Torri di digestione per la produzione di biometano da fanghi di depurazione. Credit: ThomasSaupe/ iStock/Getty Images Plus.
Il gas naturale è un combustibile fossile molto usato, e la crisi climatica rende auspicabile sostituirlo con alternative rinnovabili. Un'opzione è il biometano, che può essere derivato da biomasse come fanghi di depurazione e residui agricoli, con l'aiuto di microorganismi come batteri e archea. La combustione del biometano emette anidride carbonica, ma poiché la stessa quantità viene assorbita dalle piante coltivate per produrlo, il processo tende a essere neutro dal punto di vista delle emissioni. Raggiungere una produzione efficiente e su larga scala è però ancora una sfida, a causa della complessa interazione tra biomasse e popolazioni di microorganismi.
Combinando metodi matematici con microbiologia e biochimica, un gruppo di scienziati italiani e finlandesi ha studiato come rendere la produzione di biometano più prevedibile ed efficiente. In particolare, lo studio1 mirava a migliorare l'Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1), un modello matematico che viene utilizzato per simulare la digestione microbica anaerobica, un processo chiave nella ricerca industriale sul recupero della biomassa.
I ricercatori hanno studiato i microbi utilizzati nei processi industriali, dove vengono coltivati in bioreattori che sfruttano i loro prodotti di digestione anaerobica. Questi microbi esistono in una sorta di ecosistema miniaturizzato, dove ogni specie esegue diverse reazioni chimiche interconnesse. La produzione di biometano segue quattro fasi: i polimeri come i carboidrati vengono spezzati dall'acqua nell'idrolisi, poi fermentati in acidi carbossilici e CO 2, convertiti in acido acetico e infine riorganizzati in biometano, CH4.
"Abbiamo usato metodi analitici presi in prestito dall'ingegneria per affrontare questioni biologiche" dice Stefano Bertacchi dell'Università di Milano-Bicocca, autore principale dello studio. "È stato un lavoro transdisciplinare molto eccitante". Usando analisi termodinamica e strumenti di ottimizzazione matematica, gli scienziati hanno aggiornato il modello ADM1 per creare una migliore simulazione digitale di come batteri e archea producono biometano digerendo la biomassa, cercando i parametri nelle equazioni del modello che possono essere più facilmente modificati per ottenere il massimo aumento di rendimento. In particolare, hanno scartato opzioni come l'aumento della quantità iniziale di composti organici, dopo aver osservato che un sovraccarico della fase di idrolisi porta a una diminuzione della resa. Regolare il tasso di decomposizione attraverso un trattamento preliminare dei composti organici si è rivelata invece un'opzione migliore. "Abbiamo scoperto che l'aumento ottimale della resa potrebbe essere ottenuto grazie a una predigestione della biomassa" dice Bertacchi.
