Valutazione del potenziale metanigeno di biomasse di scarto dell industria agroalimentare

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1 Valutazione del potenziale metanigeno di biomasse di scarto dell industria agroalimentare Mariangela Soldano, Claudio Fabbri, Nicola Labartino, Sergio Piccinini C.R.P.A. S.p.A. (Centro Ricerche Produzioni Animali), Reggio Emilia Riassunto La digestione anaerobica è una filiera bioenergetica che permette di sfruttare con elevata efficienza indistintamente biomasse vegetali e/o animale, di scarto e/o dedicate, umide e/o secche, producendo un biocombustibile nobile (biogas/biometano), ottimale per la conversione in energia elettrica e/o termica o utilizzabile per autotrazione. Il CRPA Lab, sezione Ambiente ed Energia del Tecnopolo di Reggio Emilia, è dotata di diversi sistemi di determinazione del potenziale metanigeno che permettono la conoscenza delle potenzialità produttive di diverse matrici e la reale efficienza/affidabilità di un impianto di biogas. In questo articolo vengono riportati i risultati di test del Potenziale metanigeno o BMP (dall Inglese Biochemical Methane Potential) di diverse biomasse di scarto di origine vegetale, provenienti dall industria agro-alimentare, per la loro valorizzazione in biogas. Summary Anaerobic digestion is a bioenergy chain that allow to exploit with high efficiency equally crop and/or animal, residues and/or dedicated, wet and/or dried biomass, producing a biofuel (biogas/ biomethane), ideal for conversion into electricity and/or heat or used for transport. The CRPA Lab, Environment and Energy Section of Tecnopolo of Reggio Emilia, has several systems to know the methanogenic potential production of different biomasses and the real efficiency/reliability of a biogas plant. This paper reports the results of tests of BMP (Biochemical Methane Potential) of different residues biomass from the food industry, for its use in the biogas. 1. Introduzione La digestione anaerobica è una filiera bioenergetica che permette di sfruttare con elevata efficienza indistintamente biomasse vegetali e/o animale, di scarto e/o dedicate, umide e/o secche, producendo un biocombustibile nobile (biogas/biometano), ottimale per la conversione in energia elettrica e/o termica o utilizzabile per autotrazione. Ogni impianto di digestione anaerobica ha un proprio equilibrio, definito dal tipo di biomasse caricate e dai parametri ingegneristici adottati (carico volumetrico, tempo di ritenzione idraulica, temperatura di processo, tipo di riscaldamento e miscelazione, pretrattamenti ecc.) [1]. L elemento di base che influenza maggiormente qualunque tipo di analisi e dal quale gli studi di fattibilità per la realizzazione di un impianto di digestione anaerobica devono partire è rappresentato dalla conoscenza del Potenziale Metanigeno o BMP (dall acronimo inglese Biochemical Methane Potential). Questo parametro esprime la quantità di biogas/metano potenzialmente ottenibile dalla de- 423

2 gradazione di una biomassa, ed è espresso come Nm 3 /kgsv, ovvero normal metri cubi di biogas o metano per kg di solidi volatili [2,3]. Di seguito si riassumono i risultati ottenuti dalla caratterizzazione chimico- fisica e l analisi del BMP di biomasse di scarto e sottoprodotti organici generati dall industria agroalimentare. Tali biomasse sono di notevole interesse per l elevata dotazione di sostanza organica e l assenza di frazioni indesiderate [4]; si presentano idonee all invio in digestione anaerobica che diventa una possibile soluzione per il loro recupero. Inoltre possono rappresentare un interessante alternativa alle colture energetiche il cui utilizzo in digestione anaerobica rappresenta attualmente un tema di forte discussione. 2. Relazione 2.1 Materiali e metodi Potenziale metanigeno statico L analisi del BMP statico (analisi in batch o in discontinuo) è condotta in laboratorio simulando in un ambiente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico. La biomassa da valutare è inizialmente analizzata e poi miscelata ad un inoculo affamato, cioè un substrato organico predigerito e proveniente da un impianto che già utilizza la biomassa da valutare, e ad una soluzione di sali (per tamponare la produzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consorzio batterico). La predigestione dell inoculo ha lo scopo di ridurre la generazione di gas non specifico, diminuendo di conseguenza l influenza dello stesso sul risultato finale. La predigestione dell inoculo avviene senza aggiungere nessun nutriente, a 35 C ± 2 C per una durata di circa 7 giorni. Per evitare un inibizione dell inculo nelle fasi di avviamento, la quantità di solidi volatili (SV) del substrato non deve essere eccessiva rispetto alla quantità di solidi volatili dell inoculo. Il rapporto tra i solidi volatili del substrato da valutare e quelli dell inoculo deve essere superiore ad almeno 0,5. La miscela viene posta in un piccolo digestore, una bottiglia dal volume totale di circa ml (riempita per circa il 70%), posizionata in un armadio termostato in cui viene mantenuta costante la temperatura di processo (Fig.1). Contemporaneamente viene condotto un test in batch con solo inoculo, in modo da poter sottrarre alla produzione di biogas della miscela l effetto di produzione residua dell inoculo stesso. Il processo si innesca rapidamente, grazie alla presenza della flora microbica presente nell inoculo, e la produzione di biogas inizia sin dai primi giorni del test. La curva di produzione cumulativa di biogas presenta, normalmente, una prima parte di crescita intensa per poi ridurre la velocità di produzione, in una seconda fase, sino a tendere nell ultima parte ad un asintoto orizzontale, che rappresenta il valore massimo di produzione. La misura della quantità di biogas prodotto avviene con due metodologie: manometrica e massica. Nel primo caso la misura avviene direttamente all interno del digestore misurando l incremento di pressione nello spazio di testa dovuto alla generazione di anidride carbonica (CO 2 ) e di metano (CH 4 ). Nel secondo caso la misura avviene all atto dell analisi della qualità del biogas con un sensore massico a dispersione termica (misura la massa di biogas fluente attraverso una correlazione con la dissipazione di calore da una superficie riscaldata, corretta per la composizione specifica del biogas analizzato). Accanto alla misura del volume, il test prevede anche la determinazione della qualità del biogas prodotto. La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica delle sostanze contenute nel substrato e dai parametri fisico-chimici della prova. Il contenuto di metano varia solitamente tra il 50% e l 80% in volume, mentre quello dell anidride carbonica varia nell intervallo tra il 20 e il 50%. Nel biogas solitamente sono presenti anche basse concentrazioni di 424

3 idrogeno, ammoniaca, idrogeno solforato e altri gas in tracce. Il test BMP statico viene generalmente prolungato fino a quando la produzione marginale del giorno è pari a più dell 1% di tutta la produzione accumulata. La misura viene fatta in continuo e la curva cumulata della produzione fornisce anche importanti informazioni in merito alla velocità di degradazione [5]. Fig.1 Dispositivo per la determinazione del BMP con test statico progettato da CRPA Descrizione prova Sono stati effettuati 6 test del potenziale biometanigeno di diversi sottoprodotti provenienti dall industria agro-alimentare: 1) Olio di scarto proveniente da un industria alimentare dolciaria 2) Farinaccio proveniente dall industria molitoria 3) Acqua di reidratazione di prugne proveniente dall industria di trasformazione della frutta 4) Spezzato di mais proveniente dalla macinazione del granoturco 5) Scarto prodotto dolciario 6) Sansa non denocciolata proveniente dall industria olearia 2.2 Risultati I test di BMP sono stati condotti per periodi di tempo variabili a seconda della degradabilità della matrice analizzata. Preventivamente le matrici sono state caratterizzate chimicamente. Di seguito sono riportate le analisi (Tab.1). 425

4 ph ST Solidi Totali SV Solidi Volatili NTK Azoto totale Matrice [-] [g/kg tq] [% ST] [% ST] N-NH 4 + Azoto Ammon. [% NTK] TOC Carbonio Totale C/N [% ST] [-] 1) Olio di scarto NR 999,6 99,8 0,10 NR 99,0 1028,7 2) Farinaccio 6,56 872,0 94,5 3,15 0,27 51,0 16,2 3) Acque reidrat. prugne 4,14 147,9 74,3 0,46 NR COD (*) NR 4) Spezzato di mais 5) Scarto prodotto dolciario 6,1 892,2 97,0 1,5 0,2 42,5 27,7 6,41 981,9 98,9 1,12 NR 53,2 47,6 6) Sansa 4,43 416,1 97,1 0,99 0,65 56,0 56,6 (*) Domanda chimica di ossigeno [mg O 2 /l]. Tab. 1 Caratteristiche analitiche delle matrici utilizzate nei test di digestione anaerobica. Come si può osservare dalle caratteristiche chimico-fisiche, le matrici testate sono di notevole interesse per l invio in digestione anaerobica, perché ricche di sostanza organica. Oltre il 90% dei solidi totali sono rappresentati dai solidi volatili nella maggior parte delle matrici, ad eccezione dell acqua di reidratazione delle prugne (74% dei solidi totali). Un fattore da considerare è il tenore di umidità a volte elevato e variabile nel tempo che rende difficile una eventuale conservazione. Nella Tab.2 vengono riportati i valori di BMP, ovvero la quantità di biogas e metano ottenuto dalla degradazione dalle biomasse sottoposte ai test, espresso come Nm 3 / kgsv. In tabella è inserito anche il valore di BMP del silomais che rappresenta la coltura energetica più comunemente trattata negli impianti di digestione anaerobica e quindi utile come confronto con la potenzialità produttiva delle matrici agroindustriali analizzate. Tale dato è il risultato della media di test di BMP effettuati su 5 campioni di insilato di mais. BMP % CH Matrice [Nm 3 biogas/tsv] [Nm 3 CH 4 /tsv] 4 nel biogas 1) Olio di scarto industria dolciaria 1175,6 817,8 69,6% 2) Farinaccio industria molitoria 661,5 345,0 52,2% 3) Acque di reidratazione prugne secche 761,0 404,6 53,2% 4) Spezzato di mais 687,6 340,3 49,5% 5) Scarto prodotto dolciario 825,1 441,6 53,5% 6) Sansa industria olearia 259,9 182,8 70,3% Insilato di mais (*) 647,8 ± 28,7 323,3 ± 11,9 49,8 ± 1,3 (*) Valore medio di 5 analisi BMP di differenti campioni di silomais con un tenore di ST medio pari al 327,5 ± 49,5 g/kg e i SV pari al 96,5 ± 0,3% degli ST. Tab. 2 Valori del potenziale metanigeno e percentuale di metano nel biogas. 426

5 I valori di potenziale metanigeno ottenuti sono in quasi tutti i campioni elevati e confrontabili con quello dell insilato di mais, ad eccezione della sansa che presenta un valore basso (182,8 Nm 3 CH 4 /tsv) dovuto alla lignina contenuta nei noccioli presenti in questa matrice, componente difficilmente degradabile. In particolare si osserva il potenziale estremamente alto nell olio di scarto (817,8Nm 3 CH 4 /tsv) dovuto al contenuto elevato di lipidi. Oltre alla produzione di biogas è stata misurata la composizione in metano del biogas necessaria anche per consentire il calcolo del BMP. In Fig.2 vengono riportate le curve di produzione cumulativa del metano delle matrici testate. Sull asse delle ascisse viene rappresentato il tempo in giorni, sull asse delle ordinate la produzione di metano. Fig. 2 Trend di produzione di metano nelle sei matrici sottoposte al test del BMP. Si osservano evidenti differenze dovute principalmente alla natura e concentrazione di molecole organiche a diversa biodegradabilità contenute nella sostanza organica presente nelle biomasse sottoposte a test. L attività enzimatica idrolitica determina la velocità complessiva del processo. L idrolisi di proteine e lipidi è più lenta di quella dei carboidrati. Inoltre una matrice organica composta da sostanze organiche semplici e solubili viene rapidamente e completa- 427

6 mente convertita in biogas, rispetto ad una miscela più eterogenea. Nel caso dell acqua di reidratazione delle prugne (matrice omogenea e ricca di zuccheri) e dello scarto del prodotto dolciario, si osserva nella prima parte delle curve una crescita più intensa, che invece, si evidenzia più lenta nell olio di scarto in cui la lentezza dell idrolisi è dovuta all elevato contenuto lipidico. L ultima parte corrispondente ad un asintoto orizzontale, rappresenta il valore massimo di produzione. Nelle prove effettuate si raggiunge in tempi diversi: nello spezzato di mais già dopo circa 10 giorni la curva non cresce più. Nel grafico di Fig.3 è riportato il trend di produzione medio di biogas e metano degli insilati di mais sottoposti ai test di BMP. Si osserva un comportamento netto differente nelle due fasi: la prima più rapida dovuta alla presenza di componenti rapidamente biodegradabili (l amido), la seconda più lenta dovuta al contenuto di frazione fibrosa difficilmente attaccabile dalla flora microbica. Il potenziale massimo viene raggiunto in circa 45 giorni, un periodo più lungo rispetto alle matrici precedentemente analizzate. Fig. 3 Trend medio di produzione del biogas e del metano dell insilato di mais. 3. Conclusioni L agro-industria produce quantità non trascurabili di scarti e sottoprodotti di natura organica di ottima qualità e idonei all uso in digestione anaerobica. Il loro utilizzo per la produzione di biogas può consentire da un lato di aumentare la potenzialità produttiva dei piccoli impianti alimentati a soli effluenti zootecnici e dall altra di diminuire l utilizzo di colture dedicate negli impianti di maggior dimensione [6]. I tempi di digestione dei diversi sottoprodotti sono molto diversi fra di loro e dipendono dalle caratteristiche chimiche delle singole matrici organiche. Il test BMP consente di raccogliere molte informazioni in merito all utilizzo e alla compatibilità di co-digestione: oltre alla potenzialità di produzione di metano, vero e proprio scopo del test, le curve di produzione possono essere utilizzate per verificare la presenza di eventuali latenze, inibizioni, la velocità di degradazione (ovvero il tempo di ritenzione idraulico necessario) e la compatibilità con l inoculo utilizzato, ovvero del digestato presente nell impianto di riferimento. In definitiva, la co-digestione dei sottoprodotti, per garantire il buon funzionamento di un impianto, deve essere fatta verificando sempre la compatibilità delle diverse matrici utilizzate e rispettando al contempo tutte le condizioni minime di processo delle biomasse a maggiore valore energetico ed economico [7]. Dal punto di vista formale, infine occorre prestare la massima attenzione alle modalità con cui si gestiscono i flussi di queste matrici, che devono 428

7 entrare nell impianto di biogas agro-zootecnico come sottoprodotti ai sensi del D.Lgs. n.152/ 2006 e successive modifiche ed integrazioni e come tali devono rispettare tutte le condizioni ivi previste. In caso contrario tali flussi possono essere classificati rifiuti, con tutte le ripercussioni del caso che questo comporta. Bibliografia [1] CRPA (a cura di) (2008) Energia dal biogas Manuale pratico, AIEL. [2] Opuscolo CRPA 6.23 n.5/2011 -Biogas: i metodi di valutazione del potenziale metanigeno. [3] Fabbri., Piccinini S., (2011), Medtodi di valutazione del potenziale metanigeno, Terra e vita, Il Sole 24 Ore Business media, 52: [4] Rossi L., Piccinini S., (2009) Caratteristiche di sottoprodotti e scarti dell industria agro-alimentare avviabili a recupero di energia e/o di materia, Atti di ECOMONDO 2009, Maggioli editore, [5] Norma UNI EN ISO 11734:2004, Qualità dell acqua Valutazione della biodegradabilità anaerobica ultima di composti organici in fanghi digeriti Metodo per la misurazione della produzione di biogas, 2004 [6] Rossi L., Piccinini S., Soldano M., Labartino N. (2006), Recupero e valorizzazione energetica (biogas) e di materia (fertilizzani e mangimi) degli scarti organici di origine agro-industriali: indagine qualiquantitativa, Atti di ECOMONDO 2006, Maggioli editore, 316,1: [7] Soldano M, Piccinini S., Rossi L., Labartino N. (2007), Rese di co-digestione di scarti agro-industriali in reattori pilota a ciclo continuo, Atti di ECOMONDO 2007, Maggioli editore, 317,1: [8] Vismara R., Canziani R., Malpei F., Piccinini S. (2011), Biogas da agrozootecnia e agroindustria. Dario Flaccovio Editore. 429