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Il misterioso viaggio della digestione anaerobica: come fanno i microrganismi a mostrare il loro talento in un ambiente privo di ossigeno?
La digestione anaerobica è un processo sorprendente in cui i microrganismi sono in grado di degradare in modo efficiente materiali biodegradabili in un ambiente privo di ossigeno. Essendo un’importante biotecnologia, la digestione anaerobica può essere utilizzata nell’industria o a casa per aiutare a gestire i rifiuti e produrre carburante. Sia che venga utilizzata nella fermentazione di alimenti e bevande o nelle fermentazioni domestiche, la digestione anaerobica svolge costantemente le sue funzioni.
Il processo di digestione anaerobica può verificarsi naturalmente in alcuni terreni e sedimenti lacustri e oceanici e viene spesso definito "attività anaerobica".
Questo processo passa attraverso quattro fasi principali: idrolisi, acidificazione, acetazione e generazione di metano. Il primo passo nella digestione anaerobica è l’idrolisi del materiale in ingresso da parte dei batteri, che converte i polimeri organici insolubili (come i carboidrati) in derivati solubili che possono essere utilizzati da altri batteri. I batteri che generano acidi convertono quindi zuccheri e amminoacidi in anidride carbonica, idrogeno, ammoniaca e acidi organici. Nella successiva fase di acetogenesi, i batteri riconvertono questi acidi organici in acido acetico e nuovamente in altri composti come ammoniaca, idrogeno e anidride carbonica. Infine, gli archeobatteri metanogeni convertono questi prodotti in metano e anidride carbonica.
Questo processo non solo converte i rifiuti in energia utile, ma riduce anche le emissioni di gas di discarica.
La digestione anaerobica è particolarmente utilizzata nel trattamento delle acque reflue e nella gestione dei rifiuti. Durante il processo, il biogas generato è costituito da metano, anidride carbonica e altri gas “inquinanti” in tracce. Questo biogas può essere utilizzato direttamente come combustibile, oppure immesso in un generatore di gas che combina calore ed elettricità, o addirittura trasformato in biometano di qualità quasi naturale. Man mano che cresce l’interesse per il riutilizzo dei rifiuti, anche i governi di molti paesi, come il Regno Unito e la Germania, stanno iniziando a mostrare un maggiore interesse per la digestione anaerobica.
Il processo di digestione anaerobica
Nella digestione anaerobica sono coinvolti molti microrganismi, tra cui batteri produttori di acido acetico e archaea produttori di metano. Questi microrganismi facilitano una serie di reazioni chimiche mentre convertono la biomassa in biogas. Nei sistemi anaerobici, la partecipazione dell'ossigeno gassoso è esclusa da vincoli fisici e gli organismi anaerobici utilizzano altri accettori di elettroni oltre all'ossigeno. Questi recettori possono provenire dal materiale organico stesso o possono essere forniti da ossidi inorganici nel materiale in ingresso.
Quattro fasi principali
Le quattro fasi chiave della digestione anaerobica sono l'idrolisi, l'acidificazione, l'acetificazione e la generazione di metano. Insieme, queste fasi degradano biochimicamente la materia organica come il glucosio in anidride carbonica e metano. Di seguito è riportato il processo dettagliato di ciascuna fase:
Idrolisi
In genere, la biomassa è costituita da grandi polimeri organici. Affinché i batteri nella digestione anaerobica possano utilizzare l'energia contenuta in questi materiali, queste catene devono prima essere scomposte in componenti più piccoli. Questo processo, chiamato idrolisi, scompone le molecole organiche complesse in zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi.
Acidificazione
L'acidificazione è un processo biologico in cui i componenti rimanenti vengono ulteriormente degradati da batteri produttori di acido. Durante questa fase si formano sottoprodotti come acidi grassi volatili, ammoniaca, anidride carbonica e idrogeno solforato. Questo processo è simile a come il latte diventa acido.
Acetazione
Durante la fase di acetificazione, le molecole semplici vengono ulteriormente degradate dai batteri produttori di acido acetico, producendo infine la maggior parte di anidride carbonica e idrogeno.
Generazione di metano
La fase finale della digestione anaerobica è la produzione di metano. In questo processo, i metanoarchaea utilizzano intermedi delle fasi precedenti per convertirsi in metano e acqua, e questi componenti costituiscono la maggior parte del biogas prodotto nel sistema.
Progettazione del digestore
I digestori anaerobici possono essere progettati in molte configurazioni diverse e classificati in base a diverse modalità di processo come batch o continuo. I processi continui richiedono progettazioni più complesse, ma poiché i processi batch richiedono maggiori costi di costruzione iniziali, i processi continui possono essere più economici in termini di costi. I digestori possono essere suddivisi in processi ad alto contenuto di solidi e a basso contenuto di solidi a seconda del contenuto di solidi da trattare. In generale, i processi a basso contenuto di solidi possono avere un contenuto di solidi inferiore al 15%, mentre i processi ad alto contenuto di solidi possono avere un contenuto di solidi superiore a questo livello.
Con l'avanzare della tecnologia, alcuni paesi come la Germania e gli Stati Uniti hanno iniziato a esplorare nuove strategie di digestione anaerobica, con l'obiettivo di migliorare ulteriormente l'efficienza del processo e, in definitiva, raggiungere un modo più sostenibile di gestire i rifiuti.
Questi sviluppi non solo rendono possibile riciclare i rifiuti, ma promuovono anche l'utilizzo e lo sviluppo delle energie rinnovabili.
La digestione anaerobica è un viaggio di sottile sinergia di microrganismi. Ci sono molti misteri e potenzialità nascoste in questo processo, che meritano il nostro studio ed esplorazione più approfondita. Possiamo usare questa saggezza in modo più intelligente nel futuro dei rifiuti e dell'energia?
