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Energie aus Rohstoffen der Land- und Forstwirtschaft (Fach) / ZuFa 51-60 (Lektion)

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• Zugabe von Konservierungsmitteln (Nachernteverfahren) o Einsalzen (Pökeln, mit NaCl, mit Nitritpökelsalz)o Einzuckern (zu Marmelade verarbeiten, Kandieren)o Zugabe von Säure (Ameisensäure, Essigsäure, Alkohole)
•  Fermentation (zB. Silage) Allgemein = Zerkleinerung mit Häcksler/Ladewagen, verdichten, luftdicht Abschließen - anaerobe Umwandlung von pflanzlichen Kohlenhydraten mit Milchsäurebakterien in organische Säuren -> pH-Wert sinkt unter 4 - Hemmung anderer Mikroorganismen - Milchsäurebakterien stellen Arbeit ein bei Nährstoffmangel oder saurem Milieu -> Biomasse kann stabil gelagert werden - gut siliertes Futter kann über Jahre ohne wesentlichen Nährstoff-/Energieverlust gelagert werden (vgl. Sauerkraut)
• Fermentation o Milchsäuregärung: Zucker (abhängig von Pflanzenart, Schnittzeitpunkt, Anwelkgrad, Düngung, Tageszeit) -> unter Luftabschluss mit Milchsäurebakterien (Lactobacillus, Homofermentativ, Heterofermentativ) -> zu Milchsäure -> pH-Wert sinkt -> Stopp Pufferkapazität (Schmutz, Proteine)
• Fermentation Milchsäuregärung, Gärfutter-Mikroorganismen: - erwünschte MO (Milchsäurebakterien)- geduldete MO (Essigsäurebildner) - unerwünschte MO (Buttersäurebildner, Eiweißzersetzer) - Schimmelpilze - Hefen
• o Voraussetzungen der Silierung: - genügend vergärbare Kohlenhydrate - richtige Feuchtigkeit (Mais ~30%, Gras ~35%)- ausreichend Besatz an Milchsäurebakterien - Häcksellänge der Biomasse:  Besserer Futteraufschluss (Oberfläche, Atmungsintensität, Saftaustritt)  Schnellere Milchsäuregärung (niedriger pH-Wert)  Hohe Lagerdichte  Bessere und gleichmäßigere Qualität  Leichtere Mechanisierbarkeit  schnelleres pH-Wert Absinken bei Feldhäcksler als bei Kurzschnittladewagen und Ladewagen
• o Siliertechnik: Verdichten, Lagern - Lagerdichte 200 kg/m³ TM - hohe Schlagkraft beim Befüllen (um Silo schnell schließen zu können, max. 3 Tage) - sofortiges Abdecken - luftdichte Lagerung - Entnahmetechnik (Anschnitt, Qualität)
• Behälterformen der Silierung (Fermentierung)  Hochsilo -offen -mit Lukenband -geschlossen  + sicheres Vergären durch Eigendruck + geringe Abdeckfläche - Bauaufwand - aufwändige Befüll- und Entnahmetechnik -> Materialien: Stahlbeton, Stahl, glasfaserverstärkter Kunststoff, imprägniertes Holz  Flachsilo/Fahrsilo -Steinwand -Erdwall + Kapital sparend + einfache Befüllung und Entnahme - Festwalzen notwendig (Arbeitsaufwand) - hoher Platzbedarf und hohe Obernfläche  Foliensilo -Folienfahr -Folienschlauch -Pressballen
• Nachernteverfahren -> Kühllagerung – Entfernung von Wärme: Allgemein = zur Bekämpfung von Vorratsschädlingen bei Obst und Getreide = zur Erhaltung des physiologischen Werts bei gartenbaulichen Produkten und Obst
• Nachernteverfahren -> Kühllagerung – Entfernung von Wärme: Temperatur o Temperatur ist Haupteinflussfaktor: -meisten Gartenbauprodukte haben optimales ‚shelf-life‘ bei 0° -Verderbrate erhöht sich bei +10° um das 2-3-fache (inklusive Sporenkeimung/Mikroorganismen,…) -Q10 = Reduktion der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit bei Absenken der Temperatur um 10° -zu kühle Temperaturen können auch schädlich sein3°… Spargel, Stachelbeere 4°… Äpfel, Avocados, Lychee, Kartoffel 5°… Orange, Mandarine, Guave 7°… Olive, Ananas, Pfeffer, Granatapfel 10°… Gurke, Melanzani, Mango, Melone, Papaya, Tomate 13°… Banane, Süßkartoffel, Mango (grün), Tomate (grün), Ingwer
• Nachernteverfahren Kühlung Luftfeuchte o Relative Luftfeuchte: beeinflusst Wasserverlust, Verderb, physiologische Fehlentwicklungen, Reifungsprozess, Feuchtekondensation an der Oberfläche (Schwitzen) -> 70-75%... trockene Zwiebel 85-95%... Früchte 90-98%... Gemüse 95-100%... Karotten, Radieschen
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• Nachernteverfahren Kühlung Einflussfaktoren auf die Lagerfähigkeit  Mikrobiologische Kontamination: -Infektionen durch Waschwasser, Kühlwasser, organische Düngung -Desinfektion durch Cl-Verbindungen, J-Verbindungen, O3, H2O2 Wasserverlust: -relative Luftfeuchte einhalten -Wachsüberzüge -Wasserdampfbarrieren Ethylen (C2H4): -beschleunigt Alterungsprozesse -verkürzt ‚shelf-life‘ -fördert Chlorophyllabbau und Vergelben grüner Gewebe
• Nachernteverfahren Kühlung o CA- und MA-Lagerung = controlled atmosphere, modified atmosphere -Prinzip: optimale CO2-, N2-, O2-Konzentration  Verringern die Atmung und Ethylenproduktion  Bremsen Altern und Reifungsprozess  Verringern Wachstum von Pathogenen die zu Verderb führen  Kontrollieren Insektenentwicklung -> falsch eingestellt: negative Folgen -CA für fixe Lagerung, MA für Ferntransporte-technische Anforderungen für CA:  Regelung von rel. Luftfeuchte, CO2, O2, Temperatur  Ethylenkonzentration kontrollieren  Kontrollierter N2-Zusatz  Weiterentwicklung mit sequentiellen Programmen (zeitlich gestuften O2- und CO2-Konzentrationen) oder variablen Programmen (Ethanolkonzentration, Chlorophyllfloureszenz)
• Nachernteverfahren Kühlung Kartoffellagerung Kartoffel = sehr verletzungsempfindlich, weil führt zu Atmungsverlusten/Infektionen = sehr druckempfindlich; bei Lagerung Schüttdichte von 650 kg/m³, bei loser Lagerung max. Schütthöhe von 3,5 m -> Lagerung in Kisten am besten Curing-Phase: nach Ernte (Lagerung: 10-16°, 85-90%, 5-10 Tage) Wundheilung und Entwicklung des Periderms -> Transpirationsverluste vermindert, Widerstandsfähigkeit gegen Schaderreger gestärkt Kühllagerungsphase: zwischen 4°-20° -Saatkartoffel… 2°-4° -Speisekartoffel… 4°-5° -> bei kurzer Lagerung 8° -Pommes Frites… 6°-8° -Chips-Kartoffel… 7-10°
• -> Ziele des Nachernteverfahrens "Kühllagern" Verringerung von Atmung, Austrocknung, Auskeimung, Verzuckerung, Vergrünen ‚Rekonditionierung‘ = bei hohem Zuckergehalt durch Lagerungsbedingungen (15°-26°, 75-90%) beeinflussbar: Phosphorylase wird abgebaut und Stärke aufgebaut!
• Nachernteverfahren Kühlung Technische Probleme (bei Kartoffeln) -Thermodynamik der feuchten Luft bei Abkühlen und Anwärmen muss man möglichst nahe an dynamischem Gleichgewichtszustand sein; Trocknung und Anfeuchten muss vermieden werden; erschwerend: Sorptionsgleichgewicht der frischen Knolle bei 100% rel. Luftfeuchtigkeit -Strömungsmechanik gleichmäßige Luftführung erfordert (alle Bereiche mit gleicher Luftmenge durchströmt) -> Querschnitte der luftführenden Teile zu beachten; erschwerend: Raumströmungseffekte
• Nachernteverfahren Kühlung Belüftung  Aufgaben der Belüftung: -Abfuhr der Atmungswärme und CO2 -Abkühlen auf Lagerungstemperatur -Anwärmen (Rekonditionierung, Wundheilungsphase) Grundsätze der Belüftung: -Luftraten maximal 100 m³/h/m³ -möglichst kurze Belüftungsphasen -nur langsame Temperaturänderungen, zB. 0,5°/Tag -Kühllufttemperatur <2° unter Gutstemperatur -CO2-Gehalt maximal 0,5%
• Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen:  Pflanzenölgewinnung: gleiche Art der Öl-/Fettgewinnung für: -Nahrungsmittel- und Futtermittelproduktion -Ersatzkraftstoffe/Zumischkomponente zu Diesel -Chemierohstoff für Seifen/Kosmetika… -> aber unterschiedliche Anforderungen an die Qualität Raumtemperatur hat Einfluss auf Aggregatzustand: Fette=fest, Öl=flüssig Rohstoffe (Kerne, Samen) = Raps, Sonnenblume, Kokospalme, Olive
• Kleintechnische Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen: o Kleintechnisch: können erzeugernah mit kleinen installierten Leistungen gewonnen werden;ohne externe Wärmezufuhr -> kaltgepresste Öle (vermeidet unerwünschte Fettbegleitstoffe) zB. Kleintechnische Ölmühle
• Großtechnische Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen: Großtechnisch: je nach Eigenschaften der Ölsaat: Fertigpressen = ein- oder zweistufige Pressung (Restölgehalt bei 1 Pressung bis 25%, bei 2 bis 10%) Extraktion = der zerkleinerten, konditionierten Ölsaat wird mit Lösungsmittel das Öl entzogen -> niedrigere Restölgehalte Pressung/Extraktion = Kombination, aus dem Pressrückstand wird mit Lösungsmittel noch extrahiert -> 98% ÖlausbeutezB. Bei Rapssaat
• o Rohstoffbereitstellung und Vorbehandlung: [Für Produktion und Nutzung von ölhaltigen Pflanzen] Qualität der Ölsaat wird beeinflusst durch: -Anbau -Reifegrad -Erntetechnik -Transport -Lagerung -> biologische Abbau- und Umsetzungsprozesse führen zur Veratmung von Kohlenhydraten und Fetten zu CO2 und H2O (verringert Ölertrag) durch Enzyme, Hefe, Pilze -> durch Wärme und Feuchtigkeit gefördert -> bei falscher Lagerung kann es zur Bildung von Phosphorlipiden, Mykotoxinen, Milben- und Insektenbefall kommen => geeignete Maßnahmen für hohen Ölertrag: -Reinigen -Trocknen -Kühlen -Belüften -Umlagern
• o mechanische Konditionierung: [von Pflanzen zur Produktion und Nutzung von ölhaltiger Biomasse] -Zerkleinerung (Schale und Speichergewebe werden zerstört zum erleichterten Ölaustritt) -Flockierung (Glatt-/Flockierwalzwerke zu Flocken von 0,3 mm Dicke)
• Pressung [von Pflanzen zur Produktion und Nutzung von ölhaltiger Biomasse] [nach mechanischer Konditionierung] = austreiben einer flüssigen Phase aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit -Schneckenpressen: Druckerhöhung durch Vorwärtsbewegung des Saatguts durch Schnecke bei gleichzeitiger Verkleinerung des Presskammervolumens-Produkte = Pressöl (enthält meist noch Trub, kleine Saatteilchen, die gefiltert werden und zurück in die Presse kommen) und Presskuchen (Enthält Restölgehalt, je nach Betriebsweise)
• o Extraktion: [von Pflanzen zur Produktuon/Nutzung von ölhaltiger Biomasse Nach mechanischer Vorbereitung und Pressung] o Extraktion:mit Lösungsmittel (meist Hexan) aus aufbereiteter Saat oder Presskuchen-Perkolationsverfahren (Durchlaufverfahren):ununterbrochenes Benetzen mit dem Lösungsmittel-Immersionsverfahren:bei schwer extrahierbarer Matrix wird die gesamte Ölsaat in das Lösungsmittel eingetaucht
• Einflussgrößen auf Extraktion: [auf Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen] -Wassergehalt (behindert die Benetzung mit Lösungsmittel und Eindringen in Ölsaat)-Partikelgröße (sollten so beschaffen sein, dass Lösungsmittel einfach hindurch fließen kann)-Extraktionsmenge (Energieaufwand der Extraktion nimmt ab je höher der Ölgehalt im Lösungsmittel)-Extraktionstemperatur (Viskosität des Lösungsmittels und Löslichkeit der Saat sind temperaturabhängig)-Extraktionszeit (Zeitraum beeinflusst Extraktionsgrad)=> -Karusellextrakteur -Gleitzellenextrakteur -Lösungsmittelextrakteur (anschließend muss aus der Miscella das Lösungsmittel entzogen werden, durch mehrstufige Destillation weil es hat niedrigeren Siedepunkt)
•  Ölreinigung: [von Öl, dass aus Pflanzen gewonnen wird] = Entfernung von festen Verunreinigungen (meist Samenbestandteile), weil Samen Enzyme enthalten, die bei der Keimung den Abbau der Triglyceride verursacheno Hauptreinigung:-Sedimentation-Filtrationo Sicherheitsfiltration: (Endfiltration)-Beutelfilter (Flüssigkeitsdruck durch Pumpe, Öl durchströmt den Filterbeutel aus Nadelfließ oder Mikrofaser von innen nach außen)-Kerzenfilter (Filtergehäuse und Filterkerze die von außen nach innen durchströmt wird)-Tiefenschichtfilter (grobporige Filterhilfsmittelschichten in deren Innerem sich Feststoffe absetzen)
•  Ölraffination: [Von Öl aus Pflanzen, zuerst Ölreinigung] = weitere Aufarbeitungsschritte vor der Verwendung weil durch Anbau, Lagerung, Transport, Gewinnung unerwünschte Begleitstoffe vorhanden sind die Haltbarkeit und Qualität beeinflusseno Begleitstoffe:-Wasser (inaktiviert Katalysator -> Verseifungsreaktion)-freie Fettsäuren (inaktiviert Katalysator -> Verseifungsreaktion) -Aldehyde und Ketone -Farbstoffe -Pestizide -Phospholipide, Glycolipide -Metallione, Schwermetalle -Wachse -Saatreste, Schmutzpartikel-> chemische und physikalische Raffination
• o Chemische Raffination: [Von Pflanzenölen, zuerst Reinigung, es gibt auch physikalische Raffination]  Entschleimung = Entfernung von Phospholipiden, Glycolipiden, freien Zuckern, Metallionen; Wasserentschleimung, enzymatische Entschleimung, Säureentschleimung; diese Stoffe haben Einfluss auf: -Oxidationsstabilität (Haltbarkeit),  -Hydratisierbarkeit (Verstopfen von Filtern bei Einsatz als Kraftstoff),  -verfahrenstechnische Probleme (Ablagerungen)  Neutralisation = durch Zugabe von Lauge = Entfernung der freien Fettsären Bleichung = Entfernen von Farbstoffen, Schleimstoffen, Spurenmetallen, Oxidationsprodukten; durch adsorptives Anlagern an Adsorptionsmittel; diese Stoffe haben Einfluss auf: -Oxidationsstabilität (Haltbarkeit) Desodorierung = Entfernen von geruchs- und geschmacksintensiven StoffenVorteile der chemischen Raffination:+ geringer Energieeinsatz (durch geringe Desodorierungstemperaturen) + wenig Nebenreaktionen + Erhalt der ernährungsphysiologisch wertvollen Ölbestandteile (wegen geringer thermischer Belastung)
• o Physikalische Raffination: [Von Pflanzenölen, zuerst Ölreinigung, es gibt auch chemische Raffination] Neutralisation = Destillation -> Neutralisation (Entsäuerung) und Desodorierung (Dämpfung) in 1 Schritt Entschleimung Bleichung Desodorierung+ keine Lauge -> Rückgewinnung von Fettsäuren nicht notwendig+ geringer Einsatz von Prozesswasser + geringer Chemikalieneinsatz bei Abwasserbehandlung
•  Weiterverarbeitung von Pflanzenölen: [Nach Reinigung und Raffination]  z.T. erhebliche Anpassungen erforderlich, v.a. am Kraftstoffsystem, Motor, Abgasnachbehandlung -> für Verwendung als Reinkraftstoff in Dieselmotoren; Viskosität und Siedeverhalten unterscheiden sich stark vom fossilen Dieselkraftstoff -> Weiterverarbeitung notwendig!o chemische Umesterungo enyzmatische Umesterungo in konventionellen Mineralölraffinerieno Hydrierung/Hydrotreating mit anschließender Crackung/Isomerisierung (HEFA-Prozess)o Überführung in andere Molekülstrukturen durch überkritische Bedingungen (BIC-Prozess)Ziel der Rohölverarbeitung ist es, aus dem Stoffgemisch „Rohöl“ Produkte zu erzeugen, die durch klar definierte (d. h. genormte) Eigenschaften gekennzeichnet sind.
• Rohölweiterverarbeitung in konventionellen Mineralölraffinerien: (Von Pflanzenöl, nach Reinigung und Raffination) biogenes Pflanzenöl wird mit fossilem Erdöl in Mineralölraffinerie weiterverarbeitet -> Unterschiede in prozentualer Zusammensetzung und molekularem Aufbau (Erdöl hat höheren C-Gehalt und Schwefelgehalt; Pflanzenöl hat höheren Sauerstoffgehalt) verfahrenstechnische Herausforderungen: CO als Nebenprodukt, Sauerstoffgehalt+ bestehende Strukturen werden mitgenutzt, aber Voraussetzung sind freie Kapazitäten und kleine Anpassungen notwendig + Raffinerie kann Rohstoff- und Produktspektrum erweitern + bei wachsender Nachfrage nach biogenen Kraftstoffen kann schnell reagiert werden + Flexibilität bring wirtschaftliche Vorteile
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• o Enzymatische Umesterung: (Als Weiterverarbeitung von Pflanzenölen; nach Reinigung und Raffination) = mit Biokatalysatoren + kompatibel mit schwankender Rohstoffqualität + weniger Prozessschritte + höhere Qualität des Nebenproduktes Glycerin + einfache Phasentrennung (keine Emulsionsbildung durch Seifen) + geringer Energieaufwand + geringes Abwasservolumen - hohe Kosten für einzusetzende Enzyme (deshalb noch nicht durchgesetzt) = Enzyme spalten durch Hydrolyse freie Fettsäuren und Glycerin von Lipiden ab: 1) kovalentes Übergangsester mit Triglycerid2) Hydrolyse mit Übergangsester -> Enzym wird wieder frei und freie Fettsäuren entstehen Veresterung freier Fettsäuren: durch Neutralisation/Entsäuerung geht bis 8% des Öls verloren -> andere Veresterungsmöglichkeiten: säurekatalysierter Prozess mit Schwefelsäure
• Chemische Umesterung (FAME-Prozess) am meisten verbreitetste Methode, katalysatorgesteuerte Umesterung zu Fettsäuremethylestern (FAME)-> 3-wertiger Alkohol wird durch 3 einwertige Alkohole (Methanol) verdrängt, es entsteht Fettsäuremethylester (FAME) also Biodiesel-> Rohstoffaufbereitung (Raffination, Veresterung) -> Umesterung (Umesterung, Glycerinphasenseparierung) -> Biodieselaufbereitung / Glycerin- und Methanolaufbereitung Biodieselaufbereitung = mehrstufig über Sauer- und Neutralwäsche: 1) Waschen um Seifen zu entfernen die durch unerwünschte Verseifungsprozesse entstanden (nach direkter Wasserzugabe durch saure Katalysatoren*) 2) Trocknung, das Methanol-Wasser-Gemisch im Verdampfer wird im Kondensator getrennt3) Aufbereitung der Nebenprodukte und Rückgewinnung des übermäßigen Alkohols Methanolaufbereitung = das methanolhaltige Glycerinwasser wird mit Methanolrektifikation aufgearbeitet -> das kondensierte Reinmethanol wird wieder für Umesterungsreaktion verwendet Glycerinaufbereitung = Versauerung der Glycerinphase mit Schwefelsäure festes Glycerin kann abgeschieden werden und muss von festen Kaliumsulfat getrennt werden mit Kaliumhydroxid Anforderungen an die Rohqualität: = abhängig von Herkunft: -Rohe, teil-, vollraffinierte Pflanzenöle -rezyklierte Pflanzenöle/-fette -tierische Fette -> von Verunreinigungen befreien** Verfahrenstechnische Umsetzung: Niederdruckumesterung (zur Biodieselherstellung) kommt weltweit kommerziell zum Einsatz -> Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich: -Betriebsweise (kontinuierlich/Batch)  -Druck (max. 6 bar)  -Temperatur (40-160° je nach Druck)  -eingesetzte Katalysatoren (0,01-5 Gewichts%)  -überstöchiometrische Menge Methanol  Batch-Prozess: + reagiert flexibel auf schwankende Rohstoffqualitäten + bei langen Reaktionszeiten + bei schweren förderbaren Medien - lange Rüstzeiten fürs Befüllen/Entleeren - hoher Energieaufwand für Heizen und Kühlen Kontinuierliche Verfahren: Edukte/Produkte kontinuierlich eingespeist/augetragen -> es stellt sich stationärer Zustand ein mit hoher Produktionsleistung bei gleichmäßiger Produktqualität und hoher Automatisierungsgrad bei wenig Flexibilität von Produktqualitäten*** (Meine Interpretationen: * durch den Katalysator wird gewaschen, nachdem direkt Wasser zugegeben wurde** Je nach Herkunft verschiedene Verunreinigungen***Bei wenig flexiblen -> gleichmäßigen Produktqualitäten (Rohstoffqualitäten?) stellt sich ein stationärer Zustand mit hoher Produktionsleistung und einem hohem Automatisierungsgrad ein; oder: es stellt sich ein stationärer Zustand mit hoher Produktionsleistung und einem hohen Automatisierungsgrad ein, der gleichmäßige, wenig flexible (man kann also nicht anpassen auch wenn man will) Produktqualität liefert)
• Fermentative Alkoholerzeugung (Gärung) und Nutzung:  Biochemische Grundlageno Ethanol-Fermentation: Zucker wird in CO2 und Ethanol/höhere Alkohole umgewandelt = biochemische Spaltung von Kohlenhydraten mit Biokatalysatoren unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob)o Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation: (ABE) in der Vergangenheit die zweitgrößte Produktion mittels Mikroorganismen - es werden Bakterien aus dem Stamm von Clostridien eingesetzt (hat größeres Substratspektrum als Hefe) -es können auch Polysaccharide wie Stärke, Xylane genutzt werden (Zellulose nicht)o Stärkeabbau zu Zucker: Stärke = Polysaccharid, besteht nur aus Glucose-Bausteinen, Reserve-Kohlenhydrat in Getreide und Kartoffeln - unverzweigte Glucoseketten (Amylose) -verzweigte Glucoseketten (Amylopektin) -> kann mit Hefe nicht direkt zu Ethanol vergoren werden, deswegen muss wie beim Zucker: - aus Zellmaterial befreit werden  - in vergärbare Zucker umgewandelt werden  -> 2 Gruppen von stärkeabbauenden Enzymen erforderlich: - verflüssigende Enzyme (Amylase)  - verzuckernde Enzyme (Glucoamylasen, Amylasen) o Lignozelluloseabbau zu Zucker: Lignozellulosehaltige Rohstoffe bestehen aus Zellulose/Hemizellulose (=Kohlenhadrate, häufigsten Stoffwechselprodukte der Pflanzen)  und Lignin.  Zellulose ist aus Glucosemolekülen aber schwer hydrolisiert. Hemizellulose ist aus verscheidenen Zuckern (Hexosen C6-Zucker und Pentosen C5-Zucker)-> enthaltene Zucker in pflanzlichen Rohstoffen (Holz, Stroh) müssen durch Vorbehandlung erst für die Alkoholproduktion verfügbar gemacht werden. Danach können langkettige Hemi-/Zelluloseketten hydrolisiert werden.-> Hydrolyse durch: -Enzymatische Katalyse -Einsatz von Säuren -> es entstehen C6-Zucker (mit Hefe in Ethanol umzuwandeln) und C5-Zucker (nur mit genetisch manipulierten Stämmen möglich)

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