2. MATERIALI E METODI
3.8 IL REATTORE SPCSTR
Lo Structured Packing Continuous Stirred Tank Reactor (SP)CSTR, reattore da 19L con diametro di 0.23 m e rapporto altezza / diametro =2 che é stato progettato e realizzato nel corso dei primi due anni di dottorato ed è in continua evoluzione. Numerosi sono gli studi svolti con batteri ipertermofili utilizzando sia in colture pure che con consorzi batterici derivati da fanghi di depurazione o da impianti di digestione anaerobica con diverse tipologie reattoristiche condotte utilizzando diverse fonti di carbonio: Continuous stirred tank reactors CSTR (Fang and Liu, 2002), Anaerobic granular sludge bed AGSB (Hung et al., 2007), Up-flow anaerobic sludge bed UASB (Thomas A. Kotsopoulos et al., 2005), sistemi a letto fluido (Christian Peintner et al. 2010), a letto gocciolante (Christian Peintner et al. 2010). Il nostro gruppo di ricerca ha preferito sperimentare un innovativo bioreattore basato sul comune CSTR ma modificandolo al fine di correggere alcuni aspetti negativi del chemostato tradizionale.
Il reattore é stato realizzato in acciaio inox, del volume di 19 L (T = 0.23 m, H/T = 2), dotato di: 1. 2 specole in vetro
2. 2 giranti di tipo PBT, che pompano verso il basso
3. sparger per la distribuzione di gas (azoto) alimentato dal basso 4. draft tube centrale con fori al di sopra della girante superiore 5. controllo di pH (ON/OFF)
6. misuratore di portata del biogas prodotto
7. predisposizione per il collegamento al circuito di purificazione del biogas 8. alloggiamento per sacchetti in rete inox per supporti
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inserimento nel reattore di un draft tube interno, combinato con l’utilizzo di 2 giranti di tipo PBT determinano la generazione di un moto convettivo fra l’interno e l’esterno del draft tube verso il basso. Ció consente di ottenere una leggera depressione nello spazio di testa del draft tube, e quindi una circolazione del biogas nel circuito di purificazione dell’idrogeno, evitando l’impiego di un’ulteriore forza motrice. IdrogenoGas Liquido Bifase
Figura 2.4: schema in sezione trasversale del reattore
Figura 2.5: cestello con sacchetti riempiti di supporti e suo alloggiamento all’interno del reattore
Figure 2.6: Primo schema del reattore in configurazione batch
Figure 2.7: SPCSTR, vista completa
Motore per l’agitazione Bagno termostatico By-pass di controllo del pH Quadro elettrico Motore per l’agitazione Bagno termostatico By-pass di controllo del pH Quadro elettrico
DESIGN & SVILUPPO del BIOREATTORE
Essendo questo il primo progetto di reattore realizzato interamente all’interno dei laboratorio DICMA questi 3 anni di dottorato sono stati spesso impiegati al continuo set-up del sistema con migliorie continue volte a ottenere uno strumento quanto più conforme all’ attività per cui è stato progettato. Il lavoro svolto durante il PhD non si potrebbe quindi ritenere completo se non fossero qui di seguito elencate e descritte almeno alcune di queste migliorie. A seguito delle frequenti problematichee soventi rotture riscontrati infatti nella prima configurazione, il reattore ha subito un lungo upgrade ed é stato quindi opportunamente modificato in diverse parti.
L’iniziale tenuta meccanica utilizzata per il sistema di agitazione dal basso é stata modificata con una doppia tenuta che funziona sotto leggera pressione e che é raffreddata da acqua di rete. Questo dovrebbe permettere una piú lunga vita della tenuta con conseguente riduzione dei problemi che ne definiscono la sostituizione. Il sistema di tenuta meccanica infatti è costituito da due dischi di materiali diversi, aventi diversa resistenza all’abrasione, uno fisso e l’altro rotante. Un sottile film di liquido fra i due dischi determina la tenuta del sistema. Inizialmente l’unica tenuta impiegata era lambita dallo stesso brodo di coltura. La tempratura di quest’ultimo e in secondo luogo, durante le prove a biomassa adesa, la presenza di materiale fine rilasciato dal supporto Biomax a causa delle forze di taglio determinate dal sistema di agitazione, hanno determinato la rottura di due tenute meccaniche. Avendo però ora un sistema a doppia tenuta in cui entrambi i meccanismi sono a bagno in acqua di rete la vita della tenuta dovrebbe aumentare di molto viste le migliori condizioni operative.
Il bypass pH in acciaio INOX progettato inizialmente prevedeva in esso il punto di lettura del parametro e un punto di dosaggio della base. Questo by-pass é stato eliminato. Attualmente infatti la base viene dosata direttamente nel reattore. Utilizzando un fine tubo INOX opportunamente modellato, la soda viene rilasciata vicino alle giranti, all’interno del draft tube. Questo accorgimento ha due principali vantaggi: velocizza di molto la correzione del pH grazie ad un immediato rimescolamento del medium; evita di causare forte stress alla biomassa che precedentemente veniva in contatto con la soda nel punto di dosaggio previsto sul by-pass. Anche il punto di misura del pH, la sede fisica dell’elettrodo, é stato cambiato. Esso è stato posizionato direttamente all’interno del reattore grazie ad un apposito connettore a tenuta che attraversa la camicia riscaldante. Questo ha reso la lettura e la correzione più veloci ed accurate (Fig 2.7).
Eliminando il by-pass pH il punto di inserimento dell’inoculo batterico é stato sostituito. Anche in questo caso è stato preferito l’utilizzo di un’apposita linea di ingresso realizzata sulla flangia superiore del reattore. L’inoculo percorrere un’unica via definita da un tubo di acciaio che termina sotto il pelo libero del medium di coltura. Questa soluzione ha il vantaggio di minimizzare lo stress da trasferimento alla biomassa inoculata permettendogli di seguire la più breve e diretta via di ingresso per raggiungere il medium di coltura. L’eliminazione del by-pass ha portato ad un altro vantaggio: l’eliminazione della pompa peristaltica che lo azionava.
La linea di uscita del biogas é stata aggiornata sostituendo la rubinetteria di ottone nikelato con rubinetteria di acciaio INOX, questo evita l’usura che era frequente con le precedenti valvole e le possibili otturazioni della linea gas out; Gli O-ring di tenuta posti sulle flange, originariamente in Teflon sono stati sostituiti con O-ring in Norprene piú elastici e quindi capaci di sopportare numerose aperture del reattore nel caso di campionamento dei solidi o soprattutto per le fasi di pulizia.
Ognuna di queste modifiche ha richiesto tempo per essere definita, acquisita e installata. Ovviamente il reattore, soprattutto nel caso di perdite da parte della tenuta meccanica o del biogas prodotto, è stato inoperativo e ciò ha limitato fortemente il numero di prove sperimentali pianificate.
Dopo le prove batch, il reattore é stato preparato per funzionare in continuo utilizzando terreni minimi a base di siero di latte e sfruttando la biomassa adesa ai supporti. Lo studio si focalizza primariamente sull’utilizzo del siero di latte come fonte principale di carbonio. Ovviamente anche
il passaggio al funzionamento in continuo ha comportato lo studio, la progettazione e la realizzazione di serbatoi a tenuta per lo stoccaggio del terreno fresco e per la raccolta degli effluenti di processo. E’ stato poi realizzato un sistema del tipo “troppo pieno” per il mantenimento del livello di liquido all’interno del reattore. Il sistema é stato poi implementato con l’aggiunta una pompa peristaltica che permette il feeding del medium di coltura.
3.1 INIBIZIONE DA PRODOTTI DI FERMENTAZIONE E SCELTA DEL MIGLIOR