La crescente domanda di fonti energetiche rinnovabili ha portato all’adozione sempre più diffusa di impianti di biogas, che sfruttano la digestione anaerobica per convertire materiale organico in biogas, una miscela di metano e anidride carbonica utilizzabile come fonte di energia.

Il processo di digestione anaerobica è complesso e richiede la presenza di specifici nutrienti per essere efficace, come abbiamo già visto in altri articoli del nostro blog. Ma quali sono questi microelementi e qual è la loro funzione?

Cos’è la digestione anaerobica: un passo indietro

La digestione anaerobica è un processo biologico che avviene in assenza di ossigeno e permette la decomposizione della materia organica attraverso l’azione di comunità microbiche complesse. Essa viene impiegata per la produzione di biogas e si articola in quattro fasi principali:

Idrolisi

Durante la prima fase, le macromolecole complesse come carboidrati, proteine e lipidi vengono scomposte in molecole più semplici. Gli enzimi extracellulari rilasciati dai batteri idrolitici trasformano queste macromolecole in zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi. Questa fase è critica perché rende disponibile il substrato per le fasi successive del processo.

Acidogenesi

Nella seconda fase, i composti semplici prodotti dall’idrolisi vengono ulteriormente metabolizzati dai batteri acidogeni, che li convertono in acidi organici (come l’acido acetico), alcoli, idrogeno e anidride carbonica. L’acidogenesi crea condizioni favorevoli per i batteri che agiscono nelle fasi successive.

Acetogenesi

Gli acidi organici, prodotti durante l’acidogenesi, vengono trasformati in acetato, idrogeno e CO2 dai batteri acetogeni. Questa fase è fondamentale perché l’acetato e l’idrogeno sono i principali precursori per la produzione di metano nella fase finale.

Metanogenesi

La fase finale della digestione anaerobica è la metanogenesi, durante la quale i batteri metanogeni convertono acetato, idrogeno e CO2 in metano e anidride carbonica. Il metano prodotto rappresenta la componente principale del biogas, che può essere utilizzato come fonte di energia rinnovabile.

L’efficacia di ciascuna fase della digestione anaerobica dipende dalla cooperazione sinergica tra le diverse comunità microbiche. Questi microrganismi necessitano di una gamma di nutrienti essenziali, noti come macro e microelementi, per sostenere le attività enzimatiche e garantire un funzionamento ottimale del processo, con un impatto diretto sulla quantità e qualità del biogas prodotto.

Macroelementi e Microelementi: Definizione e Differenze

I nutrienti essenziali per la digestione anaerobica si suddividono in macroelementi e microelementi, entrambi cruciali per l’efficienza del processo di produzione di biogas.

I macroelementi, come carbonio, azoto, fosforo, potassio e zolfo, sono componenti principali delle macromolecole biologiche e predominano nelle cellule microbiche, mentre calcio e magnesio regolano la pressione osmotica nel liquido fermentativo. Questi elementi sono generalmente presenti in quantità adeguate nei substrati degli impianti di biogas, come insilati, rifiuti zootecnici e sottoprodotti agricoli.

D’altra parte, i microelementi, sebbene richiesti in quantità molto minori, sono fondamentali per l’attivazione degli enzimi nelle diverse fasi della digestione anaerobica. Il cobalto, ad esempio, è essenziale per l’attivazione degli enzimi nelle fasi di acetogenesi e metanogenesi, favorendo la produzione di acido acetico e la sua trasformazione in metano e anidride carbonica.

Il ferro, necessario per la fase metanigena, aiuta anche a ridurre l’idrogeno solforato (H2S), che può danneggiare la biologia del digestore e le attrezzature. Il selenio è cruciale per la crescita dei batteri e nelle vie biosintetiche che producono acido acetico e metano, mentre il molibdeno stimola la produzione di metano e inibisce i batteri riduttori di zolfo, migliorando così l’efficienza del processo.

La Legge del Minimo di Liebig sottolinea che la carenza di uno qualsiasi di questi microelementi può limitare l’intero processo di digestione anaerobica, riducendo la produzione di metano e potenzialmente causando il blocco del digestore. Pertanto, è essenziale monitorare e integrare continuamente i microelementi nei digestori per mantenere un’efficienza ottimale del processo.

Vantaggi dell’Integrazione di Microelementi negli Impianti di Biogas

Perché parlare di microelementi? Qual è il loro utilizzo?

L’integrazione corretta e tempestiva di microelementi nei digestori anaerobici offre numerosi vantaggi, che si riflettono sia nella qualità del biogas prodotto che nella sostenibilità economica degli impianti.

1. La presenza di microelementi essenziali ottimizza l’attività enzimatica, accelerando le reazioni biochimiche che portano alla produzione di metano. Questo si traduce in un aumento della quantità di biogas prodotto e in una maggiore efficienza dell’impianto
2. L’integrazione di microelementi può ridurre i tempi necessari per la digestione del substrato, permettendo una maggiore capacità di trattamento dell’impianto e una produzione continua di biogas
3. Come già menzionato, elementi come il ferro possono ridurre la formazione di H2S, un gas tossico che non solo inibisce la digestione anaerobica ma causa anche corrosione nelle apparecchiature e necessita di ulteriori trattamenti per essere rimosso dal biogas
4. La presenza di microelementi in concentrazioni ottimali contribuisce a mantenere stabile la popolazione microbica nel digestore, riducendo il rischio di arresti imprevisti o di inefficienze nel processo
5. Una corretta gestione dei microelementi può ridurre i problemi legati alla corrosione e all’accumulo di solfuri, diminuendo i costi di manutenzione e di sostituzione delle apparecchiature.

Conclusioni

La digestione anaerobica è un processo fondamentale per la produzione di energia rinnovabile sotto forma di biogas, ma la sua efficienza dipende strettamente dalla disponibilità di nutrienti essenziali, in particolare dei microelementi.

Una carenza di microelementi può ridurre significativamente l’efficacia dell’impianto, mentre una loro integrazione corretta può migliorare la produzione di biogas, ridurre i tempi di digestione, minimizzare le emissioni di H2S e stabilizzare l’intero processo.

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