How to select the inoculum for the biogas plant – Part I

The specific methanogenic activity (High school): a very useful test but still to be normalized. Re-publication of an article by Mario A. Rosé on Agronotizie

“I often say that when you canto measure what you are talking about, and express it in numbers, thensai something of it; but if you can'tmeasure it, if you can't express it in numbers, your knowledge is meager and unsatisfactory; it can be the beginning of knowledge, but he will not have allowed you, in your mind, to advance in the progress ofscience, whatever the discipline”.
  William Thomson, The Barons of Kelvin (Lesson on “Electrical units of measurement”, 3 May 1883)

The selection of the most suitable inoculum, to start (or restart) a biogas plant, it's a practical problem often underestimated. A biogas plant is a bacteria farm, therefore its optimal management is based on the same principles as a livestock farm: selection of the most suitable breed and scrupulous monitoring of the health of each individual animal. In the case of a cattle breeder, the distinction between meat and dairy animals is obvious and a visit to the veterinarian is enough to determine the general health of the herd.

But how can the manager of a biogas plant choose the most suitable inoculum to achieve maximum productivity, in the shortest possible time? How do you measure such an elusive concept as “the state of health” of bacteria?

In the biogas industry, various and mostly useless methods are in vogue, because they are based on indirect evidence and logical fallacies (see you: Resizing the importance of the Fos / Tac testThe electrical conductivity of the digestate is unreliable for running the biogas plant eThe foam meter for biogas plants). Often companies supplying biological assistance services to biogas plants make use of countless – and expensive– chemical analyses, these are also relatively useless because the presence or absence of some compound does not necessarily guarantee the biological activity of the digestate.

The simplest way to quantify the viability of bacteria is to measure their respiratory rate.
This is a very useful proof why:

  • It is very selective. Depending on the reference substrate used (carbohydrates, proteins, lipids, acetic acid) it is possible to measure the consistency and viability of different groups of bacteria – hydrolytics, proteolitici, lipolytics, methanogenic- that make up the flora of the digester.
  • It is very simple to make directly in the plant. You don't need to be a biochemist or biologist, you just need to equip yourself with the right equipment and follow a very specific method.

The test consists in taking a digestate sample, add a known amount of acetic acid (or sodium acetate), and observe the total amount of methane produced and the rate of production. Conceptually it seems like an easy solution, but unfortunately we have to deal with the 13° Murphy's law it says: “The easy solution of a problem always generates a more difficult problem to solve”. In this case the most difficult problem is to reach a universal consensus on which should be considered the reference substrate to be used, in what quantity, how long the test should last, and how to define the acceptable methanogenic activity threshold.


COD, SV, BMP e SMA: some useful definitions to navigate in the jungle of criteria

The first step in being able to measure something is define the unit of measurement. In the specific case of the measurement of methanogenic activity, practically every researcher has invented a different way to perform the test and to express the results. Although the substrate of reference most cited in the literature is sodium acetate or acetic acid, many studies on methanogenic activity have been carried out with other substrates: mixtures of volatile fatty acids in different proportions, the salts of the same acids, methanol, ethanol, glucose, sucrose, phenol… In the literature there are studies carried out even with substrates that certainly cannot be considered “of reference” because they are very variable in composition: molasses, beer malt and raw cane sugar.

This unequal criteria represents a problem for those who want to rationally manage a biogas plant, based on measurable scientific evidence rather than on indicative tables or self-referential statements of self-styled ones “biology”. It is therefore necessary define standard units and methods of measurement, so that the results expressed in different ways can be compared with each other. Because the confusion is so great, even among the “biology” and insiders, it is useful to do a little review of the basics, before going into the techniques for performing the SMA test and its practical application to biogas plants.

  • The anaerobic degradation of acetic acid by theArchaea acetoclastiche it is a process that can be done “express in numbers” using the following stoichiometric formula: C2H4THE2 (you. anaerobic) -> CH4 + CO2
    In numbers: 1 mole of acetic acid (60 grams) makes one mole of methane (16 grams or 22,4 Ndm3) plus one mole of carbon dioxide (44 grams or 22,4 Ndm3). In unit values, the methane yield of pure acetic acid is therefore equal to 373 Ncm3/grams.
  • Se consideriamo l’acetato di sodio al posto dell’acido acetico:
    C2H3NaO2 + H2THE (you. anaerobic) -> CH4 + NaHCO3
    As in the previous case, una mole (82 grams) di acetato di sodio rende 22,4 Ndm3 of methane, or 273 Ncm3/grams. L’unica differenza rispetto al caso precedente è che il sodio in medio acquoso “cattura” il diossido di carbonio, formando idrogenocarbonato di sodio (bicarbonato), quindi – in teoria – il biogas che fuoriesce dal reattore è metano puro.
  • Si può dimostrare mediante un calcolo stechiometrico che la digestione anaerobica della materia organica produce sempre CH4 e CO2, in quantità e proporzione che dipendono dalle quantità e proporzioni di C, H e O presenti nella biomassa. Esistono tre unità di misura della quantità di C della materia organica: theCOD (Domanda chimica di ossigeno ovvero la quantità di O2 necessaria per l’ossidazione totale del substrato), iSV (Solidi volatili, ovvero la frazione della sostanza secca escluse le ceneri) e il TOC (Carbonio organico totale). Le due prime sono le più diffuse perché la loro procedura di misurazione è più semplice.
    Vediamo quali sono le differenze fra i vari criteri:
      • COD. Se prendiamo l’acetato di sodio come “molecola modello” della digestione anaerobica, la sua ossidazione totale si può rappresentare con le seguenti equazioni:
    C2H3NaO2 + 2THE2 -> 2CO2 + H2THE + NaOH
    2C2H3NaO2 + 4THE2 -> 4CO2 + 3H2THE + Na2THE
    Nel primo caso sono necessarie due moli (64 grams) di ossigeno per produrre l’ossidazione completa di una mole (82 grams) di acetato di sodio, nel secondo caso sarà necessario il doppio di ossigeno per il doppio di acetato. Quindi, in entrambi i casi la Cod dell’acetato di sodio è la medesima, pari a 64/82 = 0,78 grammi di O2/grammi acetato.
    Se invece assumiamo l’acido acetico come “molecola modello”:
    C2H4THE2 + 2THE2 -> 2H2THE + 2CO2
    Pertanto la Cod dell’acido acetico è pari a 1,066 grammi O2/grams or, tenendo conto della sua densità, 1,12 grammi O2/cm3.
      • SV. Se invece vogliamo caratterizzare l’acetato di sodio in funzione dei suoi Sv, ci troviamo davanti ad un problema perché le equazioni esposte al punto precedente rappresentano due soluzioni, a seconda di quale sia la reazione di ossidazione – che dipenderà dalle condizioni sperimentali in cui vengono misurati i Sv. Quindi 82 grammi di acetato anidro lasceranno 40 grammi di ceneri in un caso oppure 164 grammi di acetato produrranno 62 grammi di ceneri nell’altro. Per definizione, i Sv sono dunque pari a:
    SV1 [%] = 100 x (SS – Ceneri) / SS = 100 (82 grams– 40 grams)/82 grammi  = 51,2%
    SV2 [%] = 100 x (SS – Ceneri) / SS = 100 (164 grams – 62 grams)/164 grammi  = 62,2%
    Nella pratica, otterremo sempre valori di Sv compresi fra i due limiti teorici indicati prima, a seconda dalla temperatura di calcinazione del campione di acetato.
    Se invece prendiamo l’acido acetico come “molecola modello”, è impossibile caratterizzarlo in termini di Sv: per definizione esso è 100% volatile, in quanto liquido e privo di minerali.
  • Dai paragrafi precedenti deduciamo le seguenti relazioni pratiche:
      • BMP dell’acetato di sodio = 273 [Ncm3/grammi acetato] / 0,78 [grammi COD/grammi acetato] = 350 Ncm3/grammi COD. Poiché i SV dell’acetato possono variare a seconda dalla temperatura di calcinazione, non è affidabile utilizzare tale parametro.
      • BMP dell’acido acetico = 373 Ncm3/grams /1,066 grammi COD/grammi = 350 Ncm3/grammi COD.
      • Si può dimostrare matematicamente che il BMP di qualsiasi matrice organica è sempre pari a 350 Ncm3/grammi COD, a condizione però che tale matrice sia 100% digeribile. Lo stesso non vale per i SV: la variabilità del BMP in funzione dei SV è impossibile da parametrizzare, per cui non sono una unità di misura “comoda” per valutare l’attività metanogenica di un digestato. Per misurare l’attività metanogenica basta dunque introdurre nel reattore “1 grammo di COD” (indipendentemente dalla sostanza che si scelga o di cui si disponga nel momento) e osservare se esso sprigiona 350 Ncm3 of methane. Vedremo nella Part II che cosa significa “1 grammo di COD” di una matrice organica qualsiasi.


Conclusions

La misurazione dell’Attività Metanogenica Specifica (High school) è una tecnica per esprimere in termini numerici le “costanti vitali” delle Archaea, che sono il gruppo di microrganismi responsabile della produzione di metano, ultimo stadio della digestione anaerobica. La misurazione della SMA si basa sul fatto che le Archaea metanigene acetoclastiche si nutrono esclusivamente di acido acetico (o il suo sale, l’acetato di sodio), sostanza però indigeribile per gli altri microrganismi che compongono la flora del digestato. Quindi, aggiungendo una quantità nota di tale sostanza ad una quantità nota di digestato, e osservando quanto metano viene sprigionato, è possibile dedurre se il digestato possiede effettivamente una popolazione attiva di Archaea.

Moreover, il rapporto fra la portata di metano e la massa di materia organica contenuta nel digestato fornisce una misura numerica del tasso respiratorio, cioè dell’attività biologica della popolazione di Archaea.

In Part II di questo articolo vedremo quali sono i “trucchi del mestiere” che un buon gestore di impianti di biogas deve conosce per realizzare correttamente una prova e come interpretare i risultati per ottimizzare il profitto.

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