Biogas - Introduzione

Il biogas è una miscela di vari gas (per la maggior parte metano, dal 50% al 70% ed anidride carbonica CO₂ ) prodotto dalla fermentazione batterica in condizioni anaerobiche di residui organici da rifiuto, acque di fognatura, biomassa vegetale ed animale, liquami e deiezioni zootecniche.
Sono state sviluppate tecnologie ed impianti specifici che, tramite l'utilizzo di batteri in appositi digestori, sono in grado di estrarre grandi quantità di biogas dai rifiuti organici urbani e dal letame prodotto dagli allevamenti, o anche dai liquami di fognatura. Il gas metano prodotto in questo processo può essere quindi utilizzato per la produzione di energia termica e/o elettrica. Esistono varie tipologie di impianti di produzione di biogas indirizzati a trattare matrici organiche differenti, liquide o solide.
La CO₂ prodotta dalla combustione del biogas ricavato dalla digestione anaerobica pareggia il bilancio dell'anidride carbonica emessa in atmosfera: infatti la CO₂ emessa dalla combustione del biogas è la stessa CO₂ fissata dalle piante (o assunta dagli animali in maniera indiretta tramite le piante), al contrario di quanto avviene per la CO₂ emessa ex-novo dalla combustione dei carburanti fossili.
Ulteriore vantaggio ambientale del biogas, è quello di impedire la diffusione nella troposfera del metano emesso naturalmente durante la decomposizione di carcasse e vegetali: il metano è infatti uno dei gas-serra più potenti ed è quindi auspicabile la sua degradazione in CO₂ e acqua per combustione. L'emissione di 1 kg di CH₄, in un orizzonte temporale di 100 anni, equivale ad emettere 21 kg di CO₂.

Il processo di generazione del biogas si può schematizzare come:

sostanza organica + H2O + nutrienti
¯
nuove cellule + sostanza residua + CO₂ + CH₄ + NH₃ + H₂S

Il processo è operato da una flora batterica anaerobica altamente specializzata, che si compone di diversi ceppi. La decomposizione microbica dei residui organici in ambiente anaerobico è un processo che avviene spontaneamente in natura; la conoscenza dei fattori in gioco nei processi biologici è necessaria per una migliore fermentazione e conseguente produzione di biogas ed è possibile utilizzare specifici inerti in grado di far meglio attecchire la popolazione batterica.
Ai microrganismi anaerobici i batteri metanogeni che si trovano comunemente negli stagni, e nell’intestino di molti animali.

I metanobatteri rappresentano l’ultimo anello della catena di degradazione in grado di produrre metano da substrati specifici che devono contenere miscele di idrogeno, anidride carbonica ed acetati. I materiali di partenza contenuti nei resti organici sono polimeri complessi come la cellulosa, l’amido, i grassi e le proteine e quindi non assimilabili direttamente dai batteri metanigeni, infatti altri microrganismi iniziano la degradazione del substrato.

Dapprima i polimeri dell’amido, della cellulosa, dei grassi, delle proteine sono trasformati in acidi organici, alcoli, acqua e anidride carbonica. (Fase idrolitica ed acodogena)

Un secondo gruppo converte gli acidi grassi a lunga catena e gli alcoli in acido acetico, idrogeno e anidride carbonica: queste reazioni sono endotermiche e sono associate alla riduzione esotermica dell’anidride carbonica a metano. (fase acetogenica e metanigena)

I batteri, che sono di diverse tipologie appartengono alle seguenti classi:

batteri criofili, che lavorano a bassa temperatura (8°-12°C),

batteri mesofili, lavorano a temperature comprese tra i 35°-40°C

batteri termofili, lavorano a temperature che si aggirano intorno ai 55°C, mentre i batteri termofili spinti completano il loro ciclo vitale a temperature intorno ai 70°C.

I migliori, perché più robusti e più resistenti, sono i batteri mesofili, cui bisogna assicurare condizioni ambientali stabili, rimescolando di continuo il liquame e mantenendo costante la temperatura, sfruttando, quindi, parte dell’energia termica prodotta dall’impianto stesso per il riscaldamento del liquame. I prodotti gassosi finali della digestione anaerobica sono metano e anidride carbonica, nel caso il processo non fosse controllato o mal gestito (processo parziale) si otterrebbero composti intermedi di odore penetrante, per cui l’importanza di seguire tutto il processo attraverso sistemi di monitoraggio è fondamentale (in questo modo si controlla che lo scopo della fermentazione anaerobica sia quello di stabilizzazione della sostanza organica). E’ importante, inoltre, ai fini del corretto funzionamento del sistema energetico controllare le quantità di H₂S all’interno del biogas con un’eventuale filtraggio ottenuto attraverso diverse tecniche. In sintesi i fattori che influenzano la digestione anaerobica sono:

pH, alcalinità, contenuto di acidi volatili
Sali dei metalli alcalino-terrosi (sodio, potassio, calcio, magnesio)
Rapporto Carbonio/Azoto
Temperatura
Direzionalità e caratteristiche del flusso e del mescolamento del liquame

Il controllo degli acidi volatili e dell’ammoniaca attraverso un bioattivatore enzimatico e batterico, utilizzato nelle fosse di stoccaggio a monte dell’impianto per la produzione di biogas, consente un abbattimento considerevole della quantità di ammoniaca presente nei rifiuti e favorisce un più rapido innesco dei processi microbiologici che portano alla degradazione della sostanza organica. In questo modo si accelera il primo stadio di digestione anaerobica.

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