Nettoenergiebilanz der Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben und Weizen in Deutschland

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG

2 BIOETHANOL
2.1 Grundsätzliches
2.2 Ökonomische und gesetzliche Vorgaben
2.3 Einsatz des Bioethanol als alternativer Kraftstoff
2.4 Vorkommen in Lebensmitteln
2.5 Sonstige Verwendung
2.6 Zertifikationen für Biokraftstoffproduzenten

3 WEIZEN
3.1 Weizen Anbau, Ertrag und Nebenprodukte
3.2 Chemische Zusammensetzung Weizen und Nebenprodukte
3.3 Mehlverarbeitung
3.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

4 ZUCKERRÜBEN
4.1 Zuckerrüben Anbau, Ertrag und Nebenprodukte
4.2 Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe, Koppelprodukte
4.3 Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben
4.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

5 BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN
5.1 Grundsätzliches über Saccharomyces cerivisiae.
5.2 Ethanolfermentation
5.2.1 Diskontinuierliche Fermentation (Batch-Verfahren)
5.2.2 Kontinuierliche Fermentation
5.2.3 Anlagenaufbau in der Industrie
5.3 Ethanol-Wasser-Trennung
5.3.1 Destillation und Rektifikation
5.3.2 Absolutierung und Filtration
5.3.3 Lagerung und Transport des Ethanol

6 ANLAGENKONZEPTE ZUR ENERGIEGEWINNUNG
6.1 Wirkungsgrade von Heizwerken und Heizkraftwerken
6.2 Anlagenkonzepte und energetische Kenngrössen
6.3 Erzeugung von Biogas Methan
6.4 Inhaltesstoffe und Eigenschaften von Biogas

7 NETTOENERGIEBILANZ DER BIOETHANOLPRODUKTION
7.1 Basisdaten
7.1.1 Basisdaten PE-Träger
7.1.2 Heizwert, Kohlendioxid-Fracht, Marktpreis
7.1.3 Basisdaten Default-Werte
7.1.4 Basisdaten für Anbau und Transport Zuckerrübe, Weizen
7.2 PE-Einsatz der Rohstoffproduktion Weizen, Zuckerrüben
7.2.1 Transportwege
7.3 Bioethanolproduktion aus Weizen
7.3.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion
7.3.2 Sachbilanz der Weizen-Modelle Input, Output
7.3.3 Input Weizen-Modelle
7.3.4 Output Weizen-Modelle
7.3.5 Allokationen Weizen-Modelle
7.3.6 Energiebilanz der Weizen-Modelle
7.3.7 Default-Wert Berechung Weizen
7.4 Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben
7.4.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion
7.4.2 Sachbilanz der Zuckerrüben-Modelle Input, Output
7.4.3 Input Zuckerrüben-Modelle
7.4.4 Output Zuckerrüben-Modelle
7.4.5 Allokationen Zuckerrüben-Modelle
7.4.6 Energiebilanz der Zuckerrüben-Modelle
7.4.7 Default-Wert Berechung Zuckerrüben-Modelle

8 UNTERSUCHUNG DER BIOETHANOLBERICHTE
8.1 Studie Schmitz
8.2 Studie Elsayed et al
8.3 Studie EMPA
8.4 Studie CONCAWE

9 STROM EINSPEISUNG, NUTZUNG UND WIRKUNGSGRAD

10 ZUSAMMENFASSUNG

11 AUSBLICK

Literatur Quellennachweis Selbständigkeitserklärung

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Ethanol Produktion

Abbildung 2: Bioethanolanlagen in Deutschland

Abbildung 3: Weizenähre

Abbildung 4: Strohballen

Abbildung 5: Hydrolyse Amylose

Abbildung 6: Hydrolyse Amylopektin

Abbildung 7: Zuckerrübe

Abbildung 8: Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe

Abbildung 9: Zuckerrüben Aufbau

Abbildung 10: Reinigung, Zerkleinerung, Extraktion

Abbildung 11: Reinigen Rohsaft

Abbildung 12: Eindampfen Dünnsaft

Abbildung 13: Kristallisation

Abbildung 14: Glucose zu Ethanol

Abbildung 15: Vermehrungskurve

Abbildung 16: Diskontinuierliches Verfahren

Abbildung 17: Kaskadenverfahren für Weizen

Abbildung 18: Kontinuierliche Verfahren mit Zuckerrüben

Abbildung 19: Fliesschema Anklam Bioethanol GmbH (Danisco)

Abbildung 20: KWST Kaskadenverfahren für Weizen

Abbildung 21: Rohalkoholkolonne

Abbildung 22: Modernes Trennungsverfahren (starke Vereinfachung)

Abbildung 23: Anaerober Abbau zu Methan

Abbildung 24: PE-Inputs Weizen-Modelle

Abbildung 25: Output Vergleich Weizen-Modelle

Abbildung 26: Nettoenergiebilanz Weizen-Modelle

Abbildung 27: PE-Inputs Zuckerrüben-Modelle

Abbildung 28: Output Vergleich Zuckerrüben-Modelle

Abbildung 29: Nettoenergiebilanz Zuckerrüben-Modelle

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Begründung für die Förderung von Bioethanol

Tabelle 2: Eigenschaften von Ethanol und Benzin

Tabelle 3: Ethanol und ETBE im Vergleich

Tabelle 4: Biokraftstoffquotengesetz

Tabelle 5: Anlage 4 zu § 7b 3 LMKV

Tabelle 6: Weizen Stärken und Schwächen

Tabelle 7: Inhaltsstoffe Weizen

Tabelle 8: Dosierung Brennerei

Tabelle 9: Zuckerrüben Stärken Schwächen

Tabelle 10: Massenströme und Prozessmodule für Zuckerrübe

Tabelle 11: Massenströme und Prozessmodule für Weizen

Tabelle 12: Kennzeichnungs- Beförderungsvorschriften Ethanol

Tabelle 13: Energietische Kenngrössen für Feuerungsanlagen

Tabelle 14: Vorteile der mesophilen und thermophilen Vergärung

Tabelle 15: Abbauleistung von Praxisfermentern

Tabelle 16: Inhaltesstoffe Biogas

Tabelle 17: Gasreinigung und Gasverwendung

Tabelle 18: Rohöl PE-Einsatz

Tabelle 19: PE-Energieeinsatz für Rohölprodukte

Tabelle 20: PE-Einsatz für Erdgas

Tabelle 21: Uran Bereitstellung

Tabelle 22: PE-Einsatz für Strom

Tabelle 23: Brennstoffe Bioethanol-Modelle

Tabelle 24: Verbrennung PE-Träger

Tabelle 25: Heizwert Nebenprodukte

Tabelle 26: Nebenprodukterlös

Tabelle 27: Marktpreis Energieträger

Tabelle 28: Diesel PE-Träger

Tabelle 29: Heizöl L PE-Träger

Tabelle 30: Heizöl S PE-Träger

Tabelle 31: Strom PE-Träger

Tabelle 32: Unterstellter Energiepflanzenanbau

Tabelle 33: Basisdaten Produktion Dünger

Tabelle 34: Basisdaten Düngertransport

Tabelle 35: Pflanzenschutzmittel Primär- und Endenergieaufwand

Tabelle 36: Pflanzenschutzmitteltransport

Tabelle 37: PE-Einsatz Saatgut

Tabelle 38: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 1

Tabelle 39: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 2

Tabelle 40: Transport Rohstoffe

Tabelle 41: Weizen Zerkleinerung

Tabelle 42: Energiebedarf Ethanolgewinnung aus Weizen

Tabelle 43: Schlempe, Dekanter mit Schneckenantrieb

Tabelle 44: Evaporation

Tabelle 45: Modelle Weizen

Tabelle 46: Input Weizen

Tabelle 47: Energiewerte, Feuerungsanlagen Weizen

Tabelle 48: Braunkohle-Feuerungsanlage

Tabelle 49: Gesamter PE-Input Weizen

Tabelle 50: Gesamter Energie-Output Weizen-Modelle

Tabelle 51: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 1

Tabelle 52: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 2

Tabelle 53: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3

Tabelle 54: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3a

Tabelle 55: Energieaufteilung Weizen

Tabelle 56: PE-Träger Weizen Default-Werte

Tabelle 57: Energie für Dicksaftherstellung

Tabelle 58: Zuckerrüben Ethanol

Tabelle 59: Kühlung Fermentation

Tabelle 60: ZRS-Zerkleinerung Biogas

Tabelle 61: Schlempeeindampfung

Tabelle 62: Modelle Zuckerrüben

Tabelle 63: Input Zuckerrübe

Tabelle 64: Energieinput von Feuerungsanlagen ZR

Tabelle 65: Gesamter PE-Einsatz ZR-Modelle...

Tabelle 66: Biogasproduktion ZRS, Brüden

Tabelle 67: Gesamter Energieoutput ZR-Modelle

Tabelle 68: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 5

Tabelle 69: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 6

Tabelle 70: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7

Tabelle 71: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7a

Tabelle 72: Energieaufteilung Zuckerrüben

Tabelle 73: PE-Träger Zuckerrüben Default-Wert

Tabelle 74: Übersicht Modelle Bioethanolherstellung

Tabelle 75: Weizen-Modelle Elsayed et al

Tabelle 76: Zuckerrüben-Modelle Elsayed et al

Tabelle 77: Vergütung Strom

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG

Der IPCC-Bericht von 2001 kam zu dem Ergebnis, dass die mittlere Erdtemperatur seit Anfang des letzten Jahrhunderts um 0,6 °C angestiegen ist. Laut dem Klimabericht der Vereinten Nationen 2007 muss dieser Wert auf 0,74 °C angehoben werden. Nach der Meinung aller beteiligten Forscher sind die vom Menschen verursachten Emissionen an Treibhausgasen die Hauptursache für diese Erwärmung, welche zu Veränderungen im Tier- und Pflanzenreich auf der gesamten Welt führen. Das sich in den Emissionen befindende CO₂ gehört zu den wichtigsten Treibhaugasen. Obgleich das Treibhaugas Methan pro Molekül einen 32-mal höheren Einfluss auf den Treibhauseffekt hat als CO₂ (http://upi-institut.de/klima-bericht_des_ipcc.htm, 11.11.2007). Aufgrund dessen haben sich die Industrieländer in der japanischen Stadt Kyoto im Jahre 1997 darauf geeinigt, dass die sechs wichtigsten Treibhausgase bis 2012 um weltweit 5,2 Prozent vermindert werden. Ziel dieser Übereinkunft ist es durch eine Verringerung des CO₂-Ausstosses den weltweiten Treibhauseffekt zu mindern (http://www.tagesschau.de /meldung110550.html, 11.11.2007). Die durch Verbrennungsprozesse freigesetzte CO₂-Emission kann durch den Einsatz von Energieträgern auf der Basis von Biomasse signifikant verringert werden, im Vergleich zu fossilen Energieträgren. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Menge an CO₂-Emissionen, welche bei der energetischen Biomassenutzung entstehen zuvor beim Pflanzenwachstum der Atmosphäre entzogen wurde. Die bei fossilen Energieträgern entstehenden CO₂-Emissionen sind vor Jahrmillionen durch biogene CO₂-Fixierung und durch langwierige Transferierungsprozesse zu fossilen Energieträgern entstanden. Der Zeitprozess ist für die negative Belastung des anthropogenen Treibhauseffektes entscheidend (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 295).

Einer der biogenen Energieträger ist das Bioethanol. Die weltweite Bioethanolproduktion ist auch aufgrund der verminderten Erdöl- und Erdgasressourcen auf eine hauptsächliche Nutzung als Energieträgerersatz für fossile Treibstoffe ausgerichtet. In den Kraftstoffsektor fließen 66% des Bioethanol ein. Als weitere Einsatzbereiche sind die pharmazeutisch-chemische Industrie mit 21 % und die Lebensmittelindustrie mit 13 % zu nennen (Schmitz N., 2003, S. 129).

Brasilien führt im Jahr 2005 die weltweite Bioethanolproduktion mit 12,7 Mio. Tonnen mit ca. 36 % der weltweiten produzierten Bioethanolmenge an. 1974 begann Brasilien Bioethanol zu produzieren. Anlass dazu war der erste Erdölschock und die dadurch ausgelösten wirtschaftspolitischen Probleme. Der steigende Erdölpreis konnte von der brasilianischen Wirtschaft nicht getragen werden. Die U.S.A. begann 1978 mit einer steuerlichen Förderung („Energy Tax Act“) den Aufbau einer Bioethanolwirtschaft. Nach einem anfänglich langsamen, progressiven Anstieg der Bioethanolproduktion wurden im Jahre 2005 aufgrund einer gestiegenen Nachfrage 11,7 Mio. Tonnen Bioethanol produziert.

Präsident Bush bekannte sich in seiner Rede zur Lage der Nation am 23.01.2007 dazu ehrgeizige Ziele für den Einsatz erneuerbarer Energien zu verfolgen. Der Verbrauch fossiler Treibstoffe soll bis zum Jahr 2017 um 20 % gesenkt werden. Dazu würde unter anderem der vermehrte Ersatz von Benzin durch Bioethanol beitragen. Die ursprünglich für das Jahr 2012 verfolgte Bioethanolproduktion von rd. 23 Mio. Tonnen wird wahrscheinlich schon 2008 erreicht sein. Bis zum Jahr 2017 soll die Produktion von Biokraftstoffen auf rd. 110 Mio. Tonen verfünffacht werden (http://www.lab-biokraftstoffe.de /Bioethanol-weltweit.html, 09.11.2007).

Der Alkohol Ethanol wird Ethylalkohol oder auch Weingeist genannt und ist der Menschheit seit langem als Inhaltsstoff von alkoholischen Getränken bekannt. Die Sumerer dokumentierten schon vor 8000 – 9000 Jahren in Keilschrifttafeln die Bierherstellung. Weine werden auch schon seit Jahrtausenden von den Menschen hergestellt. Das Destillieren von Alkohol wurde in Süditalien (Salerno) zwischen 1150 und 1250 betrieben (Römpp H. et al., 1989, S. 1243).

Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit beinhaltet die Erstellung einer Nettoenergiebilanz für die technologische Bioethanolproduktion in Deutschland. Dazu wird eine Produktionsanlage gewählt, wie sie in der deutschen Industrie gewöhnlich vorkommt. Im ersten Teil dieser Arbeit soll die Gewinnung der Rohstoffe Weizen und Zuckerrübe anhand der landwirtschaftlichen Produktionsprozesse untersucht werden. Es werden alle Energieinputs aus der Landwirtschaft, Rohstoffaufbereitung und dem Herstellungsprozess aufgezeigt, sowie die anfallenden Koppel¹ - und Nebenprodukte² in den einzelnen Produktionsabschnitten benannt werden. Der zweite Teil befasst sich mit der Allokation der Koppel- und Nebenprodukte und der Übertragungsweise auf die Energieinputs. In der schlussendlichen Energiebilanz werden die durch ein Allokationsverfahren berechneten Inputs und Outputs für eine Nettoenergiebilanz miteinander verglichen. Der dritte Teil setzt sich mit der Berechnung der Default-Werte für den Einsatz von primärer Energie zur Bioethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben auseinander. Eine der Teilaufgaben in dieser Diplomarbeit ist das untersuchen von 4. Studien über Bioethanol. Ein weiter Aspekt, der Ergründet worden ist, ist der energetische Unterschied bei der primär Stromeinspeisung und –nutzung. Ebenso sind die Zertifizierungs-Voraussetzungen für Bioethanolunternehmen untersucht worden.

2 BIOETHANOL

2.1 Grundlagen

Ethanol ist eine farblose, klare und hygroskopische³ Flüssigkeit, welche einen würzigen Geruch und einen brennendem Geschmack besitzt. Dieser Alkohol ist leicht entzündlich und verbrennt mit schwach leuchtender Flamme mit einem Heizwert H_u von 26,8 MJ pro kg zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Dieser Alkohol ist mit Wasser, Ether, Chloroform, Benzin und Benzol in jedem Verhältnis mischbar. Die Vermischung vom Ethanol mit Wasser führt zu einer Volumenverminderung, die auch als Volumenkontraktion bezeichnet wird und zu einer Erwärmung des Gemisches (Römpp H. et al., 1990, S. 1243).

Bei einigen Bakterien und Hefen wird Ethanol als Stoffwechselprodukt synthetisiert. Durch technologische Verfahren kann Ethanol synthetisiert werden durch ein Alkoholsynthese-Verfahren, bei welchem an die Doppelbindung von gasförmigen Ethylen (C₂H₄) Wasser (H₂O) in einer Hydroxylierungs-Reaktion⁴ angelagert wird und Ethanol (C₂H₅OH) als Reaktionsprodukt entsteht (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 628). Ethanol ist ein organisches Molekühl welches aus zwei Kohlenstoffatomen besteht und der Gruppe der primären Alkohole zu zuordnen ist. Aufgrund der am 2 Kohlenstoffatom sitzenden polaren OH-Gruppe bildet Ethanol ebenso wie Wasser Wasserstoffbrückenbindungen aus. Diese intermolekularen Bindungskräfte erhöhen den Siedepunkt des Alkohols. Primäre Alkohole mit einem oder bis zu drei Kohlenstoffatomen sind aufgrund des geringen hydrophoben Alkyl-Restes unbegrenzt in polaren Lösungsmitteln wie Wasser mischbar (Dane E. et al., 1997, S. 149f). Ethanol kann mit Wasser ein azeotropes⁵ Gemisch bilden. Ein azeotropes Ethanol-Wasser-Gemisch liegt bei einer Massenzusammensetzung von 95,57% Ethanol und 4,43% Wasser vor. Bei diesem Mischungsverhältnis beträgt die Siedetemperatur 78,15°C. Wobei die Siedetemperatur der Ausgangskomponenten Ethanol bei 78,3°C und die des Wassers bei 100°C liegt (Beckert R. et al., 2004, S. 56; Römpp H. et al., 1990, S. 1243). Als absoluter Alkohol wird eine Flüssigkeit bezeichnet die mindestens 99,8 Vol.-% Alkohol enthält und somit praktisch wasserfrei ist (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 628).

2.2 Ökonomische und gesetzliche Vorgaben

Bioethanolproduktion Weltweit und in der EU

Aufgrund des starken Anstiegs der Bioethanolproduktion in den USA hat die USA im Jahre 2006 mit 19,2 Mio. m₃ Brasilien als weltweit größten Bioethanolproduzenten abgelöst. Brasilen produzierte im Jahre 2006 16,7 Mio. m₃ in der EU wurden in diesem Zeitraum 3,1 Mio. m₃ Bioethanol produziert. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist, produziert Nord- und Südamerika im Jahr 2006 den größten Anteil des weltweit produzierten Bioethanol. Die EU und seine Mitgliedsstaaten beteiligen sich mit 6 % an der weltweiten Produktion. Hierbei ist Frankreich mit 30 % an stärksten vertreten. Deutschland nimmt in Europa mit 18 % den zweiten Platz ein (Schmitz N. et al., 2007, S. 8f).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Ethanol Produktion

(Graphik entnommen aus Schmitz N. et al., 2007, S. 8)

Die Nutzung des weltweit produzierten Bioethanols kann in 3 große Bereiche eingeteilt werden. Der Kraftstoffbereich nimmt mit fast zwei Drittel den größten Teil ein. Der chemisch technologische Sektor mit seinen Vertretern aus der Chemisch-, Pharmazeutischindustrie und der Farb- und Lackindustrie ist mit 21 % vertreten und der Nahrungsmittelsektor kommt auf 13 % (Schmitz N., 2003, S. 179). Das Europäische-Parlament hat am 8. Mai eine EU-Biokraftstoffförderrichtlinie 2003/30/EWG verabschiedet. Auf Grund welcher nationale Zielwerte für die EU-Mitgliedstaaten über die Mindestanteile von Biokraftstoffen in allen Otto- und Dieselkraftstoffen für den Verkehrssektor festgelegt sind. Es sollen 2 % cal. d.h. bezogen auf den Energiewert im Jahr 2005 und 5,75 % cal. im Jahr 2010 erreicht werden. Vielfältige Ziele werden mit der steuerlichen Förderung von Bioethanol und anderen Biokraftstoffen verfolgt, wie in Tabelle 1 aufgelistet ist (Schmitz N. et al., 2006, S. 16ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle entnommen aus Schmitz N. et al., 2006, S. 17)

Trotz der Biokraftstoffförderrichtlinie 2003/30/EWG bleibt die Markteinführung von Biokraftstoffen hinter den gesetzten Zielen zurück. Aus diesem Grund trifft die EU-Kommission im Januar 2007 verbindliche Festlegungen für das Jahr 2020 ob des zu erreichenden Mindestzieles von 10 % cal. Anteil am Kraftstoffmarkt. Die Richtlinie die eine konkrete Umsetzung dieses Ziels erwirken soll wird für Ende 2007 erwartet (http://www.lab-biokraftstoffe.de/Poletik.html, 09.11.2007).

Bioethanolproduktion in Deutschland

Laut den Angaben des Bundesministeriums für Umwelt sind im Jahre 2006 in Deutschland insgesamt 27,5 TWh durch biogene Kraftstoffe verbraucht worden. 13,5% fielen dabei auf den Bioethanol 75,1% auf den Biodiesel. Der damit den grössten Anteil der produzierten Biokraftstoffe in Deutschland ausmacht. Die Restlichen 11,4% verbleiben auf dem Pflanzenöl. Somit sind 4,7% der im Kraftstoffbereich verbrauchten Energie durch biogene Kraftstoffe bereitgestellt worden (http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/hintergrund _zahlen2006.pdf, 24.10.2007). Auch in Deutschland werden von der Politik grosse Anstrengungen unternommen die Bioethanolproduktion für Unternehmen attraktiv zu machen. So konnte durch die Mineralölsteuerbefreiung vom 01.01.2004 für die Ethanolbeimischungen im Kraftstoff ein Neuaufbau von Bioethanolanlagen angeregt werden (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Bioethanolanlagen in Deutschland

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten(Graphik entnommen aus http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt /download /grunert.pdf, 15.11.2007)

Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, konnten bis zum 05.05.2007 in Deutschland durch Bioethanol-anlagen insgesamt 687.400 m₃ Bioethanol produziert werden. Durch etwa 1.056 Brennereien werden ebenfalls 217.000 m₃ produziert. Des weitern sind 6 Bioethanolanlagen im Bau und 13 noch in der Planung vornehmlich in den Neuen Bundesländern (http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/ Landwirtschaft/lfl /inhalt/download/grunert.pdf, 15.11.2007).

Im § 24 des BranntwMonoG vom 30.10.2006 werden Eigenbrennereien eingeteilt in landwirtschaftliche Brennereien §§ 25, 26, Obstbrennereien § 27 und gewerbliche Brennereien § 28. Landwirtschaftliche Brennereien dürfen als Einzellbrennerei oder Gemeinschaftsbrennerei betrieben werden, welche mit einer Landwirtschaft zusammengeschlossen ist. Als Rohstoffe für die Brennerei dürfen nur Kartoffeln oder Getreide verwendet werden. Der Reichsminister der Finanzen kann anordnen das Rübenstoffe verarbeitet werden dürfen.

Als Obstbrennereien gelten Brennereien die nur Obst, Beeren, Wein, Weinhefe, Most, Wurzeln oder Rückstände davon verarbeiten. Der Reichsminister der Finanzen kann in besonderen Ausnahmefällen eine Erweiterung der Rohstoffe vorsehen. Gewerbliche Brennereien sind Brennereien die nicht zu den landwirtschaftlichen Brennereien oder den Obstbrennereien sowie zu den Brennereien die Hefe erzeugen gehören (BranntwMonoG, 2006, S. 9f).

Die Nationale-Marktordnung für Branntweine und das Branntweinmonopol wird in Deutschland über das Branntweinmonopolgesetz, welches auch die Branntweinbesteuerung festlegt, geregelt. Nach diesem Gesetz sind Branntweine die Erzeugnisse, welche unabhängig von ihrer Gewinnungsart und ihrem Aggregatszustand Ethanol in einem wertbestimmenden Anteil enthalten. Sonderregelungen gelten für Bier, Wein und Schaumwein oder für Erzeugnisse die nicht unter das Branntweinmonopolgesetz fallen. Das Branntweinmonopolgesetz umfasst die Übernahme des hergestellten Branntweins, die Herstellung von Branntwein aus anderen als landwirtschaftlichen Rohstoffen, die Einfuhr von Branntwein, die Reinigung von Branntwein und den Handel (Römpp H. et al., 1990, S. 1246).

2.3 Einsatz des Bioethanol als alternativer Kraftstoff

Bioethanol als Reinkraftstoff

Ethanol enthält nur etwa 65 % des Energiegehaltes vom konventionellem Normalbenzin (siehe Tabelle 2). Die Zündeigenschaften von Ethanol sind im Vergleich zu Normalbenzin aufgrund der höheren Dampfdruck- und Verdampfungswärme Eigenschaften für den Verbrennungsprozess im Motor bei niederen Temperaturen schlechter. Aus diesem Grund ist ein größerer Energiebetrag notwendig um Ethanol zu verdampfen.

Tabelle 2: Eigenschaften von Ethanol und Benzin

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle entnommen aus Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 629)

Die notwendige Verdampfungswärme wird von der angesaugten Luft bereitgestellt, welche beim Starten eines Vergasermotors mindestens 10 °C betragen muss. Damit ein leistungsadäquates Fahrverhalten sichergestellt ist, sollte die Luft bei kalter Witterung während des Betriebes auf 90 °C vorgewärmt werden. Diese Ethanolproblematik kann durch die Zugabe von Ethern oder Normalbenzin behoben werden. Für Ethanol-Normalbenzin-Mischkraftstoffe ist diese Problematik vernachlässigbar. Der Vorteil des Ethanolkraftstoffes ist, dass er eine höhere Oktanzahl als Normalbenzin aufweist. Sowie ein höherer Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Kompressionsfähigkeit des Ethanolkraftstoffes im Zylinder verwirklicht ist. Ethanol ist bei Otto-Motoren als Reinkraftstoff oder Mischkraftstoff einsetzbar. Ohne Veränderungen am Motor kann Ethanol dem Ottkraftstoff bis zu maximal 20 bis 25 Vol.-% zugemischt werden. Für den alleinigen Gebrauch von Ethanol als Kraftstoff im Otto-Motor muss der Motor umgebaut werden in einen speziellen Reinalkoholmotor.

Bei diesem Motortyp sind Ethanol-Wasser-Gemische von 70 bis 100 Vol.-% Ethanol möglich. Die genauen Sachverhalte über den Motorenumbau werden in dieser Diplomarbeit nicht behandelt. Aus rein technischer Betrachtungsweise scheidet Ethanol als alleiniger Kraftstoff bei herkömmlichen Dieselmotoren aufgrund der geringen Cetanzahl⁶ aus. Er kann aber in einem Mischungsverhältnis von 30 % zum Dieselkraftstoff zugegeben werden. Es kann zu einer Destabilisierung des Mischkraftstoffes kommen, wenn kein Wasserfreier Ethanol verwendet wird. Eine Phasentrennung der Mischung kann schon beim Unterschreiten von 10°C und bei einem Wassergehalt von 0,5 Vol.-% auftreten (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 629ff).

Ab dem 1. Januar 2007 verpflichtet sich die Mineralölindustrie nach dem Biokraftstoffquotegesetz Bioethanol in Höhe von 1,2 % zum Ottokraftstoff beizumischen. Es werden auch Ethanol-Benzin-Mischkraftstoffe hergestellt darunter fallen die E 5, E 10 und E 85 Kraftstoffe. Sie bestehen aus 5, 10 oder 85 % aus Bioethanol und zu den restlichen Anteilen aus Normalbenzin. Eine kennzeichnungsfreie Beimischung zum Normalbenzin ist laut der Norm EN DIN 228 bis zu 5 % erlaubt (http://www.lab-biokraftstoffe.de/Einsatzmoeglichkeiten.html, 09.11.2007).

Bioethanol als Ether und als Kraftstoffbeimischung

Um die Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen zu verbessern, wurden in der Vergangenheit hauptsächlich Bleialkyle eingesetzt. Heutzutage werden Ether wie MTBE, ETBE, DIPE oder TAME zugesetzt. In dieser Diplomarbeit wird nur der Ether aus Ethanol näher betrachtet (ETBE). Ether sind sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen die aus Alkoholen und verzweigten Olefinen hergestellt werden. Diese Verbindungen besitzen hohe Oktanzahlen (ROZ über 100, MOZ bei 100) und einen niedrigen Dampfdruck. Aufgrund der hohen Oktanzahl sind diese Etherverbindungen für das Aufbereiten von Kraftstoffen mit hoher Oktanzahl für Ottomotoren wichtig. Ether dürfen dem Ottokraftstoff nach DIN EN 228 bis zu 15 Vol.-% beigemischt werden. Außerdem weisen Ether eine Materialverträglichkeit als Mischkomponenten im Ottokraftstoff auf. ETBE weist als Kraftstoffkomponente im Gegensatz zum Ethanol bessere Eigenschaften auf. Dieser Ether kann problemlos in den Raffinerien dem Ottokraftstoff beigemischt werden und in Pipelines transportiert werden (siehe Tabelle 3). Sowie bei Ethern aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften keine Ansammlungen in eventuell sich bildenden Wasserphasen stattfindet. Damit bleibt die ursprüngliche Zusammensetzung des Kraftstoffs unverändert. ETBE ist hydrophober als MTBE und ist daher als noch vorteilhafter zu betrachten. Zumal MTBE von dem US Environmental Protection Agency als möglicherweise karzinogen beurteilt wird und nach dem Beschluss des Kalifornischen Gouverneurs ist der Zusatz von MTBE zu Ottokraftstoffen ab Ende 2003 in Kalifornien verboten (Schmitz N., 2003, S. 156ff).

Tabelle 3: Ethanol und ETBE im Vergleich

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle nach Schmitz N., 2003, S. 159)

Die Besteuerung und der festgelegte Anteil an Beimischungen zum Kraftstoff sind im Energiesteuergesetz vom 15.07.2006 und im Biokraftstoffquotengesetz vom 18.12.2006 geregelt worden. Im Energiesteuergesetz vom 15.07.2006 wurden folgende Festlegungen getroffen:

- stufenweise Erhöhung der Steuerbelastung für B100 und Pflanzenöl
- E85 bis 2015 steuerbefreit
- Beimischung Biodiesel und Ethanol voll besteuert
- Das Biokraftstoffquotengesetz vom 18.12.2006 macht Aussagen über:
- Mindestanteile im Biokraftstoff für Treibstofftypen und für die Gesamtquote (siehe Tabelle 4)

(http://www.smul.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download/Biokraftstoffe_2007_07_02_Kennwortschutz.pdf, 15.11.2007).

Der im Tabelle 4 aufgeführte Anteil an Biokraftstoff wird auf den Energiegehalt der Gesamtmenge an Otto- oder Dieselkraftstoff zuzüglich des Biokraftstoffanteils bemessen bei der Abgabe von reinem Biokraftstoff, bei der Abgabe des Steuerlagers nach dem Energiesteuergesetz und bei der gewerbsmäßigen oder im wirtschaftlichen Rahmen in den Verkehr gebrachten Kraftstoffmenge. Der zuletzt genannte Fall hat sicher zu stellen, dass die geforderte mindest Menge am Biokraftstoff nach den genannten Bewertungsrichtlinien im Kraftstoff ist. Die Anteile an Biokraftstoff im fossilen Kraftstoff beziehen sich für die gewerbemassige Abgabe vom Kraftstoff mit Biokraftstoffanteil auf den Energiegehalt der Gesamtmenge an Otto- und Dieselkraftstoff zuzüglich des Biokraftstoffanteils.

Dieser Fall trifft zu bei Verpflichteten, welche Kraftstoff mit einem festgelegten Biokraftstoffanteil gewerblich im Rahmen wirtschaftlicher Unternehmungen abgeben oder Mitglieder des Erdöl-bevorratungsverbandes sind. (http://dip.bundestag.de/btd/16/027/1602709.pdf, 19.02.2008, S. 11)

Tabelle 4: Biokraftstoffquotengesetz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle entnommen aus http://www.smul.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download /Biokraftstoffe_2007_07_02_Kennwortschutz.pdf, 15.11.2007)

2.4 Vorkommen in Lebensmitteln

Der Alkohol Ethanol kommt hauptsächlich in Lebensmitteln vor, welche einem Fermentationsprozess während der Herstellung unterworfen sind und somit Bioethanol beinhalten. Der Ethanolgehalt im Bier ist von der Biersorte abhängig. Extraktreiche Biere enthalten 1,0 bis 1,5 Gew.-% Ethanol, Dünnbiere 1,5 bis 2,0 Gew.-%, Vollbiere 3,5 bis 4,5 Gew.-% und Starkbiere 4,8 bis 5,5 Gew.-% Ethanol. Im Wein ist der Ethanolgehalt auch sehr unterschiedlich. Es kommen Konzentrationen bei Traubenweinen vor, welche je nach Jahrgang und Sorte zwischen 55 und 110 g pro Liter Ethanol enthalten. Aufgrund ihres Alkoholgehaltes werden unterschiedliche Weinklassen unterschieden. Leichte Weine enthalten 55 bis 75 g pro Liter, mittlere Weine liegen bei 75 bis 90 g pro Liter und gute bis sehr gute Weine bei 90 bis 110 g pro Liter Alkohol und mehr. Ein Alkoholgehalt von über 144 g pro Liter gibt Hinweise auf einen Ethanol Zusatz. Die alkoholischen Getränke deren Alkoholanteil durch Destillation vergorener saccharidhaltiger Flüssigkeiten gewonnen wurde sind unter dem Oberbegriff Spirituosen zusammengefasst. In diese Gruppe gehören die Branntweine, Liköre, Punschextrakte und alkoholhaltige Mischgetränke. (Beliz D. u. Grosch W., 1987, S. 722ff). Ethanolhaltige Getränke wie Likör oder Weinbrand werden als Zutaten für die Herstellung von Pralinen verwendet. Bezeichnet werden diese Lebensmittel mit Likörbohnen oder Weinbrandbohnen (Beliz D. u. Grosch W., 1987, S. 786).

Ethanol ist als Zusatzstoff in Lebensmitteln für technologische Zwecke und für nicht technologische Zwecke sowie für Säuglings- und Kleinkindernahrung nicht zugelassen. Er darf auch nicht als Konservierungsmittel oder Antioxidationsmittel im Lebensmittel eingesetzt werden (LMR, 2006, S, 299ff).

Nach dem 3 LMKV § 7b Abs. 1 ist der anzugebende Alkoholgehalt im Lebensmittel der bei 20°C bestimmte Alkoholgehalt. In Abs. 2 ist die Bezeichnung und die Dimension der Alkoholkennzeichnung festgelegt. Der vorhandene Alkoholgehalt muss in Volumenprozenten durch das Symbol „% vol“ und auf eine Dezimalstelle angegeben werden. Des weitern darf dieser Angabe das Wort „Alkohol“ oder die Abkürzung „alc.“ vorangestellt werden. Aus Abs. 3 geht hervor das die in Anl. 4 aufgeführten Abweichungen des Alkoholgehaltes unbeschadet der Toleranzen gelten, die sich aus der verwendeten Analysenmethode ergeben (siehe Tabelle 5).

Tabelle 5: Anlage 4 zu § 7b 3 LMKV

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle entnommen aus LMR, 2006, S. 125)

Schlussfolgernd ist anzumerken das Ethanol als reiner Zusatzstoff wie beschrieben nicht für Lebensmittel zugelassen ist. Ethanol welches in Lebensmitteln vorkommt z. B. in Bier, Wein und Spirituosen darf andren Lebensmitteln im Herstellungsprozess zugeben werden. Vorraussetzung hierfür ist, dass die Zugabe von ethanolhaltigen Lebensmitteln im Lebensmittelbuch angezeigt ist oder das entsprechende Patente vorliegen.

2.5 Sonstige Verwendung

Ausser als in den zuletzt genanten beiden Punkten über die Verwendung und den Einsatz von Ethanol kommen noch weitere Bereiche infrage.

Pharmazeutischer Bereich

Ethanol ist im pharmazeutischen Bereich als Konservierungsstoff und Auszugsmittel für verschiedene Medikamente anzutreffen. Viele Medikamente, vor allem pflanzliche Präparate in flüssiger Form, enthalten diesen Alkohol um einen hohen Wirkstoffgehalt im Medikament zu erzielen. Um die Inhaltsstoffe von Kräuter oder Pflanzenbestandteilen zu gewinnen, werden diese über einen längeren Zeitraum in Alkohol eingelegt und anschließend abgegossen. Durch den Zusatz von Ethanol in Arzneimitteln kann auf andere, künstliche Konservierungsstoffe verzichtet werden.

Ethanol inaktiviert Enzyme, was sich vorteilhaft auf Umbau- und Abbaureaktionen in den Zellen auswirkt und fördert so die Wirkung der Arzneimittel. Die Zugabe von Ethanol in pharmazeutische Produkte ist durch das Arzneimittelgesetz genau festlegt und reglementiert worden. Danach muss ein Medikament, das einen Fluidextrakt oder eine Tinktur enthält, immer Ethanol enthalten und darf nicht als "alkoholfrei" bezeichnet werden (http://www.gesundheit.de/medizin/medikamente /alkohol-in-medikamenten/index. html, 15.11.2007).

Reinigung Desinfektion

Als Reinigungs- und Desinfektionsmittel ist Ethanol einsetzbar, da es hydrophobe Substanzen löst und mit einer 70%igen Ethanollösung Bakterien durch eine Denaturierung der Protoplasma Proteine abtötet werden. Das Wirkungsspektrum von Ethanol umfasst Gram-positive und -negative Bakterien, Mycobacterium tuberculosis und Viren mit Hülle. Ethanol kann eingesetzt werden zur Oberflächen Desinfektion, wenn eine kurze Einwirkdauer unbedingt erforderlich ist. Auch zur Desinfektion der Hände und der Haut findet Ethanol Verwendung (Forth W. et al., 2001, S. 1077).

Ethanol in Lösungsmittel, Parfüme, Farben, Lacke und Brennstoffe

Ethanol findet Einsatz als Lösungsmittel für Duftstoffe in Parfums, dabei wird eine Konzentration von 80 – 90 Gew.-% angestrebt. Man unterscheidet nach dem Anteil der im Ethanol gelösten Parfümöle und dem Wasseranteil im Parfüm. Parfüm Extrakt mit einem hohen Ethanol- und Parfümölanteil von 10 bis 25%, Eau de Parfum mit 8 bis 10%, Eau de Toilette 5 bis 8%, Eau de Cologne (kölnisch Wasser) 2 bis 5%. Ebenso wird Ethanol für Kosmetika wie Rasierwasser oder Haarwasser in einer Konzentration von 40 bis 60 Gew.-% verwendet. Ein wichtiger Einsatzbereich ist die Verwendung als Lösungsmittel für Fette, Öle und Harze sowie für die Lack- und Firnisfabrikation. Die Verwendung als Brennmittel wird aufgrund des hohen massebezogenen Heizwertes von Ethanol (H_u: 26,8 kJ/g oder 6,5 kcal/g) in Form von Brennspiritus oder in Form von Hartspiritus verwirklicht (Römpp H., et al., 1990, S. 1243ff).

2.6 Zertifikationen für Biokraftstoffproduzenten

Am 05.12.2007 ist eine erste Beschlussfassung über die Biomasse-Nachhaltigkeitsverordnung (BioNachV) durch das Bundeskabinett erfolgt. Diese Verordnung beruht auf den Ermächtigungs-vorschriften gemäß § 37d Abs. 2 Nr. 3 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes und gemäß § 66 Abs. 1 Nr. 11a Buchstabe a des Energiesteuergesetzes. Durch dieses Vorblatt soll sichergestellt werden, dass die Mindestanforderungen bei der Erzeugung von Biomasse für Biokraftstoffe an eine nachhaltige Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen und Mindestanforderungen zum Schutz natürlicher Lebensräume erfüllt werden. Sowie Biokraftstoffe bei der Betrachtung der gesamten Produktions-, Verarbeitungs- und Lieferstufe ein bestimmtes Treibhausgas-Verminderungspotential aufweisen müssen.

Diese Interessen sollen durch die an Vorraussetzungen gebundene Vergabe von Zertifikaten erfüllt werden. Es soll ein Anreiz für die Entwicklung von innovativen Biokraftstoffen mit einem überdurchschnittlichen Treibhausgas-Verminderungspotenzial geschaffen werden. Dazu soll die Möglichkeit verhelfen einen Faktor aus der Treibhausgasbilanz des Biokraftstoffes festzulegen, mit dem der Biokraftstoff auf die Erfüllung von Verpflichtungen nach § 37a Abs. 1 Satz 1 und 2 in Verbindung mit § 37a Abs. 3 Bundes-Immissionsschutzgesetz angerechnet werden kann.

In dieser Diplomarbeit werden nur Ausschnitte aus dem Vorblatt vom 05.12.2007 erwähnt. Vornehmlich die, welche für die Grundvorrausetzungen für eine Zertifikation erforderlich sind.

Im Abschnitt 1 Anforderungen an Biokraftstoffe und deren Erzeugung werden Qualifikationsrichtlinien in den §§ 1 bis 4 festgelegt die für eine Zertifikation erfüllt sein müssen.

In § 1 Anerkennung von Biokraftstoffen werden die Verpflichtungen für die Erfüllung der Anrechnung festgelegt.

§ 2 Nachhaltige Bewirtschaftung von Flächen legt die im und außerhalb des Geltungsbereiches liegenden Anforderungen fest.

Der § 3 Schutz natürlicher Lebensräume weist auf die geltende Definition von Ökosystemen mit Naturschutzwert hin und setzt Auswahlkreterin fest.

Im § 4 Treibhausgas-Verminderungspotential ist der festgelegte Mindestwert von 30 % aufgeführt und der ab 1. Januar 2011 geltende Basiswert. Sowie die Festlegung über die Berechnungsweise des Treibhausgas-Verminderungspotentials. Bei einer Überschreitung des Basiswertes wird die Auflistung über die Anrechnung auf die energetische Quote nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz geltend gemacht.

Der 2 Abschnitt Zertifizierung bestimmt im § 5 Zertifizierungssystem, Schnittstellen konkrete Vorgaben die für die Einhaltung der in den §§ 1 bis 4 benannten Voraussetzungen. Sowie Vertragsbedingungen, die einem Zertifizierungssystem zugeordnet werden können, zwischen Zwischenstellen und den vor- gelagerten Betrieben festgelegt werden. Mit einer Vorgabe über die Handhabungsweise der Daten für die Dokumentation zur Einhaltung der konkreten Vorgaben aus den §§ 1 bis 4.

In § 6 Zertifikate wird die Dauer der ausgestellten Zertifikate benannt, welche ab den Datum der Kontrolle sich auf ein Jahr beläuft und der Zwischenstelle ausgestellt wird. Ebenso werden in diesem Paragraph die Bedingungen für eine Erteilung eines Zertifikates benannt.

Ein Zertifikat kann erteilt werden wenn die alle Schnittstellen:

- Die Voraussetzungen erfüllen
- Die Lieferanten die Menge und Art der bezogenen Biokraftstoffe bzw. deren Vorprodukte dokumentieren
- Der gesamte Energiegehalt der abgegebenen Biokraftstoffe in Gigajoule angegeben wird

Eine Kopie der Zertifikate ist von der unabhängigen Kontrollstelle 10 Jahre aufzubewahren.

3 WEIZEN

Winterweizen erfüllt mit seinen typischen Korninhaltsstoffen am besten die für die Bioethanolproduktion benötigten Voraussetzungen für eine hohe Alkoholausbeute (siehe Tabelle 7). Das Weizenkorn sollte einen hohen Stärkegehalt, eine gute Keimfähigkeit und eine gute Kornausbildung sowie ein hohes Hektolitergewicht haben. Ein hohes Hektolitergewicht korreliert mit einem hohen Stärkegehalt im Korn, einem geringen Schalenanteil und zeigt eine gute Keimausbildung an. Störungen im Gärablauf können durch einen hohen Grad an technischer Reinheit, d. h. keine bis geringfügige mikrobielle Belastung, vermieden werden. Ein leichter Keimauswuchs hat gärungstechnische Vorteile, denn durch die Eigenenzymaktivität werden die Polysaccharide im Mehlkörper des Weizenkorns durch eine Hydrolyse gespalten (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 89).

3.1. Weizen Anbau, Ertrag und Nebenprodukte

Winterweizen

Winterweizen wird erst ab Mitte September ausgesät. Eine Aussaat mit unteroptimalen Ernteerträgen ist bis Dezember möglich. Die Ernte erfolgt im Hochsommer des auf die Aussaat folgenden Jahres. In Deutschland werden auf über 90 % der Weizenanbauflächen Winterweizensorten ausgesät (http://www.wikipedia.de, 27.11.2007).

Die Getreideanbauflächen in Deutschland für die Bioethanolproduktion belaufen sich im Jahr 2007 auf 250.000 ha. In Deutschland wurden im selben Jahr etwa 2 Mio. Tonnen Getreide zu Bioethanol verarbeitet (http://www.carmen-ev.de/dt/portrait/foren /forum07/3 _B%F6se.pdf, 19.11.2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Weizenähre

Der Ertrag an Winterweizen in Deutschland belief sich in den

Jahren 2000 bis 2005 auf durchschnittlich 74,2 dt/ha. Im Jahr

2005 war er bei 75,1 dt/ha und im Jahr 2006 ist er bis zum

jetzigen Zeitpunkt auf 72,3 dt/ha bemessen worden 27.11.2007). (http://www.Bmelv.de, 27.11.2007).

(Graphik aus http://www.wikipedia.de, 27.11.2007)

Die Winterweizensorte Papageno mit einem Kornertrag von 108,8 dt pro ha und einem Stärkegehalt in der Trockensubstanz von 68,65% ist für die Bioethanolproduktion die am geeigneten erscheinende Weizensorte (http://www.ig-pflanzenzucht.de, 19.11.2007).

Der Weizenanbau zur Erzeugung von Bioethanol hat positive und auch negative Aspekte. Zu den Stärken des Weizens gehört die hohe Flächenproduktivität im landwirtschaftlichen Anbau im Vergleich zu anderen Getreidearten. Weiter zu erwähnen sind die gute Lagerfähigkeit, der hohe Stärkegehalt der Weizenkörner, die schnelle kontinuierliche Verfügbarkeit mitbedingt durch den weltweiten Handel, die guten Verarbeitungseigenschaften zu Mehl und die geringen Abwassermengen bei der Produktion sowie die hochwertigen Nebenprodukte wie das DDGS. Die Schwächen des Weizens sind seine relativ hohen Ansprüche an den Boden und die dadurch bedingte begrenzte Anbaufläche. Als Rohstoff zur Ethanolproduktion ist Weizen teuer. Im Vergleich zu zuckerreichen Rohstoffen sinkt die Flächenproduktivität ab (siehe Tabelle 6; Schmitz N., 2003, S. 60).

Tabelle 6: Weizen Stärken und Schwächen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle entnommen aus Schmitz N., 2003, S. 60)

Nebenprodukt Getreidestroh

Getreidestroh stammt vom Ernterückstand aus der landwirtschaftlichen Produktion von Getreide, Ölsaaten, Körnerleguminosen und Körnermais. Die Einsatzbereiche der Strohtypen sind sehr unterschiedlich. In dieser Diplomarbeit wird nur das bei der Winterweizenproduktion anfallende Getreidestroh für energetische Zwecke betrachtet. Das Korn-Stroh-Verhältnis für Winterweizen beträgt 1 zu 0,8. Damit sind aus dem Getreideertrag rund 80% als aufkommende Strohmenge zu beziffern. Der hohe Gehalt an Chlor im Stroh führt zu Korrosion und Schadstoffbildung bei der Verbrennung in einer Feuerungsanlage (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 110ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Strohballen

Getreidestroh fällt in den Sommer- und den frühen Herbstmonaten an. Zum Druschzeitpunkt können Wassergehalte von bis zu 40% vorliegen. Durch Austrocknungsprozesse sinkt der Wassergehalt auf etwa 15% ab. Um den Chlorgehalt im Stroh zu verringern, wird das Stroh auf dem Feld zur Auswaschung durch Regen belassen. Oder es wird durch eine nachträgliche Auswaschung in einer stationären Anlage 95% des Chlors ausgewaschen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 141f).

(Graphik entnommen aus Schmitz et al., 2007, S. 8)

3.2 Chemische Zusammensetzung Weizen und Nebenprodukte

Weizen

Der Stärkeanteil im Weizenkorn ist aus Amylose und Amylopektin aufgebaut und beträgt etwa 2/3 der Trockenmasse (siehe Tabelle 7). Amylose besteht aus Ketten von 250 bis 300 α-1,4-glykosidisch miteinander verknüpften Glucoseresten. Weizen enthält in der Trockensubstanz 26% Amylose. Amylopektin besteht ebenfalls aus einer Kette von α-1,4-glykosidisch verknüpften Glucoseresten. Die aber in unregelmässigen Abständen von 15 bis 30 Glucoseresten weitere Verzweigungen zu anderen Glucoseketten in einer α-1,6-glykosidischen Bindung aufweisen. Ein Molekül Amylopektin besteht aus mehr als 1000 Glucoseresten (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 257ff).

Tabelle 7: Inhaltsstoffe Weizen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle nach Kaltchmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 90)

Wird Stärke im Wasser erhitzt, so bildet sich durch die Wasseraufnahme der Stärkekörner ein Kleister aus. Die Stärke nimmt um ein vielfaches seiner ursprünglichen Grösse zu. Bei diesem Prozess ist vor allem das Amylopektin für die Kleisterbildung verantwortlich. Diese Verkleisterung ist bei der enzymatischen Hydrolyse von Stärke erwünscht. Denn nur wenn die Stärke Wasser gebunden hat, kann die hydrolytische Spaltung schnell durch Enzyme katalysiert werden (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 257f).

Wie aus Tabelle 7 ersichtlich ist, beinhaltet das Weizenkorn 13,8% Protein in der Trockenmasse. In diesem Proteinanteil sind Enzyme vorhanden, die die Ethanolbildung aus Weizenstärke durch autoamylolytische Prozesse verbessern können. Dieser Enzymkomplex setzt sich aus 3 Enzymen zusammen. Damit die Spaltung der Stärke im Weizen optimal verläuft ist es notwendig, dass der katalytische Einfluss aller 3 Enzymarten vorhanden ist. Diese Enzyme sind die α-Amylase, β-Amylase und die Grenzdextrinamylase (Glucoamylase). Die optimalen physikalisch-chemischen Bedingungen für diesen Enzymkomplex liegen bei 55°C und bei einem pH-Wert zwischen 5,3 und 5,4. Der durch die Enzyme katalysierte hydrolytische Reaktionsmechanismus von Amylose und Amylopektin ist in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Der genaue katalytische Sachverhalt dieser enzymatischen Reaktionen wird in Kapitel 3.4, S. 30ff beschrieben (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 597ff).

Abbildung 5: Hydrolyse Amylose

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Graphik entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Hydrolyse Amylopektin

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Graphik entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Die autoamylolytische Eigenschaft des Getreides wird durch den autoamylolytischen Quotienten AAQ ausgedrückt. Dabei wird das Getreide im Labormassstab in zwei unterschiedlichen Gärversuchen ausgewertet. Der AAQ-Wert ist definiert als die prozentuale Alkoholausbeute aus dem autoamylolytischen Gärversuch in Bezug auf die Alkoholausbeute im Gärversuch bei optimalen enzymatischen Bedingungen. Getreide mit einem AAQ-Wert von über 95% können autoamylolytisch verarbeitet werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 600f). Das reife Korn erreicht in seiner Keimruhe eine Minimierung der α-Amylaseaktivität. Diese steigt bei der Keimung und bei schlechten Erntebedingungen (hohe Feuchtigkeit und Temperatur) wider an (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 556f).

Koppelprodukt Getreidestroh

Das Koppelprodukt Getreidestroh kann auch als Brennstoff genutzt werden. Die Nutzungsart dieses Energieträgers ist von der benötigten Menge an Energie und damit auch von den eingesetzten Investitionskosten für die Verbrennungsanlage abhängig. Für Anlagengrössen kleiner als 100 kW sind Stroh-Pellets einsetzbar. Erst bei höherem Energiebedarf über 100kW kommen Ganzballen-feuerungsanlagen in Betracht (http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm, 30.11.2007).

Herstellung von Stroh-Pellets

Für die Herstellung von Stroh-Pellets wird das Stroh in Hammermühlen sehr fein vermahlen. Im Konditionierer wird Wasser dosiert zum Stroh hinzugegeben. Daraufhin wird die konditionierte Strohmenge im Extruder zu Pellets gepresst. Bei diesem Vorgang entstehen Temperaturen bis zu 110°C. Die gepressten Stroh-Pellets haben eine Temperatur von etwa 70°C. Zur weiteren Behandlung werden die Stroh-Pellets in Big Bags eingefüllt und gelagert. Zur Herstellung von 1 t Pellets werden etwa 150 kWh Strom verbraucht ihr Heizwert liegt bei etwa 5000 kWh (http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de /plangetrei_dat.htm, 30.11.2007).

Kenndaten der Stroh-Pellets

- Größe: Durchmesser ca. 8 bis 9 mm, Pelletlänge ca. 10 bis 30 mm
- Heizwert H_u ca. 4,9 kWh/kg oder 17,51 MJ/kg
- Rohdichte 1,2 kg/dm³
- Restfeuchte kleiner 10 %
- Chloranteil 0,02 Gew.-%
- Kosten 120,- bis 140,- Euro pro t

(http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm, 30.11.2007)

Getreidestroh als Brennstoff

Der hohe Chlorgehalt im Stroh wird durch die Anbaudüngung hervorgerufen. Dort werden Düngemittel wie Kaliumdünger eingesetzt, in denen Chlor als Begleitstoff vorkommt. Im Weizenstroh ist Chlor zu 0,19% in der Trockenmasse vorhanden (siehe Kenndaten Stroh). Verbrennungstechnisch und Umweltbedingt stellt Chlor ein Problem dar, wegen dem sich bildenden Chlorwasserstoff (HCL) und den Dioxinen und Furanen (PCDD/F). Obgleich Chlor von 40 bis zu 95% in der Asche eingebunden wird, werden durch die Folgeprodukte Sekundärmassnahmen notwendig. Ausserdem wird die Wärme-überträgerfläche durch das Chlor korrosiv beeinträchtigt. Es kommt zu chemischen Reaktionen mit den Alkali-, Erdalkalimetallen und mit Sulfit (SO₂). Der Brennwert H_o liegt bei Halmbrennstoffen etwa 7,5% über dem Heizwert Hu. Getreidestroh kann zu Brennstoff- und zu Lagerungszwecken in Hochdruckballen, Rundballen, Quaderballen und Kompaktrollen in unterschiedlicher Grösse verdichtetet werden.

Kenndaten von Stroh

- Heizwert H_u 17,5 MJ/kg
- Brennwert H_o 18,5 MJ/kg
- Aschengehalt in TR 5,7%
- Chlorgehalt in TR 0,19%
- Wassergehalt etwa 15%

(Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 255ff).

3.3 Mehlverarbeitung

Der Weizenzerkleinerungsprozess wird in einem Kombinationsprozess durch eine trockene Vermahlung in einer Hammermühle mit 1,5 mm-Schlitzsieb durchgeführt. Das gemahlene Weizenkorn wird in die Mahlkammer befördert und dort mit dem zur Beförderung notwendigen Wasser vermengt. Das Wasser tritt nur in der Mahlkammer der Hammermühle mit dem Zerkleinerungsgut in Kontakt. Von dort aus wird das Wasser mit dem Zerkleinerungsgut in den Maischenapparat gepumpt (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 604).

Das zur Vermahlung in eine Hammermühle transportierte Weizenkorn mit einer maximalen Feuchte von 15% wird auf eine maximale Partikelgrösse von 2 mm zerkleinert. Industrielle Hammermühlen haben eine offene Fläche von einer Grösse von etwa 40% mit gestanzten Löchern. Die Verteilung der Partikelgrösse nimmt keinen signifikanten Einfluss auf den Ethanolertrag solange die Partikelgrösse von 2 mm nicht überschritten wird. Zu feines Mehl kann aber negativen Einfluss auf die Trocknung der Schlempe haben (Antranikian G., 2006, S. 328).

3.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

Stärkeverkleisterung

In den Maischenapparat wird nochmals Wasser und die anfallende Dünnschlempe zugegeben. Durch die Rückführung der Dünnschlempe wird die im weiteren Verfahrensschritt eintretende Hefefermentation beschleunigt. Eine weitere Zugabe in den Maischenapparat ist das bei der Stärkeverkleisterungs-temperatur aktive Enzym zur Stärkeverflüssigung. Der verdichtete Brüden oder Dampf wird eingeleitet um die Maische zu erhitzen und um die Stärkeverkleisterungstemperatur von 64°C zu erreichen (Kaltchmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 611).

Enzymatische Stärkeverflüssigung

Bei diesem Prozess wird eine Senkung der Maischenviskosität angestrebt. Dazu werden β-Amylasen eingesetzt. Diese Enzyme gehören der Gruppe der Endo-Enzyme an, d. h. dass hauptsächlich Bindungen in der Polysaccharidkette angegriffen werden (siehe Abbildungen 5 und 6). Sie sind in der Lage die α-1,4-glykosidischen Bindungen in der Amylose und im Amylopektin der Weizenstärke zu spalten. Die α-1,6-glykosidischen Bindungen bleiben unberührt. Dies führt dazu das in kurzer Zeit die Amylose in Oligosaccharide (in den Abbildungen 5 und 6 als Maltose dargestellt) mit einem Polymerisierungsgrad von 7 bis 10 Glucoseeinheiten zerlegt wird. Amylopektin wird zu Oligosacchariden und zu β-Grenzdextrinen gespalten. Das sind Saccharidketten mit mehreren Verzweigungen durch nicht hydrolysierte α-1,6-glykosidische Bindungen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 598).

Vom Enzym-Unternehmen AB Enzymes wird zur Stärkeverflüssigung das Enzym GAMALPHA SPEZIAL angeboten. Dies ist ein thermostabiles Enzym, welches bei hohen Temperaturen und tiefen pH-Werten Stärke zu hydrolysieren vermag. Bei der Fermentation im Chargenprozess wird GAMALPHA SPEZIAL an der Mühle oder in den Maischbottich zugegeben. Der enzymspezifische pH-Wert liegt im Bereich von 4,0 bis 6,5 das Optimum beläuft sich auf 5,5 bis 6,0. Der Temperaturbereich für die enzymatische Aktivität ist zwischen 80 und 110°C. Das Optimum liegt zwischen 90 du 95°C. Die Dosierung des Enzyms ist von dem pH-Wert, der Temperatur, dem Trockensubstanzgehalt und dem gewünschten Hydrolysegrad abhängig. Zu Getreidemaischen werden 70 bis 90 ml pro Tonne Stärke zugegeben (E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com)).

Enzymatische Stärkeverzuckerung

Nach dem Prozess der Stärkeverflüssigung sind nur wenig vergärbare Saccharide in der verflüssigten Maische vorhanden. Aus diesem Grund muss ein weiterer Prozess für die Vergärung eingeleitet werden. Um die hauptsächlich vorkommenden Dextrine spalten zu können werden nun Exo-Enyme mit α-amylolytischer Aktivität eingesetzt (α-Amylase). Das Enzym Glucoamylase ist in der Lage die vorhandenen Polysaccharide vom nicht reduzierenden Ende her zu einzelnen Glucosemolekülen zu spalten.

Die amylolytische Aktivität dieses Enzyms vom Mikroorganismus Aspergillus niger reicht von der Spaltung der α-1,4-glykosidischen Bindung über die α-1,6-glykosidische Bindung bis zur α-1,3-glykosidische Bindung. Umso grösser die Saccharosemoleküle sind, desto schneller werden sie von diesem Enzym abgebaut, mit Ausnahme von den mehrfach verzweigten Grenzdextrinen. Diese werden nur langsam abgebaut (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 599).

Das Enzym-Unternehmen AB Enzymes bietet ebenso ein Enzym zur Stärkeverzuckerung von Aspergillus niger an. Dessen pH-Wert Optimum liegt bei 3,5 bis 5,0 und kann Bereich von 3,0 bis 6,0 eingesetzt werden. Der Temperaturbereich beläuft sich auf 40 bis 65°C und das Optimum liegt zwischen 55 und 60°C. Die Dosierungsmenge (in ml pro Tonne Stärke) für Brennereien hängt vom Zeitpunkt der Enzymzugabe und der Gärdauer ab (siehe Tabelle 8; E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com)).

Tabelle 8: Dosierung Brennerei

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle nach E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com))

Ein weiterer Mikroorganismus aus dem das Enzym Glucoamylase mit einer zusätzlichen Funktion gewonnen werden kann ist Rhizopus spez. Die zusätzliche Funktion ist eine Entzweiung der Stärke-moleküle. Dadurch ist ein praktisch vollständiger Abbau von Grenzdextrinen zu vergärbaren Sacchariden möglich. Das Temperaturoptimum liegt bei 40°C und das PH-Wert-Optimum ist zwischen 3,4 bis 5.0. Aufgrund der Wirkungsspezifischen unterschiedlichen α-amylolytischen Aktivität der Enzyme von unterschiedlichen Mikroorganismen werden Enzymkombinationen für die Stärkeverzuckerung eingesetzt (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 599f).

Hierzu erklärt Hämke D.: „ Es werden gewöhnlich in der folgenden Reihenfolge die vier Enzyme bakterielle α-Amylase, Abbau von Stärke zu Dextrinen, fungale α-Amylase, Abbau von Stärke zu Dextrinen und Abbau von Dextrinen zu Maltose, fungale Glucomaylase und Hemicellulasen wie β-Glucanase, Xylanasen verwendet. Für Weizen werden auch Proteasen meist endogen im neutralen pH-Bereich wirkend eingesetzt. In der Alkoholproduktion wird jedoch fast nie mit sog. Β-Amylase gearbeitet. Diese kommt in erster Linie im Malz vor, bildet sich beim Mälzungsvorgang aus der Gerste und bildet Maltose “ (telefonische Auskunft von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 21.01.2008).

Anlagentechnik

Werden für den Stärkeverflüssigungsprozess in einem „Pressure-Cooking“- Verfahren Temperaturen von 150°C und Drücke von 5 Atmosphären eingesetzt, so kann bei einer Maische mit einem Trockensubtanzgehalt von 20 bis 35% der Energieverbrauch pro Liter produziertem Ethanol um 50% reduziert werden. In letzter Zeit wurden die alten Maischverfahren, die nicht unter hohem Druck ablaufen, wieder populär. Denn bei diesen Verfahren werden auch keine so hohen Temperaturen benötigt. Es sind Temperaturen von 60 bis 90°C ausreichend. Auch das „Kaltmaischverfahren“, das 1968 von Laatsch und Sattelberg zur Herstellung von deutschem Gin beschrieben wurde, findet wieder Beachtung. Diese alten Verfahren sind aufgrund ihrer einfachern Anlagetechnik, es sind keine Drucksysteme vorhanden, energiesparender als die neueren Verfahren (Antranikian G., 2006, S. 328f).

4 ZUCKERRÜBEN

Eine erste chemische Analyse der Zuckerrübe⁷ wurde von dem Chemiker Marggraft A. im Jahre 1747 durchgeführt. Er wies den Zuckergehalt in der Rübe nach. Im Jahre 1801 begann man mit der Selektion der weissen Schlesischen Rübe. Daraufhin wurden auch die Grundlagen für die industrielle Zuckerproduktion vom Physiko-Chemiker Achard F. geschaffen. In Cunern (Schlesien) entstand die erste Zuckerrübenfabrik auf der Welt. Etwa im Jahre 1850 wurde der Zuckerrübenanbau durch die Einführung des Wanzleber Pflugs und der Drillmaschine mechanisiert (http://de.wikipedia.org/wiki/Zuckerr%C3 %BCbe#Geschichte, 19.11.2007).

4.1 Zuckerrüben Anbau, Ertrag und Nebenprodukte

Anbau von Zuckerrüben

Abbildung 7: Zuckerrübe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten In Deutschland wurden im Wirtschaftsjahr 2006/7 auf einer Anbaufläche von rund 260.000 ha was etwa 3 % der gesamten Anbauflache in Deutschland entspricht Zuckerrüben angebaut. Die Feldbewirtschaftung wurde von 42.926 landwirtschaftlichen Betrieben vollzogen. In 25 Zuckerfabriken wurden die Zuckerrüben zu Zucker verarbeitet (http://www.zuckerverbaende.de/2_1_3.html, 21.11.2007).

(Graphik entnommen aus http://www.Landwirtschaft.sachsen.de/lfl, 15.11.2007)

Der landwirtschaftliche Anbau von Zuckerrüben beinhaltet einige positive und negative Aspekte (siehe Tabelle 9) . Zu den Stärken der Zuckerrübe gehören die Flächenproduktivität, die hohe Ertragsicherheit und die hohe metabolische Photosyntheserate. Ebenso sind die gute Wirtschaftlichkeit, landwirtschaftliche Produktion mit Kostensenkungspotential, günstige Wirkung auf Fruchtfolge und verfahrenstechnische Erfahrungen bei der Ethanolproduktion bei den Stärken der Zuckerrüben mit aufzuführen. Die Schwächen liegen bei den hohen Bodenansprüchen und der dadurch begrenzten Anbaufläche sowie der eingeschränkten Lagerungsdauer der geernteten Zuckerrüben. Hohe Kosten für Transport, Logistik und für die Abwasserentsorgung wie auch ein begrenzter Markt für die Koppel-produkte sind weiterhin zu erwähnen (Schmitz N., 2003, S. 60).

Tabelle 9: Zuckerrüben Stärken Schwächen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten(Tabelle entnommen aus Schmitz N., 2003, S. 60)

Ertrag von Zuckerüben

Nach dem Anbau Ende Mai ist die Zuckerrübenernte meist im November abgeschlossen. Da es im Wachstumsprozess der Zuckerrübe im Oktober kaum mehr zu Ertragszuwächsen oder Zuckergehalts-steigerungen kommt wird mit der Ernte ab Ende September begonnen. In Deutschland werden pro Jahr durchschnittlich 58 Tonnen Zuckerrüben pro Hektar und Jahr geerntet. Die Menge an Zucker die sich aus dieser Erntemenge gewinnen läst beläuft sich auf etwa 9 Tonnen pro Hektar und Jahr, die Ethanolmenge liegt zwischen 5.000 und 5.750 dm³ pro Hektar und Jahr. Das Blatt-Rüben-Verhältnis der Frischmasse beträgt 1 : 1,5. Somit fallen auch aus der genanten Erntemenge etwa 38,66 Tonne pro Hektar und Jahr frisches Rübenblatt an (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 82). Die Zuckerrübenernte beinhaltet prinzipiell folgende Verfahrensschritte. In einem Arbeitsgang werden die aus der Erde herausragenden Köpfe und Blätter abgetrennt und geputzt. Durch weitere Arbeitsschritte werden die Zuckerrüben gerodet, gereinigt und schlussendlich gebunkert und verladen. Diese Arbeitsschritte sind in unterschiedlichen Kombinationen möglich und lassen sich in einphasige und mehrphasige Ernteverfahren unterteilen.

Beim einphasigen Ernteverfahren durch Köpfrodebunker wird das Köpfen, Roden und Sammeln der Zuckerrüben in einem Arbeitsschritt durch die Erntemaschinen getätigt. Dabei werden die Rüben und eventuell auch die Blätter zum Feldende transportiert und dort auf bereitstehende Transportwagen verladen. Ebenso können die Rüben kontinuierlich während des Rodens auf mitfahrende Transportfahrzeuge übergeben werden. Das zweiphasige Ernteverfahren läst sich nochmals in zwei getrennt hintereinander ablaufende Arbeitsschritte unterteilen. Das eine Verfahren besteht aus einem Frontköpfer und einem Heckrodelager das andere aus einem Köpfroder und einem Ladebunker am Traktor. Ernteverluste können bei der Einstellung des Kopfschnittes und bei der Tiefenführung der Rodeschare auftreten. Ein Kopfschnitt der um1 oder 2 cm von der Optimalhöhe abweicht kann zu Verlusten von 8 bis 18% führen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 175).

Eine Zuckerrübenlagerung wird im Entezeitraum von 30 bis 40 Tagen und in der Verarbeitungs-kampagne, die sich auf 90 Tage erstrecken kann, benötigt. In Zwischenlagern am Feldrand welche auch als Rübenmieten bezeichnet werden oder auf betonierten Flächen auf dem Fabrikgelände können die von Kopf und Blatt befreiten Zuckerrüben gelagert werden. Die Einlagerung in Grosslager mit einem Belüftungssystem zur Verminderung von Lagerverlusten erfolgt möglichst bei 2 bis 4°C. Zuckerfabriken sind für eine Verarbeitungsmenge von 2.000 bis 10.000 Tonnen Zuckerrüben pro Tag ausgelegt. Die Lagerkapazität für die Zuckerrüben wird gewöhnlich auf das drei bis vierfache der Verarbeitungsmenge pro Tag bemessen (Kurzhals H., 2003, S. 1261).

4.2 Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe, Koppelprodukte

Zuckerrübe

Der Rübenkörper der Zuckerrübe besteht zu 77,5% aus Wasser und zu 22,5% aus Trockensubstanz. Diese setzt sich wie folgt zusammen. Zu 18% besteht sie aus löslicher Trockensubstanz diese wiederum zu 16% aus Sacchariden und zu 2% aus wasserlöslichen Nichtzuckerstoffen⁸. Wasserlösliche Nichtzuckerstoffe sind organische Stoffe wie Stickstoffverbindungen, Säuren oder phenolische Verbindungen, sowie anorganische Stoffe wie Mineralstoffe und Spurenelemente. Die Verbleibenden 4,5% der Trockensubstanz sind unlöslich und stellen das Mark der Zuckerrübe dar (siehe Abbildung 8; Winner C., 1981, S. 43).

Abbildung 8: Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

( Graphik nach Winner C., 1981, S. 43)

Der nach der Saccharidextraktion für die ZRS-Verarbeitung bedeutsame Ligningehalt in der Trocken-masse der Zuckerrübe liegt bei 1 % (http://www.daf.zadi.de/download/PPT_Vorlop.pdf, 03.01.2008). Im Zellsaft der Zuckerrüben sind etwa 17% Saccharide enthalten. Die neben der Saccharose vorkommenden Saccharide sind Invertzucker zu 0,1 bis 0,2% und Raffinose zu 0,005 bis 0,2%. Es kommen ausserdem 1,4% organische und 0,5% anorganische Nichtzuckerstoffe vor. Zu den organischen Nichtzuckerstoffen gehören organische Säuren wie Oxalsäure, Zitronensäure und weitere Säuren. Sowie wasserdampf-flüchtige Geruchsstoffe, phenolische Verbindungen, Pektine und Saponine. Die stickstoffhaltigen organischen Nichtzuckerstoffe bestehen aus Proteinen, Peptiden, freien Aminosäuren und Enzymen wie z. B. die Polyphenoloxidase. Die anorganischen Nichtzuckerstoffe lassen sich in der Asche der Zucker-rübe nachweisen und diese beinhaltet im Durchschnitt 28% Kalium, 4% Natrium, 5% Calcium und 13% Phosphorsäure (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 592f).

Koppelprodukte

Die Rübe selbst und auch die Koppelprodukte aus der Saccharidgewinnung können als Tierfutter eingesetzt werden. Die Blätter der geernteten Zuckerrüben können als Tierfutter verwendet werden oder als Dünger auf dem Feld verbleiben (http://www.zuckerverbaende.de/pdf/VdZ_Futtermittel_Konzept _2_Auflage _2003.pdf, 03.12.2007).

4.3 Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben

Zur Herstellung von einem Kilogramm Saccharose werden etwa 9 Zuckerrüben benötigt. Eine Zuckerrübe enthält etwa 110 g Saccharose (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007). Für die Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben wird nur der Rübenkörper, welcher aus Hypokotyl und Wurzel besteht, verwendet (siehe Abbildung 9). Der obere saccharidarme Teil der Zuckerrübe wird als Koppelprodukt weiter verwendet (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 151f).

Abbildung 9: Zuckerrüben Aufbau

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Graphik entnommen aus http://www.kws.de/aw/KWS/home/Zuckerruebe_5429688/, 13.10.2007)

Zuckerrüben Reinigung

Bevor die Zuckerrüben zu Zucker verarbeitet werden können, müssen sie gereinigt werden. An den Zuckerrüben haftet i. Allg. etwa 15 Gew.-% Erde an. Deshalb werden sie zunächst vom Anlieferungs-bunker aus in eine Schwemmrinne geführt und dort durch einen Wasserstrahl aus einem Strahlrohr gereinigt. Der Weitertransport erfolgt im Waschwasser sowie durch Abscheider Steine und Blätter abgetrennt werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 603). Das Waschwasser wird geklärt im Kreislauf geführt und zur Unterdrückung der Mikroorganismen wird es mit CaO auf einen pH-Wert von 10 bis 12 eingestellt (siehe Abbildung 10; Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Zerkleinerung zu Schnitzel

In diesem Verfahrensschritt werden die Rüben zu Schnitzel mit V-förmigen Querschnitt durch hängende Schneidemaschinen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 4 bis 10 m/s oder durch Trommelscheide-maschinen mit feststehenden Messerkästen zerkleinert. Um dadurch die folgende Extraktion mit einem hohen Wirkungsgrad durchführen zu können (siehe Abbildung 10; Kurzhals H., 2003, S. 1262).

Extraktion der Zuckerrübenschnitzel

In die Turmanlage tritt unten nach der Zerkleinerung ein Gemisch aus Schnitzel und Saft ein das nach oben transportiert wird. Es erfolgt eine im Gegenstromprinzip verlaufende Extraktion der Zuckerrübenschnitzel. Damit die Saccharose aus den Rübenzellen austreten kann, ist eine Denaturierung des Plasmaschlauches und eine Freilegung der Tüpfelöffnungen in den Zellwänden der Rübenzellen notwendig. Dies kann durch eine thermische Plasmolyse erreicht werden. Dabei werden die Zuckerrübenschnitzel mit etwa 74°C heissem Zirkulationssaft behandelt. Bei der Saftgewinnung werden mittlere Temperaturen von 65 bis 73°C erreicht. Die vorgeschaltete Schnitzelmaische fungiert als Wärmetauscher in der die Zuckerrübenschnitzel erwärmt und der Rohsaft auf etwa 25°C abgekühlt wird. In den Turm wird von oben das vorgewärmte Frischwasser zugeben und darunter das ebenfalls vorgewärmte Presswasser. In diesem Verfahrensschritt wird der Rohsaft gewonnen und die extrahierten Zuckerrübenschnitzel in einer Schnitzelpresse mechanisch entwässert (Trockentrommel) und zu Pellets geformt (siehe Abbildung 10; Kurzhals H., 2003, S. 1261).

Um thermophile Mikroorganismen aus dem Verfahren auszuschliessen, kann in Erwägung gezogen werden den Zuckerrübenschnitzel in Abständen von 8 bis 24 Stunden stossweise 30 bis 40%ige Formaldehydlösung in einem zum stündlich anfallendem Rohsaft proportionalen Verhältnis von 0,5 bis 1% zugegeben (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Abbildung 10: Reinigung, Zerkleinerung, Extraktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung nach http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Reinigung des Rohsaftes

Rohsaft aus dem Extraktionsturm weist eine trübe, grau-schwarze Färbung auf, welche durch enzymatische Oxidationsprozesse von Phenolen verursacht werden. Dieser Rohsaft hat einen pH-Wert von 6,2 und enthält durchschnittlich 15 % Trockenmasse. Davon sind 13,5 % Saccharose. Die Reinigung des Rohsaftes führt zu einer 30 bis 40%igen Befreiung der Nichtzuckerstoffe.

Es sollen folgende Prozessziele umgesetzt werden:

- Fällung von Proteinen und Polysacchariden wie Pektine, Arabane, Galactane
- Fällung von anorganischen Anionen wie Phosphat und Sulfat
- Fällung von organischen Anionen wie Citrat, Malat, Oxalat als Calciumsalze und von Magnesiumionen als Mg(OH)2
- Absorption von Farbstoffen an CaCO₃
- Entfernung von Fasern und Zellresten
- Abbau von reduzierenden Zuckern wie Invertzucker und Galactose
- Überführung von Glutamin in Pyrrolidoncarbonsäure und Asparagin in Asparaginsäure

(Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Im ersten Reinigungsabschnitt wird der Rohsaft mit Kalkmilch (Ca(OH)2) versetzt (siehe Abbildung 11) . Im zweiten Reinigungsabschnitt wird Kohlendioxid (CO₂) dem Rohsaft zugeführt was auch als Carbonation bezeichnet wird. Dies hat zur folge das die Nichtzuckerstoffe gebunden werden und ausfallen. In einem weitern Prozessschritt wird der Rohsaft abfiltriert und es bleibt ein klarer Dünnsaft mit ca. 16 % Saccharosegehalt zurück (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007).

Abbildung 11: Reinigen Rohsaft

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung entnommen aus http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Eindampfen des Dünnsaftes

Der Dicksaft mit 70 bis 75% TS entsteht aus dem Dünnsaft in einer mehrstufigen Verdampferanlage. Verwendung finden Rohrverdampfer in der ersten Stufe wird mit einer Satttemperatur von ca. 130°C gearbeitet. Die letzte Stufe liegt bei etwa 90°C. Der in der ersten Stufe verwendete Dampf stammt aus einer KWK-Anlage (Turbogenerator) in der der Frischdampf aus dem Dampfkessel zur Stromerzeugung verwendet wurde. Mit dem Abdampf der Verdampfer wird der folgende Verdampfer beheizt und die weiteren Wärmetauscher in der Fabrik mit Dampf versorgt (Kurzhals H., 2003, S. 218).

Weil während dem Eindampfen Calciumsalze ausfallen. Wird der nach der Eindampfung anfallende Dicksaft nochmals filtriert (Dicksaftfilter) und weist daraufhin eine Trockensubstanz von 68 bis 72% und einem Saccharidgehalt von 61 bis 67% auf. Mittels eines Reinheitsquotienten Q wird der Saccharoseanteil in der Trockensubstanz ausgedrückt. Roh-, Dünn- und Dicksaft haben Q-Werte von 89 bzw. 92 bis 93 (siehe Abbildung 12; Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 694).

Abbildung 12: Eindampfen Dünnsaft
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung entnommen aus http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Kristallisation

In Verdampfungskristallisatoren wird durch abdampfen die Dicksaftlösung übersättigt. Nach der Übersättigung des Dicksaftes erfolgt die Kristallisation der Saccharidmoleküle. Die so entstandene Kochmasse wird über Maischen in denen Wasser aus der Kochmasse verdampfen kann in Zuckerzentrifugen überführt. Um dort den an der Saccharose anhaftenden Sirup zu minimieren. Als auch die Struktur der Saccharosekristalle in diesem Zentrifugationsprozess nicht geschädigt werden soll. Die Kristallzuckertrocknung zur Entfernung von Restfeuchtigkeit aus dem Kristallzucker wird in Turbinen-trockner (Kühl- und Trockentrommeln) durchgeführt, Verweilzeit 40 Stunden. Der Kühlungs- und Trocknungseffekt wird dadurch bewirk das gekühlte bzw. erwärmte Luft über eine ruhende Zuckerschicht von 25 bis 40 mm Höhe Streicht und so einen Stoff- und Wärmeaustausch ermöglicht. Durch Abstreifer wird ein Gutschonender Transport des Zuckers von Etage zu Etage auf den Tellersegmenten des sich mit langsamer Drehbewegung rotierenden Tellerpaketes vollzogen. Die im Zentrum des Turbinentrockners sitzenden Turbinenräder rufen eine radiale Luftbewegung hervor (Kurzhals H., 2003, S. 671ff).

Der fertige Zucker wird in Zuckersilos gelagert. Aus den Silos wird der Zucker entnommen und weiterverarbeitet, verladen und abgepackt. Um den Heizdampfeinsatz so gering wie möglich zu halten, wird die Verdampfungskristalisation mehrstufig und mit der Wärmeausnutzung aus einem Teil der erhitzten Zentrifugationsprodukte durchgeführt.

Bewerkstelligt wird dies durch eine Rückführung einiger Zwischenprodukte. Die anfallenden Brüden-dämpfe werden in einer biologischen Wasseraufbereitungsanlage aufbereitet und dem natürlichen Kreislauf wider zugeführt (siehe Abbildung 13). Die gepressten und entwässerten Rübenschnitzel können als Viehfutter verwendet werden. Der bei der Saftgewinnung entstehende Carbokalk kann als Dünger eingesetzt werden (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007).

Abbildung 13: Kristallisation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Graphik nach http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

4.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

Als Substratlösung für die Hefe Fermentation wird die bei der Zuckerherstellung im Produktionsablauf entstehende Dicksaftlösung mit einem Saccharidgehalt von 61 bis 67% verwendet (vgl. Kapitel 4.3, S. 31f der vorliegenden Arbeit). Dieser im Produktionsprozess anfallende Dicksaft muss vor der Hefe-fermentation mit Wasser verdünnt werden. Dazu kann auch etwas Schlempe zu dem Dicksaft hinzugegeben werden (Schmitz, 2005, S. 88).

5 BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN

Ethanol wird von einigen Mikroorganismen synthetisiert. Hefen der Gattung Saccharomyces cerevisiae gehören dabei zu den Mikroorganismenarten, die für die biotechnologischen Prozesse vom Menschen hauptsächlich genutzt werden. Aber auch Bakterien wie z. B. Zymomonas mobilis sind in der Lage Ethanol zu produzieren (Krämer J., 2002, S. 226). In dieser Diplomarbeit wird nur der Fermentations-prozess durch die Hefen Saccharomyces cerevisiae zur Ethanolgewinnung dargestellt.

5.1 Grundsätzliches über Saccharomyces cerivisiae

Saccharomyces cerivisiae wird der Gruppe der eukaryontischen, einzelligen Schlauchpilze (Ascomycetes) zugeordnet. Das bedeutet, dass sich in den Hefezellen Organellen befinden, die verschiedene lebens-notwendige Funktionen in der Zelle wahrnehmen. Dieses Zell-Organellen-System ist in sich geschlossen d. h. dass eine Zelle alle essentiellen Funktionen durch ihre Organellen wahrnehmen kann und damit für ihre Lebensprozesse nicht von anderen Zellen abhängig ist. Die Generationszeit dieser Hefe beträgt 90 Minuten. Wobei die Vermehrungsweise eine asexuelle durch Sprossung ohne Myzelbildung ist. Bekannt ist dieser Hefepilz als Bäckerhefe, Brauhefe, Trockenhefe und Single Cell Protein (Antranikian G., 2006, S. 4ff).

Stoffwechselregulation

Das Verhältnis in der Stoffwechselregulation der Hefe zum Sauerstoff ist durch den „Pasteur-Effekt“ anfänglich beschrieben worden. Dieser vor über Hundert Jahren von Pasteur entdeckte Effekt der Hefen bei Gärungsprozessen in der Weinherstellung besagt, dass das Wachstum der Hefen bei anaeroben Bedingungen stark zurückgeht und der Gärungsmetabolismus der Hefe intensiv zunimmt. Sowie durch eine starke Belüftung die Gärung der Hefe fast völlig unterdrückt werden kann. Er besagt auch, dass unter aeroben Bedingungen bei gleicher Menge an Sacchariden etwa 20mal mehr Zellmasse gebildet wird als unter anaeroben Bedingungen (Schlegel H., 1992, S. 290f). Was von Pasteur in dem von ihm formulierten „Pasteur-Effekt“ beobachtet worden ist, konnte zu einem spätern Zeitpunkt bestätigt werden. Ein fermentativer Stoffwechsel bei Saccharomyces cerivisiae ist im Gegensatz zu vielen andren Hefen auch in Gegenwart von Sauerstoff vorhanden. Diese Erkenntnis wird als der „Grabtree-Effekt“ bezeichnet (Fredlund et al., 2004, zit. n. Emili M., 2006. S. 4).

Die zweite Einfluss nehmende Grösse bei der Stoffwechselregulation von Saccharomyces cerivisiae ist die Zuckerkonzentration. Nimmt diese sehr geringe Werte unter 0,05 Gew.-% in dem Wachstumsmedium an so wird der Stoffwechsel von Gärung auf Atmung umgestellt (Fiechter et al., 1981, zit. n. Emili M., 2006, S. 4).

In Bezug auf Hefen erklärt Hämke D .:„Es werden Hefen, die zur Anwendung rehydratisiert werden müssen eingesetzt und Hefen, die in der Maische einen Alkoholgehalt von 9-10 % erzeugen.“ (Telefonische Auskunft von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 21.01.2008).

Substrate

Von der Hefe können die Kohlenhydrate Saccharose, Maltose, Glucose und Fructose zu Ethanol vergärt werden. Diese Substrate werden dabei auf unterschiedliche Art und Weise aus dem Wachstumsmedium aufgenommen. Saccharose wird durch das in den periplasmatischen Raum abgebende Enzym Invertase in seine Monosaccharide Glucose und Fructose gespalten. Diese beiden Hexosen werden einzeln mithilfe verschiedener Transporter durch erleichterte Diffusion in die Zelle aufgenommen. Der Disaccharid Maltose wird durch einen Protonensymporter aufgenommen, dieser Transport ist energieabhängig. In der Hefezelle wird die Maltose durch das Enzym Maltase in zwei Glucosemoleküle zerlegt (Boles u. Hollenberg, 1997, zit. n. Emili M., 2006, S. 8).

Energiegewinnung im Stoffwechsel

Im aeroben wie im anaeroben Stoffwechsel von Saccharomyces cerivisiae wird 1 mol Glucose bei der Glykolyse über den Fructose 1,6-bisphosphat-Weg zu 2 mol Pyruvat oxidiert. In diesem Oxidations-prozess wird Glucose von 10 Enzymen zu Ethanol umgewandelt. Insgesamt ist diese Reaktion eine exergonische Reaktion und die freiwerdende Energie wird in Form von 2 mol ATP aus 2 mol ADP und 2 mol Pi gespeichert. Die freie Standardenthalpie ΔG ändert sich bei der Glykolyse um -85 kJ/mol und es werden 2 mol NAD+ zu 2 mol NADH reduziert.

Beim aeroben Stoffwechsel wird das Pyruvat zur weitern Energiegewinnung in den Citronensäure-Cyclus überführt und Sauerstoff dient als Protonen-Akzeptor für die Oxidation von NADH. Im anaeroben Stoffwechsel wird Pyruvat durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd oxidiert. Das Acetaldehyd dient nun als Protonen-Akzeptor für die Oxidation von NADH durch das Enzym Alkohol-Dehydrogenase. Diese beiden Reaktionen sind mit keinem weiteren Energiekopplungsreaktionen verbunden. Der chemische Reaktionsmechanismus zur Energiegewinnung ist in Abbildung 14 dargestellt (Lehninger A. et al., 1994, S. 472ff).

Abbildung 14: Glucose zu Ethanol

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Ethanolbildungsmenge aus den Hexosen Glucose und Fructose

Aus 1000 g eines Monosaccharids Glucose oder Fructose werden 511 g Ethanol und 489 g Kohlendioxid

bei der Hefenfermentation gebildet. Bei dieser exothermen Reaktion werden pro Mol Ethanol 156 KJ Energie freigesetzt (siehe Gleichung 1; Henniges O., 2007, S. 17).

Gleichung 1: alkoholische Gärung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nebenprodukte im Stoffwechsel der Hefe Saccharomyces cerevisiae

Ausser dem primären Alkohol Ethanol entstehen im Fermentationsprozess in geringen Mengen weitere Alkohole. Durch den Abbau von Pektinen entsteht Methanol. Länger kettige Alkohole, die als Fuselöle bezeichnet werden, entstehen hauptsächlich durch den Abbau der Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Threonin und Valin. Alkohole, die zu den Fuselölen hinzugezählt werden, sind unterschiedliche Propanole, 2-Butanol und verschiedene Pentanole. Es währen noch weitere Nebenprodukte zu nennen die aber im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht aufgeführt werden (Steinbüchel A. et al., 2003, S. 320).

Exkursion über aktuelle Forschung

An der Universität Hohenheim wurden im Rahmen einer Doktorarbeit ( Emili M., Hohenheim, 2006) Untersuchungen zur Bioethanolproduktion mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae und die Auswirkungen der Überproduktion aller am Glucoseumsatz beteiligten Enzyme in vivo durchgeführt. Dazu wurden die entsprechenden Gene in der Hefezelle kloniert, welche für die Genexpression der Hexosetransporter, der Glykolyseenzyme und für die Enzyme, die für die Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol verantwortlich sind. Es wurden 2 Plasmide mit den unterschiedlichen Genkomplexen erstellt und in die Hefezelle injiziert. Das Ergebnis dieser Untersuchung besagt, dass letztendlich die physiologischen Parameter für die Glucoseverbrauchs- und Ethanolbildungskoeffizienten sich im Vergleich zu einer Wildtypkontrolle bei vergleichbaren Ausbeutekoeffizienten nicht ändern. Es lassen sich aber wertvolle Erkenntnisse über die Regulation des Glykolyseflusses in vivo ableiten. Auf deren Grundlage neue Untersuchungen zur Steigerung der Ethanolproduktionsrate durch Hefe durchgeführt werden können.

Am „Institute For Brewing and Distilling“ in Lexington (Kentucky) konnte die natürliche Selektion einer extrem thermostabilen Hefe durchgeführt werden, die eine Gärung bei weit höheren Temperaturen als

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^[1] Koppelprodukt ist eines von zwei oder mehreren Produkten aus demselben Prozessmodul oder Produktsystem

^[2] Nebenprodukte entstehen durch einen weitern unabhängigen Bearbeitungsschritt nach dem Prozessmodul oder Produktsystem

^[3] Hygroskopisch bedeutet Wasser an sich bindend

^[4] Unter Hydroxylierung wird die Einführung einer OH-Gruppe an eine org. Verb. verstanden

^[5] Azeotrope Gemische sind durch Destillation nicht in die Ausgangskomponenten zerlegbar. Die Flüssigkeit und die Dampfphase besitzt die gleiche Zusammensetzung

^[6] Cetanzahl ist der Ausdruck der Zündverzögerung des Treibstoffes

^[7] botanische Bezeichnung Beta vulgaris var. altissima L. aus der Familie der Gänsefussgewächse

^[8] Nichtzuckerstoffe sind Stoffe, die nicht zu den Sacchariden hinzuzuzählen sind