to per sfruttare al meglio il potenziale energetico delle biomasse è quello di dimensionare i digestori in modo ta-le da garantire un tempo di ritenzione idraulica suffi ciente ai batteri per de-gradare le molecole organiche: nel ca-so degli effl uenti suinicoli, ad esempio,

si dimensionano i digestori con tempi di ritenzione di 20-25 giorni; nel caso degli effl uenti bovini di 35-40 giorni; nel caso di biomasse dedicate di alme-no 50-70 giorni.

Quando si deve cambiare biomassa

Tuttavia, spesso accade che la tipologia di matrici organiche, inizialmente pre-viste nel piano di approvvigionamento dell’impianto, debba essere modifi cata anche in modo radicale. Le cause sono molteplici: cattivo andamento stagiona-le che determina una scadente qualità delle biomasse dedicate prodotte (come successo ad esempio nell’ultima annata agraria), variazioni importanti dei costi di approvvigionamento, nuove possibi-lità di utilizzare sottoprodotti agroindu-striali, ecc. Tutte queste condizioni com-portano, inevitabilmente, una modifi ca delle quantità e della qualità delle matri-ci al carico e una conseguente modifi ca delle caratteristiche chimico-fi siche del-la dieta. Non sempre le tecnologie di ali-mentazione, di miscelazione del digesto-re, 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 fl essibilità impian-tistica, e quindi garantire l’allargamento delle possibilità di approvvigionamento, sono state proposte molte tecniche di pre-trattamento delle matrici: fi siche (estru-sione, triturazione, disgregazione con pul-per, ecc.), termiche, chimiche, enzima-tiche, tutte con lo scopo di accelerare il processo di degradazione della sostanza organica, ovvero velocizzare la fase idroli-tica, o rendere maggiormente disponibili determinati composti organici.

Ultrasuoni per accelerare la digestione

Fra le tecniche note al settore vi è an-che quella che prevede l’applicazione de-gli ultrasuoni, cioè onde disponibili in un campo di frequenze compreso fra 20 e 10.000 kHz. Proprio l’ampio intervallo di

Pretrattare la biomassamigliora la digestione

di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini

I l processo di digestione anaerobica consiste, come noto, in primo luo-go nella degradazione della sostan-za organica in composti semplici e successivamente nella conversione di questi in biogas. Ogni fase del proces-so è infl uenzata da molti parametri chi-mici e fi sici, nonché complessi equilibri microbiologici. A seconda delle matrici organiche caricate nei digestori il pro-cesso può essere più o meno veloce e ciò dipende essenzialmente dalla comples-sità delle molecole che costituiscono le matrici organiche utilizzate: composti semplici come gli acidi organici e gli zuc-cheri semplici si degradano molto rapi-damente, composti più complessi come gli aminoacidi, le frazioni fi brose e i li-pidi richiedono tempi più lunghi.

La velocità di degradazione rappre-senta uno dei parametri più importanti nel dimensionamento della volumetria dei digestori e/o nella scelta delle tec-nologie impiantistiche. In linea gene-rale, l’approccio normalmente utilizza-

I VANTAGGI DELLA CAVITAZIONE CONTROLLATA●

Principali benefi ci della cavitazione controllata sono:riduzionedella pezzaturae della viscositàdella biomassacon relativa facilitàdi miscelazione, aumento dell’omogeneitàe della pompabilità. Per questo trova applicazionenelle situazionicon matrici diffi cilmente degradabilio di pezzatura elevata

Alcuni studi hanno dimostrato che tramite la cavitazione la velocità di degradazione batterica può accelerare fi no a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale

VANTAGGI DELLA TECNICA DI CAVITAZIONE

Disponibilità dei succhi cellulari

Accelerazione dei processi di idrolisi

Accelerazione del processodi digestione anaerobica

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frequenze disponibili consente di utilizzare tale tecnica in molteplici settori: dal bio-medicale, al trattamento di depurazione. Tuttavia il campo di frequenze maggior-mente utilizzato, ogniqualvolta si inten-de trattare un prodotto per ottenere una modifi ca chimica o fi sica della materia, è quello compreso fra 20 e 100 kHz.

Cavitazione

La generazione di ultrasuoni può essere ottenuta in diversi modi, compresa la cavi-tazione. Durante la cavitazione, l’energia utilizzata per il trattamento viene con-vertita in una alternanza di formazione e implosione di microbolle che genera, a sua volta, una sequenza di onde d’urto (ultrasuoni). Tale alternanza è responsa-bile di un’intensa attività meccanica e ter-mica sulla sostanza organica presente in soluzione acquosa che ne determina una parziale destrutturazione fi sica, una lisi delle pareti cellulari e il conseguente ri-lascio del contenuto intracellulare.

Questa azione si traduce in una mag-giore disponibilità dei succhi cellulari, in una accelerazione dei processi di idrolisi e, di conseguenza, in una ac-celerazione del processo di digestione anaerobica nel suo complesso: diversi studi già condotti hanno dimostrato

che la velocità di degradazione batteri-ca può accelerare fi no a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale.

Cavitazione controllata

Recentemente è comparsa sul mercato del biogas la tecnologia innovativa di ca-vitazione idrodinamica controllata (reat-tore 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 dif-ferenza di pressione, che a sua volta porta alla formazione e successiva implosione di microbolle.

Localmente e istantaneamente si pos-sono raggiungere pressioni di diverse mi-gliaia di bar e temperature dell’ordine di diverse centinaia di gradi. L’estensione e il diametro del cilindro, il numero e diame-tro delle cavità, nonché la frequenza di ro-tazione del cilindro e lo spazio compreso fra il cilindro e la chiocciola esterna sono i fattori che determinano il funzionamen-to e l’effi cienza della macchina.

Ciò garantisce alcuni vantaggi di or-dine meccanico e funzionale:

non vi sono organi in movimento con ●

attriti meccanici: l’unico elemento in movimento è rappresentato dal rotore. Ciò consente di avere bassi costi di ma-nutenzione e bassi rischi di rottura;

compattezza, semplicità di uso e instal-lazione ed elevata fl essibilità di utilizzo (al variare della frequenza di rotazione può essere impressa più o meno energia alla biomassa da trattare e quindi mag-giore o minore effi cienza di trattamento) sono gli elementi più importanti che la caratterizzano.

I principali benefi ci prevedibili sono legati alla riduzione della pezzatura del materiale organico, alla riduzione della viscosità del digestato e alla conseguen-te facilità nella miscelazione interna al digestore, oltre all’aumento dell’omoge-neità del digestato e alla migliore pom-pabilità.

La tecnologia potrebbe essere applica-ta in digestione anaerobica con diverse confi gurazioni impiantistiche:

in ricircolo sul digestore: una pompa aspira il digestato da un punto del dige-store, lo invia al reattore Spr per il trat-tamento e lo reimmette nel digestore in un secondo punto. Con questa confi gu-razione è possibile trattare e migliorare il funzionamento di un digestore esisten-te, normalmente il digestore primario, riducendo in tempi abbastanza rapidi anche eventuali accumuli di frazioni fi -brose indegradate. In tale confi gurazione l’effi cienza del trattamento non è mas-simizzata, in quanto parte del digestato presente viene trattato più volte;

in scarico del digestore primario: con-

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TABELLA 1 - Distribuzione (%) della pezzatura delle particelledi sostanza secca

DigestatoPezzatura (mm)

> 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5Non trattato 15,55 13,93 6,81 5,64 4,44 53,62Cavitato 0,14 0,65 7,02 8,94 7,05 76,19

80706050403020100

Solid

i tot

ali (

%)

> 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5Granulometria (mm)

Digestatonon trattato

Digestatocavitato

GRAFICO 1 - Granulometriadi un digestato trattatoe non con reattore Spr

Il trattamento ha un impatto evidente: la pezzatura superiore a 3 mmnon è praticamente più presentenel digestato trattato, mentrela frazione < 0,5 mm è superioreal 42% nel digestato trattato rispettoal testimone.

Reattore Spr nella confi gurazione pilota utilizzato per la conduzione dei test di cavitazione controllata

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fi gurazione simile a quella precedente con la diff erenza che il prodotto viene trattato un’unica volta e scaricato nel post digestore. Questa confi gurazione consente di massimizzare l’effi cienza 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 di-sgregazione 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 caratterizza-te da matrici fi brose e particolarmente complesse da degradare).

Prove dell’applicazioneIl Crpa ha condotto alcuni test di ve-

rifi ca dell’applicazione di questa tecno-logia 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 mas-simo 1 m3/ora di miscela e non attrezzata per valutare con suffi ciente precisione i consumi energetici.

In tabella 1 e grafi co 1 vengono ripor-tata la distribuzione per dimensioni della sostanza secca di un digestato prelevato da un impianto alimentato con liquami e colture dedicate e trattato con il reat-tore Spr (di cavitazione idrodinamica controllata), a confronto con lo stesso di-gestato non trattato. È evidente l’elevato impatto che il trattamento ha sulla com-posizione 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 supe-riore del 42% nel digestato trattato ri-spetto al digestato testimone.

Potenziale metanigeno

Per facilitare la comprensione dell’ef-fetto 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 di-gestore primario di un impianto di bio-gas che trattava liquame e colture dedi-cate ed è stato trattato con reattore Spr; nel secondo caso è stato addizionato allo stesso digestato una quantità di insilato

●

di mais equivalente a quella del carico giornaliero dello stesso digestore (6 kg s.v./m3/giorno) che è stato trattato con reattore Spr.

Scopo dei due confronti era quello di verifi care come il trattamento avesse ef-fetto sulla biomassa già parzialmente attaccata in digestione anaerobica (con-fi gurazione in ricircolo sul digestore pri-

mario) e sulla miscela al carico (confi -gurazione in trattamento completo della biomassa al carico con vettore idraulico costituito da digestato). Ovviamente so-no stati condotti gli stessi test sui mate-riali non trattati con il reattore Spr.

In tabella 2 e grafi co 2 sono riporta-ti i risultati di questo test preliminare. L’analisi dei risultati porta alle seguenti

La tecnologia della cavitazione può essere applicata a tutta la biomassa o solo su una parte, solitamente la più fi brosa e complessa da degradare

TABELLA 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non

Tesi Biogas (Nm3/t s.v.)Metano

(Nm3/t s.v.)Metano

(%)Degradabilità

s.v. (%)DigestatoTestimone 178,22 94,85 53,2 23,3Trattato con reattore Spr 214,13 116,07 54,2 27,7Differenza (%) 120 122 102 119Digestato + insilato di maisTestimone 302,34 164,68 54,5 39,1Trattato con reattore Spr 344,06 188,80 54,9 44,3Differenza (%) 114 115 101 113s.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 signifi cativa.

200180160140120100806040200

BM

P (m

3 /t

s.v.

)

GiorniDigestatotal quale

Digestatotrattato

Digestato + insilato mais trattato

Digestato + insilato mais tal quale

0 252015105

GRAFICO 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non

s.v. = solidi volatili.

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osservazioni:il digestato tal quale non trattato ha

evidenziato un potenziale metanigeno residuo di circa 95 Nm3 CH4/t s.v., che è stato incrementato a 116 Nm3 CH4/t s.v. dopo il trattamento con reattore Spr. L’ef-fetto 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 fi no al termine del test (25 giorni): il potenziale metanigeno del digestato trattato è risultato com-plessivamente superiore del 22%. Il bi-lancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili su-periore (+19%);

il digestato tal quale non trattato addi-zionato di una quantità di silomais pari al carico organico volumetrico giorna-liero ha evidenziato un potenziale meta-nigeno di circa 164,7 Nm3CH4/t s.v., che è stato incrementato a 188,8 Nm3 CH4/t s.v. dopo il trattamento con reattore Spr. L’eff etto del trattamento si è visto a par-tire dal 2° giorno del test, quando la ve-locità di degradazione è aumentata e si è mantenuta superiore fi no al termine del test (25 giorni): il potenziale meta-nigeno della miscela trattata è risultato complessivamente superiore del 15%. Il bilancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili su-periore (+13%);

non è stata riscontrata nessuna diff e-renza signifi cativa nella composizione del biogas in entrambi i test condotti (tratta-to e non trattato con reattore Spr).

La riduzione di effi cienza del test del secondo confronto mette chiaramente

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in evidenza il fatto che parte della so-stanza organica facilmente degradabile, soprattutto quella presente nel silomais, non è infl uenzata dal trattamento e che pertanto la tecnica trova maggiore spa-zio di applicazione in tutte le situazioni in cui il carico viene condotto con ma-trici più diffi cilmente degradabili (stoc-chi di mais, triticale, letame paglioso) o di pezzatura elevata.

Oltre agli eff etti migliorativi sull’effi -cienza di digestione, rimangono da va-gliare e verifi care la fl essibilità e l’affi da-bilità funzionale nel tempo, i consumi energetici e gli eff etti sulla miscelazione del digestato nelle diverse confi gurazio-ni impiantistiche.

A tale scopo, il Crpa sta per avviare una campagna di monitoraggio su un impianto in scala reale.

Claudio Fabbri, Sergio PiccininiCrpa - Centro ricerche produzioni animali

Reggio Emilia

Per commenti all’articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a:redazione@informatoreagrario.it

Il potenziale metanigeno del digestato trattato con cavitazione controllataè stato superiore del 22%

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