VOM REAGENZGLAS ZUM REAKTOR Der Prozess der BioethanolProduktion

„VOM REAGENZGLAS ZUM REAKTOR“ Der Prozess der Bioethanol-Produktion Erarbeitung eines Verfahrensfließbildes Folie 1

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 2

Text Bioethanol-Produktion - Bauteile § Zur Gewinnung von Bioethanol werden zerkleinerte, stärkehaltige Pflanzen verwendet, z. B. Getreide. Zugegebene Enzyme setzen die Stärke in wässriger Umgebung im Maischebottich zu Zucker um. Aktuelle Forschung befasst sich mit der Einsetzbarkeit zellulosehaltiger Pflanzenbestandteile. § Alternativ kann Zuckersaft auch aus zuckerhaltigen Pflanzen (z. B. Zuckerrüben) isoliert werden. Dies geschieht in Zuckerfabriken. § Im Gärbottich setzt zugegebene Hefe Zucker zu Ethanol um. Die Hefe enthält die notwendigen Enzyme. Dieser Vorgang heißt Gärung. Als weiteres Gärungsprodukt entsteht Kohlenstoffdioxid. § Nach dem Gärprozess wird durch Destillation ein Gemisch von Alkohol und Wasser von einem Rückstand (Schlempe) abgetrennt. § Zur Verwendung von Alkohol als Kraftstoff muss Ethanol eine Konzentration von über 99, 5% haben. Um die Konzentration an Alkohol zu erhöhen sind Destillationen und weitere Reinigungsschritte notwendig. § Der hochprozentige Alkohol wird an Tankstellen als Treibstoff eingesetzt. § Die Schlempe wird im Dekanter entwässert. Getrocknet und gepresst entsteht eiweißreiches Viehfutter. Um Energie zu sparen, verwertet man die getrocknete Schlempe zur Beheizung der Destillationsanlage. Schlempe nutzt man auch als Rohstoff in Biogasanlagen. Diese leisten als Heizgas einen Beitrag zur Versorgung mit Gas (Methan), Strom und Wärme. Quellen: https: //www. bdbe. de/bioethanol/verfahren, https: //de. wikipedia. org/wiki/Bioethanol Folie 3

Molekularsieb Biogasanlage Gärbottich Maischbottich Destillationsapparatur Rektifikationskolonne Zuckerfabrik Dekanter

Heizgas Biogasanlage Molekularsieb Zuckerfabrik Futtermittel Gärbottich Maischbottich Destillationsapparatur Rektifikationskolonne Heizung Tankstelle Dekanter

Kohlenstoffdioxid Ethanol 12%ig Zucker Zerkleinerte, zuckerhaltige Pflanze Heizung Zuckerfabrik Ethanol >30%ig Tankstelle Rektifikationskolonne Enzyme Zucker Destillationsapparatur Wasser Hefe Gärbottich Zerkleinerte, stärkehaltige Pflanze Maischbottich Ethanol 99, 7%ig (Kraftstoff) Schlempe trocken Dekanter Schlempe nass Proteinhaltige Reststoffe Methan Heizgas Biogasanlage Futtermittel Molekularsieb Organische Reststoffe Ethanol 94, 6%ig

Kohlenstoffdioxid Isolierung des Zuckers Zerkleinerte, zuckerhaltige Pflanze Ethanol 12%ig Zucker Heizung Zuckerfabrik Trocknen Ethanol >30%ig Tankstelle Rektifikationskolonne Enzyme Zucker Abtrennung des Alkohols Gärung Destillationsapparatur Wasser Hefe Gärbottich Zerkleinerte, stärkehaltige Pflanze Maischbottich Stärkeverzuckerung Ethanol 99, 7%ig (Kraftstoff) Konzentrierung Schlempe trocken Umsetzung zu Methan Heizgas Dekanter Schlempe nass Proteinhaltige Reststoffe Biogasanlage Futtermittel Absolutierung Molekularsieb Organische Reststoffe Ethanol 94, 6%ig

Der Prozess der Bioethanol-Produktion MIT EINEM VERFAHRENSFLIEßBILD ARBEITEN Folie 10

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 11

Kohlenstoffdioxid Isolierung des Zuckers Zerkleinerte, zuckerhaltige Pflanze Ethanol 12%ig Zucker Heizung Zuckerfabrik Trocknen Ethanol >30%ig Tankstelle Rektifikationskolonne Enzyme Zucker Abtrennung des Alkohols Gärung Destillationsapparatur Wasser Hefe Gärbottich Zerkleinerte, stärkehaltige Pflanze Maischbottich Stärkeverzuckerung Ethanol 99, 7%ig (Kraftstoff) Konzentrierung Schlempe trocken Umsetzung zu Methan Heizgas Dekanter Schlempe nass Proteinhaltige Reststoffe Biogasanlage Futtermittel Absolutierung Molekularsieb Organische Reststoffe Ethanol 94, 6%ig

Isolierung des Zuckers Zerkleinerte, zuckerhaltige Pflanze Ethanol 12%ig B Zuckerfabrik Trocknen D Heizung Ethanol >30%ig Tankstelle Rektifikationskolonne Enzyme Zucker Abtrennung des Alkohols Gärung Destillationsapparatur Wasser Hefe Gärbottich Zerkleinerte, stärkehaltige Pflanze C Kohlenstoffdioxid Stärkeverzuckerung Maischbottich A Ethanol 99, 7%ig (Kraftstoff) Konzentrierung Schlempe trocken Umsetzung zu Methan Heizgas Dekanter Schlempe nass Proteinhaltige Reststoffe Biogasanlage Futtermittel Absolutierung Molekularsieb Organische Reststoffe Ethanol 94, 6%ig

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 15

Enzyme Isolierung des Zuckers Zerkleinerte, zuckerhaltige Pflanze Zucker Abtrennung des Alkohols Gärung Ethanol 12%ig B Zuckerfabrik Trocknen D Heizung Ethanol >30%ig Tankstelle Rektifikationskolonne Wasser Hefe Gärbottich Maischbottich Zerkleinerte, stärkehaltige Pflanze C Kohlenstoffdioxid Stärkeverzuckerung Destillationsapparatur A Ethanol 99, 7%ig (Kraftstoff) Konzentrierung Schlempe trocken Umsetzung zu Methan Heizgas Dekanter Schlempe nass Proteinhaltige Reststoffe Biogasanlage Futtermittel Absolutierung Molekularsieb Organische Reststoffe Ethanol 94, 6%ig

Chemische Reaktionen bei der Bioethanol-Herstellung Stärkeverzuckerung: Enzyme Stärke Gärung: Zucker Enzyme der Hefe Biogasanlage: Organische Reststoffe Zucker Ethanol + Bakterien Kohlenstoffdioxid Methan + Kohlenstoffdioxid + ….

Der Prozess der Bioethanol-Produktion VERGLEICH MIT RECHERCHIERTEN ABBILDUNGEN Folie 18

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 19

https: //www. unendlich-viel-energie. de/

https: //www. bdbe. de/mediacenter/infografiken

http: //www. cropenergies. com/de/Bioethanol/Produktionsverfahren/

https: //www. kws. de/aw/Zuckerruebe/Energie/Bioethanol/~dxcn/

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Lösung: Verfahrensfließbilder im Internet • sind mehr oder weniger abstrakt, • benutzen Symbole für bestimmte Bauteile (z. B. Wärmetauscher), • beziehen Zeichnungen ein, die an Fotos erinnern, • nutzen Farben und schaffen so Übersicht, • vereinfachen z. B. indem sie anschließende Prozesse nicht betrachten, • vereinfachen z. B. indem sie technische Einrichtungen zum Kreislaufprinzip und zum Gegenstromprinzip nicht darstellen, • zeigen alle die wesentliche Prozessschritte. Folie 25

Der Prozess der Bioethanol-Produktion PROZESSOPTIMIERUNG Folie 26

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 27

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Infotext - Prozessoptimierung Kreislaufprinzip: Reststoffe der Anlage oder Anlagenteile werden wieder in den Prozess zurückgeführt. Gegenstromprinzip: Durch den Prozess entstehende Wärme wird für die Beheizung anderer Stoffe oder Anlagenteile genutzt. Häufig setzt man Wärmetauscher ein, in denen ein warmer Stoff einem kalten entgegenströmt und so den kalten Stoff vorwärmt. Katalyse: Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie einer chem. Reaktion herab. Auch die Enzyme der Lebewesen wirken katalytisch (Biokatalyse). Sie arbeiten bei physiologischen Temperaturen (ca. 40°C). Nachhaltigkeit: Die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen aus der Natur dient der Schonung fossiler Rohstoffe. Auch die Vermeidung von Abfall durch die Aufbereitung von Reststoffen zu einem verkäuflichen Produkt ist nicht nur ökonomisch, sondern auch ökologisch sinnvoll. Folie 28

Prozessoptimierung

Prozessoptimierung 1 2 3 4 6 5

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Maßnahmen im Prozess, die der Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung dienen: Kreislauf, Gegenstromprinzip, Katalyse und Nachhaltigkeit Mögliche Lösung: (1) Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen aus der Natur (Stärke- oder Zuckerhaltige Pflanzen) zur Herstellung von Treibstoff für Autos, zur Schonung fossiler Rohstoffe im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung. (2) Verwendung von Hefe, Lebewesen, billig, einfach in der Handhabung und leicht zu vermehren. (3) Katalyse durch Enzyme der Hefe (Biokatalyse), es müssen chemischen Katalysatoren gekauft werden und Hefe arbeitet bei physiologischen Temperaturen (ca. 40°C) (4) Rückführung von Reststoffen in den Prozess (Kreislaufprinzip) (5) Aufbereitung von Reststoffen zu einem verkäuflichen Produkt (Vinasse-Düngemittel). (6) Nutzung von Abwärme für den Prozess, Gegenstromprinzip im Wärmetauscher auch: Thermische Nutzung der Schlempe oder des Biogases zur Beheizung der Destillation Folie 31

Der Prozess der Bioethanol-Produktion VERFAHREN VERGLEICHEN Folie 32

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Arbeitsaufträge: Nutze den Text „Der Prozess der Bioethanol-Produktion“. Erstelle ein Verfahrensfließbild: • Skizziere (schematisch) die Bauteile und beschrifte sie. • Zeichne die Stoffströme mit beschrifteten Pfeilen ein und • Notiere in Stichpunkten die in den Bauteilen ablaufenden Vorgänge. Identifiziere die Prozessabschnitte: • die zentrale Stelle in diesem Prozess, bei der das eigentliche Produkt entsteht. • den Prozessabschnitt, bei dem die Rohstoffe vorbereitet werden , • die Prozessschritte, die der Reinigung und Konzentration des Produkts dienen, • die Schritte zur weiteren Verwendung von Reststoffen Markiere die Stellen im Prozess, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Formuliere (Wort-) gleichungen. Vergleiche dein Verfahrensfließbild mit verschiedenen recherchierten Abbildungen (folgende Folien). Prozessoptimierung: Schonung von Ressourcen und der Energieeinsparung Nutze den Infotext und formuliere die jeweilige konkrete Optimierung für die Bioethanol-Produktion. Ordne die Optimierung den entsprechenden Stellen im Fließbild zu. Recherchiere ein Verfahrensfließbild der Bierherstellung (und der Weinherstellung) und vergleiche das Verfahren mit der Bioethanol-Produktion. Folie 33

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Vergleich der Bioethanol-Produktion mit der Bier- und Weinherstellung Folie 34

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Mögliche Lösung: Von der Bierherstellung zur Bioethanol-Produktion Mälzerei entfällt; In der Mälzerei lässt man Getreide keimen, damit im Korn Enzyme zur Stärkeverzuckerung gebildet werden. Bei der Bioethanol-Produktion gibt man (gekauftes) Enzym zu. Brauen: In der Brauerei wirken die Enzyme aus dem gekeimten Gerstenkorn, die Stärke verzuckern. Bei der Bioethanol-Produktion wirken die zugegebenen Enzyme. Hopfenzugabe entfällt: Hopfen verleiht dem Bier Haltbarkeit und den bitteren Geschmack. Beides ist für Bioethanol nicht notwendig. Die Haltbarkeit von Bioethanol ergibt sich aus der hohen Alkoholkonzentration des Produkts Gärung: Bei beiden Prozessen leistet zugegebene Hefe die Vergärung von Zucker. Alkoholkonzentration: Bier hat eine Konzentration von ca. 5% Alkohol. Bioethanol braucht als Treibstoff eine Konzentration von mind. 99, 5%. Daher sind Konzentrierungs- und Trocknungsschritte notwendig. Reststoffe: Bei beiden Prozessen fallen Reste der Pflanzen an, die als wertvolles organisches Material weiterverwertet werden. Folie 35

Der Prozess der Bioethanol-Produktion Weiterführender Informationstext für Lehrkräfte: Um die Glucose für die Ethanolproduktion zu gewinnen, muss der Rohstoff je nach Art aufbereitet werden: Stärkehaltige Rohstoffe wie Getreide werden vermahlen. Durch enzymatische Zerlegung wird in der Verflüssigung/Verzuckerung die Stärke in Zucker umgewandelt. Zuckerhaltige Rohstoffe wie Melasse können direkt fermentiert werden. Cellulosehaltige Rohstoffe wie Stroh müssen ebenfalls durch Säuren und Enzyme aufgespalten werden. Das Produkt der Rohmaterialaufbereitung ist eine zuckerhaltige Maische, die in der Fermentation mit Hefe (Saccharomyces cerevisiae) versetzt wird. Es entsteht eine alkoholische Maische mit etwa 12 % Ethanolgehalt. Diese wird in der Destillation/Rektifikation bis zu einer Konzentration von 94, 6 % zu so genanntem Rohalkohol gereinigt (ein Azeotrop, das sich nur aufwendig durch Schleppmitteldestillation trennen lässt). In der Entwässerung wird daher der verbliebene Wasseranteil von rund 5 % in einem Adsorptionsprozess mittels Molekularsieb entfernt. Das Endprodukt hat meist eine Reinheit von über 99, 95 %. Je nach Anwendungsfall und energetischen Rahmenbedingungen werden aber auch andere Verfahrensschritte (Membranverfahren, Druckwechseladsorption, etc. ) eingesetzt. Diese hohe Reinheit ist für die Mischung mit Benzin erforderlich, da sich andernfalls das Wasser absetzt. In Fahrzeugen, die mit reinem Alkohol betrieben werden (wie in den Anfängen in Brasilien) kann auch wasserhaltiger, also nicht vollständig dehydratisierter Rohalkohol eingesetzt werden. Nebenprodukte …. Eine weitere Möglichkeit für die Verwendung der Schlempe ist die Energiegewinnung durch thermische Verwertung, d. h. die Verbrennung zwecks Dampferzeugung für die Ethanolanlage. Neben einer Senkung der Produktionskosten wird dadurch die Treibhausgasbilanz der Produktion verbessert. Energetisch interessant ist außerdem die Vergärung von Schlempe und anderen Reststoffen der Bioethanolproduktion in Biogasanlagen. Das gewonnene Biogas verbleibt als Prozesswärme in der Anlage oder wird ins Netz eingespeist. Es kann wie Erdgas als Energieträger in Haushalten oder auch als Kraftstoff genutzt werden. Folie 36

Pädagogisches Landesinstitut Butenschönstraße 2 67346 Speyer pl@pl. rlp. de www. pl. rlp. de Folie 37