Characterisation of biogas digestate as raw material for fibre composites

Abstract

Various synthetic fibres and natural fibres are used as reinforcing fibres in the fibre composite industry. Efforts towards sustainable products and the avoidance of land-use competition are increasingly driving the search for alternatives. Biorefineries are one possible solution. Biogas plants process structurally rich plant-based biomass. The resulting digestates have already been partially degraded. Natural reinforcement fibres are extracted chemically or biologically from plants, the use of digestates is obvious. This paper deals with the question whether biogas digestate can be used as a fibre raw material for composite materials. Digestates from four different commercially operated biogas plants in Germany are considered. Besides three biogas plants that utilize an average mix of animal excrement and plants one plant is operating solely plant-based. The solid portions of the fermentation residues were first examined regarding fibre quality. For this purpose, the fibre dimensions (fibre length and degree of slenderness) and the density of the fermentation residues were determined. Utilizing a feed analysis according to van Soest, the proportions of cell wall components were examined. The results of the investigations were compared with common fibres such as flax and wood. In addition to the properties, the possible fibre yield from the various fermentation residues was also considered. In this study, the influence of the starting substrates was considered in detail. For this purpose, the distribution of different size classes was first determined utilizing wet sieve analysis. These results were combined with the dry matter content. Digestates from a plant using exclusively plants as substrates, with a high proportion of hop vines, are considered separately. It is considered whether the additional washing of the fermentation residues brings an advantage for the fibre quality. To prove this thesis, the most common fibre properties are also examined and compared with wood fibres. These digestates from this biogas plant are used for the following investigations. Composite materials are often produced with a textile as reinforcement. Therefore, the digestate is first processed into a nonwoven. The wet laying technology is used, as it is suitable for various types of fibres. Only cellulose is used as a binding material so that the nonwoven is completely bio-based. The hot-press technology with a thermoset matrix is used to produce the composites. The matrix used is a partially bio-based epoxy resin system. The most suitable process parameters are determined with two test scenarios. In the first run, the proportion of added matrix is varied at constant pressure. In the second run, the pressure is varied at constant matrix content. Destructive and non-destructive material tests are carried out to check the material properties. To make a statement about a suitable application, the mechanical properties and the water absorption are of particular importance. In addition, the behaviour towards chemicals is examined to be able to assess the resistance of the material. For this purpose, the composite material is produced with the previously determined process parameters and immersed in various chemicals. Finally, the durability of the composite materials is examined. For this purpose, the composite material is also produced with the previously determined process parameters. An epoxy resin with a higher bio-based content is used as the matrix. The material is exposed to UV radiation and humid air for three months. Afterwards, the mechanical properties and water absorption are examined again. The main finding of the presented study is that the solid components of digestate can be processed into composite materials. The properties of the digestate fibres are similar to those of wood fibres. For the yield of digestate fibres, it is advantageous if only a small proportion of animal excrements is used as substrate in the biogas plant. Additional processing after fermentation leads to an increase in fibre quality. The hot-press-technology has proven to be a suitable process, as fully impregnated composites with reproducible properties can be produced. The process parameters determined are a pressure of at least 4:5MPa and a matrix addition of 60%, which corresponds to an excess of about 10%. The properties of the composites are comparable to Wood Plastic Composites. Therefore, they can be considered adequate. The durability is shown to be inadequate due to the strong reduction in mechanical properties after artificial weathering and chemical storage. The durability is mainly dependent on the matrix. Based on the results described, an application for the digestate composites as furniture material is recommended.

In der Faserverbundindustrie werden verschiedene synthetische Fasern und Naturfasern als Verstärkungsfaser eingesetzt. Aufgrund von Bestrebungen zu nachhaltigen Produkten und der Vermeidung von Flächennutzungskonkurrenz werden zunehmend Alternativen gesucht. Hierfür stellen Bioraffinerien eine mögliche Lösung dar. Biogasanlagen vergären strukturreiche pflanzenbasierte Biomasse. Die entstehenden Gärreste sind bereits teilweise abgebaut. Als Verstärkungsfasern genutzte Naturfasern werden chemisch oder biologisch aus Pflanzen extrahiert, dies legt eine Verwendung von Gärresten nahe. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob Biogasgärreste als Faserrohstoff für Verbundwerkstoffe infrage kommen. Es werden Gärreste aus vier verschiedenen kommerziell betriebenen Biogasanlagen betrachtet. Neben drei Anlagen mit einem durchschnittlichen Substratmix aus tierischen Exkrementen und Pflanzen, werden auch Gärreste aus einer rein pflanzlich betriebenen Anlage betrachtet. Die festen Anteile der Gärreste werden zunächst hinsicht- lich der Faserqualität untersucht. Dazu werden die Faserdimensionen und die Dichte der Gärreste bestimmt. Mittels einer Futtermittelanalyse nach van Soest werden die Anteile an Zellwandbestandteilen untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden mit gängigen Fasern wie Flachs und Holz verglichen. Neben den Eigenschaften wird auch die mögliche Faserausbeute aus den verschiedenen Gärresten betrachtet. Hier wird insbesondere der Einfluss der Ausgangssubstrate betrachtet. Dazu wird zunächst die Verteilung verschiedener Größenklassen mittels Nasssiebanalyse ermittelt. Diese Ergebnisse werden mit der Trockensubstanz kombiniert. Anschließend werden Gärreste einer Anlage, die ausschließlich pflanzliche Substrate, mit einem hohen Anteil an Hopfenreben gesondert betrachtet. Es wird betrachtet, ob das zusätzliche Waschen der Gärreste für die Faserqualität einen Vorteil bringt. Zur Überprüfung der These werden die gängigsten Fasereigenschaften untersucht und mit Holzfasern verglichen. Diese Gärreste dieser Biogasanlage werden für die nachfolgenden Untersuchungen genutzt. Verbundwerkstoffe werden häufig mit einem Textil als Verstärkung hergestellt. Daher werden die Gärreste zunächst zu einem Vlies verarbeitet. Dazu wird die Nassvliestechnik genutzt. Als Bindematerial wird ausschließlich Zellstoff verwendet, sodass das Vlies vollständig biobasiert ist. Zur Herstellung der Verbundwerkstoffe wird die Heißpresstechnik mit duroplastischer Matrix verwendet. Die verwendete Matrix ist ein teilweise biobasiertes Epoxidharzsystem. Mithilfe zweier Versuchsszenarien werden die am besten geeigneten Prozessparameter ermittelt. Im ersten Durchgang wird der Anteil an zugegebener Matrix bei konstantem Druck variiert. Beim zweiten Durchgang wird der Druck bei konstantem Matrixgehalt variiert. Zur Überprüfung der Werkstoffeigenschaften werden zerstörende und nicht zerstörende Werkstoffprüfungen durchgeführt. Um eine Aussage über eine geeignete Anwendung zu treffen, sind insbesondere die mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme von Bedeutung. Zusätzlich wird das Verhalten gegenüber Chemi- kalien untersucht, um die Beständigkeit des Werkstoffs beurteilen zu können. Dazu wird der Verbundwerkstoff mit den zuvor ermittelten Prozessparametern hergestellt und in verschiedene Chemikalien eingelegt. Abschließend wird die Dauerhaftigkeit der Verbundwerkstoffe betrachtet. Dazu wird der Verbundwerkstoff mit den zuvor ermittelten Prozessparametern hergestellt. Als Matrix wird jedoch ein Epoxidharz mit höherem biobasiertem Anteil verwendet. Der Werkstoff wird über drei Monate hinweg UV-Strahlung und feuchter Luft ausgesetzt. Danach werden erneut die mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme untersucht. Die wesentliche Erkenntnis der Arbeit ist, dass sich die festen Bestandteile von Gärresten zu Verbundwerkstoffen verarbeiten lassen. Die Eigenschaften der Gärreste sind ähnlich zu denen von Holzfasern. Für die Ausbeute an Gärrestefasern ist es vorteilhaft, wenn in der Biogasanlage nur ein geringer Anteil an tierischen Exkrementen als Substrat einge- setzt wird. Eine zusätzliche Aufbereitung ach der Vergärung führt zu einer Steigerung der Faserqualität. Die Heißpresstechnik hat sich als geeignetes Verfahren erwiesen, da vollständig imprägnierte Verbundwerkstoffe mit reproduzierbaren Eigenschaften hergestellt werden können. Ein Druck von mindestens 4.5 MPa und eine Matrixzugabe von 60 %, was einem Überschuss von ca. 10 % entspricht, werden als beste Prozessparameter ermittelt. Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind mit Wood Plastic Composites vergleichbar. Die Dauerhaftigkeit zeigt sich aufgrund der stark verminderten mechanischen Eigenschaften nach der künstlichen Bewitterung und der Chemikalienlagerung als verbesserungswürdig. Die Dauerhaftigkeit ist hauptsächlich durch die Matrix definiert. Aufgrund der beschriebenen Ergebnisse ist eine Anwendung für die Gärresteverbundwerkstoffe als Möbelwerkstoff zu empfehlen.