La fase idrolitica come pretrattamento delle biomasse di scarto

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Arianna Grasso
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1 come pretrattamento delle biomasse SEMINARIO Biometano e chimica verde: il biogas dopo gli incentivi S. Piccinini, C. Fabbri, M. Garuti Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 26 Febbraio 2015 Sala Amati Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

Garuti Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 26

2 Le prospettive di sviluppo della filiera biogas

3 Tecniche di pretrattamento Obiettivi Effetto del pretrattamento sulle biomasse a) substrato senza pretrattamento b) incremento nella velocità di produzione di biogas c) aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e della quantità di biogas Adattamento da Montgomery et al. (2014) IEA Task 37 Technical Brochure.

aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e

4 Tecniche di pretrattamento Panoramica Fisico Chimico Biologico Combinato Meccanico Termico Disintegrazione elettrocinetica Acido Basico Microbiologico (idrolisi acida) Enzimatico Estrusione Steam Explosion Termochimico Ultrasuoni Cavitazione idrodinamica

Acido Basico Microbiologico (idrolisi acida) Enzimatico

5 Come valutare i pretrattamenti Informazioni ottenute COD,sCOD test in batch viscosità, granulometria test in continuo Impianto pilota Tempo e investimento nella sperimentazione scala reale

6 Caso Studio : Idrolisi acida L idrolisi è la prima fase del processo di digestione anaerobica ed avviene in tutti gli impianti grazie all azione di enzimi esocellulari che disgregano le macromolecole. L efficienza idrolitica si massimizza in ambiente acido (ph=5,0-6,0) e viene consigliata per matrici ricche di frazioni fibrose e lipidiche. Il controllo di un digestore idrolitico può essere fatto solo in presenza di idonea: configurazione impiantistica: miscelatori, ritenzione idraulica (minore di 3-5 giorni) tipologia di biomassa (caratteristiche chimico-fisiche): incidono sulla miscelazione e sui pompaggi pompaggi: più bassi possibile per ridurre alcalinità L idrolisi acida in fase separata è una «condizione gestionale» che esige un elevato standard di controllo analitico e operativo.

Il controllo di un digestore idrolitico può essere fatto solo in presenza di idonea: configurazione impiantistica: miscelatori, ritenzione idraulica (minore di 3-5 giorni) tipologia di biomassa

7 Acidi Grassi Volatili (AGV) IDROLISI Sostanza Organica da biomasse Proteine Carboidrati Lipidi Aminoacidi Zuccheri Acidi Grassi catena lunga + glicerolo ACIDOGENESI ACETOGENESI Acidi Grassi Volatili + alcoli NH 3 Acido Acetico H 2, CO 2 METANOGENESI Biogas (CH 4, CO 2 )

lunga + glicerolo ACIDOGENESI ACETOGENESI Acidi Grassi Volatili +

8 Piattaforma AGV BIOMASSE DI SCARTO DIGESTIONE ANAEROBICA ACIDI GRASSI VOLATILI C2 C3 C4 C5 C6 Acido Acetico Acido Propionico Acido Butirrico Acido Valerico Acido Caproico Ho Nam Chang et al. 2008, 2010 (adattamento). PROCESSI BIOLOGICI E CHIMICI BIOCOMBUSTIBILI BIOCHEMICALS GAS LIQUIDI Biometano Bioidrogeno Etanolo Butanolo Biodiesel Bioplastiche Bulk chemicals Farmaceutica Industria tessile Altri deriv. chimici GIA AL LAVORO ZeaChem Terrabon KAIST Texas A&M Univ. Maine Univ. PRO Biomasse di scarto No enzimi No sterilizzazione CONTRO Pretrattamenti Fermentaz. miste Purificazione prodotti

PROCESSI BIOLOGICI E CHIMICI BIOCOMBUSTIBILI BIOCHEMICALS GAS LIQUIDI Biometano Bioidrogeno Etanolo Butanolo Biodiesel Bioplastiche Bulk chemicals

9 Idrolisi acida: applicazione in scala reale su impianto a rifiuti/sottoprodotti liquidi (1 MWe) RIFIUTI/SOTTOPRODOTTI LIQUIDI 3000 m 3 40 C 3000 m 3 40 C 1 MWe 1500 m 3 40 C PREVASCA DIGESTORE IDROLITICO DIGESTORE PRIMARIO La transizione all idrolisi è stata effettuata in circa giorni monitorando costantemente il processo biologico. DIGESTORE SECONDARIO MANCANZA DI IDROLISI DEPURAZIONE IDROLISI GASOMETRO ESTERNO

IDROLITICO DIGESTORE PRIMARIO La transizione all idrolisi è stata effettuata in circa 10 13 giorni

10 Idrolisi acida: applicazione in scala reale su impianto a rifiuti/sottoprodotti liquidi (1 MWe) MANCANZA DI IDROLISI Variabilità del 22% nel COV IDROLISI Variabilità del 6,5% nel COV DIGESTORE SENZA IDROLISI Caratteristiche della fase idrolitica La transizione all idrolisi ha permesso di abbassare il Carico Organico Volumetrico (COV) da 2,53 a 2,38 kgsv/m3 digestore e stabilizzare il flusso al carico all impianto. DIGESTORE IDROLITICO Flusso medio al carico (m 3 /giorno) Variabilità media al carico (m 3 /giorno) COD (g/l) 74,5 126,9 ph 7,7 6,2 HRT (giorni) 5,6 6,1

abbassare il Carico Organico Volumetrico (COV) da 2,53 a 2,38 kgsv/m3 digestore e stabilizzare il flusso al carico all impianto.

11 Idrolisi acida: applicazione in scala reale su impianto a biomasse solide e eff.zoot. (250kWe) LIQUAME SUINO 250 kwe BIOMASSE IN INGRESSO IDROLISI 270 m 3 43 C DIGESTORE IDROLITICO HRT 5 d NO IDROLISI SCHIUME IDROLISI 1500 m 3 43 C DIGESTORE Ricircolo UTILIZZO AGRONOMICO Il ritorno all idrolisi è stata possibile solo in seguito alla diminuzione di ricircolo.

IDROLITICO HRT 5 d NO IDROLISI SCHIUME IDROLISI 1500 m 3 43 C DIGESTORE Ricircolo

12 Idrolisi acida: applicazione in scala reale su impianto a biomasse solide e eff.zoot. (250kWe) IDROLISI (mg/l) METANOGENESI (mg/l) Acido Acetico ± ± 99 Acido Propionico ± ± 31 Acido butirrico ± < 50 Acido iso butirrico 92 ± 44 < 50 Acido valerico ± 735 < 50 Il rapporto tra acido acetico e acido propionico è sempre stato sbilanciato verso l acido acetico sia in idrolisi (mediamente 3,88) che in metanogenesi (mediamente 3,94). Acido iso valerico 390 ± 257 < 50 Acido caproico ± < 50 Lo spettro degli Acidi Grassi Volatili permette di valutare se insorgono blocchi nel metabolismo microbico sia per l idrolisi che per la metanogenesi

226 ± 735 < 50 Il rapporto tra acido acetico e acido propionico è sempre stato sbilanciato verso l acido acetico sia in idrolisi (mediamente 3,88) che in metanogenesi

13 Idrolisi: controllare e mantenere l idrolisi Impianti di biogas bifase (idrolisi + metanogenesi) necessitano di controlli più attenti per mantenere due tipi di biologia differenti Il parametro guida dell idrolisi è il ph (ottimale tra 5,0 6,0) E necessario un tempo di ritenzione idraulica di circa 3 5 giorni; È necessario ridurre al massimo il ritorno di alcalinità con i ricircoli. Stati di transizione tra idrolisi e metanogenesi possono provocare temporanee diminuzione nella produzione di biogas e insorgenza di schiume L idrolisi permette di stabilizzare l intero processo di produzione di biogas e favorisce alimentazioni diversificate

necessario ridurre al massimo il ritorno di alcalinità con i ricircoli.

14 Prospettive future DA VFA By-products AD

15 Prospettive future DA AD Energy Cows & pigs & poultry Dairy & meat & eggs

16 Ricerca Industriale E un laboratorio dedicato alla Ricerca Industriale Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna Sezione AMBIENTE ed ENERGIA

17 Grazie per l attenzione SEMINARIO Biometano e chimica verde: il biogas dopo gli incentivi s.piccinini@crpa.it c.fabbri@crpa.it m.garuti@crpa.it 26 Febbraio 2015 Sala Amati Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

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