La gestione dei rifiuti e dei sottoprodotti organici rappresenta una delle sfide più critiche del nostro tempo. In un mondo che punta sempre più alla sostenibilità, i biodigestori rispondono alla crescente domanda di produzione di energia da fonti rinnovabili per trasformare i rifiuti ed i sottoprodotti organici in risorse preziose, contribuendo alla produzione di energia rinnovabile, di biometano o bioidrogeno, una risorsa sempre più strategica nel panorama energetico globale.
In questo articolo approfondiremo non solo il funzionamento e i benefici dei biodigestori, ma anche il processo di raffinazione del biogas per ottenere biometano e il ruolo cruciale che questa tecnologia gioca nella transizione energetica.
Tipologie di digestore
Impianti agricoli
Gli impianti agricoli trattano reflui e sottoprodotti organici provenienti da allevamenti e coltivazioni, come letame, liquami zootecnici e residui colturali. Il processo avviene generalmente in digestori anaerobici operanti a temperatura mesofila (35-40°C), ideali per la degradazione della biomassa agricola. Il biogas prodotto viene utilizzato per alimentare motori cogenerativi, generando energia elettrica e termica oppure viene prodotto biometano e/o bioidrogeno. Il digestato residuo è comunemente impiegato come fertilizzante naturale, migliorando la qualità del suolo.
Impianti industriali
Questi impianti gestiscono sottoprodotti organici di origine industriale, come sottoprodotti alimentari, oli esausti e fanghi organici derivanti dal trattamento delle acque reflue industriali. La configurazione del digestore varia in base alla composizione delle matrici: impianti a singolo o doppio stadio, wet o dry. Il biogas ottenuto ha un alto potere calorifico e può essere convertito in biometano per l’immissione in rete o l’utilizzo come carburante, in alternativa è anche possibile produrre bioidrogeno. Il digestato viene stabilizzato per il riutilizzo agronomico.
Impianti a Fanghi civili
Utilizzati principalmente nei depuratori urbani, questi digestori trattano fanghi primari e secondari provenienti dai processi di sedimentazione e ossidazione biologica delle acque reflue. Operano solitamente a temperatura mesofila, consentendo la stabilizzazione della materia organica con una significativa riduzione del volume dei fanghi. Il biogas prodotto viene utilizzato per alimentare i sistemi di cogenerazione e per riscaldare il digestore stesso tramite apposite caldaie. In alternativa è anche possibile produrre biometano e/o bioidrogeno. Il digestato viene compostato direttamente o da terzi per produrre ammendanti organici.
Impianti FORSU
Gli impianti FORSU trattano la frazione organica dei rifiuti solidi urbani, derivante sia da raccolta differenziata che porta a porta, come scarti alimentari e residui biodegradabili. Possono utilizzare digestori wet, per matrici umide, o dry, per materiali con minor umidità. Il biogas generato, ricco di metano, viene valorizzato energeticamente o trasformato in biometano oppure è possibile anche in questo caso produrre bioidrogeno. Il digestato viene compostato per produrre ammendanti utilizzabili in agricoltura, contribuendo all’economia circolare e riducendo l’impatto ambientale dei rifiuti.
Il processo
Premessa:
Un biodigestore è un impianto progettato per trattare i sottoprodotti e rifiuti organici attraverso il processo di digestione anaerobica. Questo processo biologico in tre macrofasi (Pretrattamento e caricamento, Digestione Anaerobica e Separazione solido liquido) trasforma gli scarti in tre prodotti principali:
- Biogas: Una miscela di metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂), utilizzabile per produrre energia o, tramite un processo di raffinazione, per ottenere biometano.
- Bioidrogeno: nel nostro pianeta è presente in grandi quantità nell’acqua, nei composti organici e negli esseri viventi. L’idrogeno è un combustibile poco inquinante e con un enorme potere calorifico che lo rende ampiamente efficiente. Si stanno studiando tutte le sue applicazioni come fonte di energia alternativa, in particolare nei mercati aeronautico ed automobilistico.
- Digestato: solido e digestato liquido, che possono diventare un fertilizzante organico ricco di nutrienti e sostanza organica, adatto per applicazioni agricole.
- Bioplastiche: sono in corso studi molto promettenti circa la possibilità di produrre bioplastica dagli impianti a digestione anaerobica.
Il processo complesso alla base della formazione del biogas
La formazione del biogas è il risultato di un processo biologico complesso noto come decomposizione anaerobica, in cui la materia organica viene trasformata in gas metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂) in assenza di ossigeno. Questo processo si articola in quattro fasi principali, ciascuna caratterizzata dall’interazione di specifici microrganismi e da un insieme unico di enzimi. Questi organismi lavorano in stretta sinergia, formando una rete biologica interdipendente che opera in prossimità spaziale e crea un sistema di equilibrio funzionale. La cooperazione tra le diverse comunità microbiche consente di garantire l'efficienza del processo, trasformando gradualmente le sostanze complesse in biogas attraverso un meccanismo coordinato e sequenziale. Questa dinamica biologica non è solo affascinante, ma anche cruciale per massimizzare la resa energetica e la stabilità del sistema digestivo.
Le quattro fasi nella produzione di Biogas
La produzione di biogas avviene attraverso un processo biologico articolato in quattro fasi fondamentali, ciascuna essenziale per la conversione della materia organica in metano e anidride carbonica.
- Fase di idrolisi
Durante l'idrolisi, i composti organici complessi come carboidrati, proteine e grassi vengono scomposti nei loro componenti più semplici. I carboidrati si trasformano in zuccheri semplici, le proteine in amminoacidi, e i grassi in acidi grassi. Questo passaggio è catalizzato da enzimi specifici, che rendono le molecole più facilmente assimilabili dai microrganismi coinvolti nelle fasi successive. - Fase di acidogenesi
Nella fase di formazione degli acidi, o acidogenesi, i prodotti dell'idrolisi vengono metabolizzati da batteri fermentativi in composti intermedi come acidi organici (acido lattico, acido formico), alcoli inferiori (etanolo, metanolo), anidride carbonica e idrogeno. Questa fase è fondamentale per ridurre la complessità delle molecole organiche e prepararle per il successivo passaggio. - Fase di acetogenesi
L'acetogenesi rappresenta il collegamento critico alla formazione del metano. Durante questa fase, gli acidi organici e gli alcoli prodotti in precedenza vengono ulteriormente trasformati in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno. Questa conversione è operata da batteri acetogeni che creano i substrati principali utilizzati nella fase finale della metanogenesi. L'equilibrio tra i prodotti di questa fase, in particolare idrogeno e anidride carbonica, è essenziale per la stabilità del processo. - Fase di metanogenesi
Nella fase finale, i microrganismi metanigeni, utilizzano l'acido acetico, l'idrogeno e l'anidride carbonica per produrre metano e una piccola quantità di anidride carbonica come sottoprodotto. La metanogenesi è il punto culminante del processo, dove l'energia chimica contenuta nella materia organica viene convertita in una forma utilizzabile, il biogas e/o il biometano.
Per garantire un processo efficiente, tutte queste fasi devono operare in sincronia. Un equilibrio dinamico tra i diversi gruppi microbici è essenziale per mantenere un ambiente stabile e ottimizzare la produzione di biogas e/o il biometano. Ogni fase dipende strettamente dalla precedente, creando un sistema biologico interconnesso che richiede condizioni controllate come temperatura, pH e carico organico adeguato.
Conclusione
I biodigestori e la produzione di biogas e/o biometano rappresentano una combinazione vincente per affrontare le sfide della sostenibilità e dell’energia. Investire in questa tecnologia significa valorizzare i sottoprodotti e rifiuti organici, produrre energia o gas rinnovabile e sostenere l’economia circolare.
Con l’evoluzione di tecnologie e prodotti che ottimizzano la produzione di biometano, il potenziale dei biodigestori è destinato a crescere ulteriormente, contribuendo a un futuro energetico più green e responsabile.
