Sinergia tra batteri metanogeni, acidogeni e solfobatteri per la produzione di biometano

La digestione anaerobica

La digestione anaerobica è un processo biotecnologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene degradata e convertita in bio-combustibile ad opera di differenti specie di batteri anaerobi.

I prodotti di tale processo biotecnologico sono rappresentati dal biogas, costituito per il 50-75% da biometano (CH4), per il 25-45% da biossido di carbonio (CO2) e per una piccola percentuale da altri gas come vapore acqueo (2-7%), idrogeno solforato (H2S) (20-20.000 ppm) e ammoniaca (NH3), e dal digestato, ossia il materiale organico ed inorganico non assimilato dai batteri (Fig. 1).

Figura 1 – Rappresentazione schematica delle principali molecole coinvolte nel processo di digestione anaerobica.

La digestione anaerobica può essere suddivisa in quattro stadi: 1) idrolisi, ossia conversione delle macromolecole costituenti le biomasse in composti più semplici come monosaccaridi, amminoacidi ed acidi grassi; 2) acidogenesi, ossia la bioconversione delle molecole organiche semplici in acidi grassi volatili (es. acido acetico, propionico, butirrico e valerico), con produzione di ammoniaca, anidride carbonica e acido solfidrico come sottoprodotti; 3) acetogenesi, ossia la conversione degli acidi grassi volatili in biossido di carbonio, idrogeno e acido acetico; 4) metanogenesi, corrispondente alla fase di produzione di metano, biossido di carbonio ed acqua.

Tra le specie microbiche meglio studiate in questa tipologia di processi vi sono i batteri metanogeni acetotrofi appartenenti alle specie Methanosarcina barkeri, Methanococcus mazei e Methanotrix soehngenii ed al genere Methanobrevibacter (Fig. 2).

Figura 2 – Immagine di una cellula del batterio Methanobrevibacter smithii.

Convenzionalmente, sulla base della temperatura di processo e del tempo di residenza della biomassa nel digestore desiderati è possibile utilizzare batteri mesofili (20-45 °C) o batteri termofili (50-70 °C). Nel primo caso i costi energetici diminuiscono ma aumenta il tempo di degradazione della biomassa (tempo di residenza) mentre nel secondo caso il processo è più veloce (circa 15 giorni) ma sono richiesti dei costi energetici di impianto superiori.

La codigestione anaerobica

Solitamente la materia organica con cui si alimenta un digestore anaerobico è rappresentata dalla “Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano(FORSU). Tuttavia, la possibilità di trattare insieme alla frazione umida dei rifiuti solidi anche i fanghi derivanti dai depuratori idrici urbani aumenta considerevolmente la produzione di metano. In tal caso si parla di codigestione anaerobica.

La combinazione di biomasse eterogenee permette di ottenere una matrice da digerire che risponda meglio alle caratteristiche chimico-fisiche desiderate. Ad esempio, una corretta ed attenta miscelazione di matrici differenti può aiutare a risolvere problemi relativi al pH e al corretto rapporto acidi volatili/alcalinità.

Le matrici attualmente più utilizzate nella codigestione sono gli effluenti zootecnici, gli scarti organici agroindustriali e le colture energetiche. Gli scarti organici da utilizzare come co-substrati provengono dalle più svariate fonti e possiedono quindi forti differenze nella composizione chimica e nella biodegradabilità.

Alcune sostanze (quali percolati, acque reflue, fanghi, oli, grassi e siero) sono facilmente degradabili mediante digestione anaerobica senza richiedere particolari pretrattamenti, mentre altre (scarti di macellazione e altre biomasse ad elevato tenore proteico) necessitano di essere fortemente diluite con il substrato base, in quanto possono formare metaboliti inibitori del processo (ad esempio l’ammoniaca). Una vasta gamma di matrici richiede step vari di pretrattamento quali, ad esempio, il rifiuto organico da raccolta differenziata, gli alimenti avanzati e/o scaduti, gli scarti mercatali, i residui agricoli e gli scarti di macellazione. La codigestione, se gestita correttamente, è una buona pratica per migliorare la gestione e le rese di un impianto di digestione anaerobica.

La depurazione del biogas

La miscela di gas prodotta da un digestore anaerobico necessita di una serie di step di depurazione al fine di rimuovere solidi in sospensione, H2S, H2O e NH3. Tali componenti vengono rimossi, rispettivamente, mediante filtrazione fisica, desolforazione, deumidificazione e filtrazione su carboni attivi.

Il trattamento di desolforazione, ovvero la rimozione dei composti sulfurei, è di cruciale importanza per la fattibilità tecnologica ed economica di un impianto. Il solfuro di idrogeno, infatti, è un gas tossico e corrosivo che deve essere rimosso dal biometano prima del suo utilizzo, che si tratti di immissione in rete o di produzione di metano-combustibile.

Un’elevata concentrazione di H2S, per esempio, può causare l’acidificazione dell’olio lubrificante, l’usura eccessiva di parti meccaniche e la corrosione di alcune componenti metalliche a causa dell’instaurarsi di fenomeni di condensa che innescano la formazione di acido solforico (H2SO4).

Il processo di desolforazione può avvenire per via chimica o per via biologica.

La desolforazione biologica esterna al digestore consiste nell’inserimento di colonne di desolforazione biologica a valle del digestore attraverso cui si fanno passare in controcorrente il biogas da depurare e una miscela di aria e solfobatteri o batteri solfo-ossidanti.

Il solfuro di idrogeno può essere rimosso attraverso l’ossidazione da parte di microrganismi appartenenti ai generi Thiobacillus (es. Thiobacillus thiooxydans) o Sulfolobus (Fig. 3). Si tratta di batteri sessili, facoltativamente autotrofi, anaerobi con possibilità di svilupparsi anche in ambiente aerobico ma localmente anaerobico.

Figura 3 – Colonie di solfobatteri contenenti granuli di zolfo.

Questa ossidazione richiede una certa quantità di ossigeno che viene aggiunta in forma di aria o di ossigeno puro, se i livelli di azoto devono essere ridotti al minimo. In questo modo la concentrazione dell’H2S può essere abbattuta fino al 95%, ossia fino a meno di 50 ppm. Lo svantaggio di questo tipo di tecnologia di desolforazione, però, consiste nel fatto che spesso tale sistema non è in grado di adattarsi a significative variazioni di solfuri nella linea di gas da trattare.

Il potenziale del biometano

Il metano prodotto a partire da biomasse di scarto, da rifiuti e da colture energetiche dedicate non edibili, rappresenta una fonte energetica pulita, rinnovabile e sostenibile.

Il biogas prodotto dal processo di digestione anaerobica viene utilizzato per alimentare a valle il processo di cogenerazione che attraverso specifiche tecnologie brucia il metano e lo converte in energia elettrica ed energia termica.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Crediti immagini

  • http://european-biogas.eu/2017/09/05/call-for-anaerobic-digestion-plants/
  • https://ilblogdellasci.wordpress.com/2017/05/19/un-tema-emergente-depuratori-come-bioraffinerie/
  • https://alchetron.com/Methanobrevibacter-smithii
  • https://www.researchgate.net/publication/316844399_Il_Progetto_Stella_Basino_Studio_multidisciplinare_di_un_sistema_carsico_nella_Vena_del_gesso_romagnola

Informazioni su Nicola Di Fidio 54 Articoli
Nicola Di Fidio, Ph.D. student Department of Chemistry and Industrial Chemistry - University of Pisa Via G. Moruzzi 13 - 56124 Pisa MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies Mob: +39 3299740251 Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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