Mat. V: Bioethanol aus Getreide

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siehe auch: Haupttext / 1. Generation  mit allg. Übersicht und weiteren Aufgaben sowie https://de.wikipedia.org/wiki/Getreide (Zugriff: 2020-02-01)

In der Regel handelt es sich um Weizen, Triticale, Roggen oder Mais. Letzteres wird vor allem in den USA als Rohstoff eingesetzt. Zunächst muss die im Getreide vorliegende Stärke im Rahmen der sogenannten „Verzuckerung“ in Zucker umgewandelt werden (siehe unten). Erst dann kann die eigentliche Bioethanol-Herstellung beginnen. Das folgende Fließschema zeigt den Prozess der Bioethanol-Herstellung aus Getreide. Möglicherweise unbekannte Begriffe werden im Anschluss daran erklärt. Im weiteren Verlaufe des Textes werden beteiligte Mikroorganismen und Enzyme vorgestellt und erläutert.   Einerseits ist es schon faszinierend, wie aus gespeicherter Sonnenenergie ein energiereicher Stoff als Ausgangspunkt für neue Produkte hergestellt  wird. Andererseits wurde im Haupttext bereits deutlich, dass die Herstellung von Biokraftstoffen der sogenannten 1. Generation sowohl positiv als auch negativ beurteilt wird (siehe Abb. AB EB_6-1). Die Aufgaben 5 – 8 im Haupttext (siehe hier) befassen sich unter Einbeziehung des Mat.I Produkte in Zeiten des Klimawandels … genauer mit diesen Aspekten.

Abb. Mat. V-1 Getreide / Weizenähre

Bioethanol aus Getreide / Fließschema
Im Anschluss daran befinden sich Erklärungen zu einzelnen Begriffen.

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Bioethanol aus Getreide / Erklärungen zum Fließschema

Nebenprodukte / Kopplungsprodukte
Das Ziel eines Produktionsprozesses ist in der Regel die Herstellung eines Produktes. Im Rahmen einzelner Arbeitsschritte kann es dazu kommen, dass aus verfahrenstechnischen Gründen zwangsläufig ein weiteres Produkt / weitere Produkte entsteht / entstehen. Dabei handelt es sich um sogenannte Nebenprodukte. Sind diese für neue, außerhalb des eigentlichen Produktionsziels befindliche Anwendungen verwertbar, bezeichnet man diese Produkte als Kopplungsprodukte.

Maische
Nach dem Zermahlen wird das vorhandene Mehl mit Wasser versehen und das Gemisch erwärmt. Im Mehl werden durch Feuchte und Wärme Abbauprozesse eingeleitet. In diesem Zustand spricht man von Maische.

Fermenter / Stärkeabbau
Fermentation (lat.: fermentum „Gärung“ / “Sauerteig”) bezeichnet in der Biologie und Biotechnologie die mikrobielle oder enzymatische Umwandlung organischer Stoffe.
Ein Fermenter kann auch als Bioreaktor bezeichnet werden, in dem Mikroorganismen,  Zellen oder Enzyme unter kontrollierten optimalen Bedingungen wirken und in den Fermenter gegebene Stoffe um- oder abbauen.
Ein Fermenter ist wesentlicher Bestandteil sehr vieler biotechnologische Anwendungen.
Typische Beispiele sind das Bierbrauen (= alkoholische Gärung) und die Kläranlage (= Abbau bestimmter organischer Stoffe).
In diesem Fall sind es die im Getreide natürlicherweise vorkommenden oder gentechnisch hergestellten und zugesetzten Enzyme, die die Stärke nach und nach bis hin zum Monosaccharid Glucose abbauen. Man spricht auch von einer „Verzuckerung” der Stärke.
Das Ergebnis ist die verzuckerte Maische.

siehe Abschnitt unten zu „Mikroorganismen und Enzyme“.

Fermenter oder (Bio-) Reaktor / alkoholische Gärung
Fermentation (lat.: fermentum „Gärung“ / „Sauerteig“) bezeichnet in der Biologie und Biotechnologie die mikrobielle oder enzymatische Umwandlung organischer Stoffe.
Ein Fermenter kann auch als Bioreaktor bezeichnet werden, in dem Mikroorganismen,  Zellen oder Enzyme unter kontrollierten optimalen Bedingungen wirken und aufgrund ihrer Leistungen in den Fermenter gegebene Stoffe um- oder abbauen.
Ein Fermenter ist wesentlicher Bestandteil sehr vieler biotechnologische Anwendungen.
Typische Beispiele sind das Bierbrauen (= alkoholische Gärung) und die Kläranlage (= Abbau bestimmter organischer Stoffe). An  dieser Stelle sind es Hefen, die verzuckerte Maische – vorwiegend die Kohlenhydrate – im Rahmen der alkoholischen Gärung verarbeiten. Heutzutage sind sie mithilfe der Gen- und Biotechnologie in ihren Leistungen optimiert (siehe AB 15_2.3). Die Endprodukte sind im wesentlichen Alkohol, Wasser und Kohlenstoffdioxid.

siehe Abschnitt unten zu „Mikroorganismen und Enzyme“.

Schlempe
Die Schlempe enthält die Rückstände, die nach dem Abfiltrieren des Alkohols zurückbleiben.
Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Eiweiße, Fette und Mineralstoffe.
Die Schlempe kann nach weiterer Aufbereitung als Futtermittel oder Dünger genutzt werden.

Destille
Destillieren (lat.: destillare / „herabtröpfeln“) ist ein Trennverfahren, um  ein flüssiges Gemisch verschiedener ineinander löslicher Stoffe zu trennen. In diesem Fall wird das erzeugte Alkohol-Wasser-Gemisch verdampft und in einem sich anschließenden Kühler wieder abgekühlt. Bei diesem Prozess trennen sich Wasser- und Alkoholanteile. In der Regel muss dieser Vorgang mehrfach durchgeführt werden, um die entsprechende Alkoholkonzentration zu erreichen.

Dehydrierer
Um in Ottomotoren Bioethanol einsetzen zu können, muss Ethanol eingesetzt werden, das aus mindestens 99,3 Vol.% konzentriert ist. Nach der Destillation beträgt dieser Wert jedoch nur ca. 95 Vol.%. Der Einsatz von Chemikalien – häufig Cyclohexan – und nochmals mehrfache hintereinander geschaltete spezielle Destillationsgeräte ermöglichen die weitere Reduzierung des Wasseranteils. Die verwendeten Chemikalien werden in den Kreislauf zurückgeführt. Der Fachbegriff für diesen Vorgang lautetet „Rektifikation“.

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Bioethanol aus Getreide / Mikroorganismen und Enzyme

A. Verzuckerung

Hinweis: Zur Hervorhebung der Aktivität von Enzymen ist deren Vorkommen bzw. Einsatz in den folgenden Abbildungen als Raute in verschiedenen Farben dargestellt.

Sowohl bei der Zuckerrübe als auch beim Zuckerrohr kann die Glucose direkt vergoren werden. Anders ist es bei der Verwendung von Getreide (Weizen, Mais, etc.). Hier muss zunächst das Makromolekül Stärke durch den Einsatz von Enzymen zu Monosacchariden, in diesem Fall zu Glucose, umgewandelt werden. Die damit verbundenen enzymatischen Vorgänge nennt man „Verzuckerung“ (Abb. Mat.V-3).

Im Unterschied zu der später erfolgenden Gärung (s.u.) werden an dieser Prozessstelle keine lebenden Organismen eingesetzt, sondern verschiedene Enzyme direkt in den Abbauprozess eingeschleust. Sie werden häufig in ihrer Struktur den Bedürfnissen angepasst und mithilfe gentechnologisch veränderter Mikroorganismen hergestellt (siehe AB 15_2.3).  Ein Ziel war und ist bei diesen Anpassungen z.B. eine optimale Enzymaktivität bei geringeren Temperaturen als bisher üblich zu erreichen (siehe Enzym Teil 2 Temp-Opt.).

Die folgende Abbildung zeigt die Leistungen verschiedener Enzyme, um aus Stärke die für die Bioethanol-Herstellung notwendigen Monosaccharide (= Glucose) zu erhalten.

Der Einsatz dieser Enzyme ist inzwischen in vielen Bioethanol-Fabriken üblich.
Sie spielen übrigens nicht nur im Rahmen der Bioethanol-Herstellung, sondern auch bei der Herstellung von Glucose-Fructose-Sirup aus Mais-Stärke eine Rolle (siehe AB 11_2.1).

Erläutere den Aufbau und die Funktion von Stärke (siehe hier) Der mehrfach in der Abbildung verdeutlichte und enzymatisch ausgelöste Vorgang heißt „Hydrolyse“. Erkläre diesen Vorgang (siehe im Exk. Chemie u. im Exk. Enzyme)

Bioethanol aus Getreide / Mikroorganismen und Enzyme

B. Vergärung von Zucker

Die Inhalte und damit auch die Aufgabenstellungen zu der sich anschließenden Verarbeitung der Zucker zu Bioethanol sind identisch mit den Inhalten der Materialien zur Bioethanol-Herstellung aus Zuckerrohr (siehe Mat. III).

 

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