Mat. IV: Bioethanol aus Zuckerrüben

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siehe auch: Haupttext / 1. Generation mit allg. Übersicht und weiteren Aufgaben sowie AB 2_2.1  Zucker aus der Rübe – die Zuckerrübe

Die Pfahlwurzel der Zuckerrübe (Beta vulgaris) verdickt sich zum Rübenkörper, dessen Gewebe energiereichen Zucker in Form von Saccharose speichert. In einem Kilogramm Zuckerrübe sind etwa 60-90 Gramm Zucker enthalten. Dieser bildet die Grundlage für die Bioethanol-Herstellung. Das folgende Fließschema zeigt den Prozess der Bioethanol-Herstellung aus Zuckerrohr. Möglicherweise unbekannte Begriffe werden im daran Anschluss erklärt. Im weiteren Verlaufe des Textes werden daran 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.

Mat. IV-1 geerntete Zuckerrüben

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

Mat. IV-2 Bioethanol aus Zuckerrüben (schematisch und vereinfacht)

Bioethanol aus Zuckerrüben / 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.

Melasse
Es handelt sich um einen dunkelbraunen, sehr zähen Zuckersirup, der nicht auskristallisieren kann. Die Melasse fällt als Nebenprodukt bei der Zuckerproduktion an. Sie enthält immer noch bis zu 60% Zucker und außerdem Vitamine und Salze.
Der größte Teil der Melasse wird zur Produktion von Bioethanol eingesetzt. Weiterhin kann sie als Futtermittel genutzt werden, aber auch in vielfältiger Art und Weise in der Lebensmittelindustrie. In der Pharmaindustrie wird Melasse u.a. zur Herstellung von Nährböden für Mikroorganismen eingesetzt. Im Haushalt kann Melasse als Brotaufstrich und zum Backen genutzt werden.

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).
In diesem Fall sind es Hefen, die die organischen energiereichen Stoffe der Melasse – vorwiegend Kohlenhydrate – im Rahmen der alkoholischen Gärung mithilfe ihrer Enzyme verarbeiten. Sie wurden 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 zu „Mikroorganismen und Enzyme“.

Vinasse
Nach der Entfernung des im Rahmen der alkoholischen Gärung entstandenen Alkohols bleibt ein Brei zurück, die Vinasse. Pro Volumeneinheit Ethanol entstehen etwa acht Volumeneinheiten Vinasse. Sie wird nach Wasserentzug häufig als Energielieferant – z.B. in der Biogasanlage -, aber auch als Futtermittel und Dünger verwendet. Aufgrund ihrer stofflichen Zusammensetzung kann sie auch als Kulturmedium in der Pflanzen- und Algenzucht benutzt 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 auf 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“.

Bioethanol aus Zuckerrüben / Mikroorganismen und Enzyme

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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