Che cos'è la digestione anaerobica?
La digestione anaerobica è un processo biologico in base al quale i batteri scompongono il materiale organico in composti più basici senza richiedere ossigeno come componente del processo. Si ritiene che questi batteri siano apparsi sulla Terra circa 3.800.000.000 di anni fa ed erano la forma di vita dominante sul pianeta prima della comparsa delle piante. Con l'avvicinarsi della vita delle piante circa 3.200.000.000 di anni fa, la digestione anaerobica continuò negli ambienti naturali in cui era assente ossigeno come paludi, suoli bagnati dall'acqua e in terreni costantemente coperti da acqua come laghi e fiumi. I processi biologici della digestione anaerobica richiedono che diversi tipi di batteri decompongano la materia organica in una serie di quattro fasi, tra cui idrolisi, fermentazione, acetogenesi e metanogenesi.
A partire dal 2011, l'uso principale della digestione anaerobica da parte dell'industria umana è la produzione di gas metano per la produzione di combustibile ed elettricità. Ciò avviene negli impianti di trattamento dei rifiuti che trattano rifiuti agricoli come letame o rifiuti urbani. L'industria della birra si basa anche sulla digestione anaerobica per scomporre i sottoprodotti organici della produzione di birra in combustibile a metano che altrimenti dovrebbe essere smaltito dai sistemi di trattamento delle acque reflue urbane.
Il processo di digestione anaerobica in natura è anche fondamentale per generare una forma di energia rinnovabile nota come gas naturale. Sebbene il gas naturale sia un combustibile fossile, è costituito per circa l'80% da metano insieme ad altri gas correlati come propano e butano, ed è più facilmente generato dalla terra rispetto ad altri combustibili fossili come il petrolio. È un combustibile fossile che viene spesso depositato accanto ad altri combustibili fossili, come carbone e petrolio.
I reattori industriali a biomassa che elaborano rifiuti di biomassa come il letame per generare combustibile generalmente producono meno gas metano in percentuale in volume rispetto a quanto contenuto nel gas naturale. La produzione tipica di un volume impostato di biogas da un digestore è dal 50% all'80% di metano con una quantità significativa di gas di scarico sotto forma di anidride carbonica dal 20% al 50%. Nel processo vengono inoltre generati altri gas in tracce che hanno un valore commerciale come idrogeno, azoto e ossigeno e vengono generati gas tossici che devono essere smaltiti in modo sicuro, tra cui acido solfidrico e monossido di carbonio.
I processi biologici necessari affinché avvenga efficacemente la digestione dei rifiuti possono essere complessi e fare affidamento su condizioni rigorosamente controllate. La temperatura è una delle principali preoccupazioni nel processo poiché i batteri che scompongono i rifiuti prosperano meglio a diversi livelli. Alcuni batteri sono mesofili, prosperano a una temperatura moderata di 98 ° Fahrenheit (36,7 ° Celsius), e altri sono termofili e prosperano a una temperatura ottimale più elevata di 130 ° Fahrenheit (54,4 ° Celsius).
Le condizioni devono essere modificate per temperatura, pH e altri fattori come il rapporto acqua / solido della miscela di biomassa e il rapporto carbonio / azoto poiché anche il materiale organico viene degradato chimicamente. I due principali tipi di batteri che vengono utilizzati nella digestione anaerobica sono i batteri acetogenici e metanogeni e, sebbene siano usati in tandem, ognuno ha condizioni di vita uniche in cui prosperano. I batteri acetogeni producono l'acetato chimico durante la digestione anaerobica e i batteri metanogeni producono metano.
Il materiale della biomassa viene sottoposto a quattro fasi per un efficace recupero del metano. Lo stadio di idrolisi utilizza l'acqua per decomporre solidi o semi-solidi in composti più semplici, quindi la fermentazione o l'acidogenesi vengono utilizzate per scomporre le strutture della catena di carboidrati in composti più basici come ammoniaca, idrogeno e acidi organici. L'acetogenesi viene quindi utilizzata come terza fase del processo, in cui i batteri acetogenici convertono gli acidi organici in acido acetico insieme ad altri sottoprodotti come l'idrogeno e l'anidride carbonica. La fase finale della metanogenesi utilizza batteri metanogenici per combinare questi prodotti finali primari di acetato, idrogeno e anidride carbonica in metano, che può quindi essere utilizzato per il carburante.