Biomethane Recovery for Hermetia illucens Larval Frass Derived from Faecal matter, Swine Manure and Chicken Manure

Jeden Tag erzeugt die Welt einen Berg organischer Abfälle, von den Lebensmittelresten in unseren Küchen bis hin zum Mist, der hinter Nutztieren zurückbleibt. Wenn dieses Material einfach nur aufgestapelt oder vergraben wird, verrottet es oft auf eine Weise, die schädliche Gase freisetzt und den Boden belastet. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Wegen, dieses Problem in eine Lösung zu verwandeln, indem sie Methoden suchen, die nicht nur den Unrat beseitigen, sondern auch die in der verrottenden Materie gefangene Energie gewinnen. Ein vielversprechender Ansatz umfasst die Schwarze Soldatenfliege, ein kleines Insekt, dessen Larven gierige Esser sind. Diese Larven können riesige Mengen organischer Abfälle konsumieren und diese in ein nährstoffreiches Bodenverbesserungsmittel namens Frass umwandeln. Obwohl dieser Frass hervorragend zur Düngung von Nutzpflanzen geeignet ist, ist frischer Frass oft instabil und kann Krankheitserreger enthalten, was seine sofortige Ausbringung auf Feldern riskant macht. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, dieses Material sicher zu stabilisieren und gleichzeitig die darin noch enthaltene Energie zurückzugewinnen.

Ein Forscherteam an der Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology in Kenia machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem es testete, ob dieser durch Insekten erzeugte Abfall in eine biologische Maschine, einen anaeroben Digester, eingespeist werden konnte. Dieser Prozess, der ohne Sauerstoff abläuft, ähnelt dem, was tief in einem Sumpf oder im Magen einer Kuh geschieht, wo Mikroben organisches Material abbauen, um ein Methangasreiches Gas zu erzeugen. Die Forscher wollten sehen, ob sie den Frass von Schwarzen Soldatenfliegenlarven verwenden könnten, die mit drei verschiedenen Arten von Abfällen gefüttert worden waren: menschlichen Fäkalien, Schweinemist und Hühnermist. Ihr Ziel war es zu bestimmen, ob dieses übrig gebliebene Material in eine saubere Brennstoffquelle umgewandelt werden konnte, während gleichzeitig der Abfall für die Umwelt sicher gemacht wurde.

Zu Beginn ihrer Untersuchung sammelte das Team frische Abfälle aus lokalen Quellen und führte fünf Tage alte Larven der Schwarzen Soldatenfliege zu. Die Insekten durften wachsen, bis sie voll ausgewachsen waren, woraufhin die Forscher den resultierenden Frass ernteten. Sie bereiteten Proben von jeder der drei Abfallarten sorgfältig auf, indem sie sie auf eine einheitliche Größe zerkleinerten und an einem kühlen Ort lagerten, um sie frisch zu halten. Vor dem Test des Energiepotenzials analysierten die Wissenschaftler die physikalische und chemische Zusammensung jeder Probe. Sie fanden heraus, dass alle drei Arten von Frass recht trocken und alkalisch waren, was bedeutet, dass sie einen hohen pH-Wert hatten. Die Zusammensetzung variierte jedoch erheblich, je nachdem, was die Larven gefressen hatten. Der Frass aus Schweinemist enthielt den höchsten Anteil an organischem Material, das abgebaut werden konnte, während der Frass aus Hühnermist am trockensten war und den geringsten Anteil an abbaubaren Stoffen enthielt.

Die Forscher gaben diese Proben dann zusammen mit einer speziellen Mikrobenmischung, die aus einem aktiven Digester entnommen wurde, in versiegelte Glasflaschen. Sie schufen eine kontrollierte Umgebung, in der Sauerstoff ausgeschlossen wurde, sodass die Mikroben den Frass verzehren und Biogas produzieren konnten. Über einen Zeitraum von fünfundfünfzig Tagen maßen sie jeden einzelnen Tag die produzierte Gasmenge. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Leistungsunterschied basierend auf der ursprünglichen Nahrungsquelle. Der aus Schweinemist gewonnene Frass produzierte die meiste Energie und erzeugte insgesamt 619 Milliliter Biogas pro Gramm flüchtiger Feststoffe, mit einem Methanertrag von 347 Millilitern. Der Frass aus menschlichen Fäkalien schnitt im Mittelfeld ab und produzierte 378 Milliliter Biogas und 205 Milliliter Methan. Im krassen Gegensatz dazu hatte der Hühnermistfrass erhebliche Schwierigkeiten und produzierte nur 185 Milliliter Biogas und 100 Milliliter Methan.

Das Team stellte fest, dass die schlechte Leistung des Hühnermistfrasses auf seine chemische Natur zurückzuführen war. Er enthielt hohe Mengen an Schwefel und hatte einen sehr hohen pH-Wert, beides kann für die Mikroben, die für die Methanproduktion verantwortlich sind, toxisch sein. Zusätzlich enthielt das Material aus Hühnermist Rückstände von Einstreu, die für Mikroben schwer abbaubar sind und als Barriere für die Energierückgewinnung wirken. Der Schweinemistfrass hingegen war reich an leicht verdaulichem organischem Material, was es den Mikroben ermöglichte, effizient zu arbeiten. Die Forscher beobachteten auch, dass der Prozess des Abbaus des Schweinemistfrasses etwas länger dauerte, mit einer Verzögerung von fast drei Tagen, bevor die Produktion ihren Höhepunkt erreichte, aber sobald sie begann, produzierte er Energie schneller als die anderen Proben.

Um die Geschwindigkeit und das Muster dieser Energieproduktion zu verstehen, verwendeten die Wissenschaftler mathematische Modelle, um ihre Daten anzupassen. Sie fanden heraus, dass die Methanproduktion aus Schweine- und menschlichen Abfällen einer spezifischen Kurve folgte, die einen langsamen Start gefolgt von einem schnellen Anstieg berücksichtigte. Beim Hühnermist hingegen war der Prozess viel langsamer und linearer, was darauf hindeutete, dass der Abbau des Materials selbst der Hauptengpass war. Die Studie bestätigte, dass zwar alle drei Arten von Frass zur Energiegewinnung genutzt werden konnten, die Variante aus Schweinemist jedoch bei weitem am effektivsten war. Der Prozess reduzierte zudem die Menge des organischen Abfalls in den Flaschen um bis zu 55 Prozent, was darauf hindeutet, dass der Verdauungsprozess das Material stabilisierte und dessen Potenzial zur Umweltbelastung verringerte.

Diese Forschung unterstreicht einen praktischen Weg für das Management organischer Abfälle in einer Kreislaufwirtschaft. Indem Gemeinschaften Schwarze Soldatenfliegen mit Schweinemist füttern und anschließend den daraus resultierenden Frass vergären, können sie ein System schaffen, das erneuerbare Energie produziert und gleichzeitig Abfälle behandelt sowie Krankheitsrisiken senkt. Die Studie legt nahe, dass diese Methode besonders gut für Schweinemist geeignet ist, der in vielen landwirtschaftlich geprägten Regionen reichlich vorhanden ist. Während der Hühnermistfrass weniger effektiv war, liefert die Untersuchung Landwirten und Abfallmanagern einen klaren Leitfaden darüber, welche Abfallströme am besten für diesen zweckgebundenen Ansatz geeignet sind. Die Arbeit zeigt, dass es mit der richtigen Kombination aus insektibier Biokonversion und mikrobieller Verdauung möglich ist, ein schwieriges Abfallprodukt in eine stabile, energiereiche Ressource zu verwandeln, ohne dass komplexe chemische Behandlungen erforderlich sind.