La digestione anaerobica è un processo biologico in cui i batteri scompongono il materiale organico in composti più basici senza richiedere ossigeno come componente del processo. Si ritiene che questi batteri siano apparsi sulla Terra circa 3,800,000,000 di anni fa e fossero la forma di vita dominante sul pianeta prima della comparsa delle piante. Quando la vita delle piante è sorta circa 3,200,000,000 di anni fa, la digestione anaerobica è continuata in ambienti naturali dove l’ossigeno era assente come paludi, terreni acquitrinosi e in terreni costantemente coperti dall’acqua come laghi e fiumi. I processi biologici della digestione anaerobica richiedono che diversi tipi di batteri decompongano la materia organica in una serie di quattro fasi, tra cui idrolisi, fermentazione, acetogenesi e metanogenesi.
A partire dal 2011, l’uso principale per la digestione anaerobica da parte dell’industria umana è la produzione di gas metano per la produzione di carburante ed elettricità. Questo viene fatto negli impianti di trattamento dei rifiuti che trattano rifiuti agricoli come letame o rifiuti urbani. L’industria della birra si affida anche alla digestione anaerobica per scomporre i sottoprodotti organici della produzione di birra in combustibile metano che altrimenti dovrebbe essere smaltito dai sistemi di trattamento delle acque reflue municipali.
Il processo di digestione anaerobica in natura è anche strumentale alla generazione di una forma di energia rinnovabile nota come gas naturale. Sebbene il gas naturale sia un combustibile fossile, è costituito da circa l’80% di metano insieme ad altri gas correlati come propano e butano, ed è più facilmente generato dalla terra rispetto ad altri combustibili fossili come il petrolio. È un combustibile fossile che viene spesso depositato insieme ad altri combustibili fossili come carbone e petrolio.
I reattori industriali a biomassa che trattano rifiuti di biomassa come il letame per generare combustibile generalmente producono una percentuale in volume inferiore di gas metano rispetto a quanto contenuto nel gas naturale. La produzione tipica di un determinato volume di biogas da un digestore è dal 50% all’80% di metano con una quantità significativa di gas di scarico sotto forma di anidride carbonica dal 20% al 50%. Nel processo vengono generati anche altri gas in tracce che hanno un certo valore commerciale come idrogeno, azoto e ossigeno e vengono generati anche gas tossici che devono essere smaltiti in modo sicuro, inclusi idrogeno solforato e monossido di carbonio.
I processi biologici necessari per un’efficace digestione dei rifiuti possono essere complessi e dipendono da condizioni rigorosamente controllate. La temperatura è una delle principali preoccupazioni del processo poiché i batteri che distruggono i rifiuti prosperano meglio a diversi livelli. Alcuni dei batteri sono mesofili, prosperano a una temperatura moderata di 98 ° Fahrenheit (36.7 ° Celsius), e alcuni sono termofili e prosperano a una temperatura ottimale più elevata di 130 ° Fahrenheit (54.4 ° Celsius).
Le condizioni devono essere modificate per temperatura, pH e altri fattori come il rapporto acqua/solido della miscela di biomassa e il rapporto carbonio/azoto poiché anche il materiale organico viene degradato chimicamente. I due principali tipi di batteri utilizzati nella digestione anaerobica sono i batteri acetogeni e metanogeni e, sebbene siano usati in tandem, ciascuno ha condizioni di vita uniche in cui prosperano. I batteri acetogeni producono l’acetato chimico durante la digestione anaerobica e i batteri metanogeni producono metano.
Il materiale da biomassa viene prelevato attraverso quattro fasi per un efficace recupero del metano. La fase di idrolisi utilizza l’acqua per decomporre solidi o semisolidi in composti più semplici, quindi viene utilizzata la fermentazione o l’acidogenesi per scomporre le strutture della catena di carboidrati in composti più basici come ammoniaca, idrogeno e acidi organici. L’acetogenesi viene quindi utilizzata come terza fase del processo, in cui i batteri acetogeni convertono gli acidi organici in acido acetico insieme ad ulteriori sottoprodotti come l’idrogeno e l’anidride carbonica. La fase finale della metanogenesi utilizza batteri metanogeni per combinare questi prodotti finali primari di acetato, idrogeno e anidride carbonica in metano, che può quindi essere utilizzato come carburante.