Misura del gas nel test BMP: metodi manometrici, volumetrici e GC

Nel test BMP la produzione di biogas si misura con tre tecniche principali: manometrica (aumento di pressione in una bottiglia chiusa), volumetrica (volume di liquido spostato o contatore di gas) e con sistemi dotati di contatori di gas automatici; la composizione del gas si determina con gascromatografo (GC) o con sensori. Tutti i metodi richiedono la conversione alle condizioni normali (0 °C, 101,325 kPa, gas secco) e un risultato privo di tale correzione non è attendibile.

Metodo manometrico

La bottiglia, di volume utile noto, viene chiusa e l’aumento di pressione è misurato con un manometro o un sensore. Periodicamente si rilascia l’eccesso di gas (a una pressione che non superi il valore consentito dalla resistenza delle bottiglie e dalla solubilità della CO₂). Il volume di gas si calcola con la legge dei gas ideali: n = pV/(RT), e poi si converte alle condizioni normali. Vantaggio: economico e semplice. Svantaggi: l’influenza della solubilità della CO₂ cresce con la pressione; ad alta pressione una parte della CO₂ resta nel liquido, il che sottostima il volume di gas, ma ciò non riguarda il metano, che si dissolve poco.

Metodo volumetrico

Il gas della bottiglia fluisce in un cilindro di misura contenente un liquido di sbarramento (ad es. acqua acidificata con solubilità limitata della CO₂) o in un contatore di gas. Lo spostamento del liquido indica il volume. Vantaggio: lettura diretta in millilitri. Svantaggi: influenza della solubilità della CO₂ nel liquido di sbarramento, letture dipendenti dalla pressione barometrica, laboriosità.

Contatori di gas automatici

I sistemi con celle a conteggio di bolle (tipping cell) o con sensori di flusso registrano il gas in tempo reale, spesso dopo il passaggio attraverso una soluzione di idrossido che lega la CO₂ (in tal caso si misura direttamente il CH₄). Questi metodi offrono una buona risoluzione temporale e consentono di costruire la curva cinetica, ma richiedono calibrazione e controllo della tenuta, e la soluzione alcalina deve essere sostituita.

Analisi della composizione del gas

I campioni di gas si prelevano con una siringa a tenuta con setto. Ogni serie dovrebbe essere preceduta da standard di calibrazione.

Conversione alle condizioni normali

V₀ = V × (p − p_H₂O) / 101,325 × 273,15 / T, dove V — volume misurato, p — pressione (kPa), p_H₂O — tensione di vapore dell’acqua alla temperatura di misura, T — temperatura (K).

Esempio: sono stati letti 120 mL di gas saturo di vapore a 38 °C e p = 101,3 kPa. La tensione di vapore dell’acqua a 38 °C ≈ 6,6 kPa. V₀ = 120 × (101,3 − 6,6)/101,325 × 273,15/311,15 ≈ 120 × 0,9347 × 0,8779 ≈ 98,5 mL. L’omissione della correzione per il vapore acqueo e per la temperatura darebbe un risultato sovrastimato di circa il 20%.

Metodi di calcolo standardizzati

La raccolta aperta «Standard BMP Methods» (DBFZ), curata dal gruppo di autori delle linee guida BMP, contiene descrizioni separate dei calcoli per il metodo volumetrico, manometrico, gravimetrico e basato sulla densità del gas. Esse tengono conto della composizione del gas nello spazio di testa, delle variazioni di volume al rilascio del gas e della quantità di gas rimossa dalla bottiglia. L’approccio basato sul bilancio del gas è più accurato della semplice moltiplicazione del volume per la frazione di CH₄ da una singola misura GC, in particolare quando la composizione varia nel tempo. Lo studio di Hafner et al. (2020) mostra invece quanta importanza abbiano per la ripetibilità dei risultati la corretta elaborazione e il corretto inserimento dei dati.

Errori più frequenti

1. Chiusure non a tenuta (setto, tappi) — il gas fuoriesce, risultato sottostimato.
2. Omissione del vapore acqueo — risultato sovrastimato.
3. Assenza di correzione per il bianco (produzione del solo inoculo).
4. Temperatura di riferimento errata (ad es. ambiente invece di quella di incubazione).
5. Condizioni normali diverse (0 °C vs. 20 °C vs. 15 °C) nel confronto dei risultati — verificare sempre nel rapporto.
6. Misura sulla bottiglia durante l’agitazione.

Lista di controllo del laboratorio

• prova di tenuta delle bottiglie prima dell’avvio,
• calibrazione di manometri/contatori di gas e del GC,
• registrazione della pressione atmosferica e della temperatura a ogni lettura,
• documentazione della frequenza di rilascio del gas,
• indicazione esplicita delle formule nel rapporto.

La misura del gas è semplice nell’idea, ma sono proprio le conversioni e la tenuta a causare buona parte della dispersione dei risultati tra laboratori.

Esempio di calcolo del metano da GC

Supponiamo che dalla bottiglia sia stato rilasciato gas per un volume di 60 mL in condizioni normali (dopo correzione) e che l’analisi GC abbia indicato il 62% di CH₄ nel gas secco. Il metano è 60 × 0,62 = 37,2 mL. Se la bottiglia conteneva 1,00 g di SV di substrato e il bianco (per la stessa quantità di inoculo) ha dato 8,0 mL di CH₄, il risultato netto è di 29,2 NmL CH₄/g SV per quella lettura, mentre il risultato cumulato si ottiene sommando le letture successive. Nei metodi standardizzati si considera anche il metano rimasto nello spazio di testa e la sua variazione tra le misure.

Indicazioni pratiche

Non misuri il gas subito dopo aver estratto le bottiglie dall’incubatore — il raffreddamento modifica la pressione. Mantenga lo stesso ordine di misura e registri l’ora. In presenza di letture elevate rilasci il gas più spesso, per evitare pressioni alte e una maggiore solubilità della CO₂.

Scelta del metodo in funzione dello scopo

Per le analisi di routine dei substrati è sufficiente un metodo manometrico ben condotto, con rilascio periodico del gas e analisi GC. Per le indagini cinetiche, in cui è importante la risoluzione temporale, sono preferibili i sistemi automatici. Per i lavori di ricerca con gas in tracce (H₂S, H₂) è indispensabile un GC con rivelatori adeguati. Indipendentemente dalla scelta, il laboratorio dovrebbe dimostrare la ripetibilità sul controllo cellulosico e documentare le calibrazioni.