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Wo ist mein Eis?. Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu Bioethanol.

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Präsentation zum Thema: "Wo ist mein Eis?. Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu Bioethanol."—  Präsentation transkript:

1 Wo ist mein Eis?

2 Von der Pflanze in den Tank – Fermentation von Zuckerhirse zu Bioethanol

3 Gliederung 1. Zuckerhirse 2. Alkoholische Gärung 3. Praxisteil Analytik Versuchsreihen Messergebnisse 4. Ausblick

4 1. Zuckerhirse als neue Energiepflanze tropische Pflanze aus Afrika kälteempfindlich trocken- und hitzetolerant dichtes tiefes Wurzelsystem Trockenstarre wassereffiziente C 4 -Pflanze marginale Bodenansprüche wertbestimmender Anteil : Gesamtzuckergehalt

5 Verwertung der Zuckerhirse Jetzt: Nutzung des Zuckerhirsepresssaft (Ethanol) Nutzung der Bagasse (Energiegewinnung) Künftig: Ganzpflanzennutzung (Pilotstadium)

6 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

7 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%)

8 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

9 3. Versuchsaufbau zur Prozesskontrolle Laptop mit Messprogramm XLS Mess XLS Mess Multibox Stopfen Gärröhrchen mit Sperrflüssigkeit Erlenmeyerkolben mit Hefe versetzter Zuckerhirselösung PC-gestützte Präzsionswaage Digitales Thermometer

10 Analytik zur Überwachung des Fermentationsprozesses PC-gestützte Präzisionswaage mit XLS Mess kontinuierliche Überwachung des Masseverlusts durch CO 2 -Ausstoß Messung alle 30 Minuten, 48 h EtOH-Bildung ~ CO 2 -Bildung 1 C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Stöchiometrische Berechnung von EtOH

11 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 des Anfangszuckergehaltes Bestimmung des Restzuckergehaltes

12 Versuchsreihen zur Bestimmung der optimalen… Hefeart Hefeanfangskonzentration Gärtemperatur Verwendung von Nährsalze Auswertungskriterien: Gärintensität Beginn Geschwindigkeit CO 2 / EtOH Ausbeute je 100mL

13 a) Bestimmung der optimalen Hefeart Hefearten: Kitzinger Weinhefe Dr.Oetker Backhefe Superstart Hochleistungshefe

14 Ergebnis: Optimale Hefe: Superstart schnellster Gärbeginn (5 h) höchste CO 2 / EtOH- Ausbeute Grund: geringer Restzucker geringe Hefezell- und Nebenproduktbildung Abhängigkeit der CO 2 -Produktion von der Hefeart

15 b) Bestimmung der optimalen Hefeanfangskonzentration (Superstart Hefe) Abhängigkeit d. CO 2 -Produktion von der Hefekonz. Ergebnis: 0,2 g: Höchste CO 2 / EtOH Ausbeute 0,4 g: kürzere Lag-Phase (4 h), aber ähnliche CO 2 /EtOH-Ausbeute wie 0,2 g Michaelis-Menten- Theorie gilt Optimum: 0,2 g Grund: geringere Hefekosten als 0,4 g

16 c) Bestimmung d. optimalen Temperatur Ergebnis: Optimale Temperatur: 35 °C Schnellster Gärbeginn (2,5 h) Höchste CO 2 / EtOH- Ausbeute Grund: RGT-Regel gilt: °C: Ver-3-fachung Gärgeschwindigkeit °C: Annäherung maximale Gärgeschwindigkeit (38°C) Abhäng. d. CO 2 -Produktion von der Temperatur

17 d) Verwendung von Nährsalzen Nährsalze: AYF 1000 (Lallemand Ltd.) EnerTrace KS (Erbslöh) Versorgung der Hefe bei Wachstum Zellvermehrung

18 Ergebnis: Keine Erhöhung der EtOH-Ausbeute Keine Verkürzung der lag-Phase Keine Erhöhung der Gärgeschwindigkeit Grund: Ausreichendes Nährstoffangebot im Presssaft Abhäng. d. CO 2 -Produktion von Nährsalzen

19 Überprüfung der Messergebnisse HPLC- Chromato- gramm des unvergorenen Zuckerhirse- saftes Fazit: Optimale Fermentationsbedingungen: 0,2 g Superstart Hefe, 35 °C, ohne Nährsalz

20 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 HPLC- Chromato- gramm des vergorenen Zuckerhirse- saftes Ethanol/ 46,990

21 4. Ausblick: Bioethanol als künftiger Treibstoff E10 ab 2011 an Tankstellen 10% Bio-EtOH-Beimischung zu Ottokraftstoff Technologische Voraus- setzungen für Bioethanol geschaffen Zuckerhirse: bedeutende Energiepflanze der Zukunft?


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