Studio delle dinamiche di fermentazione dei substrati. A. Formigoni & A. Palmonari

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Fortunato Graziano
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1 Studio delle dinamiche di fermentazione dei substrati A. Formigoni & A. Palmonari Impianti di Biogas 9 InfoBiogas- Montichiari

2 Indici di efficienza biologica Utilizzo di TUTTA la sostanza organica potenzialmente degradabile Ridotto dispendio energetico necessario al mantenimento dei microorganismi Elevata concentrazione CH4/Biogas

Ridotto dispendio energetico necessario al

3 Efficienza: proposta di misura Metano/sostanza organica potenzialmente degradabile (SOPD) SOPD degradata/sopd apportata

4 Composizione degli alimenti Alimento sul tal quale Acqua (umidità) Sostanza secca Sostanza inorganica (ceneri) Sostanza organica (SO) - SO Potenzialmente Degradabile - Glucidi - Proteine - lipidi - SO Indegradabile - N legato alla fibra - lignina - fibra legata a lignina

- SO Potenzialmente Degradabile - Glucidi - Proteine - lipidi - SO

5 Conoscere in modo accurato la composizione degli alimenti Analisi di laboratorio Veloci Affidabili Precise Determinazione di tutte le componenti del substrato in particolare delle quote degradabili e indegradabili

Precise Determinazione di tutte le componenti del

6 Prevedere la risposta biologica: dinametan Modello dinamico di previsione di: Sviluppo batterico Cinetica di degradazione di ogni substrato Produzione di metano Quantità e qualità del digestato Efficienza complessiva del processo di fermentazione

di ogni substrato Produzione di metano Quantità e qualità del

7 Fattori che influenzano la digestione dei substrati Tempo di ritenzione (TR) Velocità di passaggio - Kp Costante di degradazione oraria (Kd) Caratteristiche intrinseche del substrato Trattamenti - Superficie esposta Conoscendo TR e Kd possiamo stimare quanto substrato viene degradato nell impianto % degradato=kd/(kd+kp)

intrinseche del substrato Trattamenti - Superficie esposta Conoscendo TR e Kd

8 Importanza del tempo di ritenzione Tempo ritenzione (giorni) Tassodi passaggio (%/h) Costantedi degradabilità (Kd-%/h) Substrato degradato %

Substrato degradato % 20 0.21 0.10 32.4 40 0.10 0.10 49.0 60 0.

9 Importanza della costante di degradabilità del substrato Tempo ritenzione (giorni) Tassodi passaggio (%/h) Costantedi degradabilità (Kd-%/h) Substrato degradato %

(Kd-%/h) Substrato degradato % 70 0.06 0.01 14.4 70 0.06 0.05 45.7 70 0.

10 Il problema Per prevedere la risposta biologica è essenziale conoscere la cinetica di scomparsa della sostanza organica nel tempo In genere si usano impianti pilota in laboratorio.ma non è possibile descrivere le cinetiche di scomparsa Dubbi sulla riproducibilità di ciò che avviene realmente «in campo»

11 La soluzione «biogas fistula» UNIBO e BTS hanno realizzato la soluzione «biogas fistula» in due impianti in normale regime di funzionamento «biogas fistula» consente di studiare i tempi di degradazione di molti substrati in tempi diversi E possibile descrivere le cinetiche di scomparsa

«biogas fistula» consente di studiare i tempi di degradazione di molti

12 Soluzione «biogas fistula»

13 Soluzione «biogas-fistula» Campioni da analizzare

14 Preparazione dei campioni da analizzare in laboratorio

15 Soluzione «biogas fistula» Inserimento dei campioni nell impianto A tempi diversi possono essere recuperati i sacchetti che contengono i «residui» non degradati e che saranno portati alle analisi

16 Schema di lavoro Analisi del substrato Inserimento nell impianto di 3 campioni per ciascun tempo che si vuole considerare Recupero dei campioni nei diversi tempi Analisi dei residui Valutazione delle scomparse

vuole considerare Recupero dei campioni nei diversi

17 Studi condotti 1 : dinamica degradativa di dieta standard 2 : effetto molitura di diversi foraggi 3 : effetto estrusione 4 : effetto reattore vs estrusore

18 Dinamica di degradazione di una dieta standard Dieta estrusa composta da: Silomais - 95% Pollina - 3,5% Letame - 1,5% Degradazione valutata dopo e 30 giorni

19 Degradazione di una dieta a base di silomais, pollina e letame Giorni S.S. % S.O. % P.G. % NDF % ADF % pd-ndf % Amido % s.s._ sostanza secca; s.o._sostanza organica; p.g._proteina grezza; NDF_fibra neutro detersa; ADF_fibra acido detersa; pdndf_fibra neutro detersa potenzialmente degrdabile;

12 30 84.4 85.9 36.8 49.5 27.1 97.6 96.92 s.s._ sostanza secca; s.o._sostanza orga

20 Velocità di degradazione oraria (kd) della fibra (pdndf) e dell amido Giorni Kd-pdNDF %/h kd-amido %/h

21 Come degrada la fibra (pdndf) in un impianto di biogas rispetto a quello che avviene nel rumine di un bovino? Biogas Plant Rumen Liquor 5 giorni 10 giorni 20 giorni 5 giorni 10 giorni FIENO 56,85 66,80 75,38 FIENO 69,79 72,02 SILOMAIS 70,20 77,24 82,56 SILOMAIS 76,40 81,14 TRITICALE 58,37 63,61 71,92 TRITICALE 69,26 72,94 Campioni sottoposti a molitura a 1 mm

22 Confronto fra degradazione della fibra (pdndf) in impianto e in vitro La velocità di degradazione nell impianto è circa la metà di quello che si osserva in vitro con liquor ruminale Il motivo è probabilmente legato alla diversa concentrazione batterica

23 Effetto molitura Confronto fra silomais macinato a 1 o 4 mm 4 tempi di degradazione in impianto 5, 10, 20 e 40 giorni

24 Effetto molitura: silomais a 1 vs 4 mm 5 giorni Degradabilità NDF,% kd,%/h 1mm 4mm 1mm 4mm A 72,3 30,1 1,7 0,37 B 74,4 26,6 1,8 0,32 C 68,8 34,9 1,5 0,45 D 65,3 27,1 1,3 0,33 10 giorni Degradabilità NDF,% kd,%/h 1mm 4mm 1mm 4mm A 77,1 61,9 0,89 0,51 B 79,4 56,0 0,99 0,43 C 74,0 63,1 0,79 0,53 D 78,5 60,2 0,94 0,48

25 Effetto molitura: silomais a 1 vs 4 mm 20 giorni Degradabilità NDF,% kd,%/h 1mm 4mm 1mm 4mm A 82,15 64,70 0,34 0,30 B 81,86 61,32 0,39 0,36 C 79,24 66,63 0,31 0,30 D 86,97 66,45 0,31 0,33 40 giorni Degradabilità NDF,% kd,%/h 1mm 4mm 1mm 4mm A 90,28 80,95 0,01 0,01 B 89,95 79,19 0,01 0,01 C 90,44 82,54 0,01 0,01 D 90,28 78,76 0,01 0,01

26 Scomparsa nel tempo della NDF di diversi substrati macinati a 1mm MEDICA FIENO SILOMAIS TRITICALE Dati espressi in %

27 Tassi di degradabilità dei glucidi nel silomais (4 mm) giorni NDF ADF AMIDO S.O. 5 giorni 10 giorni 20 giorni 0,38 0,41 0,81 0,55 0,33 0,35 0,97 0,64 0,45 0,48 1,13 0,76 0,33 0,37 0,87 0,65 0,51 0,55 1,06 0,64 0,43 0,50 0,92 0,60 0,53 0,59 0,98 0,66 0,48 0,56 0,94 0,64 0,30 0,28 0,65 0,32 0,36 0,30 0,61 0,31 0,30 0,29 0,59 0,33 0,33 0,32 0,68 0,36

28 Valutazione effetto estrusione Silomais crudo Estruso Non estruso tempi 5 giorni 10 giorni 40 giorni

29 Caratteristiche dei residui di silomais tal quale e estruso Tal quale SS PG NDF ADF AMIDO ADL Ceneri 5 GG GG GG Estruso SS PG NDF ADF AMIDO ADL Ceneri 5 GG GG GG N.B. DATI PRESENTATI COME %

30 Effetto sulla digeribilità dell estrusione vs non estrusione NON ESTRUSO PG NDF ADF AMIDO 5 GG 7,28 19,45 14,21 65,01 10 GG 66,79 58,30 53,05 90,82 40 GG 86,83 89,75 86,93 99,35 ESTRUSO PG NDF ADF AMIDO 5 GG 30,13 26,37 17,24 77,96 10 GG 63,32 58,66 52,04 94,65 40 GG 86,27 89,82 86,36 99,66 N.B. DATI PRESENTATI COME %

31 Estrusore vs reattore Trattamento sulla stessa dieta Digestione per giorni

32 Effetto reattore vs estrusore Giorni dndf dadf damido ESTRUSORE 35,01 20,61 82,64 6 REATTORE 43,86 27,02 89, dndf dadf damido ESTRUSORE 54,34 36,81 92,97 REATTORE 61,60 46,07 94,10 dndf dadf damido ESTRUSORE 79,56 64,45 97,31 REATTORE 82,77 69,19 96,75 N.B. DATI PRESENTATI COME %

33 Considerazioni In condizioni reali la fibra e l amido di dieta estrusa a base di silomais sono degradata quasi per intero in 30 giorni Esistono due fasi di degradazione Veloce < giorni Lenta Tanto più lunga quanto più i substrati sono ricchi di lignina e fibra ad essa legata Importanza dei trattamenti tecnologici

34 Degradabilità di diverse matrici a dopo 10 giorni di presenza nell impianto ( ) Campioni dpg dndf Silomais Medica fieno 4 75,21 49,43 Graminacee fieno 4 61,35 37,46 Paglia di grano 3 60,54 37,59 Stocchi mais 3 62,39 35,48 Buccette soia 2 76,11 58,73 Sorgo foraggio 2 66,01 56,79 Triticale foraggio 2 58,21 45,39 ( ) Molitura a 4 mm

35 Degradabilità di diverse matrici a dopo 20 giorni di presenza nell impianto ( ) Campioni dpg dndf dpdndf damido Silomais 4 68,76 64,77 82,35 94,83 Medica fieno 4 80,23 57,85 68,48 - Graminacee fieno 4 64,79 54,75 70,21 95,23 Paglia di grano 3 62,45 47,21 55,44 82,53 Stocchi mais 3 64,69 49,67 55,67 76,34 Buccette soia 2 86,77 82,85 83,41 - Sorgo foraggio 2 67,57 62,80 79,49 99,24 Triticale foraggio 2 62,40 58,55 64,98 86,19 ( ) Molitura a 4 mm

36 Scomparsa nel tempo della NDF di diversi substrati macinati a 4mm 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 silomais fieno sorgo triticale 35,0 30,0 25,0 20,0

37 Scomparsa nel tempo della NDF di diversi substrati macinati a 4mm 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 medica paglia stocchi mais buccete 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0

38 Scomparsa nel tempo della NDF di diversi substrati macinati a 4mm 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 medica paglia stocchi mais buccete silomais fieno sorgo triticale 30,0 20,

39 L ADL si «scioglie»? ADL % a 5 gg ADL % a 10 gg attesa reale attesa reale 5,12 4,99 9,58 8,10 5,23 4,77 7,78 6,18 6,05 5,52 8,97 7,08 5,01 4,55 8,95 7,19 7,32 %?? 19,16 %?? ADL % a 20 gg ADL % a 40 gg attesa reale attesa reale 10,47 8,05 35,03 21,10 9,27 6,58 34,59 23,52 10,66 7,12 43,68 28,01 12,48 7,64 33,80 25,15 31,02 %?? 33,31 %?? 40,00 30,00 20,00 10,00 ADL ATTESA ADL OSSERVATA 0,00 ADL % a 5 gg ADL % a 10 gg ADL % a 20 gg ADL % a 40 gg

40 Conclusioni Per avere un completo sfruttamento delle componenti fibrose dei substrati è necessario avere: TR lunghi (> giorni) Degradabilità rapida Molto utili i trattamenti tecnologici Estruder e Reattore

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