Un modo semplice per approcciarsi al problema della digestione anaerobica, è effettuare un esperimento in batch, caricando il reattore con una concentrazione batterica e substra- to iniziale X0 e S0 rispettivamente. Registrando la pressione che si sviluppa nel reattore,
è possibile, tramite la correlazione dei gas ideali, risalire alla quantità di biogas prodotta; effettuando dei campionamenti, si può ricavare la frazione di biometano e anidride car-
CAPITOLO 3. CINETICA DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA Tabella 3.2: Modelli non lineari investigati in questo lavoro per la digestione anaerobica di microalghe (Ragaglini et al. 2013).
Modello Forma Generica
Michaelis-Menten y = d e + x Regressione Asintotica y = d ·h1 − exp
−x
e i
Weibull y = d · exp {− exp [b · (log x − e)]}
Log-Logistica y = d
1 + exp [b · (log x − log e)] Gompertz y = d · exp
hm
c · exp (−c · x) i
Modified Gompertz y = d · exp mR cR
· exp (−cR· x) −mS cS
· exp (−cS· x)
bonica in modo da calcolare l’andamento della produzione di metano e conseguentemente il potenziale metanigeno BMP.
Effettuando un bilancio differenziale sulla biomassa, sul substrato e sui prodotti formati dal processo di digestione, si ottiene il seguente sistema di equazioni differenziali 3.8 dove la concentrazione delle specie dipende dal tempo:
dX dt = µm· S KS+ S − Kd · X dS dt = − 1 YX→S · µm· S KS+ S − Kd · X dP dt = YP →X· µm· S KS+ S · X + 1 Yd→P · Kd· X (3.8)
La forma ridotta di questo sistema di reazioni è dato dalla 3.9, dove si evidenzia che il modello utilizzato in questo lavoro utilizza come espressione cinetica della crescita batterica µ, la formula di Monod.
dX dt = (µ − Kd) · X dS dt = − 1 YX→S · (µ − Kd) · X dP dt = YP →X· µ · X + 1 Yd→P · Kd· X Dove : µ = µm· S KS+ S (3.9)
Di seguito si elencano il significato dei vari parametri, riferiti al sistema 3.8:
X, S, P: Sono rispettivamente le concentrazioni di biomassa batterica, substrato e gene- rico prodotto della digestione anaerobica;
µm e KS: Sono le costanti cinetiche che riguardano la crescita batterica secondo la for-
mula di Monod. La prima è la crescita massima relativa, mentre la seconda è il coefficiente di saturazione del substrato;
Kd: Costante di decadimento delle cellule batteriche. È la velocità con la quale i microor-
ganismi responsabili della digestione anaerobica muoiono, viene misurata in day−1
così come il µm. La morte degli organismi viene sì considerata una diminuzione
di biomassa che può produrre metano, ma quando la concentrazione del substrato viene a mancare, le cellule morte diventano nuovo substrato per i batteri rimasti in vita. Questa caratteristica viene evidenziata nella parte finale del processo batch di digestione;
Fattori di Resa Y : Nel modello differenziale sono presenti dei fattori di resa presentati nelle formule in 3.10. YX→S = ∆X −∆S; YP →X = ∆P ∆X; Yd→P = ∆Xd ∆P ; YP →S = ∆P −∆S (3.10) Nello specifico, YX→S è la quantità di biomassa che si forma a causa dell’utilizzo di
una certa quantità di substrato; YP →X è la quantità di prodotto che si genera a causa
della crescita della biomassa X; Yd→P è la quantità di prodotto che viene generato
dai batteri che utilizzano le altre cellule batteriche morte al posto del substrato presente nell’ambiente di reazione; YP →X è il prodotto tra le prime due rese.
Capitolo 4
Materiali, Metodi e Strumenti
4.1 Materiali
4.1.1 Microalga
Il materiale algale utilizzato in questo studio è la Nannochloropsis Gaditana in forma liofilizzata, una microalga utilizzata per acquacoltura e prodotti alimentari per animali. Generalmente viene usata come mangime integrativo che aumenta la concentrazione di componenti importanti come:
• Omega-3 EPA: sono una categoria di acidi grassi essenziali che si trovano princi- palmente nelle membrane cellulari e aiutano il mantenimento di questa barriera. In genere gli acidi grassi di questo tipo vengono raggruppati nella categoria della vitamina F (fatty acids);
• Iodio, molto utile per la regolamentazione delle funzioni tiroidee;
• Amminoacidi essenziali; • Vitamine e pigmenti.
La microalga, fornita da AlgaSpring B.V. (Olanda), viene prodotta nella più vasta area protetta naturale dell’Olanda, Oostvardersplassen, un luogo completamente incontami- nato; inoltre la società AlgaSpring è certificata ISO 22000 per la produzione sicura del cibo (Food Applications, AlgaSpring website 2016).
L’alga contiene un’alta concentrazione di proteine e di lipidi. Il datasheet dell’alga utilizzata è stato riportato nell’allegato B a pagina 127.
4.1.2 Co-substrati
Per analizzare l’influenza di diversi substrati e del loro comportamento insieme alla microalga, sono stati utilizzati i seguenti substrati cellulosici:
Cellulosa È un polimero biologico le cui unità monomeriche sono costituite da polisacca- ridi legati tra di loro da un ponte glucosidico. La cellulosa utilizzata è l’α−cellulosa fornita dalla Sigma Aldrich (Milano);
Arundo Donax È una pianta erbacea perenne, notoriamente conosciuta come canna co-
mune, vive in terreni relativamente poveri ed ha un fusto robusto e cavo. Questo substrato viene triturato e poi macinato ad una pezzatura abbastanza fine per esse- re digerito. La sua alta capacità riproduttiva per via vegetativa attraverso i rizomi, la rende spesso una specie invasiva e necessita quindi di programmi di conteni- mento e controllo della coltura. Il materiale è stato fornito dal Centro Ricerche Interuniversitario Biomasse da Energia (CRIBE).
4.1.3 Solventi
Tutti i solventi utilizzati sono stati reperiti dalla Sigma-Aldrich, con grado di purezza “Special grade: ACS reagent per analisi in laboratorio”.
n-Esano, C6H14: Liquido incolore a temperatura e pressione ambiente, nocivo ed estre-
mamente infiammabile (Teb= 68°C);
Alcool Etilico, CH3CH2OH: A temperatura ambiente si presenta come un liquido inco-
lore, voltatile e estremamente infiammabile (Teb = 78°C);
Nella sezione degli allegati (allegato ??) sono presenti le schede di sicurezza MSDS dei solventi sopracitati.
CAPITOLO 4. MATERIALI, METODI E STRUMENTI
4.1.4 Inoculo Batterico
L’inoculo batterico inserito nelle prove di digestione anaerobica consiste in un consorzio batterico con un alto numero di specie batteriche che si differenziano tra di loro per la loro funzionalità biologica. Possiamo individuare i ceppi principali (Metcalf e Eddy 2003): • Il gruppo di batteri non metanogenici responsabili delle fasi di idrolisi e fermen- tazione sono anaerobici obbligati o facoltativi, le specie più numerose isolate nei reattori anaerobici sono:
– Clostridium;
– Peptococcus anaerobus; – Bifidobacterium;
– Desulfovibrio; – Lactobacillus;
• I microorganismi deputati alla produzione di metano sono classificati come archaea e sono degli anaerobi obbligati. I generi principali identificati lavorano in condizioni mesofiliche:
– Methanobacterium e Methanobacillus che sono a forma di bastoncello; – Methanococcus e Methanosaeta che sono a forma di sfera.
A differenza degli altri organismi metanogenici che riescono a produrre metano os- sidando l’idrogeno con l’anidride carbonica, solo i Methanosaeta riescono a sfruttare l’acetato per produrre metano.