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CONVEGNO
Centro Ricerche Produzioni Animali – C.R.P.A. S.p.A.
La ricerca e l’innovazione nelle bioraffinerie integrate
5 Novembre 2015Sala della Chimica Verde
Sergio Piccinini, Mirco Garuti, Claudio FabbriCentro Ricerche Produzioni Animali
Reggio Emilia
La fase idrolitica della DA come pretrattamento
delle biomasse di scarto
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
La ricerca e l’innovazione nelle bioraffinerie integrateEcomondo, Rimini, 5 Novembre 2015S. Piccinini, M. Garuti, C. Fabbri
Le prospettive di sviluppo della filiera biogas
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
La ricerca e l’innovazione nelle bioraffinerie integrateEcomondo, Rimini, 5 Novembre 2015S. Piccinini, M. Garuti, C. Fabbri
Introduzione
Acidi Grassi catena lunga + glicerolo
Sostanza Organica da biomasse di scartoCarboidrati
Aminoacidi Zuccheri
Acidi Grassi Volatili + alcoli
Acido Acetico
Biogas (CH4, CO2)
H2, CO2
NH3
IDROLISI
ACETOGENESI
METANOGENESI
Proteine Lipidi
ACIDOGENESI
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
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Tecniche di pretrattamento – Obiettivi
Effetto del pretrattamento sulle biomasse
a) substrato senza pretrattamento
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.
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
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Tecniche di pretrattamento – Panoramica
Fisico Chimico Biologico Combinato
‐Meccanico‐ Termico‐ Disintegrazione elettrocinetica
‐ Acido‐ Basico
‐Microbiologico(idrolisi acida)
‐ Enzimatico
‐ Estrusione‐ Steam Explosion‐ Termochimico‐ Ultrasuoni‐ Cavitazione idrodinamica
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
La ricerca e l’innovazione nelle bioraffinerie integrateEcomondo, Rimini, 5 Novembre 2015S. Piccinini, M. Garuti, C. Fabbri
Tecniche di pretrattamento: idrolisi acida biologicaL’idrolisi è la prima fase del processo di digestione anaerobica edavviene in tutti gli impianti grazie all’azione di enzimi esocellulari chedisgregano le macromolecole. L’efficienza idrolitica si massimizza inambiente acido (pH=5,0-6,0) e viene consigliata per matrici ricche difrazioni fibrose e lipidiche.Il controllo di un digestore idrolitico può essere fatto solo in presenzadi 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.
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
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Come valutare i pretrattamentiIn
form
azio
ni o
tten
ute
Tempo e investimento nella sperimentazioneCOD,sCOD
viscosità, granulometria
test in batch
test in continuo
scala realeImpiantopilota
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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
Fase idrolitica: pretrattamento delle biomasse di scarto
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CASO DI STUDIO 1: transizione da un processo di digestione anaerobica monofase ad una bifase
La transizione all’idrolisi ha permesso di abbassare il COV e stabilizzare il flusso al carico all’impianto
Digestore idrolitico Digestore primarioMONOFASE transizione BIFASE MONOFASE transizione BIFASE
pH 7,64 7,07 6,18 7,87 7,72 7,80ST (g/kg) 54,21 58,80 66,54 52,21 54,23 53,57SV (g/kg) 30,79 37,82 45,97 28,77 31,63 31,25
COD (g O2/l) 42 70 125 51 55 59Acidità 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
MONOFASE BIFASECOV
del digestore idrolitico(kgSV/ m3.gg)
12,62±3,60 9,52±1,18
HRTdel digestore idrolitico
(giorni)5,8±3,4 6,2±0,4
Efficienza di sistema dell’impianto di DA
(kWh/kgSV)1,51±0,26 1,69±0,19
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CASO DI STUDIO 2: caratterizzazione di AGV in un processo di digestione anaerobica bifase
270 m3
43°CBIOMASSE
IN INGRESSO
DIGESTORE IDROLITICO DIGESTORE
250 kWeLIQUAME SUINO
1500 m3
43°CUTILIZZO
AGRONOMICO
Ricircolo (10-15% v/v)
(Triticale, loietto, scarti dell’orzo, sansa di oliva)
IDROLISI: COV 26 kgSV/m‐3giorno‐1; HRT5,2 giorni
Processo bifase con idrolisi acida
pressoché costante da 2,5 anni
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CASO DI STUDIO 2: caratterizzazione di AGV in un processo di digestione anaerobica bifase
Digestore idrolitico Digestore metanigenopH 5,43±0,35 7,48±0,16Acidità totale 13.919±2.337 2.328±628Alcalinità totale 2.459±1.229 7.590±1.184Acido Acetico 7.009±1.443 243±124Acido Propionico 2.761±1.265 76±31Acido butirrico 3.014±1.138 <50Acido iso‐butirrico 109±47 <50Acido valerico 1.168±636 <50Acido iso‐valerico 456±248 <50Acido caproico 1.931±638 <50
• 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.
Concentrazioni espresse in mg/l
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Piattaforma AGV
BIOMASSE DI SCARTO
DIGESTIONE ANAEROBICA
ACIDI GRASSI VOLATILI
C2 Acido AceticoC3 Acido PropionicoC4 Acido ButirricoC5 Acido ValericoC6 Acido Caproico
BIOCO
MBU
STIBILI
GAS
Biometano
Bioidrogeno
LIQUIDI
Etanolo
Butanolo
Biodiesel
BIOCH
EMICALS
BioplasticheBulk chemicalsFarmaceuticaIndustria tessileAltri deriv. chimici
PROCESSI BIOLOGICI
ECHIMICI
GIA’ AL LAVORO…ZeaChemTerrabonKAISTTexas A&M Univ.Maine Univ.
PROBiomsse di scartoNo enzimiNo sterilizzazione
CONTROPretrattamentiFermentaz. misteDownstream
Ho Nam Chang et al. 2008, 2010 (adattamento).
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Conclusioni
• Impianti di biogas bifase (idrolisi + metanogenesi) necessitano dicontrolli più attenti permantenere due tipi di biologia differenti
• Il parametro guida dell’idrolisi è il pH (ottimale tra 5,0‐6,0) che puòessere regolato gestendo opportunamente il ritorno di alcalinità ebatterimetanigeni con i ricircoli (non si usano reagenti chimici)
• Stati di transizione tra idrolisi e metanogenesi possono provocaretemporanee diminuzione nella produzione di biogas e insorgenza dischiume
• L’idrolisi permette di stabilizzare l’intero processo di produzione dibiogase favorisce alimentazioni diversificate
• Con la Dark Fermentation (idrolisi‐acidogenesi‐acetogenesi) siproduconoH2 eAGVdi fondamentale importanzaper leBioraffinerie
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Prospettive future
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Ricerca Industriale
E’ un laboratorio dedicato alla Ricerca IndustrialeRete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna
Sezione AMBIENTE ed ENERGIA