Ethanol aus Zuckerhirse: mathematische Modellbetrachtung und -validierung der enzymatischen Hydrolyse und simultanen Presssaft-Kofermentation hydrothermal vorbehandelter Bagasse zur Gewinnung von Ethanol aus Zuckerhirse
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Straubing
Attenkofer
2013
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| Series: | Nachwachsende Rohstoffe in Forschung und Praxis
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|---|---|
| adam_text | INHALTSVERZEICHNIS 9
INHALTSVERZEICHNIS
ZUSAMMENFASSUNG 13
1 EINFUEHRUNG IN DIE THEMATIK 17
1.1 EINLEITUNG 17
1.2 GRUNDLAGEN ZUR KONVERSION VON ZUCKERHIRSE ZU ETHANOL 19
1.2.1 ZUCKERHIRSE ALS NUTZPFLANZE FUER DIE ETHANOLGEWINNUNG 19
1.2.2 VERWENDUNG VON ZUCKERHIRSEPRESSSAFT 21
1.2.2.1 ZUSAMMENSETZUNG 21
1.2.2.2 DIE ALKOHOLISCHE HEFEGAERUNG 22
1.2.3 VERWENDUNG VON ZUCKERHIRSEBAGASSE 24
1.2.3.1 ZUSAMMENSETZUNG UND VERWERTUNGSMOEGLICHKEITEN 24
1.2.3.2 VORBEHANDLUNGSVERFAHREN 26
1.2.3.3 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 30
1.2.3.4 FERMENTATIVE NUTZUNG VON PFLANZENGERUESTZUCKERN 33
1.2.4 SCHLUSSFOLGERUNGEN 35
1.3 KINETIKMODELLE ZUR ENZYMATISCHEN HYDROLYSE UND FERMENTATION 36
1.3.1 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 37
1.3.1.1 MODELLTYPEN 37
1.3.1.2 KINETIK HOMOGENER ENZYMREAKTIONEN 38
1.3.1.3 KINETIK HETEROGENER ENZYMREAKTIONEN 42
1.3.1.4 KINETISCHE MODELLE 50
1.3.2 FERMENTATION 52
1.3.2.1 MODELLTYPEN 53
1.3.2.2 KINETISCHE MODELLE 54
1.3.3 MODELLBILDUNG UND BESTIMMUNG VON KINETISCHEN KONSTANTEN 56
1.3.4 SCHLUSSFOLGERUNGEN 57
1.4 PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG 59
2 METHODIK 61
2.1 VERFAHRENSKONZEPT 61
2.2 EINGESETZTE MATERIALIEN 63
2.2.1 BAGASSE 63
2.2.2 ZUCKERHIRSEPRESSSAFT 65
2.2.3 TECHNISCHE ENZYMPRAEPARATE 66
2.2.4 HEFEPRAEPARAT UND KULTURMEDIUM 68
2.3 VORUNTERSUCHUNGEN ZUM GUELTIGKEITSBEREICH DES MATHEMATISCHEN
SIMULATIONSMODELLS. 69
2.4 MODELLGLEICHUNGEN 79
2.4.1 MODELLUEBERSICHTSSCHEMA UND MODELLANNAHMEN 79
2.4.2 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 81
2.4.3 FERMENTATION 85
2.4.4 SIMULTANE VERZUCKERUNG UND FERMENTATION 86
2.5 SCHLUSSFOLGERUNGEN FUER DIE MATHEMATISCHE MODELLIERUNG 87
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10 INHALTSVERZEICHNIS
3 ERGEBNISSE 91
3.1 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 91
3.1.1 LANGMUIR-ADSORPTIONSPARAMETER 91
3.1.1.1 SS-GLUCOSIDASEN AN LIGNIN 92
3.1.1.2 CELLULASEN AN LIGNIN 94
3.1.1.3 CELLULASEN AN CELLULOSE 96
3.1.1.4 VERGLEICH DER UNTERSCHIEDLICHEN ADSORPTIONSEINFLUESSE 98
3.1.2 KINETIKPARAMETER FUER DIE UMSETZUNG VON CELLOBIOSE ZU GLUCOSE 99
3.1.2.1 ENZYMPRAEPARAT NOVOZYM 188 99
3.1.2.2 ENZYMPRAEPARAT CELLUCLAST 1.5 L 103
3.2 FERMENTATION 105
3.2.1 KINETIKPARAMETER FUER DIE ALKOHOLISCHE GAERUNG MIT GLUCOSE 105
3.2.2 KINETIKPARAMETER FUER DIE ALKOHOLISCHE GAERUNG MIT FRUCTOSE 106
3.3 PARAMETEROPTIMIERUNG 108
3.4 MODELLVALIDIERUNG 112
3.4.1 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 112
3.4.2 SIMULTANE VERZUCKERUNG UND FERMENTATION 119
3.4.3 ENZYMATISCHE HYDROLYSE UND SIMULTANE PRESSSAFT-KOFERMENTATION 123
4 DISKUSSION 129
4.1 PARAMETERSENSIBILITAETSANALYSE DER LANGMUIR-ADSORPTIONSPARAMETER 129
4.2 SPEZIFISCHE CELLULOSE-UMSATZLEISTUNG IN ABHAENGIGKEIT VON DER
ENZYMZUGABE 131
4.2.1 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 132
4.2.2 SIMULTANE VERZUCKERUNG UND FERMENTATION 134
4.2.3 ENZYMATISCHE HYDROLYSE UND SIMULTANE PRESSSAFT-KOFERMENTATION 135
4.3 MINIMALE ENZYMEINSATZMENGE UND LU/FPU-VERHAELTNIS 137
4.4 AUSWIRKUNG DER ZUCKERKONZENTRATION AUF DIE SPEZIFISCHE
CELLULOSE-UMSATZLEISTUNG... 138
4.5 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 141
5 EXPERIMENTELLER TEIL 145
5.1 VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 145
5.1.1 HYDROTHERMALE VORBEHANDLUNG 145
5.1.2 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 146
5.1.2.1 BESTIMMUNG DER LANGMUIR-ADSORPTIONSPARAMETER 146
5.1.2.2 ENZYMREAKTIONSKINETIK DER UMSETZUNG VON CELLOBIOSE ZU GLUCOSE
153
5.1.2.3 MODELLPARAMETERBESTIMMUNG UND-VALIDIERUNG 154
5.1.3 FERMENTATION 155
5.1.4 SIMULTANE VERZUCKERUNG UND FERMENTATION 155
5.2 ANALYSEMETHODEN 156
5.2.1 BAGASSEZUSAMMENSETZUNG 156
5.2.2 ZUCKERHIRSEPRESSSAFT 159
5.2.3 ENZYMGEHALT UND -AKTIVITAET 160
5.2.4 VERFLUESSIGUNG 163
5.2.5 BIOMASSEWACHSTUM 164
INHALTSVERZEICHNIS 11
5.3 VERWENDETE GERAETE 165
5.3.1 GERAETE ZUR PROBENAUFBEREITUNG 165
5.3.2 VERSUCHSAPPARATUREN 165
5.3.3 ANALYSEGERAETE 166
5.4 BERECHNUNGSGRUNDLAGEN 168
5.4.1 ENZYMATISCHE HYDROLYSE 169
5.4.2 FERMENTATION 171
5.4.3 SIMULTANE VERZUCKERUNG UND FERMENTATION 172
5.4.4 ENZYMATISCHE HYDROLYSE UND SIMULTANE PRESSSAFT-KOFERMENTATION 173
5.4.5 COMPUTERGESTUETZTE BERECHNUNG KINEMATISCHER KONSTANTEN 174
5.4.6 STATISTISCHE BEURTEILUNGSKENNGROESSEN ZUR MODELLGUETE 175
5.4.7 BEURTEILUNGSKENNGROESSEN BIOCHEMISCHER PROZESSFIIHRUNGSSTRATEGIEN
177
6 LITERATURVERZEICHNIS 179
ANHANG 191
A ABBILDUNGSVERZEICHNIS 193
B TABELLENVERZEICHNIS 199
C FORMELZEICHEN- UND ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 201
D MATLAB-QUELLCODE 209
E PUBLIKATIONSLISTE 215
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