Chinees onderzoek naar rijststro: chemische voorbehandeling verhoogt biogasopbrengst met 36–45%

Rijststro is een van de grootste bronnen van agrarisch afval in Azië, maar vanwege het hoge lignocellulosegehalte fermenteert het langzaam en onvolledig. Een onderzoeksteam van de Jiangsu Academy of Agricultural Sciences in Nanjing (medeauteurs van de Southeast University), gepubliceerd in het tijdschrift BioResources in maart 2019, onderzocht of drie goedkope chemische reagentia de biogasopbrengst konden verbeteren bij een korte voorbehandelingstijd. Het beste resultaat werd behaald met calciumhydroxide: 413,5 mL biogas per gram organische droge stof, oftewel 45,2% meer dan onbehandeld stro.

Methodiek

Het stro werd gemengd met water in een verhouding van 1:3 en behandeld bij kamertemperatuur in een "droog" systeem (solid-state). De concentraties (ten opzichte van de massa) bedroegen: 3% H₂O₂, 8% Ca(OH)₂ en 5% NH₃·H₂O. Er werden voorbehandelingstijden van 6, 24, 72, 120 en 168 uur getest. De vergisting vond batchgewijs plaats bij 37 ± 1 °C in flessen van 1000 mL met een werkvolume van 800 mL, met 48 g voorbehandeld stro (droge stof) en 500 g inoculum in de vorm van digestaat uit rioolslib. De pH werd ingesteld op 7,5 en de lucht boven het medium werd verwijderd door spoelen met stikstof.

Resultaten

De auteurs concluderen dat het verkorten van de voorbehandelingstijd haalbaar is voor alle drie de oplossingen, en dat Ca(OH)₂ de hoogste opbrengst gaf bij de kortste van de drie optimale tijden (72 uur); het verschil tussen kalk en de andere twee varianten was statistisch significant (P < 0,01), terwijl H₂O₂ (168 uur) en NH₃·H₂O (120 uur) niet significant verschilden. De gemiddelde volumetrische biogasproductiesnelheid in deze varianten was 35,4–45,8% hoger dan in de controle.

Hoe dit te interpreteren

Ten eerste heeft het belangrijkste resultaat betrekking op biogas, niet op methaan: het gemiddelde methaangehalte in het onderzoek bedroeg ongeveer 46%, en de methaanopbrengst na de beste voorbehandelingen lag tussen 182,6 en 198,0 mL/g oDS (31,7–42,8% meer dan in de controle, 138,7 mL/g oDS). Ten tweede geeft een batchtest met één type inoculum een resultaat dat afhankelijk is van de omstandigheden; andere laboratoria kunnen andere waarden verkrijgen voor hetzelfde stro. Ten derde is het percentage verbetering ten opzichte van de controle belangrijker dan het absolute getal, omdat dit minder afhankelijk is van het monster en het inoculum. Daarom geven we bij het opstellen van BMP-overzichten de methode en het type resultaat aan (biogas of methaan).

Praktische betekenis

Voor een biogasinstallatie moet de voorbehandeling van stro economisch worden beoordeeld: kosten van reagentia, energie en tijd, evenals de invloed op de digestaat (kalk verhoogt de pH en het calciumgehalte, ammoniak verhoogt het stikstofgehalte). Op bedrijven waar stro een afvalproduct is, kan eenvoudige verkleining en covergisting met drijfmest voldoende zijn (afhankelijk van het aandeel stro in de dosering en de installatie); covergisting van rijststro met varkensdrijfmest, met microbiologische voorbehandeling, wordt in een apart artikel beschreven.

Waarom rijststro een moeilijk substraat is

De auteurs benadrukken dat voorbehandeling een deel van de lignine en hemicellulose moet verwijderen, wat de toegankelijkheid van cellulose voor enzymen vergroot. Chemische methoden worden genoemd als handig, snel en goedkoop, maar klassieke natte voorbehandeling vereist veel water voor spoelen of zuren en basen voor neutralisatie, veroorzaakt corrosie en spoelt een deel van de oplosbare organische stof weg. Daarom werd in het onderzoek een "droge" voorbehandeling bij kamertemperatuur toegepast, zonder spoelen. In de praktijk hangt de keuze van het middel af van de prijs, de veiligheid bij gebruik en de invloed op de digestaat.

Hoe de voorbehandelingstijd te bepalen

De belangrijkste conclusie uit het onderzoek betreft de tijd: de beste resultaten werden behaald na 72 uur (kalk), 120 uur (ammoniak) en 168 uur (waterstofperoxide), dus tussen drie en zeven dagen, geen langere procedures. Voor een onderneming betekent dit dat eigen BMP-tests op verschillende tijdstippen moeten worden uitgevoerd, in plaats van het kopiëren van parameters uit de literatuur.

Opmerking over vergelijkbaarheid

Het onderzoek uit BioResources dient ter vergelijking van voorbehandelingsmethoden, niet voor het vaststellen van de BMP van rijststro volgens een genormaliseerd protocol; daarom beschouwen we de cijfers als een illustratie van de schaal van het voorbehandelingseffect.

Wat dit betekent voor Polen/Europa

Poolse graanstro heeft vergelijkbare lignocellulosebeperkingen als rijststro. Onderzoeken uit Azië tonen aan dat alkalische voorbehandeling de vergisting kan verbeteren, maar aanpassing aan de grondstof en infrastructuur vereist. Voor ontwerpers van installaties is het essentieel om BMP-tests uit te voeren op eigen grondstoffen, met en zonder voorbehandeling.