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Soluzioni e tecnologieper l’ambiente

È

noto come la digestione anaerobica consenta di ottenere biogas dalla degradazione di matrici or- ganiche quali effluenti zootecnici, sot- toprodotti agroindustriali, colture ve- getali dedicate e frazione organica di rifiuti urbani (FORSU). Il biogas è utiliz- zato come fonte di energia rinnovabile (energia elettrica, energia termica, biometano) mentre il digestato, l’effluente liquido che residua dalla degradazione delle biomasse, viene valorizzato diret- tamente come fertilizzante naturale del suolo o previo compostaggio quando vengono digeriti anche i rifiuti.

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Da un punto di vista microbiologico, la degradazione delle matrici organi- che inizia con l’idrolisi delle molecole più complesse in zuccheri semplici, aminoacidi e acidi grassi; successivamente segue una fase di produzione di acidi organici, acido acetico, idro- geno e anidride carbonica (acidogenesi e acetogenesi). L’ultima fase della digestione anaerobica è caratterizzata dalla vera e propria produzione di metano (metanogenesi).

Per rendere il processo più veloce e, potenzialmente, per aumentare la produzione di biogas di substrati la

Un nuovo pretrattamento fisico-biologico velocizza la difficoltosa degradazione anaerobica di biomasse ad alto contenuto ligno-

cellulosico, aumentando la produzione di biogas.

Mirco Garuti, Mariangela Soldano, Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzioni Animali

Digestione anaerobica Più biogas da scarti

agro-industriali e rifiuti

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anaerobica a due fasi ha l’obiettivo di fornire le condizioni di crescita ottimali per i diversi consorzi microbici del- l’impianto di biogas; nel digestore det- to di idrolisi o di acidificazione si ha una scarsa produzione di biogas in termini volumetrici, ma una elevata formazione di acidi grassi volatili (AGV) in fase liquida la cui conversione in metano ha luogo nel successivo digestore metanogenico. Nel momento in cui i substrati presentano un elevato contenuto di sostanza secca ed un si- gnificativo apporto fibroso possono in- sorgere problematiche relative alla e prevedono il dosaggio di specifici

enzimi, l’aggiunta di macro o micro- nutrienti o l’introduzione di pool di mi- crorganismi per aumentare la diver- sità microbica nel processo. Tra quelli che possono essere ricondotti ai pretrattamenti di tipo biologico si trova anche il processo di digestione anaerobica detto “a due fasi”, in cui idrolisi e acidogenesi avvengono principalmente in un fermentatore dedicato e fisicamente separato rispetto ai digestori posti successivamente in cui hanno maggiore rilievo le successive fasi microbiologiche. La digestione

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cui degradazione risulta lenta o difficoltosa possono essere installate nel- l’impianto di digestione anaerobica dei sistemi di pretrattamento per po- ter sfruttare al meglio biomasse dal- l’alto contenuto lignocellulosico e per limitare problematiche legate alla loro miscelazione all’interno dei digestori, quali ad esempio sedimentazioni e af- fioramenti di strati galleggianti con formazione di croste nella parte alta del fermentatore.

Alcune tecnologie di pretrattamento vanno ad agire specificatamente a supporto del metabolismo microbico

Fig. 1:

Effetto della cavitazione idrodinamica sulle vinacce.

Analisi

granulometrica e

visualizzazione allo

stereomicroscopio (D = diametro dei solidi espresso in mm)

Fig. 2:

Effetto della cavitazione idrodinamica sugli scarti di fieno.

Analisi

granulometrica e

visualizzazione allo

stereomicroscopio (D = diametro dei solidi espresso in mm)

1

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BIOWASTE FOCUS ON

cavitazione idrodinamica con sistema rotore/statore (BioBANG® 20-40 kWel, Three-ES – Italia). La spremuta di FORSU non è stata sottoposta a cavitazione idrodinamica in quanto già campionata a valle di sistemi di pretrattamento di tipo meccanico presenti presso l’impianto dove la biomassa è stata prelevata.

Effetti del trattamento fisico di ca- vitazione idrodinamica

La vinaccia non trattata (Solidi Totali, ST= 374,2 g/kg; Solidi Volatili, SV=

354,8 g/kg) si caratterizza per un contenuto di solidi con diametro maggiore a 3,15 mm pari a circa a circa il 62%

del totale, rappresentati principalmente da bucce, graspi e vinaccioli.

In generale i vinaccioli sono presenti nelle classi granulometriche con diametro compreso tra 2-3,15 mm e tra 1-2 mm (Fig. 1). Con il trattamento di cavitazione idrodinamica la maggior parte delle bucce d’uva e dei graspi viene sminuzzata e sfibrata tanto che i solidi con diametro maggiore di 3,15 mm si riducono a circa il 14% del totale (Fig. 1); l’analisi qualitativa allo stereomicroscopio effettuata da CRPA Lab ha permesso di capire che l’effet- to del trattamento meccanico agisce anche sui vinaccioli e si manifesta con diversi gradi di frammentazione e rot- tura: la maggior parte dei vinaccioli risultano essere crepati o aperti.

Gli scarti di fieno (ST=885,2 g/kg;

SV=813,4 g/kg) sottoposti ad un primo sminuzzamento con trinciapaglia si caratterizzano per un contenuto di solidi con diametro maggiore a 3,15 mm pari a circa il 48% del totale, rappresentati principalmente dagli steli ve-

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prodotti agroindustriali con particolari difficoltà di miscelazione all’interno del digestore.

Vinacce, scarti di fieno e spremuta di FORSU sono state utilizzate come substrati di alimentazione a rispettivi tre reattori acidogenici per condurre l’idrolisi acida, ovvero le prime fasi della digestione anaerobica, con l’obiettivo di valutare sia il comportamento del processo biologico nel tempo che le rese finali in biometano. Vinacce e scarti di fieno sono stati sottoposti a miscelazione all’interno del digestore

acidogenico che ne limitano l’appli- cabilità su scala industriale.

A tal fine possono essere introdotti dei pretrattamenti fisici che sono gene- ralmente effettuati sulle biomasse at- traverso macinazione, taglio con col- telli, triturazione, estrusione, cavitazione. La cavitazione idrodinamica è una tecnologia di pretrattamento innovativo attualmente utiliz- zata su impianti di biogas che vogliono digerire biomasse agricole e sotto-

Fig. 3:

Parametri di processo della fermentazione idrolitica/

acidogenica condotta in tre reattori alimentati rispettivamente

con vinacce cavitate, scarti di fieno cavitati e spremuta di FORSU.

Fig. 4:

Valutazione, mediante test BMP, della produzione specifica di metano delle biomasse non trattate

(in grigio), sottoposte alla sola cavitazione (in verde) e al trattamento sequenziale di cavitazione e idrolisi biologica (in verde).

Solo la spremuta di FORSU non è stata sottoposta a cavitazione in quanto non necessario.

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AGV = Acidi Grassi Volatili

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getali (Fig. 2). Il pretrattamento di cavitazione idrodinamica permette di ri- durre sensibilmente questa quota, tanto che diminuiscono a circa il 15%

del totale (Fig. 2) evidenziando, allo stereomicroscopio, caratteristiche di sfibratura e sfilacciatura sulla super- ficie del materiale.

L’effetto meccanico del pretrattamen- to si ripercuote positivamente nella gestione operativa di entrambe le biomasse in digestione anaerobica in quanto viene a ridursi sensibilmente la componente che maggiormente tende a galleggiare e a formare croste e strati galleggianti all’interno del fermentatore.

Gli effetti della fermentazione idrolitica/acidogenica

Tre diversi fermentatori sono stati alimentati rispettivamente con vinacce cavitate, scarti di fieno cavitati e con spremuta di FORSU come unici substrati, raggiungendo un carico orga- nico volumetrico medio rispettivamente di 12,5, 4,1e 12,4 kgSV/m³al giorno nel fermentatore acidogenico a seconda del contenuto di umidità della matrice di partenza e un tempo di ritenzione idraulico di circa 5-6 giorni (Fig. 3).

Nelle ultime tre settimane del test si sono raggiunti: la stabilità del processo nei tre digestori (al termine della fermentazione idrolitica/acidogenica), un pH tra 5-6 e una ripartizione degli acidi organici (AGV) similare, nono- stante la diversità delle biomasse iniziali. L’acido acetico è risultato essere dominante rispetto agli altri rappre- sentando, con il processo a regime, circa il 60-70% del totale, seguìto dall’acido propionico con il 13-24%.

Altri acidi organici quali butirrico, va- lerico e caproico hanno costituito rispettivamente circa il 13-19%, 5-8%

e 4-10% dell’acidità totale con netta predominanza delle specie chimiche a catena carboniosa lineare rispetto a quelle ramificate (Fig. 3).

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BIOWASTE FOCUS ON

Presso CRPA Lab è possibile ese- guire il test di valutazione del potenziale metanigeno (Biochemical Methane Potential - BMP) su scarti organici e rifiuti. E’ una prova di digestione anaerobica in batch della durata di circa 30 giorni, che con- sente di misurare la massima quan- tità di metano producibile da una de- terminata matrice organica sottoposta a digestione anaerobica e di ottenere informazioni riguardo la velocità di degradazione. Il sistema è stato progettato da CRPA ed è composto da 64 digestori in vetro del volume utile di 1,35 litri, posti in ar- madi termostati alla temperatura di 38°C; la strumentazione è completa di valvole, flussimetri e sistemi di misura manometrici per la quanti- ficazione del biogas prodotto, un analizzatore per determinare la qua-

lità e un’unità di controllo dell'intero sistema accessibile anche da remo- to. Tutte le prove sono condotte secondo la norma UNI EN ISO 11734/2004, ma il sistema di misura è conforme per svolgere i test BMP anche secondo la recente norma UNI ISO 1601755/2018. Per attività sperimentali in cui sia necessario un livello di approfondimento maggiore vengono invece effettuate prove in fermentatori da 24 litri di volume no- minale, miscelati e riscaldati; i test possono essere condotti in mesofilia o termofilia e sono definiti “in conti- nuo” in quanto i substrati in alimentazione ai reattori e il digestato prodotto vengono quotidianamente, rispettivamente, caricati e scaricati simulando le condizioni che si presentano su scala reale.

Come determinare il potenziale metanigeno delle biomasse

Sistema per la

determinazione del potenziale metanigeno delle biomasse con test BMP in reattori da 1,35 L

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^BIOWASTE ^{FOCUS ON}

La produzione di metano

L’attività sperimentale ha permesso di determinare la produzione specifica di metano dell’effluente dei tre reattori acidogenici comparandola con quella ottenuta dalle medesime biomasse sottoposte a sola cavitazione idrodinamica (ad eccezione della spremuta di FORSU) e con quelle ottenuta dalle biomasse iniziali, non sottoposte ad alcun trattamento.

I risultati, mostrati in Fig. 4, hanno evi- denziato come la vinaccia non trattata mostri una produzione specifica pari a 98 Nm³CH4/tSV, in linea con questa categoria di sottoprodotto; con il solo trattamento di cavitazione si è ottenuto un incremento del 42%, arrivando a 139 Nm³CH4/tSV, mentre applicando in sequenza anche l’idrolisi acida biologica si è raggiunta una produzione di 211 Nm³CH4/tSV con un miglioramen- to complessivo di circa 2 volte rispetto alla biomassa originaria. Applicando la cavitazione idrodinamica agli scarti di fieno si è ottenuto un incremento del 28%, arrivando a 289 Nm³CH4/tSV mentre, applicando in sequenza anche l’idrolisi acida biologica, si è raggiunta una produzione di 301 Nm³CH4/tSV con un miglioramento complessivo di circa il 33% rispetto alla biomassa originaria.

La produzione specifica di spremuta di FORSU è stata pari a 436 Nm³CH4/tSV, all’interno di valori ri- scontrati per questa tipologia di rifiuto;

l’idrolisi biologica della biomassa ha determinato un incremento del 30%

nella produzione specifica di metano, arrivando a 567 Nm³CH4/tSV.

Conclusioni

La fase di sviluppo sperimentale ha visto l’implementazione di una linea di pretrattamento fisico-biologica, su scala di laboratorio, costituita dall’ap- plicazione in modo sequenziale della cavitazione idrodinamica e dell’idrolisi biologica in un fermentatore acidogenico. Questi pretrattamenti hanno portato ad una riduzione nella granu- lometria delle biomasse e un aumen- to della produzione specifica di metano rispetto alla situazione iniziale.

La co-digestione di vinacce e scarti di fieno cavitati assieme alla spremuta di FORSU potrebbe rappresentare una valida soluzione per l’implementazione di un processo anaerobico a due fasi adatto sia a migliorare la produzione di biometano che ad essere par-

te di una bioraffineria per la produzione di acidi grassi a catena corta.

Considerando che in Italia sono presenti circa 1600 impianti di biogas di tipo agrozootecnico (GSE, Rapporto Statistico 2017) e sono attivi 52 impianti integrati di digestione anaerobica e compostaggio nei quali si trat- tano circa 2,9 milioni di tonnellate all’anno di rifiuto biodegradabile, delle quali oltre 2 milioni sono costituite da rifiuti organici (91% frazione umida e 9% frazione verde), gli sforzi in ricerca e sviluppo per il miglioramento del- l’efficienza del processo rappresen- tano un aspetto fondamentale per la crescita di tutto il settore biogas/biometano. l

Il CRPA di Reggio Emilia sta approfondendo ulteriormente il tema dell’utilizzo delle vinacce per la produzione di biogas con il progetto CaVin, ‘’Cavitazione delle vinacce per valorizzazione ai fini energetici’’ (cavin.crpa.it). Il progetto è fi- nanziato dal PSR 2014-2020, Misura 16.1.01 Gruppi operativi del partenariato europeo per la produttività e la sostenibilità

dell'agricoltura, dell’Emilia-Romagna. Del gruppo di lavoro, coordinato da CRPA, fanno parte Cantine Riunite & Civ e l’Azienda Agricola Fontana, azienda con un impianto di digestione anaerobica. Tra gli scopi dello studio, vi è quello di valutare il conferimento delle vinacce vergini, quale scarto dalla produzione del vino, ad impianti di biogas situati in prossimità di cantine vitivinicole. Il sottoprodotto farebbe un tragitto breve rispetto al sito di produzione e sarebbe sfruttato energeticamente in modo ottimale in quegli impianti dotati di pretrattamenti adeguati a queste biomasse.

Un gruppo operativo per la valorizzazione delle vinacce in digestione anaerobica

[1] Carrere H., Antonopoulou G., Affes R., Passos F., Battimelli A., Lyberatos G., Ferrer I.(2016) Review of feedstock pretreatment strategies for improved anaerobic digestion: from lab-scale research to full-scale application. Bioresource Technology, 199:386-397.

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[4] Paudel, S.R., Banjara, S.P., Choi, O.K., Park, K.Y., Kim, Y.M., Lee, J.W.(2017) Pretreatment of agricultural biomass for anaerobic digestion: Current state and challenges. Bioresource Technology, 245:1194-1205.

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Bibliografia

Nota: Attività condotta nell’ambito del progetto GoBioM – Ottimizzazione tecnologica filiera biometano (gobiom.crpa.it), Fondi Europei POR- FESR 2014-2020, Regione

Emilia-Romagna