Erzeugung von Alkohol

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1 Erzeugung von Alkohol 1. Einleitung und Umfang der Versuche Ziel der Versuche ist die Herstellung von Ethanol aus gleichen Ausgangsmengen an definierten Ausgangssubstraten (Versuche 1 bis 4 zur Bestimmung einiger Parameter bzw. Literaturdaten). An Ausgangssubstraten stehen: 1. Getreide (vorwiegend Gerste aber auch Weizen) 2. Früchte (kann auch Fallobst aus Kleingärten sein) 3. Holz (in Form von unbehandelten Spänen) prinzipiell zur Verfügung. Da nur Zucker vergärbar ist, muss bei Getreide und Holz die Stärke erst enzymatisch (Versuch 5 zum Malzen des Getreides) oder durch Säureaufschluss (Versuch 6 zum Säureaufschluss von Holz) in Zucker umgewandelt werden. Anschließend sind die vorbehandelten Substrate der alkoholischen Gärung zu unterwerfen (Versuche 7 bis 9). Um für die Seminargruppen verschiedene Varianten anzubieten, sind folgende Möglichkeiten gegeben: 1. bei Getreide kann verschieden gemalztes Getreide eingesetzt werden und die Gärbedingungen variiert werden, um entweder trinkbares Bier bzw. die Alkoholhöchstmenge zu produzieren, 2. bei Früchten können die Obstsorten und vor allem die Gärdauer variiert werden, 3. bei Holz kann die Holzart und der ph-wert beim Aufschluss geändert werden. Die entstandenen Gärsubstrate sind zu untersuchen (Versuch 10 Alkoholbestimmungen und Versuche weitere Parameter), der Alkohol aufzukonzentrieren (Versuch 13) und wieder der Gehalt zu bestimmen. Die Ergebnisse für die verschiedenen Ausgangssubstrate sind zu vergleichen, mit Literaturdaten zu unterlegen und zu diskutieren. 2. Beispielhafte Darstellung der Versuche an Hand der Alkoholherstellung 2.1 Einführung zum Thema: technische Herstellung von Bioethanol Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol der aus Biomasse hergesellt worden ist. Ethanol wird auch umgangssprachlich als Alkohol bezeichnet. Bei Bioethanol handelt es sich um den Alkohol mit der Strukturformel C 2 H 5 OH. Er wird durch die Fermentation (Gärung) zuckerund stärkehaltiger Pflanzen gewonnen. Die alkoholische Gärung ist die Bezeichnung für den anaeroben Abbau von Kohlenhydraten zu Alkohol durch die Enzyme von Mikroorganismen oder Hefen: Die Reaktionsgleichung lautet: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2. Dazu werden neben stärkehaltigen Pflanzen (Weizen, Roggen, Mais), Zuckerrohr (Herkunft Brasilien, Kuba) und -rüben eingesetzt, aber auch Holz ist vergärbar. Während zuckerhaltige Pflanzen direkt vergoren werden, muss bei Getreide, Mais und Kartoffeln die Stärke zunächst enzymatisch in Zucker umgewandelt werden und bei Holz ein Säureaufschluß erfolgen. 1. Maischen (stärkehaltiger Ausgangsstoffe wie z.b. Weizen) Das Getreide wird zerkleinert und unter Zugabe von Verflüssigungsenzyme auf eine Temperatur von 90 C erhitzt. Dabei kommt es zu der so genannten Verflüssigung der Maische. Die verflüssigte Maische wird anschließend bei einer Temperatur von ca C mit technischen Verzuckerungsenzymen versetzt und die vorhandene Stärke in Zucker umgewandelt. Die jetzt süße, verzuckerte Maische wird auf Temperaturen von ca. 18 bis 20 C heruntergekühlt

2 Abb1 Kupferner Anmaischbottich 2. Fermentation/Gärung Hefe wird für die Fermentation/Gärung verwendet. Die Hefe entwickelt bei der Gärung aus dem Zucker der Maische Kohlendioxid und Alkohol. Die Gärdauer beträgt Stunden. Die jetzt saure Maische (ph 4,0) besitzt eine Alkoholgehalt von maximal Vol.-%. 3. Destillation Abb. 2 Destillationsanlage Die saure Maische wird gekocht und Ethanol verdampft. Es wird ein Ethanol-Wasser- Gemisch und von Alkohol befreiter Rückstand (Schlempe, Einsatz als Futter, Düngemittel oder in Biogasanlagen) gewonnen. Zur Aufkonzentrierung und Reinigung des Alkohols wird das Alkohol-Wasser-Gemisch in einer Kolonne rektifiziert. Weil Alkohol leichter verdampft, reichert er sich im Dampf an. Der Dampf wird kondensiert und hochkonzentrierter Alkohol (maximal 96 Vol.-%) gewonnen. Der Rohalkohol wird in speziell explosionsgeschützten Tankanlagen gelagert 2.2 Materialien und Versuchsaufbau für einen 10 l-ansatz 20 l Kochtopf (oder 2 x 10 l) mindestens 2 x 10 l Eimer (und vierbeinigen Stuhl) oder besser 1 bis 2 30 l Braueimer und Seihereinsatz 2 Windeln oder Wischtücher (zum Abfiltrieren) 10 m dicker Strick 12 Klammern verschließbare Flaschen für 10 l (am besten braune Bügelflaschen) möglichst separaten Kühlschrank Kochmöglichkeit (Brenner, Herd oder Heizplatte) Thermometer (0 bis 100 C) Wein- oder Bierspindel und Standzylinder Druckmanometer für Bügelflasche (wenn möglich) 2000 g Malz (z. B g Weizenmalz und 1000 g Münchner Malz für dunkles Weizenbier

3 3 g Bierhefe (obergärig) oder alternativ als Lösung 100 ml 10 g Hopfenpellets wahlweise 5 g Zucker, Karamell oder Honig 17 l Wasser (Hauptguss + Nachguss) evtl. Eiswasser (siehe Arbeitsschritte 6 und 7) Jodlösung N50 (30 ml) 2.3 Zeitbedarf Arbeitsschritte 1 5 oder bis 8 (wenn keine Weiterbearbeitung am Folgetag möglich) mindestens 6 Unterrichtseinheiten (300 min) besser 480 min am 1. Tag am 2. Tag 4 6 Unterrichteinheiten Möglichst am Wochenanfang Arbeitsschritt 9 3 Tage lang etwa 10 min zur Überprüfung des Alkoholgehaltes (spindeln) am 3. Tag auf Flaschen füllen und im Kühlschrank lagern (Dauer ca. ½ h) 1. Verkostung (1 h) jede Woche Alkoholgehalt testen (Dauer ca. 10 min) Ende nach 2 Wochen (2. Verkostung, 1 h) 2.4 Ablauf 2 einfache Variante siehe Tabelle (unbedingt Zeitplan erstellen) Erklärung zum Arbeitsschritt 1 Wenn die Hefe als Feststoff vorliegt, ist sie gleich zu Beginn der Arbeiten in 100 ml Wasser (20 C) einzurühren und an einem zimmerwarmen Ort abzustellen Erklärung zum Arbeitschritt 2 Zum Schroten entweder eine Getreidemühle oder ein Mulinette verwenden. Erklärung zum Arbeitsschritt 3 Maischen (Herstellung der Bierwürze) Ansatz bei 58 C und 8 bzw. 9 l Wasser (Hauptguss), Zugabe von Malzschrot, bei 480 min Zeitkontingent bei 55 C einmaischen und Temperatur 30 min halten (Einweißrast) Temperatur möglichst nur 1 C/min steigern (regelbare Heizplatte) Zwischenhalt bei 62 C mindestens 10 min (besser 30 min, 1. Maltoserast) Zwischenhalt bei 72 C mindestens 30 min oder bis Jodprobe negativ (Stärke vollständig umgesetzt), spindeln (Bier- oder Weinspindel) Erklärung zum Arbeitsschritt 4 Abläutern/Filtern (Treber von Bierwürze trennen) Ansatz langsam auf 76 C erwärmen und wenn möglich etwas absetzen lassen Nachguss auf 76 C erwärmen Ansatz entweder in Braueimer mit Seiheinsatz (siehe Abb. 3) geben oder unter Verwendung von normalen 10 l Eimern und Geschirrtüchern bzw. Windeln (Eimer in umgedrehten vierbeinigen Stuhl/Hocker stellen und

4 Geschirrtuch/Windeln über die Stuhlbeinenden mittels Klammern und Strick spannen) filtrieren Anschließend Treber mit Nachguss übergießen (zwischendurch die Würze ablaufen lassen oder umgießen) Bei geringem Zeitkontingent kann der Nachguss erst im nächsten Schritt zugegeben werden Abb. 3 Braueimer mit Ablauf und Seiheinsatz Erklärung zum Arbeitsschritt 5 Das Würzekochen (Desinfektion, Eiweißgerinnung und Hopfenzugabe) Würze zum Kochen bringen (bei geringem Zeitkontingent 60 min sonst bis 120 min Hopfenpellets mörsern und 20 min vor Ende des Kochvorganges zugeben Stammwürzegehalt bestimmen (Bier-, Weinspindel) Ende erster Arbeitstag möglich, damit langsames Abkühlen und absetzen der Trübstoffe, auch ein Teilen des Kochprozesses ist möglich Erklärung zum Arbeitsschritt 6 Filtern Wie beim ersten Filtern vorgehen (entweder die heiße Würze oder die über Nacht abgekühlte Würze filtern) Erklärung zum Arbeitsschritt 7 Abkühlen mit Eiswasser auf etwa Raumtemperatur (20 bis 25 C) nur notwendig bei geringem Zeitkontingent oder bei Teilung des Kochprozesses Erklärung zum Arbeitsschritt 8 Die Haupt-Gärung: (obergärig) evtl. 1/3 l abnehmen als Zugabe für Nachgärung (Arbeitsschritt 9) Würze langsam zu angesetzter Hefe zugeben Beginn der Vergärung ist die Schaumbildung

5 Drei bis maximal fünf Tage bei ca. 20 C gären lassen (Kennzeichen des Abschlusses ist das Zusammenfallen des Schaumes, nicht immer sehr deutlich) Schaum kann abgehoben werden (Hefe für nächste Gärung, Lagerung im Kühlschrank) Stammwürzegehalt prüfen (Alkoholgehalt abschätzen) 1. Verkostung Erklärung zum Arbeitsschritt 9 Nachgärung Zugabe von Würze möglich (auf 10 Liter Jungbier gibt man ca Liter unvergorene Bierwürze) Zur Nachgärung wird das Jungbier auf die Flaschen gefüllt Eine Woche bei Raumtemperatur (täglich an einer Flasche Stammwürzegehalt messen, nach Abkühlung im Kühlschrank wegen CO 2 -Entwicklung) Flaschendruck am Manometer messen, nicht über 3 bar (sonst Flaschen vorsichtig und kurz öffnen) Lagerung: Das Bier wird auf 5 C 8 C abgekühlt (bis zum Verbrauch Temperatur halten) Haltbarkeit bis zu drei Monaten