Fürstenberg-Gymnasium Donaueschingen. Verfahrenstechnik im NwT-Unterricht

Transkript

1 Verfahrenstechnik im NwT-Unterricht

2 Verfahrenstechnik im NwT-Unterricht Von der Technikinitiative NwT werden verschiedene Versuchsausarbeitungen zum Thema Verfahrenstechnik im NwT-Unterricht angeboten. Hierbei handelt es sich um einen Experimententool, aus denen die Lehrkräfte je nach Klassenstufe, Ausstattung der Schule und geplantem Unterrichtsumfang geeignete Versuchsausarbeitungen auswählen können. Das Thema wird am Beispiel der Apfelsaftproduktion aufgezeigt, es gibt jedoch immer wieder Exkurse zu anderen verfahrenstechnischen Prozessen.

3 Was ist Verfahrenstechnik?

4 Aufgrund Produktionstechniken Man unterscheidet 3 wesentliche Produktionstechniken: Verfahrenstechnik Stoffänderung Fertigungstechnik Formänderung Energietechnik Energieänderung Die Stoffänderung wird hier sehr Allgemein gefasst. Es bezieht sich nicht nur auf chemische Reaktionen, sondern auch auf andere Vorgänge der Stoffveränderung, wie z.b. Verdampfen oder Zerkleinern.

5 Verfahrenstechnik Rohstoffe: Sand Erdöl Kohle Mineralien Salze Pflanzen Verfahrenstechnische Stoffumwandlung Produkte: Zement Kraftstoffe Papier Lebensmittel Kunststoffe Medikamente Düngemittel

6 Verfahrenstechnik Verfahrenstechnik: Ingenieurswissenschaft der Stoffumwandlung Verfahrensingenieurinnen und ingenieure entwickeln, realisieren und betreiben Herstellungsverfahren, in denen mittels chemischer, biologischer und physikalischer Prozesse hochwertige Produkte mit gewünschten Eigenschaften aus Rohstoffen erzeugt werden (Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen) Theoretische Klärung der Stoffumwandlung Entwicklung von Produktionsverfahren durch optimale Kombination von Verfahrensbausteinen (Grundoperationen) Planung und Auslegung von Produktionsanlagen Betrieb und Überwachung von Produktionsanlagen Textilindustrie Chemische Industrie Pharmaindustrie Kunststoffindustrie Ver- und Entsorgungstechnik Petrochemische Industrie Nahrungsmittelindustrie Medizintechnik Holz- und Papierindustrie Futtermittelindustrie Hüttenwesen Ingenieurwissenschaft mit enger Verbindung zu den Naturwissenschaften Physik, Chemie und Biologie

7 Die Top 20 der profitabelsten Industriezweige weltweit im Jahr 2008 Handel Post, Verpackung und Frachtlieferung Spezialiäten Einzelhandel Chemie Energie Metall Gesundheitspflege, Versicherung und Betreuung Getränke Banken Netzwerk- und anderes Kommunikationszubehör Schiffahrt Raumfahrt und Verteidigung Buamaterial, Glas Industriemaschinen Telekommunikation Haushalts- und persönliche Güter Konsumgüter Nahrungsmittel Tabak Pharmazie Bergbau, Rohölprouktion Industriezweig 2,8% 2,8% 3,1% 3,2% 3,5% 3,7% 3,7% 4,2% 5,2% 5,4% 6,1% 6,2% 6,5% 7,1% 7,5% 9,9% 11,9% 12,3% 19,1% 19,8% 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% Anteil am Umsatz Quelle: Statista 2014

8 Wie kann das Thema Verfahrenstechnik im Unterricht auch mit experimentellem Schwerpunkt durchgeführt werden?

9 Grundlagen Verfahrenstechnik

10 Grundoperationen Verfahrenstechnisch Prozesse werden aus verschiedenen Grundeinheiten, sogenannten Grundoperationen (engl. Unit-Operations), aufgebaut. Das sind beispielsweise Prozessschritte wie Zerkleinern, Filtrieren, Destillieren, Kühlen,

11 Grundoperationen Enzymreaktion Filtrieren Transportieren Pressen Fermentieren Kühlen Fördern Erhitzen Sedimentieren Rühren Destillieren Trocknen Emulgieren Sieben Mischen Mahlen Dosieren Rösten Zentrifugieren Schneiden Chemische Reaktion Gewöhnlich werden diese Grundoperationen vier Bereichen zugeordnet: Mechanische Verfahrenstechnik Chemische Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Sonstige (z.b. Gärung als biologische Grundoperation)

12 Beispiele für Schüler Schüler kennen solche Grundoperationen teilweise schon aus dem Chemie- oder Physikunterricht oder aus dem Alltag. Aufgabe: Stelle dar, mit was für einer Grundoperation du Salz aus Salzwasser gewinnen würdest? Kies und Sand voneinander trennst? Zucker zu Alkohol umsetzt? Sahne von der Milch abtrennen kannst? Einen Tank mit einer Flüssigkeit befüllen würdest? Ziegel aus geformtem Ton herstellen kannst? Die Temperatur einer Flüssigkeit änderst?

13 Wie wird aus verschiedenen Grundoperationen ein Prozess aufgebaut? Für einen Gesamtprozess müssen diese Grundoperationen in geeigneter Weise angeordnet werden. Der Gesamtprozess wird in einem sogenannten Grundfließbild festgehalten.

14 Grundfließbild

15 Schüleraufgabe Grundfließbild Aufgabe: Stellt den Prozess des Kuchenbackens als Grundfließbild dar!

16 Reicht ein Grundfließbild aus? In einem Grundfließbild fehlen sämtliche detaillierte Angaben, z.b.: Was für Apparate, Maschinen werden eingesetzt? Identifikationsnummer der Apparate Kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen Welche und wie viele Armaturen werden benötigt? Nennweiten (= innerer Durchmesser) der Rohrleitungen Druckstufen Mess-, Regel-, und Steuerfunktionen mit Identifikationsnummern Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemata

17 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemata Kann man so etwas verstehen? Quelle: EN ISO 10628

18 Ventil (pneumatisch) Regelventil Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemata 1. Buchstabe (Messgröße), z.b.: F: Durchsatz (Flow) L: Füllstand (Level) P: Druck (Pressure) T: Temperatur (Temperature) Folgebuchstaben (Messwertverarbeitung), z.b.: I: Anzeige (Indication) C: Selbständige Regelung / Steuerung (Control) S: Schaltung (Switch) A: Grenzwertmeldung, Alarm (Alarm) Pumpe

19 V-UE-001 Unterrichtseinheit zu den verfahrenstechnischen Grundlagen (Begriffe, Diagramme, )

20 Beispielprozess Apfelsaftproduktion Am Beispiel der Apfelsaftproduktion soll den Schülern die Verfahrenstechnik näher gebracht werden. Es soll gezeigt werden, dass ein verfahrenstechnischer Prozess aus sogenannten Grundoperationen wie z.b. Zerkleinern, Filtrieren, Erhitzen etc. aufgebaut ist. Die Ausarbeitungen enthalten Schülerversuche zu den einzelnen Grundoperationen Schüler können dabei verschiedene Grundoperationen näher kennenlernen. Dabei wird deutlich, dass diese Prozessschritte auf naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten beruhen und dass einzelne Parameter den jeweiligen Prozessbedingungen angepasst werden müssen Prozessoptimierung Verschiedene Versuchsausarbeitungen eignen sich dabei auch sehr gut für projektorientiertes Arbeiten mit wissenschaftlicher Fragestellung. Hierzu werden in den jeweiligen Ausarbeitungen Hinweise gegeben. Viele der bei der Apfelsaftproduktion eingesetzten Grundoperationen spielen auch in zahlreichen anderen verfahrenstechnischen Prozessen eine wichtige Rolle.

21 Apfelsaftproduktion

22 Apfelsaftproduktion Mögliche Grundfließbilder zum Apfelsaftproduktionsprozess mit verschiedenen Endprodukten Naturtrüber Apfelsaft Klarer Apfelsaft Apfelsaft- konzentrat

23 Beispielprozess Apfelsaftproduktion Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt Im Rahmen dieses Prozesses gibt es zahlreiche Möglichkeiten für Schülerexperimente!

24 Verfahrenstechnik am Beispiel der Apfelsaftproduktion Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt Apfel als Pflanze Apfelsorten Apfelanbaugebiete Érnährungsphysiologie Ethen als Reifungshormon CA-Lagerung Transport / Robotik Umbauprozesse während der Lagerung /Reifung Einfluss des Zerkleinerungsgrades auf die Saftausbeute beim Pressen Einfluss von Pektinasen zur Erhöhung der Saftausbeute Prozesshilfsmittel zum Truberhalt Prozesshilfsmittel zur Verbesserung der Separationsleistung Filtermedien Korngrößenverteilung Filterhilfsmittel Kuchenfiltration Cross-Flow- Filtration als kontinuierliches Verfahren Wachstum von Mikroorganismen Effekte der Erhitzung auf Mikroorganismen Effekte der Erhitzung auf Wertstoffe Effekte der Erhitzung auf Enzyme Grundlagen der Wärmetechnik Aseptik Sensoriktest Mischen Abfüllen Qualitätskontrolle Analytik Wertstoffanalyse Brix-Messung Reifungsmessung Zuckeranalytik Vitamine Abfall-/ Stoffkreisläufe Energieeintrag Übertragung der Grundoperationen auf andere Prozesse Wärmetransport Technische Wärmetauscher Konservierungsverfahren Kennzeichnung Rechtliche Grundlagen

25 V-F-008 Sensorische Analyse von Saft lässt sich über Geschmack streiten? Dieser Versuch eignet sich sehr gut als Einstieg in das Thema. In zwei verschiedenen Fragestellungen werden Säfte sensorisch (Geschmack) untersucht und die Ergebnisse statistisch ausgewertet.

26 Rohstoffe

27 Rohstoff Apfel Apfelsorten Geschmack Inhaltsstoffe Apfelanbaugebiete Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt Schüleraufgaben: Welche Rohstoffe dürfen für Apfelsaft verwendet werden? Welcher Unterschied besteht zwischen Saft, Nektar und Fruchtsaftgetränk? Versuch Sensoriktest

28 Rohstoffe Rohstoffe sind für alle Prozesse elementar. Dieses Thema kann auch ausgeweitet werden. Rohstoffe: Wichtige Faktoren: Elementar für eine Prozess Verfügbarkeit, Preise, Qualität Mögliche weitere Themen: Nachwachsende Rohstoffe Seltene Erden Erdöl Globale Vorkommen. Versuchsausarbeitungen nachwachsende Rohstoffe Biobasierte Folien Bioethanol aus Kartoffeln

29 Lagerung

30 Lagerung Sicherungsfunktion Ausgleichsfunktion Spekulationsfunktion Umformungsfunktion Spezielle Herausforderungen: Gefahrstoffe Verderbliche Rohstoffe

31 Lagerung Apfel Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt CA-Lagerung: CA-Lagerung (CA = controlled atmosphere) Hierbei werden die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Gaszusammensetzung der Lagerluft kontrolliert. Für Äpfel haben sich folgende Lagerbedingungen als günstig erwiesen Temperatur: 0 2 C Rel. Luftfeuchte: % CO 2 -Gehalt: 1 5 Vol.-% O 2 -Gehalt 2 3 Vol.-% Ethen-Reifung: Das Pflanzenhormon Ethen wird gezielt zur Reifung von Obst und Gemüse eingesetzt. Hierzu sind auch Schülerversuche möglich, z.b. Vergleich von der gemeinsamen Lagerung von reifem und unreifem Obst und der getrennten Lagerung.

32 Fördern

33 Fördern Laufrad C C A B A B stok-engineering.com waterdesign.ch zls-lollar.de

34 Wie können Äpfel im Produktionsprozess gefördert werden?

35 Fördern Äpfel haben etwa die gleiche Dichte wie Wasser, d.h. sie schweben im Wasser. ramseier-suisse.ch 35

36 Zerkleinern / Pressen

37 Zerkleinern Schneiden Reiben Brechen Mahlen

38 Zerkleinern Da sich der Zerkleinerungsschritt nicht für einen Selbstbau eignet (rotierende Messer), wurde eine Ausarbeitung erstellt, bei dem der Zerkleinerungsschritt mit der Grundoperation Pressen kombiniert wurde. V-A-001 Einflüsse auf die Saftausbeute beim Pressen Ein einfacher Versuch, der auch gut für eine offene Fragestellung geeignet ist. Mittels Spätzlepresse und Küchenreibe sollen die Schüler den Einfluss des Zerkleinerungsgrades, der Apfelsorte oder des Reifungsgrades auf die Saftausbeute beim Pressen untersucht werden. Der Versuch kann noch mit verschiedenen Filterhilfsmitteln beim Pressen kombiniert werden.

39 Zerkleinern / Pressen Rohstoff Lagern Zerkleinern Saftausbeute [%] 100% 80% 60% 40% grob gerieben fein gerieben Pressen Zentrifugieren 20% 0% Jonagold Braeburn Jonathan Pinova Elstar (älter) Apfelsorte Filtrieren Pasteurisieren Abfüllen Endprodukt

40 Zerkleinern / Pressen Zu diesem Schritt könnte eine Projektarbeit zum Bau einer (kontinuierlichen) Saftpresse vergeben werden. Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt Kontinuierlicher Prozess Diskontinuierlicher Prozess

41 Stofftrennung / Zentrifugation

42 Zentrifugation Trennung aufgrund von Dichteunterschieden Diskontinuierlicher Prozess Kontinuierlicher Prozess Im Tellerseparator

43 V-B-005 Grundlagen Zentrifugation Grundlagenversuch zur Zentrifugation V-B-005 Wie bekommt man klaren Saft? In technischen Prozessen werden Grundoperationen häufig durch den Einsatz verschiedener Prozesshilfsmittel unterstützt. In diesem Versuch kann der Schüler ein Screening durchführen, in dem der Einfluss verschiedener Prozesshilfsmittel bei der Zentrifugation von trübem Apfelsaft untersucht werden.

44 Zentrifugation Versuch: Einsatz von Prozesshilfsmitteln Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt

45 Zentrifugation Die Zentrifugation spielt in vielen Prozessen eine wichtige Rolle, z.b. bei biotechnologischen Prozessen in der Lebensmittelindustrie (z.b. Rahm / Milch) in der Pharmaindustrie in der Umwelttechnologie..

46 Stofftrennung / Filtration

47 V-C-009 Hilfsmittel zur Unterstützung der Filtration Bei der Filtration werden in technischen Prozessen häufig sg. Filterhilfsmittel eingesetzt. Hier wird untersucht, welchen Einfluss verschiedene Filterhilfsmittel (Sand, Kieselgur, Aktivkohle) auf das Aussehen des Apfelsaftes nach der Filtration haben. V-D-004 Enzyme als Prozesshilfsmittel Enzyme kommen in technischen Prozessen häufig zum Einsatz. Am Beispiel der Pektinasen wird gezeigt, wie Enzyme bei der Apfelsaftherstellung zur Verbesserung der Filtrationsleistung eingesetzt werden. Dieser Versuch könnte auch mit dem Versuch VA001 (Einflüsse auf die Saftausbeute beim Pressen) kombiniert werden. V-C-012 Filtration im kontinuierlichen Betrieb Technische Verfahren werden häufig mittels kontinuierlicher Verfahren betrieben. In diesem Versuch kann der Schüler einen Versuch zur kontinuierlichen Filtration aufbauen. Die Filtrationsmodule können von uns bezogen werden.

48 Filtration Grundlagen Filtration: Trennung aufgrund von Größeunterschieden Filtermedien, Filterhilfsmittel Kuchenfiltration Cross-Flow-Filtration als kontinuierliches Verfahren Klassische Kuchenfiltration V Filtrat Filterhilfsmittel Kein Filterhilfsmittel Seesand Aktivkohle Kieselgur Cross-Flow-Filtration Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt t

49 Filtrieren Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt Ausbeute nach 30'/ml Pektinasen Enzyme als Prozesshilfsmittel Enzymzugabe / µl Gelierzucker mit Apfelpektin

50 Filtration

51 Filtration Die Filtration spielt in vielen Prozessen eine wichtige Rolle, z.b. Bei pharmazeutischen und chemischen Prozessen Bei der Meerwasserentsalzung Bei der Ölgewinnung Zur Sterilfiltration In der Abwassertechnik Beim Aufkonzentrieren oder Reinigen von Lösungen in Produktionsprozessen..

52 Pasteurisieren

53 Pasteurisieren V-E-001 Wachstum von Mikroorganismen In hygienisch sensiblen oder bei biotechnologischen Prozessen, bei denen Mikroorganismen eine zentrale Rolle im Prozess spielen, ist das Wachstum von Mikroorganismen von zentraler Bedeutung. In diesem Versuch soll sich der Schüler erarbeiten, dass es sich beim Wachstum von Mikroorganismen um einen exponentiell verlaufenden Vorgang handelt. V-E-002 Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen In diesem Versuch wird der Einfluss der Erhitzungstemperatur auf die Aktivität der Mikroorganismen untersucht. Dazu wird Apfelsaft mit Backhefe versetzt, auf verschiedene Temperaturen erhitzt und das beim Zuckerabbau entstehende Gas aufgefangen. V-E-005 Einfluss der Temperatur auf die Vitatlität von Mikroorganisme In diesem Versuch wird der Einfluss der Erhitzungstemperatur auf die Vitalität der Mikroorganismen untersucht. Dazu wird ebenfalls Apfelsaft mit Backhefe versetzt und auf verschiedene Temperaturen erhitzt. Die Auswertung erfolgt jedoch mikroskopisch über eine sogenannte lebendtot-färbung mit Methylenblau.

54 Pasteurisieren V-E-008 Warum werden Äpfel braun und Apfelsaft nicht? Erhitzungsvorgänge haben nicht nur auf die Mikroorganismen einen Einfluss, sondern auch auf andere Produktinhaltsstoffe. In diesem Versuch wird der Einfluss der Erhitzungstemperatur auf Polyphenoloxidasen untersucht. Das sind Enzyme, die zentral für die enzymatische Bräunung von Äpfeln sind. Dieser Versuch besteht aus Teilversuchen mit unterschiedlichem Niveau.

55 Pasteurisieren V-E-019 Mischen von Flüssigkeiten von verschiedener Temperatur Versuch zu wärmetechnischen Grundlagen V-F-008 Wärmetransport vom Wasserbad in ein Rohrbündel Versuch zu wärmetechnischen Grundlagen. Mittels eines Rohrbündels in einem Wasserbad wird Wasser in einem kontinuierlichen Verfahren erhitzt um den Einfluss der Wasserbadtemperatur und des Massenstromes auf die übertragene Wärmemenge zu untersuchen. Wärmeübertragung spielt in vielen verfahrenstechnischen Prozessen eine wichtige Rolle, zum einen zum Erwärmen von Produkten, zum Anderen zum Kühlen von Produkten.In diesem Versuch wird der Einfluss der Erhitzungstemperatur auf die Aktivität der Mikroorganismen untersucht. Dazu wird Apfelsaft mit Backhefe versetzt, auf verschiedene Temperaturen erhitzt und das beim Zuckerabbau entstehende Gas aufgefangen.

56 Pasteurisieren Effekte der Erhitzung auf Mikroorganismen, Wertstoffe, Enzyme Stoffwechselaktivität über Gasvolumen Gasvolumen [ml] Erhitzungstempertur [C] Versuch : Versuch : Reaktionsgeschwindigeit Polyphenoloxidase v [nm/s] 4,E-04 3,E-04 2,E-04 1,E-04 0,E Erhitzungstemperatur [ C] Rohstoff Pressen Pasteurisieren Lagern Zerkleinern Zentrifugieren Filtrieren Abfüllen Endprodukt

57 Wärmetausch Der Wärmetausch ist eine der wichtigsten Grundoperationen, da Kühlen oder Erhitzen in vielen Prozessen eine wichtige Rolle spielen. Mittels eines Plattenwärmetauschers kann im Prozess kontinuierlich erhitzt werden. Kleine Plattenwärmetauscher könne relativ preiswert bei Anbietern für solarthermische Komponenten bezogen werden.

58 Lagern Zerkleinern Rohstoff Pressen Wärmetechnische Grundlagen / Wärmetauscher Wärmetechnische Grundlagen: Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmeübertragung Plattenwärmetauscher Kombination mit Effekten der Erhitzung Zentrifugieren Wärmeübertragung Pasteurisieren Endprodukt Pumpe T ein Wasserbad T aus Wasservorlagebehälter Wasserbehälter Filtrieren Abfüllen Wärmestrom [kj/kgk] Wärmestrom [kj/s] ,00 5,00 10,00 15,00 Wasserbadtemperatur [ C] Volumenstrom [ml/s]l

59 Destillieren

60 V-F-009 Aromadestillation Wird aus Saft Konzentrat gewonnen, so werden beim Verdampfen der Flüssigkeit auch zahlreiche Aromen mit entfernt. Diese werden gewonnen, und dem Saft bei der Verdünnung später wieder zugesetzt. Der Versuch basiert auf der Wasserdampfdestillation, welche ebenfalls in zahlreichen anderen Prozessen, z.b. bei der Ethanolgewinnung eine entscheidende Rolle spielt.

61 . Unter Destillation versteht man die Trennung eines Stoffgemischs durch Verdampfen und Kondensieren einzelner Anteile des Stoffgemischs. Destillation Destillation: Trennen eines Stoffgemisch durch Verdampfen und Kondensieren einzelner Anteile des Stoffgemischs Aromagewinnung für die Rückverdünnung von Apfelsaft aus Apfelsaftkonzentrat

62 Destillation Die Destillation spielt in vielen Prozessen eine wichtige Rolle, z.b. Bei pharmazeutischen und chemischen Prozessen Bei der Erdölraffination Zur Ethanolgewinnung..

63 Vorschlag Unterrichtsgang

64 NwT-Block Verfahrenstechnik Unterrichtsgang Vom Apfel zum Saft 4 Wo? Annäherung an das Thema, Motivation Theorie und Grundlagen Praxisblock: Fließbilder VT Exkursion 8 Wo? Methoden- und Wissensbereitstellung Grundlagen, Grundeinheiten 8 Wo? Klassenauftrag Verarbeitet eine Kiste Äpfel zu einem klaren, haltbaren Apfelsaft und / oder 8 Wo? Weiterführende Projektaufgaben Einzelne Projekaufgaben, tw. mit wissenschaftlicher Fragestellung

65 Vorschläge für Projektaufgaben

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68 Puffertankregelung

69 Apfelsaftstraße

70 V-G-001 Puffertankregelung Mittels zweier Edelstahlelektroden, einer Minikreiselpumpe, einer elektronischen Schaltung und einem Mikrocontroller wird eine Puffertankregelung realisiert. Hierbei soll sich der Füllstand immer zwischen einem Low-Level und einem High-Level bewegen. Die Ausarbeitung ist relativ anspruchsvoll und bietet sich besonders für Projekte an.

71 Puffertankregelung Schema Füllstand Puffertank Schaltplan Elektroden zur Füllstandsmessung Schaltung

72 Weitere Prozesse

73 Gewinnung von Bioethanol aus Kartoffeln

74 Bioethanol In Bearbeitung Bioethanolgewinnung aus Kartoffeln Bei diesem Versuch wird Bioethanol aus Kartoffeln gewonnen. Dabei wird die Stärke aus den Kartoffeln gewonnen, mittels Enzymen (Amylasen) zu Zucker abgebaut der dann vergärt wird. Anschließend wird das Ethanol durch Destillation gewonnen.

75 Bioethanol Bioethanol aus Kartoffeln Ernte Lagerung Fördern Waschen / Verlesen Zerkleinern Sedimentation Enzymat. Stärkehydrolyse Fermentation Destillation Dieser Prozess besteht aus vielen Grundoperationen, die auch bei der Apfelsaftproduktion eine wichtige Rolle spielen. Die Grundoperationen müssen jedoch an das veränderte Produkt angepasst werden. Wird beispielsweise bei der Apfelsaftproduktion eine Enzymbehandlung mit Pektinasen durchgeführt, werden bei der Bioethanolgewinnung Amylasen zum Abbau der Stärke eingesetzt. Abfüllen Kennzeichnen / Verpacken

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77 Papierherstellung

78 Papierherstellung V-P-003 Papierherstellung (Flotation) Bei dieser Ausarbeitung handelt es sich um einen Versuch in einer offenen Aufgabenstellung, bei dem der Schüler eine Apparatur zur Entfernung der Druckfarbe für das Altpapierrecycling entwickeln soll. Eine weitere Versuchsausarbeitung zur Papierherstellung aus Cellulose ist in Bearbeitung

79 Biobasierte Kunststoffe

80 V-P-001 Biobasierte Kunststoffherstellung (Stärke) Bei dieser Ausarbeitung handelt es sich um einen Versuch in einer offenen Aufgabenstellung, bei dem der Schüler einen Kunststoff aus dem Rohstoff Stärke (=nachwachsender Rohstoff) entwickeln soll. V-P-002 Biobasierte Kunststoffherstellung (Milch) Bei dieser Ausarbeitung handelt es sich um einen Versuch in einer offenen Aufgabenstellung, bei dem der Schüler einen Kunststoff aus dem Rohstoff Milch (=nachwachsender Rohstoff) entwickeln soll.

81 Was ist Technik? Beim Thema Verfahrenstechnik wird bei einigen Versuchen aus den Bereichen Biologie oder Chemie häufig die Frage nach dem technischen Schwerpunkt gestellt. Aus diesem Grund im Folgenden noch einige Hinweise zu den Begriffen Technik und Technologie.

82 Technik Für was steht der Begriff Technik? Gesamtheit der Maßnahmen, Einrichtungen und Verfahren, die dazu dienen, die Erkenntnisse der Naturwissenschaften für den Menschen praktisch nutzbar zu machen (Duden) Technik ist die Bereitstellung von Mitteln zur Erfüllung von Zwecken (v. Weizäcker) Technik der Begriff für alle Gegenstände, Verfahren und Systeme, die zur Erfüllung individueller oder gesellschaftlicher Bedürfnisse auf Grund schöpferischer Konstruktion geschaffen werden, durch definierbare Funktionen bestimmte Zwecken dienen und insgesamt eine weltgestaltende Wirkung haben (Klaus Tuchel) Technologie Wissenschaft von der Umwandlung von Roh- und Werkstoffen in fertige Produkte und Gebrauchsartikel, indem naturwissenschaftliche und technische Erkenntnisse angewendet werden. (Duden) Gesamtheit der zur Gewinnung oder Bearbeitung von Stoffen nötigen Prozesse und Arbeitsgänge; Produktionstechnik (Duden) Bei der Verfahrenstechnik handelt es sich um ein äußerst interdisziplinäres Thema, bei dem Grundlagen aus allen Naturwissenschaften genutzt werden, um das Ziel, nämlich die Herstellung eines Produktes, zu erreichen.

83 Verfahrenstechnik ein interdisziplinäres Thema Das Ganze ist mehr als die Summe der einzelnen Teile (Aristoteles) Physik Chemie Biologie Maschinenbau Prozessautomation Verfahrens- technik Umwelt Rechtliche Grundlagen BWL Energie

84 Zusammenfassung Obwohl Produkte verfahrenstechnischer Prozesse allgegenwärtig und somit von gesellschaftlicher Bedeutung sind, können sich viele Schüler unter dem Begriff Verfahrenstechnik nicht viel vorstellen. Den Schülern soll veranschaulicht werden, dass verfahrenstechnische Prozesse aus einer überschaubaren Anzahl an Grundoperationen aufgebaut sind, die in ähnlicher Weise Bestandteil der verschiedensten Produktionsprozesse sind (z.b. Filtration, Erhitzen, Einsatz technischer Enzyme ). Alle Grundoperationen basieren auf naturwissenschaftlichen Grundlagen und können durch die Veränderung einzelner Parameter gezielt beeinflusst werden. Prozessoptimierung Die Schüler üben sich in einer interdisziplinären Vorgehensweise zur Lösung technischer Fragestellungen. Sie bekommen einen Einblick in ein wirtschaftlich und gesellschaftlich bedeutendes Teilgebiet der Technik Verfahrenstechnik Am Beispielprozess der Apfelsaftproduktion wird den Schülern das Prinzip der Verfahrenstechnik nähergebracht. Dieses Wissen können sie dann auch auf andere Prozesse übertragen.