La digestione anaerobica

3.3.1 Fasi della digestione anaerobica

Il processo di digestione anaerobica, da cui il biogas trae origine, consiste essenzialmente, come già detto, nella degradazione, in assenza di ossigeno, della sostanza organica contenuta

La produzione di biogas

nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale ed umana, ad opera di popolazioni batteriche di tipo anaerobico e facoltativo [9], secondo la seguente generica reazione:

CaHbOcNd →nCwHxOyNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d – nx)NH3 (3.1)

con: s = a – nw – m r = c – ny – 2s

La degradazione anaerobica della sostanza organica è un processo complesso che coinvolge una serie di fasi e di microrganismi, con diverse capacità metaboliche [10]. In particolare, si distinguono almeno quattro gruppi metabolici di microrganismi (Fig.3.3), responsabili di altrettante fasi di degradazione (Fig.3.4), ciascun dei quali utilizza i prodotti intermedi del processo di digestione elaborati dal metabolismo dei gruppi precedenti: batteri idrolitici, batteri acidificanti e batteri acetogeni che sono facoltativi, ovvero vivono sia in presenza che in assenza di ossigeno, e batteri metanigeni, che sono strettamente anaerobi (o anaerobi obbligati).

Figura 3. 3:Gruppi batterici attivi nei processi di digestione anaerobica e relativi substrati e prodotti metabolici [7]

I diversi microrganismi operano nello stesso ambiente con vere e proprie modalità di simbiosi, tra essi si stabilisce un equilibrio dinamico, piuttosto delicato, che sta alla base dello sviluppo di tutto il processo [7].

La produzione di biogas

Figura 3. 4: Gruppi metabolici di microorganismi preposti alla degradazione dei substrati durante il processo di digestione anaerobica

Le prime due fasipossono essere considerate di preparazione e solo nella terza fase si ha produzione di biogas. Più in dettaglio, nella prima fase, i batteri idrolitici ―spezzano‖ i composti organici complessi (cioè carboidrati, proteine e grassi) in sostanze più semplici (fase di idrolisi), grazie all‘azione di enzimi extracellulari prodotti dai batteri stessi. Nella seconda fase tali sostanze vengono trasformate, in un primo stadio, in acidi organici mediante reazioni

di acidogenesi e, successivamente, in acetato (COOH-CH3), anidride carbonica (CO2) e

idrogeno (H2), attraverso processi di acetogenesi (fase di fermentazione). Nell‘ultima fase,

quella più delicata, i batteri metanigeni trasformano i prodotti formatisi nella fase precedente

in metano (CH4) ed anidride carbonica, i principali costituenti del biogas (metanogenesi) [7].

Il metano è considerato il prodotto finale dell‘intero processo, in quanto è l‘unico composto non reattivo nell‘intero processo di digestione anaerobica.

3.3.1.1 Idrolisi e acidificazione

In questa prima fase, per intervento di diversi gruppi batterici, si ha la degradazione di substrati organici complessi particolati o solubili, quali proteine, grassi e carboidrati, con formazione di composti semplici, quali aminoacidi, acidi grassi e monosaccaridi in forma solubile. In particolare, i microrganismi idrolizzanti possono colonizzare il materiale

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liquefazione del materiale putrescibile particolato e idrolizzare i polisaccaridi a carboidrati semplici, glucosio e fruttosio, le proteine ad amminoacidi, ed i grassi a glicerolo e acidi grassi [12], che sono quindi resi disponibili per il trasporto all‘interno delle cellule di microrganismi acidogenici fermentanti. Questi operano generalmente l‘ossidazione dei substrati organici semplici a piruvato, che viene poi trasformato in acidi grassi volatili, alcoli e chetoni, che rappresentano i substrati di partenza per la successiva fase acetogenica.

L‘accumulo di amminoacidi e zuccheri può, tuttavia, inibire il processo idrolitico in quanto

causano interferenze all‘attività degli enzimi idrolitici [12]. Il BOD5 durante questa fase

aumenta, perché attraverso le varie reazioni si ottengono dei prodotti più facilmente trattabili per ossidazione biologica di quanto non sia il substrato originario. In particolare, dalla

fermentazione degli amminoacidi viene prodotto ammonio (NH4+); per quanto riguarda,

invece, gli acidi grassi, questi non vengono attaccati facilmente dai batteri acidificanti, ma subiscono reazioni ossido-riduttive molto più energiche quando il meccanismo di digestione è già in fase avanzata e tutti gli altri composti sono stati metabolizzati.In questa fase, a causa di questa intensa produzione di acidi, si registra una diminuzione di pH, con conseguente formazione di odori putrefattivi dovuti all‘attività dei batteri facoltativi. Inoltre, se il pH scende a valori molto bassi, si possono verificare effetti inibitori sui processi biologici [13]. 3.3.1.2 Acetogenesi

A partire dai substrati formatisi nel corso della fase di idrolisi ed acidificazione (acidi volatili, essenzialmente propionato e butirrato, ma anche alcoli) i batteri acetogenici producono acido

acetico, acido formico, CO2 ed H2 (Fig.3.5).L‘acido acetico, in questa fase, può essere anche

formato a partire dall‘idrogeno e dell‘anidride carbonica da alcuni batteri omoacetogeni. Durante la produzione di acido acetico la presenza di idrogeno molecolare nel mezzo può determinare problemi di inibizione. Questo problema è risolto grazie alla presenza di

ammoniaca derivante dalla demolizione delle proteine, che, insieme agli ioni Ca++ e Mg++ e

ad altri materiali alcalini, svolge un‘azione tampone nei riguardi degli acidi volatili, salificandoli e mantenendo così il pH su livelli abbastanza vicini alla neutralità [13].

3.3.1.3 Metanogenesi

La metanogenesi è l'ultimo passo nella digestione anaerobica; la produzione del metano può avvenire essenzialmente attraverso due differenti vie di reazioni (Fig.3.5): una via prevede la metanogenesi ad opera dei batteri idrogenotrofi, che operano l‘ossidazione anaerobica dell‘idrogeno, secondo le seguenti reazioni:

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R – COOH + 2H → R – CHO + H2O (3.3)

R – CHO+ 2H → R – CH2OH (3.4)

R – CH2OH + 2H → R – CH3 + H2O (3.5)

R – CH3 + 2H → CH4 + R – H (3.6)

e la reazione complessiva è, pertanto:

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O (3.7)

mentre la seconda via, la cosiddetta via acetoclastica, prevede la dismutazione anaerobica dell‘acido acetico con formazione di metano e biossido di carbonio [10]:

CH3COOH + R – H →R – CH3+2H + CO2 (3.8)

R – CH3+ 2H →CH4+ R – H (3.9)

globalmente:

CH3COOH →CH4+ CO2 (3.10)

Figura 3. 5: Prodotti dell’attività metabolica dei batteri durante il processo di DA

Le due vie non sono, però, equivalenti dal punto di vista di produzione del metano (Fig.3.6): tende, infatti, a prevalere il meccanismo di dismutazione anaerobica dell‘acido acetico. Circa

il 70% del CH4 proviene dal CH3COOH, in quanto la maggior parte della sostanza

putrescibile si degrada ad acido acetico, mentre solo il restante 30% deriva dalla riduzione

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Figura 3. 6: Rappresentazione schematica della fase metanigena [14]

Con la loro attività i due ceppi di batteri metanigeni svolgono due importanti funzioni nell‘ambito della catena trofica anaerobica: da un lato degradano l‘acido acetico e quello

formico a CH4, eliminando gli acidi dal mezzo ed impedendo quindi l‘inibizione dei fenomeni

di degradazione di substrati organici per eccesso di acidità, e dall‘altra mantengono la

concentrazione di H2 a bassi livelli, così da consentire la conversione degli acidi grassi a

catena lunga e degli alcoli ad acetato ed H2. Infatti, se la via idrogenotrofa è rallentata, si

osserva un accumulo di H2 nel mezzo che inibisce la produzione del metano, mentre la via

acetoclastica può subire fenomeni di inibizione da substrato in presenza di elevate concentrazioni di acido acetico.

Il processo, nel suo complesso, può, naturalmente, avere luogo a diverse temperature ed essere condotto in reattori la cui tipologia dipende dalle caratteristiche delle biomasse in ingresso, soprattutto il contenuto di sostanza secca, dal tipo di alimentazione delle stesse scelto, continuo o discontinuo, oltre che dal numero di stadi impiegati (monostadio o bistadio/bifase). Nel seguito verranno approfonditi gli aspetti qui accennati.