Glucose zu Ethanol

Die Umwandlung von Zucker in Alkohol oder genauer Glucose in Ethanol ist einer der ältesten bekannten chemischen Prozesse. Glukose wird in einer Vielzahl von Organismen durch eine Reihe von chemischen Reaktionen, die mit einem Prozess beginnen, der Glykolyse genannt wird und mit Fermentation endet, natürlich direkt in Ethanol umgewandelt.

Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt bei der Umwandlung von Zucker in Ethanol. Die Glykolyse benötigt einen geringen Energieeintrag, führt aber zu einem Nettogewinn an Energie für den Organismus. Es ist eine Möglichkeit, wie ein Organismus Zucker in Energie umwandeln kann. Am Ende des Glycolyse-Wegs wurde ein 6-Kohlenstoff-Glucose-Molekül in zwei 3-Kohlenstoff-Pyruvat-Moleküle umgewandelt. Pyruvat kann dann in Abwesenheit von Sauerstoff je nach Organismus entweder in Lactat oder Ethanol umgewandelt werden.

Fermentation

Hefe und andere Mikroorganismen können das Endprodukt der Glycolyse, Pyruvat, in einem zweistufigen Prozess in Ethanol umwandeln. Erstens wird Pyruvat decarboxyliert; Das heißt, ein Kohlendioxidmolekül aus Pyruvat wird entfernt, wodurch Acetaldehyd entsteht. Das für diese Reaktion verantwortliche Enzym wird Pyruvat-Decarboxylase genannt. Acetaldehyd wird dann durch die Wirkungen eines anderen Enzyms, Alkoholdehydrogenase, in Ethanol umgewandelt.

Organismen

Hefe und bestimmte Arten von Bakterien produzieren Ethanol aus Glukose natürlich in Abwesenheit von Sauerstoff. Alkoholproduzierende Bakterien umfassen Stämme von Escherichia und Salmonellen. Viele dieser Bakterien erzeugen auch zusätzliche Produkte, einschließlich anderer Alkohole, organischer Säuren, Polyole und verschiedener Gase. Hefestämme wie Saccharomyces cerevisiae produzieren ebenfalls Ethanol aus Glucose.

Einschränkungen

Hefe wandelt Glukose in Ethanol um, um Energie zu erhalten. Ethanol ist tatsächlich das Abfallprodukt der Reaktion aus Sicht des Organismus. An einem bestimmten Punkt beeinflusst die von Hefe produzierte Ethanolmenge die für den Prozess erforderlichen Enzyme negativ und wird schließlich für die Hefezellen selbst toxisch. Verschiedene Hefestämme sind bei verschiedenen Konzentrationen von Ethanol empfindlich. Der toxische Gehalt an Ethanol für Bierhefe beträgt etwa 5 oder 6 Volumenprozent Ethanol, wohingegen Ethanol für Weinhefe in einem Bereich von etwa 10 bis 15 Prozent toxisch ist. Es gibt speziell kultivierte Hefestämme, die Alkoholgehalte bis zu 21 Prozent Alkohol widerstehen können.

Industrielle Fermentation

Da Ethanol als möglicher Biokraftstoff an Popularität gewonnen hat, werden natürliche Quellen von Materialien, die hohe Mengen an Glucose enthalten, als Ausgangsmaterialien für industrielle Fermentationsprozesse gesucht, die zur Erzeugung großer Ethanolmengen ausgelegt sind. Viele dieser Ausgangsmaterialien sind jedoch in den meisten Ländern zu teuer.

Brasilien hat jedoch ein Kraftstoff-Ethanol-Programm aus Zuckerrohr entwickelt, das sowohl effizient als auch wirtschaftlich ist. In der Vergangenheit war Brasilien stark auf Öl als Kraftstoff angewiesen, was zu erheblichen wirtschaftlichen Problemen führte. Aufgrund verschiedener wirtschaftlicher Entwicklungen hat Brasilien überschüssige Zuckerrohrvorräte. Da Zuckerrohr eine ausgezeichnete Glukosequelle darstellt und billig und in großer Menge produziert werden kann, ist Brasilien in der Lage, Ethanol industriell zu produzieren.

Effizienz

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

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