Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu

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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 ATP

1. Energieinvestitionsphase
2. 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 Prozesskontrolle
Gärröhrchen mit
Sperrflüssigkeit
Erlenmeyerkolben
mit Hefe
versetzter
Zuckerhirselösung
Digitales
Thermometer
PC-gestützte
Präzsionswaage
Stopfen
XLS Mess
Multibox
Laptop mit
Messprogramm
XLS Mess
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




Bestimmung des
Anfangszuckergehaltes
Bestimmung des
Restzuckergehaltes
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
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
Hefeart
Ergebnis:
24
Optimale Hefe:
Superstart
 schnellster Gärbeginn
(5 h)
 höchste CO2/ EtOHAusbeute
Grund:
 geringer Restzucker
 geringe Hefezell- und
Nebenproduktbildung
6
CO2 - Produktion [g]
5
4
3
Dr. Oetker
Backhefe
Superstart
Hochleistungshefe
2
Kitzinger
Weinhefe
1
0
0
6
12
18
30
36
42
48
54
Zeit [h]
Abhängigkeit der CO2-Produktion von der Hefeart
b) Bestimmung der optimalen
Hefeanfangskonzentration (Superstart Hefe)
Hefeanfangskonzentration
6
5
CO2 - Produktion [g]
4
0,4 g
3
0,2 g
0,1 g
2
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-MentenTheorie gilt
1

0
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
Zeit [h]
Abhängigkeit d. CO2-Produktion von der Hefekonz.
Optimum: 0,2 g
Grund: geringere
Hefekosten als 0,4 g
c) Bestimmung d. optimalen Temperatur
Ergebnis:
Temperatur
6
3
Optimale Temperatur: 35 °C
 Schnellster Gärbeginn
(2,5 h)
 Höchste CO2/ EtOHAusbeute
2
Grund: RGT-Regel gilt:
5
CO2- Produktion [g]
4
35 °C
24 °C

14 °C
1

0
0
6
12
18
24
30
36
42
48 54
Zeit [h]
60
66
72
78
84
90
96 102
Abhäng. d. CO2-Produktion von der Temperatur
14  24 °C: Ver-3-fachung
Gärgeschwindigkeit
24  35 °C:
Annäherung maximale
Gärgeschwindigkeit (38°C)
d) Verwendung von Nährsalzen
Nährsalze:
 AYF 1000
(Lallemand Ltd.)
 EnerTrace KS
(Erbslöh)
Versorgung der Hefe bei
 Wachstum
 Zellvermehrung
Nährsalz
6
CO2 Prdouktion [g]
5
4
AYF 1000
3
ohne Närsalz
Ergebnis:
 Keine Erhöhung der
EtOH-Ausbeute
 Keine Verkürzung der
lag-Phase
 Keine Erhöhung der
Gärgeschwindigkeit
EnerTrace KS
2
1
0
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
Zeit [h]
Abhäng. d. CO2-Produktion von Nährsalzen
Grund:
 Ausreichendes
Nährstoffangebot
im Presssaft
Überprüfung der Messergebnisse
Fazit:
 Optimale Fermentationsbedingungen:
 0,2 g Superstart Hefe, 35 °C, ohne Nährsalz
Saccharose/20.480
110
100
90
80
70
Fructose/40.085
Glucose/49.611
mV
Detector B
120
HPLCChromatogramm des
unvergorenen
Zuckerhirsesaftes
60
50
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
27.5
/0.000
/0.000
Glycerol/0.705
/0.000
/0.000
/0.000
/0.000
/0.000
12.5
/0.000
0
/0.000
/0.000
10
/0.000
/0.000
/0.000
20
/0.000
30
/0.000
/0.000
40
min
/0.000
mV
Detector B
Ethanol/ 46,990
60
50
40
0.0



2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
22.5
/0.000
25.0
27.5
/0.000
Glycerol/4.411
20.0
/0.000
/0.000
/0.000
/0.000
Glucose/0.366
/0.000
/0.000
/0.000
0
/0.000
/0.000
/0.000
/0.000
10
/0.000
20
Saccharose/0.226
/0.000
30
HPLCChromatogramm des
vergorenen
Zuckerhirsesaftes
min
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

4. Ausblick:
Bioethanol als künftiger Treibstoff



E10 ab 2011 an Tankstellen
10% Bio-EtOH-Beimischung
zu Ottokraftstoff
Technologische Voraussetzungen für Bioethanol
geschaffen
Zuckerhirse: bedeutende
Energiepflanze der Zukunft?

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