Prodotti chimici "speciali" per impianti di biogas: il bicarbonato

Spesso i "biologi" che gestiscono impianti di biogas consigliano al proprietario l'aggiunta di quintali di bicarbonato di sodio, con lo scopo di "mantenere stabile il FOS/TAC".
Tale pratica serve solamente a mascherare eventuali problemi biologici dei biodigestori, senza però correggerne le cause. Inoltre, l'uso del bicarbonato, senza prove in laboratorio che ne determinino l'effettiva necessità, costituisce un costo inutile ed un potenziale pericolo per la fertilità dei terreni.
In questo articolo forniremo ai lettori alcuni criteri per ottimizzare i costi gestionali dei loro impianti di biogas.
 
Il bicarbonato di sodio: è un buon affare?… sì per chi lo vende!
Gli allevatori di vacche da latte utilizzano il bicarbonato di sodio (CO₃HNa) per evitare l'acidosi ruminale. Molti improvvisati "esperti" in digestione anaerobica, senza alcuna base scientifica, ritengono che un digestore funzioni come "il rumine di una mucca gigante".
Tale infondata convinzione è stata dunque sfruttata nel marketing dell'industria solo per creare un nuovo mercato, usando però degli argomenti di vendita del bicarbonato molto deboli e, in alcuni casi, fuorvianti per i seguenti motivi:
 

• Il rumine non è altro che un ecosistema, composto da batteri fermentativi, protozoi, e, in quantità minoritarie, Archaea metanigene, mentre un digestore anaerobico ben gestito deve contenere un'elevata percentuale di Archaea per raggiungere un equilibrio ecologico con il resto dei microrganismi ed una produzione di metano costante.
  Il professore Afro Quarantelli, docente di nutrizione e alimentazione presso il Dipartimento di Scienze medico veterinarie dell'Università degli studi di Parma, riguardo alla nutrizione della bovina da latte ci insegna quanto segue:
  "Il bicarbonato di sodio, noto per la sua capacità di neutralizzare gli acidi, è da tempo impiegato nell'alimentazione dei ruminanti, in allevamento intensivo, con la funzione di svolgere azione tampone in ambito ruminale allorquando si vengono a creare condizioni di acidosi ruminale, vale a dire un abbassamento del pH a seguito della fermentazione di elevate concentrazioni di amidi e/o di zuccheri altamente fermentescibili.
  Il bicarbonato di sodio insieme al calcio carbonato e all'ossido di magnesio viene infatti aggiunto alle diete per ruminanti per completare l'effetto tampone svolto dalla saliva prodotta dai ruminanti stessi per neutralizzare l'acidità ruminale. Il bicarbonato utilizzato a dosaggi compresi fra 100-150 g/capo/d con la finalità di stabilizzare il pH fra 6,5 e 5,8 per prevenire l'acidosi ruminale e le patologie ad essa associate.
  Il bicarbonato e le altre sostanze tampone hanno infatti la funzione di creare le condizioni ottimali per i batteri e per i protozoi maggiormente coinvolti nella digestione della parete delle cellule vegetali e quindi migliorare la digestione della fibra con una più elevata produzione di acido acetico e quindi di elevare la sintesi di grasso del latte".

 

• In linea di massima è vero che il bicarbonato aiuta a massimizzare la produzione di acido acetico, il principale nutriente delle Archaea metanigene, ma bisogna però considerare i seguenti aspetti:
  • Il bicarbonato non è l'unico prodotto economico capace di neutralizzare l'acidità; anche la calce e l'ossido di magnesio sono utili a tale scopo.
  • La maggioranza degli impianti italiani di biogas utilizzano, in varie combinazioni, tre substrati caratterizzati da una altissima alcalinità: letame bovino, liquame suino e pollina.
  In Germania, invece, molti impianti sono alimentati esclusivamente con mais e altre colture facilmente fermentescibili, senza alcun apporto di letame, quindi con scarsa alcalinità. Pertanto, è naturale che in alcune realtà tedesche sia necessario apportare artificialmente l'alcalinità mediante l'aggiunta di bicarbonato, per compensare gli acidi prodotti dalla fermentazione.
  Si tratta però di un metodo di gestione eccezionale, applicabile solo agli impianti alimentati esclusivamente a silomais, o sostanze saccarine. L'aggiunta di bicarbonato non può essere la regola da estendere a tutti gli impianti di biogas. Inoltre, in un digestore con tendenza all'acidità, l'aggiunta di bicarbonato produce un fenomeno indesiderabile: la formazione di schiuma.
  
  Nella figura 1 presentiamo ai nostri lettori un'evidenza sperimentale di quanto affermato sopra: abbiamo misurato il potenziale metanigeno (BMP) di un substrato molto acido: il siero di latte.
  L'inoculo è stato prelevato da un normale impianto di biogas, alimentato per il 10% con letame bovino, mentre per il 90% con insilati di varia natura. Tale miscela poi viene diluita con liquami suini. Un reattore è stato caricato con siero puro, pH=4,9, mentre l'altro reattore è stato caricato con lo stesso siero neutralizzato con bicarbonato di sodio (pH=7).
  Osserviamo che la differenza fra entrambe le curve è irrilevante e rientra nel margine d'incertezza tipico di questa prova.

 

Figura 1: Comparazione della digestione anaerobica di siero di latte "tale quale" e siero con un pH neutro, ottenuto mediante l'aggiunta di bicarbonato di sodio.
(Prova realizzata nel laboratorio dell'Autore con un margine di errore pari a ± 5%)

 

• La documentazione commerciale della multinazionale che promuove il bicarbonato di sodio fa riferimento a "studi condotti dall'Università di Rostock", senza però citarne il titolo, l'autore, né il giornale dove sono stati pubblicati.
  Vi proponiamo uno degli studi, pubblicato però in tedesco, del quale solo il riassunto è in inglese.
  Da una sua attenta lettura possiamo questionare i seguenti aspetti:
  • la metodologia adottata è poco rigorosa, in quanto le prove sono state realizzate direttamente in due impianti da 550 kW e non in un laboratorio;
  • il parametro di merito assunto per affermare la validità del bicarbonato come additivo è il FOS/TAC (misurato dal gestore dell'impianto e non dai     ricercatori che firmano il paper, i quali traggono dunque le loro conclusioni "per sentito dire" e non per esperienza propria);
  • non è riportata un'analisi degli errori (fattore importante quando si misurano grandezze fondamentali per trarre conclusioni, utilizzando come in questo caso degli strumenti omologati solo per scopi industriali);
  • è affermato che l'uso del bicarbonato aumenta la produzione di metano, ma le tabelle con i risultati riportano solo la produttività lorda di biogas di ogni periodo mentre la produzione netta di metano è semplicemente mostrata in un grafico con scala molto ridotta, ma non è stata integrata in ogni periodo;
  • la produttività lorda del silomais è espressa in termini di sostanza secca e non di solidi volatili;
  • la differenza fra le produzioni di biogas lorde dei due diversi impianti, l'uno di controllo e l'altro additivato con il bicarbonato di sodio, è dello stesso ordine di grandezza dell'errore (presunto) di misurazione.
  Nella figura 2 osserviamo come, dopo il "trattamento d'urto" con del bicarbonato, la produttività del substrato cala drasticamente ed è comparabile con quella dell'impianto di controllo solo a partire dal 60^° giorno.  Al termine di cento giorni, la fine della prova, l'impianto additivato con bicarbonato presenta una maggiore produttività di biogas rispetto a quella dell'impianto di controllo.
  Giunti a questa fase, dovremmo domandarci se tale risultato sia dovuto esclusivamente alla presenza del bicarbonato, o se la variabilità osservata fra l'uno e l'altro impianto sia invece il risultato combinato della diversa gestione delle trincee di silomais, degli errori delle pese di carico, e soprattutto del metodo di stima dei volumi di gas.
  Non è chiaro come sia stata realizzata quest'ultima: a quanto pare i ricercatori hanno calcolato la portata di biogas in modo molto approssimativo, in base al volume e la pressione dei cupoloni dei digestori. Dalla lettura del paper non sembra che gli impianti fossero dotati di contatori in grado di fornire una misura diretta (ossia con un margine d'errore noto) del volume di gas prodotto. E' noto che i cupoloni di plastica utilizzati nei digestori variano la loro forma e quindi il loro volume non solo con la pressione interna del gas.
  A scanso di dubbi: ai sensi della norma VDI4630 e della bozza di norma italiana, la misurazione della produzione del biogas con il metodo manometrico richiede, come condizione sine qua non, che il reattore sia rigido. Pertanto, la validità scientifica di tali prove, realizzate con reattori coperti da membrane plastiche, è piuttosto dubbiosa.

Figura 2: Produzione lorda di biogas misurata in due diversi impianti: uno previamente acidificato e sottoposto a "trattamento d'urto" con bicarbonato, con aggiunta periodica di quest'ultimo; l'altro senza additivo alcuno.
Dati tratti da Einsatz von Natriumhydrogencarbonat in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, J. Burgstaler, D. Wiedow, F. Godlinski, N. Kanswohl - Landbauforschung - VTI Agriculture and Forestry Research 4, 2011.
Elaborazione grafica dell'Autore

Un aspetto non marginale è l'accumulo di sodio nel digestato.
Ad esempio, in un impianto da 1 MW la dose di bicarbonato solitamente consigliata dai venditori, variabile da 100 a 200 chilogrammi/giorno, potrebbe inibire le Archaea e ridurre la produzione di metano. L'inibizione è dovuta all'eccesso di sodio, il quale aumenta la conducibilità elettrica.
Mantenendo il suddetto dosaggio, nell'arco di un anno si accumuleranno nel digestato da 36,5 a 73 tonnellate di bicarbonato di sodio, provocando a lungo termine la salinizzazione del terreno.

Secondo una pubblicazione della Fao, l'aumento dei livelli di sodio nel terreno riduce la sua fertilità. Questa dipende da un equilibrio fra gli ioni di K, Ca e Mg, dalla permeabilità, dalla testura iniziale e dalla concentrazione di sodio nel terreno.
Nel caso che ci occupa, la concentrazione di sodio sarà funzione della superficie totale sulla quale verrà distribuito il digestato.
Di conseguenza, prima di prolungare l'utilizzo del bicarbonato come additivo per l'impianto di biogas, è sempre opportuno fare eseguire delle prove ad un laboratorio indipendente onde ridurre il rischio di perdita di fertilità a causa della salinizzazione del terreno.

Conclusione
Alla luce di quanto illustrato, l'utilizzo del bicarbonato di sodio negli impianti di biogas rappresenta un costo giustificabile solo nei casi di acidificazione estrema, comunque piuttosto improbabili negli impianti agricoli italiani.
Poiché in Italia è molto diffuso l'utilizzo di deiezioni animali nella dieta del digestore, la stabilità del processo è assicurata dalla loro elevata alcalinità.

Piuttosto che mascherare eventuali sintomi di acidificazione, con l'aggiunta di bicarbonato, il gestore dell'impianto dovrebbe misurare l'attività biologica specifica di ogni gruppo di microrganismi (o farla misurare da un laboratorio indipendente).
In base ai risultati obiettivi così ottenuti, il gestore potrà correggere alla radice la causa dell'acidificazione, che spesso non dipende dall'alcalinità bensì dalla mancanza (o eccesso!) di qualche micronutriente, da rapporti C/N troppo sbilanciati, o anche da una inibizione parziale, indotta da fattori esterni.

Nemmeno il rischio di vanificare la qualità fertilizzante del digestato per eccesso di sodio va sottovalutato. E' consigliabile, dunque, fare caratterizzare il terreno da un laboratorio indipendente.
I principali parametri da misurare sono: il pH (non troppo affidabile), l'ESP (Exchangeable sodium percentage, percentuale di sodio intercambiabile) e il SAR (Sodium absorption rate, tasso d'assorbimento del sodio).
Le prove eseguite da un laboratorio indipendente non incidono in modo importante sui costi di gestione dell'impianto, anzi, consentono di minimizzare le perdite massimizzando i margini di profitto, infine facilitano il lavoro del gestore.