Chinesische Untersuchungen zu Reisstroh: Chemische Vorbehandlung steigert die Biogasausbeute um 36–45 %

Reisstroh ist eine der größten Ressourcen landwirtschaftlicher Abfälle in Asien, vergärt aber wegen des hohen Lignozellulosegehalts langsam und unvollständig. Die Untersuchung eines Teams der Jiangsu Academy of Agricultural Sciences in Nanjing (Koautoren von der Southeast University), veröffentlicht in der Zeitschrift BioResources im März 2019, prüfte, ob drei günstige chemische Reagenzien die Biogasausbeute bei kurzer Vorbehandlungsdauer verbessern können. Das beste Ergebnis erzielte Calciumhydroxid: 413,5 Milliliter Biogas je Gramm organischer Trockensubstanz, also 45,2 % mehr als unbehandeltes Stroh.

Methodik

Das Stroh wurde im Verhältnis 1:3 mit Wasser vermischt und bei Raumtemperatur im „trockenen“ System (solid-state) behandelt. Die Konzentrationen (bezogen auf die Masse) betrugen: 3 % H₂O₂, 8 % Ca(OH)₂ und 5 % NH₃·H₂O. Getestet wurden Vorbehandlungszeiten von 6, 24, 72, 120 und 168 Stunden. Die Vergärung erfolgte im Batch-Verfahren bei einer Temperatur von 37 ± 1 °C in 1000-mL-Flaschen mit 800 mL Arbeitsvolumen, mit 48 g vorbehandeltem Stroh (Trockenmasse) und 500 g Inokulum in Form von Gärrest aus Klärschlamm. Der pH-Wert wurde auf 7,5 eingestellt, und die Luft aus dem Gasraum über dem Medium wurde mit Stickstoff ausgespült.

Ergebnisse

Die Autoren schließen, dass eine Verkürzung der Vorbehandlungszeit für alle drei Lösungen machbar ist und dass Ca(OH)₂ die höchste Ausbeute bei der kürzesten der drei optimalen Zeiten (72 h) ergab; der Unterschied zwischen Kalk und den beiden anderen Varianten war statistisch signifikant (P < 0,01), während sich H₂O₂ (168 h) und NH₃·H₂O (120 h) nicht signifikant unterschieden. Die mittlere volumetrische Biogasproduktionsrate lag bei diesen Varianten um 35,4–45,8 % höher als in der Kontrolle.

Wie das zu lesen ist

Erstens betrifft das Hauptergebnis Biogas, nicht Methan: Der durchschnittliche Methangehalt betrug in der Arbeit ca. 46 %, und die Methanausbeute nach den besten Vorbehandlungen lag im Bereich von 182,6–198,0 mL/g oTS (31,7–42,8 % mehr als in der Kontrolle, 138,7 mL/g oTS). Zweitens liefert ein Batch-Test mit einer einzigen Art von Inokulum ein von den Bedingungen abhängiges Ergebnis; andere Labore können für dasselbe Stroh andere Werte erhalten. Drittens ist der prozentuale Zuwachs gegenüber der Kontrolle wichtiger als die absolute Zahl, denn er hängt weniger von Probe und Inokulum ab. Daher geben wir bei der Erstellung von BMP-Zusammenstellungen die Methode und die Art des Ergebnisses an (Biogas oder Methan).

Praktische Bedeutung

Für Biogasanlagen sollte die Vorbehandlung von Stroh wirtschaftlich bewertet werden: Kosten für Reagenz, Energie und Zeit sowie der Einfluss auf den Gärrest (Kalk erhöht den pH-Wert und den Calciumgehalt, Ammoniak erhöht den Stickstoffgehalt). In Betrieben, in denen Stroh ein Abfall ist, kann eine einfache Zerkleinerung und Kofermentation mit Gülle ausreichen (je nach Strohanteil an der Ration und der Anlage); die Kofermentation von Reisstroh mit Schweinegülle bei mikrobiologischer Vorbehandlung beschreiben wir in einem gesonderten Beitrag.

Warum Reisstroh ein schwieriges Substrat ist

Die Autoren betonen, dass die Vorbehandlung einen Teil des Lignins und der Hemizellulosen entfernen soll, was die Zugänglichkeit der Zellulose für Enzyme erhöht. Chemische Methoden nennen sie bequem, schnell und günstig, aber die klassische Flüssigvorbehandlung erfordert viel Wasser zum Spülen oder Säuren und Basen zur Neutralisation, verursacht Korrosion und wäscht einen Teil der löslichen organischen Substanz aus. Daher wurde in der Untersuchung eine „trockene“ Vorbehandlung bei Raumtemperatur ohne Spülen angewandt. In der Praxis hängt die Wahl des Mittels von Preis, Handhabungssicherheit und Einfluss auf den Gärrest ab.

Wie die Vorbehandlungsdauer zu wählen ist

Die wichtigste Schlussfolgerung der Arbeit betrifft die Zeit: Die besten Ergebnisse brachten die Zeiten 72 h (Kalk), 120 h (Ammoniak) und 168 h (Wasserstoffperoxid), also drei bis sieben Tage, keine längeren Verfahren. Für ein Unternehmen bedeutet das die Notwendigkeit eigener BMP-Tests zu mehreren Zeitpunkten, statt Parameter aus der Literatur zu kopieren.

Hinweis zur Vergleichbarkeit

Die Untersuchung aus BioResources dient dem Vergleich von Vorbehandlungsmethoden und nicht der Bestimmung des BMP von Reisstroh nach einem genormten Protokoll; daher behandeln wir ihre Zahlen als Veranschaulichung der Größenordnung des Vorbehandlungseffekts.

Was das für Polen/Europa bedeutet

Polnisches Getreidestroh hat ähnliche lignozellulosebedingte Einschränkungen wie Reisstroh. Die Untersuchungen aus Asien zeigen, dass eine alkalische Vorbehandlung die Vergärung verbessern kann, aber eine Anpassung an den Rohstoff und die Infrastruktur erfordert. Für die Planer von Anlagen ist es am wichtigsten, BMP-Tests am eigenen Rohstoff mit und ohne Vorbehandlung durchzuführen.