Studi cinesi sulla paglia di riso: il pretrattamento chimico aumenta la resa di biogas del 36–45%

La paglia di riso rappresenta una delle maggiori risorse di rifiuti agricoli in Asia, ma a causa dell'elevato contenuto di lignocellulosa fermenta lentamente e in modo incompleto. Uno studio condotto da un team della Jiangsu Academy of Agricultural Sciences di Nanchino (in collaborazione con la Southeast University), pubblicato sulla rivista BioResources nel marzo 2019, ha verificato se tre economici reagenti chimici potessero migliorare la resa di biogas con un breve tempo di pretrattamento. Il miglior risultato è stato ottenuto con l'idrossido di calcio: 413,5 mL di biogas per grammo di sostanza secca organica, ovvero il 45,2% in più rispetto alla paglia non trattata.

Metodologia

La paglia è stata miscelata con acqua in rapporto 1:3 e trattata a temperatura ambiente in un sistema "a stato solido" (solid-state). Le concentrazioni (riferite alla massa) erano: 3% H₂O₂, 8% Ca(OH)₂ e 5% NH₃·H₂O. Sono stati testati tempi di pretrattamento di 6, 24, 72, 120 e 168 ore. La digestione anaerobica è stata condotta in modalità discontinua a 37 ± 1 °C in bottiglie da 1000 mL con un volume di lavoro di 800 mL, utilizzando 48 g di paglia trattata (sostanza secca) e 500 g di inoculo sotto forma di digestato proveniente da fanghi di depurazione. Il pH è stato fissato a 7,5 e l'aria nello spazio di testa è stata rimossa mediante insufflazione di azoto.

Risultati

Gli autori concludono che la riduzione del tempo di pretrattamento è fattibile per tutti e tre i reagenti, e il Ca(OH)₂ ha fornito la resa più elevata nel più breve dei tre tempi ottimali (72 h); la differenza tra la calce e gli altri due trattamenti è risultata statisticamente significativa (P < 0,01), mentre H₂O₂ (168 h) e NH₃·H₂O (120 h) non hanno mostrato differenze significative. La velocità volumetrica media di produzione di biogas in queste varianti è stata superiore del 35,4–45,8% rispetto al controllo.

Come interpretare i risultati

In primo luogo, il risultato principale riguarda il biogas, non il metano: il contenuto medio di metano nello studio era circa del 46%, e la resa di metano dopo i migliori pretrattamenti si è attestata nell'intervallo 182,6–198,0 mL/g SV (31,7–42,8% in più rispetto al controllo, 138,7 mL/g SV). In secondo luogo, il test discontinuo con un solo tipo di inoculo fornisce un risultato dipendente dalle condizioni; altri laboratori potrebbero ottenere valori diversi per la stessa paglia. In terzo luogo, la percentuale di miglioramento rispetto al controllo è più importante del valore assoluto, poiché dipende meno dal campione e dall'inoculo. Per questo motivo, nella creazione di tabelle BMP, indichiamo il metodo e il tipo di risultato (biogas o metano).

Significato pratico

Per un impianto di biogas, il pretrattamento della paglia dovrebbe essere valutato economicamente: costo del reagente, energia e tempo, nonché l'impatto sul digestato (la calce aumenta il pH e il contenuto di calcio, l'ammoniaca incrementa il contenuto di azoto). Nelle aziende agricole dove la paglia è un rifiuto, può essere sufficiente una semplice triturazione e la codigestione con liquame (a seconda della percentuale di paglia nella miscela e dell'impianto); la codigestione della paglia di riso con liquame suino, con pretrattamento microbiologico, è descritta in un articolo separato.

Perché la paglia di riso è un substrato difficile

Gli autori sottolineano che il pretrattamento mira a rimuovere parte della lignina e delle emicellulose, aumentando così l'accessibilità della cellulosa agli enzimi. Le metodiche chimiche sono indicate come pratiche, rapide ed economiche, ma il classico pretrattamento in fase liquida richiede molta acqua per il lavaggio o acidi e basi per la neutralizzazione, provoca corrosione e rimuove parte della materia organica solubile. Per questo motivo, nello studio è stato applicato un pretrattamento "a stato solido" a temperatura ambiente, senza lavaggio. In pratica, la scelta dell'agente dipende dal costo, dalla sicurezza di manipolazione e dall'impatto sul digestato.

Come scegliere il tempo di pretrattamento

La conclusione più importante dello studio riguarda il tempo: i migliori risultati sono stati ottenuti con tempi di 72 h (calce), 120 h (ammoniaca) e 168 h (perossido di idrogeno), ovvero da tre a sette giorni, senza procedure più lunghe. Per un'azienda, ciò significa la necessità di condurre propri test BMP in diversi punti temporali, invece di copiare i parametri dalla letteratura.

Nota sulla comparabilità

Lo studio pubblicato su BioResources serve a confrontare i metodi di pretrattamento, non a determinare il BMP della paglia di riso secondo un protocollo standardizzato; pertanto, i suoi dati vanno considerati come un'illustrazione dell'entità dell'effetto del pretrattamento.

Cosa significa per la Polonia/l'Europa

Le paglie cerealicole polacche presentano limitazioni lignocellulosiche simili a quelle della paglia di riso. Gli studi asiatici dimostrano che il pretrattamento alcalino può migliorare la digestione anaerobica, ma richiede un adattamento alla materia prima e all'infrastruttura. Per i progettisti di impianti, l'aspetto più importante è condurre test BMP sulla propria materia prima, con e senza pretrattamento.