Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

Die Umwandlung von Abfall in Energie ist ein bekanntes Konzept in der modernen Welt, doch der Prozess ist oft ein empfindlicher Balanceakt. Das Herzstück dieser Bemühungen ist die anaerobe Vergärung, eine natürliche Methode, bei der Mikroben organisches Material in Abwesenheit von Sauerstoff abbauen, um Biogas zu erzeugen – einen Brennstoff, der reich an Methan ist. Dieser Brennstoff kann Häuser und Fahrzeuge mit Energie versorgen und bietet so eine sauberere Alternative zu fossilen Brennstoffen. Dieser Prozess ist jedoch fragil. Wenn Landwirte und Lebensmittelverarbeiter verschiedene Arten von Abfällen mischen, um diese mikrobiellen Gemeinschaften zu füttern, kann das System instabil werden. Die Mikroben können zu viel Säure produzieren, oder die Umgebung kann zu toxisch durch Ammoniak werden, was den gesamten Betrieb verlangsamen oder ganz zum Stillstand bringen kann. Um das System am Laufen zu halten, suchen Wissenschaftler seit langem nach Additiven, die als Puffer fungieren können, indem sie die Umgebung stabilisieren und den Mikroben helfen, effizienter zu arbeiten. Ein vielversprechender Weg beinhaltet die Verwendung von kohlenstoffreichen Materialien, die schädliche Nebenprodukte absorbieren und eine Oberfläche für das Wachstum nützlicher Bakterien bieten können.

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher eine spezifische Lösung für dieses Problem: den verbleibenden festen Abfall aus dem Verdauungsprozess selbst in ein Werkzeug zur Verbesserung des Prozesses umzuwandeln. Nach dem anfänglichen Abbau des Abfalls bleibt ein Material namens Gärrest zurück. Während dieser oft als Dünger verwendet wird, kann der feste Teil dieses Gärrests in einer sauerstoffarmen Umgebung erhitzt werden, um eine poröse, kohleähnliche Substanz namens Biochar (Biokohle) zu erzeugen. Die Forscher stellten eine einfache, aber bedeutende Frage: Wenn sie diesen festen Rückstand nehmen, ihn in Biochar umwandeln und ihn wieder in den Verdauungstank geben würden, würde es helfen, mehr Brennstoff zu produzieren und das System stabil zu halten? Sie testeten dies, indem sie die Biochar aus dem festen Anteil des Gärrests herstellten, sie auf eine bestimmte Temperatur erhitzten und sie dann in Chargen von landwirtschaftlichen und industriellen Abfällen in kontrollierten Laborumgebungen mischten.

Das Team testete fünf verschiedene Mengen dieses Biochar-Additivs, um den idealen Punkt zu finden. Sie beobachteten, dass das Hinzufügen des Materials die Ergebnisse tatsächlich veränderte, aber nur bis zu einem gewissen Grad. Als sie eine kleine Menge hinzufügten, verbesserte sich das System, aber das Hinzufügen zu vieler Mengen machte es nicht besser und fügte lediglich unnötiges Volumen hinzu. Die effektivste Dosis wurde bei einem Prozent des Gesamtgewichts der Mischung gefunden. Auf dieser spezifischen Ebene waren die Ergebnisse klar und messbar. Das gesamte Gasvolumen stieg signifikant an, von 619 Millilitern auf 992 Milliliter unter Standardbedingungen. Noch wichtiger war, dass die Menge an Methan, der wertvolle Brennstoffbestandteil, von 322 Millilitern auf 565 Milliliter anstieg. Das Gas wurde auch methanreicher, wobei der Anteil von 52 Prozent auf 57 Prozent stieg, was bedeutet, dass der Brennstoff eine höhere Qualität aufwies.

Über die Produktion von mehr Gas hinaus half die Biochar dabei, das System reibungsloser laufen zu lassen. Die Forscher maßen die Werte flüchtiger Fettsäuren – säurehaltige Nebenprodukte, die die Mikroben vergiften können, wenn sie sich anreichern – und stellten fest, dass diese Werte sanken. Ähnlich sank die Konzentration des gesamten ammoniakalen Stickstoffs, eines weiteren Stoffes, der den Prozess hemmen kann. Auch die Menge an Schwefelwasserstoff, einem toxischen und übelriechenden Gas, das häufig mit Biogas in Verbindung gebracht wird, ging zurück. Durch die Analyse der Geschwindigkeit, mit der das Gas über die Zeit produziert wurde, stellten die Forscher fest, dass die Mikroben mit der Anwesenheit von Biochar früher mit der Arbeit begannen und ihre Spitzengeschwindigkeit schneller erreichten. Dies deutet darauf-hin, dass das Material der mikrobiellen Gemeinschaft half, sich schneller zu etablieren und mit größerer Effizienz zu arbeiten.

Die Studie untersuchte auch, ob diese Idee in einer echten, vollumfänglichen Biogasanlage funktionieren könnte. Die Forscher berechneten die Energie- und Materialflüsse, die erforderlich sind, um den festen Abfall zu nehmen, ihn zu trocknen, ihn zu Biochar zu erhitzen und ihn wieder in das System einzuspeisen. Sie fanden heraus, dass eine Anlage nicht den gesamten festen Abfall in Biochar umwandeln müsste, um Vorteile zu erzielen; nur ein Teil wäre notwendig. Sie identifizierten jedoch eine erhebliche Hürde: Die Energie, die benötigt wird, um den feuchten festen Abfall vor dem Erhitzen zu trocknen, ist beträchtlich. Während das Konzept, den Abfall in ein hilfreiches Additiv zu recyceln, fundiert ist, hängt die praktische Umsetzung von der Fähigkeit einer Anlage ab, genügend Wärme zurückzugewinnen, um den Trocknungsprozess effizient zu gestalten. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser kreislauforientierte Ansatz großes Potenzial zur Verbesserung der Methanproduktion und Stabilität zeigt, eine erfolgreiche großtechnische Nutzung jedoch eine sorgfältige Prüfung der lokalen Trocknungskapazitäten und eine langfristige Überwachung erfordert, um sicherzustellen, dass das System über die Zeit stabil bleibt.