La digeribilità dei sottoprodotti

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1 Corso di Formazione Piacenza, 8 marzo 2012 La digeribilità dei sottoprodotti Andrea Formigoni [email protected]

2 La digeribilità dei sottoprodotti Andrea Formigoni Convegno CRPA

3 Obiettivo dei produttori Produzione elevata e costante metano Elevata efficienza di utilizzazione dei prodotti impiegati (resa) Riduzione dei costi Ottimizzazione dei foraggi aziendali Razionale impiego di sottoprodotti Aziendali Mercato

4 Punti critici per la produzione efficiente di metano Fermentazioni equilibrate e efficienti Miscelazione e tempi di ritenzione Controllo della temperatura e del ph Quantità e qualità dei substrati Equilibrio dei nutrienti > costanza di apporti > costanza biologica >costanza di produzione

5 Stima della resa in metano da parte dei diversi alimenti Approccio comparativo Condizioni standard di fermentazione Valutazione dei singoli alimenti per fermentazione Punti critici del sistema Variabilità della composizione degli alimenti Effetti associativi nelle diete reali non sono distinguibili

6 Stima della produzione di metano (Ammon, 2007) CH4 = 306,03 (±62,10) + 76,95 (±87,14) Proteine + 7,04 (±2,52) Lipidi ,19 (±1523,06) ADL 327,25 (±337,28) HCEL 496,06 (±508,28) CEL + 454,9 Amido (±462,2) STC 444,58 (±486,66) Zuccheri

7 Stima della resa in metano dei diversi alimenti Approccio dinamico Stima delle componenti potenzialmente degradabili negli alimenti Stima della crescita batterica e del suo costo energetico Stima del fabbisogno batterico Stima delle interazioni positive e negative fra nutrienti e ambiente fermentativo Stima della resa NETTA in metano (RNM)

8 Chi opera le fermentazioni? Nel biodigestore la produzione di metano avviene per l azione di microrganismi che degradano la sostanza organica e producono intermedi che sono utilizzati dai metanigeni per produrre metano Necessario soddisfare i fabbisogni di queste comunità Necessario evitare fattori stressanti

9 Caratteristiche e fabbisogni ecosistema microbico nei digestori Microrganismi Substrato energetico Substrato azotato Prodotto terminale ph ottimale t crescita Tempo replicazione Fabbisogno mantenimento Cellulosolitici Fibre degradabili Zuccheri NH3 isoacidi Acetato > Lento Modesto Amilolitici Amido Zuccheri Peptidi NH3 Propionato Veloce Elevato Proteolitici Amido Proteine NH Veloce Elevato Metanigeni mesofili Metanigeni termofili Acetato Zuccheri Propionato Zuccheri < NH3 CH4 > Lento Modesto > NH3 CH4 > Lento Modesto

10 Quanto costano in energia i batteri? Cellulosolitici 0,05 g di fibra degradabile/grammo di batteri/ora Prevalente produzione di acetato Amilolitici 0,15 g di amido/grammo di batteri/ora Prevalente produzione di propionato Il sistema più efficiente per la produzione di metano è quello che utilizza fibra

11 Composizione degli alimenti Alimento sul tal quale Acqua (umidità) Sostanza secca Sostanza inorganica (ceneri) Sostanza organica (SO) - SO Potenzialmente Degradabile - Zuccheri - Amidi - Fibre degradabili - SO Indegradabile - N legato alla fibra - lignina - fibra legata a lignina

12 Digeribilità della sostanza organica: zuccheri e amidi Gli zuccheri degradano molto velocemente (poche ore), nutrono molte comunità di batteri e rendono molto in termini di metano Gli amidi degradano abbastanza velocemente (da alcune ore a pochi giorni), nutrono i batteri amilolitici e sono meno efficienti nel produrre metano

13 Digestione della fibra Processo lungo e laborioso operato da batteri cellulosolitici I batteri adesi alle particelle di alimento secernono enzimi che liberano il glucosio da pectina, emicellulosa, e cellulosa La digestione è ostacolata e inibita dalla presenza di lignina che NON è digeribile Per essere completamente digerita la fibra deve essere trattenuta nel digestore per un tempo relativamente lungo; se questo non avviene una parte della fibra non è digerita (presente nel digestato finale)

14 Digestione batterica della parete della cellula vegetale Colonizzazione Inizio Digestione Digestione profonda lignina cellulosa Chesson (1993) emicellulosa

15 Anatomia della cellula vegetale & digestione batterica La digestione batterica procede dal lume all esterno Parete primaria Parete secondaria [Lignina] è più alta nella parete primaria che spesso non è digerita Lume gra Basso Gradiente di lignina Alto

16 Quanto velocemente I batteri digeriscono la parete cellulare? Tasso di digestione = 0.02μm/h Spessore della parete = 1-5μm Tempo di ritenzione nel rumine = 30 to 36 h ~20% della parete è digerita! Wilson and Mertens (1995)

17 Granulometria particelle e velocità di degradazione Nei digestori la velocità di digestione della fibra è: Batteri mesofili = 0.10 % / ora Batteri termofili = 0.16% / ora BM: 100/0.10=1000 ore = 41.7 giorni BT: 100/0.16= 625 ore = 26.0 giorni Nella bovina la fibra, grazie alla masticazione, e degradata ad una velocità del 3-5% ora 100/4=25 ore = 1 giorno circa

18 Fattori che facilitano la digestione della fibra Distruzione della cellula vegetale masticazione e processi tecnologici = superficie del materiale fibroso esposta all attacco dei batteri Basso contenuto di lignina Principale fattore intrinseco al substrato ph superiore a Adeguate disponibilità di azoto

19 Lignina Complesso di sostanze di natura non glucidica (fenoli) Ruolo di rafforzamento e protezione della cellulosa Aumenta la sua concentrazione nelle piante all avanzare della maturità e per diversi fattori genetici e ambientali Degradata dai funghi

20 Lignina e digeribilità della sostanza organica Rallenta l utilizzo della sostanza organica NON è digeribile e quindi non contribuisce a formare metano Rende indigeribile una parte più o meno rilevante di fibra che non contribuirà a formare metano La quota di fibra legata alla lignina è variabile negli alimenti

21 Rapporti fra Lignina e NDF indigeribile (indf) in alcuni alimenti indf/lignina n media Min. Max. Buccetta soia Polpe bietola Cruscami Farinaccio grano Medica Fieno misto Loietto Silomais Triticale (Dimorfipa, 2010)

22 Lignina & fibra indigeribile NDF, % Lignina, % indf/ lignina indf, % dndf, % dndf/ndf, %

23 Come si misura la quantità di fibra indegradabile? Sistemi di fermentazione in vitro che prevedono l impiego di liquor ruminale a contatto con alimento da testare per tempi molto lunghi (240 ore) Taratura di strumenti NIR per determinazioni rapide e più economiche

24 La razione dei biodigestori Le razioni debbono apportare tutti i nutrienti necessari alla crescita ed allo sviluppo di tutti i batteri Servono Energia Azoto Zuccheri, CHO non fibrosi e CHO fibrosi Minerali

25 Comportamento fermentativo delle principali fonti di Energia Zuccheri rapidamente degradati, non producono residui Carboidrati non fibrosi (amidi per es.) Fibre Velocemente degradate, non producono residui Velocità di degradazione molto variabile Dipende dalla lignina Producono quantità di residui variabili Lipidi Dipende dalla lignina Forte contenuto energetico ma. attività antibatterica e antifermentativa Prudenza!!!

26 Quali indicazioni per i digestori? Per la corretta stima del potenziale fermentativo delle fonti fibrose è necessario tener conto della lignina e della fibra indigeribile I batteri per fermentare al meglio la fibra debbono essere riforniti di tutti i nutrienti necessari Il trattamento fisico degli alimenti rende più veloce e completa la degradazione della fibra

27 Fattori che facilitano la digestione della fibra nei digestori Basso contenuto di lignina degli alimenti Principale fattore intrinseco al substrato Costanza di apporto Razioni costanti, pesate e miscelate Disponibilità di azoto e minerali Processi tecnologici > superficie del materiale fibroso esposta all attacco dei batteri

28 Gestione dei tempi di permanenza nel digestore Deve essere più lungo per prodotti a bassa velocità di degradazione La fibra è il substrato più difficile da degradare L immissione di troppi liquidi può accelerare il transito e dunque del materiale indigerito lascia il fermentatore prematuramente E possibile valutare questo parametro con l analisi del digestato

29 Maggiore efficienza: corretta gestione delle razioni Evitare l uso di substrati in cattivo stato di conservazione e non conosciuti Pesare con cura gli alimenti e preparare miscele omogenee e costanti nel tempo Evitare cambi bruschi di alimentazione Trattare fisicamente gli alimenti fibrosi Trinciatura, estrusione, ecc.

30 Maggiore efficienza: analisi degli alimenti Sostanza secca/umidità Azoto totale Azoto legato alla fibra Zuccheri e Amido Lipidi Ceneri Fibre degradabili e stima della velocità Fibre indegradabili

31 Maggiore efficienza: proposta di equilibrio nutrizionale delle diete Parametro Ottimale Limite inferiore Limite superiore Sostanza Secca % s.t.q Proteine % s.s Zuccheri % s.s Amido % s.s NDF % s.s Lipidi % s.s (Formigoni, 2012)

32 Conclusioni La lignina è il principale fattore intrinseco che limita la resa della fibra nella fermentazione anerobica Il trattamento meccanico degli alimenti permette una fermentazione più veloce e completa della fibra utilizzabile La copertura dei fabbisogni batterici consente un miglior equilibrio fermentativo