BIOETHANOL

Als Bioethanol oder auch als Agrarethanol bezeichnet man durch Gärung aus Biomasse gewonnenen Ethanol. Ethanol kann man auch durch die Synthese aus Wasser und Ethen unter Zugabe von Schwefelsäure als Katalysator herstellen. Bioethanol und Ethanol unterscheiden sich in Ihrer Struktur nicht.

Bioethanol (Ethanol) ist eine chemische Verbindung, deren Molekül aus zwei Kohlenstoffatomen, Wasserstoff und einer Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) besteht. Es handelt sich um einen Alkohol aus der Untergruppe der n-Alkanole, da in dem Molekül neben zwei Wasserstoffatomen nur eine Hydroxylgruppe an ein aliphatisches C-Atom gebunden ist.

Häufig wird diese Verbindung umgangssprachlich als Alkohol (Trinkalkohol) bezeichnet, obwohl sie nur der prominenteste Vertreter der Stoffgruppe der Alkohole ist. Gebräuchlich sind auch die Bezeichnungen Ethylalkohol, Weingeist und Spiritus; früher wurden auch die Bezeichnungen Äthylalkohol oder Äthanol verwendet.

Die Herstellung von Bioethanol

Bioethanol wird durch alkoholische Gärung und anschließende Destillation und Absolutierung aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Für die Produktion von Bioethanol kommen drei Arten von Pflanzen in Frage:

Bioethanol aus stärkehaltigen Pflanzen: Mais, Kartoffeln, Roggen, Weizen
Bioethanol aus zuckerhaltigen Pflanzen: Zuckerrüben, Zuckerrohr
Bioethanol aus zellulosehaltigen Pflanzen: Holz, Stroh

Neben stärkehaltigen Pflanzen (Weizen, Roggen, Mais) sind Zuckerrohr und -rüben die am häufigsten verwendeten Ausgangsmaterialien für die Bioethanolproduktion. Mais ist für Europa als Rohstoff uninteressant, aber Zuckerrüben und Zuckerrübenmelasse, Kartoffeln so wie die verschiedenen Getreidearten werden bereits zur Bioethanolproduktion eingesetzt.

Ausgangsstoff für Bioethanol sind die in Pflanzen enthaltenen Kohlenhydrate (Zucker), aus denen mit Hilfe von Enzymen und Hefepilzen Alkohol entsteht. Während zuckerhaltige Pflanzen direkt vergoren werden, geht bei stärkehaltigen Pflanzen der eigentlichen alkoholischen Gärung zunächst der enzymatische Aufschluss des Pflanzenmaterials voraus. Dies trifft in der gleichen Weise auch auf zellulosehaltige Pflanzen zu.

Der Gärprozess ist dann abgeschlossen, wenn entweder der Zucker verbraucht oder eine maximale Alkoholkonzentration erreicht ist. Der entstehende Bioethanol / Ethylalkohol (chemische Formel: CH3CH2OH) wird durch Destillation abgetrennt.

Um den Alkohol (Bioethanol) als Treibstoff verwenden zu können, folgt anschließend die Absolutierung. Dabei wird dem Alkohol Wasser entzogen, so dass am Ende Bioethanol mit einem Reinheitsgrad von über 99 Prozent entsteht.

: Bioethanol (chemische Formel: CH3CH2OH)

Herstellungsschritte der Bioethanolproduktion

1. Maischen

(stärkehaltige Rohstoffe wie Roggen, Mais und Kartoffeln; zellulosehaltige Rohstoffe wie Holz und Stroh)

Die verwendeten Rohstoffe werden in der ersten Phase der Bioethanolherstellung zerkleinert und unter Zugabe von Verflüssigungsenzymen auf eine Temperatur von 90 °C erhitzt. Dabei kommt es zur Verflüssigung der Maische, welche anschließend bei einer Temperatur von ca. 55 - 60 °C mit technischen Verzuckerungsenzymen versetzt wird und dabei die vorhandene Stärke in Zucker umwandelt. Die jetzt süße, verzuckerte Maische wird auf Temperaturen von ca. 18 bis 20 °C heruntergekühlt. Diese 1. Stufe der Bioethanolherstellung entfällt für zuckerhaltige Pflanzen wie Zuckerrohr und Zuckerrübe.

2. Fermentation / Gärung

Bioethanol wird durch Fermentation (Gärung) gewonnen. Die alkoholische Gärung ist die Bezeichnung für den anaeroben Abbau von Kohlenhydraten zu Alkohol durch die Enzyme von Mikroorganismen oder Hefen. Ein wichtiger Ethanollieferant des Menschen ist die Backhefe (Saccharomyces cerevisiae). Dieser Schlauchpilz baut Glukose zu Pyruvat ab, wie dies alle Organismen im Stoffwechselweg der Glykolyse tun, und setzt Pyruvat zu Acetaldehyd - katalysiert durch die Pyruvatdekarboxylase - und dieses zu Bioethanol durch die Ethanoldehydrogenase um. Dieser Prozess wird als alkoholische Gärung bezeichnet.

Die für die Fermentation/Gärung zucker- und stärkehaltiger Pflanzen verwendete Hefe entwickelt bei der Gärung aus dem Zucker der Maische Kohlendioxid und Alkohol (Bioethanol). Die Gärdauer beträgt 72 - 96 Stunden. Die jetzt saure Maische (pH 4,0) besitzt einen Alkoholgehalt von maximal 12-18 Vol.-%.

3. Destillation

Die saure Maische wird gekocht und Bioethanol verdampft. Dabei wird ein Bioethanol-Wasser-Gemisch und ein von Alkohol befreiter Rückstand (Schlempe) gewonnen. Zur Aufkonzentrierung und Reinigung des Alkohols (Bioethanols) wird das Bioethanol-Wasser-Gemisch in einer Kolonne rektifiziert. Weil Alkohol leichter verdampft, reichert er sich im Dampf an. Der Dampf wird kondensiert und hochkonzentrierter Bioethanol (maximal 96 Vol.-%) gewonnen. Der Bioethanol wird dann in speziell explosionsgeschützten Tankanlagen gelagert.

Das beim Herstellungsprozess von Bioethanol als Destillationsrückstand anfallende Nebenprodukt Schlempe findet hauptsächlich als eiweißhaltiges Futtermittel Verwendung, kann aber auch direkt als Substrat in Biogasanlagen eingesetzt werden, um daraus weitere Energie zu gewinnen.

Der Herstellungsprozess von Bioethanol

Bioethanol als Kraftstoff

Unter dem Aspekt der Erfüllung des Kyoto-Protokolls und potentieller neuer Märkte für die Landwirtschaft blickt Europa heute neben Biodiesel auch auf Bioethanol (Kraftstoffalkohol), zudem Biodiesel nicht für alle Energiemärkte interessant und das Potential von Bioethanol wesentlich größer ist. Seit der Einführung von Biodiesel unter der Förderung des Anbaus nachwachsender Rohstoffe ist dieser Ansatz für die Landwirtschaft nicht neu.

Doch welche Energiepflanze hat die besten Zukunftschancen? Raps (für Pflanzenöl und Rapsmethylester / Biodiesel), Weizen und Roggen (zur Nahrungsmittel- und Bioethanolproduktion) oder Mais (zur Biogas- und Biomethanproduktion). Das wichtigste Kriterium bezüglich Wirtschaftlichkeit ist der Energieertrag pro Hektar unter Berücksichtigung des aufgewendeten Energieeinsatzes. Doch nicht alleine der beste Flächenertrag zählt. Der Landwirt muß auch auf die richtige und ausgewogene Fruchtfolge auf seinen Flächen achten.

So können heute in einem landwirtschaftlichen Betrieb, auch ohne die Gefahr einer Monokultur und damit einer Auslaugung der Böden, auf bis zu 100 % der Flächen unterschiedliche nachwachsende Rohstoffe angebaut werden.