Biogas: cosa è, produzione e finalità
Con il passare del tempo è sempre più importante considerare il fatto che sul pianeta esiste una quantità di petrolio limitata.
Il biogas è una valida alternativa al petrolio, in quanto si tratta di una fonte energetica secondaria ottenuta da risorse rinnovabili e convertite in “energia”.
Che cosa è il biogas
Il biogas è una miscela gassosa prodotta da batteri metanogenici attraverso la fermentazione anaerobica di materia organica. Il processo viene effettuato in digestori mantenuti a temperature comprese tra 30 e 65 ºC. Il biogas contiene principalmente due componenti: metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Esistono, tuttavia, anche altri composti in traccia, come l’idrogeno solforato (H2S), l’idrogeno (H2), l’azoto (N2), l’ammoniaca (NH3), l’ossigeno (O2) e il monossido di carbonio (CO), ma le quantità di queste specie sono molto ridotte rispetto a CH4 (55-70%) e CO2 (30-45%).
A cosa serve il biogas
Il biogas permette di valorizzare e sfruttare biomasse di scarto e sottoprodotti per una serie di applicazioni, dalla produzione di energia elettrica e di calore per uso domestico (es: teleriscaldamento) e industriale all’immissione nella rete di gas naturale, o all’uso come carburante per alimentare i veicoli a motore, al pari del gas naturale o del metano di origine fossile.
Inoltre, consente di diminuire le emissioni di anidride carbonica, perché la combustione del biogas non produce ulteriore CO2 rispetto a quella già utilizzata in precedenza dalle biomasse vegetali o animali di partenza, a differenza dei combustibili fossili che la producono ex novo.
Come viene prodotto il biogas
La produzione di biogas mediante digestione anaerobica si compone di quattro fasi.
- Il primo passaggio, l’idrolisi, trasforma i polimeri organici in catene di zuccheri, amminoacidi e acidi grassi più piccole. Questo processo può richiedere anche diverse ore o giorni.
- Nella seconda fase, l’acidogenesi, i composti solubili derivati dall’idrolisi vengono metabolizzati dai microrganismi acidogenici fermentanti, portando alla formazione di acidi organici. Esempi di questi intermedi sono l’acido piruvico, acido butirrico, acido acetico e acido propionico. In questa fase vengono prodotti anche gli acidi grassi volatili (VOF).
- La terza fase, l’acetogenesi, utilizza i prodotti dell’acidogenesi per una reazione endoergonica. Durante questa fase, si possono formare diversi prodotti a seconda della pressione parziale dell’idrogeno nella reazione e i VOF vengono scomposti in acetato e idrogeno gassoso.
- L’ultima fase, la metanogenesi, rappresenta la conclusione della catena trofica anaerobica.
La produzione di CH4 può avvenire attraverso differenti meccanismi, in relazione alle condizioni anaerobiche. Le molecole di carbonio nella biomassa vengono, dunque, convertite in anidride carbonica e metano.
Il processo di fermentazione è molto complesso e possono subentrare numerose interferenze, anche solo per piccole variazioni di temperatura o della concentrazione del substrato, che causa un riadattamento dei microorganismi con un conseguente blocco dell’impianto. Tutte le fasi di questo processo devono funzionare con il massimo sincronismo per garantire la riuscita della fase successiva. La regolazione e il monitoraggio continuo dei parametri del sistema di digestione sono quindi fondamentali.
Produzione del biogas: il rapporto FOS/TAC
Il rapporto FOS/TAC è uno dei parametri più comunemente utilizzati per monitorare la produzione di biogas.
L’acronimo FOS sta per «Flüchtige Organische Säuren» (Acidi Organici Volatili), ed è misurato in mg/l HAc; TAC sta per «Totales Anorganisches Carbonat» (Capacità Tampone Alcalina), espressa in mg/l CaCO3.
La misura del rapporto FOS/TAC permette di individuare i fattori che interferiscono con il processo di fermentazione e adottare, quindi, eventuali accorgimenti.
Determinazione del COD
L’efficienza di rimozione del substrato nel corso del processo di digestione anaerobica e, quindi, la sua conversione in biogas può essere espressa in diversi modi, tra cui anche in relazione alla domanda chimica di ossigeno (COD).
La misura del COD dei substrati prima della fermentazione è un passo importante nel calcolo della resa teorica di biogas: uno studio condotto nel 2004 ha rilevato che il letame con una concentrazione iniziale di COD di 53.500 ppm ha prodotto una resa di biogas più elevata rispetto al letame con una concentrazione di COD di soli 12.000 ppm con questo metodo di valutazione della resa di biogas è però difficile chiudere i bilanci di massa, perché non tutto il COD è biodegradabile ed è quindi possibile effettuare solo una stima delle frazioni di COD che sono più o meno facilmente biodegradabili.
Rapporto FOS/TAC
Misure regolari degli acidi organici volatili (FOS) e del carbonio inorganico totale (TAC) (ovvero la capacità tampone del carbonio) hanno dato ai laboratori la possibilità di monitorare la stabilità del sistema di digestione. Sebbene ogni impianto definisca quale deve essere il proprio rapporto ottimale, nella pratica un rapporto FOS/TAC pari a 0,3–0,4 è considerato normale, perché garantisce una buona resa di metano.
La stabilità del processo di digestione può essere verificata sia monitorando il TAC che il FOS, ma è analizzando il rapporto tra i due parametri che si ottiene una stima reale dell’efficienza del processo. Il FOS/TAC è comunemente usato anche perché più rapido e meno costoso di altre determinazioni che servono a definire qualità degli impianti di biogas.
Per trovare il valore FOS/TAC, viene utilizzato un campione rappresentativo del substrato. Tutto il particolato viene rimosso mediante filtrazione o centrifuga e tutta la preparazione del campione deve essere eseguita nello stesso modo. Il volume di substrato più comunemente utilizzato è di 20 ml, ma può essere diluito in acqua, se la quantità non risulta sufficiente.
Il TAC viene misurato titolando il campione a pH 5,0 con 0,1 N di acido solforico in mg/l CaCO3 e può essere calcolato utilizzando la seguente equazione:
TAC = (EP1 x Concentrazione di titolante x 50045) / (Volume del campione)
dove EP1 è il volume del titolante a pH 5,0 in ml. Se c è 0,1 N e V è 20 ml, l’equazione può essere semplificata in:
TAC = EP1 x 250 [mg/L CaCO3]
Dopo aver calcolato il TAC, viene utilizzato il metodo Nordmann per determinare il contenuto di FOS titolando un campione di 20 ml da pH 5,0 a pH 4,4 con acido solforico 0,1 N. Usando la seguente equazione, dove B è l’acido consumato in ml (cioè volume di titolante a pH 5.0 – volume di titolante a pH 4.4), si ottiene:
FOS = [(B x 1,66) – 0,15] x 500 [mg/L HAc]
In generale, un valore FOS/TAC tra 0,3-0,4 è considerato ottimale; tuttavia, ogni sistema ha un rapporto unico. Solitamente al di sopra di questo intervallo si verifica un apporto eccessivo di biomassa e al di sotto di questo intervallo un apporto di biomassa insufficiente.
L’analizzatore COD di Mantech
MANTECH produce due strumenti di analisi applicabili per le determinazioni su biogas: l’analizzatore PeCOD per i test COD e BOD in modo rapido e sicuro, e i sistemi di titolazione automatizzati della serie MT per la determinazione del rapporto FOS/TAC.
L’analizzatore COD PeCOD® è in grado di fornire rapidamente misure accurate di COD senza l’utilizzo di sostanze chimiche nocive. In questo articolo abbiamo riportato tutte le caratteristiche di questo sistema.
Il titolatori automatici della serie MT di Mantech sono invece in grado di misurare e analizzare il rapporto FOS/TAC da una singola provetta. Il sistema è dotato di un software collaudato che permette di eseguire tutto il processo in modo semplice ed affidabile.
Di seguito viene riportato un esempio di calcolo del rapporto FOS/TAC attribuito al campione analizzato in Figura 1.
A pH 5,0 il volume del titolante aggiunto è di 8,97 ml e a pH 4,4 è di 9,81. Quindi il valore di B è 0,84. Il rapporto FOS/TAC di questo substrato è leggermente inferiore a quello generalmente considerato il livello ottimale.
FOS/TAC = {[(B x 1,66) – 0,15] x 500} / (EP1 x Concentrazione del titolante x 50045) / (Volume del campione)
FOS/TAC = {[(0,84 mL x 1,66) – 0,15] x 500} / (8,97 mL x 0,1 N x 50045 / 20 mL)
FOS/TAC = 0,28
