IMPIANTISTICA
Microrganismi = substrato fermentante CSTR; PFR; BFR
Microrganismi > substrato fermentante CSTR; UASBR; USR; AFR; FBR;
EBR
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FASI SEPARATE
La digestione anaerobica è svolta da distinti gruppi di batteri che differiscono gli uni dagli altri relativamente a caratteristiche fisiologiche, nutrizionali, metaboliche e ambientali. Per questo motivo è difficile ottimizzare la crescita di tutte le famiglie di microrganismi all’interno di un singolo bioreattore. L’esercizio ottimale di un impianto di fermentazione anaerobica deve quindi tenere conto di questi aspetti.
Come già indicato precedentemente, i batteri che presentano tassi di crescita inferiori risultano essere i metanigeni. Se adottassimo tempi di ritenzione idraulica e di ritenzione dei microrganismi troppo bassi, sicuramente penalizzeremmo i metanigeni; in queste condizioni verrà, invece, promossa l’attività idrolitica ed acetogenica di altri microrganismi senza però ottenere produzioni di biogas significative.
Lo scopo dell’adozione d’impianti che lavorino in due fasi è proprio quello di prelevare i prodotti d’idrolisi e fermentazione acidogenica da un reattore e condurli in un altro dove, adottando tempi di ritenzione idraulica e dei microrganismi maggiori, sarà possibile condurre una fase metanogenica molto efficiente.
Per ogni fase possono essere scelti reattori di diverso tipo, infatti è possibile accoppiare un reattore tipo CSTR per la prima serie di reazioni idrolitiche e acidogeniche, lasciando poi ad un reattore tipo AFR il compito di provvedere alle fasi acetogenica e matanogenica.
Sono anche state studiate altre possibili applicazioni per questo tipo di impiantistica:
i reattori acid-phased – le applicazioni reali sono poche, nonostante sia stato riscontrato che notevoli sono gli vantaggi che si presentano trattando residui agro-industriali o zootecnici, con rapporti C/N < 20. Il processo è caratterizzato dalla separazione della fase idrolitica e acidogenica da quella metanigena; è
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perciò possibile ridurre i volumi del primo reattore, dal momento che i batteri idrolitici e acidogeni hanno un tasso di crescita molto maggiore dei metanigeni; i reattori temperature-phased - noti anche sotto l’acronimo di TPAD (Temperature-phased anaerobic digester); sono stati sviluppati dall’ Iowa State University e presentano un primo reattore operante in termofilia a circa 57 °C ed un secondo, posto in serie, in regime mesofilo di circa 35 °C. Tra i pregi di questo processo si possono citare le riduzione delle emissioni odorose, della carica batterica e della formazione di schiuma.[5]
Attraverso adeguate operazioni, con la fase metanogenica separata è possibile ottenere una miscela di biogas più “pulito”, che presenti quindi, un maggiore tasso di CH4 rispetto alla CO2. Questo si verifica poiché la quota
maggiore di biossido di carbonio deriva dalle fasi non metanogeniche.
La scelta della specifica combinazione di reattori è determinata dalle caratteristiche del substrato da fermentare e dalle dinamiche d’interazione che possono sussistere tra i diversi tipi di fermentatori.[1]
I vantaggi di questa linea tecnologica sono dovuti, quindi, alla maggiore capacità di regolare e massimizzare la concentrazione delle diverse famiglie batteriche, alla massimizzazione delle rese attraverso il controllo delle temperature, del pH, del ricircolo delle biomasse, del tempo di ritenzione idraulica e di altri parametri. E’ possibile ottenere un biogas più ricco in CH4 e
quindi possono esser ridotti i costi di purificazione dello stesso.
Gli svantaggi sono legati ad un maggiore dispendio economico per la costruzione di un impianto che risulti così diversificato, obbligando chi ne svolge l’esercizio, ad avere maggiori conoscenze tecniche di controllo.
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SELEZIONE DEI BIOREATTORI IN FUNZIONE DELLE CATEGORIE DEI SUBSTRATI DA FERMENTARE.
1) Substrati solubili
Presentano, in genere, un elevato tasso di biodegradabilità, per questo richiedono bassi HRT e SRT. I reattori CSTR sono quelli che sono maggiormente impiegati per la valorizzazione anaerobica di questo tipo di substrati (es. fanghi di scarto). Adottando un HRT basso, è chiaro che si corre il rischio di perdere molti microrganismi nel substrato effluente. Per questo motivo si potrebbe pensare ad un progetto costruttivo che preveda la combinazione di un CSTR con un sistema UASBR oppure con un filtro anaerobico. Questo permetterebbe di abbassare l’HRT, garantendo una buona produzione di biogas ed una limitata perdita di microrganismi.
In alcune prove [1] sono state raggiunte riduzioni del 80-88% di COD tramite l’impiego di filtri anaerobici per il trattamento di reflui provenienti da allevamenti suini, da reflui della lavorazione del latte e percolati di vegetali insilati, adottando HRT compresi fra 0,5-3 giorni.
2) Substrati mediamente solubili
I materiali inclusi in questa categoria constano di una frazione solubile altamente degradabile e di una frazione che, invece, è particolata e non facilmente metabolizzabile da parte dei batteri presenti all’interno dei reattori. Per questa ragione è necessario adottare un SRT > HRT, magari inserendo nell’impianto un ricircolo per i solidi da affiancare ad CSTR. Anche impianti quali USR e UASBR sono indicati per il trattamento di questo tipo di substrati.
Un altro approccio per questi materiali (alghe marine) prevede la diversificazione dei trattamenti in due fasi. Durante la prima fase viene compiuta una percolazione delle alghe compiuta contemporaneamente ad una loro liquefazione, successivamente il percolato é inviato alla fase di digestione anaerobica tramite l’ impiego di un sistema up-flow.[1]
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Similmente a quanto appena visto, un processo in due fasi è stato applicato anche per il trattamento di paglia di frumento e d’altro materiale erbaceo (TS>25). Per la prima fase viene impiegato un sistema batch per effettuare una percolazione del materiale e per promuovere le successive fasi d’idrolisi ed acido genesi. Durante la seconda fase il percolato è viene inviato ad un UASBR per la fermentazione.
A livello sperimentale i migliori risultati ottenuti, relativamente alla prima fase, si sono verificati con substrati che presentavano un contenuto di sostanza secca pari al 15%.[1]
3) Substrati ad elevato contenuto di solidi
La maggior parte dei substrati d’origine agricola impiegati per la fermentazione anerobica afferiscono a questa tipologia. Se tali biomasse sono avviate alla digestione da sole è sufficiente una piccola aggiunta di acqua per ottenere alti carichi giornalieri di materiale, impiegando digestori di dimensioni più piccole rispetto a quelli adottati per la valorizzazione anaerobica di substrati con un livello di solubilità maggiore.
In alcuni studi [1] è stato appurato che, adottando un sistema batch combinato, la fase metanogenica diviene limitante se la concentrazione dei solidi è pari al 32% mentre l’idrolisi può continuare fino a che il contenuto di sostanza secca si attesta su percentuali approssimativamente del 60%. Il trattamento di fermentazione in batch su larga scala di paglia di frumento ha fornito una riduzione del 48% dei solidi volatili in 280 giorni di incubazione.
Prove condotte su mais [1] hanno dimostrato che la digestione operata in CSTR con ricircolo parziale, ha permesso di raggiungere un’ efficienza di conversione del 66% con HRT prossimo a 60 giorni.
I figura n°21 sono riportati le schematizzazioni di tutte le tipologie di impianto prese in considerazione in questo capitolo
72 Figura n°21 BATCH REACTOR CONTINUOSLY STIRRED TANK REACTOR UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET REACTOR WITH SOLIDS
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