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Wo ist mein Eis?
Von der Pflanze in den Tank –
Fermentation von Zuckerhirse zu Bioethanol
Gliederung
1. Zuckerhirse
2. Alkoholische Gärung
3. Praxisteil Analytik Versuchsreihen Messergebnisse
4. Ausblick
1. Zuckerhirse als neue Energiepflanze
tropische Pflanze aus Afrika kälteempfindlich
trocken- und hitzetolerant dichtes tiefes Wurzelsystem Trockenstarre
wassereffiziente C4-Pflanze marginale Bodenansprüche wertbestimmender Anteil :
Gesamtzuckergehalt
Verwertung der Zuckerhirse
Jetzt: Nutzung des Zuckerhirsepresssaft (Ethanol) Nutzung der Bagasse (Energiegewinnung)Künftig: Ganzpflanzennutzung (Pilotstadium)
2. Grundlagen der alkoholischen Gärung
Saccharomyces cerevisiae als Gärorganismen 1. Phase: Glykolyse
Glucose 2 Pyruvat + 2 ATP1. Energieinvestitionsphase2. Energiegewinnungsphase
2.Phase: Entstehung von Ethanol
Pyruvat Acetaldehyd Ethanol
Einflussfaktoren auf alkoholische Gärung
pH-Wert Optimum der Gärhefe pH 4 – 5 Messung vor & nach Fermentation
pH 6 pH 5
Substratkonzentration je höher die Substratkonzentration desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit (Michaelis-Menten-Theorie) Verwendung der natürlichen Zuckerhirsesaftkonzentration (ca. 11%)
Einfluss von Hemmstoffen
kompetitive, nicht- kompetitive, allosterische
Inhibitoren und irreversible Hemmung
Ethanol hemmt: - Vermehrung der Hefen
- Gärung
nicht-kompetitiver Inhibitor
Weitere Einflussfaktoren:
Hefeart, Hefeanfangskonzentration, Temperatur,
Nährsalze
Praxisteil
3. Versuchsaufbau zur ProzesskontrolleLaptop mit Messprogramm XLS Mess
XLS Mess Multibox
Stopfen
Gärröhrchen mit Sperrflüssigkeit
Erlenmeyerkolben mit Hefe versetzter Zuckerhirselösung
PC-gestützte Präzsionswaage
Digitales Thermometer
Analytik zur Überwachung des Fermentationsprozesses PC-gestützte Präzisionswaage mit XLS Mess kontinuierliche Überwachung des
Masseverlusts durch CO2-Ausstoß Messung alle 30 Minuten, 48 h EtOH-Bildung ~ CO2-Bildung
1 C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2
Stöchiometrische Berechnung von EtOH
Digital-Refraktometer Messung des
Brechungsindex (Brix) der Zuckerlösung
1 %Brix 1g Saccharose ≙pro 100g Zuckerlösung
Verwendete Zuckerhirsesäfte: 14,6 %Brix
Clini-Test Fehling Probe: Oxidation
reduzierender Zucker Farbton abhängig von
Zuckerkonzentration
Bestimmung desAnfangszuckergehaltes
Bestimmung desRestzuckergehaltes
Versuchsreihen zur Bestimmung der optimalen… Hefeart Hefeanfangskonzentration Gärtemperatur Verwendung von Nährsalze
Auswertungskriterien: Gärintensität
Beginn Geschwindigkeit
CO2/ EtOH Ausbeute je 100mL
a) Bestimmung der optimalen Hefeart
Hefearten: Kitzinger Weinhefe Dr.Oetker Backhefe Superstart
Hochleistungshefe
Ergebnis:Optimale Hefe:
Superstart schnellster Gärbeginn
(5 h) höchste CO2/ EtOH-
Ausbeute
Grund: geringer Restzucker geringe Hefezell- und
Nebenproduktbildung
Hefeart
0
1
2
3
4
5
6
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
Zeit [h]
CO
2 -
Pro
du
ktio
n [
g]
Dr. Oetker Backhefe
SuperstartHochleistungshefe
Kitzinger Weinhefe
Abhängigkeit der CO2-Produktion von der Hefeart
b) Bestimmung der optimalen Hefeanfangskonzentration (Superstart Hefe)
Hefeanfangskonzentration
0
1
2
3
4
5
6
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
Zeit [h]
CO
2 -
Pro
du
kti
on
[g
]
0,4 g
0,2 g
0,1 g
Abhängigkeit d. CO2-Produktion von der Hefekonz.
Ergebnis: 0,2 g: Höchste CO2/ EtOH
Ausbeute 0,4 g: kürzere Lag-Phase
(4 h), aber ähnliche CO2/EtOH-Ausbeute wie 0,2 g
Michaelis-Menten-Theorie gilt
Optimum: 0,2 gGrund: geringere Hefekosten als 0,4 g
c) Bestimmung d. optimalen Temperatur
Ergebnis:
Optimale Temperatur: 35 °C Schnellster Gärbeginn
(2,5 h) Höchste CO2/ EtOH-
Ausbeute
Grund: RGT-Regel gilt:
14 24 °C: Ver-3-fachung Gärgeschwindigkeit
24 35 °C: Annäherung maximale Gärgeschwindigkeit (38°C)
Temperatur
0
1
2
3
4
5
6
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 102Zeit [h]
CO
2- P
rod
uk
tio
n [
g]
35 °C
24 °C
14 °C
Abhäng. d. CO2-Produktion von der Temperatur
d) Verwendung von Nährsalzen
Nährsalze: AYF 1000
(Lallemand Ltd.) EnerTrace KS
(Erbslöh)
Versorgung der Hefe bei
Wachstum
Zellvermehrung
Ergebnis: Keine Erhöhung der
EtOH-Ausbeute Keine Verkürzung der
lag-Phase Keine Erhöhung der
Gärgeschwindigkeit
Grund: Ausreichendes
Nährstoffangebot im Presssaft
Nährsalz
0
1
2
3
4
5
6
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
Zeit [h]
CO
2 P
rdo
ukt
ion
[g
]
AYF 1000
ohne Närsalz
EnerTrace KS
Abhäng. d. CO2-Produktion von Nährsalzen
Überprüfung der Messergebnisse
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 min
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
mVDetector B
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00 /0
.00
0/0
.00
0
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
Sa
cch
aro
se/2
0.4
80
/0.0
00
Glu
cose
/49
.61
1
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
Fru
cto
se/4
0.0
85
Gly
cero
l/0.7
05
/0.0
00
/0.0
00
HPLC- Chromato-gramm des unvergorenen Zuckerhirse-saftes
Fazit: Optimale Fermentationsbedingungen: 0,2 g Superstart Hefe, 35 °C, ohne Nährsalz
91% des Zuckers in EtOH umgewandelt 8,4% in Zellmasse und Nebenprodukte 0,6% Restzucker
Gravimetrische Messung HPLC Messung:
6,8 vol% 6,6 vol%
= nur 4 % rel. Abweichung
Präzisionswaage: verlässliches Messergebnis
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 min
0
10
20
30
40
50
60
mVDetector B
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
Sa
cch
aro
se
/0.2
26
/0.0
00
/0.0
00
Glu
co
se
/0.3
66
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
/0.0
00
Gly
ce
rol/4
.41
1
/0.0
00
/0.0
00
HPLC- Chromato-gramm des vergorenen Zuckerhirse-saftes
Ethanol/ 46,990
4. Ausblick: Bioethanol als künftiger Treibstoff
E10 ab 2011 an Tankstellen10% Bio-EtOH-Beimischung
zu Ottokraftstoff Technologische Voraus-
setzungen für Bioethanol geschaffen
Zuckerhirse: bedeutende Energiepflanze der Zukunft?
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