BMP von Zuckerrohr-Vinasse: F/M-Verhältnis, Streuung der Ergebnisse und Erkenntnisse aus der Übersichtsarbeit von 2023

Vinasse aus Zuckerrohr – der flüssige Rückstand der Ethanoldestillation – gehört zu den reichhaltigsten Biogassubstraten Brasiliens, und die Ergebnisse von BMP-Tests (biochemical methane potential) hängen bei ihr stark von den Messbedingungen ab, insbesondere vom Verhältnis von Substrat zu Inokulum (F/M). Eine im Brazilian Journal of Chemical Engineering 2022 veröffentlichte Untersuchung erreichte nach Optimierung des F/M-Verhältnisses einen Umwandlungswirkungsgrad zu Methan von 95 ± 2,55 % des theoretischen BMP (bei F/M 1,34–1,42 g SCOD je g VSS), die Autoren raten jedoch davon ab, ein einheitliches Standard-F/M für Vinasse festzulegen.

Was in der Untersuchung gemacht wurde

Die Arbeit betrifft Vinasse gemischter Herkunft. Die Autoren optimierten das F/M-Verhältnis, also das Verhältnis der Substratmenge (umgerechnet auf organische Substanz) zur Menge der mikrobiellen Biomasse im Inokulum. Ein zu hohes F/M-Verhältnis droht Überlastung und Hemmung des Prozesses (Versauerung, Akkumulation flüchtiger Fettsäuren), ein zu niedriges verfälscht das Ergebnis nach unten durch Überschuss an Inokulum und Messschwierigkeiten.

Warum das F/M-Verhältnis nicht standardisiert werden sollte

Die Schlussfolgerung der Autoren ist wichtig: Die Zusammensetzung von Vinasse ändert sich je nach Rohstoff, Destillationsprozess und Jahreszeit, daher funktioniert ein einziges F/M-Verhältnis nicht für alle Proben. In der Laborpraxis bedeutet das die Notwendigkeit von Vorversuchen, die das F/M-Verhältnis für die konkrete Probe auswählen, und seiner Beschreibung im Bericht, damit sich Ergebnisse aus verschiedenen Laboren vergleichen lassen.

Wertebereich aus der Übersichtsarbeit

Die im April 2023 in Fermentation veröffentlichte Übersichtsarbeit gibt an, dass das Methanpotenzial von Vinasse im Bereich von 215–324 L CH₄ je Kilogramm organischer Substanz liegt, und stellt fest, dass die Einführung der Technologie in Brasilien begrenzt ist. Die Spanne von 215–324 zeigt, wie groß die Bedeutung der Versuchsbedingungen und der Probenzusammensetzung ist.

Die Einheitenfalle

Die BMP-Ergebnisse von Vinasse werden in der Literatur auf verschiedene Weise angegeben: in Litern CH₄ je Gramm oTS, je Gramm abgebauten CSB, je Tonne Frischmasse. Beispielsweise nennt die kinetische Untersuchung von Zuckerrohrabfällen (Vinasse, Filterkuchen, Bagasse, Stroh), veröffentlicht in Int. J. Mol. Sci., Methanausbeuten von 5 bis 181 Nm³ je Tonne Frischmasse, bei sehr unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien. Der Vergleich von Zahlen ohne Zurückführung auf eine gemeinsame Einheit führt zu falschen Schlüssen.

Wie die Streuung zu interpretieren ist

Die Streuung wird beeinflusst von: der Zusammensetzung der Vinasse (Gehalt an organischer Substanz und CSB), pH-Wert, Vorhandensein von Sulfaten und Kalium, Testtemperatur, Aktivität und Anpassung des Inokulums, Testdauer und Methode der Gasmessung. Für neue Projekte sollte man sich daher auf Messungen eigener Proben stützen und Literaturwerte als Orientierungsbereich behandeln.

Vinasse als Substrat

Laut der Übersichtsarbeit aus Fermentation entsteht Vinasse bei der Ethanolproduktion in einer Menge in der Größenordnung von 360 Mrd. Litern, hat einen mittleren CSB von etwa 46.000 mg/L und enthält noch etwa 11 % der ursprünglichen Energie des Zuckerrohrsafts, allerdings in verdünnter Form. Sie wird üblicherweise als Dünger verwertet (Fertigation) oder verworfen, und die anaerobe Vergärung ist eine Technologie, die nach Angaben der Autoren in der Vergangenheit nur von etwa 3 % der brasilianischen Bioethanolanlagen genutzt wurde, wobei die meisten sie wieder aufgegeben haben. Die Ergebnisse aus Int. J. Mol. Sci. weisen darauf hin, dass wegen des niedrigen Trockensubstanzgehalts von Vinasse für sie Systeme mit Immobilisierung der Biomasse empfohlen werden und der Filterkuchen die Biogaserzeugung aus Vinasse außerhalb der Zuckerkampagne ergänzen kann.

Gute Praxis der Berichterstattung

• das F/M-Verhältnis (umgerechnet auf oTS) und die Art seiner Bestimmung angeben,
• Herkunft und Anpassung des Inokulums sowie seine Aktivität beschreiben (Kontrollprobe mit Zellulose oder einem anderen Referenzsubstrat),
• Temperatur, Testdauer und Zahl der Wiederholungen sowie Blindproben angeben,
• die Art der Normierung des Gasvolumens festlegen (Nm³ oder NmL unter Normbedingungen),
• die Einheit des Ergebnisses eindeutig kennzeichnen (je g oTS, je g CSB, je Tonne Frischmasse).

Vom BMP zum Projekt

Der BMP ist das maximale Potenzial unter Laborbedingungen, und die tatsächliche Produktion im Reaktor hängt von Verweilzeit, Belastung, Temperatur und Hemmung ab. Daher dient der BMP-Wert Vergleichen und ersten Bilanzen, und für die Auslegung einer Anlage sind zusätzliche kontinuierliche Tests oder Pilotversuche erforderlich. Für Vinasse, deren Zusammensetzung sich in der Saison ändert, sollte man Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten der Kampagne einplanen.

Was das für Polen und Europa bedeutet

Die methodische Lehre ist universell: Selbst bei einem einzelnen Substrat wie Vinasse hängen die BMP-Ergebnisse von F/M-Verhältnis, Inokulum und Einheiten ab. Für polnische Labore ist das ein Argument für die Anwendung empfohlener Protokolle (z. B. VDI 4630) und die Berichterstattung über die vollständigen Versuchsbedingungen, um den Vergleich von Daten aus verschiedenen Ländern zu erleichtern.