Wo ist mein Eis?

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 C4-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. Energieinvestitionsphase2. Energiegewinnungsphase • 2.Phase: Entstehung von Ethanol Pyruvat Acetaldehyd Ethanol

7. 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%) Einflussfaktoren auf alkoholische Gärung

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

10. PC-gestützte Präzisionswaage mit XLS Mess kontinuierliche Überwachung des Masseverlusts durch CO2-Ausstoß Messung alle 30 Minuten, 48 h EtOH-Bildung ~ CO2-Bildung 1C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 Stöchiometrische Berechnung von EtOH Analytik zur Überwachung des Fermentationsprozesses

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. Hefeart Hefeanfangskonzentration Gärtemperatur Verwendung von Nährsalze Auswertungskriterien: Gärintensität Beginn Geschwindigkeit CO2/ EtOH Ausbeute je 100mL Versuchsreihen zur Bestimmung der optimalen…

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

14. 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

15. b) Bestimmung der optimalenHefeanfangskonzentration(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 gGrund: geringere Hefekosten als 0,4 g Abhängigkeit d. CO2-Produktion von der Hefekonz.

16. 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

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

18. 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

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

20. 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

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?