Ethanol- Fermentation

Agenda Versuchsvorbereitungen Versuchsaufbau Fermentation -> Batch-Betrieb -> Konti-Betrieb Analytik und Dokumentation Mikrofiltration Ultrafiltration Rektifikation

Zielsetzung unseres Versuchs  Apfelmost, aus Apfelsaftkonzentrat der Fruchtsaftkelterei Kumpf, mit einem Alkoholgehalt von 10 %  möglichst hochprozentiges Destillat

Bestimmung des Gesamtzuckers im Apfelsaftkonzentrat Refracto 80p der Firma Zeller Bestimmung des Brechungsindex: Angabe in Brix%, was x g Zucker pro 100 g Medium entspricht  in unserem Fall: 79,4 g Zucker pro 100 g Apfelsaftkonzentrat Brix (%gew): Brix ist der Zuckergehalt in Gewichtsprozent (%gew), diese Einheit wird international bei Winzern usw. am häufigsten verwendet.

Versuchsaufbau im Batchbetrieb

Fermenter Chemap Fermenter doppelwandig Fassungsvolumen: 15 L Arbeitsvolumen : 12,5 L am Deckel können verschiedene Messgeräte (Temperaturmessfühler) und Zuläufe angebracht werden am Boden befindet sich ein Probenahmeventil seitlich am Reaktor ist eine pH-Elektrode angebracht

Membranfiltermodul MD 020 der Firma Enka- Microdyn Besteht aus Polypropylen Aufgabe: Zurückhaltung der Hefe im Fermenter + bleibt für Stoffumwandlung im Fermenter zur Verfügung + Produkt wird laufend filtriert

Versuchsaufbau im Kontibetrieb Feedstrom Produktstrom Fermenter regulierbare Schlauchpumpe

Schlauchpumpe und Dosierregler Schlauchpumpe 5a der Firma Ismatec ein Gemisch aus Apfelsaftkonzentrat und Wasser wird dem Fermenter zugeführt mittels Dosierregler und Dosierwaage kann die Durchflussrate eingestellt werden Dosierregler YFC 02 Z der Firma Sartorius Die Durchflussrate wird auf die Pumpe übertragen und über die Drehzahl geregelt

Fermentation im Batchbetrieb Betriebsbedingungen und -daten: Temperatur: 30 °C pH-Wert: 3,0- 3,6 Umwälzung mittels Exzenterschneckenpumpe Druckmessung durch magnetisch induktivem Druchflussmesser (MID) Abgasvolumenstrommessung anhand Trommelgaszähler

Bestimmung der spezifischen Wachstumsrate

Fermentation im Kontibetrieb Betriebsbedingungen und -daten: Temperatur: 30 °C pH-Wert: 3,0 Zulauf: mL/h Produktentnahme über Membranfilter - sobald der obere Niveauschalter erreicht ist, kann über das Membranventil der Reaktorinhalt automatisch abgelassen werden - dieses Ventil kann auch manuell am Schaltschrank geöffnet werden

Analytik und Dokumentation Optische Dichte (OD) bei 546 nm Hefetrockensubstanz (HTS) Enzymtests - Glucose - Fructose - Ethanol Gesamtzucker- bestimmung durch Akku-Check-Messgerät Sonden im Fermenter: pH-Wert Gasuhr Temperatur

Nullprobe (bei Start der Fermentation)

Probe 21 (nach 30 Stunden Fermentation)

Probe 34 (nach 36 Stunden Fermentation)

Aufarbeitung

Mikrofiltration durch Membranfiltermodul Bei einem Transmembrandruck (TMP) von 0,3 bar, der während der gesamten Fermentation eingestellt war, würde die Mikrofiltration des Fermenterinhalts ca. 2,5 Stunden dauern. Durch Erhöhung des TMP auf 0,6 bar wurde die Dauer der Mikrofiltration auf 29 Min verkürzt.

Ultrafiltration Membranverfahren durch Druck betrieben Schonende Filtrationsmethode Grundprinzip des Verfahrens: poröser Filter Substanzen die größer als die Porenweite sind werden zurückgehalten Lösung strömt parallel zur Membranfläche, Permeatdurchtritt erfolgt senkrecht

transmembrane Druckdifferenz liegt bei bar Moleküle der Größe von 0,01 - 0,1 µm können abgetrennt werden Ultrafiltration bei Molmassen zwischen 500 und

Membran Standardmembranmaterial ist Celluloseacetat Synthetische Membran ist z.B. aus Polyamid, Polysulfon Flux-Raten liegen zwischen 0,05 - 0,5 m 3 /m 2 h

Aufbau Crossflow Membranmodul Horst Chmiel, Bioprozesstechnik, ISBN , Spektrum

Membranfiltrationsbereiche

Polyflux 210 H A M = 2,1m 2 Wall Thickness: 50 µm Inner Diameter: 200 µm Daten des verwendeten Membranmoduls :

Versuchsaufbau Ultrafiltrat Pumpe Polyflux Manometer Most

Vorversuche - mit Wasser - StufeDurchfluss [ml/min]

Vorversuch 2 mit Wasser Umgebungsdruck 956 mbar Druck p Fein [mbar] Druck p Faus [mbar] TMP [mbar] [ml/(m 2 * min)] [ml/min] ,771, ,290, ,7104, ,7118, ,3130, ,2146,67308

Steigung = hydraulische Permeabilität Lp → Lp = 0,9616 ml/(m²*min*mbar)

Vorversuch - mit Most – Umgebungsdruck 956 mbar Druck p Fein [mbar] Druck p Faus [mbar ] TMP [mbar] [ml/(m 2 * min)][ml/min] Extiktion bei 280 nm Protein- konzentration [μg/ml] ,95650,223408, ,547,14990,260476, ,141430,276505,49

Steigung = hydraulische Permeabilität Lp → Lp = 0,4071 ml/(m²*min*mbar)

Vergleich der Lp-Werte von Wasser und Most Lp (Wasser): 0,9616 ml/(m²*min*mbar) Lp (Most): 0,4071 ml/(m²*min*mbar)

Ergebnisse - Ultrafiltration - Zeit [min] Gewicht [g] Druck p Fein [mbar] Druck p Faus [mbar] TMP [mbar] [ml/min][ml/(m 2 * min)] ,5663,3315, ,5677,5322, ,5700,3333, ,5734,5349,8

Graphische Darstellung der Ergebnisse

Proteinbestimmung vor und nach der Ultrafiltration FlüssigkeitExtinktion bei 280 nm Proteinkonzentration [µg/ml] Retentat0,334611,7 Filtrat0,180329,7 Die Proteinkonzentration des Retentats ist nahezu doppelt so hoch wie die des Filtrats → große Proteine wurden zurück gehalten

Es wurden 375 ml Aromastoffe für die Rektifikation zu dem Ultrafiltrat hinzu gegeben.

Most Ultrafiltrat

Rektifikation

Definition thermisches Trennverfahren Weiterentwicklung der Destillation bzw. Hintereinanderschaltung vieler Destillationsschritte Trenneffekt sehr hoch, da der Dampf im Gegenstrom mit der Flüssigkeit mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Kontaktfläche zwischen Dampf- und Flüssigphase wird durch Einbauten (z. B. Glockenböden, Füllkörper, Packungen) bereitgestellt.

Prinzip der Rektifikation Gemischdampf steigt aus Destillierblase auf gelangt in Rektifizierkolonne (mit Füllkörpern) großer Teil der am Kopf der Kolonne abgezogene Dampf schlägt im Rücklaufkondensator nieder und wird in die Kolonne zurückgeführt

In der Kolonne: Schwerer flüchtige Komponente kondensiert aus dem Dampf und geht in die flüssige Phase über.  Kondensationswärme wird frei.  Leichter flüchtige Bestandteile werden aus der Flüssigkeit ausgetrieben und gehen in die Dampfphase über  Leichter flüchtige Bestandteile am oberen Ende der Kolonne (Kopf)  Schwerer flüchtige Bestandteile am unteren Ende der Kolonne (Sumpf)

Fließbild

Daten - Rektifikation

Theoretische Grundlagen Raoult´sches Gesetz: für den Gesamtdruck gilt: p ges = p 1 +p 2 Konzentration der niedriger siedenden Komponente (Ethanol) ist im Dampf höher als in der Flüssigphase Anteil der Komponente am Gesamtpartial- druck und damit der Mol% im Gas: ( p i / p ges )* 100%

Siede-/Taulinie

Analytik

Annahme: 2 Komponenten Gemisch Wasser/Ethanol Konzentrations- bestimmung des Ethanols mittels dem Mettler Toledo Densito 30P

Über die Dichte konnte mit Hilfe der Tabelle auf den prozentualen Ethanolgehalt geschlossen werden

Ergebnisse Während der Rektifikation wurden 4 Proben entnommen. Proben Dichte des Gemisches [g/cm 3 ]Gerät Ethanolgehalt [%] Ausgangsgemisch1,002 Mettler Toledo Densito 30P0 Kopf0,947 Mettler Toledo Densito 30P41,9 Kopf0,829 Mettler Toledo Densito 30P90,2 Kopf0,824 Mettler Toledo Densito 30P91,8 Sumpf1,006 Mettler Toledo Densito 30P0

Gesamtprodukt Vereinigung der 4 entnommenen Proben Dichte [g/cm 3 ]Ethanolgehalt [%]Volumen [ml] 0,84884,658

Unsere Ausbeute Es wurde die dritte Probe zur Berechnung der Ausbeute herangezogen, da das System zu diesem Zeitpunkt stationär verlief.

Noch Fragen...

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!