DE102009027007A1

DE102009027007A1 - Verfahren zur Herstellung von mineralischem Biodünger

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Publication number: DE102009027007A1
Application number: DE200910027007
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mineralischem Mehrnährstoffdünger (Volldünger) auf rein biologischer Basis, der insbesondere für Zimmer- und Balkonpflanzen geeignet ist. Das Verfahren zur Herstellung von mineralischem Biodünger aus Prozesswasser der hydrothermalen Karbonisierung von pflanzlichen Materialien ist dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Prozesswasser Kohle und organische Restbestandteile abgetrennt und die mineralischen Bestandteile durch Trocknung aus dem Prozesswasser isoliert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mineralischem Mehrnährstoffdünger (Volldünger) auf rein biologischer Basis, der insbesondere für Zimmer- und Balkonpflanzen geeignet ist.
Vernünftig und verantwortungsbewusst düngen – diese Fragen stellen sich immer mehr Menschen, die sich mit biologischen Aspekten des Lebens beschäftigen. Generell möchte man deshalb auf den Einsatz von Chemie beim Düngen verzichten und auf Biodünger zurückzugreifen. Düngt man mit biologischem Dünger, ist nicht nur der Pestizidgehalt sehr gering – es werden außerdem die Nährstoffe langsam und sehr gleichmäßig abgegeben. Ein biologisches Düngemittel ist also ein organischer Dünger mit Langzeitwirkung.
Es existieren derzeit ein Vielzahl unterschiedlichster Düngemittel auf dem Markt, sowohl anorganische als auch organische. Gerade in dem Bereich der organischen Düngemittel ist die Nachfrage groß, da die anwendbaren Mittel aufgrund der Biostoffverordnung streng reglementiert sind. Derzeit werden hauptsächlich organische Düngemittel auf der Grundlage von kompostierten organischen Abfallstoffen verwendet. Um den Mineralstoffgehalt zu optimieren bzw. zu steigern, wird dem kompostierten Material oftmals auch Jauche/Gülle beigemischt. Die meisten der aktuell erhältlichen biologischen Dünger werden in Form eines Granulats oder Pellets angeboten, dass durch Zermahlen der organischen Bestandteile und gegebenenfalls Pressen entsteht. Es existieren auch flüssige biologische Dünger, bei denen die Extrakte über verschiedene Pressverfahren gewonnen werden oder durch das Aufschlemmen/Aufkochen von zermahlenen organischen Bestandteilen mit Wasser oder speziellen Lösungsmittel, um die Struktur der Pflanzenbestandteilen zu zerstören und die Mineralstoffe herauslösen. Nachteilig ist ein in der Regel geringer Stickstoffgehalt in den so gewonnenen Biodüngern.
Ein Ansatz, um das Problem des geringen Stickstoffgehaltes zu lösen, ist das Beimischen von Tiermehl zu den aus Pflanzen oder auch Algen gewonnenen Düngemitteln.
Mineralische Biodünger sind auch in DE 10 2004 030 A1 und WO 2008/081408 A2 beschrieben. Aus DE 10 2004 030 A1 ist ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwässern aus der Bearbeitung von organischen Abfällen, insbesondere Gülle, unter Verwendung eines Biogasfermenters bekannt. Ein bei Ultrafiltration gewonnenes Filtrat wird einer Umkehrosmose zugeführt, dessen Retentat unter Verwendung von Verfahrenswärme zu einem streufähigen Ammoniumsulfat-Kaliumchloriddünger verarbeitet werden kann. In WO 2008/081408 A2 ist eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus Biomasse beschrieben. Aus den Ausgangstoffen werden im Verlauf der Prozessführung organische und anorganische Stoffe herausgelöst bzw. leichter verfügbar gemacht. Es wird vorgeschlagen, die mineralischen Bestandteile als Dünger zum natürlichen Aufbau von Biomasse zu verwenden.
Es gibt auch chemisch synthetisierte Dünger, die Stickstoff, Phosphor und Kalium – die Kernnährelemente – enthalten, in fester und flüssiger Form, weiterhin auch spezielle Gartendünger, die je nach Einsatzzweck mit weiteren Spurennährstoffen angereichert sind. Der Vorteil von chemisch hergestellten Voll- bzw. Mehrnährstoffdüngern besteht zwar in der einfachen Handhabung sowie dem hohen Anteil an Nährstoffen in Bezug auf die ausgebrachte Salzmenge, nachteilig ist jedoch neben chemischen Lösungsmitteln und anderen Verunreinigungen, insbesondere auch das festgelegte Verhältnis der Nährstoffe untereinander.
Es wird deshalb nach Alternativen für Mehrnährstoffdünger auf biologischer Basis gesucht, die möglichst alle für die Pflanzen notwendigen natürlichen Mineralstoffe aufweisen sollen.
Überraschend wurde gefunden, dass das Prozesswasser aus dem hydrothermalen Prozess der Verwertung von pflanzlichen Materialien, neben Kohle und gegebenenfalls Resten organischen Pflanzenmaterials, alle in den Pflanzen enthaltenen Mineralstoffe in löslicher Form enthält. Das Prozesswasser ist demzufolge als Biodünger hervorragend geeignet, insbesondere der nach Trocknung erhaltene Volldünger, der leicht löslich und sofort wirksam ist.
Pflanzliche Materialien bzw. Biomasse pflanzlichen Ursprungs können bekanntermaßen durch hydrothermale Karbonisierung einfach und hocheffizient zur Herstellung von Kohle, Synthesegas, flüssigen Erdöl-Vorstufen und Humus verwendet werden. In der Regel wird Biomasse aus pflanzlichem Material zusammen mit Wasser, gegebenenfalls in Gegenwart eines Katalysators, unter Luftabschluss erhitzt, wobei organische Substanzen gut aufgelöst werden. Die chemischen Umsätze steigen mit der Temperatur und Verweildauer im Reaktor, so dass Umsätze von nahezu 100% (Kohlenstoff) erreicht werden können. Bei hohen Temperaturen werden die Kohlenhydrate (Zuckerderivate), vorzugsweise unter Druck und in saurem Milieu, unter Abspaltung von Wasser zu Kohle umgesetzt. Die Eigenschaften der Endprodukte hängen von der Menge der Kohlenhydrate ab, die zu Kohle umgesetzt werden. Das Verfahren ist z. B. näher in „Max Planck Forschung 2/2006”, S. 20–25 dargestellt. In EP 1 970 431 A1 ist auch eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse beschrieben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Biodünger – mineralischem Mehrnährstoffdünger – unter Verwendung von Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung pflanzlichen Materials. Die Aufarbeitung des Prozesswassers aus der hydrothermalen Karbonisierung erfolgt so, dass sämtliche für die Pflanzen lebenswichtigen Elemente erhalten bleiben.
Im Sinne dieser Erfindung umfasst der Begriff ”pflanzliches Material oder pflanzliche Biomasse” sowohl ganze Pflanzen als auch Teile davon, z. B. Hölzer, Stiele, Blätter, Blüten oder Früchte. Als pflanzliches Material sind im Sinne der Erfindung aber auch Samen, Gräser, Stroh, Zuckerrohr oder ähnliches zu verstehen.
Pflanzliche Biomasse ist eine leicht verfügbare Quelle. Sie ist in großem Maße verfügbar einerseits durch schnell wachsende Pflanzen und andererseits durch ubiquitär anfallende pflanzliche Abfälle. So fallen bei der Verarbeitung von pflanzlichen Rohstoffen Abfälle und Reststoffe an, z. B. in der Landwirtschaft bei der Ernte, bei der Verarbeitung von pflanzlichen Lebensmitteln, bei der Verarbeitung von Holz, bei der Herstellung von Papier und in vielen anderen Bereichen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird pflanzliches Material z. B. im Autoklaven mit Wasser bei einem vorzugsweise sauren pH-Wert, insbesondere bei einem pH-Wert von 4–5, umgesetzt. Das Temperaturregime kann variiert werden. So kann ein Aufheizen auf die Solltemperatur erfolgen, die dann über einen längeren Zeitraum gehalten wird, oder es erfolgt ein Aufheizen auf die Solltemperatur und anschließend wird sofort wieder abgekühlt. Die Solltemperatur richtet sich nach der Zusammensetzung der Biomasse und liegt bevorzugt zwischen 200 und 250°C. Die Kultivierung erfolgt vorzugsweise für 3 bis 15 Stunden. Anschließend wird die Kohle abfiltriert und gegebenenfalls mit Frischwasser gespült, das dem Produktwasser zugeführt wird.
Nach der Abtrennung der Kohle muss eine Entfernung gegebenenfalls noch vorhandener organischer Restbestandteile aus dem Prozesswasser erfolgen. Diese kann durch Dialyse und andere dem Fachmann an sich bekannte Techniken durchgeführt werden. Durch diese dialytische Behandlung werden die löslichen organischen Reststoffe von den Mineralstoffen getrennt.
Die Gewinnung des festen Mineralstoffgemischs erfolgt dann z. B. durch Abdampfen des Wassers oder vorzugsweise durch solare Trocknung.
Solare Trocknung mit modernen Mitteln optimiert den natürlichen Prozess z. B. durch Einsatz von Luftkollektoren sowie mit Solarstrom betriebenen Ventilatoren. Als Luftkollektor genügt in vielen Fällen schon ein flacher schwarzer Kasten mit transparenter Abdeckung, der die eintretende Luft erwärmt. Sie wird durch die natürliche Zirkulation oder von Ventilatoren gesteuert an das zu trocknende Material herangeführt. Mit Hilfe solcher Tunneltrockner kann die Trocknungsdauer wesentlich verringert werden.
Überraschend sind sämtliche für Pflanzen wichtige Nährelemente im erfindungsgemäßen Biodünger vorhanden. Insbesondere handelt es sich um Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K) und Calcium (Ca), in geringeren Mengen Eisen (Fe), Mangan (Mn), Magnesium (Mg), Zink (Zn), Kupfer (Cu) und Schwefel (S).
Gegenstand der Erfindung ist demzufolge auch ein Biodünger, der die o. g. Bestandteile aufweist.
Vorzugsweise wird der Biodünger in Form von Granulaten oder Pellets bereitgestellt. Zur Erzeugung von Granulaten kann die Trockenpressgranulierung eingesetzt werden, die das Feinsalz zu Schülpen formt, aus denen anschließend durch Brechen und Nachsieben Granulate, vorzugsweise im Kornbereich 1,0 bis 4,0 mm, hergestellt werden. Es ist bekannt, dass bei der Granulierung feinkörniger Stoffe zu Granulaten dem Ausgangsgemisch Granulier- Hilfsmittel zugesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Dünger ist leicht wasserlöslich und kann somit einfach dem Gießwasser zugesetzt werden. Er ist sofort wirksam und ein Dünger auf rein biologischer Basis.
Die enthaltene Mineralstoffzusammensetzung entspricht in idealer Weise der von den Pflanzen benötigten Zusammensetzung. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist ideal für die biologische Zucht von Blumen, Früchten, Gemüse und Kräutern sowie jeglichen Zimmer- und Balkonpflanzen. Der Dünger kann z. B. auf Erde, Mulch und Cocos, aber auch hydroponisch und in Hydro-Systemen eingesetzt werden. Insbesondere ist er zur Behandlung von Zimmer- und Balkonpflanzen geeignet. Der erfindungsgemäße Biodünger deckt das ganze benötigte Spektrum an Düngern und Hilfsstoffen ab, die man vom Steckling bis zur Blüte benötigt.
Anschließend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1:
Gewinnung von Prozesswasser aus Stroh und Grünschnitt

a) Stroh und Grünschnitt wurden zerkleinert (< 1 cm), um eine kompakte Füllung des Autoklaven zu ermöglichen. Nachdem der Autoklav mit der eingewogenen Menge gefüllt war, wurde mit Zitronensäure versetztes Wasser (pH ca. 4–5) in dem Maße hinzugegeben, dass sämtliche Biomasse vollständig bedeckt ist. Als Soll-Temperatur wurde 220°C für 10 h vorgegeben. Die Aufheizphase betrug ca. 1 h, so dass Reaktionsbedingungen von 220°C effektiv 9 h vorhanden waren. Der Behälter wurde nicht von außen mit Druck beaufschlagt, so dass sich Sättigungsdampfdruck einstellte, der sich im Verlauf der Reaktion um die Menge der Ausgasungen erhöhte. Nach Abkühlen des Reaktors auf Raumtemperatur und Ablassen der Ausgasungen wurde die Kohle abfiltriert und mit frischem Wasser kurz abgespült (ca. gleiche Menge wie Produktwasser). Das so gewonnene Spülwasser wurde mit dem Produktwasser vermischt und ohne weitere Behandlung zur Analyse gegeben. Beide Versuchsreihen beinhalteten vier Versuche mit den o. g. Parametern.
b) In einem fünften Versuch wurde ein anderes Temperaturprogramm gefahren bei, sonst gleich bleibender Verfahrensweise. Die jeweilige Biomasse wurde auf die Solltemperatur von 220°C aufgeheizt (Dauer ca. 1 h), dann aber direkt wieder abgekühlt (Dauer ca. 2 h).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004030 A1 [0005, 0005]
- WO 2008/081408 A2 [0005, 0005]
- EP 1970431 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung von mineralischem Biodünger aus Prozesswasser der hydrothermalen Karbonisierung von pflanzlichen Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Prozesswasser Kohle und organische Restbestandteile abgetrennt und die mineralischen Bestandteile aus dem Prozesswasser durch Trocknung isoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohle durch Filtration oder Zentrifugation entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Bestandteile von den mineralischen Bestandteilen des Prozesswassers dialytisch abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesswasser einer solaren Trocknung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Biodünger granuliert oder pelletiert wird.
Biodünger hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Biodünger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Stickstoff, Phosphor, Schwefel sowie die Kationen Kalium, Calcium, Eisen, Mangan, Magnesium, Zink und Kupfer enthält.