Alkoholherstellung – Die notwendige Theorie zum reinen Alkohol

Das folgende Kapitel beschreibt die reine Alkoholherstellung. Herausgehoben wird die Herstellung von Ethanol, die Herstellung von Methanol und höheren Alkoholen wird nur überblicksmäßig angeführt.

Ethanol

Ethanol kann grundsätzlich durch Destillation alkoholhaltiger Flüssigkeiten, zu denen zum Beispiel Wein oder Obstwein zählen, gewonnen werden.  Weiters kann Ethanol aber auch durch Vergären entsprechender vergärfähiger Substanzen, wobei zucker- beziehungsweise stärkehaltige Produkte gemeint sind, unter Zugabe von Mikroorganismen gewonnen werden. Bisher haben von den Mikroorganismen aber nur die Hefen eine praktische Bedeutung. Ebenfalls ist es möglich, Alkohol durch eine reine Chemosynthese herzustellen. Zu beachten ist jedoch, dass der Alkohol, welcher für die Herstellung von Spirituosen verwendet wird, landwirtschaftlichen Ursprungs, also ein Agraralkohol sein muss.

Gärungsethanol bei der Alkoholherstellung

Die für die Gärungsindustrie planmäßig gezüchteten Hefen werden als Kulturhefen bezeichnet, wobei Arten wie Brennerei-, Brauerei- und Weinhefen nach ihrem Verwendungszweck benannt wurden. Grundsätzlich gehören aber alle Kulturhefen zur Familie der Saccharomycetaceae und zur Gattung der Saccharomyces, denn sie vergären alle bis zu einem Alkoholgehalt von circa 15%vol. Neben der Milchsäuregärung, der Propionsäuregärung, der Buttersäuregärung, der Butan-2,3-diol-Gärung wird Hefe besonders bei der Ethanolgärung industriell genutzt. Dies wird auch Pasteur-Effekt genannt. Zu den damit direkt vergärfähigen Kohlehydraten zählen unter anderem Glukose, Fruktose, Mannose, Maltose und Saccharose. Polysaccharide wie Stärke und Inulin müssen hingegen erst zu Glukose beziehungsweise Fruktose hydrolysiert werden. Wenn man die Nebenprodukte nicht berücksichtigt, entstehen aus einem Molekül Glukose letztendlich zwei Moleküle Ethanol und Kohlendioxid.

Formel 11 (Singer & Teyssen, 2016, S. 62)

100 g Glukose liefern also 51,1 g Ethanol und 48,9 g Kohlendioxid. Wenn man die Dichte von Ethanol berücksichtigt, liefern 100 g Glukose bei der vollständigen Vergärung 64,8 ml Ethanol, was den 51,1 g entspricht. Jedoch kann diese 100%ige Ausbeutung in der Praxis nicht erreicht werden. Bei der Ethanolherstellung aus natürlichen Materialen, wie zum Beispiel Getreide oder Kartoffeln, rechnet man, bezogen auf das vergärungsunfähige Kohlenhydrat, mit einer 90%igen Ausbeute. Die restlichen 10% sind darauf zurück zu führen, dass ein Teil des Rohstoffes nicht aufgeschlossen oder nicht vergoren wurde, beziehungsweise zur Biomassebildung diente. Zusätzlich verdunsten auch ca. 1,5% Ethanol bei der Produktion und bilden zahlreiche Gärungsnebenprodukte. Diese Gärungsnebenprodukte verbleiben in der vergorenen Maische, wenn keine anschließende Destillation für zum Beispiel Bier oder Wein stattfindet. Wenn jedoch eine Destillation erfolgt, finden sich die Gärungsnebenprodukte, je nach Abhängigkeit von ihrem Siedepunkt und den Destillationsbedingungen, entweder im Destillat selber oder im verbleibenden Destillationsrückstand.

Rohstoffe für die gärungstechnische Herstellung von Ethanol

Die Gewinnung von Ethanol erfolgt in Mitteleuropa, für die Herstellung von Likören und einfachen Trinkbranntweinen, überwiegend aus Getreide, Kartoffel und Melasse. Der Grund dafür ist, dass sie genügend vergärfähige Kohlenhydrate enthalten und preisgünstig sind.

RohstoffVergärfähige Kohlenhydrate [%mas]Ausbeute in l Reinalkohol [lrA/100kg]
Getreide55-6035-40
Kartoffeln15-2510-15
Melasse50-5530-35

Tabelle 7: Ausbeute an Ethanol aus verschiedenen Rohstoffen (Singer & Teyssen, 2016, S. 62)

Das vergärfähige Kohlenhydrat muss in der Regel in einer wässrigen Lösung vorliegen. Diese muss einen Zuckergehalt von etwa 15-20 %mas aufweisen, damit dann die üblichen, für die Hefe eingesetzten Brennereihefen am ökonomischsten arbeiten. Nach Verdünnung können zuckerhaltige Rohstoffe wie Melasse oder Zuckerrübensaft, auf den gewünschten Zuckergehalt und Pasteurisation, worunter man die Keimfreimachung versteht, direkt vergoren werden. Sollten keine vergärfähigen Kohlehydrate enthalten sein, wie zum Beispiel stärkehaltige Rohstoffe in wie Getreide und Kartoffeln, muss die Stärke durch Hydrolyse zunächst zu Glukose abgebaut werden. Heutzutage werden Gerstenmalz und mikrobiell erzeugte Enzympräparate als technisches Verzuckerungsmittel eingesetzt.

Gärung bei der Alkoholherstellung

Unter Gärung versteht man anaerob ablaufende Stoffwechselprozesse. Dabei wird der während der Glycolyse gebildete Wasserstoff, auf verschiedene organische Akzeptoren übertragen. Dieser Vorgang kann periodisch und kontinuierlich durchgeführt werden. Die zu vergärende Maische wird bei der periodischen Gärung in zylinderförmige Gärtanks aus Edelstahl, welche auch Fermenter genannt werden, bei etwa 25 ºC mit Hefe versetzt. Die Gärdauer für diesen Prozess dauert 1 bis 3 Tage, wobei für die gesamte Dauer die Temperatur durch Kühlung auf 30 ºC gehalten wird. Im Unterschied zur periodischen Gärung sind bei der kontinuierlichen Gärung die Gärtanks mit unterschiedlichen Einbauten versehen. Diese machen es möglich, dass man von unten in den Tank die zu vergärende Lösung einführt und oben die jeweils vergorene Lösung dem Tank entnimmt. Dabei kann nach der Vergärung ein Ethanolgehalt der Maische von 7-10 %mas erzielt werden.

Destillation

Für einfache Trinkbranntweine und Liköre werden bei der Gewinnung von reinem Alkohol ausschließlich kontinuierlich arbeitende Destillationsapperaturen eingesetzt. Diese verfügen bei der Trenneinrichtung über Glocken- oder Siebböden. Damit kann zunächst ein Rohspiritus mit circa 80-90 %vol gewonnen werden, welcher noch Verunreinigungen wie zum Beispiel Methanol und Fuselöle enthält. Diese können durch eine separate Feindestillation beziehungsweise in Rektifizierungsanlagen abgetrennt werden. Das danach anfallende Produkt, welches etwa 95-98 %vol enthält, wird je nach Reinheit als Sekundarsprit oder Primasprit bezeichnet. Für die Herstellung bestimmter Spirituosen ist der Primasprit geeignet, der Sekundarsprit hingegen für die Vergällung in der chemischen Industrie. Der Primasprit ist ein Produkt mit hoher Reinheit. Für besondere Zwecke wird er noch über Holzkohle filtriert und danach erneut destilliert, damit frisch gebildete Aldehyde entfernt werden. Das Ergebnis ist ein extrafein filtrierter Sprit, welcher in der Spirituosenindustrie verwendet wird.

Chemosynthese von Ethanol während der Alkoholherstellung

Ethanol wird für technische Zwecke meist synthetisch hergestellt. Dabei wird Ethen bei 300-400 ºC und unter einem Druck von 2-4 MPa in der Gasphase an Phosphorsäure-Träger-Katalysatoren hydratisiert.

Formel 12 (Singer & Teyssen, 2016, S. 64)

Ethen fällt als Nebenprodukt bei der Aufarbeitung von Erdöl sowie bei der Reinigung von Kokereigas an. Weiters kann Ethen bei etwa 80 ºC und mit einem Druck von 1,5-3,5 MPa mit 98%iger Schwefelsäure zu einem Gemisch von Ethyl- und Diethylsulfat umgesetzt werden. Anschließend wird die Mischung mit Wasser hydrolysiert.

Formel 13 (Singer & Teyssen, 2016, S. 64)

Früher wurde Ethanol gewonnen, indem man Azetylen zu Azetaldehyd umsetzte und anschließend katalytisch zu Ethanol reduzierte. Da das Azetylen aus Carbid gewonnen wurde, nannte man diesen Alkohol Carbidsprit. Auch bei der Chemosynthese wird abschließend Ethanol durch Destillation abgetrennt beziehungsweise gereinigt. Im Gegensatz zum Gärungsethanol enthält synthetisch hergestellter Alkohol kein Methanol und ist praktisch auch frei von Fuselöl. In Deutschland darf derartig synthetisch hergestellter Alkohol nicht zur Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet werden, da der Herkunftsnachweis für Ethanol an praktischer Bedeutung zunahm. Hierbei machte man sich die Tatsache, dass alle Pflanzen das Kohlenstoffisotop 14C enthalten, zunutze, da Synthesealkohol kaum Kohlenstoffisotope dieser Art enthält.

Methanol

Methanol wurde früher durch die trockene Destillation von Holz gewonnen, wodurch auch der Name Holzgeist für Methanol entstanden ist. Heute erzeugt man Methanol großtechnisch aus Synthesegas, welches bei 350-400 ºC und mit einem Druck von circa 30 MPa über Mischkatalysatoren aus Chrom- und Zinkoxid geleitet wird.

Höhere Alkohole

Durch spezielle Reinigungs- und Fraktionierungsverfahren können höhere Alkohole, wobei man hier von Alkoholen ab Propan-1-ol spricht, bei der alkoholischen Gärung aus dem anfallenden Nebenprodukt Fuselöl abgetrennt werden. Weiters besteht auch die Möglichkeit, dass die höheren Alkohole in die Einzelkomponenten zerlegt werden. In der Regel kann jedoch jeder höhere Alkohol chemosynthetisch hergestellt werden.