Fondamenti di biologia della fermentazione

La produzione di biogas è un complesso processo di fermentazione di vari microrganismi che richiede un ambiente di processo stabile. In pratica, diversi fattori possono squilibrare la biologia del fermentatore e quindi inibire la produzione di biogas.

Il biogas è il prodotto di un processo di decomposizione anaerobica. Questo processo può essere fondamentalmente suddiviso in quattro fasi. Ciascuna delle fasi del processo coinvolge diversi microrganismi e diversi enzimi che lavorano insieme in stretta vicinanza spaziale e formano una sorta di simbiosi.

Nella prima fase, quella dell'idrolisi, i carboidrati vengono scissi in zuccheri semplici, le proteine in aminoacidi e i grassi in acidi grassi. I prodotti dell'idrolisi vengono degradati nella successiva fase di formazione degli acidi (acidogenesi), principalmente in acidi organici e alcoli inferiori. La fase di formazione dell'acido acetico (acetogenesi) è il collegamento alla formazione del metano. Qui i prodotti della formazione acida vengono convertiti in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno, che sono in definitiva i prodotti di partenza per la formazione del metano (metanogenesi). In un processo sano, tutte queste fasi avvengono in modo sincrono (vedi Figura 1).

Affinché tutte queste fasi del processo si svolgano senza intoppi, è necessario stabilire condizioni di processo stabili. Un ruolo decisivo è svolto dall'apporto di nutrienti e oligoelementi essenziali ai microrganismi coinvolti.
Oltre alla loro funzione di costruzione della sostanza cellulare, gli oligoelementi sono necessari soprattutto come elementi costitutivi di enzimi e coenzimi, che a loro volta sono responsabili in molti modi della catalizzazione delle singole fasi di reazione del processo sopra descritto. Ad esempio, in una delle vie di degradazione della formazione di metano da CO2 e H2 sono coinvolti sette enzimi e tre coenzimi.

La "legge del minimo" di Liebig si applica al processo di fermentazione (vedi Figura 2). Essa afferma che non è possibile ottenere la massima resa se un solo nutriente è carente. Tuttavia, un eccesso di minerali può anche avere un effetto tossico sui microrganismi.

Poiché per alcuni elementi i confini tra apporto ottimale ed effetto tossico sono molto vicini, l'analisi esatta e il dosaggio preciso degli oligoelementi sono di grande importanza nel processo di formazione del metano. Dal punto di vista della protezione del suolo, si dovrebbe anche evitare, in linea di principio, una concentrazione eccessiva di micro o macronutrienti, al fine di escludere un inutile inquinamento ambientale.

Gli enzimi sono biocatalizzatori specifici che accelerano le reazioni biochimiche o le rendono possibili.

Nella prima fase della formazione del biogas - l'idrolisi - gli ingredienti del substrato (cellulosa, emicellulosa, pectina, amido, proteine, lipidi) vengono scissi dagli enzimi in sostanze (zuccheri, aminoacidi, acidi grassi) che possono passare attraverso la membrana cellulare. In questo processo sono coinvolti due diversi gruppi di enzimi.

Solo a questo punto i batteri coinvolti nel processo di biogas possono svolgere le ulteriori fasi di formazione del biogas.

Se si utilizzano substrati ricchi di fibre, il processo di formazione del metano può essere supportato dagli enzimi.

Enzimi specifici di diversi gruppi attivi supportano i processi di degradazione delle fibre e di scissione delle molecole nella fase di idrolisi.