Die Herstellung von Alkohol einfach erklärt: Gärung & Destillation

Die Herstellung von Alkohol ist ein faszinierender chemischer Prozess, der uns im Alltag oft begegnet. Hast du dich schon einmal gefragt, warum Pizzateig so schön fluffig aufgeht oder wie die Bläschen in den Champagner kommen? Die Antwort ist in beiden Fällen dieselbe: winzige Pilze, die Zucker fressen!

In diesem Artikel schauen wir uns an, wie wir mit Hilfe der Natur und ein wenig cleverer Chemie Alkohol herstellen können. Du wirst lernen, wie aus einfachen Kartoffeln oder süßen Trauben hochprozentiger Alkohol für Getränke, Reinigungsmittel oder sogar für das Chemielabor wird.

Vorwissen

• Enzyme (Biokatalysatoren): Das sind spezielle Werkzeuge in Lebewesen, die chemische Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst möglich machen.

  Beispiel: Enzyme in deinem Speichel beginnen schon beim Kauen, dein Essen in kleinere Bausteine zu zerlegen.

• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit anfängt zu kochen und zu Gas (Dampf) wird.

  Beispiel: Wasser hat einen Siedepunkt von 100 °C. Andere Flüssigkeiten kochen schon bei niedrigeren Temperaturen.

• Hygroskopische Stoffe: Materialien, die Wasser magisch anziehen und aufsaugen.

  Beispiel: Die kleinen Kieselgel-Tütchen in neuen Schuhkartons saugen die Feuchtigkeit aus der Luft auf.

Aufgabentyp 1: Alkoholische Gärung

Die Natur hat einen eigenen Weg für die Herstellung von Alkohol: die alkoholische Gärung. Die Hauptdarsteller in diesem Prozess sind Hefepilze. Hefe ist ein lebender Organismus, der Energie zum Überleben braucht. Diese Energie gewinnt die Hefe, indem sie Glucose (Traubenzucker) frisst.

Mit Hilfe ihrer eigenen Enzyme (Biokatalysatoren) wandelt die Hefe den Zucker um. Dabei entstehen zwei neue Stoffe: Alkohol und Kohlenstoffdioxid (ein Gas).

Als chemische Wortgleichung sieht das so aus:

$\textcolor{#9570FF}{\text{Glucose}} \xrightarrow[\text{Wasser}]{\text{Enzyme}} \textcolor{#08BFFF}{\text{Alkohol}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{Kohlenstoffdioxid}}$

Warum stoppt die Gärung irgendwann?

Die Hefe produziert immer weiter Alkohol, aber Alkohol ist eigentlich ein Zellgift. Wenn die Flüssigkeit eine Konzentration von etwa 15 Vol.-% Alkohol erreicht, vergiften sich die Hefezellen selbst und sterben ab. Der Prozess stoppt ganz natürlich. Mehr als 15 % Alkohol kann man durch reine Gärung also nicht erreichen.

Was ist mit Kartoffeln oder Getreide?

Man kann Alkohol auch aus stärkehaltigen Pflanzen wie Kartoffeln oder Gerste herstellen. Hefe kann Stärke aber nicht direkt essen. Deshalb müssen pflanzliche Enzyme die lange Stärke zuerst in kleine Glucose-Bausteine zerschneiden. Erst dann kann die Hefe mit der Gärung beginnen.

Alltagsbeispiele:

• Hefeteig: Wenn du Hefe in einen Teig gibst, frisst sie den Zucker. Das entstehende Kohlenstoffdioxid-Gas bildet Bläschen und lässt den Teig schön fluffig aufgehen. Der Alkohol verdunstet später beim Backen im heißen Ofen.

• Champagner: Hier wird das Gärgefäß (die Flasche) fest verschlossen, bevor die Hefe fertig ist. Das Kohlenstoffdioxid-Gas kann nicht entweichen, baut Druck auf und löst sich in der Flüssigkeit. Das sorgt für das Prickeln beim Öffnen.

Der Luftballon-Test

Zweck: Sichtbarmachen der Gasproduktion während der alkoholischen Gärung.

Materialien: 1 Päckchen Trockenhefe, 2 Esslöffel Zucker, 200 mL warmes Wasser, 1 Erlenmeyerkolben (oder eine schmale Flasche), 1 Luftballon.

⚠️ Sicherheitshinweis: Keine gefährlichen Chemikalien. Die Lösung darf dennoch nicht getrunken werden, da sie im Labor hergestellt wird.

Durchführung:

1. Fülle das warme Wasser in den Kolben.
2. Gib den Zucker und die Hefe dazu und schwenke den Kolben leicht, bis sich alles vermischt.
3. Stülpe den Luftballon sofort dicht über die Öffnung des Kolbens.
4. Stelle den Kolben an einen warmen Ort und warte 30 bis 60 Minuten.

Beobachtung: Die Flüssigkeit beginnt zu schäumen. Der Luftballon richtet sich nach einiger Zeit auf und wird immer praller aufgeblasen.

Erklärung: Die Hefe wandelt den Zucker in Alkohol und Kohlenstoffdioxid um. Da das Kohlenstoffdioxid ein Gas ist, steigt es auf, benötigt viel Platz und bläst den Luftballon auf.

Aufgabentyp 2: Destillation und wasserfreier Alkohol

Wir wissen nun, dass die Hefe bei etwa 15 % Alkohol stirbt. Aber wie bekommen wir hochprozentigen Alkohol, zum Beispiel für Desinfektionsmittel oder das Labor? Hier hilft uns die Physik mit einem Verfahren namens Destillation (auch „Brennen“ genannt).

Der physikalische Trick: Destillation

Alkohol und Wasser haben unterschiedliche Siedepunkte. Wasser kocht bei 100 °C, aber Alkohol kocht schon bei etwa 78 °C. Wenn wir unsere 15%ige Gärflüssigkeit vorsichtig auf 78 °C erhitzen, passiert Folgendes:

Der Alkohol verdampft zuerst, während das meiste Wasser noch flüssig bleibt. Der Alkoholdampf steigt auf, wird in einem Rohr wieder abgekühlt und tropft als flüssiger, viel stärkerer Alkohol in ein neues Gefäß.

Die Grenze der Destillation (96 %)

Selbst wenn man diesen Vorgang mehrfach wiederholt, kann eine einfache Destillation nicht das gesamte Wasser entfernen. Das absolute Maximum, das man durch Destillation erreichen kann, ist eine Konzentration von 96 Vol.-%. Diese 96%ige Lösung nennt man Spiritus.

(Hinweis: Wenn du im Supermarkt „Brennspiritus“ kaufst, ist das genau dieser 96%ige Alkohol. Er wurde jedoch „vergällt“. Das bedeutet, es wurden bitter schmeckende Stoffe hinzugefügt, um ihn ungenießbar zu machen, damit man keine Getränkesteuer darauf zahlen muss.)

Der chemische Trick: Wasserfreier Alkohol (100 %)

Für manche Experimente im Labor braucht man absoluten (wasserfreien) Alkohol mit 100 %. Um die letzten 4 % Wasser aus dem Spiritus zu entfernen, reicht Erhitzen nicht mehr aus. Wir brauchen einen chemischen Schwamm!

Man gibt einen stark wasserentziehenden (hygroskopischen) Stoff in die Flüssigkeit, wie zum Beispiel Calciumoxid. Dieser Stoff reagiert nur mit dem restlichen Wasser und bindet es fest an sich. Der Alkohol bleibt unberührt zurück. Danach kann man den reinen, 100%igen Alkohol einfach abgießen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du beschreiben sollst, wie man aus einem Rohstoff 100%igen Alkohol herstellt, folge immer diesem 4-Schritte-Plan:

1. Zuckerbereitstellung: Wenn der Rohstoff Stärke enthält (z. B. Kartoffeln), müssen pflanzliche Enzyme die Stärke zuerst in Glucose umwandeln.
2. Alkoholische Gärung: Hefe wird hinzugefügt. Sie wandelt die Glucose in Alkohol und Kohlenstoffdioxid um. Stoppt bei ca. 15 %, da die Hefe abstirbt.
3. Destillation: Die Flüssigkeit wird erhitzt (ca. 78 °C). Der Alkohol verdampft und wird wieder kondensiert. Erreicht maximal 96 % (Spiritus).
4. Chemische Trocknung: Ein wasserentziehender Stoff (z. B. Calciumoxid) wird hinzugefügt, um das restliche Wasser zu binden.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Wortgleichung: $\text{Glucose} \to \text{Alkohol} + \text{Kohlenstoffdioxid}$ (mit Hilfe von Hefe-Enzymen).
• Gärung: Stoppt bei ca. 15 %, weil der Alkohol die Hefezellen vergiftet.
• Stärke: Muss vor der Gärung erst durch Enzyme in Glucose zerlegt werden.
• Destillation: Trennt Alkohol und Wasser durch Erhitzen. Erreicht maximal 96 % Alkohol (Spiritus).
• Absoluter Alkohol (100 %): Wird erreicht, indem man dem 96%igen Alkohol mit hygroskopischen Stoffen (z. B. Calciumoxid) das restliche Wasser entzieht.