Ethanol Herstellung einfach erklärt: Gärung & Industrie

Hast du dich schon einmal gefragt, was das Aufgehen von Pizzateig und der Treibstoff in manchen Autos gemeinsam haben? Beides hat mit einem ganz bestimmten Stoff zu tun: Ethanol! Die Herstellung und der Stoffwechsel von Ethanol sind nicht nur in der Chemie, sondern auch in unserem Alltag allgegenwärtig.

Ethanol ist nicht nur der Alkohol in Getränken, sondern auch ein wichtiger Brennstoff und Helfer in der Medizin. In diesem Artikel werden wir lernen, wie die Natur und große Fabriken diesen Stoff herstellen. Außerdem finden wir heraus, wie winzige Hefezellen entscheiden, ob sie atmen oder Alkohol produzieren!

Vorwissen

• Ethen: Ein Gas aus Erdöl, das eine Kohlenstoff-Doppelbindung hat ($\text{C}_2\text{H}_4$). Beispiel: Ethen ist ein wichtiger Baustein in der Chemie, um andere Stoffe wie Kunststoffe oder Alkohole herzustellen.
• Chemische Gleichungen: Zeigen, welche Stoffe reagieren (links) und was neu entsteht (rechts). Beispiel: $\text{C} + \text{O}_2 \to \text{CO}_2$ bedeutet, Kohlenstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Kohlenstoffdioxid.

Aufgabentyp 1: Zwei Wege zum Ethanol: Natur und Industrie

Ethanol ist der Alkohol, den wir im Alltag oft antreffen. Es gibt zwei völlig verschiedene Wege, ihn herzustellen: durch die Natur oder in der Fabrik.

Weg 1: Die biologische Methode (Alkoholische Gärung)

Die Natur nutzt Pflanzen und winzige Pilze, die wir Hefe nennen. Zuerst stellen Pflanzen durch Fotosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Zucker (Glucose) her:

$6 \text{CO}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} \to \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2$

Danach frisst die Hefe diesen Zucker und wandelt ihn in Ethanol und Kohlenstoffdioxid-Gas um. Das nennt man Gärung:

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \to 2 \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2 \text{CO}_2$

Weg 2: Die industrielle Methode (Hydratisierung von Ethen)

In großen Chemiefabriken dauert die Gärung oft zu lange. Deshalb nutzt man dort Ethen, ein Gas, das aus Erdöl gewonnen wird. Man gibt einfach Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) zu dem Ethen ($\text{C}_2\text{H}_4$) hinzu. Das Wasser spaltet sich in ein Wasserstoffatom (H) und eine OH-Gruppe auf. Diese hängen sich an das Ethen an, die Doppelbindung bricht auf, und es entsteht Ethanol:

$\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \textcolor{#53E5D6}{\text{H}}-\textcolor{#08BFFF}{\text{OH}} \to \textcolor{#53E5D6}{\text{H}}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\textcolor{#08BFFF}{\text{OH}}$

Aufgabentyp 2: Der Speiseplan der Hefe: Atmen oder Gären?

Hefe ist ein winziges Lebewesen, das Biokatalysatoren (spezielle Werkzeuge in der Zelle) nutzt, um Zucker abzubauen und daraus Energie zum Überleben zu gewinnen. Das Besondere an Hefe ist, dass sie sich an ihre Umgebung anpassen kann!

• Mit Sauerstoff (Zellatmung): Wenn viel Sauerstoff in der Luft ist, „atmet“ die Hefe ganz normal. Sie verbrennt den Zucker vollständig. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) und Wasser ($\text{H}_2\text{O}$). Das liefert der Hefe sehr viel Energie, um schnell zu wachsen.

• Ohne Sauerstoff (Alkoholische Gärung): Wenn die Hefe in einem geschlossenen Gefäß ohne Sauerstoff eingesperrt ist (zum Beispiel tief im Pizzateig), erstickt sie nicht! Sie schaltet auf ein Notfallprogramm um: die anaerobe (sauerstofffreie) Gärung. Sie baut den Zucker nur teilweise ab. Dabei entstehen Ethanol (Trinkalkohol) und Kohlenstoffdioxid. Das liefert zwar weniger Energie, aber die Hefe überlebt.

Aufgabentyp 3: Experiment: Der Hefe-Luftballon

Um die Gasentwicklung bei der anaeroben Gärung ohne Sauerstoff sichtbar zu machen, eignet sich dieses einfache Experiment.

Zweck: Sichtbarmachen der Gasentwicklung bei der anaeroben Gärung ohne Sauerstoff.

Materialien: 1 Päckchen Trockenhefe (ca. 7 g), 2 Esslöffel Zucker, 200 mL warmes Wasser, 1 leere Plastikflasche (500 mL), 1 Luftballon.

Durchführung:

1. Fülle das warme Wasser, die Hefe und den Zucker in die Plastikflasche.
2. Schüttle die Flasche leicht, damit sich alles vermischt.
3. Stülpe den Luftballon sofort fest über den Flaschenhals, sodass keine Luft mehr hinein oder heraus kann.

4. Warte 30 Minuten und beobachte den Ballon.

Beobachtung: Die Flüssigkeit in der Flasche beginnt zu schäumen. Der anfangs schlaffe Luftballon bläst sich nach und nach von selbst auf.

Erklärung: Da der Ballon die Flasche luftdicht verschließt, verbraucht die Hefe schnell den restlichen Sauerstoff. Danach schaltet sie auf die alkoholische Gärung um. Sie frisst den Zucker und produziert dabei Ethanol und Kohlenstoffdioxid-Gas. Dieses Gas steigt auf, braucht Platz und bläst den Ballon auf!

Aufgabentyp 4: Reaktionsgleichungen für Ethanol aufstellen

Wenn du in einer Prüfung die Reaktionsgleichung für die industrielle Herstellung von Ethanol aufschreiben sollst, gehe so vor:

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ausgangsstoffe (Edukte) notieren: Schreibe Ethen ($\text{C}_2\text{H}_4$) und Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) auf die linke Seite des Reaktionspfeils.
2. Die Atome zusammenzählen: Bei dieser Reaktion verbinden sich die beiden Stoffe einfach zu einem einzigen neuen Stoff. Zähle alle Kohlenstoff- (C), Wasserstoff- (H) und Sauerstoffatome (O) im Kopf zusammen.
3. Das Produkt (Ethanol) formulieren: Schreibe die Summenformel für Ethanol auf die rechte Seite. Achte darauf, dass die für Alkohole typische OH-Gruppe am Ende steht: $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Ethanol kann natürlich durch alkoholische Gärung (aus Zucker) oder industriell durch Hydratisierung von Ethen (aus Erdöl) hergestellt werden.
• Mit Sauerstoff betreibt Hefe Zellatmung (produziert $\text{CO}_2$ und Wasser).
• Ohne Sauerstoff betreibt Hefe Gärung (produziert Ethanol und $\text{CO}_2$).