Gestione del bioreattore

Per gestione del bioreattore si intende il suo impiego in relazione ai tempi di permanenza della massa in entrata, in relazione alla concentrazione dei microrganismi anaerobici ed, infine, in riferimento alle rese in biogas rapportate al volume dei digestori e alle caratteristiche del substrato trattato. I materiali che possono essere avviati all’interno dei digestori per essere sottoposti a fermentazione anaerobica sono, di diverso tipo. Essi possono quindi differire per molti aspetti come il contenuto in acqua e sostanza secca, senza poi considerare le differenze che possono sussistere nella qualità di quest’ultima. E’ per questo che vengono introdotte delle unità di misura che permettono di confrontare i substrati rendendo più semplice lo studio di diversi parametri gestionali. Tali grandezze sono:

• TS = solidi totali = somma della sostanza organica e della sostanza inerte presente nel substrato (si determina per essicazione in stufa a 105°C per 24 ore);

• TVS = solidi totali volatili = frazione organica della sostanza secca volatilizzata dopo combustione a 550°C e calcolata come differenza tra TS e TFS;

• TFS = solidi totali fissi = frazione inerte costituita da composti inorganici (pesata dopo essicazione a 550°C);

• COD = domanda chimica d’ossigeno = quantità d’ossigeno consumato per

ossidazione della sostanza organica (si utilizza K2Cr2O7 in ambiente acido);

• BOD5 = quantità d’ossigeno consumata in cinque giorni, in condizioni

controllate, per l’ossidazione biologica della sostanza organica presente nel campione;

• BOD20 = ossigeno consumato in 20 giorni per l’ossidazione della sostanza

organica presente nel campione.

40 − Tempo medio di residenza idraulico (HRT);

− Tempo medio di residenza dei fanghi (SRT);

− Carico organico volumetrico (OLR);

− Carico organico riferito alla biomassa o ai solidi volatili nel reattore (CF);

− Produzione specifica di gas (SGP);

− Velocità di produzione del biogas (GPR). HRT

Il tempo medio di residenza idraulico rappresenta il tempo di permanenza di un fluido all’interno di un bioreattore. Nella realtà va considerato il tempo medio di permanenza dei vari componenti che rimangono all’interno del digestore per tempi diversi gli uni dagli altri. Questo parametro si esprime con la seguente formula:

• V è il volume del reattore (m3);

• Q è la portata del reattore (m3/giorni).

SRT

Il tempo medio di residenza dei fanghi è dato dal rapporto tra la massa totale dei solidi volatili presenti nel reattore e la portata di solidi estratta del reattore. Ipotizzando che la biomassa microbica prodotta per crescita cellulare sia pari alla quantità di biomassa in uscita dallo stesso, allora la biomassa attiva all’interno del digestore sarà costante. Questo parametro si esprime con la formula:

41 • X è la concentrazione dei solidi volatili all’interno del reattore

(kgTVS/m3);

• W è la portata di sostanza volatile estratta dal reattore (KgTVS/giorno).

OLR

Il carico organico volumetrico è la quantità di substrato entrante nel reattore riferita all’unità di volume del reattore stesso e al tempo. Si esprime come:

• Q è la portata entrante nel bioreattore (m3/giorno);

• S è la concentrazione del substrato nella portata influente (kg/m3);

• V è il volume del bioreattore (m3).

S può essere espresso come (TS, TVS, COD, BOD). CF

E’ la quantità di substrato entrante nel bioreattore riferita alla quantità di sostanza volatile presente nel reattore nell’unità di tempo. Si esprime come:

• Q è la portata entrante nel bioreattore (m3/giorno);

• S è la concentrazione del substrato nella portata influente (kgTVS/m3);

• V è il volume del reattore (m3);

• X è la concentrazione dei solidi volatili all’interno del reattore (kgTVS/m3).

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SGP

La produzione specifica di biogas è un parametro importante che ci permette di capire quanto biogas viene prodotto in base alla quantità di sostanza volatile che entra nel bioreattore. E’ un parametro che esprime direttamente la degradabilità di un substrato. Si esprime come:

• Qbiogas è la portata effluente di biogas (m3/giorno);

• Q è la portata influente (m3/giorno);

• S è la concentrazione del substrato nella portata influente (kg substrato/m3).

GPR

E’ la portata di biogas prodotto rispetto al volume del reattore e al tempo. L’ espressione di questo parametro è:

• Qbiogas è la portata di biogas prodotto (m3/giorno);

• V è il volume del reattore (m3).

L’esigenza, per chi gestisce un impianto di digestione anaerobica per la produzione di biogas è quella di garantirne buone condizioni di esercizio. Ricercare la stabilità del processo è basilare per poter permettere alle famiglie batteriche, in particolar modo metanigene, di svolgere la loro funzione e di accrescersi in equilibrio con gli altri batteri idrolitici ed acetogenici. Sovente, per caratterizzare le condizioni ambientali che si estrinsecano all’interno di un di gestore, viene preso in considerazione il pH. Ma il pH da solo non basta per poter intendere veramente le caratteristiche chimiche del mezzo in cui sono presenti i batteri. L’insieme va considerato

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anche in funzione della sua capacità tamponante. Se è noto che il range di pH ottimale per il corretto svolgimento della digestione anerobica è quello compreso fra 6,5 e 7,5, è altrettanto vero che prima di un cambiamento di poche frazioni di pH i sistemi tamponanti possono essere già stati compromessi. Il pH è influenzato, dall’insieme dei processi metabolici della digestione anerobica, dalla presenza di biossido di carbonio nel mezzo liquido, e quindi dalla sua pressione parziale all’interno della miscela del biogas, dalla concentrazione degli acidi grassi volatili e dalla concentrazione d’ammoniaca. L’ammoniaca e il biossido di carbono in soluzione acquosa reagiscono nel modo seguente:

andando a costituire il sistema tampone del mezzo di reazione. Questo reagisce con gli acidi organici secondo la reazione:

Abbassando l’acidità della soluzione.

Se la concentrazione di protoni è così elevata da consumare tutto il bicarbonato, solo a quel punto noteremo variazioni significative di pH. Per evitare d’affidarsi quindi alla semplice valutazione della concentrazione idrogenionica del mezzo come strumento di analisi dello stato di un digestore, è utile valutare il suo grado di alcalinità.

L’alcalinità è la capacità di un sistema di neutralizzare protoni ed è generalmente espressa in termini di concentrazione di carbonato di calcio.[2] Viene determinata analiticamente sulla fase liquida presente nel reattore , per titolazione con acido cloridrico.

Figura n°10 (fonte[2])

Come si può rilevare dal grafico della figura

dell’alcalinità, passando da una concentrazione d’acidi grassi volatili (VFA) pari a 0 ad una concentrazione di 80 meq/l , è repentino e molto marcato. Più precisamente il suo valore diminuisce di circa l’85%. Al contrario il pH risente (abbassandosi di circa un punto) della presenza degli acidi grassi solo quando essi hanno una concentrazione prossima a 60 meq/l . E’ ora ancor più chiaro che se vogliamo porre rimedio ad eventuali squilibri metabolici è meglio agire il più presto possibile. Valori ot

condizioni sono di 3000-5000 mg CaCO

La misurazione della concentrazione degli acidi grassi volatili s’effettua indirettamente dalla misurazione dell’alcalinità. Infatti, durante la titolazione, si satura il sistema tampone imputabile alla presenza del bicarbonato del sistema, fino ad arrivare ad un valore di pH pari a 6. Continuando la titolazione fino a pH 4 vengono titolate tutte le rimanenti basi coniugate, quali gli acidi grassi volatili e diversi anion

quella misurata a pH 4 fornisce la concentrazione degli acidi grassi volatili del mezzo. Nel caso in cui aumenti in maniera troppo repentina il carico in entrata nel bioreattore, è possibile che avvenga un

Come si può rilevare dal grafico della figura n°10 l’abbassa

dell’alcalinità, passando da una concentrazione d’acidi grassi volatili (VFA) pari a 0 ad una concentrazione di 80 meq/l , è repentino e molto marcato. Più precisamente il suo valore diminuisce di circa l’85%. Al contrario il pH risente i di circa un punto) della presenza degli acidi grassi solo quando essi hanno una concentrazione prossima a 60 meq/l . E’ ora ancor più chiaro che se vogliamo porre rimedio ad eventuali squilibri metabolici è meglio agire il più presto possibile. Valori ottimali dell’alcalinità per un reattore in buone

5000 mg CaCO3.

La misurazione della concentrazione degli acidi grassi volatili s’effettua indirettamente dalla misurazione dell’alcalinità. Infatti, durante la titolazione, si l sistema tampone imputabile alla presenza del bicarbonato del sistema, fino ad arrivare ad un valore di pH pari a 6. Continuando la titolazione fino a pH 4 vengono titolate tutte le rimanenti basi coniugate, quali gli acidi grassi volatili e diversi anioni. La differenza dell’alcalinità misurata a pH 6 e quella misurata a pH 4 fornisce la concentrazione degli acidi grassi volatili del mezzo. Nel caso in cui aumenti in maniera troppo repentina il carico in entrata nel bioreattore, è possibile che avvenga uno squilibrio tra le diverse famiglie

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10 l’abbassamento dell’alcalinità, passando da una concentrazione d’acidi grassi volatili (VFA) pari a 0 ad una concentrazione di 80 meq/l , è repentino e molto marcato. Più precisamente il suo valore diminuisce di circa l’85%. Al contrario il pH risente i di circa un punto) della presenza degli acidi grassi solo quando essi hanno una concentrazione prossima a 60 meq/l . E’ ora ancor più chiaro che se vogliamo porre rimedio ad eventuali squilibri metabolici è meglio agire il timali dell’alcalinità per un reattore in buone

La misurazione della concentrazione degli acidi grassi volatili s’effettua indirettamente dalla misurazione dell’alcalinità. Infatti, durante la titolazione, si l sistema tampone imputabile alla presenza del bicarbonato del sistema, fino ad arrivare ad un valore di pH pari a 6. Continuando la titolazione fino a pH 4 vengono titolate tutte le rimanenti basi coniugate, quali gli acidi i. La differenza dell’alcalinità misurata a pH 6 e quella misurata a pH 4 fornisce la concentrazione degli acidi grassi volatili del mezzo. Nel caso in cui aumenti in maniera troppo repentina il carico in entrata o squilibrio tra le diverse famiglie

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metaboliche a favore dei batteri idrolitici ed acidificanti. Questo potrebbe causare un aumento d’acidi grassi volatili nel mezzo, con conseguente abbattimento della alcalinità ed insorgenza di problematiche per il mancato sviluppo dei batteri metanigeni. Gli acidi grassi sono rappresentati chimicamente dalla formula:

con R che rappresenta un gruppo alchilico del tipo:

In generale durante i processi di digestione anaerobica gli atomi di carbonio che compongono R possono essere compresi tra 0 e 3.[2]

La variazione repentina della concentrazione degli acidi grassi può avere effetti dannosi sul sistema tampone del bioreattore portando ad un calo delle rese in biogas.

Un controllo della situazione ambientale all’interno del digestore può anche essere fatta molto empiricamente valutando la composizione percentuale del biogas in uscita.[2]

Se la concentrazione in biossido di carbonio della miscela si attesta stabilmente su valori compresi tra 25 e 35% e gli acidi grassi sono presenti in basse concentrazioni, allora il bioreattore è in equilibrio e sta funzionando bene. Se assistiamo, invece, al tendenziale aumento della CO2 con il

contemporaneo aumento della concentrazione degli acidi, il digestore potrebbe presentare alcuni problemi.

Per inciso, diciamo che se il pH tende alla basicità, sta a significare che l’equilibrio tra l’ ammoniaca (NH3) e lo ione ammonio (NH4+) è spostato verso

quest’ultimo.

Molta attenzione va posta poi nei confronti della temperatura perché se ci troviamo in condizioni di confine tra tecniche mesofile e termofile, anche un

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leggero cambiamento di temperature di soli 2-3°C pu ò portare alla eliminazione di alcune famiglie batteriche. Questo poi porterà alla diminuzione della resa globale del processo. E’ bene porre attenzione quindi agli impianti di riscaldamento, assicurando temperature costanti all’interno dei bioreattori.

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