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

Trasformare i rifiuti in energia è un concetto familiare nel mondo moderno, ma il processo è spesso un delicato gioco di equilibrio. Al cuore di questo sforzo risiede la digestione anaerobica, un metodo naturale in cui i microbi scompongono la materia organica in assenza di ossigeno per produrre biogas, un combustibile ricco di metano. Questo combustibile può alimentare case e veicoli, offrendo un'alternativa più pulita ai combustibili fossili. Tuttavia, il processo è fragile. Quando agricoltori e trasformatori alimentari mescolano diversi tipi di scarti per nutrire queste comunità microbiche, il sistema può diventare instabile. I microbi possono produrre troppo acido, o l'ambiente può diventare troppo tossico a causa dell'ammoniaca, causando il rallentamento o l'arresto dell'intera operazione. Per mantenere il sistema in funzione correttamente, gli scienziati cercano da tempo additivi che possano agire come un tampone, stabilizzando l'ambiente e aiutando i microbi a lavorare in modo più efficiente. Una via promettente prevede l'uso di materiali ricchi di carbonio, che possono assorbire i sottoprodotti nocivi e fornire una superficie per la crescita dei batteri benefici.

In uno studio recente, i ricercatori hanno esplorato una soluzione specifica a questo problema: trasformare lo scarto solido residuo del processo di digestione stesso in uno strumento per migliorare il processo. Dopo la scomposizione iniziale dei rifiuti, rimane un materiale chiamato digestato. Sebbene sia spesso utilizzato come fertilizzante, la parte solida di questo digestato può essere riscaldata in un ambiente povero di ossigeno per creare una sostanza porosa, simile al carbone, nota come biochar. I ricercatori si sono posti una domanda semplice ma significativa: se avessero preso questo residuo solido, lo avessero trasformato in biochar e lo avessero aggiunto nuovamente nel serbatoio di digestione, avrebbe aiutato a produrre più combustibile e a mantenere stabile il sistema? Hanno testato questo aspetto creando il biochar dalla frazione solida del digestato e riscaldandolo a una temperatura specifica, per poi mescolarlo in lotti di scarti agricoli e industriali in ambienti di laboratorio controllati.

Il team ha testato cinque diverse quantità di questo additivo biochar per trovare il punto ottimale. Hanno osservato che l'aggiunta del materiale ha effettivamente cambiato il risultato, ma solo fino a un certo punto. Quando è stata aggiunta una piccola quantità, il sistema è migliorato, ma aggiungerne troppa non ha portato benefici ed è servita solo ad aggiungere massa superflua. La dose più efficace è stata individuata nell'uno percento del peso totale della miscela. A questo specifico livello, i risultati sono stati chiari e misurabili. Il volume totale di gas prodotto è aumentato significamente, passando da 619 millilitri a 992 millilitri in condizioni standard. Ancora più importante, la quantità di metano, la componente preziosa del combustibile, è aumentata da 322 millilitri a 565 millilitoli. Il gas è diventato anche più ricco di metano, passando dal 52 percento al 57 percento, il che significa che il combustibile era di qualità superiore.

Oltre a produrre più gas, il biochar ha aiutato il sistema a funzionare in modo più fluido. I ricercatori hanno misurato i livelli di acidi grassi volatili, che sono sottoprodotti acidi che possono avvelenare i microbi se si accumulano, e hanno scoperto che questi livelli sono diminuiti. Allo stesso modo, la concentrazione di azoto ammoniacale totale, un'altra sostanza che può inibire il processo, è diminuita. Anche la quantità di solfuro di idrogeno, un gas tossico e maleodorante spesso associato al biogas, è diminuita. Analizzando la velocità con cui il gas veniva prodotto nel tempo, i ricercatori hanno determinato che i microbi hanno iniziato a lavorare prima e hanno raggiunto la loro velocità massima più rapidamente in presenza del biochar. Ciò suggerisce che il materiale ha aiutato la comunità microbica a stabilirsi più rapidamente e a operare con maggiore efficienza.

Lo studio ha anche esaminato se questa idea potesse funzionare in un vero impianto di biogas su scala industriale. I ricercatori hanno calcolato i flussi di energia e di materia necessari per prendere lo scarto solido, asciugarlo, riscaldarlo per trasformarlo in biochar e reintrodurlo nel sistema. Hanno scoperto che un impianto non avrebbe bisogno di convertire tutto il proprio scarto solido in biochar per vedere i benefici; ne basterebbe una parte. Tuttavia, hanno identificato un ostacolo significativo: l'energia necessaria per asciugare il rifito solido umido prima del riscaldamento è considerevole. Sebbene il concetto di riciclare lo scarto in un additivo utile sia valido, l'implementazione pratica dipende dalla capacità di un impianto di recuperare abbastanza calore da rendere efficiente il processo di essiccazione. Lo studio conclude che, sebbene questo approccio circolare mostri grande promessa per migliorare la produzione di metano e la stabilità, l'uso su larga scala richiederà test accurati sulle capacità di essiccazione locali e un monitoraggio a lungo termine per garantire che il sistema rimanga stabile nel tempo.