UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale CORSO DI STUDIO MAGISTRALE IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE E IL TERRITORIO CLASSE DELLE LAUREE MAGISTALI IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE E IL TERRITORIO (CLASSE LM35) TESI DI LAUREA OTTIMIZZAZIONE IMPIANTISTICA DEI PROCESSI DI BIOAUGMENTATION FINALIZZATI ALLA VALORIZZAZIONE ENERGETICA DI BIOMASSA DI SCARTO A MATRICE LIGNOCELLULOSICA: INDAGINE SPERIMENTALE A SCALA SEMI-PILOTA Relatore Ch.mo Prof. Ing. Massimiliano Fabbricino Candidato Elena Bianco Matricola M67/283 Correlatore Ing. Dott. Alberto Ferraro Anno Accademico 215/216

2 Digestione Anaerobica Idrolisi Batteri idrolitici Acidogenesi Batteri acidogeni Acetogenesi Batteri acetogeni Metanogenesi Batteri metanigeni

3 Il substrato Biomassa lignocellulosica Cellulosa Emicellulosa Lignina Biomassa Ceneri(%) Emicellulosa (%) Cellulosa(%) Lignina(%) Gambi di mais Paglia di grano 1,3 27, Paglia di riso 18,9 22, ,6 Paglia di avena 2,6 24,9 37,1 15,4 Paglia di segale 1,2 25,7 37,1 17,6 Paglia di orzo 7, Ye Sun and Jiayang Cheng (22), "Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review", Bioresource Technology, 83, 1-11

4 Digestione Anaerobica Carboidrati Zuccheri Acidi organici a catena corta Grassi Acidi Grassi volatili Acido acetico BIOGAS (CH 4, CO 2, H 2 ) Alcoli Proteine Aminoacidi Idrolisi Acidogenesi Acetogenesi Metanogenesi

5 La fase di sperimentazione Scale-up Scala semi-pilota Scala banco V = 12 L Paglia autoclavata V = 12 ml Paglia non autoclavata Configurazione impiantistica Mono-fase Bi-fase

6 La fase di sperimentazione Scala Semi-pilota Scala banco Prova A Mono-fase di controllo Prova B Mono-fase in Bioaugmentation Prova C Bi-fase in Bioaugmentation Prova Bb Mono-fase in Bioaugmentation Prova Cb Bi-fase in Bioaugmentation Inoculo metanigeno Inoculo metanigeno Inoculo batterico e fungino I. Inoculo batterico e fungino II. Inoculo metanigeno

7 Condizioni operative Condizioni mesofile T = 35 C Condizioni anaerobiche Tampone fosfato ph = 6,9±,1

8 Caratterizzazione del substrato h = 1 cm V = 12 ml h = 41 cm V = 12 ml

9 Caratterizzazione del substrato 8 g SV/L ST = 92% SV = 84,2% Solidi totali Residuo secco Solidi volatili PRIMA DOPO

10 Le misurazioni Misurazione del gas Frequenza (h) Giorni Gascromatografia

11 Le misurazioni Metodo colorimetrico Misurazione H 2 S Analisi VFA Gascromatografia ad elevata prestazione (HPLC)

12 Risultati Mono-fase (controllo) Mono-fase (Bioaugmentation) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 4,9 5,9 6,9 7,9 8,8 1, 11, 11,9 12,8 13,8 14,8 15,9 16,8 17,9 18,8 19,8 2,8 21,9 22,8 24,9 26,9 28,9 31, 32,7 34,8 36,8 38,7 53,8 6,7 67,7 71,7 76,7 83,7 Composizione biogas (%) %CO2 %CH4 %H Composizione biogas (%) %CO2 %CH4 %H2

13 Risultati Mono-fase (Bioaugmentation) Bi-fase (Bioaugmentation) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 4,9 5,9 6,9 7,9 8,8 1, 11, 11,9 12,8 13,8 14,8 15,9 16,8 17,9 18,8 19,8 2,8 21,9 22,8 24,9 26,9 28,9 31, 32,7 34,8 36,8 38,7 53,8 6,7 67,7 71,7 76,7 83,7 Composizione biogas (%) %CO2 %CH4 %H ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3,5 4, 4,9 5,9 6,9 7,9 8,8 1, 11, 11,9 12,8 13,8 14,8 15,9 16,8 17,9 18,8 19,8 2,8 21,9 22,8 24,9 26,9 28,9 31, 32,7 34,8 36,8 38,7 53,8 6,7 64,7 67,7 71,7 76,7 83,7 Composizione biogas (%) %CO2 %CH4 %H2

14 Risultati Misurazione gas Misurazione H 2 S Prova H 2 S (%) A <,1 B,1-,2 C,1-,15

15 Produzione idrogeno (Nml) Produzione idrogeno (Nml) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C ,5 2 1,5 1 Prova_Bb Prova_Cb,

16 Produzione metano (Nml) Produzione metano (Nml) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C Fattore di scala Prova_Bb Prova_Cb Rapporto dei volumi

17 Produzioni metano (Nml/gSV) Produzione metano (Nml/gSV) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C Prova_Bb Prova_Cb

18 Produzione anidride carbonica (Nml) Produzione anidride carbonica (Nml) Risultati Prova_A Prova_B 4 Prova_C Prova_Bb Prova_Cb

19 Risultati Acidi organici Acido lattico Acido propionico Acido acetico Acido valerico Acido butirrico Acido isovalerico

20 Concentrazione acetico (mg/l) Concentrazione acetico (mg/l) Concentrazione lattico (mg/l) Concentrazione lattico (mg/l) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C Prova_Bb Prova_Cb Prova_A Prova_B Prova_C Prova_Bb Prova_Cb

21 Concentrazione isovalerico (mg/l) Concentrazione valerico (mg/l) Concentrazione butirrico (mg/l) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C Acido butirrico Prova_A Prova_B Prova_C Prova_A Prova_B Prova_C Acido valerico Tempo(g) Acido isovalerico

22 Concentrazione propionico (mg/l) Concentrazione propionico (mg/l) Risultati Prova_A Prova_B Prova_C Prova_Bb Prova_Cb

23 Conclusioni Possibilità di Scale-up del processo SI NO Effetto fase di autoclavaggio SISI NO Ottimizzazione della configurazione impiantistica Mono-fase Bi-fase

24 Prospettive future Sulla base dei risultati ottenuti si propone Ulteriore scale up del processo e validazione del modello su impianti a scala reale; Sviluppo di analoghe prove utilizzando un differente substrato a matrice lignocellulosica per effettuarne un confronto in termini di rese di biogas; Parallelismo con analoghe prove che prendano in considerazione un pretrattamento chimico e termico.

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