STIMA DEI PARAMETRI IN INGRESSO DELL’ADM

Per procedere alla simulazione di impianti industriali di digestione anaerobica è di fondamentale importanza la stima dei parametri di input dell’ADM1 (Schoen et al., 2009) . Essendo il modello derivato dal settore di depurazione acque, la gran parte delle variabili sono espresse in funzione del COD (Carbon Oxygen Demand), parametro di facile e veloce determinazione per acque reflue o biomasse con contenuti relativamente bassi di sostanza secca. Nel biogas industriale tuttavia hanno preso piede tuttavia biomassa a maggiore densità energetica e di conseguenza con maggiore contenuto in sostanza secca organica che non si prestano ad una analisi di COD, ma che vengono caratterizzate in base alla loro composizione chimica elementare, come descritto nel paragrafo 3.1.

I parametri fondamentali da stimare sulla qualità del materiale in ingresso sono: - W_xc_in, la concentrazione del materiale composito in ingresso

- f_ch_xc, la frazione di carboidrati presente nel materiale composito in ingresso - f_pr_xc, la frazione di proteine presente nel materiale composito in ingresso - f_li_xc, la frazione di grassi presente nel materiale composito in ingresso

- f_XI_xc, la frazione di materiale inerte presente nel materiale composito in ingresso - N_xc, la concentrazione di azoto nel materiale composito in ingresso

- C_xc, la concentrazione di carbonio nel materiale composito in ingresso

I calcoli per i parametri è stato effettuato sulla base di quanto indicato in Koch et al. (2010). Nella tabella 3.10 sono riportati valori di conversione utilizzati per il passaggio da unità di massa a unità di COD: ThOD sta ad indicare la domanda teorica di ossigeno (Theoretical Oxygen Demand) per la

89 completa ossidazione rispettivamente di proteine (ThOD-Pro), grassi (ThOD-Lip), carboidrati (ThOD-Car) e lignina (ThOD-Lig). In tabella è anche riportata la densità delle biomasse (ρbiom.), che

è stata considerata pari a 1,00 kg/m3

PARAMETRO UNITA’ VALORE

ThOD-Pro kgO2/kgSS 1,42

ThOD-Lip kgO2/kgSS 2,90

ThOD-Car kgO2/kgSS 1,19

ThOD-Lig kgO2/kgSS 1,56

ρbiom. kg/m3 1,00

Tab. 3.10 – Domanda teorica ossigeno frazioni chimiche delle biomasse e densità

Nella tabella 3.11 sono elencate le formule per il calcolo dei parametri di input a partire dalla composizione chimica delle biomasse elencate in tabella 3.1, par. 3.1.1. A differenza di quanto proposto in Koch et al. (2010), dove la sola frazione fibrosa ha una digeribilità diversa dal 100%, ogni frazione in questo lavoro di tesi è stata moltiplicata per la sua relativa digeribilità. L’approssimazione che proteine, grassi e carboidrati non fibrosi siano completamente digeribili può portare ad errori non trascurabili in substrati ricchi in fibre in cui parte degli estrattivi inazotati o delle proteine rimangono strettamente legati alla fibra non digeribile, oppure in substrati in cui si ha una frazione di grassi non digeribili, come le cere presenti nelle vinacce.

PARAMETRO FORMULA UNITA’

W_Xc ρbiom. * SS * (PG*ThOD-Pro + EE*ThOD-Lip + (NFC+NDF-ADL)*ThOD-

Car + ADL*ThOD-Lig) * 1000 kgCOD/m

3

f_pr_xc PG/SV*(d-RP) -

f_li_xc EE/SV*(d-RL) -

f_ch_xc NDF/SV*(d-NDF) + NFC/SV*(d-NFC) -

f_xI_xc 1 - f_pr_xc - f_li_xc - f_ch_xc -

C_xc C_ch*f_ch_xc+C_pr*f_pr_xc+C_li*f_li_xc+C_xI*f_xI_xc kmole C/kgCOD

N_xc PG * SS / 6,25 / 14 * 1000 / (W_xc_in) kmole N/kgCOD

Tab. 3.11 – Formule per il calcolo dei parametri di input legati alla composizione delle biomasse

Nel caso in cui non si abbiano dati sulla concentrazione di NDF e NFC nella biomassa analizzata, la f_ch_xc viene calcolata a partire dalla concentrazione di FG e NFE. Nel calcolo di C_xc sono stati considerati i parametri di default indicati nell’ADM1 per la concentrazione di carbonio nei carboidrati (C_ch), nelle proteine (C_pr), nei lipidi (C_li) e nel materiale inerte (C_xI). Il parametro

90 N_xc è stato invece calcolato dividendo la quantità totale di azoto presente per W_xc_in, assumendo che tutto l’azoto provenga dalla frazione proteica della biomassa.

I risultati ottenuti per le biomasse prese in considerazione nel lavoro di tesi sono elencati nella tabella 3.12. PARAMETRO Insilato di mais Insilato di triticale Vinacce Insilato di Napier Insilato di miglio W_Xc 412,4 308,3 801,1 251,8 239,0 f_pr_xc 0,087 0,113 0,021 0,041 0,058 f_li_xc 0,022 0,019 0,087 0,000 0,016 f_ch_xc 0,728 0,539 0,220 0,519 0,611 f_xI_xc 0,164 0,329 0,672 0,440 0,315 C_xc 0,030950 0,030943 0,030112 0,031217 0,030797 N_xc 0,000872 0,001142 0,000842 0,000585 0,000763

Tab. 3.12 – Valori di input calcolati per le biomasse della tabella XXX

Si può notare come le diverse biomasse presentino una diversa ripartizione nelle diverse frazioni che rispecchia la composizione chimica, nonché una diversa quantità di materiale organico per unità di massa. Non si notano differenze sostanziali nel contenuto in carbonio C_xc per le biomasse analizzate, mentre alcune biomasse (es. Napier) hanno un contenuto in azoto per unità di COD di circa la metà rispetto ad altre (es. insilato di triticale), che si può riflette in uno sbilanciamento della concentrazione di azoto nel processo di digestione anaerobica.

Nel caso la biomassa in ingresso sia diluita per motivi legati alla gestione di impianto (sistemi di carico, densità del materiale in digestione) il valore viene moltiplicato per un opportuno fattore di diluzione. A livello di implementazione matematica non c’è differenza se il liquido venga introdotto in fase di carico per creare una miscela pompabile insieme alla biomassa oppure se venga pompato direttamente dentro il fermentatore. Il liquido solitamente utilizzato per eventuali diluizioni proviene dalla separazione solido/liquida del materiale digerito in uscita dall’impianto. Viene quindi opportunamente calcolata, in base alle analisi chimiche del liquido, la frazione di azoto inorganico S_IN_in e la quantità di inerti in sospensione W_I_in che vengono ricircolati in testa all’impianto. Anche in questo caso entrambi i valori vengono moltiplicati per il relativo fattore di diluizione. Altri parametri, come la concentrazione di microorganismi e di composti solubili ricircolati vengono considerati trascurabili.

Sebbene l’ADM1 distingua il materiale inerte in solubile (S_I) e sospeso (W_I) rifacendosi agli impianti di trattamento acque, data la preponderanza di materiale inerte sospeso sul solubile, S_I

91 è stato considerato trascurabile nell’implementazione in Octave per la descrizione degli impianti industriali di digestione anaerobica, così come non viene considerata una frazione f_sI_xc, come proposto in Rosen et al. (2006).

3.6 SIMULAZIONE IN STATO STAZIONARIO DI UN IMPIANTO INDUSTRIALE (CASO