Neue Technologien ermöglichen die Extraktion des in gebrauchtem Kaffeesatz enthaltenen 90%-Öls und die Herstellung eines umweltfreundlichen Biodieselkraftstoffs.

• Gebrauchter Kaffeesatz enthält Öle, die als Rohstoff für die Biodieselproduktion verwendet werden können.

• Das einstündige Verfahren ermöglichte die Gewinnung des größten Teils des verfügbaren Öls mit weitaus weniger Verunreinigungen als die Standardlabormethode.

• Die übrigen Pflanzenfasern blieben weitgehend intakt, sodass sie zur Herstellung anderer Brennstoffe und nützlicher Chemikalien verwendet werden konnten.

Kaffeesatz enthält mehr Energie, als man aufgrund seiner Abfallentsorgung vermuten würde. Reich an Ölen und Pflanzenfasern, kann dieser Abfall zur Biodieselherstellung genutzt werden und liefert gleichzeitig wertvolle Rohstoffe für andere Kraftstoffe und Chemikalien.

Ein Forscherteam der Universität Rovira i Virgili führte ein Experiment durch, um Öl schnell und schonend von der restlichen Biomasse zu trennen. Sie identifizierten moderate Bedingungen, die es ihnen ermöglichten, einen größeren Anteil des Öls mit weniger Verunreinigungen als mit der Standardlabormethode zu gewinnen.

Kaffeesatz wird in großem Umfang produziert. Die weltweite Kaffeebohnenproduktion erreicht jährlich etwa 10 Millionen Tonnen. Nur etwa 101 Tonnen Kaffeekirschen landen im Kaffee, der Rest wird zu einem festen Rückstand. Jährlich fallen über 6 Millionen Tonnen Kaffeesatz an.

Dieser Abfall enthält etwa 151 µg Lipide (Fette). Er enthält außerdem Cellulose, Hemicellulose und Lignin, die zur Herstellung anderer Produkte genutzt werden können. Diese Kombination macht den Abfall für Bioraffinerien attraktiv, da diese aus einem einzigen Rohstoff mehrere Produkte herstellen können.

Den optimalen Extraktionsmodus finden

Ein Forscherteam der Richter-Universität (URV) untersuchte Temperatur, Extraktionszeit und das Verhältnis von Lösungsmittel zu Trockenpulver. Die Forscher verwendeten n-Hexan, ein gängiges Lösungsmittel zur Fettextraktion, in 27 Kombinationen. Jeder Test wurde wiederholt, sodass insgesamt 54 Messungen durchgeführt wurden.

Aus der Universitätsmensa wurden getrocknete Kaffeesatzproben entnommen, die geröstete Arabica-Bohnen (Coffea arabica) enthielten. Das Material wurde getrocknet, auf eine Partikelgröße von unter 500 Mikrometern gesiebt und für die Analyse vorbereitet.

«Wir haben festgestellt, dass optimale Bedingungen bei 45 °C für 60 Minuten und einem Verhältnis von 35 Millilitern Hexan pro Gramm Trockenrückstand erreicht werden», erklärte Magdalena Constanti, eine der Autorinnen der Studie.

Unter diesen Bedingungen ermöglichte das Batch-Verfahren die Gewinnung von ca. 901 TP3 T Öl aus der Soxhlet-Extraktion. Die Soxhlet-Methode gilt als Referenzverfahren, da sie hohe und reproduzierbare Ausbeuten liefert. Sie erfordert jedoch einen kontinuierlichen Lösungsmittelrückfluss, lange Prozesszeiten und einen hohen Energieverbrauch.

Die optimierte Methode lieferte innerhalb einer Stunde Ergebnisse. Die Soxhlet-Extraktion dauerte 24 Stunden und ergab eine Rohölausbeute von 16,61 t/3 Tonnen bezogen auf das Trockengewicht des Getreides.

Die Temperatur hatte den größten Einfluss auf die Produktausbeute. Mit steigender Prozesstemperatur von 25 °C auf 45 °C erhöhte sich die Ausbeute. Je wärmer das Lösungsmittel war, desto geringer war seine Viskosität und desto leichter konnten die Ölmoleküle durch das poröse Kaffeematerial wandern.

Eine Temperatur nahe dem Siedepunkt von Hexan (68,7 °C) führte jedoch nicht zu einer Verbesserung der Ergebnisse. Die Produktausbeute sank, insbesondere bei 90-minütigen Zyklen. Das Team führte diesen Rückgang auf eine zunehmende Diskrepanz zwischen dem Lösungsmittel und den ätherischen Kaffeeölen zurück.

Eine Temperaturerhöhung bedeutet nicht zwangsläufig eine Erhöhung der Ölmenge.

Der zeitliche Verlauf war ähnlich. Die Erholung verbesserte sich bis zu 60 Minuten lang, stabilisierte sich dann oder verlangsamte sich leicht. Das System erreichte offenbar innerhalb der ersten Stunde ein Gleichgewicht.

Das Lösungsmittelverhältnis hatte ebenfalls seine Grenzen. Zu wenig Hexan führte schnell zur Sättigung, während zu viel kein ausreichendes Wachstum ermöglichte. Ein Verhältnis von 35 Millilitern pro Gramm erwies sich als optimal.

Die Ölqualität unterschied das optimierte Verfahren deutlich vom Referenzverfahren. Nur 0,31 % des Extrakts bestanden aus Verunreinigungen, die nicht in Fettsäuremethylester umgewandelt worden waren. Der mittels Soxhlet-Extraktion gewonnene Extrakt enthielt 3,91 % des Extrakts.

Die wichtigsten Fettsäuren blieben unter den untersuchten Bedingungen stabil. Linolsäure machte etwa 441 TP3T des Profils aus, Palmitinsäure etwa 351 TP3T, Ölsäure etwa 81 TP3T und Stearinsäure etwa 71 TP3T.

Diese Stabilität belegte, dass der Rückgang der Produktausbeute bei hohen Temperaturen nicht auf thermische Schädigung der essentiellen Fettsäuren zurückzuführen war. Unter noch schärferen Bedingungen kam es zu einem moderaten Anstieg der Menge an nicht identifiziertem Material auf 1,71 TP3T.

Die Fettsäurezusammensetzung spielt auch bei der Kraftstoffproduktion eine Rolle. Diese Verbindungen beeinflussen Eigenschaften von Biodiesel wie Entflammbarkeit, Oxidationsstabilität und Tieftemperaturverhalten.

Der feste Rückstand behält seinen Wert.

Die Ölentfernung beeinträchtigte die verbleibenden positiven Eigenschaften des Bodens nicht. Das ursprüngliche Trockenmaterial enthielt 8,81 TP3T Cellulose, 30,91 TP3T Hemicellulose und 17,91 TP3T Lignin. Der Aschegehalt betrug 6,21 TP3T.

«In unserer Studie haben wir auch gezeigt, dass die Gewinnung des Öls nicht bedeutet, dass der Rest des Materials nicht für etwas anderes verwendet werden kann», sagte Francesc Medina, ein Forscher am Institut für Chemieingenieurwesen, der an der Studie beteiligt war.

Durch die optimierte Verarbeitung blieben Cellulose und Hemicellulose erhalten. Darüber hinaus überstieg die Ligninkonzentration in den Feststoffen 20%, was höher ist als die Werte, die nach intensiverer Aufbereitung im Soxhlet-Apparat oder mittels Ultraschall gemessen wurden.

Diese Konservierung ist für eine gleichbleibende Bioraffination unerlässlich. Fette können verhindern, dass Lösungsmittel und Katalysatoren in die Zucker und das Lignin des Pflanzenmaterials eindringen. Die Ölentfernung dient als Vorbehandlung, ohne die Materialstruktur wesentlich zu verändern.

Entfettetes Mehl kann zur Herstellung von Bioethanol, Milchsäure und Polyhydroxyalkanoaten verwendet werden. Seine Ligninfraktion kann zudem als Rohstoff für die Produktion von umweltfreundlichem Flugkraftstoff oder phenolischen Verbindungen dienen.

Schnellere Werkzeuge brachten zusätzliche Kompromisse mit sich.

Das Team verglich die Batch-Methode mit Ultraschall- und Mikrowellenextraktion. Die Mikrowellenextraktion ergab 12,51 TP3T Öl in fünf Minuten und 14,71 TP3T in 20 Minuten. Die Ultraschallextraktion ergab 12,51 TP3T in 15 Minuten und 14,31 TP3T in 30 Minuten.

Beide Methoden beschleunigten die Anfangsphase. Ihre Wirksamkeit nahm jedoch ab, als der Prozess vom schnellen Stoffaustausch zum Gleichgewicht überging.

Keine der beiden Methoden führte zu ausreichenden Verbesserungen hinsichtlich Ölreinheit, Gesamteffizienz, Energieverbrauch oder Skalierbarkeit. Beide erzeugten zudem mehr ölfreies Material als das optimierte Batch-Verfahren. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass eine weitere Intensivierung trotz der verkürzten Extraktionszeit nicht gerechtfertigt sei.

Praktische Implikationen der Studie

Kaffeesatz sammelt sich häufig auf Mülldeponien an, wo er bei der Zersetzung Methan freisetzt. Seine Verwendung als Rohstoff würde die Gewinnung wertvoller Ressourcen aus dieser großen Abfallmenge ermöglichen.

Das optimierte Verfahren erzielt zwei vorteilhafte Ergebnisse. Es erzeugt ein reineres, fettsäurereiches Öl, das sich für die Biodieselproduktion eignet, und erhält gleichzeitig die Pflanzenmatrix für die Weiterverarbeitung.

Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, die Rohstoffkosten für Kraftstoffe der zweiten Generation zu senken, die nicht auf essbaren Pflanzen basieren. Er könnte insbesondere für den Schwerlastverkehr und die Luftfahrt relevant sein, wo hochenergetische erneuerbare Kraftstoffe weiterhin eine wichtige Rolle spielen.

Dank der moderaten Prozessgeschwindigkeit bietet diese Arbeit zukünftigen Bioraffinerien einen präziseren Betriebsbereich. Das Ergebnis ist nicht nur eine effiziente Ölgewinnung, sondern auch die Möglichkeit, mehr Kaffeesatz zu verwerten, bevor dieser entsorgt werden muss.

Die Ergebnisse der Studie sind online in der Fachzeitschrift Biomass and Bioenergy verfügbar.

Der Originalartikel mit dem Titel «Neues Verfahren extrahiert 90%-Öl aus Kaffeesatz und produziert sauberen Biodiesel» wurde von The Brighter Side of News veröffentlicht.

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