Biotechnologie – Vorlesung 02 | Ethanolerzeugung

Frage-Antwort-Karten zu Stoffwechsel, Mikroorganismen, Rohstoffen und Prozessschritten der biotechnologischen Ethanolherstellung.

Welche beiden Hauptphasen umfasst die Glykolyse und was geschieht in jeder Phase?

Phase 1: Spaltung der C6-Zucker in zwei C3-Einheiten unter ATP-Verbrauch.

Phase 2: Oxidative Phosphorylierung der C3-Einheiten und Bildung von ATP.

Welches Endprodukt der Glykolyse ist Ausgangspunkt der alkoholischen Gärung?

Pyruvat.

Nenne die beiden Enzyme, die Pyruvat zu Ethanol umwandeln, und beschreibe die Zwischenschritte.

1) Pyruvat-Decarboxylase: Pyruvat → Acetaldehyd + CO₂.

2) Alkohol-Dehydrogenase: Acetaldehyd + NADH + H⁺ → Ethanol + NAD⁺.

Warum ist die Regeneration von NAD⁺ bei der Ethanolgärung wichtig?

Sie ermöglicht den kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse unter anaeroben Bedingungen, da NAD⁺ als Elektronenakzeptor benötigt wird.

Formuliere die Nettoreaktion der alkoholischen Gärung aus Glucose.

Glucose + 2 Pᵢ + 2 ADP + 2 H⁺ → 2 Ethanol + 2 CO₂ + 2 ATP + 2 H₂O.

Formuliere die Nettoreaktion der Milchsäuregärung.

Glucose + 2 Pᵢ + 2 ADP → 2 Lactat + 2 ATP + 2 H₂O.

Welche wesentlichen Eigenschaften sollen Mikroorganismen für die industrielle Ethanolproduktion besitzen?

Hohe Ethanolausbeute, schnelle Wachstums- und Fermentationsrate, Toleranz gegenüber Ethanol, Säure, Temperatur & Substrat; geringe Nebenproduktbildung; genetische Stabilität bei guter Manipulierbarkeit; geringe Schaumbildung.

Warum wird Saccharomyces cerevisiae bevorzugt eingesetzt?

Gut erforscht, leicht gentechnisch veränderbar, schnelles Wachstum, effizienter anaerober Glukosestoffwechsel, hohe Ethanoltoleranz und ‑produktivität.

Nenne zwei industriell genutzte S. cerevisiae-Stämme für Bioethanol.

Ethanol Red (USA) und PE-2 (Brasilien).

Welche Gram-negativen Bakterien werden häufig für rekombinante Ethanolerzeugung verwendet?

Escherichia coli, Klebsiella oxytoca und Zymomonas mobilis.

Was begrenzt bei Hefen die maximale Alkoholproduktion in Getränken wie Wein oder Bier?

Die Alkoholtoleranz der Hefe (typisch 11-15 % v/v).

Warum können hohe Glukosekonzentrationen für Mikroorganismen problematisch sein und welche Alternativen gibt es?

Hohe Glukose stört das osmotische Gleichgewicht; Alternativen sind Speicherpolysaccharide wie Stärke oder Glykogen, die langsamer Glukose freisetzen.

Welches Polysaccharid stellt die wichtigste Glukosespeicherform in Pflanzen dar und wird in der Fermentation bevorzugt?

Stärke (Amylose und Amylopektin).

Warum gelten Kartoffeln, Getreide und Zuckerrohr als typische Rohstoffe der 1st-Generation-Ethanolproduktion?

Sie liefern hohe Mengen fermentierbarer Stärke bzw. Zucker und sind agrarisch gut verfügbar.

Nenne drei Prozessvorteile von S. cerevisiae für 1st-Generation-Ethanol.

Schnelles Wachstum, hohe Ethanolproduktivität/-ertrag, hohe Toleranz gegenüber Ethanol, Säure und Sauerstoffmangel.

Welche Hauptschritte umfasst der industrielle Fermentations-Workflow für Getreidealkohol?

Lagerung → Trockenvermahlung → Verflüssigung → Verzuckerung → Maische → Fermentation → Destillation → Rektifikation → Dehydrierung.

Gib typische Temperatur- und pH-Bedingungen für Einmaischen, Verzuckerung und Gärung an.

Einmaischen: 95–98 °C, pH ≥ 6,5; Verzuckerung: 55–60 °C, pH 4,5–5,5; Gärung: 28–32 °C, pH ca. 4–5.

Wie lange dauern Verflüssigung, Verzuckerung, Fermentation und Destillation in einer Laboranlage ungefähr?

Verflüssigung 0,5–1 h; Verzuckerung 0,5–1 h; Fermentation 68–72 h; Destillation 1–1,5 h.

Was versteht man unter 2nd-Generation-Ethanol und welcher Hauptvorteil ist damit verbunden?

Ethanol aus lignozelluloser Biomasse (Cellulose, Hemizellulose, Lignin); Vorteil: keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, höherer Kraftstoffertrag pro Hektar.

Welche drei Hauptbestandteile der pflanzlichen Zellwand erschweren die 2nd-Generation-Ethanolproduktion?

Cellulose (hydrolyseresistent), Hemizellulose (u. a. Xylose), Lignin (aromatisch, hemmt Zugänglichkeit).

Nenne die vier aufeinanderfolgenden Schritte der 2nd-Generation-Ethanolherstellung.

1) Vorbehandlung, 2) Hydrolyse (Enzyme), 3) Fermentation, 4) Destillation.

Was sind die größten Herausforderungen bei der Umwandlung von Lignozellulose in fermentierbare Zucker?

Ligninblockade, hydrolyseresistente Cellulose, Vorliegen von C5-Zuckern (Xylose), die Standardhefen schlecht nutzen können.

Erläutere den Unterschied zwischen SHF und SSF.

SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation): Hydrolyse und Fermentation nacheinander; SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation): beide Prozesse gleichzeitig in einem Reaktor.

Was bedeutet Consolidated Bioprocessing (CBP) beim 2nd-Generation-Ethanol?

Ein Prozess, der Vorbehandlung, Enzymbildung, Hydrolyse und Fermentation in einem Schritt mit einem Mikroorganismus oder einer Mischkultur kombiniert.

Welche Mikroorganismen müssen meist gentechnisch verändert werden, um Ethanol aus breitem Zuckerspektrum effizient zu produzieren?

Bakterien wie Escherichia coli, Klebsiella oxytoca oder Clostridium-Arten.

Warum ist eine hohe Fermentationsgeschwindigkeit industriell wichtig?

Sie erhöht die Produktivität, verkürzt Reaktorbelegungszeiten und senkt damit Produktionskosten.

Welche nachhaltigkeitsbezogenen Kritikpunkte betreffen 1st-Generation-Ethanol?

Konkurrenz zu Nahrungs-/Futtermitteln, Landnutzung, begrenzter Ertrag pro Hektar, mögliche ökologische Belastungen.

Welcher Rohstoff liefert laut Tabelle den höchsten Bioethanolertrag pro Hektar in Deutschland?

Zuckerrohr (~6.380 l Ethanol / ha).