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 Laptop mit Messprogramm XLS Mess Gärröhrchen mit Sperrflüssigkeit Stopfen Erlenmeyerkolben mit Hefe versetzter Zuckerhirselösung XLS Mess Multibox Digitales Thermometer PC-gestützte Präzsionswaage

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

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

Ergebnis: Optimale Hefe: Superstart schnellster Gärbeginn (5 h) höchste CO2/ EtOH- Ausbeute Grund: geringer Restzucker geringe Hefezell- und Nebenproduktbildung Abhängigkeit der CO2-Produktion von der Hefeart

b) Bestimmung der optimalen Hefeanfangskonzentration (Superstart Hefe) 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 g Grund: geringere Hefekosten als 0,4 g Abhängigkeit d. CO2-Produktion von der Hefekonz.

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) Abhäng. d. CO2-Produktion von der Temperatur

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

Keine Erhöhung der EtOH-Ausbeute Keine Verkürzung der lag-Phase Ergebnis: Keine Erhöhung der EtOH-Ausbeute Keine Verkürzung der lag-Phase Keine Erhöhung der Gärgeschwindigkeit Grund: Ausreichendes Nährstoffangebot im Presssaft Abhäng. d. CO2-Produktion von Nährsalzen

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

91% des Zuckers in EtOH umgewandelt Ethanol/ 46,990 HPLC- Chromato-gramm des vergorenen Zuckerhirse-saftes 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 Voraus-setzungen für Bioethanol geschaffen Zuckerhirse: bedeutende Energiepflanze der Zukunft?