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Labormühlen Probenvorbereitung pflanzlicher Rohstoffe mit Labormühlen

Autor / Redakteur: Andreas Theisen* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Durch die zunehmende Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung nimmt auch die Analytik im Rahmen der Entwicklung und Qualitätssicherung an Bedeutung zu. Die notwendige Probenvorbereitung ist aufgrund der komplexen Eigenschaften pflanzlicher Rohstoffe häufig recht anspruchsvoll.

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Abb. 1: Retsch bietet verschiedene Labormühlen für die Zerkleinerung pflanzlicher Rohstoffe an.
Abb. 1: Retsch bietet verschiedene Labormühlen für die Zerkleinerung pflanzlicher Rohstoffe an.
(Bild: Retsch)

Pflanzliche Rohstoffe, die zur Gewinnung von Energie verwendet werden, fasst man unter dem Begriff Biomasse zusammen. Biomasse hat gegenüber Solarenergie oder Windkraft den großen Vorteil, dass die Energie in den nachwachsenden Rohstoffen gespeichert wird und so bedarfsabhängig genutzt werden kann.

Durch die zunehmende Nutzung von Biomasse gewinnt die Analytik im Rahmen der Entwicklung und Qualitätssicherung ebenfalls an Bedeutung. Die Probenvorbereitung zur Analytik ist aufgrund des komplexen Eigenschaftenprofils pflanzlicher Rohstoffe, beispielsweise durch leicht flüchtige Bestandteile, faserige Struktur oder abrasives Verhalten, recht anspruchsvoll.

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Im Bereich der Vor- und Feinzerkleinerung von Pflanzen sind viel Know-how und Erfahrung gefragt, um zuverlässige und reproduzierbare Analysenergebnisse zu erhalten. Die Auswahl einer geeigneten Labormühle hängt nicht nur von der Beschaffenheit der Probe ab. Wichtig sind auch ihre Weiterverwendung und die in diesem Bereich gültigen Normen.

Grundsätzlich werden drei verschiedene Methoden zur Gewinnung von Energie aus Biomasse unterschieden: Direktes Verbrennen, Extraktion und Fermentation. Bei der direkten Verbrennung wird der Rohstoff zur Energiegewinnung verbrannt. Ein Beispiel hierfür sind Holzhackschnitzel aus Waldrestholz (Baumkronen, Äste, Stammteile), das nicht für andere Zwecke verwendet werden kann.

Direktes Verbrennen der Rohstoffe

Das Holz wird dazu geschreddert und anschließend in einem Ofen verbrannt. Ausschlaggebend für die Qualität von Holzhackschnitzeln sind der Heizwert und der Aschegehalt. Der Heizwert von trockenem Holz ist, bezogen auf das Gewicht, für alle Holzsorten praktisch identisch, nimmt allerdings mit steigendem Wassergehalt ab, weshalb der Trockensubstanzanteil entscheidend ist für den Handelswert des Holzes.

Das Darrverfahren ist in diesem Zusammenhang die einzige Methode, die genormt ist (DIN 52 183). Hierbei wird die Feuchte thermogravimetrisch bestimmt, d.h. die Temperatur der Probe wird solange auf 103 °C gehalten bis das Gewicht konstant ist. Der Aschegehalt wird ähnlich bestimmt, allerdings wird die Probe im Sauerstoffstrom auf über 500 °C geheizt. Um diesen Prozess zu beschleunigen und um eine repräsentative Probe zu erhalten, wird diese vor der Analyse auf 2 bis 3 mm zerkleinert. Je nach Ausgangsgröße eignen sich für diesen Schritt eine Retsch-Schneidmühle bzw. eine Ultra-Zentrifugalmühle ZM 200 für die anschließende Feinzerkleinerung. Die Anforderungen und die Methoden zur Probenvorbereitung bzw. -analyse sind in Normen (z.B. EN 14961) festgelegt.

Außerdem ist der Größenbereich der Holzschnitzel entscheidend, da gerade kleinere Verbrennungsöfen nur definierte Größen verarbeiten können. Insbesondere ein Feinanteil von Teilchen kleiner 0,5 mm mindert die Qualität des Brennstoffes, da er zu Verstopfungen in den Schneckenförderungen und zu Verpuffung im Ofen führen kann. Für die Größenanalyse ist eine Plansiebmaschine (z.B. Retsch AS 400 control) vorgeschrieben (EN 14780), da eine Wurfsiebmaschine für faserige Partikel nicht geeignet ist.

Extraktion zur Gewinnung von Bioenergie

Eine andere gängige Methode zur Gewinnung von Bioenergie ist das Veredeln brennbarer Bestandteile aus pflanzlichen Rohstoffen. In Europa wird in erster Linie Öl aus Raps extrahiert, in den USA spielen Sojabohnen eine große Rolle, deren Öl zu Biodiesel verestert wird. Die Vorteile von Biodiesel: Es ist CO2-neutral und verbrennt praktisch partikelfrei. Die in Europa maßgebende Norm für Biodiesel ist die DIN EN 14214. Die Qualitätskontrolle der Saaten umfasst die Extraktion der Rohstoffe nach vorheriger Zerkleinerung mit einer Ultra-Zentrifugalmühle (Retsch ZM 200) und die Quantifizierung von Saat und sonstigen pflanzlichen Bestandteilen durch Plansiebung (Retsch AS 400 control) oder Wurfsiebung (Retsch AS 200 control).

Abbildung 2 zeigt am Beispiel von Sojabohnen das Ergebnis der Vermahlung. Um eine Probe effektiv extrahieren zu können, sind Partikelgrößen von etwa 500 µm optimal – ist die Probe deutlich gröber, so dauert die Extraktion zu lange, bei deutlich feineren Partikelgrößen kann die Extraktionshülse verstopfen. Für die Zerkleinerung wurde eine Ultra-Zentrifugalmühle ZM 200 mit einem 1-mm-Distanzsieb benutzt, wobei als Faustregel gilt, dass die Feinheit im Bereich der halben Siebmaschenweite liegt. Das Distanzsieb hilft eine Erwärmung der Probe und den Austritt von Öl zu vermeiden.

Fermentation von Biomasse durch Mikroorganismen

Biogasanlagen haben für die Energiegewinnung stark an Bedeutung gewonnen. Im Prinzip kann in solchen Anlagen Biomasse beliebiger Art (meist Algen oder pflanzliche Abfälle) als Rohstoff verwendet werden. Die Pflanzen werden unter Ausschluss von Sauerstoff durch Mikroorganismen „verdaut“ und das entstehende Methan kann in Heizkraftwerken verbrannt werden. Wichtige Faktoren für die Ausbeute an Methan sind die verwendete Pflanzenart und die eingesetzten Mikroorganismen. Um im Laborexperiment den Abbauprozess zu beschleunigen, werden die pflanzlichen Abfälle zunächst vorzerkleinert. Für diesen Schritt ist eine Messermühle wie die Grindomix von Retsch hervorragend geeignet, da diese auch feuchte Materialien, wie Algen oder Silage, problemlos verarbeitet. Es resultiert ein homogener Brei, in dem das Material deutlich schneller abgebaut wird als bei einer unzerkleinerten Probe.

* Dr. A. Theisen: Retsch GmbH, 42781 Haan

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