Bioethanol und Fermentationsprodukte aus Carob
Der fleischige Teil der Johannisbrotfrucht enthält bis zur Hälfte ihres Trockengewichts an Zucker. Dieser hohe und leicht extrahierbare Zuckergehalt macht Johannisbrot zu einer interessanten Rohstoffe, nicht nur für Lebensmittel, sondern auch für die industrielle Fermentation. In den letzten drei Jahrzehnten wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um verschiedene Fermentationsprodukte aus Johannisbrot zu gewinnen, insbesondere Bioethanol, Zitronensäure, Milchsäure und Mannitol.
In diesem Artikel erläutern wir das Zuckerprofil von Johannisbrot, die bei der Bioethanolproduktion verwendeten Methoden und die erzielten Ergebnisse, die Bewertung von Johannisbrotabfällen für Bioethanol der zweiten Generation, andere Fermentationsprodukte sowie die wirtschaftlichen und technischen Einschränkungen in diesem Bereich.
Das Zuckerprofil von Carob: Die Grundlage der Fermentation
Die meisten durch Fermentation produzierten Produkte basieren auf Mikroorganismen, die Zucker umwandeln. Daher hängt der Wert eines Rohstoffs bei der Fermentation stark von seinem Zuckergehalt und der Leichtverfügbarkeit dieser Zucker ab.
In der Studie von 2007 von Biner et al., die Johannisbrot aus den Mittelmeer- und Ägäisbecken der Türkei untersuchte, wurde berichtet, dass der häufigste Zucker in samenlosen Schoten Saccharose war, während Glukose und Fruktose in geringeren Mengen vorkamen. Der Gesamtzucker wurde mit 531 ± 93 g/kg Trockengewicht und 437 ± 77 g/kg in Wildarten in kultivierten Sorten gemessen.
Ein ähnliches Bild zeigt sich bei industriellen Nebenprodukten. Lima-Costa et al. stellten fest, dass kleine Splitter aus der Karob-Verarbeitungsindustrie 45–50 Prozent löslichen Zucker enthalten; Rodrigues et al. geben an, dass etwa 50 Prozent des Trockengewichts von Johannisbrotabfällen aus Saccharose, Glukose und Fruktose bestehen.
Ein wichtiges Merkmal, das Johannisbrotød von vielen lignocellulosehaltigen Rohstoffen unterscheidet, ist, dass seine Zucker weitgehend frei sind. Während Rohstoffe wie Holz und Stroh eine Vorbehandlung und enzymatische Hydrolyse benötigen, um Zucker freizusetzen, können Zucker mit Wasser im Karob extrahiert werden.
Wichtige Schritte der Bioethanolproduktion
Die Herstellung von Bioethanol aus Johannisbrot besteht im Allgemeinen aus folgenden Schritten:
| Zubereitung | Das Johannisbrot brechen, die Samen trennen |
| Zuckergewinnung | Zucker in die flüssige Phase mit heißem Wasser entfernen |
| Fermentation | Umwandlung von Zucker in Ethanol durch Hefen oder Bakterien |
| Destillation und Reinigung | Trennung von Ethanol aus dem Fermentationsmedium |
Das Prozessdesign von Sánchez-Segado et al. für eine hypothetische Bioethanolanlage folgt dieser Logik: wässrige Zuckerextraktion aus Schoten, gefolgt von Fermentation und Destillation.
Eine der wichtigen Studien zu Extraktionsbedingungen stammt von Turhan et al. Die Forscher bestimmten die optimalen Extraktionsbedingungen für Johannisbrotfrüchte mittels Reaktionsoberflächenmethode; Sie erhielten einen Extrakt mit 115,3 g/L Zucker bei einer Temperatur von 80 °C, 2 Stunden und einem Verhältnis von 1:4 Frucht zu Wasser.
Fermentation mit Hefe: Forschungsergebnisse
Der am häufigsten untersuchte Mikroorganismus bei der Herstellung von Ethanol aus Johannisbrotextrakt ist Saccharomyces cerevisiae, auch bekannt als Brot und Brauhefe. Die folgende Tabelle fasst einige der Ergebnisse verschiedener Studien zusammen:
| Betrieb | Methode | Haupt gemeldetes Ergebnis |
|---|---|---|
| Turhan et al. (2010) | Freier S. cerevisiae, pH-kontrolliert (5,5) | 42,6 g/L Ethanol; Produktionsrate 3,37 g/L/h |
| Yatmaz, Turhan und Karhan (2013) | Ca-Alginat immobilisierte S. cerevisiae, bewegte Tank-Bioreaktor | 40,10 g/L Ethanol; 3,19 g/L/stunde; Zuckerverbrauch 90,66 %; Dauer 24 Stunden |
| Roukas (1994) | Bewegungsunfähige S. cerevisiae, bewegte Kultur | Höchster Ethanol bei 65 g/L; 0,44 g/g Ausbeute |
| Lima-Costa et al. (2012) | Zuckerhoch-Medium, Charge und Futterbatch | 90–95 % des verbrauchten Zuckers; Ertrag 0,47–0,50 g/g; 100–110 g/L Ethanol |
| Rodrigues et al. (2015) | Johannisbrotabfälle, unterschiedliche anfängliche Zuckerkonzentrationen | Ertrag von 0,42 g/g bei 250 g/L Starterzucker |
Die in der Tabelle enthaltenen Werte sollten nicht direkt miteinander verglichen werden, da sie unter unterschiedlichen Bedingungen, auf unterschiedlichen Skalen und mit unterschiedlichen Messmethoden ermittelt wurden. Dennoch zeigt das Gesamtbild, dass Johannisbrotzucker stark von Hefen verbraucht werden und eine Ethanolumwandlung nahe dem theoretischen Ertrag möglich ist.
Einige technische Lehren aus diesen Studien sind wie folgt:
| pH-Kontrolle | Turhan et al. erreichten eine höhere Ethanolkonzentration und Produktionsrate als den unkontrollierten pH-Wert, indem sie den pH-Wert bei 5,5 hielten. |
| Stickstoffquelle | In derselben Studie wurden wirtschaftliche Stickstoffquellen untersucht; Raposo et al. untersuchten außerdem verschiedene organische und anorganische Stickstoffquellen bei der Ethanolproduktion aus Johannisbrotabfällen. |
| Immobilisierung | In der Studie von Yatmaz et al. wurde gezeigt, dass immobilisierte Zellen für fünf Zyklen wiederverwendet werden können. |
| Zuckerkonzentration | Rodrigues et al. berichteten, dass die anfängliche Zuckerkonzentration den Hefestoffwechsel signifikant verändert; bei hohen Konzentrationen wird Zucker fast vollständig auf Ethanol umgeleitet. |
Bakterielle Fermentation und Festkörperansätze
Neben Hefen wurde das Bakterium Zymomonas mobilis auch in der Ethanolproduktion aus Johannisbrot getestet. Vaheed et al. optimierten die Ethanolproduktion aus Johannisbrotextrakt mit Z. mobilis durch statistisches experimentelles Design. Saharkhiz et al. hingegen wiesen darauf hin, dass die Zuckerextraktion ein kostspieliger Schritt ist, untersuchten eine "fest untergetauchte" Fermentation, die keine Extraktion erfordert, und erzielten 0,42 g Ethanol pro Gramm Ausgangszucker mit Z. mobilis unter 30 °C und einem pH-Wert von 5,3.
Die Idee, den Extraktionsschritt zu reduzieren, rückt auch bei der Bewertung von Johannisbrotabfällen in den Vordergrund. Bahry et al. beschrieben einen Prozess zur Herstellung von Ethanol der zweiten Generation aus festen Abfällen, die bei der Herstellung von Johannisbrotsirup in der libanesischen Lebensmittelindustrie übrig geblieben sind; sie verglichen die untergetauchte Fermentation mit der Festkörperfermentation. In der Studie wurde berichtet, dass der Betrieb der Festkörperfermentation einfacher und kosteneffektiver ist, mit einer Ausbeute von 0,458 g Ethanol pro Gramm verbrauchtem Zucker.
Johannisbrotabfälle und Bioethanol der zweiten Generation
Bioethanol der "ersten Generation" wird direkt aus zuckerhaltigen oder stärkehaltigen Rohstoffen hergestellt, die auch als Lebensmittel verwendet werden können, während Bioethanol der "zweiten Generation" aus landwirtschaftlichen und industriellen Abfällen hergestellt wird. Carob nimmt in dieser Unterscheidung eine interessante Stellung ein.
Der Hauptwirtschaftswert von Johannisbrot stammt hauptsächlich aus dem aus dem Kern gewonnenen Gummi; Pulp wird zu Produkten wie Mehl, Melasse und Futtermittel verarbeitet. Kleine Risse, die während der Verarbeitung entstehen, sowie Zellstoff aus Melasse oder Sirupproduktion können dennoch erhebliche Mengen Zucker enthalten. Lima-Costa et al. identifizieren die Abfallstoffe der Karob-Verarbeitungsindustrie als potenzielle Quelle für Bioethanol der zweiten Generation.
Dieser Ansatz ist auch für die Kreislaufwirtschaft in der Karobindustrie sinnvoll: Die Umwandlung der zuckerhaltigen Nebenprodukte, die nach der Herstellung von Lebensmitteln übrig bleiben, in Energie- oder chemische Rohstoffe ermöglicht es, mehr Wert aus demselben Rohstoff zu gewinnen.
Fermentationsprodukte außer Bioethanol
Karobzucker wurden als Nährstoff nicht nur für Ethanol, sondern auch für verschiedene biotechnologische Produkte ausprobiert.
Zitronensäure: In Roukas' Studie von 1998 wurde die Herstellung von Zitronensäure durch Oberflächenfermentation aus Johannisbrotextrakt mit Aspergillus niger-Schimmel untersucht; 200 g/L Anfangszucker und Zitronensäurekonzentration bis zu 85,5 g/L wurden unter pH-Bedingungen von 6,5 und 30 °C erreicht.
Milchsäure: Azaizeh et al. untersuchten die Produktion von Milchsäure aus Biomassen von Johannisbrot, Bananen und Zuckerrohr; berichteten, dass die Zugabe von Hefeextrakt im Johannisbrot die Produktivität steigerte. Bahry et al. optimierten außerdem die Milchsäureproduktion aus Johannisbrotabfällen der libanesischen Lebensmittelindustrie mit Lactobacillus rhamnosus, der in Alginatperlen eingeschlossen war.
Mannitol: In der Studie von Carvalheiro et al. wurden acht Milchsäurebakterien, die Mannitol produzieren, in angereichertem Johannisbrotsirup produziert; alle Stämme wurden berichtet, Mannitol mit einem Ertrag von über 0,70 g pro Gramm Fruktose zu produzieren.
| Produkt | Mikroorganismus (Beispiel) | Möglicher Anwendungsfall |
|---|---|---|
| Ethanol | Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis | Brennstoff-, Lösungsmittel-, Chemieindustrie |
| Zitronensäure | Aspergillus niger | Lebensmittel-Säuerungsmittel, Pharmazeutika und Reinigungsmittel |
| Milchsäure | Bacillus coagulans, Lactobacillus rhamnosus | Lebensmittelzusatzstoff, Bioplastik (PLA) Rohstoff |
| Mannitol | Milchsäurebakterien (Leuconostoc usw.) | Kalorienarmer Süßstoff, Pharmaindustrie |
Wirtschaftliche und technische Einschränkungen
Die vielversprechenden Ergebnisse im Labor- und Pilotmaßstab bedeuten nicht, dass Karobs als Bioethanol-Rohstoff im industriellen Maßstab verwendet werden kann. Dafür gibt es mehrere Gründe:
| Rohstoffkosten | Die ökonomische Analyse von Sánchez-Segado et al. für die hypothetische Anlage zeigte, dass die Rentabilität stark vom Preis der Heuschreckenbohnen-Schote abhängt und dass die Pflanze nur unter einem bestimmten Rohstoffpreis profitabel sein kann. Es wurde auch berichtet, dass eine Kapazitätserhöhung die Kosten beeinflusst. |
| Konkurrenzanwendungen | Johannisbrotpulp wird im Lebensmittelsektor (Mehl, Melasse, Sirup) und Futtermittel verwendet; diese Anwendungen bieten im Allgemeinen einen höheren Mehrwert als die Energieproduktion. |
| Saisonalität und Versorgung | Johannisbrot wird einmal jährlich geerntet; für eine ständig betriebene Anlage ist es notwendig, das Rohmaterial zu lagern. |
| Extraktionskosten | Wie Saharkhiz et al. betonen, ist die Zuckergewinnung ein kostspieliger Schritt; daher werden Alternativen wie Festkörpergärung und fest untergetauchte Fermentation erforscht. |
Aus diesen Gründen gewinnt die Bioethanolproduktion aus Johannisbrot an Bedeutung innerhalb eines Bioraffinerieansatzes, bei dem zuckerhaltige Nebenprodukte, die nach der Lebensmittelverarbeitung entstehen, bewertet werden und nicht als Primärprodukt.
Häufig gestellte Fragen
Warum gilt Carob als geeignetes Rohmaterial für Bioethanol? Johannisbrotfrucht enthält bis zu etwa die Hälfte seines Trockengewichts an Zucker, die leicht mit Wasser extrahiert werden können, da sie weitgehend frei sind.
Wird Bioethanol aus Johannisbrot im kommerziellen Maßstab hergestellt? Die in diesem Artikel untersuchten Quellen sind hauptsächlich Labor-, Pilot- und hypothetische Pflanzenstudien. Wirtschaftliche Analysen zeigen, dass die Rentabilität stark vom Rohstoffpreis abhängt.
Was bedeutet Bioethanol der zweiten Generation? Es handelt sich um Bioethanol, das aus landwirtschaftlichen und industriellen Abfällen hergestellt wird, anstatt aus Rohstoffen, die direkt als Lebensmittel verwendet werden. Karobverarbeitungsabfälle und Sirupproduktionspulps werden in diesem Zusammenhang bewertet.
Was kann aus Johannisbrot außer Ethanol hergestellt werden? In der Forschung wurden Produkte wie Zitronensäure, Milchsäure und Mannitol aus Johannisbrotzucker durch Fermentation gewonnen.
Karob-Rohmaterial mit Carob Türkiye
In fermentationsbasierten Anwendungen, wie auch in Lebensmittelanwendungen, beeinflussen Sauberkeit, Feuchtigkeit und Konsistenz des Zuckergehalts des Rohstoffs direkt das Ergebnis. Die Verwendung von Standardrohmaterialien in Forschungs- und Entwicklungsprojekten ist ebenfalls wichtig für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
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Ausländische Quellen
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