Entwicklung eines Verfahrens zur Nutzung von Abfallstoffen aus der Kaffeeproduktion für die Herstellung eines neuartigen Biokraftstoffes

Biogene Abfälle, die ohnehin anfallen und entsorgt werden müssen, eignen sich als klimaschonende Rohstoffe zur stofflichen Verwertung, aber auch zur Energieerzeugung. Der hohe technische Standard in Deutschland befähigt die Betriebe dazu, die anfallenden Abfälle effizient zu verwerten und hat Deutschland in diesem Bereich eine Vorreiterrolle eingebracht. Dagegen verfügen viele Entwicklungs- und Schwellenländer nicht über Know-How und Strukturen, um das Potenzial solcher Abfallbiomassen angemessen zu nutzen. Deutschland kann hier eine Vorbildfunktion einnehmen und diese Länder bei der Entwicklung geeigneter Lösungswege für die Verwertung von Abfall- und Reststoffen unterstützen.

Einen solchen wertvollen Abfallstoff stellt Kaffeesatz dar, der auf Grund des hohen Ölgehalts erhebliches energetisches Potenzial beinhaltet. Zwar ist der Teil des Kaffeesatzes, der in Privathaushalten anfällt, kaum wirtschaftlich zu nutzen, da eine Separatsammlung unter realistischem Aufwand nicht möglich ist. Aber ein erheblicher Teil des Abfalls fällt zentral an: hier sind vor allem die Industriebetriebe zur Herstellung von löslichem Kaffee (auch Instantkaffee oder Extraktkaffee genannt) zu nennen. In Deutschland beträgt der Konsum-Anteil an löslichem Kaffee nur 11 %, aber weltweit stammt im Schnitt jede vierte Tasse aus der löslichen Kaffee-Herstellung.

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Abb. 1: Aus den Kaffeesatzproben wurden Öle extrahiert und analysiert

Zielsetzung und Vorgehen

Ziel des Projektes war es, für die in Brasilien zentral anfallenden Kaffeesatz-Mengen eine Nutzungsstrategie zu entwickeln und zu prüfen, ob es Alternativen zur derzeit praktizierten Verwertung gibt, die in einer reinen Verbrennung des Kaffeesatzes besteht. Insbesondere sollte untersucht werden, ob eine Verarbeitung zu Biodiesel möglich, unter Umweltgesichtspunkten sinnvoll sowie ökonomisch interessant sein kann. Die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf wurde dabei von den Projektpartnern DEK, Deutsche Extrakt Kaffee, die ein führender Produzent von löslichen Kaffee-Produkten in Europa ist und den beiden brasilianischen Hochschulen, der Santa Catarina West University (UNOESC) und der State University of Feira de Santana, unterstützt.

Für die Machbarkeitsstudie wurden die großen Brasilianischen Industriebetriebe zur Herstellung von löslichem Kaffee um Ihre Mitarbeit gebeten, um eine umfassende und aktuelle Datengrundlage für die Bewertung der Situation und die Entwicklung möglicher Strategien zu erhalten. Die Player dieses komplexen Marktes konnten über die brasilianischen Projektpartner erfasst und kontaktiert werden. Es stellte sich heraus, dass ein Großteil der betreffenden Firmen zwar mit löslichem Kaffee handelt bzw. diesen vermarktet, aber insgesamt nur sechs brasilianische Betriebe existieren, die den löslichen Kaffee selbst produzieren. Vier dieser Betriebe beantworteten den von der HSWT erarbeiteten Fragebogen und stellten Kaffeesatz-Proben für die Laboruntersuchungen zur Verfügung. Die vier teilnehmenden Industriebetriebe repräsentieren etwa 67 % der Produktion des löslichen Kaffees in Brasilien, wodurch es möglich erscheint, aus den erfassten Daten auf den gesamt-brasilianischen Markt hochzurechnen.

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Abb. 2: Mögliche Verwertungspfade zur energetischen Nutzung von Kaffeesatz (nach Kondamudi et al., 2008)

Quantität und Qualität des Kaffeeöls

Vor allem der hohe Ölanteil macht Kaffeesatz zu einem energetisch interessanten Abfallstoff. Es gibt bereits zahlreiche Untersuchungen zu Ölmengen im Kaffeesatz herkömmlich zubereiteten Kaffees: dieser ist vor allem abhängig von der verwendeten Kaffeebohne und beträgt etwa 100 – 200 g pro kg Trockensubstanz (TS). Die im Zuge des Projekts extrahierten Kaffeesatz-Proben aus Brasilien erreichten dagegen Ölgehalte bis zu über 300 g/kg TS. Auch hier bestätigte sich, dass Kaffeesatz aus reinen Arabica-Bohnen deutlich höhere Werte erzielt als reiner Robusta-Bohnen-Kaffeesatz. Damit liegen die Ölgehalte im Kaffeesatz aus der löslichen Kaffeeproduktion um etwa 50 % über denen der herkömmlichen Kaffeezubereitung.

Diese überraschend hohen Werte lassen sich schlüssig erklären, wenn man die Art der Kaffeezubereitung vergleicht: bei der herkömmlichen Zubereitung wird nur ein kleiner Teil der gerösteten und gemahlenen Kaffeebohne im Wasser gelöst. Über 90 % des Kaffeepulvers, darunter das Kaffeeöl, landet im Kaffeesatz. Im Unterschied dazu wird bei der Produktion des löslichen Kaffees, der über eine aufwendige und energieintensive Extraktion in Perkolatoren erfolgt, fast die Hälfte der gemahlenen Kaffeebohne in Lösung gebracht. Die zurückbleibende Menge an Kaffeesatz ist demnach deutlich geringer, enthält aber immer noch die gleiche Ölmenge, woraus sich eine höhere Konzentration ergibt. Kaffeesatz aus brasilianischen Industriebetrieben zur Produktion von löslichem Kaffee hat somit auf Grund seiner hohen prozentualen Ölgehalte gute Voraussetzungen für eine effiziente und kostengünstige energetische Nutzung.

Die Qualität der gewonnenen Ölproben war hingegen in einigen Punkten nicht zufriedenstellend. Insbesondere die Oxidationsstabilität, die fast ausnahmslos unter einer Stunde lag und der Anteil an freien Fettsäuren, bei dem Werte zwischen 10 % und 38 % gemessen wurden sowie vergleichsweise hohe Werte an Calcium und Schwefel können die internationalen Vorgaben, wie sie zum Beispiel für Rapsöl als Treibstoff im DIN Standard 51605 (2010) festgelegt sind, nicht erfüllen. Das macht eine Nutzung des Kaffeeöls für Biodiesel ohne vorangehende Reinigungs- und Aufbereitungsschritte unmöglich. Allerdings sind die entsprechenden Aufbereitungsverfahren Stand der Technik und werden bei anderen Ölen pflanzlicher Herkunft bereits erfolgreich angewandt. Dies bedeutet, dass bei einer Biodieselproduktion aus Kaffeeöl zusätzliche Investitionen für die Raffination nötig sind. Zudem ist es möglich, wie es bei Sojaöl und Palmöl praktiziert wird, Biodiesel aus Mischungen verschiedener biogener Öle zu vermarkten oder fossilem Biodiesel beizumengen.

Nutzungskonzept für Kaffeeöl und Extraktionsreste

Auch die nun fettfreien Extraktionsrückstände des Kaffeesatzes wurden in die Überlegungen des Gesamtkonzepts zur energetischen Nutzung einbezogen. Batchversuche zum Potenzial als Monosubstrat bei einer anaeroben Vergärung ergaben mit durchschnittlich nur 114 Normlitern Biogas pro kg organische Trockensubstanz keine befriedigende Ausbeute. Die kalorimetrischen Messungen für die bei der Ölextraktion ohnehin getrockneten Rückstände ergaben dagegen Brennwerte von 20 MJ/kg, so dass eine direkte Verbrennung sinnvoll erscheint. Die Nutzung im energieintensiven Produktionsprozess des löslichen Kaffees bietet sich auch in logistischer und verfahrenstechnischer Hinsicht weiterhin an.

Die Ergebnisse der Umfrage zeigten, dass die entsprechenden Industriebetriebe einer Verbesserung des Abfallmanagementsystems aufgeschlossen gegenüberstehen. Anhand der angegebenen Kaffeeproduktionsmengen und dem Anteil der verwendeten Bohnensorten (es werden überwiegend Robusta-Bohnen eingesetzt), errechnet sich für die Reststoffe der Brasilianischen löslichen Kaffeeproduktion ein jährliches Biodiesel-Potenzial von 8,8 Mio Liter. Verglichen mit der konventionellen Biodieselproduktion aus Rapssaat in Deutschland, handelt es sich dabei um kleine Mengen, was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Produktionsanlagen auswirken dürfte.

Die Umweltbelastungen von Biodiesel aus Kaffeesatz fallen im Vergleich zu Biodiesel aus landwirtschaftlicher Produktion (z. B. Raps, Soja, Palmöl) jedoch deutlich geringer aus. Das liegt vor allem daran, dass einem Abfallprodukt in der Regel keine Belastungen aus der Produktion zugeordnet werden.

Abstract

Kaffeesatz, der bei der Produktion von löslichem Kaffee in Brasilien zentral in größeren Mengen anfällt, enthält mit 200 bis 300 g pro kg Trockensubstanz einen deutlich höheren Anteil an Kaffeeöl als Kaffeesatz, der bei der herkömmlichen Zubereitung von Kaffeegetränken entsteht. Damit ist die Extraktion im Vergleich effizienter und kostengünstiger zu bewerkstelligen. Allerdings zeigte die Analyse des Kaffeeöls, dass eine umfangreiche Reinigung und Aufbereitung des extrahierten Öls nötig ist, um die für die Herstellung von Biodiesel nötige Qualität zu erreichen. Das bedeutet zusätzliche Investitionen für die Raffination. Gleichzeitig sind aber die pro Betrieb erzielbaren Ölmengen deutlich kleiner als die in konventionellen Biodiesel-Produktionsstätten zum Einsatz kommenden Rohölmengen, was sich auf die Wirtschaftlichkeit einer möglichen Biodiesel-Produktion nachteilig auswirkt. Die Umweltbelastungen von Biodiesel aus Kaffeesatz fallen im Vergleich zu fossilem Treibstoff, aber auch zu Biodiesel aus landwirtschaftlicher Produktion deutlich geringer aus. Positiv erscheint außerdem, dass die anfallenden Extraktionsreste als vielseitig einsetzbares und energiereiches Substrat und somit für die weitere umweltfreundliche Energieerzeugung zur Verfügung stehen. Somit ist die Produktion von Biodiesel eine interessante Alternative zur bisherigen zum Teil wenig effizienten reinen Verbrennung des Kaffeesatzes. Die Verfeuerung der trockenen Extraktionsreste mit einem Brennwert von 20 MJ/kg im energieintensiven Herstellungsprozess des löslichen Kaffees erscheint sinnvoll.

Projektleitung

Prof. Dr. Oliver Falk (Koordination)
T +49 8161 71-6442
oliver.falk [at]hswt.de Mail

Projektbearbeitung


Manuela Stöberl

Projektmitwirkung extern

Dr. Hartmut Balzer
Deutsche Extrakt Kaffee GmbH Link



Projektdauer

01.11.2012 - 30.06.2013

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung