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?