MOTORI ENDOTERMIC

Tutto il biogas prodotto e raccolto nei gasometri è destinato ad alimentare 2 motori con funzione di carburante (figura n°

disidratato in un pozzo di condensa. L’acqua di risulta (con pH basico) viene scaricata all’interno della vasca d

biogas arriva in un frigo che ha lo scopo di portare la miscela di gas ad una temperatura di 7-8 °C (inizialmente la temperatura del biogas è di c irca 42 °C, di polmone di stoccaggio. In ogni caso dalla prevasca (2) il

In questi apparati dell’impianto abbiamo ancora una temperatura d

conseguente la fase spinta di sterilizzazione. L’idrobios viene infine ei due reattori. Nella figura n°28 è riportato il dettaglio di una delle due prevasche.

MOTORI ENDOTERMICI

il biogas prodotto e raccolto nei gasometri è destinato ad alimentare 2 nzione di carburante (figura n°29). Prima di questo viene disidratato in un pozzo di condensa. L’acqua di risulta (con pH basico) viene scaricata all’interno della vasca di stoccaggio. Dopo il pozzo di condensa il biogas arriva in un frigo che ha lo scopo di portare la miscela di gas ad una 8 °C (inizialmente la temperatura del biogas è di c irca 42 °C,

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di polmone di stoccaggio. In ogni caso dalla prevasca (2) il materiale passa

In questi apparati dell’impianto abbiamo ancora una temperatura di circa 80°C conseguente la fase spinta di sterilizzazione. L’idrobios viene infine

è riportato il dettaglio

il biogas prodotto e raccolto nei gasometri è destinato ad alimentare 2 ). Prima di questo viene disidratato in un pozzo di condensa. L’acqua di risulta (con pH basico) viene i stoccaggio. Dopo il pozzo di condensa il biogas arriva in un frigo che ha lo scopo di portare la miscela di gas ad una 8 °C (inizialmente la temperatura del biogas è di c irca 42 °C,

che è la temperatura dei reattori). In questa fase si p acqua.

I motori operanti nell’impianto di Mantovagricoltura sono di tipo endotermico e presentano un tipico funzionamento a “ciclo otto”. La potenza installata in impianto è di circa 1 MW

potenza di 625 KWel e 330KW

e sono collegati a degli alternatori che convertono l’energia meccanica in energia elettrica. Questa energia viene in parte utili

dell’impianto e in parte messa in rete e venduta all’ENEL.

In corrispondenza dei motori esiste una valvola caratterizzata dall’avere un comando di apertura-chiusura che entra in funzione in base alla percentuale di gas metano presente all’interno della miscela del biogas in quel momento trasportato in linea. Un primo empirico punto di controllo della qualità del biogas prodotto viene infatti operato in questo punto dell’impianto

Figura n°29

che è la temperatura dei reattori). In questa fase si perde un’ulteriore quota di

I motori operanti nell’impianto di Mantovagricoltura sono di tipo endotermico e presentano un tipico funzionamento a “ciclo otto”. La potenza installata in impianto è di circa 1 MWel poiché i motori presentano, rispettivamente, una

e 330KWel. Utilizzano come carburante il biogas prodotto

e sono collegati a degli alternatori che convertono l’energia meccanica in energia elettrica. Questa energia viene in parte utilizzata per i consumi interni dell’impianto e in parte messa in rete e venduta all’ENEL.

In corrispondenza dei motori esiste una valvola caratterizzata dall’avere un chiusura che entra in funzione in base alla percentuale di esente all’interno della miscela del biogas in quel momento trasportato in linea. Un primo empirico punto di controllo della qualità del biogas prodotto viene infatti operato in questo punto dell’impianto

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erde un’ulteriore quota di

I motori operanti nell’impianto di Mantovagricoltura sono di tipo endotermico e presentano un tipico funzionamento a “ciclo otto”. La potenza installata in poiché i motori presentano, rispettivamente, una . Utilizzano come carburante il biogas prodotto e sono collegati a degli alternatori che convertono l’energia meccanica in zzata per i consumi interni

In corrispondenza dei motori esiste una valvola caratterizzata dall’avere un chiusura che entra in funzione in base alla percentuale di esente all’interno della miscela del biogas in quel momento trasportato in linea. Un primo empirico punto di controllo della qualità del biogas prodotto viene infatti operato in questo punto dell’impianto.

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All’interno dell’impianto è presente un’ulteriore vasca con la funzione di stoccaggio per i materiali di scarto che superano la capacità fermentativa dei reattori e delle altre vasche presenti nell’impianto.

Interessante è rilevare che, complessivamente, il ciclo completo di trasferimento del substrato da ciascun reattore alla vasca di stoccaggio, dura circa 56 giorni.

Sistemi di controllo

Il funzionamento e la gestione dell’impianto sono controllati a mezzo di strumenti elettronici ed informatici. Tramite il loro ausilio è possibile gestire non solo il carico d’idrobios, ma anche regolare il funzionamento delle pompe per il trasferimento dei substrati attraverso le varie vasche dell’impianto. Grazie a quest’ultimo controllo il gestore dell’impianto è in grado di garantire il ricircolo della biomassa fermentante al fine di ottenere un buon grado d’omogeneità della stessa. Anche la regolazione della temperatura ha luogo tramite dispositivi elettronici semplici ed intuitivi. La sicurezza dell’impianto è molto curata ed affidata al controllo elettronico operato da centraline che rilevano il superamento di parametri operativi tarati precedentemente (es. pressione all’interno dei reattori e nelle tubazioni). La postazione di controllo è visibile in figura n°30.

Figura n°30

All’interno dell’impianto, sono previsti dei sistemi di controllo continui che permettono di conoscere, in tempo reale, l’andamento dei principali parametri chimico-fisici relativi al funzionamento dei reattori e alla quali

prodotto. I parametri misurati sono:

• temperatura dei reattori e del post

• concentrazione dell’H2

• tenore di CH4 e O2 della miscela di biogas sia nei reattori che a livello dei

motori;

• produzione netta totale giornaliera di Kwh.

I sistemi di controllo sono costituiti da sonde posizionate nei reattori stessi e comunque nei punti ove sia richiesta la loro presenza. Tali sonde sono gestite da appositi software. Questi ultimi gestiscono l’esecuzi

operate da strumentazioni in grado di lavorare in continuo. La presenza di un interfaccia con schermo LCD collegata a questi macchinari (figura 29) permette agli operatori di conoscere, in tempo reale, i valori dei parametri in discussione ed essendo il sistema in grado di accumulare dati in una memoria fissa, è possibile anche effettuare verifiche riguardanti il passato.

All’interno dell’impianto, sono previsti dei sistemi di controllo continui che permettono di conoscere, in tempo reale, l’andamento dei principali parametri

fisici relativi al funzionamento dei reattori e alla quali prodotto. I parametri misurati sono:

temperatura dei reattori e del post-fermentatore;

2S all’interno dei reattori ed in linea;

della miscela di biogas sia nei reattori che a livello dei

zione netta totale giornaliera di Kwh.

I sistemi di controllo sono costituiti da sonde posizionate nei reattori stessi e comunque nei punti ove sia richiesta la loro presenza. Tali sonde sono gestite da appositi software. Questi ultimi gestiscono l’esecuzione delle analisi operate da strumentazioni in grado di lavorare in continuo. La presenza di un interfaccia con schermo LCD collegata a questi macchinari (figura 29) permette agli operatori di conoscere, in tempo reale, i valori dei parametri in e ed essendo il sistema in grado di accumulare dati in una memoria fissa, è possibile anche effettuare verifiche riguardanti il passato.

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All’interno dell’impianto, sono previsti dei sistemi di controllo continui che permettono di conoscere, in tempo reale, l’andamento dei principali parametri fisici relativi al funzionamento dei reattori e alla qualità del biogas

della miscela di biogas sia nei reattori che a livello dei

I sistemi di controllo sono costituiti da sonde posizionate nei reattori stessi e comunque nei punti ove sia richiesta la loro presenza. Tali sonde sono gestite one delle analisi operate da strumentazioni in grado di lavorare in continuo. La presenza di un interfaccia con schermo LCD collegata a questi macchinari (figura 29) permette agli operatori di conoscere, in tempo reale, i valori dei parametri in e ed essendo il sistema in grado di accumulare dati in una memoria fissa, è possibile anche effettuare verifiche riguardanti il passato.

Periodicamente (ogni quindici giorni) vengono altresì effettuate analisi chimiche del substrato fermentante atte a dete

diversi composti chimici quali acidi organici, azoto totale ed ammoniacale, sostanza secca totale e sostanza secca volatile. Anche il pH viene misurato periodicamente in occasione dei prelievi per le analisi anche se gli stessi operatori sono muniti di strumenti portatili per la misurazione del parametro in oggetto. Questo permette loro di essere a conoscenza del valore del pH ogni qual volta ne sentano l’esigenza.

Figura n°31

La schematizzazione complessiva dell’impianto è riportata in figura mentre in figura n°33 sono riportati i suoi riferimenti.

Periodicamente (ogni quindici giorni) vengono altresì effettuate analisi chimiche del substrato fermentante atte a determinare la concentrazione di diversi composti chimici quali acidi organici, azoto totale ed ammoniacale, sostanza secca totale e sostanza secca volatile. Anche il pH viene misurato periodicamente in occasione dei prelievi per le analisi anche se gli stessi operatori sono muniti di strumenti portatili per la misurazione del parametro in oggetto. Questo permette loro di essere a conoscenza del valore del pH ogni qual volta ne sentano l’esigenza.

schematizzazione complessiva dell’impianto è riportata in figura sono riportati i suoi riferimenti.

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Periodicamente (ogni quindici giorni) vengono altresì effettuate analisi rminare la concentrazione di diversi composti chimici quali acidi organici, azoto totale ed ammoniacale, sostanza secca totale e sostanza secca volatile. Anche il pH viene misurato periodicamente in occasione dei prelievi per le analisi anche se gli stessi operatori sono muniti di strumenti portatili per la misurazione del parametro in oggetto. Questo permette loro di essere a conoscenza del valore del pH ogni

Figura n°32

Figura n°333

94 Materiali

I substrati oggetto di valorizzazione anaerobica per la produzione di biogas utilizzati nell’impianto di Mantovagricoltura sono costituiti da due matrici:

a) Biomasse d’origine animale: afferenti alla categoria 2 e 3 del regolamento CE 1774/2002 costituite da derivati di scarti della macellazione di animali quali bovini, avicoli, conigli. Tali derivati(ottenuti tramite pastorizzazione), definiti in azienda “idrobios”, sono composti generalmente da arti, viscere, sottopelli, sangue, contenuti ruminali ed intestinali, penne, e da tutti quei tessuti che sono eliminati dalle fasi di macellazione.

Analisi effettuate in laboratorio su un campione di “idrobios” sottoposto a prova hanno fornito i risultati riportati in tabella n°1:

PARAMETRI METODICA ANALITICA UNITA’ DI MISURA VALORE INCERTEZZA

Azoto totale CNR IRSA 6 Q64 VOL.3 1985 g/kg 17,8 +/- 1,8

Sostanza organica CNR IRSA 5 Q64 VOL.3 1985 % SS 81,3 +/- 8,1

Azoto organico CNR IRSA 6 Q64 VOL.3 1985 g/kg 13,4 //

Azoto organico solubile CNR IRSA 6 Q64 VOL.3 1985 g/kg 2,5 //

Rapporto C/N Calcolo % 4,7 //

Carbonio organico CNR IRSA 5 Q64 VOL.3 1985 % 8,4 +/- 0,8

PH CNR IRSA 1 Q64 VOL.3 1985 Unità di pH 7,9 +/- 0,1

Residuo a 105°C CNR IRSA 2 Q64 VOL.2 1985 % 17,8 +/- 0,9

Residuo a 550°C CNR IRSA 2 Q64 VOL.2 1985 % 4,7 +/- 0,2

Zolfo tot Metodo interno % 0,090 //

Calcio CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 g/kg 4,74 //

Cromo esavalente CNR IRSA 16 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS <2 //

Cadmio CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS <0,1 //

Piombo CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS <5 //

Rame CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS 26,2 +/- 2,6

Zinco CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS 152 +/- 9

Mercurio CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS <1 //

Nichel CNR IRSA 10 Q64 VOL.3 1985 mg/kgSS <5 //

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L’analisi della scheda dei risultati evidenzia come l’idrobios sia prevalentemente costituito da sostanza organica (81,3) il che lo rende particolarmente vantaggioso dal punto di vista della digestione anaerobica. Presenta pH tendenzialmente basico forse perché nel campione vi erano tracce di sottopelli di scarto dell’industria conciaria. Altro aspetto rilevante sono la grande quantità di azoto totale, organico ed organico solubile presente nel campione, che si attestano, rispettivamente, sui valori 17,8-13,4-2,5 g/Kg. La forte presenza d’azoto è anche confermata dal ridotto rapporto C/N che è pari a 4,7.

L’abbondanza di composti azotati è così elevata che la loro concentrazione è ancora rilevante nella vasca di stoccaggio (azoto totale = 7,4 Kg/t).

b) Biomasse vegetali: costituite da insilati di varie specie d’erbai sia autunno- primaverili che primaverili-estivi.

- Insilati di mais;

- Insilati di frumento tenero; - Insilati di sorgo zuccherino; - Insilati di loiessa;

- Marco mela (buccetta+torsolo); - Polpa di barbabietola.

Vediamo ora i singoli substrati valutandone gli aspetti più importanti e le caratteristiche distintive.

- MAIS (Zea mais L.)

Il mais idoneo all’insilamento è sostanzialmente un silo mais coltivato in modo ordinario, raccolto, trinciato ed insilato alla maturazione cerosa, 45-50 giorni dopo la fioritura.[8]

Il materiale che viene immesso nei reattori per la fermentazione è una miscela di spighe, foglie e stocchi in cui il 40-45% della sostanza secca e 2/3 del potere nutritivo sono riferibili alla granella.[8]

Per ottenere un buon prodotto da insilare andrebbero scelti quegli ibridi di taglia elevata, in grado di produrre molta granella e che rimangono

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verdi per un lungo periodo, senza che si abbia la lignificazione dei loro tessuti. Questo aspetto è di fondamentale rilevanza perché, come indicato in precedenza, la lignina è un composto che non è metabolizzato dai batteri per la produzione di biogas e quindi la si rinviene nella vasca di stoccaggio come materiale di scarto. L’investimento ottimale per la coltura da insilamento è di circa 2-3 piante/m2 in più rispetto alla tradizionale coltura da granella. L’epoca di raccolta coincide, di norma, con lo stadio di maturazione cerosa, quando la sostanza secca si attesta su valori compresi nell’intervallo 35-40%. Inoltre, l’epoca di raccolta può essere anticipata o posticipata rispetto allo standard. In particolare, anticipandola, otterremo un foraggio meno ricco di lignina, ma con rese minori. Al contrario, una raccolta posticipata, garantisce produzioni più elevate, ma con una minore qualità dell’insilato.

Allo scopo d’ottenere un substrato il più idoneo possibile alla valorizzazione anaerobica è consigliabile anticipare leggermente la raccolta (evitando la lignificazione dei tessuti) poiché, così facendo si aumenta l’efficienza dell’impianto, garantendo una qualità del biogas più elevata. A questo proposito sarebbe utile avviare progetti di ricerca volti allo studio di linee specifiche per la digestione anaerobica. Nella tabella seguente (mettere il numero) sono riportate le caratteristiche qualitative del mais da insilamento riferite a diversi periodi di raccolta.

Giorni dalla fioritura Stadio vegetativo Contenuto in sostanza secca (%) Proteine (% sulla SS) Grassi (% sulla SS) Fibra (% sulla SS) Ceneri (% sulla SS) Estratt. Inazotati (% sulla SS) Zuccheri riducenti (% sulla SS) 0 fioritura 15,0 12,0 2,0 30,0 8,0 48,0 14,0 20 mat.lattea 23,0 11,0 2,2 27,0 7,0 51,8 12,0 40 mat.cerosa 33,0 8,6 2,5 22,0 5,0 61,9 8,0 60 mat.fisiol 45,0 8,4 2,8 20,0 5,0 63,8 5,0 Tabella n°2 (fonte [8])

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E’ stato stimato empiricamente in azienda che 1 m3 d’insilato di mais fornisce 200-220 m3 di biogas.

- FRUMENTO TENERO (Triticum aestivum L.)

Il frumento è il cereale sicuramente più diffuso in Italia, ma la sua coltivazione, come specie da insilare, non lo è altrettanto. In questo senso la digestione anaerobica ha permesso la diffusione di questa tecnica per l’ottenimento di materiali in grado di fornire molta energia al sistema fermentativo. La tecnica colturale rispecchia quella per la granella, con l’avvertenza di adottare varietà di taglia maggiore prive di reste, aumentando al contempo la densità di semina. La fase di raccolta ottimale per l’ottenimento di un buon “silograno” da destinare alla digestione anaerobica è quella che avviene in corrispondenza della botticella-spigatura. Il trinciato deve presentare una lunghezza variabile tra 0,5-1 cm e deve altresì essere pressato con cura. Ritardare la raccolta vorrebbe dire ottenere un silograno troppo secco e difficile da pressare, con successivi problemi di conservazione e quindi per i batteri presenti all’interno dei reattori.

1 m3 di silograno produce 200 m3 di biogas.

- SORGO ZUCCHERINO (Sorghum vulgare Pers.)

I sorghi zuccherini presentano una taglia elevata e maggiori produzioni areiche. Ne conseguono quote di sostanza secca e d’energia maggiori rispetto ad una classica coltura granellare. Purtroppo presentano problemi d’allettamento.

Si raccoglie allo stadio latteo-ceroso della granella. Data la notevole diversità di maturazione tra pianta e pianta, è opportuno fare riferimento ad un valore medio per il campo; in generale è bene “trinciare” ad un contenuto in sostanza secca pari al 30-35%.[5S]

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Se non si riesce a raggiungere questo grado d’umidità, è probabile che l'insilato ottenuto sia instabile, con elevate perdite di percolazione ed una quantità eccessiva di acido butirrico e quindi ripercussioni sulla qualità del processo fermentativo.

A livello nutritivo il valore energetico dell'insilato di sorgo è inferiore di un

10-20% rispetto a quello del silomais.

La seguente tabella riporta i valori medi di un insilato con sostanza secca pari al 34% (in percentuale sul t.q.).

Il sorgo contiene un glucoside cianogenetico, la durrina, che può liberare acido cianidrico per idrolisi enzimatica.[5S]

Questo fattore è presente in gran quantità nelle foglie della pianta ai primi stadi di sviluppo, ma anche in condizioni di stress idrico o quando il sorgo ha subito danni da freddo. La durrina è comunque distrutta totalmente dal processo d'insilamento ed in gran parte con la fienagione; inoltre gli ibridi recenti la possiedono in quantità minima.

1 m3 di sorgo zuccherino produce circa 150-160 m3 di biogas.

- LOIESSA (Lolium multiflorum Lam.)

L’insilamento della loiessa si va sempre più espandendo per la facile conservabilità di questa pianta dovuta al buon tenore di zuccheri, per l’aspetto pratico operativo che permette di usufruire del cantiere di

Sostanza secca 34% Proteine grezze 3.2% Grassi grezzi 1.2% Fibra grezza 9.3% Ceneri 1.9% Amido 6.2% Calcio 0.14% Fosforo 0.09% A.D.F. 13.4% N.D.F. 21.0% Lignina 1.8% Tabella n°3 (fonte [5S])

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macchine utilizzate dal mais ceroso, e per la tempestività e semplicità con cui tale operazione può essere eseguita.[6S]

Nella pratica corrente, quando la pianta si trova allo stadio d’inizio spigatura, viene falcio-condizionata e lasciata in campo circa una giornata per raggiungere contenuti in sostanza secca intorno al 25%. Quindi viene trinciata ed insilata anche in sili a trincea. Quando l’appassimento non è sufficiente, o si vuol procedere all’insilamento diretto, oppure quando il costipamento lascia a desiderare, si può ricorrere ad acidificanti come acido formico, impiegato in ragione di 3 litri per tonnellata di foraggio.

1 m3 di loiessa può fornire fino a 180 m3 di biogas.

Nella tabella seguente sono riportati i caratteri essenziali degli insilati fin qui presi in considerazione.

Tabella n°4 (fonte [8])

- POLPA SURPRESSATA DI BARBABIETOLA

E’ ottenuta dalle fettucce di barbabietola private dello zucchero, con un processo di diffusione in acqua calda e poi compressa per eliminare il

insilati Sostanza secca (%) Ac. Lattico (%sul secco) Ac.acetico (%sul secco) Ac.butirrico (%sul secco) pH N-NH3 (% dell’N Tot) Silomais (mat. lattea) 20-25 10-11 3-4 0,1-0,4 3,7-3,8 7-8 Silomais (mat. cerosa) 30-35 8-9 2-3 0,1-0,2 3,9-4,0 6-7 Silograno (mat. lattea) 25-27 10-12 4-5 0,2-0,4 3,6-3,7 10-12 Silograno (mat. cerosa) 38-40 6-7 2-3 0-0,2 4,1-4,2 8-10 Silosorgo 32-34 2-3 1-2 0,5-1,0 4,2-4,5 10-15 Loiessa 18-20 10-12 3-4 0,2-0,3 3,8-4,0 8-9

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liquido in eccesso.[7S]

Le polpe surpressate sono dotate di un notevole contenuto energetico in virtù della modestissima lignificazione della quota fibrosa. Possono essere miscelate con foraggi o cereali. La loro disponibilità è legata agli andamenti stagionali, quindi la loro presenza nelle dieta dei reattori non è costante.

La polpa di barbabietola permette di produrre fino a 140-150 m3 di biogas.

In tabella n°5 ne sono riportate le caratt eristiche principali.

Umidità % 78,0 Protidi % 9,4 Fibra grezza % 23,5 Estrattivi inazotati % 2,2 Proteina grezza % 22,0 Lipidi % 0,6 Ceneri % 4,3 Tabella n°5 (fonte [7S]) - MARCO MELA

E’ essenzialmente costituito da scarti dell’industria agroalimentare che impiega questo frutto nella preparazione di svariati prodotti per il consumo umano. Tali scarti sono costituiti da torsolo e buccette che vengono ritirati ed impiegati durante le fasi di digestione negli impianti di Mantovagricoltura. Anche in questo caso la loro presenza all’interno della dieta dei reattori è variabile in base alle disponibilità del mercato. 1 m3 di marco mela permette di raggiungere produzioni di biogas pari a 100-110 m3

101 Trasferimento di microrganismi dagli insilati ai bioreattori

Sono numerosi i batteri che operano nella massa insilata nell’arco di tempo che va dalla raccolta del foraggio alla sua immissione nei digestori. I batteri rinvenibili negli insilati che arricchiranno la flora microbica preesistente sono ascrivibili a tre categorie: batteri lattici, clostridi ed enterobatteri.

I batteri lattici sono anaerobi gram-positivi, non sporigeni. Il loro substrato prevalente è rappresentato dagli zuccheri anche se sono in grado di metabolizzare acidi organici, aminoacidi e nitrati. Si suddividono in due gruppi: omofermentativi ed eterofermentataivi. Tra gli omofermentativi abbiamo Lactobacillus plantarum, curvatum e casei, Streptococcus feacalis,

Pediococcus acidilactici e cerevisae. Tutti attaccano gli zucccheri

fermentescibili sia pentosi che esosi. Nel primo caso liberano acido lattico ed acido acetico, nel secondo caso rilasciano solo acido lattico. Tra gli eterofermentativi ricordiamo Lactobacillus brevis e buchneri, Leuconostoc

cremoris. Nel caso in cui il loro pabulum sia costituito da pentosi essi

producono acido lattico ed acetico. In presenza di esosi, sono in grado di produrre acido lattico ed acetico, etanolo, mannitolo ed anidride carbonica. Sia i batteri omolattici che eterolattici non implicano grandi perdite d’energia

Nel documento Valutazione bio-agronomica di un impianto di digestione anaerobica alimentato con matrici di origine vegetale ed animale (pagine 87-103)