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

Ogni giorno, il mondo genera una montagna di rifiuti organici, dagli scarti alimentari nelle nostre cucine ai letami lasciati dal bestiame. Quando questo materiale viene semplicemente ammassato o sepolto, spesso marcisce in un modo che rilascia gas nocivi e inquina il suolo. Per decenni, gli scienziati hanno cercato modi per trasformare questo problema in una soluzione, cercando metodi che non solo pulissero il disordine, ma catturassero anche l'energia intrappolata all'interno della materia in decomposizione. Un approccio promettente coinvolge la mosca soldato nera, un piccolo insetto le cui larve sono voraci mangiatrici. Queste larve possono consumare enormi quantità di rifiuti organici, scomponendoli in un ammendante del suolo ricco di nutrienti noto come frass. Sebbene questo frass sia eccellente per fertilizzare le colture, il frass fresco è spesso instabile e può contenere patogeni che lo rendono rischioso da spargere immediatamente nei campi. La sfida è stata trovare un modo per stabilizzare questo materiale in modo sicuro, recuperando al contempo l'energia che rimane intrappolata al suo interno.

Un team di ricercatori della Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology in Kenya si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma, testando se questo rifiuto prodotto dagli insetti potesse essere alimentato in una macchina biologica chiamata digestore anaerobico. Questo processo, che avviene senza ossigeno, è simile a ciò che accade in una palude o all'interno dello stomaco di una mucca, dove i microbi scompongono la materia organica per produrre un gas ricco di metano. I ricercatori volevano vedere se potevano utilizzare il frass derivante da larve di mosca soldato nera che erano state alimentate con tre diversi tipi di rifiuti: feci umane, letame di maiale e letame di gallina. Il loro obiettivo era determinare se questo materiale residuo potesse essere trasformato in una fonte di combustibile pulito, rendendo simultaneamente il rifiuto sicuro per l'ambiente.

Per iniziare la loro indagine, il team ha raccolto rifiuti freschi da fonti locali e ha introdotto larve di mosca soldato nera di cinque giorni in essi. Gli insetti sono stati lasciati crescere fino a completa maturazione, momento in cui i ricercatori hanno raccolto il frass risultante. Hanno preparato con cura campioni da ciascuno dei tre tipi di rifiuto, macinandoli fino a ottenere una dimensione uniforme e conservandoli in un luogo fresco per mantenerli freschi. Prima di testare il potenziale energetico, gli scienziati hanno analizzato la composizione fisica e chimica di ogni campione. Hanno scoperto che tutti e tre i tipi di frass erano piuttosto secchi e alcalini, ovvero avevano un alto livello di pH. Tuttavia, la composizione variava significativamente a seconda di ciò che le larve avevano mangiato. Il frass derivante dal letame di maiale conteneva la maggiore quantità di materiale organico che poteva essere scomposto, mentre il frass del letame di gallina era il più secco e conteneva la minore quantità di materia degradabile.

I ricercatori hanno poi inserito questi campioni in bottiglie di vetro sigillate insieme a una speciale miscela di microbi prelevati da un digestore attivo. Hanno creato un ambiente controllato in cui l'ossigeno era escluso, permettendo ai microbi di nutrirsi del frass e produrre biogas. Per un periodo di cinquantacinque giorni, hanno misurato il gas prodotto ogni singolo giorno. I risultati hanno mostrato una chiara differenza di prestazioni in base alla fonte alimentare originale. Il frass derivato dal letame di maiale ha prodotto l'energia maggiore, generando un totale di 619 millilitri di biogas per ogni grammo di solidi volatili, con una resa di metano di 347 millilitri. Il frass delle feci umane ha avuto prestazioni buone, posizionandosi nel mezzo, producendo 378 millilitri di biogas e 205 millilitri di metano. Al contrario, il frass del letame di gallina ha faticato significativamente, producendo solo 185 millilitri di biogas e 100 millilitri di metano.

Il team ha scoperto che la scarsa prestazione del frass del letame di gallina era dovuta alla sua natura chimica. Conteneva alti livelli di zolfo e aveva un pH molto elevato, entrambi potenzialmente tossici per i microbi responsabili della produzione di metano. Inoltre, il materiale proveniente dal letame di gallina includeva residui di lettiera difficili da scomporre per i microbi, agendo come una barriera al recupero dell'energia. Il frass del letame di maiale, invece, era ricco di materia organica facilmente digeribile, permettendo ai microbi di lavorare efficientemente. I ricercatori hanno anche osservato che il processo di scomposizione del frass del letame di maiale ha impiegato un po' più di tempo per avviarsi, con un ritardo di quasi tre giorni prima che la produzione raggiungesse il picco, ma una volta iniziato, ha prodotto energia a un ritmo più veloce rispetto agli altri campioni.

Per comprendere la velocità e il modello di questa produzione di energia, gli scienziati hanno utilizzato modelli matematici per adattare i loro dati. Hanno scoperto che la produzione di metano dal rifiuto di maiale e umano seguiva una curva specifica che teneva conto di un inizio lento seguito da un rapido aumento. Per il letame di gallina, tuttavia, il processo era molto più lento e lineare, suggerendo che la scomposizione del materiale stesso fosse il principale collo di bottiglia. Lo studio ha confermato che, sebbene tutti e tre i tipi di frass potessero essere utilizzati per generare energia, la varietà del letame di maiale era di gran lunga la più efficace. Il processo ha anche ridotto con successo la quantità di rifiuto organico nelle bottiglie fino al 55 percento, indicando che il processo di digestione ha stabilizzato il materiale e ridotto il suo potenziale di danno ambientale.

Questa ricerca evidenzia una via pratica per la gestione dei rifiuti organici in un'economia circolare. Alimentando le larve di mosca soldato nera con letame di maiale e digerendo poi il frass, le comunità possono creare un sistema che produce energia rinnovabile, trattando contemporamente i rifiuti e riducendo i rischi di malattie. Lo studio suggerisce che questo metodo è particolarmente adatto al letame di maiale, che è abbondante in molte regioni agricole. Sebbene il frass del letame di gallina si sia dimostrato meno efficace, le scoperte forniscono una guida chiara per agricoltori e gestori dei rifiuti su quali flussi di rifiuti siano più adatti a questo approccio a duplice scopo. Il lavoro dimostra che, con la giusta combinazione di bioconversione degli insetti e digestione microbica, è possibile trasformare un difficile prodotto di scarto in una risorsa stabile e ricca di energia senza la necessità di complessi trattamenti chimici.