1.2 Reflui del computo agro-alimentare: le

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1 Capitolo 1 Introduzione 1.1 Le biotecnologie ambientali Le biotecnologie consistono nella integrazione di scienze naturali ed ingegneria al fine di ottenere beni e servizi dall impiego di organismi, cellule, loro componenti ed analoghi molecolari [1]. Le biotecnologie per l ambiente consistono nell applicazione di processi biotecnologici allo scopo di proteggere e ripristinare la qualità del nostro ambiente [1]. 1.2 Reflui del computo agro-alimentare: le acque di vegetazione Fra le difficoltà che l industria moderna, in particolare quella agro-alimentare, si trova a dover fronteggiare, il trattamento dei refui occupa certamente un ruolo di primissimo piano. Il marcato carattere inquinante di taluni reflui unitamente agli elevati costi da affrontare per il loro efficace smalti- 1

2 mento in ottemperanza alle normative vigenti [2] rendono la loro gestione particolarmente impegnativa. L industria olearia rappresenta, nel comparto agro-alimentare, una realtà fortemente penalizzata dai processi di smaltimento dei reflui. Il processo di estrazione dell olio dalle olive, sia in continuo sia in discontinuo è schematizzato in figura 1.1 ed è riconducibile alle seguenti fasi: pulitura e lavaggio delle olive frangiatura delle olive gramolatura della pasta ed estrazione della fase oleosa dalla fase acquosa La produzione di olio è caratterizzata dalla formazione di due principali sottoprodotti: la sansa e le acque di vegetazione. La prima è una fase solida umida costituita da bucce e semi di olive, la seconda, invece, una fase liquida torbida di colore marrone ad alto contenuto di composti organici quali zuccheri, grassi e polifenoli. L evoluzione della tecnologia di estrazione ha determinato una sensibile riduzione dell impiego degli impianti di estrazione discontinui a pressione, che richiedono molta manodopera, a favore di impianti continui trifasici che puntano all utilizzo del sistema centrifugo per la separazione delle fasi. La frazione acquosa delle olive è, in relazione alle caratteristiche del raccolto, circa il 40-50% del peso della drupa; l acqua aggiunta per il lavaggio delle olive corrisponde a circa il 5% del peso delle olive lavorate mentre quelle di lavaggio degli impianti di estrazione rappresentano il 5-10% del peso delle olive. Pertanto risulta che il refluo prodotto nel processo di estrazione tra- 2

3 dizionale dell olio 1 corrisponde al 50-65% del peso delle drupe lavorate. Nel caso dei processi di estrazione centrifuga (impianti continui), la quantità specifica di refluo deve essere aggiornata per includere anche l acqua usata per la fluidificazione delle paste in fase di estrazione per agevolare la fuoriuscita dell olio. Ne consegue che la produzione di refluo acquoso raggiunge valori che oscillano, in relazione alle caratteristiche della pasta ed alle condizioni di estrazione, tra volte il refluo ottenuto nel processo di estrazione tradizionale [3]. Ciò comporta un maggior grado di diluizione delle acque di vegetazione a fronte di una maggiore portata da trattare (tabella 1.1). Processi mirati al miglioramento della qualità prevedono la modifica del ciclo di estrazione centrifuga da trifasico a bifasico, riducendo o eliminando l aggiunta di acqua, influenzando in tal modo l intera filiera olearia. Pertanto, gli impianti di estrazione olearia si stanno, attualmente, specializzando secondo direzioni che prevedono sempre una riduzione sensibile nell immissione dell acqua in fase di processo. I suddetti sistemi innovativi di estrazione centrifuga bifasica prevedono che la pasta olearia possa essere frazionata in due sole fasi, olio e sansa molto umida, oppure in tre fasi e cioè olio, sansa meno umida e piccole frazioni di acqua. Benchè i processi bifasici di e- strazione dell olio non producano grandi quantità di acque di vegetazione essi risultano, dal punto di vista ambientale, meno adeguati dei processi trifasici; infatti la sansa prodotta nel processo bifasico contiene sia le frazioni solide delle olive sia il carico organico e l acqua delle acque di vegetazione, risultando non idonea al tradizionale smaltimento per combustione. Si viene inoltre quasi a raddoppiare l ammontare di sansa prodotta che peraltro non può essere utilizzata per l estrazione dell olio con esano (olio di sansa) causa 1 riferito al processo discontinuo 3

4 Figura 1.1: Schema del processo di estrazione dell olio di oliva in modalità discontinua (A) e continua (B) [4] 4

5 la sua elevata umidità (58-62%) [3]. Nel processo continuo trifasico mediante gli impianti tradizionali si ottengono una sansa con umidità accettabile (48-54%) ed elevate quantità di acqua di vegetazione. Il problema dello smaltimento dei reflui dell industria olearia è particolarmente avvertito nei paesi del mediterraneo. Il 50% delle spese di produzione dell olio dipendono dallo smaltimento dei reflui [3]. Il 90% delle aziende produttrici di olio d oliva dell Unione Europea sono situate in Italia, Spagna e Grecia, producendo il 98% dell olio d oliva d Europa; il 97% dell olio di oliva nel mondo è prodotto nell area Mediterranea. Una potenziale via di smaltimento dei reflui oleari è rappresentata dalla fertirrigazione, essendo i reflui oleari ricchi di elementi minerali e componenti organici in grado di umificare il terreno. In materia il legislatore italiano ha emanato il Decreto Legislativo 574/96 [2] in cui regola lo smaltimento delle acque di vegetazione mediante l utilizzo della tecnica della fertirrigazione. In esso vengono limitati i quantitativi di acque di vegetazione spargibili per unità di superficie nell arco di un anno a 50 m 3 per ettaro -per frantoi a processo discontinuo- e ad 80 m 3 per ettaro -per frantoi a processo continuo trifasico. Sono disponibili molte evidenze discordanti dei possibili effetti negativi che l applicazione dei reflui oleari tal quali, sia freschi in uscita dai frantoi sia dopo un certo periodo di lagunaggio, ha sul suolo e sui comparti ambientali limitrofi, quali le acque profonde e superficiali, nonchè sulla biomassa naturale del suolo. Il fatto che l applicazione di reflui oleari tal quali, cioè non sottoposti ad alcun trattamento correttivo e/o migliorativo, abbia dato e possa dare risposte sul suolo e sulle colture così diverse e contraddittorie, anche in funzione delle modalità e delle dosi di spandimento, non deve 5

6 Parametri Processo discontinuo Processo continuo Solidi totali (g/l) Solidi volatili totali (g/l) Ceneri (g/l) TOC (g/l) ph BOD 5 (g/l) COD (g/l) Peso specifico (g/cm 3 ) Conduttività mmhos/cm Zuccheri totali (g/l) Grassi ed olii (g/l) Proteine Totali (g/l) Acidi organici (g/l) Composti fenolici (g/l) Tannini(g/L) Pectine(g/L) Potassio come K 2 O(g/L) Sodio come Na 2 O(mg/L) Calcio come CaO(mg/L) Magnesio come M go(mg/l) Zolfo totale (mg/l) Manganese (mg/l) Rame (mg/l) Tabella 1.1: Caratteristiche delle acque di vegetazione 6

7 sorprendere se si considera che i potenziali siti di applicazione di tali reflui sono caratterizzati da elevata eterogeneità chimico-fisico-biologica, differente pratica agronomica e composizione della flora, differente clima e piovosità. Inoltre l elevata salinità e acidità delle acque di vegetazione (tabella 1.1), associata all alto contenuto di sostanze polifenoliche ad effetto fitotossico, limitano la loro applicazione nella fertirrigazione Trattamento delle acque di vegetazione Il carattere inquinante delle AV può essere contenuto sottoponendo le stesse a processi sia di tipo chimico-fisico sia biologico [5]. I processi chimicofisici privilegiano innanzitutto la drastica riduzione dei volumi da smaltire. Essi comprendono la concentrazione dei reflui per distillazione o evaporazione, la filtrazione, la chiari-flocculazione e la combustione. I processi biologici possono essere sia anaerobici sia aerobici. I primi comprendono il lagunaggio, il trattamento in reattori continui a perfetta miscelazione mediante co-digestione con matrici organiche poco refrattarie (fanghi di depurazione) e ancora l utilizzo di speciali tipologie di reattori a contatto quali i reattori Up-flow Anaerobic Sludge Blanket. I processi aerobici comprendono il trattamento con fanghi attivi e con filtri percolatori. Entrambi i processi prevedono la trasformazione dei composti contaminanti in elementi minerali non inquinanti e la produzione di elevate quantità di biomassa. Sebbene alcuni di questi processi si siano dimostrati idonei a ridurre il carattere inquinante delle acque di vegetazione, essi sono limitatamente diffusi per l elevato impegno economico che ciascuna impresa di macinazione delle olive deve affrontare. 7

8 1.3 Le biotecnologie nel biorisanamento delle acque reflue 1.3 Le biotecnologie nel biorisanamento delle acque reflue All inizio del ventunesimo secolo i processi biotecnologici basati su fermentazioni cellulari o trasformazioni enzimatiche trovano applicazione in svariati campi quali quello alimentare, farmaceutico, tessile ed ambientale. In generale l implementazione su scala industriale dei processi biotecnologici richiede lo sviluppo combinato di sistemi biologici (enzimatici o cellulari) di interesse e delle tecnologie industriali (individuazione ed ottimizzazione) idonee a favorire le trasformazioni desiderate, rispondendo al tempo stesso a requisiti di operabilità ed economicità di mercato. La figura 1.2 riporta uno schema generale di una linea di processo caratterizzato dall impiego di un catalizzatore biologico: si possono individuare una linea di pretrattamento (upstream), una linea di pre-coltura della fase biologica, un unità reattoristica (bioreattore), ed una linea di separazione e/o purificazione dei prodotti di processo (downstream). Sono considerati processi di upstream la sequenza delle operazioni unitarie atte a modificare la corrente contente i substrati da trattare biologicamente al fine di garantire un elevata produttività. Si annoverano tra questi le operazioni di centrifugazione/sedimentazione, sterilizzazione e filtrazione. I processi di downstream sono mirati alla concentrazione e purificazione del prodotto. Tra questi si annoverano i processi di centrifugazione, e- strazione, ultrafiltrazione, cromatografia, osmosi inversa, cristallizzazione ed elettroforesi. Tipicamente in un processo di biorisanamento ambientale queste operazioni sono assenti poiché lo scopo è quello di ridurre/sopprimere il 8

9 1.4 Criteri generali per lo sviluppo di un bioreattore Figura 1.2: Schema tipo di processo biotecnologico potere inquinante dei reflui Il bioreattore è un reattore in cui biosistemi 2 sono preposti alla conversione/produzione di sostanze di interesse in condizioni di esercizio (brodo di coltura, ph, temperatura, aerazione, ecc.) idonee a massimizzare le potenzialità del processo. 1.4 Criteri generali per lo sviluppo di un bioreattore La scelta dell appropriata unità reattoristica per lo sviluppo di una fermentazione si basa su una accurata conoscenza dei parametri che definiscono: la fluidodinamica del reattore il trasporto di materia tra le fasi la cinetica di reazione 2 microrganismi e/o enzimi da essi prodotti 9

10 1.4 Criteri generali per lo sviluppo di un bioreattore La caratterizzazione della fluidodinamica prevede la determinazione del moto delle fasi fluide e di quelle solide, del grado di miscelazione e del campo di pressione. Nella maggioranza dei processi biotecnologici la fluidodinamica del sistema condiziona, tra l altro, la velocità di trasferimento di materia tra le fasi. L esempio più peculiare è rappresentato dalle fermentazioni aerobiche nelle quali l ossigeno è, fra i nutrienti apportati, il substrato meno solubile. Come dimostrato in letteratura, una popolazione microbica in respirazione attiva può consumare l ossigeno presente in una soluzione satura d aria ( 7 mg/l) in un tempo variabile da pochi secondi a poche decine di minuti a seconda del microrganismo e delle altre variabili che influenzano la cinetica di respirazione. Tale elevata velocità di consumo determina la necessità di un continuo apporto di ossigeno al sistema se si desidera preservare un elevata produttività e la sopravvivenza del microrganismo stesso. L apporto di ossigeno deve essere garantito intensificando il processo di trasferimento dell ossigeno dalla fase gassosa a quella liquida e questo può essere ottenuto agendo sul coefficiente di trasporto globale di materia gas-liquido per unità di volume (K L a L ). In particolare, in condizioni stazionarie la velocità di consumo di ossigeno da parte del microrganismo deve uguagliare la velocità di trasferimento dell ossigeno dalla fase gas alla fase liquida: K L a L (O eq 2,L O 2,L)V L = OCR(O 2,L )XV L (1.1) dove, K L è il coefficiente globale di trasferimento di materia liquido-gas lato liquido, a L è la superficie di scambio di materia liquido-gas per unità di volu- 10