Analisi delle prestazioni di un impianto di cogenerazione a biogas da digestione anaerobica da 1 MW

Attualmente esistono due tipologie di reattori: la prima funziona in modalità continua, mentre la seconda prevede un processo discontinuo o comunemente chiamato batch.
Per processo continuo s’intende un sistema alimentato in modo continuo o semi-continuo con un tempo di permanenza medio del substrato nel reattore espresso dal tempo di residenza idraulico (HRT) e quello dei microrganismi dal tempo di residenza dei solidi (SRT). I processi possono essere, a seconda della soluzione adottata, ad una o due fasi.

Nei processi a fase unica le fasi biologiche della digestione, idrolisi/acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi, hanno luogo nel medesimo reattore e contemporaneamente. Pertanto la fase più lenta del processo costituisce l’elemento di dimensionamento del reattore.

Nei processi a due fasi si hanno due reattori distinti, posti in serie tra loro, ciascuno dedicato ad una serie di reazioni: nel primo hanno luogo l’idrolisi/acidogenesi ed acetogenesi mentre nel secondo si sviluppa la fase metanigenica.
Ciò permette di associare il tempo di residenza nel reattore alle diverse cinetiche dei ceppi microbici connessi alle due diverse fasi del processo di digestione.

I processi batch, al contrario, prevedono il caricamento dei fermentatori e solitamente sono processi a fase unica. Queste tipologie di impianti hanno numerosi vantaggi rispetto ai processi continui, primo tra tutti la possibilità di modulazione e la facilità di ampliamento del sistema oltre al fatto che sono meno esposti a guasti poiché disponendo di più fermentatori, il guasto di uno non pregiudica il funzionamento dell’intero impianto.

Altro vantaggio non sottovalutabile è la semplicità dei trasporti dei materiali che vengono movimentati solo in fase di carico e scarico del reattore, mentre nei processi continui la massa di substrato è in continuo movimento, quest’ultimo garantito da macchine speciali che sono spesso soggette a guasti a causa dell’elevata aleatorietà nella composizione del substrato.

Si possono fare ulteriori classificazioni degli impianti di digestione anaerobica, il primo in funzione della temperatura di crescita dei batteri che intervengono nel processo, la seconda valutando le caratteristiche del substrato.

Nella prima classificazione si distinguono tre tipologie di funzionamento dell’impianto:

* psicrofilia, nel caso in cui i batteri prediligano un habitat con temperature inferiori ai 20°C
* mesofilia, con temperature comprese tra i 20°C e i 40°C
* termofilia, per batteri che crescono con temperature superiori ai 40°C

Dal punto di vista costruttivo, queste tre tipologie hanno grosse differenze; basti pensare al fatto che per garantire la temperatura di riferimento del processo, bisognerà fornire calore ai fermentatori e questa quantità di calore sarà tanto più consistente quanto maggiore è la temperatura richiesta per la crescita dei batteri e quanto più bassa è la temperatura esterna al fermentatore.

Infatti, in ambienti molto freddi, la spesa di calore per garantire la fermentazione è molto maggiore rispetto a quella sostenuta da uno stesso impianto in un ambiente temperato.

In un clima come il nostro l’impianto che meglio si adatta al clima mediterraneo è la tipologia mesofila, poiché il primo presenterebbe il grosso svantaggio di necessitare di una refrigerazione durante il periodo estivo, mentre il terzo richiederebbe un maggior dispendio di calore durante tutto l’anno.

Al contempo però i processi termofili sono da preferire quando il substrato trattato ha un’elevata concentrazione di microrganismi patogeni e quindi le alte temperature della fase anaerobica fungono da processo di pastorizzazione.

L’altra classificazione è fatta a seconda del substrato trattato ed in particolare in base all’umidità e al contenuto di solidi.
Si parlerà pertanto:
* digestione wet o a umido, quando il tenore di solidi totali è inferiore al 10% dell’intero substrato
* digestione semi-dry, con un tenore di solidi tra il 15-20%
* digestione dry o a secco, per un substrato con tenore di solidi tra il 25-40%