BIOGAS I VANTAGGI DELLA CAVITAZIONE CONTROLLATA Pretrattare la biomassa migliora la digestione di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Il processo di digestione anaerobica consiste, come noto, in primo luogo nella degradazione della sostanza organica in composti semplici e successivamente nella conversione di questi in biogas. Ogni fase del processo è influenzata da molti parametri chimici e fisici, nonché complessi equilibri microbiologici. A seconda delle matrici organiche caricate nei digestori il processo può essere più o meno veloce e ciò dipende essenzialmente dalla complessità delle molecole che costituiscono le matrici organiche utilizzate: composti semplici come gli acidi organici e gli zuccheri semplici si degradano molto rapidamente, composti più complessi come gli aminoacidi, le frazioni fibrose e i lipidi richiedono tempi più lunghi. La velocità di degradazione rappresenta uno dei parametri più importanti nel dimensionamento della volumetria dei digestori e/o nella scelta delle tecnologie impiantistiche. In linea generale, l approccio normalmente utilizza- VANTAGGI DELLA TECNICA DI CAVITAZIONE Disponibilità dei succhi cellulari Accelerazione dei processi di idrolisi Accelerazione del processo di digestione anaerobica Principali benefici della cavitazione controllata sono: riduzione della pezzatura e della viscosità della biomassa con relativa facilità di miscelazione, aumento dell omogeneità e della pompabilità. Per questo trova applicazione nelle situazioni con matrici difficilmente degradabili o di pezzatura elevata to per sfruttare al meglio il potenziale energetico delle biomasse è quello di dimensionare i digestori in modo tale da garantire un tempo di ritenzione idraulica sufficiente ai batteri per degradare le molecole organiche: nel caso degli effluenti suinicoli, ad esempio, Alcuni studi hanno dimostrato che tramite la cavitazione la velocità di degradazione batterica può accelerare fino a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale si dimensionano i digestori con tempi di ritenzione di 20-25 giorni; nel caso degli effluenti bovini di 35-40 giorni; nel caso di biomasse dedicate di almeno 50-70 giorni. Quando si deve cambiare biomassa Tuttavia, spesso accade che la tipologia di matrici organiche, inizialmente previste nel piano di approvvigionamento dell impianto, debba essere modificata anche in modo radicale. Le cause sono molteplici: cattivo andamento stagionale che determina una scadente qualità delle biomasse dedicate prodotte (come successo ad esempio nell ultima annata agraria), variazioni importanti dei costi di approvvigionamento, nuove possibilità di utilizzare sottoprodotti agroindustriali, ecc. Tutte queste condizioni comportano, inevitabilmente, una modifica delle quantità e della qualità delle matrici al carico e una conseguente modifica delle caratteristiche chimico-fisiche della dieta. Non sempre le tecnologie di alimentazione, di miscelazione del digestore, di scarico del digestato e, non ultimo, i tempi di ritenzione disponibili sono tali da garantire il mantenimento di buone performance di conversione. Per aumentare la flessibilità impiantistica, e quindi garantire l allargamento delle possibilità di approvvigionamento, sono state proposte molte tecniche di pretrattamento delle matrici: fisiche (estrusione, triturazione, disgregazione con pulper, ecc.), termiche, chimiche, enzimatiche, tutte con lo scopo di accelerare il processo di degradazione della sostanza organica, ovvero velocizzare la fase idrolitica, o rendere maggiormente disponibili determinati composti organici. Ultrasuoni per accelerare la digestione Fra le tecniche note al settore vi è anche quella che prevede l applicazione degli ultrasuoni, cioè onde disponibili in un campo di frequenze compreso fra 20 e 10.000 khz. Proprio l ampio intervallo di 2012 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 48/2012 supplemento a L Informatore Agrario 19
BIOGAS Reattore Spr nella configurazione pilota utilizzato per la conduzione dei test di cavitazione controllata frequenze disponibili consente di utilizzare tale tecnica in molteplici settori: dal biomedicale, al trattamento di depurazione. Tuttavia il campo di frequenze maggiormente utilizzato, ogniqualvolta si intende trattare un prodotto per ottenere una modifica chimica o fisica della materia, è quello compreso fra 20 e 100 khz. Cavitazione La generazione di ultrasuoni può essere ottenuta in diversi modi, compresa la cavitazione. Durante la cavitazione, l energia utilizzata per il trattamento viene convertita in una alternanza di formazione e implosione di microbolle che genera, a sua volta, una sequenza di onde d urto (ultrasuoni). Tale alternanza è responsabile di un intensa attività meccanica e termica sulla sostanza organica presente in soluzione acquosa che ne determina una parziale destrutturazione fisica, una lisi delle pareti cellulari e il conseguente rilascio del contenuto intracellulare. Questa azione si traduce in una maggiore disponibilità dei succhi cellulari, in una accelerazione dei processi di idrolisi e, di conseguenza, in una accelerazione del processo di digestione anaerobica nel suo complesso: diversi studi già condotti hanno dimostrato che la velocità di degradazione batterica può accelerare fino a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale. Cavitazione controllata Recentemente è comparsa sul mercato del biogas la tecnologia innovativa di cavitazione idrodinamica controllata (reattore Spr, acronimo del termine inglese ShockWave power reactor), già presente in altri settori industriali, che consiste in un cilindro di acciaio con cavità cieche e rotante all interno di una chiocciola. La sua rotazione determina all interno dei fori presenti sul cilindro stesso una differenza di pressione, che a sua volta porta alla formazione e successiva implosione di microbolle. Localmente e istantaneamente si possono raggiungere pressioni di diverse migliaia di bar e temperature dell ordine di diverse centinaia di gradi. L estensione e il diametro del cilindro, il numero e diametro delle cavità, nonché la frequenza di rotazione del cilindro e lo spazio compreso fra il cilindro e la chiocciola esterna sono i fattori che determinano il funzionamento e l efficienza della macchina. Ciò garantisce alcuni vantaggi di ordine meccanico e funzionale: non vi sono organi in movimento con TABELLA 1 - Distribuzione (%) della pezzatura delle particelle di sostanza secca Pezzatura (mm) > 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5 Non trattato 15,55 13,93 6,81 5,64 4,44 53,62 Cavitato 0,14 0,65 7,02 8,94 7,05 76,19 attriti meccanici: l unico elemento in movimento è rappresentato dal rotore. Ciò consente di avere bassi costi di manutenzione e bassi rischi di rottura; compattezza, semplicità di uso e installazione ed elevata flessibilità di utilizzo (al variare della frequenza di rotazione può essere impressa più o meno energia alla biomassa da trattare e quindi maggiore o minore efficienza di trattamento) sono gli elementi più importanti che la caratterizzano. I principali benefici prevedibili sono legati alla riduzione della pezzatura del materiale organico, alla riduzione della viscosità del digestato e alla conseguente facilità nella miscelazione interna al digestore, oltre all aumento dell omogeneità del digestato e alla migliore pompabilità. La tecnologia potrebbe essere applicata in digestione anaerobica con diverse configurazioni impiantistiche: in ricircolo sul digestore: una pompa aspira il digestato da un punto del digestore, lo invia al reattore Spr per il trattamento e lo reimmette nel digestore in un secondo punto. Con questa configurazione è possibile trattare e migliorare il funzionamento di un digestore esistente, normalmente il digestore primario, riducendo in tempi abbastanza rapidi anche eventuali accumuli di frazioni fibrose indegradate. In tale configurazione l efficienza del trattamento non è massimizzata, in quanto parte del digestato presente viene trattato più volte; in scarico del digestore primario: con- GRAFICO 1 - Granulometria di un digestato trattato e non con reattore Spr 80 70 60 50 40 30 20 10 0 > 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5 Granulometria (mm) Solidi totali (%) non trattato cavitato Il trattamento ha un impatto evidente: la pezzatura superiore a 3 mm non è praticamente più presente nel digestato trattato, mentre la frazione < 0,5 mm è superiore al 42% nel digestato trattato rispetto al testimone. 20 supplemento a L Informatore Agrario 48/2012 2012 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.
BIOGAS figurazione simile a quella precedente con la differenza che il prodotto viene trattato un unica volta e scaricato nel post digestore. Questa configurazione consente di massimizzare l efficienza del post digestore; trattamento della biomassa al carico: la biomassa al carico può essere miscelata a un vettore idraulico (liquame, digestato o acqua) e avviata al reattore Spr per la disgregazione prima del carico. A seconda della tipologia di impianti, della tipologia di biomasse utilizzate e dell intensità del trattamento che si intende ottenere, la tecnologia può essere applicata su tutta la biomassa caricata o solo su una parte (tipicamente le biomasse caratterizzate da matrici fibrose e particolarmente complesse da degradare). Prove dell applicazione Il Crpa ha condotto alcuni test di verifica dell applicazione di questa tecnologia a scala di pilota da laboratorio. Il pilota utilizzato per il trattamento era composto da una macchina di piccola dimensione in grado di trattare al massimo 1 m 3 /ora di miscela e non attrezzata per valutare con sufficiente precisione i consumi energetici. In tabella 1 e grafico 1 vengono riportata la distribuzione per dimensioni della sostanza secca di un digestato prelevato da un impianto alimentato con liquami e colture dedicate e trattato con il reattore Spr (di cavitazione idrodinamica controllata), a confronto con lo stesso digestato non trattato. È evidente l elevato impatto che il trattamento ha sulla composizione della pezzatura della sostanza secca presente: la pezzatura superiore a 3,3 mm non è praticamente più presente nel digestato trattato (circa il 30% della sostanza secca presente nel testimone), mentre la frazione con diametro < 0,5 mm (composti soluti e disciolti) è superiore del 42% nel digestato trattato rispetto al digestato testimone. Potenziale metanigeno Per facilitare la comprensione dell effetto che il trattamento ha avuto sulla materia organica utilizzata, sono state condotte anche due prove di misura del potenziale metanigeno: nel primo caso è stato prelevato un digestato da un digestore primario di un impianto di biogas che trattava liquame e colture dedicate ed è stato trattato con reattore Spr; nel secondo caso è stato addizionato allo stesso digestato una quantità di insilato La tecnologia della cavitazione può essere applicata a tutta la biomassa o solo su una parte, solitamente la più fibrosa e complessa da degradare GRAFICO 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 BMP (m 3 /t s.v.) tal quale s.v. = solidi volatili. TABELLA 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non Tesi trattato Biogas (Nm 3 /t s.v.) Giorni + insilato mais tal quale Metano (Nm 3 /t s.v.) Metano (%) + insilato mais trattato Degradabilità s.v. (%) Testimone 178,22 94,85 53,2 23,3 Trattato con reattore Spr 214,13 116,07 54,2 27,7 Differenza (%) 120 122 102 119 + insilato di mais Testimone 302,34 164,68 54,5 39,1 Trattato con reattore Spr 344,06 188,80 54,9 44,3 Differenza (%) 114 115 101 113 s.v. = solidi volatili. Il potenziale metanigeno del digestato trattato è risultato superiore del 22%, quello della miscela digestato + insilato di mais trattata del 15%. Nella composizione del biogas non è stata riscontrata una differenza significativa. di mais equivalente a quella del carico giornaliero dello stesso digestore (6 kg s.v./m 3 /giorno) che è stato trattato con reattore Spr. Scopo dei due confronti era quello di verificare come il trattamento avesse effetto sulla biomassa già parzialmente attaccata in digestione anaerobica (configurazione in ricircolo sul digestore primario) e sulla miscela al carico (configurazione in trattamento completo della biomassa al carico con vettore idraulico costituito da digestato). Ovviamente sono stati condotti gli stessi test sui materiali non trattati con il reattore Spr. In tabella 2 e grafico 2 sono riportati i risultati di questo test preliminare. L analisi dei risultati porta alle seguenti 2012 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 48/2012 supplemento a L Informatore Agrario 21
BIOGAS Il potenziale metanigeno del digestato trattato con cavitazione controllata è stato superiore del 22% osservazioni: il digestato tal quale non trattato ha evidenziato un potenziale metanigeno residuo di circa 95 Nm 3 CH 4 /t s.v., che è stato incrementato a 116 Nm 3 CH 4 /t s.v. dopo il trattamento con reattore Spr. L effetto del trattamento si è visto a partire dal 3 giorno del test, quando la velocità di degradazione è aumentata e si è man- tenuta superiore fino al termine del test (25 giorni): il potenziale metanigeno del digestato trattato è risultato complessivamente superiore del 22%. Il bilancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili superiore (+19%); il digestato tal quale non trattato addizionato di una quantità di silomais pari al carico organico volumetrico giornaliero ha evidenziato un potenziale metanigeno di circa 164,7 Nm 3 CH 4 /t s.v., che è stato incrementato a 188,8 Nm 3 CH 4 /t s.v. dopo il trattamento con reattore Spr. L effetto del trattamento si è visto a partire dal 2 giorno del test, quando la velocità di degradazione è aumentata e si è mantenuta superiore fino al termine del test (25 giorni): il potenziale metanigeno della miscela trattata è risultato complessivamente superiore del 15%. Il bilancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili superiore (+13%); non è stata riscontrata nessuna differenza significativa nella composizione del biogas in entrambi i test condotti (trattato e non trattato con reattore Spr). La riduzione di efficienza del test del secondo confronto mette chiaramente in evidenza il fatto che parte della sostanza organica facilmente degradabile, soprattutto quella presente nel silomais, non è influenzata dal trattamento e che pertanto la tecnica trova maggiore spazio di applicazione in tutte le situazioni in cui il carico viene condotto con matrici più difficilmente degradabili (stocchi di mais, triticale, letame paglioso) o di pezzatura elevata. Oltre agli effetti migliorativi sull efficienza di digestione, rimangono da vagliare e verificare la flessibilità e l affidabilità funzionale nel tempo, i consumi energetici e gli effetti sulla miscelazione del digestato nelle diverse configurazioni impiantistiche. A tale scopo, il Crpa sta per avviare una campagna di monitoraggio su un impianto in scala reale. Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it 22 supplemento a L Informatore Agrario 48/2012 2012 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.