Vinasse und Filterkuchen: warum brasilianische Zuckerfabriken Biogas mit der Düngung der Felder verbinden

Vinasse und Filterkuchen sind zwei Abfallströme der brasilianischen Zucker- und Ethanolindustrie, die traditionell als Dünger auf die Zuckerrohrfelder zurückkehren und heute zunehmend auch als Biogassubstrat dienen. Die anaerobe Vergärung gewinnt aus ihnen einen Teil der Energie in Form von Methan zurück, und die Düngerbestandteile, vor allem Kalium, Stickstoff und Phosphor, verbleiben zu einem großen Teil im Gärrest und können weiterhin auf dem Feld ausgebracht werden.

Woher diese Materialien stammen

Vinasse (portugiesisch vinhaça) ist der flüssige Rückstand der Destillation der Gärmaische und fällt in vielfach größerer Menge an als Ethanol – laut einer Arbeit im Brazilian Journal of Microbiology entfallen auf einen Liter Ethanol aus Zuckerrohr 8–18 Liter Vinasse, die die Destillationskolonne mit einer Temperatur von rund 90 °C verlässt, einen pH-Wert von 3–4 hat und zu 94–97 % aus Wasser besteht. Filterkuchen (torta de filtro) ist der feste Schlamm aus der Filtration des Zuckerrohrsafts. Weitere Ströme sind Bagasse (faserige Rückstände nach dem Auspressen des Safts) und Stroh, die hauptsächlich energetisch oder als Hilfssubstrat verwendet werden.

Traditionell: Fertigation

In Brasilien wird Vinasse als Flüssigdünger (fertirrigação) auf den Zuckerrohrfeldern ausgebracht, was den Pflanzen Kalium und andere Nährstoffe sowie Wasser zuführt. Diese Praxis hat jedoch Grenzen: Große Volumina sind im Transport teuer, und eine übermäßige Anwendung kann zur Versalzung des Bodens oder zum Eindringen von Nährstoffen in Gewässer führen.

Was Biogas hinzufügt

Die anaerobe Vergärung ermöglicht es, einen Teil der in der Vinasse enthaltenen organischen Substanz in Biogas umzuwandeln. Labor- und Pilotuntersuchungen zeigen unterschiedliche Ausbeuten: In einer Studie zu Zuckerrohrabfällen (Vinasse, Filterkuchen, Bagasse, Stroh) schwankten die Methanausbeuten von 5 bis 181 Nm³ pro Tonne Frischmasse, und in UASB-Reaktoren mit Vinasse lagen die höchsten Ausbeuten bei 0,181 und 0,185 L CH₄ pro Gramm entferntem CSB. Die Unterschiede ergeben sich aus den unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien und der Prozessführung.

Gärrest: was sich ändert

Die Vergärung entfernt weder Kalium noch die meisten Mineralstoffe und wandelt organischen Stickstoff teilweise in für die Pflanzen besser verfügbare Formen um. Dadurch bleibt Gärrest mit Fertigationsfähigkeit wertvoll. Hinzu kommen eine geringere Geruchsbelästigung und eine niedrigere organische Fracht, die auf das Feld gelangt. Auch der Charakter des Materials ändert sich: Gärrest erfordert ein Management des pH-Werts und Lagerung, und seine Dosierung muss an den Pflanzenbedarf angepasst werden, damit die empfohlenen Kaliummengen nicht überschritten werden.

Industrielles Beispiel

Raízen nahm 2020 in Guariba (SP) am Werk Bonfim ein Biogaskraftwerk mit einer Leistung von 21 MW in Betrieb, das mit Vinasse und Filterkuchen betrieben wird.

Wie die Verdünnung gelöst wird

Vinasse hat eine geringe Trockensubstanzkonzentration, daher müssen die Reaktoren groß sein, und die organische Fracht muss auf ein geeignetes Volumen verteilt werden. Eingesetzt werden Reaktoren mit hoher Fähigkeit zur Biomasserückhaltung, wie UASB, mit denen sich Flüssigkeiten mit niedrigem Feststoffgehalt bei kurzer Verweilzeit verarbeiten lassen. Filterkuchen als Feststoff erfordert einen anderen Ansatz: Mischen oder Kofermentation mit einer Flüssigkeit, um Probleme beim Pumpen zu vermeiden.

Nährstoffbilanz

Bei der Planung der Gärrestverwertung ist zu berücksichtigen, dass das Kalium vollständig im Material verbleibt. Die Dosis richtet sich nach dem Kaliumgehalt der Vinasse und dem Pflanzenbedarf und nicht nach dem Stickstoffgehalt. Daher sollte der Düngeplan auf chemischen Analysen des Gärrests beruhen, die wegen der Variabilität des Rohstoffs regelmäßig durchzuführen sind.

Rolle in der Zuckerrohrkampagne

Die meisten Werke arbeiten saisonal, daher muss eine Biogasanlage bei einer Zuckerfabrik so ausgelegt sein, dass sie mit Stillstandszeiten zurechtkommt: Entweder lagert sie Vinasse, verarbeitet andere Substrate oder nimmt Stillstände in Kauf. Davon hängen die Wirtschaftlichkeit der Investition und die Auslastung der Kapazität ab.

In der Praxis bedeutet dies, dass vorab geklärt werden muss, was außerhalb der Kampagne mit der Vinasse geschieht: ob sie in Behältern gelagert wird oder direkt auf das Feld gelangt und ob die Biogasanlage über zusätzliche Substrate verfügt (z. B. Abfälle aus Brennereien oder andere landwirtschaftliche Ströme), die es ermöglichen, die Gasproduktion das ganze Jahr über aufrechtzuerhalten. Dies hat unmittelbaren Einfluss auf die Dimensionierung des Reaktors und der Lagerbehälter.

Herausforderungen

• Saisonalität — die Verarbeitung des Zuckerrohrs dauert nur einen Teil des Jahres, daher sind die Vinasselieferungen ungleichmäßig.
• Große Volumina und niedrige Konzentration — erfordern große Reaktoren oder Eindickung.
• Sulfate — Vinasse enthält Schwefelverbindungen, die den Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas erhöhen.
• Gärrestlogistik — die Düngung muss den Umweltanforderungen entsprechen.

Was das für Polen und Europa bedeutet

In Polen sind analoge Ströme die Brennereischlempe und die Rübenpressschnitzel aus Zuckerrüben. Die brasilianischen Erfahrungen zeigen, dass die verarbeitende Industrie die Biogaserzeugung mit dem Kreislauf der Düngerbestandteile verbinden kann, wenn das System sowohl die Anlage als auch einen agronomischen Plan für den Gärrest umfasst.