In Deutschland werden jährlich große Mengen an Reststoffen der Obst- und Gemüseindustrie als Futtermittel, Dünger oder Substrat für Biogasanlagen entsorgt. Viele dieser pflanzlichen Reststoffe enthalten jedoch wertvolle Inhaltsstoffe, die sich an die kosmetische und pharmazeutische Industrie vermarkten lassen können. Im Forschungsprojekt „Byproval“ hat die PFI Biotechnologie zusammen mit dem belgischen Forschungsinstitut Celabor die Reststoffe der Erbsenverarbeitung (Stängel, Blätter, Hülsen), Apfeltrester und Karotten anhand verschiedener Bewertungskriterien aus einer Vielzahl möglicher Kandidaten zur näheren Untersuchung ausgewählt. Sie enthalten wertvolle Inhaltsstoffe mit gesundheitsfördernden Eigenschaften. Diese Substanzen sollten vor der energetischen Nutzung in der Biogasanlage extrahiert werden, um dann vermarktet werden zu können.
Substrate sind silierbar
Die Forscher konnten zeigen, dass alle drei Substrate silierbar sind. Während die Milchsäuregärung bei Erbsenresten und Karotten dominierte, fand bei Apfeltrester hauptsächlich eine alkoholische Gärung statt. Bezogen auf die Konservierung liefern alle drei Substrate zufriedenstellende Ergebnisse. Im Hinblick auf das Extraktionsverfahren und die substratspezifischen Zielsubstanzen zeigte sich ein differenziertes Bild. So war bei den Karotten im Zuge der Silierung ein starker Abbau der wichtigsten Zielsubstanzen Lutein und ß-Caroten feststellbar (etwa 90 Prozent). Somit ist bei dieser Biomassefraktion die Extraktion der Pflanzeninhaltsstoffe vor einer möglichen Silierung zwingend erforderlich.
Im Hinblick auf die vorgesehene kombinierte stoffliche und energetische Nutzung der Reststofffraktionen erfolgten parallel zu den Extraktionsversuchen umfangreiche Experimente zum Biogaspotential der Einsatzstoffe. Neben zahlreichen statischen Fermentationstests verschiedener Fraktionen stand hierbei ein Langzeittest mit Erbsenresten nach erfolgter Extraktion im Fokus. Im Rahmen eines mehrmonatigen kontinuierlichen Fermentationstests wurden die Extraktionsreste in einer Ko-Fermentation mit Mais getestet.
Die Ergebnisse des Langzeitversuches konnten die Eignung der Reststoffe als Ko-Substrat für eine Biogasproduktion eindeutig bestätigen. Der Versuchsreaktor zeigte eine konstante Gasproduktion bei hoher Prozessstabilität und die Gaserträge lagen nur geringfügig unterhalb des Referenzreaktors.
Extraktionsmethode entwickelt
Auf Grundlage der ermittelten spezifischen Biogaserträge und der Trockensubstanzgehalte der Extraktionsreste können ca. 2,5 Tonnen des Materials rund 1 Tonne Mais-Fütterungssubstrat für eine Biogasanlage ersetzen.
Mit dem Ziel der Entwicklung und Optimierung des Extraktionsverfahrens hat der Projektpartner Celabor im Labormaßstab eine ASE-Methode (Accelerated Solvent Extraction) ohne Einsatz giftiger organischer Lösungsmittel erarbeitet.
Auf der Grundlage der unter praxisnahen Bedingungen ermittelten Ergebnisse und der technischen Rahmenparameter erfolgte abschließend die Erstellung eines Technologiekonzeptes für die Implementierung des Verfahrens einschließlich einer vorläufigen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Die in den Fallstudien an Standorten in Deutschland und Belgien ermittelten Daten wurden hierbei einbezogen und ebenso die an Biogasanlagen bereits vorhandene Infrastruktur sowie verfügbare thermische Energie berücksichtigt.
Die anschließende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Berücksichtigung der geschätzten Investitions-, Energie- und Betriebskosten ergab spezifische Kosten für Quercitin-Extrakte in einer Bandbreite von 6 bis 18 €/kg. Die relativ große Spannbreite resultiert aus variierenden Extraktmengen, die maßgeblich von Qualität und Lagerbedingungen des Ausgangsmaterials abhängen, sowie von unterschiedlichen technischen und infrastrukturellen Voraussetzungen der betrachteten Standorte.
Die Forschungspartner PFI und Celabor prüfen derzeit in Kooperation mit interessierten Unternehmen die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung und zeitnahen praktischen Umsetzung.