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CANTINA

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VVQ NUMERO QUATTRO - GIUGNO DUEMILA19 VVQ NUMERO QUATTRO - GIUGNO DUEMILA19

L e vinacce sono uno scarto dell’enologia già utilizzato per produrre biogas. Il pro- getto CaVin, ‘’Cavitazione delle vinacce per valorizza- zione ai fini energetici’’ - fi- nanziato dal PSR 2014-2020 dell’Emilia-Romagna, Misura 16.1.01 Gruppi operativi del partenariato eu- ropeo per la produttività e la sosteni- bilità dell’agricoltura - vuole sfruttare al meglio il loro potenziale energetico.

Del gruppo di lavoro, coordinato dal CRPA di Reggio Emilia (Centro Ricerche Produzioni Animali), fanno par

te Cantine Riunite & Civ e l’Azienda Agricola Fontana, dotata di un impianto di biogas. Tra gli scopi dello stu

Energia verde dalle vinacce:

il Progetto CaVin

NICOLA LABARTINO, MIRCO GARUTI, SERGIO PICCININI CRPA LAB (Centro Ricerche Produzioni Animali)

SILVIA TAGLIAVINI Università di Bologna, Facoltà di chimica Industriale

dio vi è quello di valutare l’invio delle vinacce vergini a impianti di biogas vicini alle cantine vitivinicole. Il sot

toprodotto farebbe un tragitto breve rispetto al sito di produzione e sarebbe sfruttato energeticamente in mo

do ottimale in quegli impianti dotati di pretrattamenti delle matrici.

La vinaccia è un substrato/sottoprodotto abbondante in Emilia Romagna, regione che produce una media di oltre 7 milioni di ettolitri di vino all’anno. Una delle maggio

ri sfide degli attuali sistemi produttivi è legata alla ge

stione delle risorse naturali e alla riduzione dell’impat

to ambientale che possono avere gli scarti generati dal processo. Lo sfruttamento di energie di tipo rinnovabile, un ridotto consumo idrico e una limitata produzione di rifiuti sono obiettivi da perseguire in un processo pro

duttivo sostenibile, non solo dal punto di vista tecnico

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ed economico, ma anche ambientale. La valorizzazione dei sottoprodotti ha un ruolo cruciale verso il passaggio a un modello produttivo di tipo circolare, in cui lo scar

to di produzione diviene risorsa per l’ottenimento di al

tro materiale o energia.

Valorizzazione energetica delle biomasse

La frazione organica di una biomassa è caratterizza

ta da una componente degradabile, utile per la produ

zione energetica, e una frazione non degradabile. Dalle biomasse si possono ottenere energia elettrica, energia termica e biocarburanti (biometano, bioidrogeno, bio

etanolo…). La conversione si realizza mediante diver

si meccanismi in base alla composizione chimico fisica della biomassa in esame. Generalmente per le biomasse secche, umidità al di sotto del 30% e alto tenore di car

bonio, si utilizzano metodi termochimici (combustione diretta, pirolisi, gassificazione, carbonizzazione, estra

zione di olii e produzione di biodiesel). Per le biomasse a maggior contenuto di acqua si tende a sfruttare pro

cessi biochimici, quali la digestione anaerobica per la produzione di biogas, la digestione aerobica per la pro

duzione di compost e la fermentazione alcolica per l’ot

tenimento di bioetanolo.

Vi è una distinzione tra vinacce esauste, ovvero vinacce dealcolate, e vinacce ancora fresche, comprendenti gli zuccheri necessari per la formazione di alcol con fermen

tazione in distilleria. La loro resa di produzione di bio

gas è fortemente condizionata dalla loro natura chimico

fisica, con presenza di lignina che impedisce una buona digeribilità della sostanza organica in esse contenuta.

Il processo di digestione anaerobica

Il processo che converte la sostanza organica biodegra

dabile in biogas prende il nome di digestione anaerobi

ca e avviene in assenza di ossigeno, grazie alla presenza di differenti microrganismi. La valorizzazione energeti

ca del biogas avviene generalmente in cogeneratori, con produzione di energia termica ed elettrica. Il biogas può essere purificato a biometano per uso in autotrazione o per immissione in rete.

I pretrattamenti

La produzione di biogas da vinacce tal quali comporta, nel tempo, problemi di miscelazione nei digestori gene

rando fenomeni di stratificazione, a causa dei graspi e

La vinaccia cavitata (a sinistra) a confronto con quella tal quale.

Un cavitatore idrodinamico presso un impianto di biogas e, a destra, il cavitatore mobile utilizzato per le prove del progetto CaVin.

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delle buccette che tendono a galleggiare, e di sedimen

tazione, poiché i vinaccioli tendono ad accumularsi sul fondo del digestore.

Molti substrati fibrosi possono essere maggiormente at

taccabili dalla flora batterica grazie a pretrattamenti che possono essere fisici, chimici, biologici o processi com

binati. I pretrattamenti fisici vengono effettuati tramite taglio con coltelli, macinazione, triturazione, estrusione, cavitazione e altri sistemi combinati in grado di ridurre le dimensioni dei substrati. La cavitazione è sostanzial

mente definita come la formazione, crescita e collasso di microbolle, che inducono, in fase liquida, alla gene

razione di zone ad altissima densità energetica caratte

rizzate da elevate temperature, pressioni e spostamenti di fluido. Questi fenomeni portano ad avere condizioni chimico fisiche estreme, inducendo la parziale destrut

turazione della materia. La cavitazione risulta adatta al trattamento e rottura della struttura molecolare ri

gida che costituisce la lignina, con l’evidente intento di rendere disponibile la sostanza organica al suo inter

no. Tale trattamento già utilizzato in altri settori, risul

ta innovativo applicato alle biomasse per favorire la di

gestione anaerobica.

I primi test di digestione anaerobica in continuo di vi

nacce vergini, cavitate e non, svolti presso CRPA Lab (dotato di un laboratorio per lo studio dei potenziali di produzione di biogas/biometano attraverso la digestio

ne anaerobica), hanno avuto lo scopo di indagare le po

tenzialità energetiche di questo sottoprodotto sottopo

sto al pretrattamento.

Prove di digestione anaerobica in continuo

La prova di digestione anaerobica, sulla vinaccia vergine cavitata e non, è stata svolta in triplicato, in condizioni mesofile. La vinaccia, cavitata e non, è stata alimentata ai digestori assieme a una quantità nota di liquame bo

vino, addizionato per facilitare la digestione della vinac

cia, grazie alla flora batterica in esso presente. Il piano di controllo per la funzionalità del processo di digestio

ne anaerobica e il calcolo delle rese specifiche in biogas prevedeva l’analisi quantitativa e qualitativa del biogas prodotto, la caratterizzazione qualitativa in termini di sostanza secca e sostanza organica del digestato scari

cato, la determinazione dei principali parametri biochi

mici per monitorare il processo.

Risultati

Per quanto riguarda le prove in continuo, si è monitorato l’andamento dei principali parametri operativi, come il COV (Carico Organico Volumetrico) e l’HRT (Tempo di Ritenzione Idraulica), dei parametri biochimici, il FOS/

TAC (rapporto tra acidità riportata come concentrazio

ne di acido acetico e alcalinità come concentrazione di carbonati) e la quantità di AGV (Acidi Grassi Volatili), e infine dei parametri di processo, come il pH e gli ST (Solidi Totali).

Il COV, dopo essere stato portato a regime durante la seconda settimana, è stato man mano ridotto quando la miscelazione dei tre fermentatori alimentati con vinac

cia tal quale è stata compromessa da fenomeni di sedi

mentazione e stratificazione, passando da circa 4 kgSV/

m3*gg a circa 2 kgSV/m3*gg. L’andamento dei solidi to

tali (ST) nei digestati estratti è risultato inferiore ai 100

0 1 2 3 4 5 6

30/04/18 10/05/18 20/05/18 30/05/18 09/06/18 19/06/18 29/06/18

Andamento Carico Organico Volatile kg SV/m^3*giorno

COV vinaccia non cavitata ''COV vinaccia cavitata''

30/04/18 10/05/18 20/05/18 30/05/18 09/06/18 19/06/18 29/06/18 09/07/18

Andamento FOS/TAC

FOS/TAC vinaccia non cavitata ''FOS/TAC vinaccia cavitata'' 0,00

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Grafico 1

Grafico 2

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4 5

0 50 100 150 200 250 300

30/04/18 10/05/18 20/05/18 30/05/18 09/06/18 19/06/18 29/06/18

Andamento Produzione specifica Biometano Nm³CH₄/tSV

Nm³CH₄/tSV vinaccia non cavitata ''Nm³CH₄/tSV vinaccia cavitata''

Analisi granulometrica

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

> 5 3,15 < D

<5 2 < D

<3,15 1 < D

< 2 0,5 < D

< 1 0,3 < D

< 0,5 0,3 < D

< 0,1 < 0,1

Percentuale dei Solidi Totali (%)

Diametro dei solidi (mm)

Vinaccia tal quale Vinaccia cavitata

g/kg di tal quale, sia per il campione di vinaccia non trat

tata sia per quella cavitata. Questo dato è stato riconsi

derato, una volta aperti i digestori a fine prova, dove si è potuto riscontrare una netta stratificazione del mate

riale non cavitato con i vinaccioli depositati sul fondo e le buccette e i raspi rimasti in superficie.

Il rapporto FOS/TAC per le due tesi è risultato piena

mente nell’intervallo di stabilità, ovvero intorno al va

lore di 0,3.

Analizzando la produzione di Nm³CH₄/t SV il risulta

to porta ad una produzione specifica di 88,4 (± 8,1) Nm³CH₄/tSV per la vinaccia non cavitata e di di 125,1 (± 12,3) Nm³CH₄/tSV per la vinaccia cavitata. Si eviden

zia un andamento simile, ma separato e parallelo tra le due tesi, a conferma della maggiore degradabilità del

la vinaccia cavitata e quantificato in una maggiorazio

ne del 44,3%.

L’effetto del pretrattamento di cavitazione idrodinami

ca controllata è stato riscontrato anche a livello fisico attraverso analisi granulometrica, da cui è emersa una riduzione del diametro dei solidi in digestione. L’analisi permette di caratterizzare le matrici per quanto riguar

da le dimensioni particellari delle componenti di cui so

no fatte. Attraverso dei vibrosetacci, in ambiente umi

do, la matrice viene separata per classi dimensionali. La distribuzione dimensionale nelle varie classi ha mostra

to la differenza sostanziale del diametro delle vinacce non trattate rispetto a quelle cavitate, questo comporta una maggiore area superficiale attaccabile dai batteri.

Conclusioni

L’effetto ottenuto mediante l’utilizzo della cavitazione idrodinamica controllata sulla vinaccia è molteplice e significativo in diversi aspetti. L’aspetto produttivo è la prova tangibile del suo successo in quanto conferma una maggiore produzione di Nm³CH₄/t SV accompagnata da un risparmio di materiale. L’uso di una biomassa di scar

to pretrattata, con una maggiore digeribilità della so

stanza organica grazie alla disgregazione della frazione lignocellulosica, permette sia un uso minore di matri

ci derivanti da colture dedicate che un uso migliore del sottoprodotto stesso. Non meno importante è l’aspetto gestionale, con la mancanza di sedimentazione, accumu

lo e stratificazione del materiale per quanto riguarda la vinaccia cavitata, che preserva l’impianto da una com

promissione dell’equilibrio idraulico. La vinaccia cavita

ta, essendo omogenea, ha consentito di avere una buona miscelazione per tutta la prova facendo ipotizzare i me

desimi effetti positivi anche in un’applicazione su dige

store in scala reale. È altrettanto vero che l’utilizzo della cavitazione idrodinamica controllata comporta un sur

plus di consumi elettrici e di conseguenza una spesa ul

teriore da dover sostenere. Quest’ultimo aspetto, di na

tura economica, è da curare e da definire nell’ottica di un sistema sostenibile grazie al risparmio di materiale e al recupero di energia mediante incremento di produ

zione, in tal modo si riesce a generare un processo il più possibile circolare, dove si ha guadagno nella massima valorizzazione energetica della biomassa prima di scar

to, promuovendo un’attività che sia sostenibile a livello locale. Le vinacce vergini cavitate possono così essere sfruttate energeticamente soprattutto in quegli impian

ti di digestione anaerobica vicini alle cantine. ■

Grafico 4 – Analisi granulometrica del campione di vinaccia tal quale e del campione di vinaccia sottoposta a cavitazione idrodinamica controllata Grafico 3