Digestione anaerobica e biogas

La digestione anaerobica è la decomposizione di materia organica umida da parte di microbi, in una vasca chiusa e senz’aria. Produce biogas, un combustibile fatto soprattutto di metano e anidride carbonica, e un digestato che si sparge sui campi. A metà degli anni 1890, a Exeter, in Inghilterra, si bruciava nelle lampade il gas di una vasca coperta per acque di fogna.

Che cos’è

La digestione anaerobica è una putrefazione senz’aria. In una vasca chiusa e priva di ossigeno, una comunità di batteri e archei degrada materia organica umida come letame, fanghi di depurazione o avanzi di cucina. Gli archei che producono il metano sono anaerobi obbligati, mentre alcuni dei batteri che attaccano la materia e formano gli acidi sono anaerobi facoltativi: vivono con o senza ossigeno. Insieme trasformano gran parte del carbonio di questa materia in biogas, una miscela infiammabile di metano e anidride carbonica con un po’ di vapore acqueo e tracce di acido solfidrico. La quota di metano dipende da ciò che si introduce: l’Agenzia statunitense per l’informazione energetica indica dal 45 al 65%, l’Agenzia per la protezione dell’ambiente dal 50 al 75%.

La stessa decomposizione avviene da sola nel fango delle paludi, dove il gas risale in bolle e va perduto. Il digestore la racchiude perché il gas si possa raccogliere e usare. Ciò che esce dalla vasca, il digestato, conserva la maggior parte delle sostanze nutritive del carico e si sparge sui campi come concime. Il biogas brucia in fornelli, caldaie o motori che azionano generatori e, liberato dall’anidride carbonica e dalle impurità, può entrare nella rete del gas naturale.

Un digestore domestico del tipo a lungo diffuso in India è una fossa rivestita di mattoni e riempita di sterco stemperato in acqua. Una campana d’acciaio, aperta in basso, galleggia capovolta sulla miscela e scorre lungo un tubo di guida centrale. Il materiale fresco si versa in una vasca di carico, da cui un tubo lo porta sul fondo della fossa, e un volume uguale di digestato trabocca all’uscita. Il gas esce da un tubo posto in cima alla campana.

Come funziona

La digestione procede per fasi, ciascuna svolta da microbi diversi. Prima, enzimi rilasciati dai batteri spezzano grassi, proteine e carboidrati in molecole più piccole: acidi grassi, amminoacidi e zuccheri. Altri batteri li fermentano in acidi grassi volatili e poi in acido acetico, idrogeno e anidride carbonica. Nell’ultima fase, archei metanogeni trasformano l’acido acetico, oppure l’idrogeno e l’anidride carbonica, in metano.

I produttori di metano crescono lentamente e si squilibrano con facilità. Se il digestore viene sovraccaricato o la sua temperatura cambia di colpo, gli acidi si accumulano più in fretta di quanto gli archei li consumino, la miscela inacidisce e la produzione di gas crolla. Perciò i digestori si alimentano con regolarità e si tengono a un calore costante, di solito intorno a 35 °C, adatto ai microbi mesofili, oppure intorno a 55 °C per i termofili, più rapidi ma più difficili da mantenere stabili. La miscela resta dentro per settimane, abbastanza perché gli archei, che crescono lentamente, tengano il passo. Con materiali fibrosi come il letame, è spesso la prima fase, la scomposizione delle fibre, a limitare la velocità.

In un digestore a campana galleggiante il gas si raccoglie sotto la campana e la solleva. Il peso della campana fissa la pressione del gas, che resta quasi costante, e la sua altezza mostra quanto gas è immagazzinato. Quando si preleva gas per il fornello, la campana riscende.

Nel digestore a cupola fissa il gas trattenuto sotto la cupola in muratura spinge la miscela nella camera d’uscita.

Il digestore a cupola fissa, il tipo abituale dei programmi domestici cinesi, non ha parti mobili. È una camera chiusa di mattoni, pietra o calcestruzzo coperta da una cupola. Il gas si raccoglie sotto la cupola e spinge una parte della miscela in una camera d’uscita; la pressione sale man mano che il gas si accumula e scende quando lo si usa, mentre la miscela rifluisce. La cupola deve essere a tenuta di gas, perché ogni crepa lo lascia sfuggire.

Il biogas grezzo contiene acido solfidrico, un gas che odora di uova marce ed è tossico ad alte concentrazioni. Si elimina per primo, insieme al vapore acqueo. Se si toglie anche l’anidride carbonica resta metano quasi puro, detto biometano, che si usa ovunque si usi il gas naturale.

Come si fa

Un palloncino sul collo della bottiglia raccoglie il gas prodotto dalla poltiglia all’interno.

Con una bottiglia di plastica e un palloncino si vede la digestione all’opera. Usate una bottiglia per bevande pulita da 1,5 o 2 litri. Metteteci scarti di verdura tritati finemente e qualche cucchiaio di letame fresco di vacca o di cavallo, oppure di terra del giardino, che porta i microbi. Aggiungete acqua tiepida fino a circa un terzo della bottiglia, per lasciare molto spazio al gas, e scuotete piano. Tendete un palloncino sul collo e fasciate la giunzione con nastro adesivo perché sia a tenuta.

Mettete la bottiglia in un luogo caldo, lontano dal sole diretto, e controllatela ogni giorno. Dopo qualche giorno il palloncino comincia a gonfiarsi. Preparate una seconda bottiglia allo stesso modo e tenetela al fresco: il confronto mostra quanto il calore acceleri i microbi. Misurando ogni giorno la circonferenza di ciascun palloncino con una striscia di carta si ottiene una curva di crescita.

Avvertenze di sicurezza. Il gas del palloncino è infiammabile e può contenere acido solfidrico: non avvicinate mai una fiamma o una scintilla e non tentate mai di accenderlo. Non chiudete mai la bottiglia con un tappo, altrimenti la pressione salirebbe; il palloncino è l’uscita. Letame e scarti in decomposizione portano germi: indossate guanti, lavatevi le mani dopo aver toccato le bottiglie, tenetele lontane dal cibo e fuori dalla portata dei bambini piccoli. Alla fine portate la bottiglia all’aperto, lontano da ogni fiamma, lasciate uscire il gas e svuotate il contenuto sul compost.

Storia ed evoluzione

Il gas infiammabile che sale dalle materie in putrefazione fu notato molto prima di essere usato. Nel XVII secolo il medico fiammingo Jan Baptista van Helmont annotò che la materia organica in decomposizione liberava un gas infiammabile.

Volta smuoveva il fango di un canneto e raccoglieva le bolle in un recipiente capovolto.

Nel 1776 Alessandro Volta, in barca presso Angera sul Lago Maggiore, smosse il fondo fangoso tra le canne e raccolse le bolle che risalivano. Il gas bruciava, e lo chiamò aria infiammabile nativa delle paludi. Ne concluse che la quantità di gas dipendeva dalla quantità di vegetali in decomposizione.

I primi digestori nacquero con la depurazione delle acque di fogna. A Exeter, nel 1895, l’ingegnere comunale Donald Cameron costruì una grande vasca coperta in cui i liquami si depositavano e marcivano senz’aria, e la chiamò fossa settica. Il gas delle fogne di Exeter fu bruciato nelle lampade: Penn State Extension lo data al 1895, la FAO al 1896. Nel bacino dell’Emscher, nella Ruhr, Karl Imhoff brevettò nel 1906 una vasca in cui i liquami decantavano e i loro fanghi venivano digeriti, e vasche del suo tipo sorsero presto anche in America del Nord. Alla fine degli anni Venti Arthur Buswell avviò le ricerche che, con altri lavori degli anni Trenta, individuarono i microbi coinvolti e le condizioni favorevoli al metano.

Nel Novecento piccoli digestori alimentati a sterco si diffusero nell’Asia rurale. L’India promosse impianti a campana galleggiante, e poi a cupola fissa, per le famiglie contadine. La Cina lanciò campagne di massa e verso la fine degli anni Settanta aveva costruito circa sette milioni di digestori domestici, ma molti, costruiti male, perdevano gas e furono presto abbandonati. Oggi grandi digestori trattano fanghi di depurazione, letame e scarti alimentari in molti paesi, e il loro gas produce calore ed elettricità oppure, depurato, entra nelle reti del gas.