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Grundwissen

Herstellung von Ethanol

Das Wichtigste auf einen Blick:

  • Ethanol wird mithilfe von Hefe aus Traubenzucker (Glucose) hergestellt.
  • Diesen Prozess nennen wir alkoholische Gärung.
  • Bei der alkoholischen Gärung wird Energie frei. Diese Energie nutzen Hefezellen für ihre Stoffwechselprozesse.
Boby_Baylock, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Abb. 1: Mikroskopische Aufnahme einer Hefezelle, ein Teilstrich entsprich \(\ce{1\,µm}\)

Hast du schon einmal beobachtet, was passiert, wenn du eine offene Flasche Apfelsaft für einige Zeit an einem warmen Ort sehen lässt? Der Apfelsaft beginnt zu gären. Er wird ungenießbar und schmeckt sauer. Außerdem bilden sich kleine Gasbläschen. Was genau bei der Gärung von Apfelsaft passiert erfährst du in diesem Artikel.

Keine Gärung ohne Hefe

Hefen sind einzellige Pilze. Die Zellen sind oval bis kugelförmig und haben eine Größe von \(\ce{5-15\,µm}\) (\(\ce{1\,µm\,=\,1/1000 mm}\)). Hefezellen sind deshalb nur unter dem Mikroskop zu erkennen (Abb. 1). Die bekannteste Hefe ist die Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae). Die Bäckerhefe wird als Backtriebmittel verwendet. Backtriebsmittel sind Stoffe, die in den Teig Gase einlagern und dadurch dafür sorgen, dass der Teig locker wird. Für die Bier- und Weinherstellung werden spezielle Hefearten genutzt, die sich z. B. in ihrem Nährstoffbedarf oder ihrer Alkoholtoleranz unterscheiden. Im folgenden Abschnitt erfährst du, welche Rolle die Hefe bei der alkoholischen Gärung spielt. 

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Petra Wlotzka
Abb. 2: Alkoholische Gärungt in einer Hefezelle

Herstellung von Ethanol durch die alkoholische Gärung

Ethanol wird durch die alkoholische Gärung hergestellt. Bei der alkoholischen Gärung wandeln Hefepilze in sauerstoffarmer Umgebung Traubenzucker (Glucose) in Ethanol und Kohlenstoffdioxid um (Abb. 2).  

\(\ce{C6H12O6}\rightarrow\ce{2 C2H5OH + 2 CO2}\)          

Bei dieser Reaktion wird Energie frei, es handelt sich also um eine exotherme Reaktion. Die Energie wird in den Hefezellen in Form von ATP gespeichert. ATP ist eine energiereiche Verbindung, die immer dann zum Einsatz kommt, wenn die Zelle Energie benötigt. Die Hefezellen nutzen die Energie für ihre Stoffwechselprozesse.

Damit die Hefezelle den Traubenzucker zu Alkohol und Wasser abbauen kann, benötigt die Hefezelle sogenannte Enzyme. Enzyme sind Eiweiße, die bestimmte Stoffwechselreaktionen ermöglichen. Die Enzyme wirken als Katalysatoren. Das bedeutet, dass die Enzyme die Aktivierungsenergie der Reaktion herabsetzen und dadurch die Reaktion beschleunigen.  

Die alkoholische Gärung ist von der Temperatur abhängig. Je höher die Temperatur, desto schneller verläuft die Gärung. Die Temperaturabhängigkeit kannst du z. B. bei einem Hefeteig beobachten. Stellst du den Teig an einen warmen Platz, dann „geht“ der Teig schneller. Ab ca. \(\ce{40°\,C}\) werden jedoch die Enzyme in den Hefezellen zerstört (denaturiert) und der Gärprozess bricht ab.

Ethanol kann von den Hefezellen nicht weiterverarbeitet werden und wird als Abfallprodukt ausgeschieden. Dabei können Hefezellen nur einen Alkoholgehalt von maximal 19% vertragen, da Alkohol auch für Hefezellen – wie für menschliche Zellen – giftig ist. Bei einem höheren Alkoholgehalt sterben die Hefezellen ab.

Zusammenfassung

Hefepilze stellen aus Taubenzucker Ethanol und Kohlenstoffdioxid her. Diesen Vorgang nennen wir alkoholische Gärung.

Aufgabe
Verständnisaufgabe

Erkläre, warum man Hefe als Backtriebmittel verwenden kann. 

Lösung

Bei der Gärung entsteht neben Ethanol auch das Gas Kohlenstoffdioxid. Wird Hefe als Backtriebmittel in einem Teig verarbeitet, bildet das Kohlenstoffdioxid kleine Bläschen und sorgt dafür, dass der Teig aufbläht und dadurch locker wird.

Aufgabe

Recherchiere, warum Hefepilze nur in sauerstoffarmen Umgebungen die alkoholische Gärung durchführen.

Lösung

In sauerstoffreicher Umgebung findet bei Hefezellen statt der alkoholischen Gärung die Zellatmung statt. Bei der Zellatmung entstehen aus Traubenzucker und Sauerstoff die Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser.  

\(\ce{C6H12O6 + 6 O2}\rightarrow\ce{6 H2O + 6 CO2}\)          

Der Vorteil der Zellatmung ist, dass dabei wesentlich mehr Energie frei wird als bei der alkoholischen Gärung.