DE102012106610A1

DE102012106610A1 - Verfahren zur Herstellung von Langzeitdünger aus Gärresten mittels Verkapselung

Info

Publication number: DE102012106610A1
Application number: DE102012106610.8A
Authority: DE
Inventors: Satyanarayana Narra; Claudia Glaser; Peter Ay
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-21
Also published as: DE102012106610B4; WO2014013086A1; EP2874979A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünger aus Gärresten, wobei die Inhaltsstoffe aus den erhaltenen Zubereitungen lang anhaltend freigesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Langzeitdünger aus Gärresten, wobei die Inhaltsstoffe aus den erhaltenen Zubereitungen lang anhaltend freigesetzt werden.
Nachwachsende Rohstoffe werden immer bedeutender für die Erzeugung von Energie, sei es in Form von Biokraftstoffen oder bei der Gewinnung von Biogas. Die Prozessschritte zur Bereitstellung dieser Energieformen sind jedoch aufwendig und müssen hinsichtlich der Klimabilanz, dem Wasserverbrauch oder der Entsorgung anfallender Abfallstoffe überprüft werden. Die zunehmende Anzahl an Biogasanlagen führt zu einer neuen Problematik im Bereich der Gärrestentsorgung. Derzeit wird ein großer Teil der Gärreste als Düngemittel weiterverwendet. Die genauen zeitlichen Vorgaben zur Düngemittelausbringung, sowie die strenge Überwachung der Inhaltsstoffe führen jedoch zu Schwierigkeiten. Mit steigenden Gärrestmassen muss über neue Methoden nachgedacht werden, diese sinnvoll zu lagern und die Inhaltsstoffe vor Umwelteinflüssen zu schützen. Ein momentan gängiges Verfahren zur Aufbereitung der Gärreste beinhaltet eine Trocknung vor dem Ausbringen auf dem Feld und die Einleitung des gewonnenen Abwassers in Oberflächengewässer.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass mit dem hohen Nährstoffanteil im Abwasser eine große Eutrophierungsgefahr einhergeht. Findet keine Separierung von Flüssig- und Feststoffphase statt, besteht das Risiko des Versickerns der Flüssigphase in tiefere Bodenschichten. Das nährstoffreiche Abwasser kann über das Grundwasser in Gewässer gelangen und zur Überdüngung führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Zubereitung bereitzustellen, welche nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkapselung von Gärresten, welches folgende Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines zu verkapselnden Gärrestes,
b. Entwässern des zu verkapselnden Gärrestes,
c. Mahlen des zu verkapselnden Gärrestes,
d. Zugabe eines oder mehrerer Hilfsstoffe,
e. Agglomerieren von Hilfsstoff und Gärrest, und/oder
f. Verkapselung eines beim Agglomerationsprozess erhalten Zwischenproduktes, wodurch die Gärreste umhüllt werden.

Bevorzugt ist, wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung die Verkapselung insbesondere einen Prozess umfasst, bei dem mindestens zwei Ausgangsstoffe miteinander verbunden werden. Diese Stoffe können in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen. Vorzugsweise dient einer der Stoffe als Hüllsubstanz für die weiteren Komponenten und schließt diese ein. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn insbesondere unterschiedliche Formen der Verkapselung stattfinden, beispielsweise eine Einfach-, Mehrfach- oder Teilverkapselung, aber auch eine direkte und indirekte Verkapselung ist eine bevorzugte Ausführungsform. Es ist weiter bevorzugt, wenn bei der erfindungsgemäßen Verkapselung insbesondere Gärreste den Kapselinhalt umfassen. Die Gärreste liegen insbesondere feucht, faserartig, partikulär, fest oder halbfest vor.
Völlig überraschend war, dass mit der vorliegenden Erfindung insbesondere die Verkapselung von faserartigen und nicht faserartigen biogenen Fermentationsrückständen möglich ist. Überraschender Weise wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere erreicht, dass über eine kontrollierte Freigabe eine lang anhaltende Düngung mittels bioabbaubarer Gärreste zu erreichen ist. In einer bevorzugten Form können insbesondere sowohl die Zwischenprodukte als auch die Endprodukte dieser Erfindung als Langzeitdünger mit den überraschenden erfindungsgemäßen Eigenschaften verwendet werden. Dazu zählt insbesondere der überraschende lang anhaltende Düngungseffekt der erfindungsgemäßen Zubereitung. Der Düngungseffekt wird insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verkapselung von Gärresten erhalten. Weiter bevorzugt ist, dass die Freigabe der Nährstoffe aus der Zubereitung kontrolliert verläuft. Überraschender Weise ist die Erfindung insbesondere dazu geeignet, kommerziell erhältliche Düngemittel insbesondere gleichwirkend zu ersetzen. Dünger im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere Langzeitdünger, Wirtschaftsdünger, Intensivdünger. Langzeitdünger umfasst insbesondere Gärreste, welche insbesondere mit dem Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung verkapselt sind.
Vorzugsweise umfassen Gärreste eine Mischung aus flüssigen und/oder festen Bestandteilen, wobei die festen Bestandteile, Fasern und/oder Partikel, eine Länge von 1 μm bis 100 cm, bevorzugt von 1 mm bis 50 cm, mehr bevorzugt von 500 mm bis 25 cm und am meisten bevorzugt von 1 cm bis 10 cm umfassen.
Bevorzugt ist, wenn die Gärrückstände aus biotechnologischen Prozessen stammen, insbesondere von Fermentationen mit biogenem Material und der Produktion von Gas (Biogas), Flüssigkeiten (Bioethanol) und den Prozessrückständen. Prozessrückstände sind im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Fermentationsrückstände, Gärrückstände, Gärreste oder Gärsubstanzen. Die Gärreste umfassen fest-flüssig oder flüssig-flüssig Mischungen in verschiedenen Verhältnissen. Gärreste unterliegen während des Fermentationsprozesses insbesondere einer Anreicherung an Stickstoff und Kalium. Eine Anreicherung findet sowohl in fester Phase (Fasern und/oder Partikel) und flüssiger Phase (lösliches Ammonium) statt.
Völlig überraschend war, dass die Gärreste nach der erfindungsgemäßen Verkapselung insbesondere direkt als Langzeitdünger verwendet werden, eine lang anhaltende, kontrollierte Freigabe von Nährstoffen wie insbesondere Stickstoff und Kalium ermöglichen und es zu keiner Belastung (Eutrophierung) von Grundwasser, Oberflächengewässern und Abwasser kommt. Ein überraschender Effekt ist, dass mit der Verkapselung die Bodengüte verbessert wird, sich Humus bildet, sich der Ernteertrag verbessert und eine Nährstoffanreicherung im Boden ermöglicht wird, ohne die Nachteile des Standes der Technik aufzuweisen. Bevorzugt ist, wenn es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Zubereitung insbesondere zum Ersetzen/Reduzieren der Produktion und Verwendung von kommerziellem Dünger kommt. Es war des Weiteren überraschend, dass mit der vorliegenden Erfindung insbesondere die direkte Verwendung von Gärresten mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt von beispielsweise mehr als 80% und mit einer breiten Faserpartikelverteilung, beispielsweise von 1 Mikrometer bis beispielsweise 10 cm möglich ist. Überraschender Weise können mit der Erfindung insbesondere die Transportkosten reduziert werden und ein Transport von verkapselten Gärresten über große Distanzen ist möglich und nicht auf den regionalen Vertrieb im beispielsweise 35 km Umkreis begrenzt.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die Verwendung der vorliegenden Erfindung insbesondere als Langzeitdünger entsprechend der behördlichen Regulierung von Düngezeit und Düngeperiode auf Basis der gesetzlichen Bestimmungen (Verordnung über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln) durch die Verkapselung ermöglicht ist. Bevorzugt ist, wenn die Erfindung insbesondere eine Düngung auch in den Wintermonaten möglich macht. Dass die Düngung insbesondere auch im Winter durch die erfindungsgemäße Verkapselung von Gärresten erreicht werden kann, war vollkommen überraschend. Vorzugsweise wird mit der Erfindung insbesondere ein exzessiver Nährstoffeintrag in den Boden verhindert und auch eine Kontamination von Boden und/oder Grundwasser unterbunden. Überraschend ist auch, dass mit der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Geruchsbelästigung durch die Gärreste reduziert oder eliminiert ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise insbesondere auf eine Zerkleinerung verzichtet werden kann. Vorteilhaft ist, wenn bei der Agglomeration kein Verlust von angereichertem Stickstoff in der separierten flüssigen Phase auftritt. Dass insbesondere eine verlustfreie Agglomeration mit der Erfindung möglich ist, war vollkommen überraschend. Auf diese Weise kann der Verlust an Stickstoff und die damit verbundene Reduktion der Düngeeffizienz vermieden werden. Überraschend ist auch, dass es bei der Agglomeration nicht zu hohen Temperaturen, beispielsweise von größer 50°C bis beispielsweise 100°C kommt und daher kein Ammonium in die Atmosphäre abgegeben wird. Folglich ist in einer bevorzugten Ausführung mit der vorliegenden Erfindung insbesondere die Emission von Lachgas reduziert und vorzugsweise vollkommen eliminiert. Besonders überraschend ist, dass die Treibhausgasemission mit der vorliegenden Erfindung insbesondere reduziert oder eliminiert ist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei Gärresten um insbesondere tierische oder pflanzliche Abfallprodukte, die beispielsweise bei der Produktion von Biogas und der dabei stattfindenden Vergärung anfallen. Die Gärrückstände aus beispielsweise Biogasanlagen können in Abhängigkeit von ihrer Herkunft unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die stoffliche Zusammensetzung umfassen.
Beispielsweise variiert der Trockensubstanzgehalt ebenso wie der Anteil an Säuren und die Dichte des faserigen Inhalts. Insbesondere auch die Größen- und Formverteilungen der Fasern können je nach Herkunft der Ausgangsprodukte schwanken. Erfindungsgemäß umfasst Düngemittel aus Gärresten insbesondere Wirtschaftsdünger und organische Düngemittel. Als Wirtschaftsdünger werden jene Gärreste bezeichnet, welche durch die Vergärung von pflanzlichen Substanzen aus der Forstwirtschaft, der Landwirtschaft oder gartenbaulichen Betrieben entstanden sind. Diese können auch teilweise mit tierischen Ausscheidungen vermischt sein. Organische Düngemitteln sind erfindungsgemäß Düngemittel, die beispielsweise aus einer Mitvergärung von insbesondere Bioabfällen hervorgegangen sind. Gärreste aus tierischen Ausscheidungen umfasst als Ausgangsmaterial beispielsweise Schweine- und/oder Rindergülle. Die unvergorene Rindergülle hat vorzugsweise einen Trockensubstanzgehalt der beispielsweise 8% beträgt. In dieser Gülle ist ein durchschnittlicher Gesamtstickstoffgehalt von beispielsweise 3,6 kg/t (Festmeter) enthalten, auch sind beispielsweise 1,6 kg/t (Festmeter) Ammoniumstickstoff (NH4-N) anwesend. Des Weiteren ist beispielsweise Phosphor mit 0,7 kg/t (Festmeter), Kalium mit 2,8 kg/t (Festmeter) und Magnesium mit 0,6 kg/t (Festmeter) enthalten. Bei der Schweinegülle hingegen liegt der Gehalt an Trockensubstanz beispielsweise bei etwa 6% und ist somit geringer ist als bei der Rindergülle. Der durchschnittliche Wert an Gesamtstickstoff liegt bei beispielsweise 3,8 kg/t (Festmeter) und der Gehalt des NH4-N bei 2,5 kg/t (Festmeter). Ferner sind beispielsweise 0,6 kg/t (Festmeter) Phosphor, 2,1 kg/t (Festmeter) Kalium sowie insbesondere 0,4 kg/t (Festmeter) Magnesium eingeschlossen. Schweinegülle und Rindergülle können auch vermischt vorliegen. Es besteht außerdem die Möglichkeit, dass in geringen Teilen weitere Güllearten wie beispielsweise Hühnertrockenkot verwendet werden.
Gärreste im Sinne der vorliegenden Erfindung, insbesondere von Schweine- und/oder Rindergülle, weisen nach der anaeroben Vergärung beispielsweise veränderte Eigenschaften auf. Insbesondere wird bei dem Gärprozess die Trockensubstanz zu Methan umgewandelt und beispielsweise ist der Trockensubstanzgehalt verringert. Der Trockensubstanzgehalt der Rindergülle liegt nach der Gärung beispielsweise bei 5,8% und der Wert von Schweinegülle bei beispielsweise 3,8%. Erfindungsgemäß sind die Gärreste insbesondere nach der anaeroben Vergärung fließfähiger und der pH-Wert der Gärreste im Vergleich zum Ausgangsmaterial ist insbesondere erhöht. Insbesondere sind organische Säuren in Folge der Vergärung abgebaut. Je höher der pH-Wert des Gärsubstrats ist, desto größer ist auch der Anteil von Stickstoff, welcher nicht mehr als Ammonium enthalten ist, sondern zum Beispiel in Ammoniak umgewandelt wurde. Der Gesamtstickstoffgehalt der Gärreste ist insbesondere vergleichbar mit der Ausgangssubstanz vor der Vergärung. Auch die Phosphat-, Kalium-, und Magnesiumgehalte bleiben bei dem Gärprozess vorzugsweise konstant.
Erfindungsgemäß dienen insbesondere Getreide- und Maissilage sowie weitere pflanzliche Restprodukte als Ausgangsmaterialien für Gärreste pflanzlicher Herkunft. Gärreste aus Maissilagen enthalten insbesondere unterschiedlich große Partikel. Maissilage hat vor der Gärung beispielsweise einen Trockensubstanzgehalt von 32%. Der Gesamtstickstoffgehalt liegt beispielsweise bei 1,2% (Trockensubstanz) und ein Gehalt von beispielsweise 11,3% (Trockensubstanz) liegt in Form von NH4-N vor. Des Weiteren sind insbesondere 0.24% (Trockensubstanz) Phosphat und 1,13% (Trockensubstanz) Kalium enthalten. Nach der Vergärung beträgt der Trockensubstanzgehalt der Silage beispielsweise 10,6%. Die Masse an Stickstoff beträgt insbesondere 3,42 kg/t (Festmeter), davon sind insbesondere 20% NH4-N. Ferner sind beispielsweise 0,001 kg/t (Festmeter) Kalium und beispielsweise 0,004 kg/t (Festmeter) Phosphate enthalten.
Hinsichtlich der Verteilung der Nährstoffe in den Gärresten umfasst die Flüssigphase der Gärreste insbesondere einen Trockensubstanzgehalt von beispielsweise 5,7% und die feste Phase einen Gehalt von beispielsweise 24,3%. Der Gesamtstickstoffwert liegt insbesondere bei 4,9 kg/m³ in der flüssigen Phase und in der Festphase bei 5,8 kg/m³. Der Phosphatgehalt (P₂O₅) dominiert in der Feststoffphase mit 5 kg/m³, im Gegensatz dazu liegt der Gehalt an P₂O₅ im flüssigen Teil der Gärreste bei beispielsweise 2,3 kg/m³. Der NH4-Anteil hingegen ist in der Flüssigphase mit 3,0 kg/m³, im Gegenteil zu 2,7 kg/m³ im Feststoff, etwas höher. Auch beispielsweise der Kaliumgehalt überwiegt in der Flüssigphase mit 6,2 kg/m³ zu 5,8 kg/m³.
Es ist bevorzugt, wenn bei der erfindungsgemäßen Verkapselung insbesondere Hilfsstoffe zugesetzt sind. Hilfsstoffe umfassen insbesondere Biopolymere, Bindemittel und Additive. Vorzugsweise sind Biopolymer ausgewählt aus der Gruppe Cellulose, Polymilchsäure (PLA), Zein, Poly-3-hydroxybutyrat, Polyglonic acid, Polyethylen, Lignin und/oder Substanzen die unter die Bezeichnung Polypeptid, Polynucleotid and Polysaccharid fallen. Vorzugsweise sind die Binder ausgewählt aus der Gruppe Stärke, Carboxymethylcellulose (CMC), Gelatine, Pectin, Mehl, Siliciumdioxid, Kalk, Wasserglas, Gips, Ton, welche insbesondere in verschiedenen Konzentrationen eingesetzbar sind. Die Bindemittel sind vorzugsweise in der Lage, in dem aufbauenden Agglomerationsprozess Flüssigkeiten und Feststoffe zu binden. Die Additive sind insbesondere in der Lage einen Düngungseffekt in Abhängigkeit der Bodenspezifikation zu ermöglichen. Die Additive umfassen vorzugsweise Phosphat und Kalium.
Bevorzugt ist, wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verschiedene Hüllsubstanzen und Bindemittel verwendbar sind. Insbesondere Palmfett ist bevorzugt, welches vorzugsweise durch die Hydrierung von Palmöl gewonnen wird und welches beispielsweise eine Dichte von 826 kg/m³ (bei 105°C) und beispielsweise einen Dampfdruck von < 0,01 mbar (bei 20°C) aufweist. Die Schmelztemperatur des Fettes liegt insbesondere zwischen 58°C und 60°C, die dynamische Viskosität (bei 75°C) beträgt vorzugsweise 19,5 10^–3 Pa·s. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn insbesondere entfärbtes Palmfett verwendet wird. Dieses umfasst gesättigte Fettsäuren, wie beispielsweise Palmitin- und Stearinsäure.
Weiter bevorzugt zur Verkapselung ist die Verwendung von Rizinusfett. Rizinusfett hat beispielsweise einen Schmelzbereich der zwischen 88–90°C liegt und eine Dichte (bei 105°C) von beispielsweise 822 kg/m³. Der Dampfdruck (bei 20°C) ist insbesondere < 0,01 mbar und die dynamische Viskosität von Palmfett beträgt vorzugsweise 25,3 10^–3 Pa·s (bei 100°C). Das Fett wird durch das hydrieren von Rizinusöl gewonnen. Rizinusfett umfasst insbesondere organische Fettsäuren, wie beispielsweise Palmitin- und Stearinsäure.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform findet insbesondere Stärke bei der erfindungsgemäßen Verkapselung Anwendung. Die im Sinne der Erfindung verwendeten Stärkekörner umfassen etwa 20–30% Amylose und 70–80% Amylopektin und können in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften variieren. Die Amylose besteht aus Glucosemolekülen, die zu unverzweigten Ketten aufgereiht sind und über eine α(1,4)-glucosidische Bindungen verknüpft werden. Der Hauptbestandteil der Stärke, das Amylopektin besteht ebenso wie die Amylose aus D-Glucose-Einheiten. Diese sind insbesondere verzweigt und in kürzeren Ketten angeordnet. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise insbesondere Weizen- und Kartoffelstärke verwendet, aber auch Stärke aus Mais, Reis und Getreide ist Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise weist die verwendete Stärke eine Dichte zwischen 530–750 kg/m³ auf.
Bevorzugt ist, wenn die Zugabe von verschiedenen Enzymen beispielsweise zu einem Aufspalten der Struktur der Stärkeketten in verschiedene Formen und somit zu unterschiedlichen Endprodukten führt. Das Enzym Amylase spaltet insbesondere die Struktur linearer Stärke und bildet ein komplexes Netzwerk von Ringstrukturen aus, die in Lösung frei vorliegen (flüssige Phase). Die Sprühtrocknung von Stärke-Amylase Lösung produziert Granulate mit Ausblasöffnungen oder Poren, die zu einer Oberfläche im Inneren führen, vergleichbar mit denen eines Schwammes. Diese schwammartigen Granulate können insbesondere im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere vielfältige Arten und Mengen an Flüssigkeiten absorbieren und ermöglichen es beispielsweise, dass die flüssigen Gärreste über kontrollierte Freigabe an die Umgebung abgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann insbesondere mittels einer Vorbehandlung der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Hilfsstoffe, insbesondere der Stärke, durch beispielsweise chemische Modifikation die mechanische Festigkeit der Zwischen- und/oder Endprodukte sowie die Aufnahmefähigkeit an Flüssigkeit beeinflusst werden.
Bevorzugt ist, wenn Alginat als Polysaccharid-Derivate bei der Verkapselung verwendet wird, welches in einer weiteren bevorzugten Form aus Braunalgen durch verschiedene Aufbereitungsschritte gewonnen wird. Vorzugsweise findet insbesondere Alginat im Sinne der vorliegenden Erfindung Verwendung, welches einen festen Aggregatzustand aufweist und in Wasser schlecht löslich ist.
Des Weiteren ist bevorzugt, wenn bei der erfindungsgemäßen Verkapselung insbesondere Gelatine verwendet wird, umfassend zu 84–86% reine, natürliche Proteine. Neben dem Proteinanteil ist vorzugsweise noch ein geringer Anteil an Mineralsalzen und Wasser enthalten. Die Gelatine ist insbesondere aus Kollagen enthaltenden tierischen Grundstoffen hergestellt. Sowohl Typ A-Gelatine, welche durch saure Hydrolyse, meist aus Schweinehäuten, gewonnen wird als auch Typ B-Gelatine, welche durch basische Hydrolyse hergestellt ist, finden insbesondere Anwendung in der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung macht sich vorzugsweise die Eigenschaft der Gelatine zu Nutze, welche beispielsweise darin besteht, dass temperaturabhängige Gele gebildet werden können und ab einer Temperatur unter 30°C Gelatine zu erstarren beginnt. Bevorzugt ist, wenn die Schmelztemperatur von wasserfreier Gelatine insbesondere bei 230°C liegt und die durchschnittliche Dichte beispielsweise bei 1350 kg/m³.
Weiter bevorzugt ist, wenn insbesondere Carboxymethylcellulose bei der erfindungsgemäßen Verkapselung Verwendung findet. Vorzugsweise wird Carboxymethylcellulose zur Bindung der Flüssigphase von Gärresten mit Fasern verwendet. Carboxymethylcellulose ist ein typisches Derivat der Cellulose und wird beispielsweise zur Produktion von Tapetenleim verwendet. Das Polysaccharid wird als modifizierte Cellulose aus Pflanzenfasern gewonnen. Das Polymer Carboxymethylcellulose umfasst Anhydroglucoseeinheiten und ist in Abhängigkeit vom Polymerisations- und Substitutionsgrad unterschiedlich stark löslich und bildet mehr oder weniger viskose Lösungen. In Ethanol ist Carboxymethylcellulose nicht und in Wasser nur gering löslich.
Bevorzugt ist, wenn die Herstellung der Agglomerate von flüssigen Gärresten im Sinne der Erfindung beispielsweise ohne Wasserentzug erfolgt. Weiter bevorzugt ist, wenn die Agglomeration insbesondere mit oder ohne Additive durchführbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verkapselungsverfahren ist insbesondere festes und/oder flüssiges Fasermaterial als Agglomerat zu erhalten. Überraschend war, das mit dem Verfahren der Verkapselung und insbesondere dem Agglomerationsschritt zur Herstellung von insbesondere Düngekapseln aus Fermentationsrückständen nicht nur unangenehme Gerüche reduziert oder eliminiert sind, sondern vorzugsweise auch die Handhabung von Gärrückständen als Dünger vereinfacht ist. Die bezieht sich insbesondere auf Lagerung des erfindungsgemäßen Düngers und den Transport des erfindungsgemäßen Düngers. So sind insbesondere keine speziellen Lagerhallen oder spezielle Transportcontainer oder Transportfahrzeuge notwendig. Insbesondere auch das Ausbringen des erfindungsgemäßen Düngers beim Düngen ist überraschender Weise ohne Spezialapparaturen möglich. Dies führt insbesondere zu Kostenersparnis und ökonomischen Vorteilen. Bevorzugt ist, wenn nach Zugabe eines oder mehrerer Hilfsstoffe ein Zwischenprodukt entsteht, welches einen oder mehrere flüssige Kerne aus Gärresten umfasst und von einer Hülle aus Hilfsstoffen umgeben ist. Vorzugsweise sind die Gärreste mit einer Hülle umfassend Alginat und Calcium verkapselt.
Weiter bevorzugt ist, wenn nach dem Agglomerieren ein Zwischenprodukt entsteht, welches eine Netzwerkstruktur aus flüssigen und/oder festen Gärresten umfasst. Bevorzugt ist, wenn die erfindungsgemäße Verkapselung insbesondere in Bezug auf die Partikelgröße für makroskopisch sichtbare Partikel und/oder Fasern verwendbar ist. Aber beispielsweise auch nur mikroskopisch sichtbare Partikel werden von der Erfindung erfasst. Entsprechend umfasst die vorliegende Erfindung insbesondere Verfahren zur Mikroverkapselung als auch Verfahren zur Makroverkapselung, um Gärreste, flüssig und/oder fest, zu verkapseln. Unter Verkapselung im Sinne der Erfindung fallen insbesondere auch Umhüllungsprozesse, sogenannte Coatings, bei denen die Gärreste mittels Hilfsstoffen umhüllt werden und so verkapselt werden. Die insbesondere Mirko- und/oder Makroverkapselung als Herstellungs- und Umhüllungsverfahren im Sinne der erfindungsgemäßen Verkapselung wird beispielsweise mit Hilfe von Sprühdüsen durchgeführt, über die Hilfsstoffe, beispielsweise Biopolymere und/oder Additive von außen auf die Gärreste aufgesprüht werden. Es war völlig überraschend, dass insbesondere durch Coating und eine direkte Interaktion der Gärreste mit den Hilfsstoffen die natürlichen biologischen Prozesse verhindert sind und dadurch insbesondere eine Verbesserung der Haltbarkeit der erfindungsgemäßen Zubereitung, insbesondere des Düngers, über die Zeit erreicht ist.
Völlig überraschend ist weiter, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auch die Verarbeitung von Gärresten mit insbesondere langen Fasern durchführbar ist. Überraschend ist weiter, dass insbesondere auch Gärrückstände mit sehr heterogener Charakteristik mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prozessierbar sind und insbesondere das erhaltene Produkt die erfindungsgemäßen Vorteile umfasst.
Bevorzugt ist, wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Umhüllen der Gärreste, beispielsweise mittels Coating erfolgt, wobei vorzugsweise Kalziumchlorid und Alginat verwendet wird. Auch ein Umhüllen der Gärreste mit Biopolymeren ist erfindungsgemäß bevorzugt und kann insbesondere angewendet werden, um schwammartige Granulate bei der Agglomeration als Zwischenprodukte zu erzeugen und diese Zwischenprodukte hinsichtlich des Zurückhaltens von aktiven Wirkstoffen, den Nährstoffen der Gärreste, im Kernmaterial zu verbessern. Die Biopolymere, welche mittels Kalziumchlorid und Alginat quervernetzt sind, verbessern insbesondere die Rückhaltefähigkeit von Wirkstoffen/Inhaltsstoffen und die Granulatintegrität der erfindungsgemäßen Zwischenprodukte. Die Freigabe von Inhaltstoffen kann beeinflusst werden durch insbesondere mechanische Kompression, Diffusion oder Degradation. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, wenn die Zubereitung insbesondere Folien umfasst. Weiter bevorzugt ist die Verwendung der Zubereitung als Dünger und die Verwendung der Zubereitung zur Stellung von Schwämmen und Folien.
Die vorliegende Erfindung umfasst insbesondere Sprühtrocknungsprozesse als Verfahren zur Verkapselung von Gärresten mittels welchen beispielsweise in Anwesenheit von insbesondere Amylase und Stärke Schwämme und Folien zu erhalten sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verkapselung von Gärresten in der Weise ausgeführt, dass Schämme zu Folien mit Hilfe von Press-, Stempelwerkzeugen, Walzenkompaktoren und sogenannten Verkapselungsmaschinen weiterverarbeitbar sind.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Zubereitung aus Gärresten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und umfasst insbesondere Zwischen- und/oder Endprodukte, welche Hilfsstoffe, bevorzugt Retardierungsmittel, mit freigabeverzögernden Eigenschaften umfassen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung insbesondere schwammartige Strukturen, die Kapseln mit Aushöhlungen darstellen, welche mittels eines Imersionsprozesses, gefolgt von einer Trocknung hergestellt werden. Die dabei verwendeten Parameter sind vergleichbar mit denen eines Sprühtrocknungsprozesses. Die Verkapselung von Fermentationsrückständen im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet insbesondere auch das Füllen von Kapseln. Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise aufbauende Agglomerationsprozesse mit Hilfe von beispielsweise Pelletiertellern oder Mischern. Es ist weiter bevorzugt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere Verkapselungen mit oder ohne Entwässerungstechnik, mit oder ohne Mahlung, mit oder ohne Binder oder Additive, einfache oder multiple Verkapselung, poröse oder umhüllende Verkapselung und deren Kombinationen umfasst. Die erfindungsgemäße Agglomeration umfasst vorzugsweise eine aufbauende Agglomeration und aufbauende Granulierung, bei der insbesondere verschiedene Hilfsstoffe zugegeben werden und auf diese Weise die Verwendbarkeit für einen individuellen und spezifischen Düngungseffekt entsprechend der jeweiligen Bodentypen möglich ist.
Bevorzugt ist, wenn die Erfindung insbesondere eine direkte oder indirekte Verkapselung und die Prozessvorbereitungsschritte Entwässerung und/oder Zerkleinerung umfasst. Vorzugsweise ist das Verfahren so flexibel, dass auf Basis der Charakteristik der Gärreste (fest-flüssig oder flüssig-flüssig Mischungen) und anhand der Bodeneigenschaften sowie der Beschaffenheit der zu verwendenden Düngemaschinen das Verfahren und die jeweiligen Verfahrensschritte der Erfindung insbesondere individuell festgelegt werden können.
Vorzugsweise ist insbesondere die Freigabe von Inhaltsstoffen aus den erfindungsgemäßen Zubereitungen, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, gezielt einstellbar. Dies geschieht vorzugsweise durch die Auswahl

• des Typ und der Art der Agglomerate (porös oder nicht porös, Zwischen- oder Endprodukt)
• insbesondere der Prozessparameter beim erfindungsgemäßen Verfahren (mit oder ohne Entwässerung, mit oder ohne Mahlung, mit oder ohne Hilfsstoffe, einfaches oder multiples Verkapselungsverfahren)
• der Art der Biopolymere und dessen Bioabbaubarkeit.

Vorzugsweise wird die Bioabbaubarkeit der Kapseln im Boden durch die Aktivität von Mikroorganismen, Enzymen oder anderen Biomolekülen erreicht. Es ist bevorzugt, wenn es mit den erfindungsgemäßen Zubereitungen, beispielsweise den Kapseln zur Verwendung als Langzeitdünger, insbesondere möglich ist, die gewünschte Freigabefrequenz der verkapselten Inhaltsstoffe in Abhängigkeit der Zeit (Kurz- und Langzeiteffekte) und in Abhängigkeit des entsprechenden Bodenprofils den Düngungseffekt gezielt einzustellen. Ein wichtiger Parameter bei der kontrollierten Freigabe von Inhaltsstoffen aus Kapseln ist die Permeabilität des Biopolymers. Das Biopolymer im Sinne der Erfindung ermöglicht beispielsweise wasserabhängige Freigabecharakteristiken der aktiven Substanzen konstant über einen langen Zeitraum. Völlig überraschend verbessern die Kapseln mit ihren erfindungsgemäßen Charakteristiken insbesondere sehr effektiv die lang anhaltende Düngezeit im Vergleich zu konventionellen Produkten und Agglomeraten. Die kontrollierte Freigabecharakteristik von Kapseln ist auch dazu in der Lage, Risiken hinsichtlich der Boden- und Grundwasserkontamination und auch der Lachgasemission zu verhindern und/oder zu reduzieren.
Es ist bevorzugt, wenn die Makroverkapselung Agglomerate mit Fasern und/oder Partikel mit einer Länge von 1 um bis 100 cm, bevorzugt von 1 mm bis 50 cm, mehr bevorzugt von 500 mm bis 25 cm und am meisten bevorzugt von 1 cm bis 10 cm umfasst. Weiter bevorzugt ist, wenn der Durchmesser der Fasern und/oder Partikel einen Bereich von 1 mm bis 100 cm, bevorzugt von 10 mm bis 50 cm, mehr bevorzugt von 100 mm bis 10 cm umfasst und der Durchmesser am meisten bevorzugt bis zu 1 cm groß ist. Die Makroverkapselung im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet insbesondere bioabbaubare Materialien (Biopolymere) für die Verkapselung von beispielsweise biogenen Gärresten.
Die Erfindung umfasst insbesondere verschiedene Möglichkeiten der Verkapselung, beispielsweise Einschritt- oder Zweischrittprozesse. Bevorzugt ist, wenn beispielsweise eine poröse oder umhüllende Verkapselung im Sinne der Erfindung durchführbar ist. Weiter bevorzugt ist, wenn die als Endprodukt erhaltenen Kapseln in verschiedenen Ausführungsformen und Größen wie beispielsweise sphärischer, zylindrischer, konischer oder eckiger Form zu erhalten sind. Am meisten bevorzugt ist die sphärische Form.
Die Erfindung umfasst insbesondere bioabbaubare Polymere (vorzugsweise Polymilchsäure, Stärke und Aginate in Kombination, Alginate, Polyethylen und Lignin) als Verkapselungsmaterial. Dieses Verkapselungsmaterial wird vorzugsweise so verarbeitet, dass die hergestellten Kapseln zur Verwendung als Langzeitdünger die Anforderung in Bezug auf Düngungsrichtlinien, Bodenstandards und Umweltstandards erfüllen. Die Biopolymere werden sowohl bei der direkten als auch indirekten umhüllenden Verkapselung von Gärresten eingesetzt. Das am meisten bevorzugte Material ist beispielsweise Stärke in Kombination mit anderen Biopolymeren bei sowohl direkter als auch indirekter Verkapselung.
Die Makroverkapselung von Gärresten zeigt die folgenden Vorteile:

• Eine Zerkleinerung von Biogasrückständen ist beispielsweise nicht zwingend erforderlich.
• Es sind beispielsweise keine hohe Verdichtungsdrücke bei der Entwässerung notwendig.
• Die Verarbeitung/Verkapselung der Gärreste mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt insbesondere ohne qualitativen und/oder quantitativen Verlust der Inhaltsstoffe/Nährstoffe in den Gärresten.
• Insbesondere die Lachgasemission ist im Vergleich zu den unverarbeiteten Gärresten oder den Verfahren im Stand der Technik reduziert.
• Die Handhabungscharakteristik der verkapselten Gärreste ist im Vergleich zu den unverarbeiteten Gärresten oder den Verfahren im Stand der Technik verbessert.
• Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Zwischen- und Endprodukte ermöglichen insbesondere einen Langzeitdüngungseffekt durch beispielsweise Stickstoffbindung und verzögerte Freigabe.
• Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Zwischen- und Endprodukte zeigen insbesondere eine hohe Düngungseffizienz.

In einer bevorzugten Ausführungsform liefert die vorliegende Erfindung, das Verfahren zur Verkapselung von Gärresten, insbesondere eine optimale Lösung, um mit den erhaltenen Zwischen- und/oder Endprodukten eine lang anhaltende kontrollierte Freisetzung von Nährstoffen in den Boden zu erreichen. Vorzugsweise ist insbesondere die Bodenfruchtbarkeit mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Düngers verbessert, insbesondere die Pflanzenausbeute ist erhöht und die Verwendung von Intensivdüngern kann reduziert werden.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels und den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Bei den Beispielen und Figuren handelt es sich um bevorzugte Ausführungsvarianten welche die Erfindung nicht beschränken.
1 zeigt agglomerierte Fasern.
2 zeigt verkapselte Gärflüssigkeit mit Faserhülle.
3 zeigt Gärflüssigkeitskapseln in Fasern agglomeriert.
4 zeigt agglomerierte Fasern mit Hülle.
5 zeigt verkapselte Gärflüssigkeit mit Faserhülle und Hüllkapsel.
6 zeigt Gärflüssigkeitskapseln in Fasern agglomeriert in einer Hülle.
7 zeigt die schematische Darstellung von Verkapselungsprozessen.
8 zeigt die schematische Darstellung von Verkapselungsprozessen.
9 zeigt die schematische Darstellung von Verkapselungsprozessen.
10 zeigt die schematische Darstellung von Verkapselungsprozessen.
11 zeigt die schematische Darstellung von Verkapselungsprozessen.
Aus 1 ist die Darstellung eines Zielproduktes zu entnehmen, dass beispielsweise bei einer Aufbau-Agglomeration erhalten wird. Es handelt sich beispielsweise um Zielprodukt 1 und/oder Zielprodukt 3, welche aus den Prozessen erhalten werden, die in den 7, 8, 9, 10 und 11 dargestellt sind. 2 stellt beispielsweise Zielprodukt 5 dar, welches mittels der Prozesse dargestellt in den 7, 9, 10 und 11 zu erhalten ist. 3 zeigt beispielsweise Zielprodukt 5 in Form einer Matrix. Diese Matrix kann beispielsweise durch die Verfahren, welche in den 7, 9, 10 und 11 dargestellt sind, erhalten werden. Der 4 ist Zielprodukt 2 und/oder 4 zu entnehmen, welche beispielsweise mittels der schematisch dargestellten Verfahren in den 7, 8, 9, 10 und 11 erzeugt werden. Aus 5 ist Zielprodukt 4 zu entnehmen, welches beispielsweise mit den Verfahren hergestellt werden kann, die in den 7, 8, 9, 10 und 11 dargestellt sind. Bei dem Zielprodukt 4 in 5 wurde beispielsweise das Zielprodukt 5 mit einer Kapselhülle versehen. 6 zeigt beispielsweise das Zielprodukt 4 der Verfahren, welche in den 7, 8, 9, 10 und 11 dargestellt sind. Zielprodukt 4 umfasst als Kapselinhalt beispielsweise das Zielprodukt 5 in Form einer Matrix. Gärreste können unterzerkleinert, zerkleinert (10 mm Partikelklassifizierung) und zerkleinert (6 mm Partikelklassifizierung) vorliegen. Beispielsweise können Kapseln Gärreste enthalten. Gärreste sind beispielsweise mit Gelatine verkapselt oder von einer PLA-Hülle umbeben. Flüssige Gärreste sind beispielsweise direkt oder indirekt, nach Separierung der Feststoffe, verkapselbar. Die direkte Verkapselung von Flüssigkeiten ist beispielsweise möglich. Beispielsweise können Flüssigkeiten in einer Matrix verkapselt werden. Auch die multiple Verkapselung von bereits verkapselten Gärresten kann beispielsweise mit PLG als Biopolymer erzielt werden. Eine indirekte Verkapselung erfolgt beispielsweise mit Pelletiertellern oder Mischern. Auch eine Aufbau-Agglomeration ist möglich. Die erhaltenen Agglomerate sind mittels Alginat zu verkapseln. 7 ist beispielsweise zu entnehmen, welche Zwischen- und Endprodukte mit dem Verkapselungsprozess zu erhalten sind und welche Variationen möglich sind. So kann der Prozess beispielsweise mit und ohne Entwässerung oder mit und ohne Zerkleinerung erfolgen. Auch eine direkte und indirekte Verkapselung ist in 7 beispielsweise gezeigt. Aus 8 ist beispielsweise eine Darstellung des Verfahrens zur Direkt-Verkapselung von Gärresten zu entnehmen. 8 zeigt beispielsweise den Prozess ohne Entwässerung und ohne Zerkleinerung. Die 9 zeigt beispielsweise den Prozess zur Indirekt-Verkapselung von Gärresten mit Entwässerung und mit Zerkleinerung. Es ist beispielsweise aus 10 zu erkennen, wie der Prozess zur Direkt-Verkapselung ohne Entwässerung und der Prozess zur Indirekt-Verkapselung mit Entwässerung abläuft. In der 11 ist beispielsweise der Prozess einer Direkt-Verkapselung ohne Zerkleinerung und der Prozess einer Indirekt-Verkapselung mit Zerkleinerung dargestellt.
Beispiel 1 – Versuche mit trockenen Fasern
Es werden Stärke-Faser-Agglomerate mit Stärke als Bindemittel produziert. Dazu werden 200 g trockene Fasern mit 200 g gelierter Stärkelösung vermischt und auf einem Granulierteller bei einer Drehzahl von 156 U/min agglomeriert. Um die Stärke zu gelieren, werden jeweils ein Stärke-Wasser-Gemisch auf einer Heizplatte unter ständigem rühren auf 70°C erhitzt. Das Verhältnis der Stärke-Wasser-Lösung wird absteigend variiert und die Versuche werden wiederholt bis keine Agglomeration mehr gelingt. Für die Herstellung von Gelatine-Faser-Agglomeraten mit Gelatine als Bindemittel werden 200 g trockene Fasern mit 200 g flüssiger Gelatinelösung agglomeriert. Der Sofortgelatine muss keine Hitze zugeführt werden, da diese ohne Temperaturzufuhr zu gelieren beginnt. Als weiteres Bindemittel ist die Carboxymethylcellulose (CMC) für die Verarbeitung von trockenen Fasern einsetzbar. Dazu werden 200 g Fasern mit 200 g CMC-Lösung versetzt und agglomeriert. Wie bei der Gelatine, muss auch bei CMC keine Temperatur zum Gelieren zugeführt werden. Der Bindemittelanteil kann beispielsweise zwischen 2% und 50% liegen. Im Anschluss an die Agglomeration werden Teilmengen von Partikeln einfach oder zweifach mit Alginat beschichtet.
Beispiel 2 – Versuche mit zentrifugierten Gärresten
Es werden Gärreste zu Agglomeraten verarbeitet, die zunächst mit einer Zentrifuge bei einer Drehzahl von 2000 U/min in zwei Phasen aufgetrennt werden. Die weitere Versuchsdurchführung unterscheidet sich von der in Beispiel 1 nur in drei Punkten. Für das Mischen der Bindemittel-Flüssigkeits-Lösung wird statt Wasser die Gärflüssigkeit benutzt, die Geliertemperatur bei der Stärkelösung sinkt um etwa 8 °C und die Gärrestfasern haben einen hohen Wassergehalt. Gleiche Bindemittel und vergleichbare Mengenverhältnisse wie in Beispiel 1 sind anwendbar.
Beispiel 3 – Versuche mit im Vorfeld unbehandelten Gärresten
Bei im Vorfeld unbehandelten Gärresten liegt die Flüssigphase nicht frei vor. Daher müssen zur Verarbeitung von im Vorfeld unbehandelten Gärresten zu Agglomeraten die Bindemittel direkt in fester Form unter die Gärreste gemischt werden. Die variierenden Verhältnisse an Bindemittel werden auf die Flüssigphase bezogen. Dafür werden die Masse an Flüssigkeit in 200 g Gärrest bestimmt. Die Bindemittel können somit direkt in den feuchten Fasern gelieren und eine Bindewirkung ausüben. Stärke kann in diesem Beispiel 3 nicht eingesetzt werden, da diese nur durch eine Temperaturerhöhung geliert. Gelatine und CMC sind einsetzbar. Es können auf diese Weise verschiedene Produkttypen hergestellt werden, die sich nur im Anteil des enthaltenen Bindemittels unterschieden. Der Bindemittelanteil kann wie im Beispiel 1 beispielsweise zwischen 2% und 50% liegen. Eine anschließende Umhüllung mit Alginat ist möglich.

Claims

Verfahren zur Verkapselung von Gärresten, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst a. Bereitstellen eines zu verkapselnden Gärrestes, b. Entwässern des zu verkapselnden Gärrestes, c. Mahlen des zu verkapselnden Gärrestes, d. Zugabe eines oder mehrerer Hilfsstoffe, e. Agglomerieren von Hilfsstoff und Gärrest, und/oder f. Verkapselung eines beim Agglomerationsprozess erhalten Zwischenproduktes, wodurch die Gärreste umhüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrest eine Mischung aus flüssigen und/oder festen Bestandteilen umfasst, wobei die festen Bestandteile Fasern und/oder Partikel einer Länge von 1 μm bis 100 cm, bevorzugt von 1 mm bis 50 cm, mehr bevorzugt von 500 mm bis 25 cm und am meisten bevorzugt von 1 cm bis 10 cm umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstoffe ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Biopolymere, Bindemittel und/oder Additive.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Zugabe eines oder mehrerer Hilfsstoffe ein Zwischenprodukt entsteht, welches einen oder mehrere flüssige Kerne aus Gärresten umfasst und von einer Hülle aus Hilfsstoffen umgeben ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Agglomerieren ein Zwischenprodukt entsteht, welches eine Netzwerkstruktur aus flüssigen und/oder festen Gärresten umfasst.
Zubereitung aus Gärresten, hergestellt mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, umfassend Zwischen- und/oder Endprodukte, welche Hilfsstoffe, bevorzugt Retardierungsmittel, mit freigabeverzögernden Eigenschaften umfassen.
Zubereitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärreste mit einer Hülle umfassend Alginat und Calcium verkapselt sind.
Folie, umfassend eine Zubereitung nach Anspruch 6 oder 7.
Verwendung der Zubereitung nach Anspruch 6 bis 8 als Dünger.
Verwendung der Zubereitung nach Anspruch 6 bis 9 zur Herstellung von Schwämmen und Folien.