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La conducibilità elettrica nel controllo degli impianti di bioga
La correlazione fra conducibilità elettrica e performance dell’impianto di biogas è stata proposta dai ricercatori del Crpa (M. Garuti, M. Soldano e C. Fabbri) come un possibile metodo, di facile implementazione, per il controllo dei processi anaerobici.
Dalla sua pubblicazione nel 2014 su L’Informatore agrario molti gestori di impianti di biogas hanno adottato il metodo misurando periodicamente la conducibilità elettrica dei loro digestati e mantenendo da allora i registri storici delle loro rilevazioni.
Tale accettazione si fonda probabilmente sull’indiscutibile prestigio degli autori, la correttezza formale del ragionamento che supporta il metodo proposto ed un insieme di valori sperimentali che sembrerebbero confermare le conclusioni dei ricercatori.
Nonostante la linearità dei risultati di laboratorio, pubblicati nello studio in questione, gli stessi autori segnalano un discostamento fra i valori riscontrati in laboratorio e quelli riscontrati sul campo.
Lo scetticismo metodologico, base del metodo scientifico
Il ragionamento soggiacente il metodo della conducibilità elettrica rispetta formalmente il sillogismo aristotelico:
a) La conducibilità elettrica è proporzionale alla concentrazione dei sali disciolti e anche alla concentrazione degli ioni di ammonio (vero).
b) Entrambe le concentrazioni influenzano negativamente il metabolismo delle Archaea metanogeniche e anche quello di altri microorganismi coinvolti nel processo di digestione anaerobica (vero).
c) Pertanto, è possibile stabilire una correlazione fra la conducibilità elettrica e la resa di metano del processo, tabularla (o tracciare una curva) ed utilizzare tale parametro per il controllo dell’impianto.
E’ opportuno ricordare che, secondo i principi fondamentali della logica, due presupposti veri sono la condizione necessaria, ma non sufficiente, affinché la conclusione che ne deriva sia vera. Talvolta, la conclusione può essere falsa.
Lo scetticismo metodologico è dunque lo strumento che ci consente di stabilire sperimentalmente la verità sulla base di verità presunte, ottenute dal ragionamento, o da prove secondo modelli puramente teorici.
Tale metodo è chiamato anche metodo del dubbio cartesiano perché fu sviluppato dal matematico e filosofo René Descartes nel S. XVII.
Nel caso del monitoraggio della conducibilità elettrica del digestato, l’applicazione del dubbio cartesiano si articola nella seguente sequenza di ragionamenti utili a definire le verifiche sperimentali da realizzare:
- Accettare solo informazione che si possa dimostrare come assolutamente vera.
Si potrebbe argomentare che le Archaea sono organismi di origine marina, pertanto dovrebbero avere qualche sorta di tolleranza al sale, quindi capaci di tollerare elevate conducibilità.
Un secondo argomento che intacca la validità universale del metodo proposto dal Crpa è che la parola “sale” non necessariamente significa “cloruro di sodio“.
Sappiamo che sali diversi hanno diversi gradi di tossicità per i microorganismi. Inoltre, l’inoculo di un digestore contiene migliaia di specie microbiche coinvolte nel processo di digestione, ciascuna con una diversa tolleranza alla salinità.
Infine, due inoculi, con la stessa conducibilità elettrica, potrebbero inibire i batteri, non inibirli o inibirli parzialmente, in funzione delle cause di conducibilità: ioni di ammonio, sali disciolti o un mix in diverse proporzioni. - Ridurre le verità che si assumono come presupposti validi, a unità più piccole.
Dagli argomenti nel precedente paragrafo deduciamo che la proposizione b), sulla quale si fonda il sillogismo in questione, potrebbe non essere una verità assoluta, quindi le conclusioni da essa derivate non dovrebbero essere considerate vere in tutte le circostanze. In altre parole: la correlazione fra conducibilità elettrica e attività metanogenica dell’inoculo è vera nelle condizioni di prova pubblicate nell’articolo in questione, ma potrebbe non esserlo in altre condizioni.
Infine, l’articolo originale spiega che il “modello” testato dai ricercatori consisteva in “dopare” i vari reattori con diverse quantità di una “soluzione salina di riferimento” definita dalla norma UNI EN ISO 11734:2004. Tutti i reattori erano stati caricati con lo stesso inoculo, quindi la conducibilità elettrica risultante in ciascuno di essi era il risultato dell’aggiunta della soluzione salina.
Orbene, la menzionata norma si applica agli impianti di trattamento di acque fognarie, nei quali è abbastanza probabile che si trovi del cloruro di sodio.
Negli impianti di biogas agricoli, invece, la conducibilità elettrica del digestato è causata da fosfati, carbonati, solfati e ioni di ammonio.
Pertanto, è lecito il seguente dubbio cartesiano: l’inibizione dell’attività metanogenica, osservata dai ricercatori, è davvero correlata alla conducibilità elettrica? O dobbiamo imputare il fenomeno alla concentrazione di cloruri aggiunti nel dispositivo di prova, essendo la conducibilità elettrica solo una conseguenza di questi ultimi?
Infine, come tutti i papers nella letteratura scientifica sul biogas, l’articolo in questione non include un’analisi dell’incertezza di misura, quindi si potrebbe sollevare anche il dubbio sull’esattezza della misurazione. Data una percentuale di differenza rilevata fra le attività metanogeniche di due reattori con conducibilità diverse: come è possibile stabilire se tali differenze siano state causate dalla diversa conducibilità, o più banalmente da errori strumentali? - Risolvere prioritariamente i problemi più semplici.
Il primo problema da risolvere è dunque accertare cosa succede se si aggiunge ad un reattore un mix di sali diversi dai cloruri, fino a raggiungere una conducibilità elettrica prestabilita, e comparare i risultati con quelli di un altro reattore, dopato con la “soluzione salina di riferimento” fino a raggiungere la stessa conducibilità.
In caso affermativo, la proposizione b) del sillogismo è più probabilmente una “verità universale”, quindi conseguentemente anche il metodo del monitoraggio della conducibilità elettrica lo è.
A scopo dimostrativo di quanto illustrato, l’autore ha preparato un test comparativo fra due gruppi di reattori: un gruppo di controllo ed un gruppo con conducibilità elettrica pari a 20 mS/cm. Il primo gruppo era composto da un reattore in bianco, un altro reattore caricato con acido acetico (BMP fra 350 e 370 Ncm3/g) e infine un reattore caricato con cellulosa (BMP teorico fra 350 e 410 Ncm3/g SV). Tutti i reattori sono stati inoculati con digestato “al naturale” (conducibilità = 9.8 mS/cm e pH = 7.6). Il secondo gruppo di reattori è stato caricato con lo stesso inoculo e le stesse quantità dei substrati di riferimento, e additivato con acido fosforico, carbonato di magnesio e idrossido di potassio fino a raggiungere 20 mS/cm, mantenendo nel contempo costante il pH a 7.6.
Con tale conducibilità le produzioni di metano, misurate con il secondo gruppo di reattori, dovrebbero risultare minori del 15% rispetto al gruppo di controllo. Poiché lo strumento utilizzato dall’autore è un Ampts II (Automatic methane potential test system) con l’1% di errore massimo, differenze superiori possono essere causate solo da diverse attività biologiche e non da incertezze sperimentali.
I risultati della prova sono illustrati nella Figura 1.
Figura 1: La produzione netta di metano di ciascuno dei reattori
- Redigere una lista completa degli eventuali ulteriori problemi.
Secondo la Legge di Murphy, che non ha niente di scientifico, ma pare agire inesorabilmente, il tentativo di risolvere piccoli problemi porta sempre a problemi maggiori. Nel presente caso possiamo osservare effettivamente una riduzione dei BMP calcolati con il secondo gruppo di reattori. Ma, come si osserva nella Figura 1, il bianco con l’inoculo “dopato” ha prodotto il 60% in più di metano rispetto al bianco con l’inoculo “al naturale” e il corrispondente test di attività metanogenica (acido acetico) ha prodotto l’8% in più, contrariamente a tutte le previsioni.
Solo il test con la cellulosa a 20 mS/cm ha prodotto il 6% in meno di metano rispetto al controllo, in linea con le ipotesi, ma comunque migliore rispetto al 15% atteso in base allo studio del Crpa.
La forma delle curve mostra chiaramente che l’aumento brusco di salinità, introdotto con l’aggiunta di acido fosforico e idrossidi di potassio e di magnesio, ha inibito parzialmente il processo, ma poi, adattandosi, i batteri hanno ripreso a produrre metano. Quindi il risultato sperimentale del test indica che il rapporto fra conducibilità elettrica e produttività di metano non è diretto, ma dipende dalle condizioni di prova, ovverosia dai sali che causano la conducibilità. Il metodo proposto dal Crpa, dunque, non è una “verità universale”.
Conclusione
I risultati sperimentali della digestione anaerobica a 20 mS/cm di conducibilità, sembrano dipendere dal tipo di ioni presenti nel processo. La conducibilità elettrica, quindi, non è una causa bensì un effetto risultante dal mix di ioni contenuti nel digestato.
Nel caso studiato dal Crpa nel 2014 esiste una chiara corrispondenza fra l’aumento della conducibilità elettrica e la diminuzione dell’attività metanigena, ma la conducibilità dipendeva da una soluzione salina contenente una buona dose di ioni di sodio, la quale, non necessariamente, rappresenta la generalità dei digestati agricoli ai sensi di una norma che ha come scopo le prove dei fanghi fognari.
Gli impianti di biogas vengono solitamente alimentati con insilato di mais che contiene i minerali illustrati nella Tabella 1, dove osserviamo che il sodio rappresenta meno del 7% del totale, mentre il fosforo, il potassio e il magnesio costituiscono l’86%.
