Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu
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Transcript Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu
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?