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

Elke dag genereert de wereld een berg organisch afval, van voedselresten in onze keukens tot de mest die achterblijft door vee. Wanneer dit materiaal simpelweg wordt opgestapeld of begraven, rot het vaak op een manier die schadelijke gassen vrijgeeft en de bodem vervuilt. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om dit probleem in een oplossing te veranderen, zoekend naar methoden die niet alleen de rommel opruimen, maar ook de energie die gevangen zit in het rottende materiaal terugwinnen. Eén veelbelovende aanpak omvat de zwarte soldatenvlieg, een klein insect waarvan de larven gulzige eters zijn. Deze larven kunnen enorme hoeveelheden organisch afval consumeren en dit afbreken tot een nutriëntenrijk bodemverbeteraar bekend als frass. Hoewel deze frass uitstekend is voor het bemesten van gewassen, is verse frass vaak onstabiel en kan het pathogenen bevatten die het risicovol maken om direct op het land te verspreiden. De uitdaging is geweest om een manier te vinden om dit materiaal veilig te stabiliseren en tegelijkertijd de energie die er nog in opgesloten zit, terug te winnen.

Een team onderzoekers aan de Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology in Kenia zette zich schouder aan schouder om dit puzzelstuk op te lossen door te testen of dit door insecten geproduceerde afval gevoerd kon worden aan een biologische machine die een anaerobe vergister wordt genoemd. Dit proces, dat zonder zuurstof plaatsvindt, is vergelijkbaar met wat er diep in een moeras of in de maag van een koe gebeurt, waar microben organisch materiaal afbreken om een gas te produceren dat rijk is aan methaan. De onderzoekers wilden zien of ze de frass van zwarte soldatenvlieglarven konden gebruiken die gevoed waren met drie verschillende soorten afval: menselijke fecaliën, varkensmest en kippenmest. Hun doel was om te bepalen of dit overgebleven materiaal getransformeerd kon worden tot een schone brandstofbron, terwijl het afval tegelijkertijd veilig werd gemaakt voor het milieu.

Om hun onderzoek te beginnen, verzamelde het team vers afval uit lokale bronnen en introduceerde vijfdaagde zwarte soldatenvlieglarven aan dit afval. De insecten mochten groeien totdat ze volledig volwassen waren, waarna de onderzoekers de resulterende frass oogstten. Ze bereidden zorgvuldig monsters voor van elk van de drie soorten afval, waarbij ze deze fijnmaalden tot een uniforme grootte en in een koele plek bewaarden om ze vers te houden. Voordat ze de potentie voor brandstof testten, analyseerden de wetenschappers de fysieke en chemische samenstelling van elk monster. Ze ontdekten dat alle drie de soorten frass vrij droog en alkalisch waren, wat betekent dat ze een hoog pH-niveau hadden. De samenstelling varieerde echter aanzienlijk afhankelijk van wat de larven hadden gegeten. De frass van varkensmest bevatte de hoogste hoeveelheid organisch materiaal dat afgebroken kon worden, terwijl de frass van kippenmest het droogst was en de minste afbreekbare materie bevatte.

De onderzoekers plaatsten deze monsters vervolgens in verzegelde glazen flessen samen met een speciale mengeling van microben afkomstig uit een actieve vergister. Ze creëerden een gecontroleerde omgeving waarin zuurstof werd uitgesloten, waardoor de microben konden feesten op de frass en biogas konden produceren. Gedurende een periode van vijftig vijf dagen maten ze elke dag de geproduceerde gashoeveelheid. De resultaten toonden een duidelijk verschil in prestaties op basis van de oorspronkelijke voedingsbron. De frass afgeleid van varkensmest produceerde de meeste energie, met een totale generatie van 619 milliliter biogas per gram vluchtige stoffen, met een methaanopbrengst van 347 milliliter. De frass van menselijke fecaliën presteerde goed in het midden, met een productie van 378 milliliter biogas en 205 milliliter methaan. In schril contrast hiermee presteerde de kippenmestfrass aanzienlijk minder, met een productie van slechts 185 milliliter biogas en 100 milliliter methaan.

Het team ontdekte dat de slechte prestaties van de kippenmestfrass te wijten waren aan de chemische aard ervan. Het bevatte hoge niveaus van zwavel en had een zeer hoge pH, beide zaken die giftig kunnen zijn voor de microben die verantwoordelijk zijn voor de productie van methaan. Daarnaast bevatte het materiaal van de kippenmest resten van strooisel die moeilijk af te breken zijn door microben, wat fungeert als een barrière voor de terugwinning van energie. De varkensmestfrass was daarentegen rijk aan gemakkelijk verteerbaar organisch materiaal, waardoor de microben efficiënt konden werken. De onderzoekers observeerden ook dat het proces van het afbreken van de varkensmestfrass iets langer duurde om op gang te komen, met een vertraging van bijna drie dagen voordat de productie piekte, maar zodra het begon, produceerde het energie tegen een sneller tempo dan de andere monsters.

Om de snelheid en het patroon van deze energieproductie te begrijpen, gebruikten de wetenschappers wiskundige modellen om hun gegevens te fitten. Ze vonden dat de methaanproductie van de varkens- en menselijke afvalstoffen een specifieke curve volgde die rekening hield met een langzame start gevolgd door een snelle toename. Voor de kippenmest was het proces echter veel langzamer en meer lineair, wat suggereerde dat de afbraak van het materiaal zelf de belangrijkste flessenhals was. De studie bevestigde dat hoewel alle drie de soorten frass gebruikt konden worden om energie te genereren, de variëteit van varkensmest verreweg de meest effectieve was. Het proces slaagde er ook in om de hoeveelheid organisch afval in de flessen met wel 55 procent te verminderen, wat aangeeft dat het digestieproces het materiaal stabiliseerde en de potentie om milieuschade te veroorzaken verminderde.

Dit onderzoek benadrukt een praktische weg vooruit voor het beheer van organisch afval in een circulaire economie. Door zwarte soldatenvlieglarven te voeden met varkensmest en vervolgens de resulterende frass te vergisten, kunnen gemeenschappen een systeem creëren dat hernieuwbare energie produceert en tegelijkertijd afval behandelt en ziekterisico's vermindert. De studie suggereert dat deze methode bijzonder geschikt is voor varkensmest, die overvloedig aanwezig is in veel agrarische regio's. Hoewel de kippenmestfrass minder effectief bleek, bieden de bevindingen een duidelijke gids voor boeren en afvalbeheerders over welke afvalstromen het meest geschikt zijn voor deze tweeledige aanpak. Het werk toont aan dat het met de juiste combinatie van insectenbioconversie en microbiële digestie mogelijk is om een moeilijk afvalproduct te veranderen in een stabiele, energierijke grondstof zonder de noodzaak van complexe chemische behandelingen.