Acidogenesi e acetogenesi: le fasi della digestione anaerobica in cui si formano acidi e idrogeno

Acidogenesi e acetogenesi sono la seconda e la terza fase della digestione anaerobica (fermentazione metanigena): nella prima i microrganismi trasformano i composti semplici derivanti dall'idrolisi in acidi grassi a catena corta (acidi grassi volatili, AGV), CO₂ e idrogeno, nella seconda convertono la miscela di AGV in acido acetico, con ulteriore produzione di CO₂ e idrogeno. Solo questi prodotti costituiscono il nutrimento dei metanogeni. Comprendere entrambe le fasi è importante per l'operatore, perché è qui che hanno origine i disturbi più frequenti del processo.

Posizione nella catena di trasformazioni

Secondo la guida EPA AgSTAR la degradazione anaerobica avviene in quattro passaggi: idrolisi (i composti organici complessi, come proteine, carboidrati e grassi, vengono scomposti in composti più semplici), acidogenesi (i microrganismi acidogeni fermentano i composti semplici in AGV, CO₂ e idrogeno), acetogenesi (i microrganismi acetogeni trasformano la miscela di AGV in acido acetico, con ulteriore produzione di CO₂ e idrogeno) e metanogenesi (i metanogeni trasformano l'acido acetico e l'idrogeno in biogas). Il quadro generale è presentato nell'articolo Le quattro fasi della digestione anaerobica: dall'idrolisi al metano. Per l'intero percorso è fondamentale l'equilibrio tra i gruppi di microrganismi, non la velocità di una singola fase.

Acidogenesi: da dove vengono gli acidi

Questa fase è condotta da microrganismi eterotrofi, che utilizzano composti organici e crescono più velocemente dei metanogeni. Schink, nella rassegna del 1997, osserva che acidi grassi e alcoli sono i principali prodotti intermedi della degradazione metanogenica, quindi acetato, propionato, etanolo e i loro omologhi superiori devono essere ulteriormente trasformati in composti monocarboniosi. La composizione dei prodotti dipende dal substrato e dalle condizioni; i carboidrati facilmente degradabili forniscono rapidamente grandi quantità di acidi, il che è rilevante con dosi elevate di scarti di produzione.

In pratica l'operatore non osserva direttamente l'acidogenesi, ma i suoi effetti: concentrazione di AGV, alcalinità e pH. Se il ritmo di produzione degli acidi supera quello del loro consumo, si ha accumulo. Inizialmente il tampone carbonato può mantenere il pH, perciò il solo valore del pH è un indicatore ritardato — la guida EPA definisce l'alcalinità l'indicatore di stabilità più affidabile, perché l'accumulo di AGV e CO₂ si vede nel calo dell'alcalinità prima che nel calo del pH.

Acetogenesi e sintrofia

La trasformazione degli AGV in acetato non avviene come una normale reazione con bilancio energetico positivo. Schink descrive questi processi come fermentazioni secondarie, cioè sintrofiche: sono endoergoniche in condizioni standard e dipendono da uno stretto accoppiamento con la metanogenesi; l'energia disponibile è così ridotta da imporre una collaborazione molto efficace tra gli organismi. In forma semplificata: un gruppo produce idrogeno (e acetato), e i metanogeni idrogenotrofi lo consumano, grazie a che la reazione può procedere. Questo legame è descritto anche nell'articolo Metanogeni acetoclasti e idrogenotrofi nell'impianto di biogas. Il disturbo della rimozione dell'idrogeno favorisce l'accumulo di acidi intermedi, e i sintomi vanno interpretati insieme agli altri indicatori del processo: la sola composizione del gas non indica in modo univoco un determinato gruppo di microrganismi.

Perché l'equilibrio è fragile

La guida EPA sottolinea che i metanogeni si riproducono più lentamente degli altri gruppi, quindi la loro popolazione deve essere sufficientemente numerosa: quando sono troppo pochi, gli AGV si accumulano e, a concentrazioni più elevate, sono per loro tossici. Per mantenere i metanogeni, la loro perdita con l'effluente non deve superare la crescita, il che si regola con il tempo di ritenzione. La causa principale dei disturbi è l'aumento del carico (OLR) o una brusca variazione della composizione della carica, dopo la quale i batteri acidogeni superano i metanogeni e abbassano il pH; la seconda causa è l'introduzione di sostanze tossiche, che di solito porta a un collasso ancora più rapido. La relazione tra dosaggio e stabilità è descritta nell'articolo Stabilità dell'alimentazione dell'impianto di biogas: perché la somma giornaliera della carica non basta.

La separazione delle fasi aiuta? I digestori a due stadi conducono le prime tre fasi (idrolisi, acidogenesi e acetogenesi) in un serbatoio e la metanogenesi in un altro. La guida EPA osserva tuttavia che la separazione delle fasi non ha mostrato un vantaggio significativo rispetto alla digestione a uno stadio e che la scelta della tecnologia dipende dallo specifico substrato.

A che cosa guardare nell'esercizio

1. Il calo del contenuto di CH₄ nel biogas è il primo indicatore di disturbo secondo l'EPA.
2. L'alcalinità e la sua tendenza: un calo segnala il disturbo prima del pH.
3. AGV e rapporto tra AGV e alcalinità: le analisi si eseguono con metodo distillatorio o cromatografico in un laboratorio specializzato, di solito non ogni giorno; un'integrazione è la titolazione — vedi FOS/TAC: come misurare e interpretare e AGV nell'impianto di biogas.
4. pH nell'effluente: in un digestore che funziona correttamente di solito 7,0–8,0, ma è un indicatore ritardato.
5. Variazioni della carica: confronta ogni anomalia con la registrazione di consegne e dosi.

In caso di acidificazione si applica il piano descritto nell'articolo Acidificazione del digestore: diagnosi e gestione. Comprendere le due fasi centrali aiuta a evitare la conclusione errata che il problema stia nella «mancanza di batteri metanigeni», quando spesso deriva semplicemente dalla velocità con cui nel digestore giungono substrati facilmente degradabili.