Prozess der Bioethanolherstellung

Vorbehandlung 

• Zucker kann direkt zu Alkohol vergoren werden Stärke muss vor der Fermentation zunächst in Zucker (Monosaccharide) umgewandelt werden (in einem “enzymatische Hydrolyse” genannten Prozess) 
• Bei der enzymatischen Hydrolyse wird zunächst das stärkehaltige Ausgangsmaterial zerkleinert und eingemaischt. 
• dann werden Enzyme (Amylasen) zugesetzt

• aus 1 kg Glukose werden 0,51 kg Ethanol (~0,64l) und 0,48 kg CO2 erzeugt die Gärung ist eine exotherme Reaktion Temperatur sollte nicht zu stark ansteigen, optimale
• Temperatur für die Fermentation liegt bei ca. 37°C (höhere Temperaturen würden Enzyme und Hefen deaktivieren
• der Prozess muss unter anaeroben Bedingungen ablaufen
• das entstehende CO2 muss ständig aus dem Reaktor entfernt werden
• der Fermentationsprozess dauert ca. 48-60 Stunden
• da Ethanol für die Hefe toxisch ist, ist die Ethanolkonzentration begrenzt - d.h. der Prozess stoppt bei Ethanolkonzentrationen über 14%
• ethanoltolerante Hefen werden für den Prozess ausgewählt
• trotzdem muss ständig Ethanol entfernt werden, um eine kontinuierliche Ethanolproduktion zu gewährleisten
• die kontinuierliche Fermentation kann in einem Gefäß (z.B. Durchfluss von oben nach unten) oder in mehrstufigen Prozessen mit 2-8 kaskadenförmig verbundenen Fermentern erfolgen
• die Ethanolkonzentration nach der Fermentation liegt typischerweise bei 10-14%

Destillation oder Rektifikation

• um die Ethanolkonzentration des vergorenen Saftes zu erhöhen, wird eine Destillation durchgeführt
• bei der Destillation wird durch Erhitzen des vergorenen Saftes Wasser vom Ethanol getrennt
• Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass Ethanol einen niedrigeren Siedepunkt (78°C) als Wasser (100°C) hat
• die Konzentration der leichtflüchtigen Bestandteile (z.B. Ethanol) ist im entstehenden Dampf höher
• nach der Kondensation hat das Destillat eine höhere Ethanolkonzentration als die Ausgangsflüssigkeit, enthält aber noch Wasser

• durch wiederholte Destillation des Konzentrats kann eine höhere Ethanolkonzentration im Kondensat erreicht werden
• eine 100%ige Reinheit des Bioethanols kann nicht erreicht werden, da die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Ethanol zu stark sind, um sie vollständig zu trennen

Unter dem folgenden Link können Sie ein Video über die Destillation ansehen: hier klicken

• üblicherweise wird die industrielle Ethanoldestillation in riesigen Destillationstürmen oder -kolonnen durchgeführt, die Rektifikation oder fraktionierte Destillation genannt werden (siehe folgende Abbildung)
  

• durch wiederholte, kontinuierliche Destillation kann die Ethanolkonzentration auf bis zu 94 % erhöht werden
• die Rektifikationskolonne besteht typischerweise aus mehreren Böden, durch die Dampf und Flüssigkeit im Gegenstrom fließen (siehe Schema in der folgenden Abbildung).
• der Zulauf tritt unten in die Kolonne ein und wird aufgeheizt der entstehende Dampf bewegt sich in der Kolonne nach oben, wo er abkühlt und an den Oberflächen und Wänden in der Kolonne kondensiert
• die kondensierte Flüssigkeit wird in weitere Stufen geleitet, wo der Destillationsprozess wiederholt wird
• ein Teil des Dampfes am Kopf wird abgeleitet und kondensiert
• ein Teil der kondensierten Flüssigkeit fließt als Rückfluss in die Kolonne zurück und bewegt sich als flüssige Gegenphase nach unten, um die aufsteigenden Brüden zu kühlen und damit den Wirkungsgrad des Destillationsturms zu erhöhen

Video über die kontinuierliche Destillation: hier klicken

• nach der Destillation bleibt ein flüssiger Rest übrig, die sogenannte
  
• Schlempe, die 0,002 Gew.-% Ethanol enthält
• Schlempe enthält viele Stoffe wie Proteine, Fasern etc. und kann weiter extrahiert und für weitere Anwendungen genutzt werden Schlempe wird in Grobkorn und Solubles getrennt
• die Schlempe kann als Substrat in Biogasanlagen verwendet werden, um aus Biogas Wärme und/oder Strom zu erzeugen
• getrocknete und kondensierte Schlempe wird als Viehfutter verwendet (DDGS -dried distillers grains with solubles)

Dehydrierung

• Reduzierung des Restwassergehalts auf 0,01 Vol.-% Erhöhung des Ethanolgehalts auf bis zu 99,5 % (anhydriertes Ethanol)
• Bioethanol, das dem Benzin beigemischt werden soll, muss anhydriertes Ethanol sein
• erfolgt in der Regel durch Druckwechseladsorption (PSA) an Molekularsieben, d.h. Adsorption an porösen Materialien (z.B. Zeolithen) erschließt die Wassermoleküle

Take a look how zeolith molecular sieve looks like