Digestione anaerobica
La digestione anaerobica è un processo attraverso il quale i batteri scompongono la materia organica in assenza di ossigeno e ampiamente utilizzata per decomporre i rifiuti organici e produrre energia rinnovabile.
Durante la digestione anaerobica i microrganismi idrolizzano il materiale organico in zuccheri, amminoacidi e acidi grassi. I prodotti dell’idrolisi subiscono poi fermentazione e metanogenesi, producendo biogas composto principalmente da metano e anidride carbonica. La digestione anaerobica trova applicazioni nel trattamento dei fanghi di depurazione, nel trattamento dei rifiuti solidi industriali e urbani e delle acque reflue.
Il biogas, costituito da una percentuale relativamente elevata (50-75%) di metano, biossido di carbonio, solfuro di idrogeno, vapore acqueo e tracce di altri gas può essere utilizzato direttamente per la generazione di calore ed energia o trasformato in carburanti e altri prodotti a valore aggiunto.
Le prove storiche provenienti dall’Assiria e dalla Persia indicano l’uso del biogas per riscaldare l’acqua di balneazione già nel X secolo a.C. e nel Medioevo, il chimico fiammingo Jean Baptiste van Helmont osservò la produzione di gas combustibile dalla decomposizione della materia organica nei laghi.
Fasi della digestione anaerobica
Il processo di digestione anaerobica avviene attraverso quattro fasi successive: idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi e dipende dalle interazioni tra i diversi microrganismi. In ognuna di queste fasi, grazie all’azione di microrganismi diversi, si ottengono molecole sempre meno complesse
La decomposizione della materia prima in assenza di ossigeno è facilitata da una combinazione di microrganismi presenti in ogni fase del processo di digestione anaerobica, che porta alla formazione del cosiddetto digestato costituito da materia prima decomposta e di una miscela di gas che include il gas metano come componente principale.
Il digestato viene utilizzato come ammendante del terreno ovvero come una specie che viene aggiunta al terreno per migliorarne le qualità fisiche e, solitamente, la sua fertilità ma possono essere utilizzati per migliorare i terreni poveri o per ricostruire terreni che sono stati danneggiati da una gestione impropria del suolo
Idrolisi
Nel processo di idrolisi, i batteri idrolitici sono in grado di secernere enzimi extracellulari che possono convertire carboidrati, lipidi e proteine rispettivamente in zuccheri, acidi grassi a catena lunga (LCFA) e amminoacidi. Dopo la scissione enzimatica, i prodotti dell’idrolisi sono in grado di diffondersi attraverso le membrane cellulari dei microrganismi acidogeni.
Poiché alcuni substrati, come la lignina, la cellulosa e l’emicellulosa, possono avere difficoltà a degradarsi ed essere inaccessibili ai microbi a causa delle loro strutture complesse spesso vengono aggiunti enzimi per migliorare l’idrolisi di questi carboidrati.
A causa dell’importanza dell’idrolisi nella cinetica della digestione anaerobica, molta attenzione è stata rivolta ai metodi per accelerare questo processo nei digestori anaerobici si utilizzano spesso operazioni di pretrattamento dei rifiuti. In generale, l’idrolisi è realizzata a una temperatura ottimale compresa tra 30 e 50 °C e a un valore di pH compreso tra 5 e 7.
È un processo relativamente lento che può limitare la velocità del processo di digestione complessivo, soprattutto quando vengono utilizzati substrati di rifiuti solidi
Un esempio di reazione che avviene nella prima fase della digestione anaerobico è l’idrolisi della cellulosa:
(C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 + n H2
dalla reazione si ottiene il glucosio che può subire ulteriori reazioni successive per produrre composti quali acido formico, idrossimetil furfurale e acido levulinico utilizzati nella produzione di una varietà di altri composti.
Acidogenesi
I microrganismi acidogeni, assorbendo i prodotti dell’idrolisi attraverso le loro membrane cellulari, sono in grado di produrre vari prodotti e acidi grassi volatili intermedi (VFA) che costituiscono una classe di acidi organici come gli acetati e acidi organici più grandi come propionato e butirrato.
L’acidogenesi procede a una velocità più rapida rispetto a tutte le altre fasi della digestione anaerobica. In questa fase, i batteri acidogeni che hanno un tempo di rigenerazione inferiore a 36 ore convertono gli zuccheri semplici e gli amminoacidi in anidride carbonica, idrogeno, ammoniaca e acidi organici.
La sequenza di reazioni che riassume lo stadio acidogenico della digestione anaerobica del glucosio ottenuto dalla fase di idrolisi sono:
C6H12O6→ 2 CH3COOH + 2 CO2
C6H12O6 + 2 H2 → 2 CH3CH2COOH + 2 H2O
C6H12O6→ 3 CH3COOH
Acetogenesi
L’acetogenesi è la terza fase della digestione anaerobica in cui alcuni batteri chiamati batteri danno luogo alla formazione di acetato, anidride carbonica e idrogeno. Il prodotto di scarto dell’acidogenesi è l’idrogeno, quindi questa fase è anche nota come fase di deidrogenazione
In questa fase gli acidi grassi volatili non ancora essere resi accessibili ai microrganismi della fase successiva vengono convertiti in acetato. Le serie di reazioni associate a questa fase della fermentazione anaerobica sono:
CH3CH2COO– + 3 H2O → CH3COO– + H+ + HCO3–+ 3 H2
C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3CH2COOH + 4 H2
CH3CH2OH + 2 H2O → CH3COO– + H+ + 3 H2
Metanogenesi
La metanogenesi costituisce fase finale nella conversione dei materiali organici in biogas. In questa fase alcuni organismi unicellulari detti metanogeni convertono i prodotti intermedi prodotti nelle fasi precedenti in biogas. I microrganismi metanogeni tendono a richiedere un pH più elevato rispetto alle fasi precedenti della digestione anaerobica e hanno un tempo di rigenerazione più lento rispetto ad altri microrganismi nella digestione anaerobica che va da 5 a 16 giorni.
Poiché gli stadi precedenti convertono la materia organica da una forma all’altra, il carico di inquinamento organico in termini di domanda chimica di ossigeno o domanda biochimica di ossigeno è notevolmente ridotto dal processo anaerobico nella metanogenesi.
Le reazioni che avvengono in quest’ultima e conclusiva fase della digestione anaerobica prevedono la formazione di metano e anidride carbonica:
CH3COOH –+ 4 H2→ CH4 + CO2
Infine dalla reazione dell’etanolo con anidride carbonica si forma metano e acido acetico:
CH3CH2OH + CO2 → CH4 + CH3COOH
L’anidride carbonica formatasi viene ridotta a metano per azione dell’idrogeno gassoso:
CO2 + H2 → CH4 + 2 H2O + 2 CH3COOH
