Bioethanol kann aus verschiedenen pflanzlichen Rohstoffen erzeugt werden. Die Herstellung kann auf stärkehaltigen (z.B. Getreide, Kartoffeln, Mais) als auch auf zuckerhaltigen (z.B. Zuckerrübe, Zuckerrohr) Pflanzen sowie zellulosehaltiger Biomasse basieren. Die Verfahrenstechnik für Bioethanol aus zellulosehaltigen Rohstoffen befindet sich allerdings noch in der Entwicklungsphase. Deutsche Bioethanolproduzenten nutzen hauptsächlich Getreide und Zuckerrüben.

Bioethanol entsteht durch alkoholische Gärung (Fermentation) der in den Pflanzen enthaltenen Zucker. Für stärke- und zuckerhaltige Rohstoffe unterscheidet sich der Produktionsprozess zu Beginn. Eine Mühle zerkleinert zunächst das stärkehaltige Getreide. Die chemische Umwandlung von Stärke in Zucker gelingt damit im nächsten Schritt leichter: Die zerkleinerten Rohstoffe werden beim Maischen unter Zugabe von Wasser und Verzuckerungsenzymen erhitzt. Die zuckerhaltige Maische kann nun unter Zugabe von Hefe im Fermenter der Bioethanolanlage vergoren werden.

Bei der Herstellung von Zucker fallen zuckerhaltige Säfte an. Diese können für die Bioethanolproduktion direkt im Fermenter der Bioethanolanlage vergoren werden. Bei dem Gärprozess wird der Zucker in Ethanol (C₂H₅OH), einen Alkohol, umgewandelt. Im Anschluss werden durch Destillation ein Bioethanol-Wasser-Gemisch sowie ein vom Alkohol befreiter Rückstand voneinander getrennt. Um das Bioethanol als Kraftstoff einsetzen zu können, wird ein Reinheitsgrad von über 99 Prozent benötigt. Durch die Abtrennung des Wassers kann die gewünschte Kraftstoffqualität erreicht werden. In einem thermischen Trennverfahren wird das schneller in Gasform übergehende Bioethanol durch Verdampfung vom Wasser getrennt. Bioethanol verdampft deutlich unter 100° Celsius, während Wasser bei diesem Temperaturniveau im Entwässerungsbehälter zurückbleibt. Anschließend kondensiert der Ethanoldampf. Durch einen letzten chemischen Reinigungsschritt erreicht das Bioethanol einen Reinheitsgrad von über 99 Prozent. So aufbereitet, kann Bioethanol dann als fünf- (E5) oder zehnprozentige (E10) Beimischung zu Benzin angeboten werden. In dafür geeigneten Fahrzeugen kann es aber auch als E85-Kraftstoff eingesetzt werden, d.h. das Kraftstoffgemisch besteht zu 85 Prozent aus Bioethanol und 15 Prozent fossilem Ottokraftstoff.

Der bei der Destillation verbliebene Rückstand, auch Schlempe genannt, ist ein nährstoffreiches Koppelprodukt und kann weiter verwendet werden. Wird Schlempe entwässert, getrocknet und pelletiert, kann sie als hochwertiges Futtermittel genutzt werden. Alternativ kann die Schlempe auch im Fermenter einer Biogasanlage vergoren werden. Das dabei entstehende Biogas lässt sich durch Verbrennen in einem Blockheizkraftwerk in Strom und Wärme umwandeln oder zu Biomethan aufbereiten, das ins Erdgasnetz eingespeist wird.

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