Weltweit werden jedes Jahr etwa 10 Millionen Tonnen Kaffeesatz produziert. Seit einigen Jahren wird ein erheblicher Teil dieser Abfälle zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.
Inhaltsverzeichnis
Kaffee in Biokraftstoffe verwandeln
Biokraftstoffe werden derzeit hauptsächlich aus Zuckerrohr, Mais und Palmöl hergestellt. Die zuckerhaltigen Pflanzen werden zur Herstellung von Ethanol verwendet, während Palmöl in Biodiesel umgewandelt wird. Der Anbau dieser Pflanzen zur Verwendung als Brennstoff führt jedoch zu Problemen bei der Abholzung von Wäldern und der Nutzung von Ressourcen wie Land und Öl.
Kaffeesatz ist aufgrund seines hohen Heizwerts eine gute Alternative für die Verwendung als Brennstoff. Recycelter Kaffee wird bereits zur Herstellung von Holzscheiten und in einigen Möbelmaterialien verwendet.
Die Forschung hat kürzlich mehrere Möglichkeiten gefunden, Kaffeeabfälle in Materialien zur Wasserreinigung und Kohlenstoffbindung umzuwandeln.
Kaffeeöl-Extraktion
Die bekannte Methode zur Umwandlung von Kaffeeabfällen in Biodiesel umfasst zwei Schritte.
- Der erste Schritt besteht darin, die Öle aus dem Kaffeesatz zu extrahieren. Dazu wird der Inhalt des Kaffeesatzes mit einem Hexan-Lösungsmittel vermischt und das Gemisch anschließend 1 bis 2 Stunden lang bei 69 °C gekocht, um die Öle zu extrahieren. Das Hexan muss verdampft werden, wobei die Öle im Brunnen zurückbleiben.
- Im zweiten Schritt werden Methanol und ein Biodieselkatalysator hinzugefügt. Das ebenfalls als Nebenprodukt anfallende Glycerin muss vom Biodiesel getrennt werden.
Ein Team von Chemieingenieuren und Umweltwissenschaftlern an der Universität Lancaster im Vereinigten Königreich hat das lösungsmittelbasierte Ölgewinnungsverfahren vereinfacht. Sie mischten Methanabfälle und einen Katalysator, um Biodiesel direkt herzustellen. Der Schlüssel dazu war die Verwendung der richtigen Konzentration von Natriumhydroxid und die Anpassung des Methan-Öl-Verhältnisses während der Produktion.
Dadurch wurde der Prozess optimiert und die gleiche Menge Öl wie bei der vorherigen Methode in nur 10 Minuten aus dem Kaffee extrahiert. Dies reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für diesen wichtigen Prozess.
Wie viel Biodiesel könnte gewonnen werden?
Nach Angaben von Anthropocene könnten mit dieser Methode rund 800.000 Tonnen dieses Biokraftstoffs, d. h. mehr als 286 Millionen Gallonen, pro Jahr erzeugt werden. Dies ist eindeutig der Fall, wenn der gesamte Kaffeesatz bei der Sammlung und Verarbeitung ordnungsgemäß wiederverwendet wurde. Leider wird der meiste einfach weggeworfen.
Biodiesel, Bioethanol und Bio-Öle
Nach Angaben von Chemistry for Life ist Biodiesel ein wachsender Markt. Schätzungen zufolge hat die weltweite Biodieselproduktion bis 2010 die Marke von 3 Milliarden Gallonen erreicht.
Durch die Extraktion des Öls aus dem Kaffeesatz erhält man etwa 150 Gramm pro Kilogramm trockenen Kaffeesatz. Die UJA weist darauf hin, dass die gleichen Böden auch Zucker enthalten können, wie der aus geröstetem Kaffee gewonnene, aus dem durch Fermentation Bioethanol entsteht.
Öle können auch durch Verfahren wie die Pyrolyse bei niedriger, langsamer Temperatur gewonnen werden.
Der Rest des Abfalls wird zur Herstellung von Pellets verwendet. Diese werden aus dem entfetteten und ungesüßten Bodensatz gewonnen, der wie Holz zu Scheiten gepresst werden kann, um als Brennstoff in Biomassekesseln verwendet zu werden, was die kostengünstigste Art der Trocknung ist.
Um die Informationen zu verstehen, müssen Sie diese Begriffe oder Schlüsselwörter berücksichtigen:
- Mj/kg: Megajoule Energie, die zur Herstellung eines Kilogramms eines Produkts benötigt wird.
- tCO2: in Tonnen Kohlendioxid, die durch die für die Herstellung eines Kilogramms eines Produkts benötigte Energie entstehen.
- Ethanol: Der so genannte Ethylalkohol, eine organische Verbindung aus der Familie der Alkohole, ist eine klare, farblose Flüssigkeit und der Hauptbestandteil von alkoholischen Getränken.
- Ethan: Ein farbloses, geruchloses Gas, das unter normalen Bedingungen brennbar ist und in der Atmosphäre in sehr geringen Konzentrationen vorkommt.
- Methan: Es ist ein farbloses, brennbares Gas, das in normaler Umgebung ungiftig ist. Es entsteht bei der Zersetzung von organischem Material. Feuchtgebiete, Tiere und Energie sind die Hauptquellen für Emissionen in die Atmosphäre.
- Biodiesel: Ist ein flüssiger Biokraftstoff, der aus Pflanzenölen und tierischen Fetten hergestellt wird.
- Heizwert: Er bezeichnet die Wärmemenge, die pro Kilogramm oder Kubikmeter eines Stoffes erzeugt wird, wenn dieser bei der Verwendung vollständig oxidiert wird.
Kaffeebrei
Das erste Abfallprodukt, das bei der Verarbeitung von Kaffeefrüchten anfällt, ist die Kaffeemasse (das die Bohnen umhüllende Fruchtfleisch), die etwa 44 % des Gewichts der frischen Früchte ausmacht (auf feuchter Basis). Für jede Million 60-kg-Säcke Kaffeebohnen fallen mehr als 162.000 Tonnen frischer Zellstoff an, der bei unsachgemäßer Verwendung eine Verschmutzung verursacht, die der eines Jahres an Ausscheidungen und Urin einer Bevölkerung von mehr als 868.000 Menschen entspricht.
Verwendung als Brennstoff
Für Kaffeebrei wird ein Heizwert von 15,88 Mj/kg Trockenbrei und ein Verbrauch bei der mechanischen Trocknung von 36,92 Mj angegeben, wobei die Energiebilanz des Prozesses negativ ist, da für jede bei der Trocknung des Breis eingesetzte Energieeinheit 0,43 Einheiten bei der Verbrennung des Trockenprodukts erzeugt wurden.
Produktion von Biogas
Biogas ist ein Gemisch, das hauptsächlich aus Methan mit einem Anteil zwischen 50 und 80 % und Kohlendioxid mit geringen Mengen an Wasserdampf, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Sauerstoff und anderen organischen Verbindungen besteht.
Es kann als Biokraftstoff in gasbefeuerten Verbrennungsanlagen oder für die Stromerzeugung durch Gasturbinen oder Gaskraftwerke verwendet werden. Die Cenicafé-Forschung berichtet von einer Ausbeute von 25 Litern Biogas pro 1 kg frischem Zellstoff, der den Fermentern zugeführt wird.
Der Heizwert des Biogases mit einem Methangehalt von 60 % beträgt 21,46 kg/l.
Herstellung von Bioethanol
Bioethanol wird aus der Fermentation von Zuckermedien gewonnen. Nach der Fermentation werden etwa 10-15 % durch Destillation konzentriert, um den so genannten “hydrierten Alkohol” (mit 4-5 % Wasser in der Struktur) oder sogar absoluten Alkohol zu erhalten.
Letzteres ist notwendig, wenn der Alkohol in Benzinmischungen für konventionelle Fahrzeuge verwendet werden soll.
Bei der alkoholischen Gärung werden durchschnittlich 1,2 Liter Ethylalkohol 85° gewonnen, was 500 Litern Ethanol pro 1.000 Arrobas getrockneten Pergamentkaffees entspricht.
Kaffee-Schleim
Kaffeeschleim entsteht bei der Verarbeitung des Kaffees und macht im feuchten Zustand etwa 15 % des Gewichts der getrockneten Frucht aus.
Auf ein Kilogramm unsortierten Kirschkaffees entfallen 91 Milliliter fermentierter Schleim.
Für jede Million 60-Kilogramm-Säcke fallen etwa 55.500 Tonnen frischer Schleim an, der bei unsachgemäßer Verwendung eine Verschmutzung verursacht, die dem Urin- und Fäkalienäquivalent einer Bevölkerung von 310.000 Menschen entspricht.
Produktion von Biogas
Bei der anaeroben Zersetzung des Schleims entspricht eine Produktion von 287 Litern Methan pro Kilogramm CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) im Fermentationsprozess bei 36°C 336 Litern Methan pro 1 Kilogramm entferntem CSB.
Herstellung von Bioethanol
Bei Untersuchungen zur alkoholischen Gärung wurde festgestellt, dass aus 1 kg frischem Schleim durchschnittlich 58,37 ml Ethanol gewonnen wurden.
Ethanolproduktion
In einem Artikel mit dem Titel wird die Ethanolproduktion aus frischem Fruchtfleisch und frischem Schleim dargestellt, d.h. das Bioethanol, das pro Million Säcke Rohkaffee gewonnen wird.
- Die erzeugten Tonnen Frischzellstoff betrugen rund 162.000 Tonnen, was etwa 25 Litern Ethanol pro Kaffeeabfall-Nebenprodukt entspricht und mehr als 1 Million Gallonen Ethanol ergibt.
- Von frischem Schleim wurden etwa 55 500 Tonnen erzeugt, was etwa 58,5 Liter Ethanol pro Kaffeeabfall ergibt, was mehr als 855 000 Gallonen Ethanol ergibt.
Kaffeefrucht
Es handelt sich um das Endokarp der Frucht, das aus der Schale, dem so genannten Cisco, und dem Silberfilm besteht und ein Nebenprodukt mit sehr guten Brennstoffeigenschaften ist.
Verwendung als Brennstoff
Der Cisco macht 4,2 % des Gewichts der frischen Frucht aus, für dieses Nebenprodukt wird ein Kaloriengehalt von 17,90 Mj/Kg angegeben.
Kaffeesatz
Auch bekannt als Cuncho oder Kaffeeabfall nach der Verwendung in Aufgüssen, entspricht er den gerösteten Kaffeebohnen, die etwa 10 % des Gewichts des frischen Produkts ausmachen.
Verwendung als Brennstoff
In den Fabriken, die den Kaffee nach dem Trocknen und Pressen in einer Größenordnung von 8 % bis 15 % löslich machen, werden diese Abfälle als Brennstoff in den Kesseln verwendet, die Dampf erzeugen.
Produktion von Biogas
Die Biogasproduktion mit einem Methangehalt zwischen 52 % und 62 % wird mit 250 bis 300 Litern flüchtiger Feststoffe aus dem Kaffeestängel angegeben, der mehr als 99 % der Trockenmasse ausmacht.
Herstellung von Bioethanol
Es wird beschrieben, dass aus 57 Gramm Zellulose aus Kaffeeschalen bis zu 28 Gramm Ethanol gewonnen werden können. Darüber hinaus wird beschrieben, dass der durchschnittliche Zellulosegehalt der Schale etwa 34 % beträgt, wobei schätzungsweise bis zu 207,5 Milliliter Ethanol pro Kilogramm trockener Schale gewonnen werden können.
Herstellung von Biodiesel
Biodiesel kann durch Veresterung von Ölen tierischen oder pflanzlichen Ursprungs unter Verwendung von Methanol oder Ethanol gewonnen werden, um Dieselkraftstoff zu ersetzen.
Zur Herstellung von Ölen, ab 9 % Fettstoffen aus getrocknetem Kaffeesatz. Die verschiedenen Sorten enthalten zwischen 6 und 17 % Öl.
Die Umwandlung dieser Öle in 100%igen Biodiesel ist gewährleistet.
Kaffee-Stängel
Die Kaffeestängel werden von den Erzeugern zum Kochen und Trocknen der Kaffeebohnen verwendet und tragen so zur Erhaltung der einheimischen Wälder bei.
Nach Angaben des Nationalen Verbandes der Kaffeeanbauer Kolumbiens werden zur Erhaltung einer produktiven Kaffeekultur Erneuerungszyklen von Kaffeebäumen gefördert, wobei eine durchschnittliche Dichte von 5.000 Bäumen pro Hektar erreicht wird.
Die Forscher berichten von einer trockenen Holzerneuerung von 16 Tonnen pro Hektar bei den oben erwähnten 5.000 Bäumen pro Hektar, was eine durchschnittliche Produktion von 0,6 Kilogramm Stängel pro 1 Kilogramm verarbeiteten Kirschkaffee ergibt.
Herstellung von Bioethanol
Es ist möglich, Bioethanol aus den Zellfasern von Kaffeestämmen zu gewinnen.
Kaffeestängel und verdorbener Kaffee
Dabei handelt es sich um Rückstände, die beim Dreschen anfallen, darunter unvollkommene Bohnen, gespaltene Kerne und kleine Früchte, die die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Bohnen aufweisen.
Aus den Ripios können auch Kaffeegetränke hergestellt werden, die jedoch von geringer Qualität sind.
Bei der Verwendung als Brennstoff haben die Rückstände einen Heizwert von 15,60 Mj/kg, wenn sie als festen Brennstoff verwendet werden.
Für die Biodieselproduktion
Es wird beschrieben, dass mit diesem Nebenprodukt zwischen 70 und 150 Kilogramm Öl pro 1 Tonne Kaffee gewonnen wurden.
Schlussfolgerung
Man kann sagen, dass alle Kaffee-Nebenprodukte oder Abfälle zu 100 % verwendet werden können und zwar nicht nur bei der Herstellung von Biokraftstoffen, sondern auch in anderen Bereichen wie der Botanik oder bei der Hauptproduktion von Kaffeebohnen, z. B. beim Rösten von Kaffeebohnen.