Affinché il processo abbia luogo è necessaria l'azione di diversi gruppi di microrganismi in grado di trasformare la sostanza organica in composti intermedi, principalmente acido acetico, anidride carbonica ed idrogeno, utilizzabili dai microrganismi metanigeni che concludono il processo producendo il metano.

I microrganismi anaerobi presentano basse velocità di crescita e basse velocità di reazione e quindi occorre mantenere ottimali, per quanto possibile, le condizioni dell'ambiente di reazione. Nonostante questi accorgimenti, i tempi di processo sono relativamente lunghi se confrontati con quelli di altri processi biologici; tuttavia il vantaggio del processo è che la materia organica complessa viene convertita in metano e anidride carbonica e quindi porta alla produzione finale di una fonte rinnovabile di energia sotto forma di un gas combustibile ad elevato potere-calorifico.
L'ambiente di reazione, definito solitamente digestore (o reattore anaerobico), per permettere la crescita contemporanea di tutti i microrganismi coinvolti, dovrà risultare da un compromesso tra le esigenze dei singoli gruppi microbici. Il pH ottimale, ad esempio, è intorno a 7/7.5, la temperatura ottimale di processo è intorno ai 40° C, se si opera coi batteri mesofili, o intorno a 55°C, se si utilizzano batteri termofili.



IL BIOGAS : cos’è?

Il biogas nasce dalla decomposizione della sostanza organica attraverso il processo di digestione anaerobica che avviene in assenza di ossigeno.
La temperatura ottimale per il processo è circa 35 - 42 ° C (campo mesofilo).



COMPOSIZIONE MEDIA DEL BIOGAS





Partecipano al processo i seguenti gruppi di batteri:

• batteri idrolitici che spezzano le macromolecole biodegradabili in sostanze più semplici
  
• batteri acidogeni che utilizzano come substrato i composti organici semplici liberati dai batteri idrolitici e producono acidi organici a catena corta, che a loro volta rappresentano il substrato per i gruppi batterici successivi
  
• batteri acetogeni produttori obbligati di idrogeno (OPHA: Obbligate Hydrogen Producing Acetogens) che utilizzano come substrato i prodotti dei batteri acidogeni dando luogo ad acetato, idrogeno ed anidride carbonica
  
• batteri omoacetogeni che sintetizzano acetato partendo da anidride carbonica e idrogeno
  
• batteri metanigeni, distinti in due gruppi:

1. aceto clastici: producono metano ed anidride carbonica da acido acetico, detti acetoclastici
   
2. idrogenotrofi: producono metano partendo da anidride carbonica e idrogeno, detti idrogenotrofi
   

Mentre il metano viene liberato quasi completamente in fase di gas vista la sua scarsa solubilità in acqua, l'anidride carbonica partecipa all'equilibrio dei carbonati presenti nella biomassa in reazione. Le interazioni tra le diverse specie batteriche sono molto strette ed i prodotti del metabolismo di alcune specie possono essere utilizzati da altre specie come substrato o come fattori di crescita.

Mentre il metano viene liberato quasi completamente in fase di gas vista la sua scarsa solubilità in acqua, l'anidride carbonica partecipa all'equilibrio dei carbonati presenti nella biomassa in reazione. Le interazioni tra le diverse specie batteriche sono molto strette ed i prodotti del metabolismo di alcune specie possono essere utilizzati da altre specie come substrato o come fattori di crescita.



Ceppi batterici responsabili del processo di digestione anaerobica e substrati attaccabili

il processo di demolizione della sostanza organica che porta alla formazione del biogas è sintetizzabile sommariamente nella relazione

Fasi di processo biologico

Le fasi principali del processo si possono sintetizzare:


1. IDROLISI:
La fase di idrolisi è la fase che maggiormente influenza la velocità complessiva del sistema. Questo primo step metabolico è gestito da batteri sia anaerobi che da batteri facoltativi. L’idrolisi delle macromolecole organiche è operata da enzimi extracellulari prodotti dai batteri stessi.



2. ACIDIFICAZIONE:
durante questa fase, partendo dai prodotti dell’idrolisi vengono prodotti acidi organici volatili. Infatti i batteri anerobi facoltativi “Acidoformanti” danno luogo alla formazione di acido acetico, propionico e butirrico. Da questi precursori si ottengono poi aldeidi, alcoli, anidride carbonica e idrogeno.

• RECUPERO ENERGETICO da Fonti Rinnovabili : il trattamento anaerobico in condizioni controllate porta alla degradazione della sostanza organica ed alla produzione di biogas, una miscela formata per il 50-70% da metano e, per la quota restante, quasi esclusivamente da anidride carbonica. La cogenerazione di energia elettrica e calore mediante combustione del biogas risulta economicamente molto vantaggiosa;
  
  
• RIDUZIONE DI GAS SERRA
  
  
• MINORE FITOTOSSICITÀ DEI LIQUAMI
  
  
• STABILIZZAZIONE DEI LIQUAMI. L'abbattimento del carico organico carbonioso ottenibile in digestione anaerobica conferisce al liquame una sufficiente stabilità anche nei successivi periodi di stoccaggio; si ha un rallentamento dei processi degradativi e fermentativi con conseguente diminuzione nella produzione di composti maleodoranti;
  
  
• RIDUZIONE DI CARICA PATOGENA D'INFESTANTI : la digestione anaerobica in mesofilia può ridurre parzialmente la eventuale carica patogena presente nei liquami. Operando in termofilia è possibile, invece, ottenere la completa igienizzazione del liquame con la completa distruzione dei patogeni;
  
  
• MINORE IMPATTO OLFATTIVO si ha un abbattimento di odori ed emissioni inquinanti (NH3 e CH4). Le sostanze maleodoranti che eventualmente si formano durante il processo (acido solfidrico, mercaptani, ammoniaca) vengono avviate con il biogas alla combustione. Un buon abbattimento degli odori è ottenibile con impianti nei quali il processo di digestione anaerobica sia condotto in condizioni mesofile (38-42°C) e termofile (50-55°C). Buoni risultati possono essere raggiunti anche con la digestione a temperature più basse, nell'intervallo 10-25°C, purché siano assicurati tempi adeguati di permanenza;
  
  
• MIGLIORE LIVELLO IGIENICO SANITARIO;
  
  
• UTILIZZO CONVENIENTE DEI SINGOLI PRODOTTI
  
  
• INNALZAMENTO DEL LIVELLO ECONOMICO GENERALE
  
  

I più importanti paramentri che condizionano il processo e che pertanto vanno attentamente e costantemente monitorati, si possono così sintetizzare:

• UNITA' DI CARICO (m3 o T);
  
• SUBSTRATI METABOLICI;
• TEMPERATURA (°C);
  
• ACIDITA' (Ph);
  
• TEMPO DI RITENZIONE (HRT);
  
• FATTORI DI CONVERSIONE;
  
• QUALITÀ DEL BIOGAS.
  
  

UNITÀ DI CARICO E' l'insieme dei singoli materiali misurati in tonnellate e/o m3 a seconda delle specifiche caratteristiche che giornalmente vengono immessi nel digestore. E' anche definito come carico specifico e rappresenta il totale della sostanza organica giornalmente apportata. E' molto importante non eccedere con carichi specifici molto elevati per evitare che nel processo prevalga la fase acida rispetto a quella metanigena. Molto importante è poter distribuire il carico in modo uniforme nell'arco della giornata.

SUBSTRATI METABOLICI Con livelli di percentuale si sostanza secca troppo bassi, si può incorrere nel rischio di non avere a disposizione substrati metabolici sufficienti per il corretto sviluppo delle popolazioni microbiche. Al contrario un contenuto di solidi eccessivamente elevato crea problemi di movimentazione della biomassa soprattutto nella fase di carico. 3 < S.S. < 18%

TEMPERATURA Il campo di lavoro delle varie categorie di batteri è assai ampio, ma ovviamente per ciascuna di loro esistono delle condizioni metaboliche ideali espresse a regimi termici ben definiti entro i quali è massima la loro potenzialità. Si può mantenere attivo il processo entro tre regimi termici pre definiti: PSICROFILIA : 1 0 ÷ 25 °C MESOFILIA : 30 ÷ 42 ° C TERMOFILIA : 48 ÷ 58 °C

ACIDITA' Il pH è un elemento molto importante nel condizionare l'andamento del processo, che dovrebbe essere mantenuto a valori di neutralità pH entro i limiti 6,5 ÷ 7,5 consentono di considerare il processo stabile. Altri parametri da monitorare sono il potenziale di ossido - riduzione (rH) che controlla le corrette condizioni di anaerobiosi e le concentrazioni di ammoniaca che sopra certi livelli sono inibenti al processo.

TEMPO DI RITENZIONE (HRT) Il tempo di ritenzione idraulica (HRT) (Hydraulic Retention Time) è il tempo di permanenza medio delle miscele dell'unita' di carico all'interno dei digestori. Questo tempo deve essere sufficiente affinchè si ottenga la totale demolizione e degradazione della sostanza organica in biogas. La variabilità del tempo di ritenzione è ovviamente legata a molteplici fattori tra i quali principalmente importanti sono le caratteristiche intrinseche della miscela di carico ed il regime a cui si sviluppa il processo. In condizione di mesofilia si può considerare : Liquame suino (2-4 % s.s) : 20/25 giorni; Liquame bovino (6-8 % s.s.) : 25/35 giorni; Liquame e Biomassa (12-14 % s.s.) : 50/60 giorni; Liquami e Biomasse (15 - 18 % s.s.) : 60/70 giorni. FATTORI DI CONVERSIONE Sono quei valori che indicano le produzioni espresse in Nm3 di biogas per kg di S.V. A livello indicativo si possono considerare sia per le deiezioni zootecniche che per alcune biomasse dedicate i valori di riferimento riportati nella tabella a seguire.

QUALITA' DEL BIOGAS La miscela di biogas è formata dall'insieme di metano, anidride carbonica e altri gas. La qualità del biogas è tanto maggiore quanto più alta è la percentuale di metano. Si può prevedere una variazione del contenuto di metano compresa tra il 50 ÷ 70 % e si può considerare un biogas di buona qualità quando ci si attesta intorno a valori di metano pari al 60 %. GARANTIAMO IL RISULTATO Per tutti gli impianti è previsto, un sistema computerizzato che controlla la bontà del processo sia relativamente alla quantità, qualità e tempistiche di immissione dei singoli prodotti con costante monitoraggio, anche a distanza, delle singole performance. Sono costantemente monitorati i livelli di produzione e qualità del gas oltre che l’efficienza dei singoli componenti i parametri ottimali ed i rendimenti dei cogeneratori.