La fase idrolitica della DA come CONVEGNO La ricerca e l innovazione nelle bioraffinerie integrate Sergio Piccinini, Mirco Garuti, Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 5 Novembre 2015 Sala della Chimica Verde Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.
Le prospettive di sviluppo della filiera biogas
Introduzione IDROLISI Sostanza Organica da biomasse Proteine Carboidrati Lipidi Aminoacidi Zuccheri Acidi Grassi catena lunga + glicerolo ACIDOGENESI ACETOGENESI Acidi Grassi Volatili + alcoli NH 3 Acido Acetico H 2, CO 2 METANOGENESI Biogas (CH 4, CO 2 )
Tecniche di Obiettivi Effetto del sulle biomasse a) substrato senza b) incremento nella velocità di produzione di biogas c) aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e della quantità di biogas Adattamento da Montgomery et al. (2014) IEA Task 37 Technical Brochure.
Tecniche di Panoramica Fisico Chimico Biologico Combinato Meccanico Termico Disintegrazione elettrocinetica Acido Basico Microbiologico (idrolisi acida) Enzimatico Estrusione Steam Explosion Termochimico Ultrasuoni Cavitazione idrodinamica
Tecniche di : idrolisi acida biologica L idrolisi è la prima fase del processo di digestione anaerobica ed avviene in tutti gli impianti grazie all azione di enzimi esocellulari che disgregano le macromolecole. L efficienza idrolitica si massimizza in ambiente acido (ph=5,0-6,0) e viene consigliata per matrici ricche di frazioni fibrose e lipidiche. Il controllo di un digestore idrolitico può essere fatto solo in presenza di idonea: configurazione impiantistica: miscelatori, HRT (3-5 giorni) tipologia di biomassa (caratteristiche chimico-fisiche): incidono sulla miscelazione e sui pompaggi Pompaggi/ricircoli: più bassi possibile per ridurre alcalinità L idrolisi acida in fase separata è una «condizione gestionale» che esige un elevato standard di controllo analitico e operativo.
Come valutare i pretrattamenti Informazioni ottenute COD,sCOD test in batch viscosità, granulometria test in continuo Impianto pilota Tempo e investimento nella sperimentazione scala reale
CASO DI STUDIO 1: transizione da un processo di digestione anaerobica monofase ad uno bifase La transizione all idrolisi è stata effettuata in circa 10 13 giorni
CASO DI STUDIO 1: transizione da un processo di digestione anaerobica monofase ad una bifase COV del digestore idrolitico (kgsv/ m 3. gg) HRT del digestore idrolitico (giorni) Efficienza di sistema dell impianto di DA (kwh/kgsv) MONOFASE BIFASE 12,62±3,60 9,52±1,18 5,8±3,4 6,2±0,4 1,51±0,26 1,69±0,19 La transizione all idrolisi ha permesso di abbassare il COV e stabilizzare il flusso al carico all impianto Digestore idrolitico Digestore primario MONOFASE transizione BIFASE MONOFASE transizione BIFASE ph 7,64 7,07 6,18 7,87 7,72 7,80 ST (g/kg) 54,21 58,80 66,54 52,21 54,23 53,57 SV (g/kg) 30,79 37,82 45,97 28,77 31,63 31,25 COD (g O 2 /l) 42 70 125 51 55 59 Acidità tot. (mg/l) 5.418 8.784 16.998 6.614 6.720 6.357 Alcalinità tot. (mg/l) 14.974 10.721 4.835 14.522 13.220 13.213
CASO DI STUDIO 2: caratterizzazione di AGV in un processo di digestione anaerobica bifase IDROLISI: COV 26 kgsv/m 3 giorno 1 ; HRT 5,2 giorni Processo bifase con idrolisi acida pressoché costante da 2,5 anni LIQUAME SUINO 250 kwe BIOMASSE IN INGRESSO (Triticale, loietto, scarti dell orzo, sansa di oliva) 270 m 3 43 C DIGESTORE IDROLITICO 1500 m 3 43 C DIGESTORE Ricircolo (10-15% v/v) UTILIZZO AGRONOMICO
CASO DI STUDIO 2: caratterizzazione di AGV in un processo di digestione anaerobica bifase Digestore idrolitico Digestore metanigeno ph 5,43±0,35 7,48±0,16 Acidità totale 13.919±2.337 2.328±628 Alcalinità totale 2.459±1.229 7.590±1.184 Acido Acetico 7.009±1.443 243±124 Acido Propionico 2.761±1.265 76±31 Acido butirrico 3.014±1.138 <50 Acido iso butirrico 109±47 <50 Acido valerico 1.168±636 <50 Acido iso valerico 456±248 <50 Acido caproico 1.931±638 <50 Concentrazioni espresse in mg/l Il rapporto acido acetico / propionico è sempre maggiore di 2,5 Probabile fase mista idrolisi acidogenesi acetogenesi (DARK FERMENTATION) Pattern di acidi grassi volatili costanti: presupposto per potenziale utilizzo in piattaforme di bioraffineria.
Piattaforma AGV BIOMASSE DI SCARTO DIGESTIONE ANAEROBICA ACIDI GRASSI VOLATILI C2 Acido Acetico C3 Acido Propionico C4 Acido Butirrico C5 Acido Valerico C6 Acido Caproico Ho Nam Chang et al. 2008, 2010 (adattamento). PROCESSI BIOLOGICI E CHIMICI BIOCOMBUSTIBILI BIOCHEMICALS GAS LIQUIDI Biometano Bioidrogeno Etanolo Butanolo Biodiesel Bioplastiche Bulk chemicals Farmaceutica Industria tessile Altri deriv. chimici GIA AL LAVORO ZeaChem Terrabon KAIST Texas A&M Univ. Maine Univ. PRO Biomsse No enzimi No sterilizzazione CONTRO Pretrattamenti Fermentaz. miste Downstream
Conclusioni Impianti di biogas bifase (idrolisi + metanogenesi) necessitano di controlli più attenti per mantenere due tipi di biologia differenti Il parametro guida dell idrolisi è il ph (ottimale tra 5,0 6,0) che può essere regolato gestendo opportunamente il ritorno di alcalinità e batteri metanigeni con i ricircoli (non si usano reagenti chimici) Stati di transizione tra idrolisi e metanogenesi possono provocare temporanee diminuzione nella produzione di biogas e insorgenza di schiume L idrolisi permette di stabilizzare l intero processo di produzione di biogas e favorisce alimentazioni diversificate Con la Dark Fermentation (idrolisi acidogenesi acetogenesi) si producono H 2 e AGV di fondamentale importanza per le Bioraffinerie
Prospettive future
Ricerca Industriale E un laboratorio dedicato alla Ricerca Industriale Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna Sezione AMBIENTE ed ENERGIA
Grazie per l attenzione CONVEGNO La ricerca e l innovazione nelle bioraffinerie integrate www.crpa.it http://crpalab.crpa.it s.piccinini@crpa.it m.garuti@crpa.it c.fabbri@crpa.it 5 Novembre 2015 Sala della Chimica Verde Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.