Il controllo dell'affidabilità delle prove di Bmp

Non è nel mio stile scrivere in prima persona, ma l'occasione lo rende necessario. Otto anni fa sono entrato a far parte della famiglia di AgroNotizie come autore della Sezione Bioenergie. Scelsi per il mio debutto un argomento che riassumeva la mia esperienza nel campo della digestione anaerobica fino a quel momento: "L'autogestione biologica dell'impianto di biogas".

Il metodo razionale per l'ottimizzazione del processo di digestione anaerobica abbozzato in quell'articolo continuò ad evolversi al ritmo di sette prove al mese nel mio laboratorio, più un numero sempre crescente di prove realizzate dai miei clienti, riportando puntualmente in questa Sezione ogni piccola "scoperta" che ho ritenuto fosse utile ai gestori degli impianti. Nel 2017, dopo un processo di revisione da parte di cinque ricercatori, detto metodo venne pubblicato a livello internazionale (¹ ). Alla data odierna il bilancio è di una sola critica, tra l'altro non supportata da controprove sperimentali verificabili, contro decine di conferme della validità del mio metodo da parte di conduttori di impianti di biogas di tutto il mondo ed i ringraziamenti di un'azienda statunitense che lo ha preso come modello per lo sviluppo di un sistema di intelligenza artificiale per la gestione biologica del digestore.

Con l'occasione di questo mio anniversario in AgroNotizie, voglio condividere con tutti voi un nuovo piccolo passo in avanti, dal sapore squisitamente cartesiano: la verifica dell'attendibilità di una prova di Bmp. Poiché il mio metodo si basa su prove sperimentali in condizioni ben definite, il principio del dubbio cartesiano esige di dimostrare che tali prove siano attendibili. Altrimenti si incapperebbe in una fallacia logica come quelle che io stesso ho criticato in diversi altri articoli.

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Benché la Norma UNI/TS 11703:2018 contenga nell'Allegato B un estratto del mio metodo per la verifica dell'incertezza, tale calcolo si riferisce solo all'incertezza metrologica, cioè all'accuratezza degli strumenti utilizzati nelle specifiche condizioni della prova. La Norma VDI 4630:2014, dal suo canto, richiede la verifica della deviazione standard fra i valori di Bmp, Potenziale Metanigeno, risultanti dai singoli reattori.

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Tale calcolo si riferisce però alla precisione della prova, cioè all'abilità di chi l'ha condotta nel pesare, omogeneizzare il campione, e alla ripetibilità di misura del dispositivo sperimentale. La deviazione standard - o il coefficiente di variazione, che è un altro modo di misurare la precisione - in genere fornisce una misura dell'attendibilità del valore medio di Bmp ricavato con una prova biologica, perché nella maggioranza dei casi l'incertezza metrologica è minore dell'incertezza procedurale.

Ci sono però alcuni casi in cui la precisione e l'accuratezza sono adeguate, eppure i risultati potrebbero non essere affidabili, quindi inutilizzabili per la corretta gestione biologica dell'impianto. Si tratta di quelle prove in cui errori di tipo procedurale, o problemi biologici, o entrambi, possono vanificare risultati ottenuti con strumentazione accurata e assoluta precisione statistica. La soluzione a questo problema è stata trovata da un gruppo di ricercatori appartenenti a diversi laboratori europei ( ²). Il metodo che questi propongono per valutare l'affidabilità di una prova di Bmp è molto semplice, ma allo stesso tempo scientificamente ineccepibile. Oltre alle verifiche sulla precisione e sull'accuratezza del mero valore del Bmp, la qualità della prova viene giudicata dalla forma della curva di Specific Methane Production, Produzione Specifica di Metano (Smp), della quale il Bmp, per definizione, è il valore ultimo. Facendo un paragone con il mondo dello spettacolo: un film si giudica dal suo intero contenuto, non dalla sua scena finale.

Dalla teoria alla pratica

Il test Bmp è un particolare tipo di prova di digestione anaerobica in modo batch, abbastanza semplice da realizzare se si possiedono gli strumenti adeguati.

Fornisce due gruppi di informazioni, fondamentali per ottimizzare la redditività dell'impianto di biogas:

• Il Bmp del sottoprodotto o della miscela di biomasse utilizzate per l'alimentazione del digestore.
  Tale valore si può utilizzare per quattro scopi diversi:
   • Nota la quantità di metano che produce una biomassa o una miscela di esse, è possibile calcolare quale sarà la produzione di energia ed il suo relativo fatturato, e giudicare se tale biomassa o miscela sia economicamente conveniente. Si veda ad esempio "Sottoprodotti a buon prezzo per gli impianti di biogas".
   • Per quanto gli "esperti" dicano il contrario, il Bmp di una miscela di biomasse, non è la somma proporzionale dei Bmp dei suoi componenti. Si veda ad esempio "2 + 2 non sempre fa 4 negli impianti di biogas".
   • Non è vero che una quantità X di una biomassa generica sia sempre in grado di rimpiazzare una quantità Y di insilato. Si veda ad esempio "L'Unità di Silomais Equivalente, Use, e il sillogismo aristotelico".
   • Infine, il Bmp non dipende solo dalla biomassa: uno stesso campione può rendere più o meno metano a seconda della popolazione di batteri del digestore. Ciò vuol dire che la biomassa che in un impianto funziona bene, in un altro impianto può causare un disastro. Si veda ad esempio "Mitologia e folklore sul Potenziale Metanigeno (Bmp) di morchia e sansa".
• Le "costanti vitali", ovvero lo stato di salute dei batteri che popolano il digestore. La prova più importante, che richiede la maggior cura nella sua realizzazione, è la Specific Methanogenic Activity, Attività Metanogenica Specifica (Sma). Si veda la trilogia "Come selezionare l'inoculo per l'impianto di biogas", Prima Parte, Seconda Parte e Terza Parte.

In entrambi i casi, le decisioni che si prenderanno in base ai risultati dei test suddetti incideranno direttamente sul costo di gestione dell'impianto, ad esempio: selezione e acquisto di biomasse con il miglior rapporto produzione/prezzo; necessità di acquistare oligoelementi o meno; evitare fermate dell'impianto per problemi di inibizione biologica. Come dimostrano gli autori dello studio citato, la forma della curva di produzione specifica di metano indica senza ombra di dubbio se la prova si è svolta correttamente o se ci sono stati problemi, e in certi casi perfino la natura di questi: biologici o procedurali.

La Foto 1 mostra come identificare uno degli errori procedurali più frequenti: la scorretta preparazione dell'inoculo, necessaria per realizzare una prova di Bmp attendibile.

Foto 1: Influenza del campionamento e conservazione dell'inoculo
(Fonte foto: Koch et al.)
Un substrato generico è stato testato utilizzando inoculo fresco, lo stesso inoculo conservato due settimane a 4^°C , e infine lo stesso preincubato due settimane a 38^°C e quindi "esaurito"
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I tre casi mostrati sopra descrivono le situazioni più frequenti quando l'impianto di biogas non possiede un proprio laboratorio di prove, ed invia i campioni di digestato ad un laboratorio esterno. In quegli impianti che possiedono strumentazione propria per realizzare prove di Bmp esiste un quarto caso: la mancata preincubazione per "la fretta". La preincubazione o degassaggio serve ad eliminare le tracce di biomassa non digerita dal digestato, in modo che, nel momento in cui si aggiungerà il campione da testare, i batteri saranno "affamati" e svolgeranno il loro compito nel modo atteso.

La Foto 2 mostra un caso di una prova di Bmp di acetato di sodio realizzata "alla svelta", saltando la fase di preincubazione. La forma anomala della curva è stata causata da residui di materia organica non digerita presenti nel digestato. I batteri hanno consumato prima l'acetato, facilmente digeribile, e in un secondo tempo la materia più "pesante" da digerire. Nel reattore in bianco la dinamica è stata diversa solo perché c'era la materia organica residua iniziale. Le dinamiche di produzione del metano diverse hanno deformato la curva, che rappresenta la differenza fra la produzione di metano del campione e quella del reattore in bianco, divisa per la quantità di acetato. Osservare che, malgrado la forma inammissibile, il Bmp (il valore ultimo della curva) coincide esattamente con il valore teorico dell'acetato. Se si trattasse di un altro substrato, sarebbe difficile valutare se il Bmp calcolato è da ritenere attendibile o meno: il margine di errore di questa prova è praticamente nullo, quindi si può ritenere precisa e anche accurata, ma la forma è quella di una prova fatta male, ovvero saltando il necessario degassaggio che richiede la norma. Se non si trattasse di una prova con acetato, il cui Bmp è noto ed invariabile, sarebbe molto difficile valutare l'attendibilità del risultato.

Foto 2: Esempio di insufficiente degassaggio preliminare del digestato
(Fonte foto: Laboratorio dell'autore)
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La Foto 3 mostra il risultato di un altro errore procedurale molto frequente: aggiungere acqua al digestato. L'eccessiva diluizione tende a sottostimare il Bmp e la curva tende a scendere. Ricordiamo che, per definizione, la curva di volume cumulato di metano è sempre crescente. L'andamento calante è per una maggiore produzione relativa del bianco rispetto al campione.

Foto 3: Effetto della diluizione con diversi rapporti digestato : acqua
(Fonte foto: Koch et al.)
Undiluted = digestato non diluito
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La Foto 4 mostra un altro esempio di curve dalla forma anomala.
Tale forma può avere quattro cause:

• L'errore di pesata da parte del laboratorista.
• Un errore di calcolo in fase di preparazione della prova (ciò che hanno simulato gli autori dello studio citato).
• L'inibizione dei batteri causata da un substrato difficile da digerire.
• Una condizione di inoculo parzialmente inibito sin dall'inizio della prova, ad esempio per deficit di oligoelementi.

Quando ci si trova davanti ad una curva di Smp con una forma di uno di questi tipi è necessario ripetere la prova con più tesi: verificando le pesate, aumentando la relazione inoculo : substrato (ad esempio, la Norma UNI/TS 11703 consiglia 5:1 per le prove con matrici oleicole o grassi animali), aggiungendo diversi dosaggi di oligoelementi…

Foto 4: Effetto del rapporto di solidi volatili dell'inoculo e del substrato (rapporto I/S)
(Fonte foto: Koch et al.)
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Il caso rappresentato nella Foto 5 merita una spiegazione speciale. Una curva con due gradini si dice diauxica (dal greco antico di - due, e auxánein - crescita) o poliauxica quando presenta più di due gradini. Per la Norma VDI 4630 e il suo derivato, il Protocollo IWA 2016, una prova di Bmp che presenti un andamento di- o poliauxico non è ammissibile, in quanto indicherebbe un errore procedurale o una parziale inibizione dell'inoculo. Gli autori dello studio citato hanno contribuito alla redazione del Protocollo IWA 2016, quindi aderiscono a tale linea di pensiero.

Invece la Foto 5 è il risultato di una prova fatta apposta dall'autore per dimostrare che tale criterio non è valido. Se si mischiano due o più substrati con differente degradabilità (ad esempio glucosio e olio di oliva), si otterrà sempre una curva con di- o poliauxia. La ripetibilità dei risultati di tale esperimento dimostra che si tratta di un fenomeno normale per miscele di substrati con pesi molecolari molto diversi e quindi non si può inferire automaticamente che la forma derivi da un errore procedurale che invalida il risultato. Più banalmente: i batteri consumano prima la sostanza più facilmente digeribile - quella col minore peso molecolare - e quando non gli resta altro da mangiare passano alle sostanze via via più complesse, ovvero con maggiore peso molecolare. Il criterio da adottare è dunque quello della Norma UNI 11703: l'andamento generale di una curva di Smp corretta deve essere sempre concavo verso il basso, il periodo di stallo iniziale (chiamato lag phase in inglese) non deve superare i due giorni, l'eventuale presenza di più gradini è irrilevante se si compiono le prime due condizioni.

Foto 5: Esempio di digestione di una miscela di zucchero, cellulosa e proteine
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Conclusioni

La forma della curva di Smp è un valido indicatore dell'attendibilità della prova di Bmp, a complemento dei due classici calcoli di verifica: l'incertezza metrologica e la dispersione o coefficiente di variazione. L'attendibilità della prova di Bmp è il prerequisito fondamentale per poter ottimizzare il profitto dell'impianto, prendendo le decisioni giuste in ogni situazione.

Bibliografia
(¹) Rosato. M.A.; Managing Biogas Plants - A practical guide; CRC Press, 2017.
(²) Koch Konrad, Hafner Sasha D., Weinrich Sören, Astals Sergi; Identification of Critical Problems in Biochemical Methane Potential (BMP) Tests From Methane Production Curves; Frontiers in Environmental Science; Vol. 7, 2019, page 178.