Vinasse en filterkoek: waarom Braziliaanse suikerfabrieken biogas combineren met veldbemesting

Vinasse en filterkoek zijn twee afvalstromen uit de Braziliaanse suiker- en ethanolindustrie, die traditioneel als meststof terugkeren naar de suikerrietvelden, maar steeds vaker ook als biogassubstraat worden gebruikt. Anaerobe vergisting wint hieruit een deel van de energie terug in de vorm van methaan, terwijl de meststoffen, met name kalium, stikstof en fosfor, grotendeels in het digestaat behouden blijven en nog steeds op het veld kunnen worden toegepast.

Waar komen deze materialen vandaan

Vinasse (in het Portugees vinhaça) is het vloeibare residu na de destillatie van de fermentatiebrij en wordt in veel grotere hoeveelheden geproduceerd dan ethanol – volgens een publicatie in het Brazilian Journal of Microbiology komt er op elke liter ethanol uit suikerriet 8 tot 18 liter vinasse, die de destillatiekolom verlaat bij een temperatuur van ongeveer 90 °C, een pH van 3–4 heeft en voor 94–97% uit water bestaat. Filterkoek (torta de filtro) is het vaste residu dat overblijft na de filtratie van het suikersap. Bijkomende stromen zijn bagasse (vezelige resten na het persen van het sap) en stro, die voornamelijk energetisch worden gebruikt of als hulpgrondstof dienen.

Traditioneel: fertirrigatie

In Brazilië wordt vinasse op de suikerrietvelden verspreid als vloeibare meststof (fertirrigação), wat de planten van kalium en andere voedingsstoffen voorziet, evenals water. Deze praktijk kent echter beperkingen: grote volumes zijn kostbaar in transport en overmatig gebruik kan leiden tot verzilting van de bodem of uitspoeling van voedingsstoffen naar het water.

Wat biogas toevoegt

Anaerobe vergisting maakt het mogelijk om een deel van de in vinasse aanwezige organische stof om te zetten in biogas. Laboratorium- en proefopstellingen tonen uiteenlopende opbrengsten: in een onderzoek naar suikerrietafval (vinasse, filterkoek, bagasse, stro) varieerden de methaanopbrengsten van 5 tot 181 Nm³ per ton verse massa, en in UASB-reactoren op vinasse werden de hoogste opbrengsten bereikt van 0,181 en 0,185 L CH₄ per gram verwijderd CZV. De verschillen komen voort uit uiteenlopende materiaaleigenschappen en procesvoering.

Digestaat: wat verandert er

Vergisting verwijdert kalium en de meeste minerale bestanddelen niet, en zet organische stikstof gedeeltelijk om in voor planten beter beschikbare vormen. Hierdoor blijft het digestaat met fertirrigatiecapaciteit waardevol. Daarnaast vermindert de geurhinder en wordt de organische belasting die op het veld terechtkomt, verlaagd. Ook verandert de aard van het materiaal: het digestaat vereist pH-beheer en opslag, en de dosering moet worden afgestemd op de behoeften van de gewassen, zodat de aanbevolen hoeveelheden kalium niet worden overschreden.

Industrieel voorbeeld

Raízen heeft in 2020 in Guariba (SP), bij de fabriek Bonfim, een biogasinstallatie met een vermogen van 21 MW in gebruik genomen, gevoed met vinasse en filterkoek.

Hoe wordt verdunning opgelost

Vinasse heeft een lage concentratie droge stof, waardoor de reactoren groot moeten zijn en de organische belasting over een passend volume moet worden verdeeld. Er worden reactoren met een hoge biomassa-retentiecapaciteit gebruikt, zoals UASB-reactoren, die vloeistoffen met een laag gehalte aan vaste delen kunnen verwerken bij een korte verblijftijd. Filterkoek, als vast materiaal, vereist een andere aanpak: menging of covergisting met vloeistof om problemen met het pompen te voorkomen.

Balans van voedingsstoffen

Bij het ontwerp van de verwerking van digestaat moet er rekening mee worden gehouden dat kalium volledig in het materiaal blijft. De dosering wordt bepaald op basis van het kaliumgehalte in de vinasse en de behoeften van de gewassen, niet op basis van het stikstofgehalte. Daarom moet het bemestingsplan gebaseerd zijn op chemische analyses van het digestaat, die regelmatig worden uitgevoerd vanwege de variabiliteit van de grondstof.

Rol tijdens het suikerrietseizoen

De meeste fabrieken werken seizoensgebonden, dus een biogasinstallatie bij een suikerfabriek moet zo ontworpen zijn dat deze om kan gaan met perioden van stilstand: ofwel wordt de vinasse opgeslagen, ofwel worden andere substraten verwerkt, ofwel worden stilstanden geaccepteerd. Hiervan hangt de rendabiliteit van de investering en het benutten van de capaciteit af.

In de praktijk betekent dit dat vooraf moet worden afgesproken wat er buiten het seizoen met de vinasse gebeurt: of deze in tanks wordt opgeslagen, of direct naar het veld gaat, en of de biogasinstallatie over aanvullende substraten beschikt (bijvoorbeeld afval uit distilleerderijen of andere agrarische stromen) die de gasproductie het hele jaar door kunnen handhaven. Dit heeft een directe invloed op de keuze van de grootte van de reactor en de opslagtanks.

Uitdagingen

• Seizoensgebondenheid — de verwerking van suikerriet vindt slechts een deel van het jaar plaats, waardoor de aanvoer van vinasse ongelijkmatig is.
• Grote volumes en lage concentratie — vereisen grote reactoren of indikking.
• Sulfaten — vinasse bevat zwavelverbindingen, wat het waterstofsulfidegehalte in het biogas verhoogt.
• Logistiek van digestaat — bemesting moet voldoen aan milieuvoorschriften.

Wat dit betekent voor Polen en Europa

In Polen zijn vergelijkbare stromen onder andere draf uit distilleerderijen en bietenpulp uit suikerfabrieken. De Braziliaanse ervaringen laten zien dat de verwerkende industrie biogasproductie kan combineren met de kringloop van meststoffen, mits het systeem zowel de installatie als een agronomisch plan voor het digestaat omvat.