere nogen. Tværtimod ville høstning af de naturlige forekomster fjerne megen stank fra fjorde og
lukkede vand områder, og det ville give et bedre havmiljø. Men på høstningsområdet mangler der erfaring,
og der er behov for yderlig udvikling. I Italien bruges der f.eks fiskenet til at indsamle søsalat, for ikke at
forstyrre strandgæsterne. Men denne metode er både langsom og utilstrækkelig hvis en stor produktion
skal kører rundt. Det overvejes at dyrke søsalat i lukkede bassiner, da det har vist sig at søsalat under de
rigtig betingelser kan fordoble deres vægt i løbet af 3-4 dage. Og ved at de er i lukkede bassiner kan man
tilføre den helt rigtige mængde næringsstoffer, som de behøver. Disse kan f.eks. fås fra landmandens gylle.
Yderligere skal der tilføres CO
2
til algernes fotosyntese, for at de kan vokse. Alt dette lyder forholdsvis dyrt,
men når man tager i betragtning af, at der både kan produceres bioethanol, aftages CO
2
og bruge
landmændenes overskydende gylle, kunne det gå hen og give overskud [24]. Men ligesom i halm findes der
også cellulose i søsalat, som først skal nedbrydes til glukose inden der kan fremstilles bioethanol. I forsøget
Varde Gymnasium og Hf-kursus 22
anvendt jeg Termamyl SC, som netop arbejdede bedst ved høje temperaturer (50-60°C). Dette er et enzym
der oftest bruges i bryggerindustrien, og derfor må det antages at være forholdsvis effektivt. Men det store
spørgsmål er om denne kan nedbyde cellulosen tilstrækkelig og effektivt nok. For resultaterne i forsøget var
ikke just prangende, men det er svært at konkluder hvor fejlen ligger, da der var mange faktorer der
spillede ind. Men et kunne være at Termamyl ikke var effektiv nok til at nedbryde cellulose til glukose, og
derfor kunne der ikke ske en gæring. [9]
Der stilles altså store krav til enzymet og det tager tid at finde den helt rigtige sammensætning. Men man
formode at når det sker et gennembrud, vil det kunne betale sig at producere bioethanol ud fra halm og
alger. Konklusionen på dette må være, at det er muligt i fremtiden at opnå en større produktion af
bioethanol hvor udgangspunktet ikke er fødevare – f.eks. halm og alger som her er beskrevet. Men for en
holdbar proces, også rent økonomisk, skal blandt andet enzym mængden nedsættes. Yderlige skal den
energi der bruges til processen være væsentlig mindre, end det udbytte man får fra bioethanol – ellers kan
det ikke betale sig med hensyn til CO
2
-regnskabet.
Konklusion
Alger er en stor gruppe af organismer, med mange forskellige egenskaber. Nogle kan vi udnytte mens andre
kan være til stor skade for os og naturen. De giftproducerende alger kan forsage forgiftninger af både
mennesker og dyr, som i værste fald kan betyde kroniske lidelser eller døden. De ikke gift-producerende
alger har derimod en vigtig betydning, og deres betydning kan blive forstærket hvis det lykkedes at få en
produktion af bioethanol stablet på benene. Hvis dette kan lade sig gøre har man taget et stort skridt i
anvendelsen af 2. generations biomasser, da søsalat har en enorm høj vækstrate og der kan derfor med de
rigtige midler, udvindes meget ethanol. Man må derfor konkludere at bioethanol fremstillet af ikke
fødevare produkter, er en reel mulighed og man ville herved også undgå stigende priser på fødevare.
Men hvis jeg kun, ud fra mit forsøg, skulle vurdere om en produktion af bioethanol ud fra søsalat kunne
betale sig – ville jeg i første omgang svare nej. Jeg fik kun udvundet 0,12 % ethanol, og for at fremstille 1 hel
liter ethanol, skulle der ud fra mit forsøg anvendes helt op til 65,7 kg tørret søsalat. Dette er alt for meget
og der skulle dyrkes og samles enorme mængder for at få en produktion op at stå. Det afgørende for om
det kan betale sig at udvinde bioethanol fra alger, afhænger af den energi der skal bruges til processen. Der
skal f.eks. skibe ud og høste de naturlige alge forekomster, det skal opvarmes til 50-60 grader i 2 timer,
hvor der samtidig skal være en form for omrører der fordeler varmen. Den samlede energi der skal bruges
til fremstilling skal være væsentlig mindre, end den energi der opnås i form af bioethanol, for at det kan
betale sig.
Varde Gymnasium og Hf-kursus 23
Summary
Both good and harmful algae exist in the environment. The harmful algea are often those which produces
toxics, and from a poisoning you can get paralyzed and even die from it - but that's rare and depends on
which species the algae is. The good algae are not producing toxics, and are used in several daily things,
e.g. food and cosmetics.
This assignment characterizes the green algae family, plus a description of Ulva lactuca. Ulva lactuca
belongs to the green algae family, and is also called sea lettuce. Research shows that sea lettuce might be
able to be used for bio ethanol production, because it contains huge quantity of biomass. The biomasses
mainly consist of carbohydrates like starch and cellulose. Enzymes decompose the carbohydrates into
glucose which ferment to bio ethanol. I have made an experiment, where I tried to produce bio ethanol out
of sea lettuce. The result seems not that good, and on the basis of my resent result the conclusion must be,
that it won’t be worth the effort. 65,7 kg dry sea lettuce is needed to provide 1 L ethanol.
But there is a great potential in the algae, we just need to find the best method and the best enzymes to
decompose it. If so there is a great potential to produce big amounts of bio ethanol, without using food,
which is an important thing. As bio ethanol produced by food causes rise in food prices.
Varde Gymnasium og Hf-kursus 24
Litteratur liste
[1] Aktuel naturvidenskab – fra halm til alkohol
Udgivet 2005
[2] Bold, Harold, C.; La Claire, John, W. – The plant kingdom, fifth edition
Forlag: Prentice-Hall
Udgivet år 1987
[3] Danmarks fiskeriundersøgelser – De gode, de onde og de nødvendige alger
http://www.dfu.dtu.dk/Nyheder/Arkiv.aspx?guid=%7B09E86592-1E22-49C2-9BE6-5ABCAAAEC733%7D
sidst opdateret 04-09-06
[4] Dansk landbrug - Landbruget som leverandør af biobrændsel
http://www.dansklandbrug.dk/Presse/FaktaOm/Landbruget+som+leverandor+af+biobraendsel.htm
[5] DMU – Hvad gør giftstofferne?
http://www.dmu.dk/foralle/Vand/Giftige+alger+i+havet/Hvad+g%C3%B8r+giftstofferne.htm
Sidst opdateret 11-06-07
[6] Energi styrelsen – Biomasse
http://www.ens.dk/sw11370.asp
Sidst opdateret 06-11-07
[7] Energy Effciency and Renewable Energy – Alternative and Advanced Fuels
http://www.eere.energy.gov/afdc/fuels/ethanol.html
Sidst opdateret 21-09-07
[8] Fiskeri og akvakultur i Europa (CEJA) - Produkter fra havet
Varde Gymnasium og Hf-kursus 25
http://www.ceja.educagri.fr/dan/enseignant/livret6/pechda_2.pdf
[9] Forskning i bioenergi – Fjern stanken kom en alge i tanken
http://www.biopress.dk/PDF/FiB%20nr.%%20-%20DK.pdf
Udgivet: nr. 20 Juni 2007
[10] Færdselsstyrelsen – Bioethanol
http://www.hvorlangtpaaliteren.dk/sw101242.asp
[11] Galatha - The algaes oxygen production in the oceans”
http://www.galathea.eu/viewpage.php?page_id=1
[12] Houghton, Graham – Bioenergi
Forlag: Flachs
Udgivet 1991
[13] Jens Bremer – Biokemi og molekylærbiologi, 2. udgave
Forlag: Nucleus
Udgivet år 2000
[14] Jensen, Carsten, Bagge; Paludan, Paul, Müller; Wilhelmsen, Jørgen - Økologi og naturforvaltning
Forlag: Nucleus
Udgivet år 1999
[15] Jon Olavs akvarium – Ulva lactuca (BILLED)
http://www.jonolavsakvarium.com/blog/200708/th_ulva.jpg
[16] Kaas, Hanne; Moestrup, Øjvind; Larsen, Jacob; Henriksen, Peter – Giftige alger og algeopblomstringer
Forlag: Miljø- og energiministeriet, Danmarks miljø undersøgelser
Varde Gymnasium og Hf-kursus 26
Udgivet juli 1999
[17] Kristensen, Kim, Rongsted; Cederberg, Gunnar – Aurum
Forlag: Malling Beck
Udgivet juli 2007
[18] Life Chemistry – Cellulose molekyle
www.greenspirit.org.uk/Resources/cellulose.gif
[19] Monterey Bay Aquarium Research Institute – Marine Botany, Ulva
http://www.mbari.org/staff/conn/botany/greens/anna/frontpages/recipes.htm
Sidst opdateret 01-05-05
[20] Mygind, Helge – Kemi 2000, A - niveau 1
Forlag: Haase
Udgivet år 1995
[21] Nielsen, Christian, Overgaard, Lektor dr. Phil - Danmarks natur bind 3 – havet
Forlag: Politikkens forlag
Udgivet år 1968
[22] Nielsen, Hanne – Alger og bakterier
Forlag: Nucleus
Udgivet år 1981
[23] Oliebranchen i Danmark - Biobrændstoffer og CO2-reduktioner
http://www.oliebranchen.dk/Pro/Biobr%C3%A6ndstoffer/Biobr%C3%A6ndstoffer%20og%20CO2-
reduktioner.aspx
[24] Universitet I Oslo – Glukose molekyle (BILLED)
Varde Gymnasium og Hf-kursus 27
www.kjemi.uio.no/.../Org_K3fig4_glukose.JPG
[25] Viden om dr2 – Alger, fremtidens redning?
Sendt d.
[26] Wikipedia – saxitoxin (BILLED)
http://en.wikipedia.org/wiki/Saxitoxin
[27] Zeiger, Eduardo; Taiz, Lincoln – Plant Physiology
Forlag: Benjamin Cummings
Udgivet år 1988
[28] Øvelsesvejledning til 1. Del af forsøget – Michael Bo Rasmussen (DMU)
Sendt pr. Email 25-10-07
[29] Øvelsesvejledning til 2. Del af forsøget – Udleveret af Lone Hansen (lærer)
Vedlagt som bilag A
Varde Gymnasium og Hf-kursus 28
Bilag A
Bestemmelse af ethanolindhold
- redoxtitrering
Ethanolindholdet i et destillat af vin kan bestemmes ved titrering. Selve titreringen foregår som den
plejer, men det der gør denne metode lidt anderledes er at man inden titreringen skal omdanne
ethanol til ethansyre (eddikesyre, CH
3
COOH). Dette gøre med svovlsyre og dichromationer,
Cr
2
O
7
2-
og reaktionen kan skrives således;
(I) 3 CH
3
CH
2
OH + 2 Cr
2
O
7
2-
+ 16 H
+
3 CH
3
COOH + 4 Cr
3+
+ 11 H
2
O
For at være sikker på at alt CH
3
CH
2
OH omdannes til CH
3
COOH tilsætter man et overskud af syre
(H
+
) og dichromationer. Man ved præcis hvilken stofmængde dichromationer man tilsætter, og ved
at lave en titrering der bestemmer stofmængden af dichromationer efter reaktionen kan man på den
måde bestemme stofmængden af ethanol, idet det må gælde at den stofmængde dichromationer der
er blevet brugt ved reaktionen med ethanol har et forhold på 2:3 til ethanol.
Den måde man bestemmer stofmængden af dichromationer er ved følgende reaktion:
(II) Cr
2
O
7
2-
+ 6 Fe
2+
6 Fe
3+
+ 2Cr
3+
+ 7 H
2
O
I buretten har man en opløsning der indeholder Jern(II)ioner og som indikator bruger man ferroin,
denne indikator indeholder et stof der er rødt sammen med Fe
2+
, det betyder at der i begyndelsen af
titreringen sker en omdannelse alle jern(II)ioner der tildryppes opløsningen, derfor bliver
opløsningen mere og mere grøn fordi, det er farven på Cr
3+
. Men når ækvivalenspunktet nås og der
tilsættes endnu en dråbe jern(II) ioner vil disse ikke omdannes og opløsningen bliver blivende rød
Kemikalier
0,100 M K
2
Cr
2
O
7
opløst i 4 M H
2
SO
4
. 0,200 M (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
opløst i 1 M H
2
SO
4
.
Ferroinopløsning (0,025 M).
Apparatur
Pipetter, 5 mL og 10 mL. Målekolbe, 100 mL med prop. Konisk kolbe, 100 mL. Bægerglas, 250
mL. Burette i stativ. Lille tragt. Magnetomrører og magnet. Termometer.
Sikkerhed og affaldsopsamling
For K
2
Cr
2
O
7
gælder det bl.a. at stoffet er kræftfremkaldende og kan skade evnen til at få sunde børn
– undgå derfor direkte kontakt – anvend engangshandsker.
Alt affald skal opsamles og bortskaffes forsvarligt – spild tørres omgående op på forsvarlig vis!
Fremgangsmåde
Destillation af vin fundet på gerningsstedet
Varde Gymnasium og Hf-kursus 29
I har været heldige for denne del har jeres laborant udført. Han har gjort følgende:
100 mL af den fundne vin er blevet destilleret over i en 100 mL målekolbe, derefter er der fyldt op
med vand til 100 mL stregen. Denne opløsning er overført til en 250 mL konisk kolbe som
laboranten har stillet frem til videre bearbejdelse.
Omdannelse af ethanol til ethansyre
Man må forvente at indholdet i en flaske vin ligger omkring 12 vol %, derfor kan simple kemiske
udregninger (prøv selv) vise at man skal fortynde sin ethanolopløsning. Man kan med fordel
fortynde opløsningen en faktor 20. Dette gøres ved at overføre 5,0 mL af ethanolopløsningen til en
100 mL målekolbe og fylde op med vand til 100 mL stregen.
Til en 100 mL konisk kolbe overføres med pipette 5,0 mL af ethanolopløsning, der tilsættes 10,0
mL 0,100 M K
2
Cr
2
O
7
opløst i 4 M H
2
SO
4
pas på det er stærkt ætsende og giftigt! Et 250 mL
bægerglas fyldes halvt med ca 50 C varmt vand. Placer den koniske kolbe i det varme vand i
mindst 15 min.
Titrering – bestemmelse af overskuddet at dichromationer
Spænd en burette højt op i et stativ således at man kan betragte kolben i gennemfaldende lys mens
man titrerer. Buretten nulstilles med 0,200 M (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
opløst i 1 M H
2
SO
4
– pas på
svovlsyren den kan ætse! Under den opstillede burette stilles en magnetomrører. I kolben hvor
ethanol er blevet omdannet til ethansyre tilsættes et par dråber ferroin-indikator og titrering kan
starte. Under titreringen bliver opløsningen mere og mere grønlig fordi Cr
2
O
7
2
omdannes til de
grønne Cr
3+
. Lige inden ækvivalenspunktet er opløsningen rent blågrøn, når en enkel dråbe giver et
farveskifte til blivende rød er ækvivalenspunktet fundet og den tilsatte volumen noteres.
Efterbehandling
Se opgave
Analyse 1
Analyse 2
Volumen af 0,200 M
(NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
1
Stofmængde af Fe
2+
2
Stofmængde af Cr
2
O
7
2-
3
Tilsat stofmængde Cr
2
O
7
2-
4
Stofmængde Cr
2
O
7
2-
forbrugt af ethanol
5
Stofmængde CH
3
CH
2
OH
6
Stofmængden af
CH
3
CH
2
OH i den
ufortyndede analyse.
7
Massen af CH
3
CH
2
OH
Varde Gymnasium og Hf-kursus 30
1. Man kan ud fra den kemiske formel (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
se at hver gang der er en formelenhed
af (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
er der en Fe
2+
. Beregn stofmængden af Fe
2+
der er brugt ved titreringen.
2. Brug reaktionsskema nr II til at bestemme stofmængden af Cr
2
O
7
2-
3. Beregn den stofmængde Cr
2
O
7
2-
der blev tilsat ved begyndelsen af forsøget (10 mL 0,100 M
K
2
Cr
2
O
7
).
4. Beregn hvor meget Cr
2
O
7
2-
der er blevet brugt til omdannelsen af ethanol til ethansyre. Dette
gøres ved at bruge resultaterne i spørgsmål 2 og 3, idet man nu ved hvad man startede med
og hvor meget der er tilbage når reaktionen er forløbet.
5. Beregn stofmængden af CH
3
CH
2
OH, benyt reaktionsskema nr I.
6. I gennem forsøget er der sket en række fortyndinger. Den opløsning vi titrerer på indeholder
kun en mindre mængde af den ethanol der var i de 100 mL vi fik fra laboranten. Analysen er
i forsøget blevet fortyndet med en faktor 400. Beregn den stofmængde der var i analysen.
7. Beregn massen af CH
3
CH
2
OH i analysen.
8. Det oplyses at densiteten () for CH
3
CH
2
OH er =0,789 g/mL. Beregn volumen af
CH
3
CH
2
OH i analysen (= m/V).
9. Beregn vol % af CH
3
CH
2
OH i analysen (vol % = (volumen af ethanol/ volumen af analysen)
100 %). Dette er også vol % af CH
3
CH
2
OH i den vin der blev fundet på gerningsstedet
8
Volumen af CH
3
CH
2
OH
9
Volumen %