La gestione anaerobica: come gestire e controllare il processo

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1 La gestione anaerobica: come gestire e controllare il processo Andrea Formigoni andrea.formigoni@unibo.it Convegno Il futuro del Biogas piccolo e zootecnico Bastia Umbra, 9 ottobre 2013

2 BFB: analisi 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

3 Valutazione economica dei substrati In base al contenuto in sostanza secca (S.S.) Prodotto A = 25% s.s. = 75% acqua; costo 5 ton. Prodotto B = 50% s.s. = 50% acqua; costo 10 ton. Il costo è uguale!!!! In base al contenuto in sostanza organica (S.O.) Le ceneri non apportano energia (anche se sono utili ai batteri) In base al contenuto in sostanza organica potenzialmente degradabile (S.O.P.D.) Sostanza organica che si prevede possa essere utilizzata in un dato tempo di fermentazione

4 Caratteristiche del sorgo da foraggio e silomais caratteristica Silo sorgo Silomais Sostanza secca % stq Pg % ss Amido % ss Ceneri % ss NDF % ss ADL % ss dndf 24h % dndf 240h % pdndf-kd %/h

5 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

6 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

7 Punti critici per fermentazioni equilibrate e efficienti Controllo della temperatura Miscelazione e tempi di ritenzione Controllo del ph Quantità e qualità dei substrati Equilibrio dei nutrienti utili per l azione dei microorganismi

8 BFB: scelta temperatura Mesofilia (39-42 C) A questa temperatura si da la possibilità ad un numero più ampio di microrganismi di crescere e moltiplicarsi Più sicura la gestione dei cambi di alimentazione Termofilia (48-50 C) Processi digestivi più celeri Attenzione a non esagerare.effetto batteriostatico

9 Controllo del ph Valori ottimali > Ottimale produzione di CH4 Ottimale resa del motore Il ph tende ad abbassarsi per l accumulo di acidi (C3, C4, ecc.) che derivano dalla idrolisi dei carboidrati Il ph tende a crescere se gli acidi vengono consumati e in funzione del potere tampone del sistema

10 Come controllare il ph? Più pasti nell arco della giornata Adeguamento della dieta in funzione della velocità di degradazione dei substrati Zuccheri> Amidi> fibre «veloci»>fibre «lente» Trasferimento di digestato fra diverse vasche di fermentazione o fra diversi strati Effetto tampone esercitato da acqua (diluizione) o liquami (anche per apporto di azoto

11 Miscelazioni e controllo ph Fermentatore 1 Fermentatore 2 Digestato a >ph e metanigeni Agv e substrati non fermentati

12 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)

13 Tempi di ritenzione I tempi di ritenzione sono influenzati dalla dimensione degli impianti (volumi) e dalla natura dei substrati E necessario progettare l impianto in funzione dei substrati Sono richiesti impianti di volumi maggiori per lo sfruttamento di liquami e residui fibrosi caratterizzati da tempi di fermentazione lenti Adeguare le razioni al tipo di impianto: no troppi liquidi

14 Importanza del tempo di ritenzione Tempo ritenzione (giorni) Tasso di passaggio (%/h) Costante di degradabilità (Kd-%/h) Substrato degradato %

15 Importanza della costante di degradabilità del substrato Tempo ritenzione (giorni) Tasso di passaggio (%/h) Costante di degradabilità (Kd-%/h) Substrato degradato %

16 BFB: Fase agronomica La scelta dei piani colturali deve tenere conto delle caratteristiche del terreno e della disponibilità di acqua e nutrienti utili alla pianta Colture vernine estive Tenere conto dei costi di produzione da riferire alla sostanza organica potenzialmente degradadabile Produrre lignina costa e non è utile 16

17 BFB: raccolta Elevare la produzione di S.O.P.D. Insilati mais = 36-40% sostanza secca Attenzione cantiere di raccolta Conservare efficientemente : perdite da percolati perdite da fermentazioni aerobie e muffe Desilamento Dimensione trincee eccessive in rapporto ai consumi (25-30 cm avanzamento al giorno) 17

18 Percolato Perdite totali Perdite pecolati Perdita di S.S. % Sostanza solida % H. Mittermair

19 Senza sovraccarico trincea! Copertura ottimale! Rivestimento ermetico! Tecnologie di conservazione H. Mittermair

20 BFB: gestione delle razioni > costanza di apporti > costanza biologica >costanza di produzione Utilizzare solo substrati di origine nota e certificata Nel caso delle deiezioni utilizzarle quanto più «fresche» possibile per evitare perdite di energia

21 BFB: 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 e estrusione

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25 Perdita di energia per l`ingresso aria Desilamento H. Mittermair

26 BFB: Gestione oculata delle scorte Corretta stima e gestione delle scorte per evitare troppi cambi di razione Preferibili integrazioni alla dieta di base durante tutto il periodo dell anno piuttosto che gestire più cambi Il biogas «di oggi» è il frutto dei processi fermentativi che si cumulano per settimane Gli errori si pagano nel tempo ATTENZIONE!!! Importante la fase previsionale

27 BFB: Migliorare l utilizzo delle deiezioni aziendali 27

28 Cosa sono le deiezioni? Le deiezioni rappresentano i prodotti terminali dei processi digestivi (feci) e metabolici (urine) degli animali Tanto più elevata è l efficienza di utilizzazione degli alimenti tanto più «povere» sono le deiezioni Efficienza decrescente da monogastrici (polli, suini) a poligastrici (ovini, bovini, bufale) Alle deiezioni possono essere aggiunti materiali di diverso tipo; nel caso di aziende con biogas necessario un approccio integrato 28

29 Gestione integrata delle deiezioni in azienda con biogas Se possibile utilizzare le deiezioni rapidamente Ogni forma di stoccaggio determina perdite di potenziale metanigeno Utilizzare materiali di lettiera dotati di buon potenziale fermentativo In genere migliora anche il benessere animale e le loro rese produttive Evitare l utilizzo di materiali «inerti» o peggio inibenti l attività fermentativa 29

30 Deiezioni Avicoli (polline) composizione fortemente dipendente da tipologia di allevamento (ovaiole, broilers, tacchini; in gabbia o a terra, ecc.) deiezioni relativamente povere di glucidi e ricche di azoto e minerali Suini basso contenuto in sostanza secca e buona disponibilità di azoto Possibile miglioramento con lettiere 30

31 Deiezioni Bovini, Bufali, Ovini Variabili in funzione della presenza e tipo di lettiera Sostanza secca elevata e buone quantità di fibre 31

32 Esempio di virtuosa integrazione zootecnia biogas: il caso delle vacche da latte Nelle vacche da latte la pulizia delle zone di riposo è un fattore di criticità per la sanità della mammella, la qualità del latte e il benessere animale L uso di quantità maggiore di materiale di lettiera utile anche come substrato fermentativo migliora il benessere animale, le risposte zootecniche e. le rese in biogas Materiali utili: paglie, crusche, ecc.

33 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 (fibre) % s.s Lipidi % s.s (Formigoni, 2012)

34 Predizione di Produzione

35 Predizione di Produzione: Alidigestore 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

36 Conclusioni BFB: I migliori risultati si ottengono perseguendo la costanza di gestione alimentare e controllando il processo fermentativo