Der Zucker - Lernen durch Erleben - Projekt: Schulklassen auf dem ...

I. Einleitung
Was ist Zucker?
Der Zucker: „Vielfalt zwischen Süße und Klima“
Saccharose ist Haushalts- oder Kristallzucker, der im Allgemeinen „der Zucker“ genannt
wird. Pflanzen bauen mittels Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O)
Zucker auf, der wiederum aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O2) besteht.
Für die Gewinnung des Haushaltszuckers sind vor allem Zuckerrüben und Zuckerrohr von
Bedeutung.
1
Quelle: Wikipedia
Eigenschaften:
Beim Erhitzen von Haushaltszucker auf 185°C schmilzt er und bildet unter Zersetzung eine
braun werdende Schmelze (Karamell). Des weiteren ist Zucker ist in Wasser sehr gut löslich.
Bedeutung des Zuckers
Kohlenhydrate sind der Hauptenergielieferant für den Organismus. Sie sind im Gegensatz zu
den Fetten relativ schnell verwertbar, da sie auch anaerob (unter Sauerstoffabschluss) Ener-
gie liefern. Der wichtigste Kohlenhydratbaustein im Energiehaushalt des Körpers ist die Glu-
cose (auch Traubenzucker genannt). Sie enthalten keine weiteren Nährstoffe wie beispiels-
weise Vitamine, Mineralstoffe oder Ballaststoffe und sollten daher nur in Maßen verwendet
werden.
Generell werden Kohlenhydrate unterteilt in:
2
Die Saccharose gehört wie alle andere
Zuckerarten zu den Kohlenhydraten. Sie
ist ein Disaccharid (Zweifachzucker):
→ hierzu verbinden sich ein Molekül α-D-
Glucose (1) und ein Molekül β-D-Fructose
(2) miteinander
Einfachzucker oder Monosaccharide, z.B. Fruchtzucker oder Traubenzucker.
Zweifachzucker oder Disaccharide, z.B. Malz-, Milch- oder Haushaltszucker.
Vielfachzucker oder Polysaccaride, z.B. pflanzliche und tierische Stärke.
Wie die Aufschlüsselung zeigt, ist Kohlenhydrate nur ein anderes Wort für Zucker. Daher ist
zu berücksichtigen, dass alle kohlenhydratreichen Nahrungsmitteln, wie z.B. in Brot, Nudeln
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und Kuchen, auch viel Zucker enthalten und bewusst in der Ernährung eingesetzt werden
sollten.
Ferner stellt Zucker ein wichtigen Faktor bei der Konservierung von Speisen dar. Bei der
Herstellung von Konfitüre, Marmelade oder Gelee wird dem Lebensmittel eine bestimmte
Zuckermenge zugesetzt. Der Zucker bindet das im Nahrungsmittel frei verfügbare Wasser
und schränkt so die Lebensmöglichkeit für verderbniserregende Mikroorganismen stark ein.
Auch weiß man heute, dass Zucker die unabdingbare Voraussetzung ist, um Alkohol gewin-
nen zu können. Denn nur aus Zucker können Gärhefen den Alkohol erzeugen. Ebenso als
erneuerbare Energiequelle und Kraftstoff rückt der Zucker ins Blickfeld. Brasilien deckt be-
reits einen großen Teil seines Kraftstoffbedarfs mit Alkohol, der aus dem Zucker des Zucker-
rohrs gewonnen wird. Bei uns wird Alkohol als Kraftstoffzusatz derzeit aus Getreide oder
Zuckerrüben gewonnen.
II. Geschichte des Zuckers
Schon 6000 v. Chr. war das Zuckerrohr in Ostasien bekannt, von wo aus es nach Indien und
Persien gelangte. 600 n. Chr. entwickelten die Perser eine Methode zur Herstellung von ge-
reinigtem Zucker. Die Araber haben von den Persern die Kunst des Zuckersiedens gelernt.
In den von ihnen eroberten Gebieten führten sie den Zuckerrohranbau ein z.B. 750 n. Chr. in
Spanien und 960 n. Chr. auf Sizilien. Das christliche Abendland lernte den Zucker erst 1100
n. Chr. bei den Kreuzzügen kennen. Auf dem Weg des Orienthandels über Venedig und Ge-
nua gelangte er schließlich mit anderen Gewürzen nach Europa.
Aus dem Mittelmeerraum erreichte der Zuckerrohranbau im 15. Jahrhundert Madeira, die
Azoren und die Kapverdischen Inseln. Auf seiner zweiten Entdeckungsreise brachte Kolum-
bus 1493 das Zuckerrohr in die Karibik und begründete damit für die nächsten drei Jahrhun-
derte das größte „Welt-Zuckerzentrum“.
Noch bis Anfang des 19. Jahrhunderts blieb Zucker ein Privileg der Reichen. Er war teuer
und durch hohe Zollabgaben belastet. Hauptabnehmer des Luxusproduktes waren die begü-
terten Oberschichten, in deren Küche der Zucker sehr schnell an Beliebtheit gewann. Für die
große Masse der Bevölkerung blieb er unerschwinglich. Der Zucker verlor seine Exklusivität
erst, als die Zuckerrübe in Konkurrenz zum Rohrzucker trat. In der Regierungszeit Friedrichs
des Großen (1740 – 1786) untersuchte Andreas Sigismund Marggraf, Mitglied der Königli-
chen Akademie der Wissenschaften in Berlin, systematisch die Inhaltsstoffe einheimischer
Pflanzen auf ihren Zuckergehalt. 1747 gelang es ihm in der Runkelrübe nicht nur etwas Zu-
ckerähnliches zu finden, sondern einen wahren, vollkommenen Zucker, der dem aus Zucker-
rohr gefertigten Zucker entsprach. Damit entdeckte Marggraf eine Pflanze, aus der sich in
unserem Klima und auf unseren Böden Zucker erzeugen ließ.
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Die Schüler und Nachfolger an der Königlichen Akademie, Franz Carl Achard, wurde mit
50.000 Talern belohnt als er dem Preußenkönig Friedrich Wilhelm III. eine erste Probe sei-
nes „Rübenzuckers“ überreichen konnte. Achard kaufte von dem Geld ein Gut im schlesi-
schen Cunern und errichtete dort 1801 die erste Rübenzuckerfabrik der Welt.
Auf diese weise brach das Monopol des Zuckerrohrs. Jetzt wurde Zucker auch für die einfa-
cheren Menschen erreichbar und ist aus der heutigen Ernährung nicht mehr wegzudenken.
III. Wie kommt der Zucker in die Rübe?
Alle Lebewesen auf der Erde benötigen Energie, die Sonne stellt den wichtigsten Lieferant
dafür dar. Wie jede grüne Pflanze, ist die Zuckerrübe in der Lage, mit Hilfe der Sonnenener-
gie das Wasser des Bodens (H2O) und das Kohlendioxid der Luft (CO2) in Zucker (C6H12O6)
und Sauerstoff (O2) umzuwandeln. Diesen Vorgang nennt man Fotosynthese. Anschließend
wird die Saccharose an die Orte der Pflanze transportiert, an denen Energie benötigt wird
oder im Speicherorgan, in diesem Falle der Rübenkörper, gespeichert.
Quelle: www.ernst-beck.de
Im Inneren der Blattzellen befinden sich die Chloroplasten, die wiederum den Farbstoff
Chlorophyll enthalten. Sie sind photosynthetisch aktiv - quasi die Photosynthesemaschine
der Pflanzenzellen. In Ihnen wird das Sonnenlichtes absorbiert und damit die Energie aufge-
nommen.
Faktoren, von denen die Fotosynthese abhängt:
Licht (Wachstum)
Kohlendioxid (Aufnahme aus der Luft)
Wasser (Aufnahme über Wurzel)
Temperatur (Wachstum)
fruchtbarer Boden (Aufnahme von Mineralstof-
fen / Ionen)
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Quelle: Wikipedia
Fotosynthese
Der Vorgang der Fotosynthese besteht aus einer Lichtreaktion (lichtabhängig) und einer
Dunkelreaktion (lichtunabhängig), die auch als Primär- bzw. Sekundärreaktion bezeichnet
werden. Doch bevor wir nun näher auf die Fotosynthese eingehen, müssen im Vorwege
noch zwei Begriffe erklärt werden:
ATP= Adenosintriphosphat
universelle Form unmittelbar
verfügbarer Energie in jeder
Zelle
wichtiger Regulator energieliefernder
Prozesse
kann aus Energiespeichern
bei Bedarf freigesetzt werden
Quelle: Wikipedia
NADPH= Nicotinsäureamid-
Adenin-Dinukleotid-Phosphat
Koenzym, das an zahlreichen
Redoxreaktionen (Elektronenübertragung)
des Stoffwechsels
der Zelle beteiligt ist
als Lieferant von Elektronen
und Protonen
Quelle: Wikipedia
Pflanzenzelle
Chloroplast
Chlorophyll
(im Chloroplasten)
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Bei der Lichtreaktion wird das aufgenommene Wasser in Protonen (elektrisch positiv gela-
denes Teilchen) und molekularen Sauerstoff gespalten. Für diesen Schritt ist eine hohe Akti-
vierungsenergie notwendig, die Energie des Sonnenlichtes wird daher benötigt. Die Protonen
des Wassers können auf diesem Wege auf das Coenzym NADP (geht Interaktionen mit En-
zymen ein) übertragen werden, so dass NADPH und H+ entstehen. Darüber hinaus wird die
Lichtenergie genutzt, um ATP aufzubauen, das
als gespeicherte Energie in der Zelle zur Verfü-
gung steht.
Anschließend werden die Produkte der Primär-
reaktion, ATP und NADPH, dazu genutzt in der
Dunkelreaktion Kohlenhydrate herzustellen,
d.h. die Bildung organischer Stoffe (hier Sac-
charose) ist nicht auf die Energie des Sonnen-
lichtes angewiesen. Dabei wird ATP verbraucht
und Wasser abgespalten. „Nebenbei“ wird auch
noch Sauerstoff freigesetzt.
Dieser Vorgang erfolgt in drei Schritten und wird auch als Calvin-Zyklus bezeichnet.
Die vereinfachte Fotosynthese-Gleichung lautet:
Sonnenlicht
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Blattgrün
Durch Sonnenlicht entstehen im Blattgrün (Chlorophyll) aus den Ausgangsstoffen Kohlendi-
oxid und Wasser die Endprodukte Traubenzucker und Sauerstoff (Sauerstoff ist eigentlich
nur ein "Abfallprodukt" der Photosynthese; die Pflanze betreibt die Photosynthese nur, um
Traubenzucker zu gewinnen).
Quelle: www.Landschule.de
Die Faktoren, die diesen Prozess beeinflussen, sind die Konzentrationen der Ausgangsstof-
fe, die Qualität und Quantität des Lichtes sowie die Temperatur. Indirekt wird die Photosyn-
theserate auch von weiteren Faktoren beeinflusst wie z.B. dem Salzgehalt des Bodens.
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Quelle: www.soedernet.de
IV. Aussaat, Wachstum und Ernte
Die Zuckerrübe stellt hohe Anforderungen an Boden und Klima. Sie gedeiht am besten auf
tiefgründigen, nährstoffreichen Böden mit guter Wasserversorgung. Warmes Klima mit lan-
ger Sonnenscheindauer fördert das Wachstum.
Aussaat
Quelle: T. Uhrbrook
Die so entstandene Saccharose wird entwe-
der zu den Teilen der Pflanze transportiert,
in denen ein Energiebedarf vorliegt, i.d.R.
sind das die Wachstumszonen. Oder sie
wird direkt zum Speicherorgan befördert, im
Fall der Rübe ist dies der Rübenkörper.
In den Speicherzellen können aus der Sac-
charose andere Kohlenhydrate aufgebaut
werden, beispielsweise wandelt die Kartoffel
den Zucker in Stärke um. Die Zuckerrübe ist
eine der wenigen Pflanzen, die die Saccha-
rose direkt speichern kann.
Die Aussaat erfolgt Ende
März/Anfang April bei ca. 5 °C Bo-
dentemperatur mit einer Einzelkorn-
sämaschine, nachdem der Boden
zuvor ein feines und abgesetztes
Saatbeet bekommen hat (der Was-
seranschluss ist über das Kapilarsy-
tem sichergestellt).Die Rübensamen
werden im Abstand von 20 cm in der
Reihe und mit 45 oder 50 cm Ab-
stand abgelegt. Das sind ca. 100.000
Saatkörner pro Hektar. Bei günstiger
Witterung sprießen schon nach 2
Wochen die ersten Pflänzchen.
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Wachstum und Zuckereinlagerung:
Die Blätter wachsen zuerst schneller als der Rübenkörper. Die Pflanze bildet etwa 60 weit
ausladende Blätter aus mit denen sie das einfallende Sonnenlicht optimal nutzen kann. In
etwa 180 Tagen Wachstum entwickeln die Rüben ein Gewicht von 700 – 1300 Gramm. Hier-
bei ist wichtig, dass in der Hauptwachstumszeit (Juni bis September) die Rübe genügend
Wasser, Nährstoffe und Sonne bekommt. Vor der Ernte sind sonnige Tage sowie kühle
Nächte wichtig, damit nicht zuviel Zucker wieder durch die Pflanze „veratmet“ wird. Im
Schnitt, kann aus 10 Zuckerrüben etwa 1 Kilogramm Zucker gewonnen werden.
In ihrer relativ kurzen Lebensdauer produziert sie nicht nur Zucker, sondern mit Hilfe Ihrer
zahlreichen Blätter auch jede Menge Sauerstoff. Dank der Fotosynthese, entstehen auf ei-
nem Rübenfeld pro Hektar rund 15. Mio. Liter Sauerstoff. Hiervon können ca. 60 Menschen 1
Jahr lang atmen.
Ernte
Im Herbst, ab Mitte September bis Mitte November, wird die Zuckerrübe geerntet. Zu diesem
Zeitpunkt macht der gespeicherte Zucker ca. 16-20% ihres Gewichts aus und bringt einen
Ertrag von 400 – 700 dt/ha. Die Ernte erfolgt mit hochmodernen Rübenvollerntern, die die
Blätter abschneiden (sie werden entweder als Viehfutter oder auf dem Feld als Gründünger
genutzt), die Rübe aus der Erde heben und in einem Sammelbunker ablegen.
Quelle: T. Uhrbrook
Danach werden sie am Feldrand in Rübenmieten zwischengelagert, bis die Lademaus die
Zuckerrübe verlädt (reinigt von anhaftender Erde während des Verladens auf den Transport-
Lkw) und zur Rübenfabrik transportiert. Die Zuckerrübenernte und Rübenverarbeitung nennt
man Kampagne.
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V. Zuckergewinnung
Entladung und Reinigung
Mit der Rübenernte (Kampagne) im September beginnt die Zuckergewinnung. Beim Entla-
den entnimmt man jeder angelieferten Fuhre Proben, die auf den Zuckergehalt, Schmutzpro-
zente, Kalium, Natrium und Amoniumstickstoff untersucht werden( Kalium, Natrium und A-
moniumstickstoffe sollten einen niedrigen Gehalt haben, da sie ein wichtiger Faktor für die
Zuckerausbeute sind). Nach einer gründlichen Wäsche gelangen die Zuckerrüben in die
Fabrik (das Waschwasser wird in einer Abwasseraufbereitung gereinigt und danach erneut
verwendet).
Vorgang der Zuckergewinnung
1.Saftgewinnung
Die Rüben werden zu Schnitzeln zerkleinert und im Brühtrog vorgewärmt. In 70° heißem
Wasser löst sich der Zucker aus den Rübenzellen- es entsteht der braune Rohsaft.
Quelle: Südzucker AG
2. Saftreinigung
Anschließend wird der Rohsaft durch die Trennung von Zucker- und Nichtzuckerstoffen ge-
reinigt. Hierzu werden die natürlichen Stoffe: Kalk und Kohlensäure zugesetzt, um die Nicht-
zuckerstoffe zu binden. Es bleibt ein klarer Dünnsaft mit ca. 16% Zuckergehalt zurück.
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Quelle: Südzucker AG
3. Safteindampfung/-dickung
Der Dünnsaft wird in der Verdampfstation in mehreren Stufen eingedickt, bis ein goldbrauner
Dicksaft mit ca. 67% Zuckergehalt zurückbleibt. Die Verdampfstation ist energiesparend auf-
gebaut. Jeder Verdampfapparat beheizt mit seinem Dampf den jeweiligen nächsten Apparat.
Quelle: Südzucker AG
4. Kristallisation
Der Dicksaft wird gekocht, bis sich goldgelb leuchtende Kristalle bilden, die mit einem Sirup
überzogen sind. Dieser wird durch Zentrifugieren (Trennung von Feststoff und Flüssigkeit
mittels der Fliehkraft) sowie Spülen mit Wasser und Dampf von den Kristallen getrennt.
Durch mehrfache Wiederholung dieser Vorgänge entsteht die Raffinade: weißer Kristallzu-
cker von höchster Reinheit und Qualität.
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Quelle: Südzucker AG
Der fertige Zucker wird getrocknet, gekühlt und über Förderbänder in Zuckersilos gelagert.
Aus den Silos wird der Zucker entnommen und weiterverarbeitet bzw. abgepackt. Knapp
84% des Zuckers landen in der Herstellung von Süßwaren, Getränken, Backwaren etc. der
weiterverarbeitenden Industrie. Die anderen rund 16% werden zu den verschiedenen Sorten
des Haushaltszuckersortiments weiterverarbeitet und abgepackt.
Die Arbeitsbereiche der Zuckerfabrik im Überblick:
Quelle: Südzucker AG
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Alle anfallenden Nebenprodukte werden wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt:
Die gepressten Rübenschnitzel finden ihre Verwendung als Viehfutter. Ferner ist der bei der
Saftgewinnung entstehende Carbokalk ist ein ausgezeichneter Dünger.
Sorten und Formen des Zuckers
Quelle: www.botanischer-garten.uni-erlangen.de
Raffinade/Feinster Zucker
Wie der Name schon sagt ist es die feinste Variante. Er ist schnell löslich und lässt sich spie-
lend leicht verrühren. Feinsten Zucker verwendet man z. B. zum Schlagen von Eiweiß, für
alle feinen Teige, für Süßspeisen und für kalte Getränke. Raffinade bedeutet im Übrigen,
dass ein Verfahren zur Reinigung, Veredlung und/oder Trennung von Rohstoffen eingesetzt
werden.
Brauner Zucker
Brauner Zucker auch Kandisfarin genannt, ist ein feinkörniger Spezialzucker, der aus brau-
nem Kandissirup gewonnen wird. Seine Karamell- und Bräunungsstoffe verstärken das Aro-
ma und verbessern die Bräunung.
Hagelzucker
Hagelzucker ist ein grobkörniger Zucker, dessen Körner aus einer Vielzahl von kleinen zu-
sammengeballten Kristallen bestehen. Er wird hauptsächlich zum Bestreuen von Gebäck
verwendet.
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Puderzucker
Puderzucker wird durch Mahlen der Zuckerkristalle hergestellt. Dieser staubfeine Zucker wird
vor allem zur Herstellung von Glasuren verwendet sowie zum Bestäuben und Dekorieren
von Kuchen und Kleingebäck.
Würfelzucker
Zuckerkristalle werden zu kleinen Quadern gepresst und ist im Kaffee und Tee leicht löslich.
Gelierzucker
Gelierzucker enthält Raffinade, Pektin und Zitronensäure. Gelierzucker 1:1 wird zum Einko-
chen von Konfitüren und Gelees verwendet. Die Gelierzucker 2:1 und 3:1 werden für weniger
süße Fruchtaufstriche genommen.
Weißer Kandis
Zur Herstellung von weißen Kandis werden nur die hochwertigsten Zuckerlösungen verwen-
det. Teekenner bevorzugen weißen Kandis zum Süßen des Tees.
Zuckerhut
Der Zuckerhut wird aus Raffinade in Kegelform gepresst. Heute wird er noch gelegentlich zur
Zubereitung der Feuerzangenbowle verwendet. Dagegen war im 19. und 20. Jahrhundert
sehr populär, konnte jedoch nur mit kleinen “Werkzeugen“ wie Zuckerhammer oder –hacke
portioniert werden.
VI. Gentechnik
Gentechnik allg.
Fast alle Lebewesen dieser Erde sind aus Zellen aufgebaut, der Mensch besteht aus ca. 100
Billionen von ihnen. In jeder dieser Zellen ist das komplette Erbgut in Form von 46 Chromo-
somen gespeichert, das je zur Hälfte vom Vater und von der Mutter vererbt wird. Diese 46
Chromosomen setzen sich aus der Desoxyribonukleinsäure (DNS) zusammen.
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Quelle: wikipedia
Die Basen bilden also quasi ein sehr langes „Wort“ z.B. ATGAAGTTTCAGCGTCCATGG und
codieren so die genetische Information für die Synthese von Proteinen. Dieses Prinzip der
Informationscodierung ist bei den Zellen aller Lebewesen einschließlich des Menschen
gleich und wird deswegen „universeller Code“ genannt.
Der Begriff Gentechnik beschreibt ein Verfahren, bei dem fremde Gene gezielt in einen Gen-
Bestand einer Zelle oder eines Organismus’ eingebracht werden. Nach erfolgreicher Anwen-
dung kommt eine neue, gewollte Genkombination zustande, die der Zelle bzw. dem Orga-
nismus neue Fähigkeiten verleiht.
Gentechnik bei Pflanzen
Schon vor 10.000 Jahren hat der Mensch begonnen, aus Wildformen Kulturpflanzen zu
züchten, um sie seinen Bedürfnissen anzupassen. So sollen die Pflanzen zum Beispiel hö-
here Erträge liefern, qualitativ besser werden (z.B. gesünder und nährstoffreicher) sowie ge-
gen Krankheiten und Schädlinge geschützt sein.
Hierbei sind zwei DNS-Einzelstränge
schraubenartig aneinandergelagert, und
zwar in entgegengesetzter Richtung.
Durch die Aneinanderlagerung stehen sich
in der Mitte der beiden Stränge immer zwei
bestimmte Basen gegenüber, sie sind „ge-
paart“. Es paaren sich immer Adenin und
Thymin, die dabei zwei Wasserstoffbrü-
cken ausbilden, oder Cytosin mit Guanin,
die über drei Wasserstoffbrücken mitein-
ander verbunden sind.
Ein Gen ist ein Abschnitt auf der DNS und
ist bis zu 1000 Basen lang.
Der entscheidende Schritt bei der gentechnischen Veränderung einer Pflanze ist die Gen-
Übertragung: das Einschleusen eines neuen Gens in eine Pflanzenzelle. Oft verwendet man
hierfür das Agrobacterium tumefaciens, einem bodenbürtigen Bakterium, das ein spezielles
Plasmid (tumor-indizierendes Plasmid) in das pflanzliche Genom integriert, wenn es in den
fremden Gen-Bestand eindringt. Plasmide sind kleine, in der Regel ringförmige, dop-
pelsträngige DNS-Moleküle, die in Bakterien vorkommen können, aber nicht zum Bakterien-
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chromosom zählen. Auf diesem Weg werden bei Pflanzen die Bildung von Wurzelhalsgallen
ausgelöst.
Quelle: gensuisse.ch Quelle: gensuisse.ch
Anschließend wird die Bakterienzelle in die Wirtspflanze eingebracht, wo sich das Plasmid in
die DNA der Pflanzenzelle integriert. Aus dieser einzelnen Zelle wird im Anschluss eine kom-
plette neue Pflanze gezogen, in deren Zellen jeweils das fremde Gen enthalten ist und auch
weitervererbt werden kann.
Virusresistente Rübe
Die Wurzelbärtigkeit (Rhizomania) ist eine gefürchtete Krankheit der Zuckerrübe und wird
durch das gleichnamige Rhizomania-Virus verursacht. Die erkrankte Rübe bleibt klein, ihre
Leitungsbahnen verholzen und die Blätter welken trotz ausreichender Bodenfeuchte.
Quelle: www.zuckerruebe.ch
Dieses Phänomen macht man
sich in der Gentechnik zunut-
ze, indem das Ti-Plasmid, das
die Tumorbildung auslöst,
stillgelegt und durch ein ande-
res Plasmid mit Fremdgenen,
mit der gewünschten Eigen-
schaft ersetzt wird.
Darüber hinaus erzeugt sie wenig bis gar keinen
Zucker, so dass Ertragseinbußen bis zu 50%
drohen. Die Gentechnik ermöglicht es eine Zu-
ckerrübe herzustellen, die gegen den Rhizoma-
nia-Virius resistent ist. Hierbei bedient man sich
wieder des Agrobacteriums tumefaciens:
Zunächst wird aus der Zuckerrübe ein Rhizomania-Vrius isoliert und man schneidet aus der
Virus-DNA den Abschnitt heraus, der die kodierte Bauanleitung für die Hülle des Virus trägt
(=Hüllprotein-Gen). Dieses Hüllprotein-Gen wird in das Agrobacterium tumefaciens einge-
schleust und daraufhin werden die Zuckerrübenzellen mit dem Bakterium infiziert. Da das
Bakterium den Bauplan für den Virus trägt, geht die Zuckerrübe davon aus, dass es sich um
den vollwertigen Rhizomania-Virus handelt und reagiert mit einem Schutzmechanismus, da-
mit nicht noch mehr Viren eindringen können: die Pflanze entwickelt eine Resistenz. Diese
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Zuckerrübenzelle wird auf einem Nährboden ausgebracht, aus der sich dann ein Keim entwi-
ckelt. Die daraus wachsende Zuckerrübe liefert wiederum Samen, die die Virus-Resistenz in
sich tragen und von Generation zu Generation weitervererbt wird.
Herbizidresistente Zuckerrübe
Neben dem Virusbefall stellt auch das Unkraut ein Problem für die Landwirtschaft dar. Die
Zuckerrübe ist im Vergleich weniger konkurrenzfähig gegenüber Unkräutern. Die Unkräuter
werden der Nutzpflanze in dem Sinne „gefährlich“, dass sie ihr wichtige Nährstoffe, Wasser,
Licht sowie Platz zum Wachsen nehmen. Weiterhin erhöht sich auch der Arbeitsaufwand bei
der Ernte, da die Rübe erst von dem Unkraut gereinigt werden muss. Um den Ertragseinbu-
ßen entgegenzuwirken, werden in der Landwirtschaft Unkrautvernichtungsmittel (Herbizide)
eingesetzt.
Ein vielverwendetes Herbizid in Verbindung mit Zuckerrüben ist das Roundup, dessen Wirk-
stoff (Glyphosat) für fast alle Pflanzenarten toxisch ist. Glyphosat hemmt das Enzym EPSPS,
wodurch lebenswichtige Aminosäuren durch die Pflanze nicht hergestellt werden können.
Gelangt es auf die Pflanze, stellt sie ihr Wachstum ein und stirbt ab. Da Roundup nicht selek-
tiv wirkt, kann es demnach nicht unterscheiden, ob es sich um ein Unkraut oder eine Rübe
handelt. Daher ist es notwendig die Nutzpflanze gegen das Herbizid zu immunisieren. Kon-
kret bedeutet das, dass in Gebieten in denen Roundup als Herbizid direkt im Bestand einge-
setzt wird, auch roundup-resistente Zuckerrüben angebaut werden müssen.
Die genetische Veränderung beruht in der Toleranz der Rübe gegen den Wirkstoff Glyphosat
des Roundup. Das Agrobacterium sp. besitzt ein Gen, welches das Enzym EPSPS von Na-
tur aus herstellt, genauer gesagt CP4-EPSPS, und ist somit gegen das Glyphosat resistent
ist. Analog zum Verfahren bei den virusresistenten Rüben, wird auch in diesem Falle das
tumor-induzierende Gen des Agrobacterium tumefaciens entfernt und durch das Gen, wel-
ches das Enzym CP4-EPSPS herstellt, ersetzt. Die Zuckerrübenzellen werden nun wieder
mit dem Bakterium infiziert. Die „neue“ Zuckerrübe ist in der Lage das CP4-EPSPS zu pro-
duzieren und bildet somit eine Resistenz gegen das Glyphosat aus. Folglich kann diese Rü-
be ohne Probleme mit Roundup behandelt werden, die Unkräuter daneben gehen zugrunde.
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Genehmigungsverfahren für die Freisetzung von Pflanzen
Quelle: www.mpiz-koeln.mpg.de
Ebenso eingebunden sind das Umweltbundesamt und die Biologische Bundesanstalt für
Land- und Forstwirtschaft, die den Freisetzungsantrags prüfen. Weitere Fachbehörden sind
die Zentrale Kommission für Biologische Sicherheit , die zuständige Landesbehörde Gefähr-
dungen der Umwelt sowie die EU-Kommission und die EU-Mitgliedstaaten.
VII. Bioethanol – Der Kraftstoff aus der Zuckerrübe
Fossile Brennstoffe wie Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl, sind vor Jahrmillio-
nen durch die Zersetzung abgestorbener Pflanzen und Tiere unter dem Druck darüber lie-
gender Gesteinsschichten entstanden. Die Nutzung von Fossilen Brennstoffen ist jedoch
durch ihre Energiereserven begrenzt. Daher müssen Überlegungen angestellt werden wie
diese Brennstoffe sinnvoll ersetzt werden können, um den Energiebedarf für die Zukunft zu
decken. Hierfür bietet die Landwirtschaft vielseitige Möglichkeiten für erneuerbare Energien
an. Eine davon ist die Zuckerrübe. Sie liefert Bioethanol- getreu dem Motto: Energy-farming
("Energie wächst auf dem Feld").
Die Herstellung, Freisetzung
(Freilandversuch zu Forschungs-
zwecken) sowie das Inver-
kehrbringen gentechnisch verän-
derter Organismen wird in
Deutschland durch das Gentech-
nikgesetz geregelt. Zuständig für
die Genehmigung von Freiland-
versuchen mit gentechnisch ver-
änderten Pflanzen ist das Robert-
Koch-Institut in Berlin.
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Die Bundesrepublik Deutschland hat sich im Kyoto-Protokoll (Protokoll zum Klimaschutz)
verpflichtet, die Emissionen aus Treibhausgasen bis 2012, im Vergleich zu 1990, um 21% zu
reduzieren (siehe Abbildung). Dieses Ziel soll unter anderem mit der Verwendung von alter-
nativen Brennstoffen wie Bioethanol umgesetzt werden. Damit der Absatz von Biokraftstoffen
auch sichergestellt wird, wurde 2007 in Deutschland ein Beimischungszwang für Treibstoffe
festgelegt.
Quelle: KWS Saat AG
Was genau ist Bioethanol?
Bioethanol ist aus landwirtschaftlich angebauten Pflanzen hergestellter Alkohol (synonyme:
Ethanol, Spiritus, Weingeist). Es kann grundsätzlich aus allen Rohstoffen hergestellt werden
die Zucker oder Stärke enthalten. In Europa wird Bioethanol hauptsächlich aus Rübenzucker
oder Getreidestärke gewonnen.
Industrielle Herstellung von Bioethanol
In der Zuckerfabrik können zuckerhaltige Säfte in unterschiedlichen Prozessschritten zur
Ethanol-Produktion abgezogen werden.
Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von Dicksaft oder auch Melasse. Wichtig ist, dass
alle Rüben, egal ob sie zur Zucker- oder zur Ethanol-Produktion bestimmt sind, einen Groß-
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teil des Produktionsprozesses der Zuckerfabrik durchlaufen müssen. Der Zucker aus Roh-
oder Dicksaft, stellt eine ideale Nahrungsgrundlage für die Hefen dar, die den Zucker zu Al-
kohol vergären.
Quelle: KWS Saat AG
Zunächst wird der Dicksaft (oder der Rohsaft) aus der Zuckerfabrik mit Bierhefen versetzt.
Diese können durch die alkoholische Vergärung den Zucker der Rübe direkt in Alkohol um-
wandeln. In der sich anschließenden Destillation, wird der Alkohol von der restlichen Flüssig-
keit getrennt. Abschließenden wird der Alkohol mit Hilfe der Rektifikation (Verfahren zum
Auftrennen eines Vielstoffgemisches) und Dehydrierung (Abspaltung von Wasserstoff aus
organischen Molekülen) auf einen Prozentsatz von nahezu 100% aufkonzentriert.
Alkohol-Gehalte in den einzelnen Prozessschritten:
Fermentation: 12-14 Vol. % Alc. (technische Bioreaktion, bei der
Materialien mit Hilfe von Bakteri-
en-, Pilz- oder Zellkulturen oder
Enzymen umgesetzt werden)
Destillation: 82-87 Vol. % Alc. (thermisches Trennverfahren,
Rektifikation: > 96 Vol. % Alc. (s.o.)
um ein flüssiges Gemisch ver-
schiedener Stoffe zu trennen; z.B.
Brennen von Alkoholen)
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Absolutierung >99,7 Vol. % Alc. (absolute Reinigung eines
Quelle: FNR 2003
Lösungsmittels auf 100 % Gehalt)
Als Nebenprodukt der Ethanolgewinnung fällt Vinasse an. Hierbei handelt es sich um den
entzuckerten Dicksaft, dem Ethanol entzogen wurde. Dieser wird anschließend in der Tierer-
nährung zur Optimierung von Mischfuttern eingesetzt. Weiterhin ist auch der Einsatz als Kali-
Dünger möglich, da es reich an Kalium und organisch gebundenen Stickstoff ist. Es können
somit alle Ressourcen der Zuckerrübe voll genutzt werden.
In Deutschland gibt es seit 2007 in Klein Wanzleben/Nähe Magdeburg ein Werk, das speziell
zur Ethanolgewinnung in Betrieb genommen wurde (www.fuel21.de).
Erwartungen an die Verwendung von Bioethanol:
-Klimaschutz
→ Kyoto-Protokoll = CO2-Reduktion (Verkehrswesen verursacht höchste CO2-Emission)
-Versorgungssicherheit
→ mehr (Energie)Unabhängigkeit von Öl- und Ergasimporten
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-Einkommensalternativen für heimische Wirtschaft
→ Arbeitsplätze im ländlichen Raum
→ Entlastung der Agrarmärkte
→ Alternativeinkommen für Landwirte (aber Flächenkonkurrenz mit Nahrungsmittelprodukti-
on)
Umweltvorteile auf einen Blick
Bioethanol ist inzwischen eine wichtige Größe in der Energieversorgung der USA, Südame-
rika (Zuckerrohr) und der Europäischen Union (Zuckerrüben) und damit in den größten Wirt-
schaftszonen der Welt. Voraussichtlich werden die großen Automobilhersteller immer weiter
kompatible Motoren mit „Klimagedanken“ entwickeln. Schon jetzt gibt es „Flex-Fuel-Autos“,
die mit E-85, einem Treibstoff mit 85% Anteil Bioethanol, fahren können.
Quelle: Institut für Weltwirtschaft, Kiel 2006
Das Ersetzen von Benzin durch Bioethanol, kann die Emissionen von Gasen reduzieren,
die zum sogenannten Treibhauseffekt beitragen. Die Hauptursache des vom Menschen
verursachten Treibhauseffekt liegt in der Freisetzung von Kohlendioxid (CO2). Die CO2-
Bilanz kann sich, im Vergleich zum Benzinbetrieb, um bis zu 80% verbessern. Als Zahlen-
beispiel dargestellt bedeutet das, dass die Beimischung von 5% Bioethanol zum Benzin, den
CO2-Ausstoß unterm Strich um rund 4,5% reduziert kann(www.fuel21.de). Zuvor wurde CO2
bereits durch die angebauten Pflanzen gebunden.
Aus einem Hektar Zuckerrüben können rund 4,7 Tonnen Bioethanol produziert werden. Das
ist die Menge, mit der ein Flex-Fuel-Auto rund 93.500 Kilometer fahren kann, also mehr als
zweimal um die Welt!
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In Deutschland wird nur Bioethanol aus nachhaltiger Erzeugung verwendet, d.h. dass aus-
schließlich ökologisch unbedenkliche und sozial verträgliche Produktionsverfahren zum Ein-
satz kommen.
Verwendung des Bioethanols
1. Verwendung als Additiv ETBE
Die synthetisch hergestellte Verbindung ETBE (Ethyl-Teritär-Butyl-Ether) verbessert die
Klopffestigkeit von Brennstoffen. Eine gute Klopffestigkeit fördert gleichmäßig rundes und
ruhiges Laufen der Motoren, sowie die optimale Verbrennung des Kraftstoffes. Ferner ersetzt
es das bisher verwendete MTBE (Methyl-Tertiär-Butyl-Ether), dessen mögliche Wirkung auf
die Umwelt und die Gesundheit zum Handeln anregte. ETBE besteht zu 45% aus Ethanol
und ist als Additiv (Zusatzstoff, der Produkten in geringen Mengen zugesetzt wird, um be-
stimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessernbis zu 10% in Ottokraftstoffen enthal-
ten.
2. Direkte Beimischung zu Ottokraftstoffen
Ethanol kann fossilen Brennstoffen in unterschiedlichen Anteilen von 5% (E 5, d.h. direkte
Beimischung, welches von den aktuellen Ottomotoren ohne Umrüstung verbrannt werden
kann) bis 85% (E 85) beigemischt werden. Flex-Fuel-Motoren können sowohl mit E-8 als
auch mit normalem Benzin fahren. Die Technik ist heute schon verfügbar und findet in Brasi-
lien sowie Schweden weite Verbreitung.
Derzeit gängig ist eine Beimischung von 5% (E-5). In Zukunft sind sogar E-10 Beimischung
denkbar- die deutsche Automobilindustrie hat sich dafür ausgesprochen.
Auch die langfristigen Perspektiven für Ethanol sind hervorragend. Für Brennstoffzellen, den
Energieaggregaten der Zukunft, kann Ethanol als Wasserstoffträger und damit als Brennzel-
len-Treibstoff dienen. Bei einem Blick in die Zukunft, wird Bioethanol, als Kraftstoffversor-
gung der großen automobilen Länder, vermutlich nicht mehr wegzudenken sein!
Was bedeutet Zucker für unsere Zukunft, Umwelt und unser Klima?
Das absehbare Ende der Erdölvorräte verändert in geradezu atemberaubendem Tempo die
Strategien der Energiegewinnung. Die Frage, welchen Stellenwert aus Pflanzen gewonnener
Treibstoff in der neuen Energiepolitik spielen kann und soll, ist eine der umstrittensten Fra-
gen, auch innerhalb der Umweltbewegung. Viele sehen in den Agrotreibstoffen eine Chance
für Landwirtschaft und Klimastrategien. Allem voran hat der Zucker, ein Produkt das in Form
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von Zuckerrüben und Zuckerrohr in vielen Regionen der Erde (z.B. in Asien, Australien, Bra-
silien und Europa) angebaut wird, einen immer höheren Stellenwert in der Gewinnung von
Biobrennstoffen bekommen: „Bioethanol als Alternative für fossile Brennstoffe.“
Neben der gesetzlich geregelte Beimischung von Bioethanol in Benzin, fördert die Entwick-
lung der Flex-Fuel-Motoren, die in beliebiger Mischung mit Benzin und Alkohol betankt wer-
den können, seit 2003 den Anbau von Zuckerrüben und Zuckerrohr.
Während in Europa der Anbau von Zuckerrüben, auch für die Ethanolgewinnung, über Lie-
ferkontingente geregelt ist und daher beschränkt, wird sie in Brasilien als neue Möglichkeit
gesehen, die Abhängigkeit von Ölimporten zu verringern.
Doch um den hohen Treibstoffbedarf zu decken werden größere Anbauflächen benötigt. In
Brasilien wurden daher die Anbauflächen für Zuckerrohr auf 6 Mio. Hektar erhöht. Das er-
scheint als eine riesige Fläche, ist aber im Vergleich zu anderen landwirtschaftlichen Anbau-
flächen (Soja 22 Mio. Hektar, 34 Mio. Hektar gehen in andere landwirtschaftliche Produkte)
eher gering. Der größte Flächenverbrauch geht in die Weidewirtschaft für die Viehhaltung mit
etwa 200 Mio. Hektar.
Für die Forscher des Interdisziplinären Instituts für Energieplanung (NIPE) der Universität
von Caminas, ist eine Ausweitung der Zuckerproduktion auf 30 Mio. Hektar bis 2025 möglich
und realistisch. Ausgehend von der heutigen Produktivität und der Tatsache, dass die Hälfte
der Zuckerrohrproduktion zu Alkohol verarbeitet wird, ergäbe dies eine Produktion von 100
Mrd. Liter Ethanol pro Jahr. Die Menge ließe sich durch Produktionssteigerungen leicht er-
höhen. Damit hätte Brasilien das Potenzial, 10% des weltweit verbrauchten Benzins durch
Alkohol zu ersetzen.
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Literatur:
Was ist Was: Landwirtschaft
Quellenverzeichnis:
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2004
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aid: Zucker, Sirupe, Honig, Zuckeraustauschstoffe und Süßstoffe; Bonn, 2007
Internet:
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Wirtschaftliche Vereinigung Zucker: von der Rübe zum Zucker;
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Was genau ist das?; http://www.bmelv.de/cln_044/nn_750598/DE/04-
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