Quattro fasi della digestione anaerobica: dall'idrolisi al metano

La digestione anaerobica (fermentazione metanigena) è un processo di degradazione anaerobica della materia organica in quattro fasi: idrolisi scompone i polimeri in molecole solubili, acidogenesi li trasforma in acidi organici e alcoli, acetogenesi converte questi prodotti in acetato, idrogeno e CO₂, mentre la metanogenesi produce metano. Ogni fase è condotta da diversi gruppi di microrganismi, che devono operare in equilibrio — ed è proprio questo equilibrio, non un singolo parametro, a determinare la stabilità di un impianto di biogas.

Fase 1: idrolisi

I batteri idrolitici secernono enzimi extracellulari che degradano le grandi molecole in composti solubili: le proteine in amminoacidi, i carboidrati complessi in zuccheri semplici, i grassi in glicerolo e acidi grassi a catena lunga. Questa fase rappresenta un collo di bottiglia per i materiali fibrosi, poiché cellulosa, emicellulose e soprattutto lignina sono difficilmente accessibili. La lignina, in condizioni anaerobiche, praticamente non si degrada e avvolge la cellulosa, ostacolando l'accesso degli enzimi. Pertanto, la triturazione, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) e il pretrattamento (descritti in articoli separati) hanno il maggiore impatto proprio su questa fase.

Fase 2: acidogenesi

I prodotti dell'idrolisi vengono fermentati in acidi grassi volatili (acetico, propionico, butirrico, valerianico), alcoli, idrogeno e CO₂. I batteri acidogeni crescono rapidamente e tollerano ampi intervalli di pH, quindi, in caso di dosaggio eccessivo di substrato facilmente degradabile, questa fase "supera" le successive. Gli acidi si accumulano, il pH diminuisce — questo è il meccanismo alla base della maggior parte delle acidificazioni.

Fase 3: acetogenesi

I batteri acetogeni (sintrofici) ossidano gli acidi propionico e butirrico e gli alcoli in acetato, idrogeno e CO₂. Queste reazioni sono termodinamicamente possibili solo se la pressione parziale dell'idrogeno è molto bassa — la mantengono i metanogeni che consumano H₂. Questa dipendenza è chiamata sintrofia interspecifica; per questo il propionato è spesso il primo segnale di disturbi.

Fase 4: metanogenesi

I metanogeni sono archei, non batteri. Due vie principali:

• acetoclastica — degradazione dell'acetato in CH₄ e CO₂ (generi tra cui Methanosaeta, Methanosarcina); secondo stime comunemente citate, questa via è responsabile della maggior parte del metano prodotto,
• idrogenotrofica — riduzione della CO₂ con idrogeno a CH₄; prevale, ad esempio, in presenza di alte concentrazioni di ammoniaca, quando gli acetoclasti sono inibiti e l'acetato viene ossidato sintroficamente in H₂ e CO₂.

I metanogeni crescono lentamente (il tempo di duplicazione è calcolato in giorni), sono sensibili alle variazioni di temperatura, pH, ossigeno e inibitori. Il loro dilavamento dalla camera, in caso di tempo di ritenzione troppo breve, interrompe il processo.

Cosa ne consegue nella pratica

Composizione del biogas

Negli impianti di biogas agricoli, il biogas contiene solitamente circa il 50–65% di CH₄ e il 35–50% di CO₂, oltre a tracce di H₂S (da alcune decine a diverse migliaia di ppm, a seconda del substrato), vapore acqueo e piccole quantità di NH₃. Il contenuto di metano dipende dalla composizione del substrato: i grassi e le proteine producono un gas più ricco di CH₄ rispetto ai carboidrati.

Come applicare queste conoscenze

1. Dosare gradualmente — introdurre cambiamenti nella dose e nella composizione del mix in giorni, non in ore.
2. Misurare più indicatori contemporaneamente (pH, FOS/TAC, acidi, composizione del gas), poiché ognuno indica una fase diversa.
3. Adattare il pretrattamento al substrato — quello fibroso richiede triturazione e un tempo più lungo, quello facilmente degradabile — un carico minore e una maggiore capacità tampone.
4. Prendersi cura dei microelementi — gli enzimi dei metanogeni contengono, tra gli altri, nichel e cobalto; la loro carenza limita l'ultima fase.

Il modello ADM1 (Batstone et al., 2002) formalizza questo schema in equazioni ed è ancora oggi la base della maggior parte delle simulazioni del processo.

Bilancio energetico e di massa in breve

La degradazione anaerobica conserva la maggior parte dell'energia chimica del substrato nel metano: solo una piccola parte viene utilizzata per la crescita della biomassa, quindi l'aumento del fango nel digestore è minimo rispetto ai processi aerobici. La composizione del gas dipende dal substrato: i carboidrati producono un biogas più povero di CH₄ rispetto ai grassi e alle proteine. I metodi per stimare il potenziale teorico (formula di Buswell) sono descritti in un articolo separato sul BMP.

Errori comuni nella comprensione del processo

• "Più substrato significa più gas." Fino a un certo limite sì, ma il sovraccarico dell'acidogenesi disturba la metanogenesi e la resa diminuisce.
• "Basta un solo indicatore." pH, FOS/TAC, acidi e composizione del gas descrivono fasi diverse.
• "I microbi si adattano a tutto." L'adattamento è possibile, ma richiede tempo e cambiamenti graduali.
• "La lignina si degrada con un tempo più lungo." In condizioni anaerobiche praticamente no; servono processi fisici e chimici.

Una buona comprensione delle fasi consente di pianificare il mix di substrati, scegliere il pretrattamento e interpretare i risultati dei test BMP, nei quali si osservano sia la fase di latenza (adattamento) sia la lenta produzione di gas dalle frazioni più difficilmente degradabili.

Checklist: il processo è in equilibrio?

• pH nell'intervallo tipico per l'impianto e senza tendenza al ribasso,
• FOS/TAC stabile o in diminuzione dopo cambiamenti della dose,
• propionato al di sotto del livello di allarme stabilito per l'impianto,
• contenuto di CH₄ nel biogas coerente con la storia per il mix in uso,
• temperatura nella camera mantenuta con una precisione di circa ±1 °C,
• assenza di schiuma e di uno strato superficiale che ostacola la miscelazione.