Ethylalkohol, Ethanol, Äthanol, Trinkalkohol (..hicks...)...Ein Treibstoff der Zukunft?
Die Substanz ist flüssig, wasserklar, biologisch abbaubar, unbedenklich für unser Trinkwasser und den Boden. Ethanol verbrennt mit fast unsichtbarer Flamme, der Heizwert beträgt etwa 2/3 des Heizwertes von Mineralöl und siedet bei 78°C. Die Dämpfe sind explosiv.
Ethanol kann direkt im modifizierten Ottomotor und über einen Vergaser im Ansaugkanal im Dieselmotor verwendet werden. Die Klopffestigkeit von Ethanol ist wesentlich höher als die von Benzin, deshalb wird zur Zeit dem Benzin ca. 5% Ethanol zugesetzt um die Klopffestigkeit zu erhöhen und auch einen Teil des teuren Rohstoffs einzusparen.
In Schweden ist auch ein Kraftstoff mit 85% Ethanol zu erhalten (E85).
Im Handel ist Ethylalkohol 96%ig vergält(Spirritus) oder unvergällt und hoch besteuert erhältlich. Er bildet ein azeotroph mit 4% Wasser und lässt sich deshalb durch Destillation nicht weiter konzentrieren.

Die Idee:
Ethylalkohol lässt sich grundsätzlich auf zwei Arten herstellen:

1.chemische Verfahren unter Verwendung von Erdöl/ Gas als Ausgangsstoff
2.Vergärung zuckerhaltiger oder stärkehaltiger Produkte durch Hefen oder Bakterien.

Das erste Verfahren ist völlig inakzeptabel, da fossile Energieträger Verwendung finden und deshalb die CO2 Bilanz nicht neutral ist.
Somit ist nur die zweite Variante die wahre Alternative.

Mikroorganismen, wie Hefen oder Bakterien bauen Zucker zur Energiegewinnung ab, wobei das Stoffwechselendprodukt Ethanol ausgeschieden wir. Hefen, als auch Bakterien bilden nur unter Luftabschluß wirtschaftliche Alkoholmengen, deshalb werden alle beschriebenen Verfahren unter anaeroben Bedingungen durchgeführt, wodurch auch noch die Entwicklung und Vermehrung unerwünschte Stämmen vermieden wird. Ferner wird die Sterilisation der Fermenter in den beschriebenen Verfahren unnötig.
Die beschriebenen Verfahren sind auf eine Fermenterkapzität für den Eigenbau von max. 100 Litern bemessen. Eine genaue Beschreibung erfolgt bei den Details der Verfahren.
Die Theorie:
Mikroorganismen veratmen normalerweise Zucker zu Wasser und Kohlendioxid, unter Sauerstoffentzug jedoch, stellt sich der Stoffwechsel von Hefen um und so wird Zucker zu CO2 und Ethanol abgebaut. Andere Mikroorganismen, insbesondere Bakterien leben fakultativ anaerob und noch besser bei Temperaturen um 65- 70 °C, so dass der Alkohol praktisch aus dem Fermenter ständig entfernt wird, zu dem tolerieren diese Organismen auch ein leichtes Vakuum.

C6H12O6 (Glucose) reagiert zu 2 Mol C2H6O und 2 Mol CO2
Nun erhob sich ein großes Rechnen....

Heraus kam, dass theoretisch aus einem Kilo Glucose ca. 0,505 kg Ethanol entstehen.
Praktisch liegt die Ausbeute bei etwa 85- 98% d.Th., da die Mikroorganismen etwas Zucker zum Aufbau von Zellmasse ( Zellwachstum) verbrauchen.
Ähnliches gilt für Saccharose ( Rohrzucker, Rübenzucker, Kristallzucker):
Für einen Liter reinen Ethanols werden 2 kg Zucker benötigt.
Reinen Zucker zu verwenden ist aufgrund des Preises nicht rentabel, da zusätzlich noch Energiekosten entstehen, deshalb muß eine Alternative her!
Als weitere Ausgangsstoffe zur Ethanolherstellung eignen sich stärke- oder zellulosehaltige Materialien, die jedoch vorher aufgeschlossen werden müssen, bevor die Mikroorganismen diese vergären können.

Stärkeaufschluß:
Getreidemehl besteht zu 66%, Kartoffeln bis zu 20% aus Stärke, die zu
vergärbaren Zuckern mit Hilfe von Enzymen abgebaut werden kann.
Das Mehl bzw. die zermahlene Kartoffelmasse wird in Wasser aufgeschlämmt,
auf 85- 90°C erhitzt und unter Rühren mit Alpha- Amylase versetzt.
Die Enzymmenge beträgt 10 - 15ml pro 100 kg Getreide und 5 - 10ml pro 100kg Kartoffeln.
Die Temperatur wird so lange gehalten bis sich keine Stärke mehr nachweisen lässt (Stärke- Nachweis- Sets sind kommerziell erhältlich). Durch dieses Enzym werden die langkettigen Stärkemoleküle in kürzere Bruchstücke gespalten.
Nun wird die Temperatur auf unter 55°C reduziert und die Maische mit Glucoamylase versetzt, Getreide mit 70 - 100ml pro 100kg und Kartoffeln mit 25 - 35ml pro 100kg. In diesem Schritt erfolgt die endgültige Umwandlung der Bruchstücke in Glucose.
Die Enzymatische Spaltung erfolgt mit einer Ausbeute von nahezu 100%.
Der Zuckergehalt der zu vergärenden Maische sollte etwa 20 - 25% betragen, z.B. 24kg Zucker auf 100 Liter entsprechend 36kg Mehl oder 60kg Kartoffeln, woraus dann etwa 12 Liter Ethanol gebildet werden.

Zelluloseaufschluß:
Zellulose ist der Hauptbestandteil der Pflanzenfaser, somit bietet sich Altpapier oder Abfallholz als Ausgangsstoff an.
Zellulose ist ein langkettiges Riesenmolekül, das aus Glucoseeinheiten
aufgebaut ist. Sie verspricht zwar eine hohe Zuckerausbeute, läßt sich aber nur durch relativ aufwändige Verfahren in seine Grundbausteine zerlegen. Hierzu gehört die Verzuckerung/ Hydrolyse mit starken Säuren bei hohen Temperaturen und Drücken. Der Abbau durch Mikroorganismen und Enzymen wie Zellulasen schreitet nur langsam voran.

Mikroorganismen:
Zur Vergärung mit guter Ausbeute und hervorragender Geschwindigkeit
eignen sich folgende Stämme:

-Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces Stämme, "Hochleistungsstämme" aus dem Brennereibedarf- Fachhandel) für Temperaturen unter 40°C -Zymomonas mobilis für Temperaturen unter 40°C
-Thermoanaerobacter Ethanolicus für Temperaturen zwischen 55°C- 70°C

Die Verfahren:
Zur Ethanolerzeugung können kontinuierliche oder batch Verfahren eingesetzt werden.
Batch/ diskontinuierlich arbeitende Anlagen bedürfen weniger Kontrolleinrichtungen, erzeugen das Produkt aber nur schubweise, die Mikroorganismen müssen umständlich wiedergewonnen werden oder sind verloren und verursachen dadurch einen erhöhten Arbeits-/ Kostenaufwand.
Das Nährmedium verbleibt im Fermenter bis zum Schluß, die Mikroorganismen bewegen sich frei, eine Zuführung verbrauchter Nährstoffe erfolgt nicht und die Zellen sterben zum Ende durch die hohe Ethanolkonzentration ab.

Kontinuierlich arbeitende Anlagen stellen das Produkt stetig her, die Organismen verbleiben im Fermenter, die Anlage arbeitet über Kontrollmechanismen automatisch. Ebenso haben kontinuierlich arbeitende Anlagen eine höhere Kapazität und arbeiten kostengünstiger.
In einer kontinuierlich arbeitenden Anlage können die Mikroorganismen immobilisiert und bis zu einem halben Jahr verwendet werden. Die Organismen können z.B. mit Calcium- alginat immobilisiert werden und liegen dann in Form von kleinsten Kugeln vor, die vom Nährmedium umströhmt werden und so Zucker zu- und Ethanol abgeführt werden kann. Somit bleibt die Alkoholkonzentration relativ niedrig und die Produktionrate hoch.

Ethanolgewinnung:
Zur Gewinnung des Produkts gibt es mehrere Möglichkeiten:

1.traditionelle Destillation über eine Kolonne, diese verursacht hohe Energiekosten und ist nur lohnend, wenn eine günstige Wärmequelle zur Verfügung steht, beim diskontinuierlichen Verfahren würden die Mikroorganismen durch die hohen Temperaturen abgetötet;

2.bei Fermentern mit thermophilen Bakterien würde ein leichtes Vakuum zum abdestillieren des bei 78°C siedenden Ethanols führen und die Alkoholkonzentration im Fermenter niedrig halten, somit werden die Organismen nicht geschädigt;

3.Extraktion mit ungiftigen Lösemitteln, wie z.B. Rizinusöl, Isoparaffin, Fettalkohole, Ester;

4.Osmoseverfahren, der Alkohol wird durch eine semipermeable Membran aus dem Fermenter entfernt.

 

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