Il cannolicchio sinterizzato

e appunti sul filtraggio

di Fabio Scarpa

 

Quante volte abbiamo sentito parlare dei cannolicchi sinterizzati, ma sappiamo veramente come sono fatti e se rispondono effettivamente alle nostre aspettative?

Per comprendere meglio bisogna sapere cosa è effettivamente un sinterizzato, e nel corso dell’articolo si capirà perché è bene saperlo.

Un sinterizzato è una polvere pressata e fusa, per i nostri cannolicchi si prende della polvere di vetro che viene immessa dentro degli stampini cilindrici forati che ne daranno la forma, poi si pressa con delle pressioni che variano a seconda della porosità e della coesione richiesta, infine vengono riscaldati alla minima temperatura di fusione necessaria affinché tale fusione interessi solamente la superficie in maniera tale da incollare le particelle le une alle altre lasciando più interstizi possibili.
Per aumentare le porosità vengono aggiunti degli inerti alla polvere di vetro che vengono eliminati successivamente.

Tanto maggiore è la pressione di stampaggio, la temperatura di fusione e il tempo di permanenza in temperatura, e tanto maggiore sarà il grado di sinterizzazione, ma nello stesso tempo la porosità sarà minore, è fondamentale quindi regolare pressione, temperatura e tempo in modo da ottenere la minima coesione permanente che corrisponde alla massima porosità.

Le domande e le relative curiosità inerenti il cannolicchio sinterizzato (che da qua in avanti chiamerò cannosint per brevità) sono molteplici, come il livello di impregnazione, la rugosità, l’eventuale quantità di porosità comunicanti, la superficie colonizzabile, la possibilità di usarli come supporto per i batteri Nitrosomas, Nitrospira, Nitrobacter, Nitrosolobus, Nitrosococcus (batteri aerobi nitrificanti) nonché per i batteri Aerobacter, Flavobacterium, Proteus, Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Alcaligens, Thiobacillus, Paracoccus e Spirillum (batteri anaerobi denitrificanti).

L’impregnazione esterna o superficiale è stata ottenuta con semplice immersione in acqua, quella media con gli ultrasuoni e quella totale in vuoto.
Come si nota i ceramici assorbono una quantità di acqua assolutamente irrilevante, d’altronde era prevedibile dato che non sono stati costruiti per usufruire delle porosità, mentre i cannosint assorbono una quantità di acqua che aumenta a seconda del grado di impregnazione, essendo alto già il primo dato significa che la superficie trattiene parecchia acqua, ed aumentando proporzionalmente significa che le porosità sono aperte, quindi il grado di sinterizzazione non è elevato, come si vede nella prossima foto effettuata a 50 ingrandimenti:

Nella foto si osservano le varie particelle di vetro sinterizzate fra di loro e gli spazi vuoti che sono le porosità, nel nostro caso si tratta di porosità aperte perché comunicanti fra di loro. Tali porosità hanno una misura praticamente costante, circa 0.10mm, come si vede nella foto seguente:

anche le particelle di vetro sono di misure molto simili, circa 0.20mm:

ciò conferma il fatto che questi sinterizzati sono stati pensati e costruiti appositamente con particelle di vetro setacciate per uniformarne le dimensioni e con gli inerti per poter usufruire della massima porosità possibile.

Come si nota c’è una notevole differenza, non bisogna fare caso alle dimensioni ma solamente all’aspetto morfologico perché il cannosint è di dimensioni maggiori del ceramico, però la diversità è macroscopica, il cannosint è decisamente molto più poroso del ceramico.Per valutare in maniera approfondita la porosità è indispensabile conoscere LA RUGOSITA’, nel nostro caso tecnicamente si chiama rugosità totale Rt. Sono stati effettuati dei rilievi in vari punti di diversi ceramici e cannosint, i grafici ottenuti sono:

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Il grafico corrisponde a un cannosint

Il grafico corrisponde a un ceramico.

A prima vista sono equivalenti, però la scala dei ceramici è 10 volte più amplificata, (un quadratino del grafico sopra corrisponde a 20 micron, mentre un quadratino di quello sotto corrisponde a 2 micron). La rugosità Rt, cioè quella rilevata dal rugosimetro senza nessun taglio o calcolo strumentale (operazione che generalmente viene effettuata), è quella corrispondente al profilo rilevato del tastatore dello strumento e corrisponde a 117micron per il cannosint, mentre è di 17micron per il ceramico.

Queste indicate sopra sono superfici riferite ad un litro di ceramici e di cannosint, sono calcolate e non misurate, quindi i risultati sono da considerare approssimati. Si deduce molto semplicemente che 1 litro di cannosint hanno la stessa superficie colonizzabile di circa 30 litri di ceramici, a patto che siano utilizzati correttamente, la cosa non è difficile ma rende necessarie alcune accortezze come vedremo in seguito.
La notevole superficie totale colonizzabile è una conferma che le porosità dei cannosint sono aperte, la conferma visiva si ottiene dalla seguente foto:

E’ stata effettuata un’impregnazione leggera con un colorante, come si nota nella foto effettuata a cuore del cannosint il colorante è penetrato attraverso le porosità aperte.
Ciò significa che, se usati opportunamente, i cannosint sono un ottimo supporto sia per batteri nitrificanti, che per i denitrificanti.
Le superfici esterna e media, in un filtro “normale” biologico aerobico, sono colonizzabili solamente dai classici batteri nitrificanti di tipo autotrofo (capacità di alcuni organismi di nutrirsi di sostanze inorganiche) ed esclusivamente aerobico come i Nitrosomas e i Nitrospira.
La superficie interna dei cannosint in un normale filtro biologico aerobico non può essere completamente anossica per poter permettere anche l’instaurazione degli anaerobi come Aerobacter, Flavobacterium, Proteus, Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Alcaligens, Thiobacillus, Paracoccus e Spirillum, sia per l’elevata quantità di porosità aperte, sia per il ridotto spessore che permette l’infiltrazione di anche minime quantità di ossigeno.
In un filtro denitrificante dedicato invece si possono usare i cannosint sfruttandone l’elevata superficie totale colonizzabile.
L’anello debole del processo di nitrificazione sono i Nitrosomas perché la velocità di ossidazione dell’ammoniaca è decisamente inferiore alla velocità di ossidazione dei nitriti a nitrati, proprio per questo motivo se il filtro è ottimizzato correttamente difficilmente si verificano accumuli di nitriti.
Bisogna quindi cercare di instaurare le migliori condizioni possibili al loro sviluppo, come un pH leggermente alcalino (circa 7.2) e comunque superiore a 5,5, cosa non sempre facile anche considerando che lo stesso processo nitrificante porta ad un abbassamento del pH, una temperatura tra 5°C e 35°C, ma qua siamo fortunati perché la temperatura ideale è 25÷31°C che corrisponde a quella comunemente impiegata negli acquari, essendo aerobici necessitano quindi di una certa quantità di ossigeno, la maggiore velocità di nitrificazione si ottiene con concentrazioni di ossigeno uguali o superiori a 3mg/l come indicato nella figura sotto, mentre il valore minimo tale da non inibire la nitrificazione è 2mg/l.
Volendo si può calcolare facilmente la domanda di ossigeno necessario per la nitrificazione dato che è 4.57 volte la massa di nitrati prodotti al giorno.
Per determinarla è sufficiente misurare la concentrazione di nitrati nello stesso momento in diversi giorni, ad esempio alla mattina lontano dalla somministrazione di cibo, fare la media e moltiplicare per 4.57, esempio:giorno 0 = 12 mg/l NO3
giorno 1 = 16 mg/l NO3
giorno 2 = 22 mg/l NO3
la nostra vasca produce 10 mg/l di NO3 in due giorni, quindi 5 mg/l al giorno di media, per svolgere ottimamente la nitrificazione sono quindi necessari 22.85 mg/l di ossigeno.
In vasche sovraffollate può diventare un problema perchè la concentrazione di inquinanti può diventare tale da non poter essere completamente nitrificati a causa dell’insufficiente quantità di ossigeno disciolto indispensabile a nutrire i batteri.

Per sfruttare al massimo i cannosint e utilizzarne completamente la superficie media, quindi quasi 80m²/l, è necessario  utilizzare una ridotta velocità di transito dell’acqua all’interno del filtro per evitare l’effetto lavaggio dei batteri dal supporto e per permettere un sufficiente tempo di contatto del batterio con la sostanza da ossidare, la velocità ottimale di attraversamento del materiale filtrante dovrebbe essere la minore per avere un ambiente aerobico anche all’uscita con un potenziale redox ossidante.Non parlo di VELOCITA’ DI ATTRAVERSAMENTO

dell’acqua nel materiale filtrante perché la forma, la permeabilità e la rugosità dei vari supporti (dai cannosint ai ceramici, dai ricci alla lava, dalle spugne grosse alle spugne fini, ecc) influenzano la formazione del moto lamellare o turbolento dell’acqua secondo la legge di Reynolds.
Per ottimizzare la colonizzazione degli strati profondi sarebbe consigliabile operare con il moto turbolento che necessità però di velocità molto elevate del mezzo fluido. Con il moto turbolento quindi andiamo ad influenzare tutte le superfici dei supporti biologici mantenendo elevato il tenore di ossigeno disponibile per la nitrificazione dai batteri.
Quindi per ottimizzare la funzionalità di tutto il supporto biologico aerobico nitrificante bisogna il pH sia verso la neutralità, che la temperatura sia 25÷31°C, che la portata dell’acqua sia tale affinché l’acqua in uscita dal filtro contenga possibilmente minimo 3mg/l di ossigeno ad abbia un potenziale redox ossidante di 200÷250mV.
La quantità di ossigeno disponibile ai batteri aerobi è quindi fondamentale, in caso che l’acqua in uscita dal filtro ne contenga una concentrazione inferiore a 2mg/l è indispensabile inserire una piccola pietra porosa nel primo scomparto, parlando di filtri interni naturalmente, altrimenti è necessario aumentare la concentrazione di ossigeno in acquario affinché l’acqua in uscita abbia possibilmente la concentrazione di almeno 3mg/l di ossigeno, ciò significa che tutto il materiale filtrante è nelle migliori condizioni possibili per svolgere al meglio la nitrificazione.
Mentre per la denitrificazione l’ossigeno deve essere inferiore a 0.5mg/l.
Se proprio qualcuno vuole calcolare la velocità di transito dell’acqua attraverso il filtro deve calcolarla con la seguente formula:Q = A∙V∙cos0 (portata = sezione∙velocità∙coseno di 0, in caso di flussi perpendicolari all’area cos0 = 1)

quindi: V = Q/A (velocità = portata in litri all’ora/sezione in cm²)

semplificando: V = 2.8∙Q/A mm/sec

esempio:
una portata di 200l/h attraverso una sezione di 15x10cm = 2.8∙200/150 = 3.7 mm/sec.
Questa è la velocità se la sezione del filtro fosse completamente libera, ma essendo riempita di materiali filtranti si rende necessario conoscere l’area totale media occupata dai materiali filtranti per trovare l’area libera media interessata dal flusso, sfido chiunque a ricavare l’area esatta occupata dai materiali filtranti per ricavare l’area totale degli interstizi dove passa l’acqua.

Indicativamente si può raddoppiare la velocità considerando che i cannosint occupano circa la metà del volume, quindi se la sezione A (cioè il denominatore) è la metà, essendo la portata Q la stessa, raddoppia la velocità V.Si parla sempre di NITRIFICAZIONE,

ma sappiamo quali sono le reazioni che permettono di arrivare ai nitrati? La nitrificazione è l’ossidazione dei composti inorganici dell’azoto svolta dai batteri autotrofi (che trasformano le sostanze inorganiche in materiale cellulare complesso utilizzando la CO2 per la sintesi) e traggono l’energia necessaria al metabolismo dall’ossidazione dell’ammoniaca prima e dei nitriti poi, usando l’ossigeno libero come accettare di elettroni.
Alcuni batteri sono strettamente aerobi, altri strettamente anaerobi, ce ne sono poi altri aerobi facoltativi che possono vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno, in presenza di ossigeno disciolto lo utilizzano, mentre in condizioni anossiche utilizzano l’ossigeno contenuto nella molecola dei nitrati.
Poi ci sono i batteri saprofiti che si sviluppano autonomamente, e i parassiti che si sviluppano a spese di altri.
I saprofiti si dividono in autotrofi ed in eterotrofi (che trasformano la sostanza organica complessa in sostanze più semplici espellendo CO2) e sono alla base dei processi di depurazione biologica assorbendo le sostanze nutritive disciolte nell’acqua attraverso la membrana cellulare.
La solubilizzazione delle sostanze solide come le feci avviene per opera di enzimi extracellulari emessi dalla cellula batterica, mentre gli enzimi intracellulari favoriscono l’elaborazione delle sostanze organiche introdotte dall’esterno, tramite processi osmotici avvengono gli scambi attraverso la membrana cellulare che ci permettono di trasformare i carboidrati, i grassi e le proteine in altri composti secondo la seguente tabella:

La degradazione aerobica di carboidrati e lipidi produce anidride carbonica ed acqua, mentre la degradazione delle proteine produce anche ammoniaca, e da questa parte il processo di nitrificazione, le reazioni chimiche che avvengono a partire dalla degradazione della sostanza organica sono:ammonificazione
azoto organico tramite l’azione di microrganismi → ammoniaca + ammonio
(N → NH3 + NH4)
urea tramite l’enzima ureasi → ammonio + carbonato
(H2NCONH2 + 2H2O → 2NH4 + CO3)

sintesi
materia organica + ossigeno + ammoniaca → cellule viventi + anidride carbonica + acqua
(org + O2 + NH3 → cellule + CO2 + H2O)

respirazione endogena (fase di degradazione dei microrganismi)
cellule viventi + ossigeno → anidride carbonica + acqua + ammoniaca
(cellule + O2 → CO2 + H2O + NH3)

azione dei Nitrosomas in due fasi
ammoniaca + ossigeno → idrossilammina + acqua
(NH4OH + 1/2 O2 → NH2OH + H2O)
idrossilammina + ossigeno → acido nitroso + acqua → idrogeno + nitrito + acqua
(NH2OH + O2 → HNO2 + H2O → H + NO2 + H2O)

azione dei Nitrospira
nitrito + ossigeno → nitrato
(NO2 + 1/2 O2 → NO3)

azione dei denitrificanti in due fasi
nitrato + ambiente riducente → nitrito + acqua
(NO3 + 2e + 2H → NO2 + H2O)
nitrito + ambiente riducente → azoto + acqua
(NO2 + 3e + 4H → 1/2N2↑ + 2H2O)

Si sottolinea che oltre il 90% di azoto rimosso deriva dalla DENITRIFICAZIONE dissimilatoria (conseguente alla respirazione batterica), mentre solo il 4÷10% viene rimosso dalla denitrificazione assimilatoria (legato alla sintesi di nuova biomassa).
I residui che si formano sono azoto, ossigeno ed anidride carbonica che si disperdono nell’aria, inoltre i denitrificanti ossidano le molecole organiche, composte da carbonio-idrogeno-ossigeno in anidride carbonica e acqua.
Una reazione globale di denitrificazione partendo da una molecola organica come il glucosio è:
glucosio + acido nitrico (nitrato) → azoto + anidride carbonica + acqua
(5C6H12O6 + 24HNO3 → 12N2↑ + 30CO2↑ + 42H2O)

Da qui si deduce che il glucosio è un ottimo alimento per i batteri denitrificanti in quanto viene ossidato a anidride carbonica e viene usato come sorgente di elettroni per ridurre il nitrato ad azoto.
Ci sono vari nutrienti per i batteri denitrificanti, l’importante è che ci sia un substrato carbonioso biodegradabile, si possono usare glucosio, saccarosio, lieviti, alcool etilico, alcool metilico (cancerogeno), c’è chi usa vodka o altre sostanze organiche, ma se possibile si cerca di usare almeno in parte le fonti organiche già presenti in acquario sotto forma di rifiuto organico dei pesci.
Sistema molto conosciuto ed usato anche da chi ha acquari mantenuti con il metodo della depurazione naturale, detto metodo Berlinese.
Ci sono poi diversi batteri denitrificanti che svolgono funzioni differenti, gli Pseudomonas, Micrococcus e Achromobacter ad esempio svolgono una denitrificazione eterotrofa assorbendo l’ossigeno dai nitrati per il metabolismo ossidativo del glucosio, con l’azoto che agisce come accettore di elettroni al posto dell’ossigeno, i Thiobacillus svolgono un’azione denitrificante autotrofa  assorbendo l’ossigeno dai solfati con l’azoto che agisce come donatore di elettroni, gli Aerobacter, Proteus e Flavobacterium compiono solamente il primo stadio della denitrificazione riducendo i nitrati a nitriti.
La denitrificazione è svolta da batteri eterotrofi facoltativi, cioè svolgono un’azione nitrificante se si trovano in presenza di ossigeno, mentre se sono posti in condizioni anossiche sono in grado di ossidare la materia organica presente utilizzando l’ossigeno dei nitrati invece di quello atmosferico producendo azoto gassoso come catabolita.
Se è presente sia l’ossigeno che i nitrati i batteri utilizzano l’ossigeno perché fornisce un rendimento energetico maggiore, 686kcal contro 570kcal per la dissimilazione di una mole di glucosio, corrispondente a 180gr.
Come si è potuto notare nei passaggi e nelle reazioni precedenti è necessario l’ossigeno per poter svolgere sia i processi di nitrificazione che di denitrificazione, cambia solamente la sorgente, è quindi fondamentale una notevole disponibilità di ossigeno libero, anche considerando l’ossigeno recuperato da una eventuale denitrificazione, per la nitrificazione servono 4.57mg di ossigeno per ogni mg di azoto, mentre con la denitrificazione si recuperano 2.86mg di ossigeno per ogni mg di azoto ridotto a gas.
Le reazioni di ossidazione, con specificate le richieste di ossigeno dalle quali i batteri traggono l’energia necessaria, per le singole reazioni sono:

Nitrosomas
3.43 mg di ossigeno ogni mg di ammonio → 58÷84 Kcal

Nitrospira
1.14 mg di ossigeno ogni mg di nitrito → 14.5÷20.9 Kcal

reazione completa
NH4+ + O2 → NO3- + 2H+ + H2O → 4.57 mg di ossigeno ogni mg di ammonio/azoto → 73.4÷104.9 Kcal

Una parte di azoto è necessario per la sintesi batterica degli aerobi, per cui la reazione stechiometrica completa indicata su basi sperimentali, che tiene conto sia dell’ossidazione dell’ammoniaca che della sintesi batterica è:

NH4+ + 1.83O2 + 1.98HCO3- → 0.021C5H7O2N + 1.041H2O + 0.98NO3- + 1.88H2CO3
(ammonio + ossigeno + bicarbonato → biomassa + acqua + nitrato + acido carbonico)

Calcolando la reazione con i rispettivi pesi molecolari otteniamo 0.17 grammi di biomassa per ogni grammo di ammonio/azoto ossidato.
Dalla stessa reazione si calcola che sono necessari 4.18 grammi di ossigeno per ogni grammo di ammonio/azoto ossidato.
Nel corso del processo si ha anche la distruzione di alcalinità (bicarbonato), con produzione di acido carbonico, per ogni grammo di ammonio/azoto ossidato si distruggono 8.63 grammi di ione bicarbonato, che equivale a 7.14 grammi di calcio carbonato, di conseguenza c’è una tendenza all’abbassamento del pH quando l’alcalinità iniziale dell’acqua non è sufficientemente elevata per tamponare l’acidità prodotta durante la nitrificazione.
Nella denitrificazione per ogni grammo di nitrati ridotti ad azoto si producono 3.57gr di CaCO3, siccome nella maggior parte degli acquari è presente il solo filtro nitrificante, se tale filtro funziona a dovere si perde costantemente una certa quantità di bicarbonati che costituiscono la durezza carbonatica o temporanea KH, che tampona il pH.
La quantità di alcalinità recuperata con l’eventuale denitrificazione, è comunque minore di quella persa con la nitrificazione, la diminuzione del pH è influenzata sia dalla produzione di acido nitrico come si evince dalle reazioni illustrate sopra, sia dalla distruzione di alcalinità con produzione di acido carbonico.
Monod ha sviluppato una formula per calcolare la velocità di nitrificazione partendo dalla considerazione che la massa batterica generata è proporzionale alla massa di ammoniaca utilizzata per la sintesi, e che la velocità di crescita dei batteri è correlata alla concentrazione di substrato che circonda i batteri:

M(Xn) = Yn∙M(Na)

La massa di batteri nitrificanti generati è uguale alla massa di batteri nitrificanti generata x unità di azoto ammoniacale consumata x la massa di azoto ammoniacale utilizzato.
La formula sviluppata diventa:

La velocità di crescita specifica è uguale alla velocità di crescita specifica massima x la concentrazione di ammoniaca diviso la costante di semisaturazione + la temperatura.
Da notare che al demoninatore compare la temperatura, che quindi influenza il processo in maniera importante.
Monod ha stabilito poi che la velocità di crescita dei batteri è data dalla velocità di crescita specifica x la massa dei batteri presenti e che la velocità di crescita può essere correlata alla velocità di eliminazione dell’ammoniaca.
Oltre alla crescita, la massa dei batteri residenti nel filtro subisce delle perdite naturali di massa endogena, tale perdita è indipendente dalla crescita ed equivale alla velocità specifica di perdita di massa endogena per i nitrificanti.
Ci sono quindi parecchi fattori per ottimizzare le potenzialità del filtro, non ultimo il tempo:

età del materiale filtrante (giorni)

Si nota il classico picco dei nitriti che su un supporto ottimale avviene dopo 3 giorni, chiaramente tanto meno si rispettano le regole necessarie, tanto maggiore sarà il tempo necessario per la maturazione della quantità necessaria di Nitrosomas

I cannosint sono costruiti per ottenere un’elevatissima superficie atta alla colonizzazione dei batteri dedicati al filtraggio. Nei filtri aerobi si può riuscire ad utilizzare circa 80m² di superficie, a patto di mantenere tutte le porosità libere fa fanghi di sedimentazione o altro materiale che possa ostruirne le cavità.

Nei filtri anaerobici sistemando opportunamente i cannosint uno per uno sdraiati ed in file parallele tangenti, in maniera da occupare tutto lo spazio disponibile, non trovando percorsi preferenziali si può obbligare l’acqua ad attraversare molto lentamente i cannosint nel loro spessore, a patto di avere un’acqua in entrata molto pulita e senza sospensioni. Un’idea è prelevare l’acqua per il denitratore dall’ultimo scomparto del filtro, è molto pulita e con poco ossigeno.

Nei filtri aerobici naturalmente deve essere disponibile la quantità di ossigeno necessaria alla nitrificazione, cioè 4.57 volte la massa di nitrati prodotti giornalmente. Se possibile il pH deve essere vicino alla neutralità, la temperatura compresa tra 25 e 31C° ed il potenziale redox circa 200÷250mV, va tenuto presente che un’ottima funzionalità del filtro aerobico genera un abbassamento del pH.

La velocità dell’acqua, e quindi la portata della pompa, deve essere tale che l’acqua in uscita dai filtri aerobi contenga minimo 3mg/l di ossigeno, e l’acqua in entrata dei filtri anaerobi contenga massimo 0.5mg/l di ossigeno. Una bassa portata della pompa, bassi valori di ossigeno disciolto e di pH deprimono il massimo tasso di crescita dei nitrificanti creando le condizioni per il loro dilavamento.

Indicativamente una velocità di transito dell’acqua nel filtro di 10÷15mm/sec può essere ottimale.

I filtri anaerobi devono essere alimentati con sostanze come glucosio, saccarosio, lieviti, alcool etilico, industrialmente si utilizzano substrati carboniosi prelevati da reflui, scarichi di caseifici o di birrerie, miscele di acidi volatili, ecc.

Fabio Scarpa

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