Digestione anaerobica di sansa con nocciolino ed inoculo

Una seconda prova è stata effettuata su sansa d’oliva non denocciolinata e digestato da impianto per produzione di biogas da liquame bovino, prelevato anche in questo caso presso l’azienda agricola Palombini. Alla miscela è stata aggiunta dell’acqua per ottenere un contenuto di sostanza secca di circa il 12%, che garantisse cioè condizioni di digestione di tipo wet.

Si riportano in tabella 4.3 le caratteristiche della miscela di co-digestione.

Tabella 4.3. Caratteristiche miscela di co-digestione.

Caratteristiche delle biomasse utilizzate

Sostanza secca SS [%] Quantitativo [kg] Ceneri [% su SS] Sostanza Organica [% su SS]

Digestato 5,15 1 1,5 98,5

Sansa 21,86 1,867 2,1 97,9

Acqua 0 1

Caratteristiche della miscela

Sostanza secca [%] Quantitativo [kg] pH iniziale Sostanza Organica [% su SS]

Miscela 11,88% 3,867 6,51 98%

Le misurazioni sono state effettuate ogni 4 giorni e hanno riguardato prelievi per la determinazione del contenuto delle sostanze volatili nella miscela, prelievi del biogas prodotto ed analisi del gas in gascromatografo.

Si è voluto in questa analisi tenere sotto controllo la sostanza organica della miscela con continuità durante tutta la reazione di digestione. Per il calcolo delle sostanze volatili è stata seguita una procedura che si basa sulla misurazione della sostanza secca (residuo determinato per essiccamento a 105°C) e della sostanza inerte (residuo dopo combustione a 550°C). Si è

107 calcolata la sostanza organica come complemento a 100 rispetto alla percentuale della sostanza inerte. La sostanza volatile è stata considerata, in prima approssimazione, pari alla sostanza organica, detta anche substrato (Reale et al., 2009). La sostanza organica comprende sia la sostanza organica volatile che si trasforma in gas, sia la sostanza organica fissa che non può gassificarsi. In genere la parte volatile rappresenta circa il 70% del totale organico. Si è cercato di risalire alle due percentuali misurando la sostanza organica rimanente alla fine della produzione dal processo di degradazione anaerobica.

In figura 4.9 si riporta l’andamento della sostanza organica durante la reazione. È possibile notare un andamento decrescente dovuto all’utilizzo della sostanza organica da parte dei microrganismi durante la reazione di digestione per lo sviluppo di biogas. La reazione è cominciata con un contenuto di sostanza organica di poco superiore al 98% sulla sostanza secca ed è terminata con un valore tendente al 90%. Infatti la sostanza volatile viene approssimativamente ed operativamente considerata pari alla sostanza organica o substrato organico, ma in realtà solo una parte delle sostanza organica può essere volatilizzata, l’altra parte è fissa (Reale et al., 2009).

L’andamento delle sostanza organica può essere confrontato con quello della produzione cumulata di biogas durante la reazione, riportato in Figura 4.10. Effettivamente è possibile osservare come la produzione di biogas cresca al diminuire del contenuto di sostanze volatili nella matrice in digestione.

Figura 4.10. Andamento delle sostanze volatili, come percentuale sulla sostanza secca, nella biomassa in co- digestione.

La reazione di digestione è stata interrotta al 32esimo giorno quando la produzione totale di biogas aveva raggiunto i 16,05 litri.

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Figura 4.11. Andamento del volume cumulato di biogas durante il processo di digestione.

Anche il confronto con il volume cumulato di metano nel biogas è conforme a quanto ci si poteva aspettare visto l’andamento della sostanza organica (Figura 4.11). Quando la sostanza organica inizia a tendere ad un valore costante, anche la produzione di metano tende ad arrestarsi.

Figura 4.11. Andamento del volume cumulato di metano durante il processo di digestione.

Inoltre, come è possibile vedere dalla Figura 4.12., la produzione percentuale di CH4 ha

avuto un andamento molto altalenante e le percentuali sono state molto basse, per questo motivo si è deciso di interrompere la prova.

109 Figura 4.122. Andamento percentuale della produzione di metano.

Il volume cumulato di metano ha raggiunto 0,73 litri dopo i 32 giorni di analisi. La percentuale è piuttosto bassa rispetto alla produzione totale di biogas. Il BMP, calcolato con la (40) è pari a 0,0023 l/gSV.

In figura 4.13. è riportato l’andamento del pH durante la reazione. All’inizio della reazione era pari a 6,51, l’andamento tuttavia non è stato quello conforme ad una buona reazione di digestione anaerobica essendo molto altalenante.

Figura 4.133. Andamento del pH nella miscela durante la reazione di digestione. Per tutte le considerazioni precedenti si è deciso di interrompere la prova e di effettuarne una di co-digestione della sansa con altri substrati.

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La prima prova tentata per queste biomasse ed in condizione wet è stata avviata con le matrici riportate in tabella 4.4.

Tabella 4.4. Caratteristiche miscela di co-digestione.

Sostanza secca [%] Quantitativo [kg]

Digestato 7,66 1,33

Letame bovino 23 0,465

Sansa 30 0,6

Acqua 0 0,83

TOT SS 12%

Questo carico non è andato a buon fine per problematiche al digestore, ci si è accorti della mancanza di tenuta del reattore che non permetteva di mantenere il vuoto per consentire condizioni anaerobiche, inoltre è stata sostituita la sonda di pH per malfunzionamenti. Quindi la prova è stata arrestata e non si hanno risultati significativi.

Sono state dunque risolte le problematiche del reattore e successivamente sono state reperite le biomasse necessarie per eseguire una seconda prova. Il test di co-digestione della sansa con liquame e letame bovino è stata avviata utilizzando i quantitativi di biomassa riportati in tabella 4.5.

Tabella 4.5. Proprietà caratteristiche delle biomasse utilizzate

Carateristiche delle matrici utilizzate

Sostanza secca

[%] base umida Umidità su [%] Contenuto in ceneri su base secca [%] Sostanza organica su base secca [%] Quantitativo [kg] Liquame bovino 1,04 98,96 35,02 64,98 3,1 Letame bovino 18,46 81,54 15,96 84,04 0,2 Sansa 54,12 45,89 4,75 95,99 1 Totale 4,3

Caratteristiche della miscela

Totale Sostanza Secca 14 % pH iniziale 7,07

Totale sostanza organica su base secca 95,5 % Totale sostanza organica su base umida 13,3 %

Il digestore è stato tenuto in funzione dal 18 febbraio al 14 aprile 2014, per un totale di 56 giorni in condizioni mesofile ad una temperatura di 37,5°C.

Il pH iniziale, grazie alla presenza del liquame e del letame bovino si attestava su valori di circa 7,07, mentre il contenuto totale di sostanza organica su base secca era del 95,5%.

Nelle figure 4.14 e 4.15 è riportato l’andamento del pH nel substrato sottoposto a digestione anaerobica durante tutto il processo. È possibile notare come in questo caso il pH durante il processo si mantenga più stabile rispetto alle prove di digestione effettuate in precedenza. Ciò è segno di una maggiore stabilità del processo.

111 È comunque possibile osservare una decrescita iniziale con successiva risalita alla quale corrisponde l’inizio della fase di maggiore produzione di metano all’interno del biogas. Successivamente si registra una diminuzione a partire dal 40esimo giorno di prova con risalita durante gli ultimi dati registrati.

Figura 4.144. Andamento del pH durante il test di co-digestione della sansa non denocciolinata con liquame e letame bovino.

Figura 4.155. Punti rappresentativi dei valori di pH e linea di tendenza durante il processo di co-digestione anaerobica della sansa non denocciolinata con liquame e letame bovino.

Nella figura 4.16 è stato riportato l’andamento della percentuale di metano all’interno del biogas prodotto dal processo di digestione anaerobica. L’andamento è crescente inizialmente, si mantiene su percentuali elevate tra il settimo e il quarantesimo giorno, dopo il quale inizia a decrescere.

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Figura 4.166. Valori misurati della percentuale di metano nel biogas e linea di tendenza.

In figura 4.17 è riportato l’andamento della produzione cumulata di metano durante il processo. La produzione ha raggiunto i 40,5 litri quando è stata arrestata la prova.

In figura 4.18 è riportato l’andamento della produzione cumulata di biogas che ha raggiunto i 62,92 litri al termine della prova.

La presenza media di metano all’interno del biogas prodotto è stata dunque del 64%.

Figura 4.177. Andamento del volume cumulato di metano in litri.

In figura 4.19 è riportato l’andamento della sostanza organica all’interno della miscela in digestione. Come nella analisi precedenti, la sostanza volatile è stata assunta in prima approssimazione pari alla sostanza organica. I primi campioni hanno evidenziato dei valori di sostanza organica leggermente superiori rispetto al valore di SO della miscela iniziale, questo è dovuto al fatto che la miscela in digestione non era omogenea e dunque dai prelievi in piccole quantità, anche se effettuati con triplice campionamento, non è stato possibile ottenere valori

113 sempre totalmente rappresentativi, tuttavia l’andamento nel tempo della SO evidenzia un comportamento compatibile con quanto atteso: riduzione del quantitativo di SO all’aumentare del tempo di prova.

Figura 4.188. Andamento del volume cumulato di biogas in litri.

Figura 4.19. Valori di sostanza organica nella miscela in digestione come percentuale sulla sostanza secca e linea di tendenza.

Alla fine del processo il digestato rimasto nel reattore è stato sottoposto nuovamente alla determinazione del contenuto di sostanze volatili per avere un valore maggiormente realistico in quanto misurato su un quantitativo di biomassa maggiore. La prova ha rilevato un contenuto di sostanza organica finale (in percentuale sul secco) pari al 37,47%.

Considerando questo valore finale del contenuto di sostanza organica, il valore iniziale ed il contenuto di sostanza secca, è stato possibile andare a determinare la percentuale di sostanza organica volatilizzabile (solidi volatili) presente inizialmente nel reattore: 68,84% della sostanza secca iniziale, pari al 72,183% della sostanza organica iniziale.

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(20), in questo caso ha raggiunto un valore di 0,103 l/gSV. Mentre la produzione totale di biogas

ha avuto un rendimento medio di 0,161 l/gSV.

Calcolando approssimativamente i quantitativi di biomassa necessari per alimentare un impianto di 99 kW, sono stati ottenuti i seguenti risultati: 14581 tonnellate di liquame, 4859 tonnellate di letame e 968 tonnellate di sansa. Si tratta di un calcolo approssimato, sia per la peculiarità di ogni biomassa che avrebbe bisogno di essere caratterizzata ogni volta, sia per il fatto che i dati sul rendimento in biogas sono stati ottenuti per un reattore BATCH, mentre nella realtà generalmente i reattori lavorano in continuo.

4.6.4. Conclusioni

L’ipotesi di utilizzo di sansa non denocciolinata rappresenta una possibilità molto attrattiva per i piccoli frantoi, per i quali l’acquisto di un denocciolinatore non risulterebbe conveniente da un punto di vista economico. Dalle analisi effettuate su un reattore anaerobico da laboratorio è stato rilevato che la sansa, ed in particolare quella denocciolinata, presente nel processo di digestione anaerobica produce risultati migliori se utilizzata in co-digestione con altri substrati. In particolare, presentando un confronto sulla base dei potenziali di biometanizzazione calcolati per le tre prove (Tabella 4.6.) è possibile osservare come il caso della co-digestione di sansa non denocciolinata con liquame e letame bovino abbia prodotto risultati di gran lunga migliori.

Tabella 4.6. Valori del potenziale di biometanizzazione e percentuale media di metano nel biogas per le tre tipologie di prova effettuate.

Tipo di test BMP

[lCH4/gSV]

Percentuale media di metano nel biogas [%]

Digestione di sansa denocciolinata con inoculo 0,0147 38

Digestione di sansa non denocciolinata con inoculo 0,0023 4,55

Co-digestione di sansa non denocciolinata con liquame e letame bovino

0,1034 64

Anche per quanto riguarda la percentuale media di metano presente nel biogas è possibile osservare come il caso della co-digestione garantisca percentuali molto elevate (64%).

Per ottimizzare lo studio si suggeriscono alcune migliorie al protocollo seguito, in modo tale da evitare possibili errori durante alcune fasi sensibili delle analisi, come ad esempio:

· utilizzare un analizzatore in continuo di gas in modo da poter effettuare l’analisi del biogas sul posto, subito dopo la produzione, evitando la raccolta in sacche tedlar ed il trasporto in altro laboratorio;

115 · attrezzare il digestore con una colonna di raccolta gas di volume maggiore per

evitare di dover spegnere lo strumento in caso di assenza di controllo per più giorni, evitando così la modifica delle condizioni termiche di digestione.

I risultati sulla produzione di biogas da digestione anaerobica della sansa, ottenuti con la prima delle tre prove precedentemente descritte, sono stati pubblicati e riportati in appendice:

· Mesophilic Fermentation of SOMW in a Micro Pilot-Scale Anaerobic Digester, pubblicato su Advanced Material Research (Carlini et al., 2014c).

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Capitolo 5.

Il Software CHEMCAD e le possibilità di simulazione