Glucose zu Ethanol

Die Umwandlung von Zucker in Alkohol oder genauer gesagt von Glucose in Ethanol ist einer der ältesten bekannten chemischen Prozesse. Glukose wird in einer Reihe von chemischen Reaktionen die mit einem als Glykolyse bezeichneten Prozess beginnen und mit der Fermentation enden auf natürliche Weise direkt in Ethanol umgewandelt.

Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt im Umwandlungsprozess Zucker zu Ethanol. Die Glykolyse erfordert einen geringen Energieeintrag führt jedoch zu einem Netto-Energiegewinn für den Organismus. Auf diese Weise kann ein Organismus Zucker in Energie umwandeln. Am Ende des Glykolysepfades wurde ein 6-Kohlenstoff-Glucosemolekül in zwei 3-Kohlenstoff-Pyruvatmoleküle umgewandelt. Pyruvat kann dann in Abwesenheit von Sauerstoff je nach Organismus entweder in Laktat oder Ethanol umgewandelt werden. Hefe und andere Mikroorganismen können das Endprodukt der Glykolyse Pyruvat in Ethanol umwandeln ein zweistufiger Prozess. Zunächst wird Pyruvat decarboxyliert; Das heißt ein Kohlendioxidmolekül aus Pyruvat wird entfernt wodurch Acetaldehyd entsteht. Das für diese Reaktion verantwortliche Enzym heißt Pyruvat-Decarboxylase. Acetaldehyd wird dann durch die Wirkung eines anderen Enzyms der Alkoholdehydrogenase in Ethanol umgewandelt.

Organismen

Hefen und bestimmte Arten von Bakterien produzieren auf natürliche Weise Ethanol aus Glucose ohne Sauerstoff. Zu den alkoholproduzierenden Bakterien gehören Escherichie- und Salmonellenstämme. Viele dieser Bakterien erzeugen auch zusätzliche Produkte einschließlich anderer Alkohole organischer Säuren Polyole und verschiedener Gase. Hefestämme wie Saccharomyces cerevisiae produzieren auch Ethanol aus Glucose.

Einschränkungen

Hefe wandelt Glucose in Ethanol um um Energie zu gewinnen. Ethanol ist eigentlich das Abfallprodukt der Reaktion aus Sicht des Organismus. Ab einem bestimmten Punkt beeinflusst die Menge an Ethanol die von Hefe produziert wird die für den Prozess erforderlichen Enzyme negativ und wird schließlich für die Hefezellen selbst toxisch. Unterschiedliche Hefestämme sind bei unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen empfindlich. Der toxische Ethanolgehalt für Bierhefe beträgt etwa 5 bis 6 Volumenprozent Ethanol während Ethanol für Weinhefe in einem Bereich von etwa 10 bis 15 Prozent toxisch ist. Es gibt speziell gezüchtete Hefestämme die einem Alkoholgehalt von bis zu 21 Prozent standhalten.

Industrielle Fermentation

Da Ethanol als möglicher Biokraftstoff immer beliebter wird werden natürliche Quellen für Materialien mit hohem Glucosegehalt gesucht als Ausgangsstoffe für industrielle Fermentationsprozesse zur Herstellung von Ethanol in großen Mengen. Viele dieser Ausgangsmaterialien sind jedoch in den meisten Ländern zu teuer für die Verwendung.

Brasilien hat jedoch ein Kraftstoff-Ethanol-Programm aus Zuckerrohr entwickelt das sowohl effizient als auch wirtschaftlich ist. In der Vergangenheit war Brasilien in hohem Maße auf importiertes Öl als Kraftstoff angewiesen was zu erheblichen wirtschaftlichen Problemen führte. Aufgrund verschiedener wirtschaftlicher Entwicklungen gab es in Brasilien übermäßige Zuckerrohrvorräte. Da Zuckerrohr eine ausgezeichnete Quelle für Glukose ist und kostengünstig und in großen Mengen hergestellt werden kann ist es Brasilien gelungen Ethanol in industriellem Maßstab herzustellen.

Effizienz

Viele verschiedene Arten von Bakterien und Hefen Mikroorganismen können zur Fermentation verwendet werden. Der spezifische Hefestamm Saccharomyces cerevisiae auch als Bäckerhefe bekannt ist jedoch der am häufigsten verwendete Organismus. Theoretisch könnte S. cerevisiae 100 g Glucose in 51 4 g Ethanol und 48 8 g Kohlendioxid umwandeln. In der Praxis ist der tatsächliche Ertrag jedoch viel geringer da die Hefe einen Teil dieser Glukose für das Wachstum benötigt