VISMARA CONVEGNO BIOGAS

5/11/2018 VISMARA CONVEGNO BIOGAS - slidepdf.com

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LINEE GUIDA E PARAMETRI OPERATIVI PER LAGESTIONE DI IMPIANTO

R. Vismara, R. Salvetti

Digestione anaerobica di reflui eDigestione anaerobica di reflui e

biomasse: metodi e tecniche per labiomasse: metodi e tecniche per la

produzione di biogasproduzione di biogas

Polo di Cremona, 8 giugno 2011Polo di Cremona, 8 giugno 2011

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La problematica

Lo scopo impianto a biogas per agro-zootecnia produrre quantità biogasda garantire i ritorni economici attesi dall’utilizzo e vendita di energia elettricae, possibilmente, calore

Occorre garantire un efficace ed efficiente funzionamento di:

1) Macchine e impiantistica a servizio dell’impianto

Prassi consolidata

2) Processo biologico di produzione del biogas

non sempre si è in grado di intervenire sulla regolazione del processobiologico avendo a disposizione delle procedure codificate che rispondanoalle domande:

PERCHÉ DIMINUISCE IL BIOGAS/PERCENTUALE DI CH4? COSA DEVOFARE PER RIPORTARE IL PROCESSO A BUON FINE?

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La problematica

1

10

100

1000

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Distribuzione dei guasti documentati su 31 impianti tedeschi a biogas nell’anno2008 (KTBL, 2009)



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Le fasi del processo di digestione anaerobica

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• Le quattro fasi biochimiche principali del processo di digestioneanaerobica (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi)ciascuna caratterizzata da un proprio metabolismo e da ottimalicondizioni in termini di temperatura o pH

• L’idrolisi e l’acidogenesi si svolgono più rapidamente edefficacemente a pH acidi e con elevate concentrazione di substrato,mentre la metanogenesi è inibita a pH acidi e da elevateconcentrazioni di acidi indissociati, come appunto si riscontrano a pHacidi

• La maggior parte dei digestori in Italia utilizza un processomonostadio nessuno degli stadi della digestione avviene incondizioni ottimali e quindi con le massime cinetiche, ma le condizioni

operative che si instaurano sono un “compromesso” che consente losvolgersi della sequenza di fasi, in particolar modo della fasemetanigena, la più sensibile ai parametri di processo

Le fasi del processo di digestione anaerobica



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I benchmark di processoda Pfeifer et al., 2007

> 90%Disponibilità dell’impianto (per 8760 h/a)

> 60%Efficienza complessiva annua> 25%Efficienza elettrica annua> 35%Efficienza termica annua7900h/aOre operative a pieno carico

2-40 (? n.d.a.)%Richiesta ausiliaria di calore

3-9%Richiesta ausiliaria di elettricità

50-90 (in Italia >25 d, n.d.a.)dTempo di ritenzione idraulica (complessivo)3-8(kgSV/d)/m3Carico volumetrico del digestore (primario)2-3(kgSV/d)/m3Carico volumetrico del digestore (complessivo)

10-40kmol/kmolRapporto C/N in ingresso> 70%Tasso di conversione della sostanza organica secca> 80%Tasso di conversione del carbonio IN/OUT

il minore possibile <6%% volumeContenuto di H2O nel biogas (prima del motore a gas)il minore possibile <0.03% volumeContenuto di H2S nel biogas (prima del motore a gas)

> 50% volumeContenuto di CH4 nel biogas (prima del motore a gas)

0.5-0.8Nm3d/kgSV alimProduzione specifica di biogas

6-8 / 6-8-pH (digestore primario/secondario) 38-40/38-40°

CTemperatura del digestore (primario/secondario)

> 90% in peso seccoContenuto di sostanza secca organica (SV )

<12% in peso umidoContenuto di sostanza secca (nella miscela dialimentazione)

BenchmarkUnità di misuraDescrizione

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Produzione di metano dipende soprattutto da tre fattori.

• La tipologia dei substrati alimentati: esistono in letteratura ampi riferimentiai valori di biogas producibile (in termini di m3 biogas /kgSV) che dipendonodalla composizione chimica dei substrati. E’ sempre poi possibile fareeffettuare ad un laboratorio specializzato un test di producibilità sperimentale

• La concentrazione di sostanza organica biodegradabile nella miscela dialimentazione al digestore. A parità di massa liquida, una maggioreconcentrazione di secco in alimentazione produrrà una maggiore produzionedi biogas in termini di m3/d, ma non si può però aumentare molto taleconcentrazione per non ostacolare l’efficacia di miscelazione nel reattore

• Il carico di sostanza organica alimentato al digestore: Più il digestoreviene alimentato (kg SV/d) e più biogas si produce (m3

biogas d-1). Ciò è verofino a un punto critico oltre il quale il processo si blocca per sovraccarico e laproduzione di biogas crolla. La conoscenza di questo punto critico è dellamassima importanza i quanto il blocco del processo può protrarsi per diversigiorni prima del ripristino delle condizioni di produzione voluta.



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Principali parametri di processo

• Sostanza secca, SS (kgSS m-3)

• Sostanza secca organica, SV (kgSV m-3)

• COD totale (solubile e sospeso, mg O2 L-1)

• COD solubile (mg O2 L-1)

• Carico organico giornaliero, CO (kgSV d-1)

• Carico organico volumetrico, COV (kg SV m-3 d-1)

• Tempo di residenza idraulico (HRT)

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Principali parametri di processo

www.nq-biogas.com



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Relazione tra parametri di processo

• La produzione giornaliera di biogas (linea 2) aumenta

all’aumentare del COV

•La produzione specifica di biogas (m3 kg SV) diminuisce

all’aumentare del COV.

• La linea 2 mostra un andamento crescente della

produzione giornaliera di biogas (m3gas/ m-3 d-1)

all’aumentare del COV, crollando oltre il punto di instabilità

(linea3), mostrando che un sovraccarico del sistema portaad inefficienze nella produzione di biogas.

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Avviamento e monitoraggio

Definizione delle condizioni iniziali di avvio

• Tempo di avviamento variabile da diverse settimane fino a 6 –8 mesi (o anche più, in situazioni particolari quali l’assenza diinoculo, la presenza di substrati particolari o se condotta in

maniera non adeguata).• Obiettivi:1) garantire il rapido instaurarsi di consorzio batterico checonsenta di raggiungere in tempi sufficientemente brevi lecondizioni operative e la produzione di biogas di progetto2) evitare l’instaurarsi di problemi operativi associati a crescitasbilanciata dei microrganismi con velocità di idrolisi maggioridella velocità di metanizzazione accumulo di VFA o acido

acetico inibizione dei metanigeni lunghi tempi di recuperoo necessità di interventi correttivi (aggiunta alcali, la diluizione,la re-inoculazione)



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• Caratterizzazione del substrato SV/ST, COD, composizione(proteine, carboidrati, grassi, fibre, ceneri), N e P ( + eventualemisura di BMP per evidenziare effetti inibitori sulla biomassa evelocità di idrolisi)

• Scelta del tipo di inoculo in base alla natura del substrato inoculoideale: da digestore con substrati analoghi e operante nello stessointervallo di temperatura. In alternativa inoculo da più digestori (max biodiversità).

• Quantitativamente maggiore è l’inoculo, minori sono i tempi diavviamento avvio ideale: digestore riempito completamente coninoculo da digestore che opera nelle stesse condizioni. Il fabbisognodi inoculo cresce con la putrescibilità del substrato e diminuisce con

la presenza di biomassa metanigena nel substrato (es: deiezionizootecniche o biomasse insilate da diversi mesi).• Rapporto COD:N:P attorno a 300:5:1• Predisporre quanto necessario per dosare alcali bicarbonato di

sodio, acidi (in funzione del substrato) o nutrienti

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Protocollo di avvio e monitoraggio

• Digestore riempito completamente o parzialmente con fango diinoculo e portato a temperatura.

• Avvio del carico COV inferiore a quello di progetto e funzione

dell’inoculo presente, con valori proporzionalmente simili a quelliprevisti a regime se l’inoculo è già acclimatato, altrimenti valori piùprudenti (eventualmente verificare velocità di idrolisi e capacitàmetanogenica dell’inoculo impiegato, es: test BMP)

• Se la configurazione del digestore lo consente, proseguire senzaestrarre il digestato fino al raggiungimento del volume di progetto epoi ricircolare il fango digerito ispessito per aumentare piùrapidamente la biomassa

• Stabilire un protocollo di incremento del carico, che va poicostantemente rivalutato in base agli esiti delle misure dimonitoraggio



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Esempio di protocollo di incremento del carico:• 1a settimana: caricare solo il primo giorno e miscelare la biomassa

con l’inoculo per favorire fenomeni di adattamento

• Successive 2 settimane: carico costante con caricamento giornaliero.• Successive 2 settimane: incrementi di carico limitati (es: 5% ogni 2

giorni),• Successive 2 settimane: incremento di carico dal 5 al 10% ogni due

giorni.• Giornalmente monitorare: pH, il rapporto acido volatili/alcalinità,

concentrazione di acido acetico, propionico e butirrico, portata ecomposizione del metano (soprattutto CH4, CO2, H2), concentrazione

di ammoniaca libera (utile prevedere misure frequenti di attivitàmetanogenica specifica su campioni di miscela estratti daldigestore deve sempre essere superiore di un 30-40% al caricoapplicato di sostanza organica applicata per evitare accumuli di acidivolatili).

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Conduzione del digestore

• Parametri da quantificare durante la conduzione ordinaria :

• COV = kgSValimentati m-3digestore d-1

• HRT = d

• Alcalinità/VFA• Velocità produzione biogas: Nm3

biogas m3digestore d-1

• Resa in biogas prodotto: Nm3biogas kgSV-1

• Resa degradazione SV: (Qin . SVin – Qout. SVout)/(Qin

. SVin)

• Tenore in metano del biogas (γ)

• Resa utilizzo biogas:

(Qbiogas out digestore – Qbiogas in CHP)/ Qbiogas out digestore

• Resa energetica biogas:

Energia prodotta(elettrica o termica) /(γ . PCI . Qbiogas in CHP)



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Esempio di protocollo di monitoraggio

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Ulteriori verifiche di efficienza

Bilancio dei solidi e del COD rispetto al metano prodottoVerificare corrispondenza tra i SV o il COD rimossi e il metano prodotto bilancio su COD rimosso 0,35 Nm3CH4 kgCODdegradato

-1)Su substrati disomogenei e con elevata concentrazione di SSVopportuno effettuare ripetute analisi in doppio di SV/COD valori medi

rappresentativi.Se scarto chiusura del bilancio > 20% approfondire processoBMP (Biochemical Methane Potential) testVerifica dell’efficienza del processo effettuato sul digestato e sulsubstrato alimentato confronto della produzione effettiva di metanocon il BMP del substrato processo ben funzionante: 75 – 90%Per valori inferiori ulteriori verifiche:• Verifica dell’HRT (es: con dosaggio di tracciante)

• Verifica della presenza di sostanze inibenti o di concentrazioni chepossono risultare inibenti (VFA, ammoniaca, H2S, ecc.)• Verifica presenza macronutrienti



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Le procedure di controllo del processo

Variabili che controllano il processo (input):

Variabili regolabili o dominabili (manipulated variables)variabili che l’operatore può cambiare attivando il

funzionamento di macchine o regolazioni di setpoint diprocesso (es: la temperatura di riscaldamento del reattore, gliintervalli di miscelazione, la posizione dei mixer,aumento/diminuzione del carico con le pompe, ecc.)

Variabili perturbanti (disturbants) input che non possonoessere regolati, ma solo subiti (es: temperatura ambienteesterna, la esatta composizione dei substrati alimentati, seprovengono da fonti non completamente controllabili).

Variabili (parametri) di controllo di processo parametri cheè possibile misurare e verificarne la congruenza con i valori disetpoint riferiti a un processo ben funzionante.

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Primo livello di controllo: Livello impiantistico

2.Verifica del sistema di pompaggio/tubazioni1. Il sistema di pompaggio funziona correttamente?2. L’acqua calda di riscaldamento del digestore non circola?3. Ci sono perdite nel sistema di riscaldamento?4. Vi è un’occlusione/perdita di biogas nel circuito digestore/gasometro?5. È iniettata troppa aria nel sistema di desolforazione del processo?6. Caduta/aumento di pressione nel gasometro?

7. Caduta/aumento di pressione nel digestore?8. Sono state verificate le perdite di gas da dispositivi di sicurezza contro la

sovrapressione?9. E’ stato verificato lo stato delle tubazioni in PVC?

1.Verifica dell’alimentazione al digestore:1. Le pompe di alimentazione hanno funzionato per i tempi previsti?2. La composizione della miscela alimentata è variata?3. La concentrazione della miscela alimentata è più concentrata?

4. Nella miscela sono presenti dei contaminanti che possono inibire lafermentazione (i.e. antibiotici, disinfettanti, muffe…)?

0. Vi è una produzione giornaliera di biogas < 30% del setpoint?VERIFICHE



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Primo livello di controllo: Livello impiantistico

4. Processo di digestione:1. La temperatura del reattore è calata di oltre 5 °C?2. L’acqua calda di riscaldamento del digestore non è abbastanza calda?3. Vi è una variazione importante del livello liquido nel digestore?4. Vi è accumulo di inerti sul fondo/materiale flottante in superficie del

digestore che ne diminuiscono il volume utile e impediscono la raccoltadi biogas?

5. Vi sono schiume in superficie che possono aver occluso le tubazioni dicollegamento digestore/gasometro/motori?

3. Verifica del sistema di miscelazione:1. I miscelatori nel digestore non si sono attivati?2. Si è formato del cappellaccio flottante?

3. C’è stato un sovraccarico in termini di % di secco?4. Le pale dei miscelatori sono rotte, corrose, disconnesse dal motore?5. C’è un errore di configurazione dell’azione mescolante (posizionamento,

timer, potenza)?6. Ci sono problemi agli organi di comando del miscelatore (timer, ecc.)?

VERIFICHE

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Secondo livello di controllo: Livello gestionale

3. Si è svuotato troppo il reattore di digestato prima della ricarica facendovenire meno l’effetto di inoculo e riducendo l’SRT?

2. Temperatura del digestore:1. Il substrato alimentato è troppo freddo/caldo?2. Si è immessa troppa acqua fredda di reintegro?3. Entra aria nel digestore per mezzo del substrato?

1.Verifiche sul carico in ingresso:1.Si è alimentato un carico molto (doppio) alto di solidi rispettoall’usuale?

2.E’ stato operato un carico eccessivo in una volta sola?3.Vi è stato un cambiamento troppo repentino nella composizionedell’alimento?4.Vi è stato un errore nella miscelazione dei substrati in alimentazione?

VERIFICHE



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Terzo livello di controllo: Parametri di processo

pH

• non è un parametro efficace per il monitoraggio del processo(quando viene misurata la variazione di pH potrebbe essere troppotardi per operazioni di intervento)

• fortemente legato alla tipologia di substrato in ingresso• un calo di pH associato a un incremento di CO2 nel biogas èindice di instabilità nel processo• crollo pH potrebbe essere legato a eccessiva alimentazione disubstrato in ingresso aggiungere sostanze neutralizzanti (es:Na2CO3, CaO, Ca(OH)2, NaOH) o sospendere alimentazione

Alcalinità

•Nei sistemi a biogas principalmente correlata con laconcentrazione in carbonato/bicarbonato, ammoniaca e fosforo

•L’alcalinità consente di tamponare l’inevitabile acidificazionedovuta alla formazione di acidi grassi volatili e di acidi organicitramite carbonati attivi alcalini

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Acidi grassi volatili (VFA, mg/L AcEq)

• acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butirrico e acidovalerico

• buon indicatore di processo sono i principali intermedi traacidogenesi e acetogenesi

• verificare il valor medio specifico di ciascun impianto e, sullabase di questo, osservare le variazioni• accumulo di VFA accelerazione dei primi tre step DA (idrolisi,acidogenesi, acetogenesi), senza adeguamento processo dimetanogenesi diminuzione del pH

• per un impianto che opera in modo stabile:

•VFA < 4000 mg/L AcEq (valori medi attorno a 2000 mg/L AcEq:

Progetto AGROBIOGAS, 2008)•acido acetico < 100 – 200 mg/L

• rapporto ideale acido acetico/propionico 2:1



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VOA/TIC (Capacità di tamponamento alcalina).• consente di valutare la stabilità del processo di fermentazione e dirilevare prima eventuali malfunzionamenti nel processo

• valori ottimali VOA/TIC ~ 0,3-0,8.• VOA/TIC > 0,6-0,8 alto COV sospendere/diminuirealimentazione;• VOA/TIC < 0,2-0,3 basso COV aumentare carico alimentazione

Ammoniaca e azoto ammoniacale (mg L-1)• Elevate concentrazioni NH3 degradazione di composti a base diazoto (proteine) possibili inibizione e di tossicità• Inibizione se:

• concentrazioni totali NH3 e NH4+ > 3000 mg/L• concentrazione NH3 > 80 mg/L (tossicità per conc. > 150 mg/L)

• Equilibrio NH3/NH4+ funzione di pH aumenta con pH e T

• Inibizione da NH3 aggiungere substrati carboniosi (es. paglia) odiminuire T digestore.

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Terzo livello di controllo: Parametri diprocesso

Temperatura•Repentine variazioni di T shock termico (soprattutto per digestionetermofila);•All’aumentare di T aumento NH3, H2S

C/N/P/S

• Il substrato deve contenere un idoneo apporto di nutrienti• E’sufficiente un rapporto di nutrienti C/N/P/S è pari a 500-1000/15-20/5/3 oun rapporto di sostanza organica COD/N/P/S pari a 800/5/1/0,5.

• Se la quantità di carbonio è molto superiore agli altri elementi, non tutto ilcarbonio organico è degradato il potenziale di metano non è sfruttato almassimo. Inoltre, la mancanza di azoto ha effetti negativi sul metabolismo deimicrorganismi

• Se l’azoto predomina in modo eccessivo, la formazione di ammoniaca può

inibire la crescita dei microrganismi e quindi la produzione di metano (es: lepaglie presentano un rapporto C/N attorno a 100, per i reflui animali C/N piùbasso possono correggere il rapporto C/N di miscele carenti di N (es:colture agricole).



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Micronutrienti (mg/L)

• In generale la loro presenza è assicurata alimentando l’impianto con frazionianche piccole di effluenti zootecnici• Carenza di micronutrienti soprattutto nei digestori con un unico tipo disubstrato (es: monofermentazione di colture energetiche) e in presenza diun’elevata concentrazione di zolfo (reagisce con i microelementi formandosolfuri metallici, poco solubili in acqua, sottraendoli ai microrganismi)•La carenza di micronutrienti può inibire la fermentazione e causarel’acidificazione del substrato.

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Presenza di sostanze inibenti

• L’inibizione dipende dalla concentrazione degli inibitori, dalla composizionedel substrato e dalla capacità di adattamento dei batteri all’inibitore

• Alcuni composti intermedi del metabolismo possono determinareun’inibizione che può trasformarsi in tossicità alle alte concentrazioni

• Differenti e spesso contraddittori giudizi riguardo le sostanze inibenti perché:• I microrganismi si adattano al loro ambiente in modo più omeno rapido in funzione della composizione della biocenosi

• Uno stesso inibitore può avere effetti diversi in funzione del fatto che siapresente in modo continuo o meno, del tipo di fermentatore, dall’interazionecon gli elementi presenti



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Azioni di rimedio

Prevenzione dei malfunzionamenti legati al processo:

• controllo routinario dei parametri di processo

• gestione “prudente” delle discontinuità (es: variazioni nell’alimentazione,episodi di rottura del sistema di riscaldamento, ecc.)

• verifica puntuale della composizione di substrati “nuovi” o di provenienzanon controllabile

• Non esiste una strategia “vincente”

• È comunque importante non arrivare mai al blocco totale del processo (ameno di alimentazione accidentale di tossici).

• A scopo diagnostico è utile , ( ma dispendioso):

• prelevare campioni di digestato su cui effettuare un’analisi chimicacompleta per la ricerca di elementi tossici.

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Azioni di rimedio

Tipiche misure di “primo intervento”

• Ristabilire rapidamente pH e la temperatura i digestori dovrebberoprevedere un sistema di dosaggio di alcalinità (soda, bicarbonato, calce) e unsistema di riscaldamento (con combustibile ausiliario) Riduzione/sospensionedel carico più che proporzionale rispetto alla riduzione della produzione deimetano/incremento di acidi volatili

•Caso peggiore: blocco totale del processo causato dall’ingresso di sostanzetossiche o fortemente inibenti (es: metalli pesanti, antibiotici), in elevateconcentrazioni allontanamento della sostanza inibente e, in molti casi,inoculazione

• Allontanamento della sostanza tossica riduzione del tempo di residenzaidraulico del digestore per lavaggio del fango

• Es: inibizione da un eccessivo tenore di acidi grassi a lunga catena utileprevedere l’aggiunta di sostanze fibrose (come la paglia), che fungono da

adsorbente per gli acidi grassi a lunga catena• Es: inibizione da eccessivo carico proteico (incremento di azoto ammoniacale) aumento HRT per ridurre la concentrazione di azoto ammoniacale e il pHattorno a 7,0 per ridurre la frazione di ammoniaca libera



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Azioni di rimedio

Aggiungere sostanze neutralizzanti (CaO, Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH)R25Dosa un flusso di micronutrienti (per mezzo di reflui zootecnici)R24Dosa un flusso di N/P/S (quali pollina per N e sali agricoli per P)R23Sospendi il carico di alimentazione per 1-3 giorniR22Aggiungi co-substrati selezionati per aumentare la capacità tampone del substratoR21Riduci il carico o la portata di alimentazioneR20Aumenta il contenuto di acqua nella miscelaR19Alza il flusso di calore al digestoreR18

Abbassa il flusso di calore al digestoreR17Controlla la temperatura del digestoreR16Dosa antischiumaR15Rimuovi le schiumeR14Elimina cappellaccio flottanteR13Elimina i grumi galleggianti nel mixer liquorR12Verifica la tenuta di pressione del digestoreR11Verifica la tenuta di pressione del gasometroR10Pulisci tubi gas dalle schiumeR9Verifica l’intasamento delle pompeR8Cambia la posizione dei mixerR7Verifica configurazione sistema miscelazioneR6Ripara/Sostituisci pale mescolatriciR5

Sostituisci le lame dello sminuzzatoreR4Aumenta i tempi di miscelazioneR3Ripristina i valori di setpointR2Ripristina la funzionalità della macchinaR1

Azioni di rimedio

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Azioni di rimedio

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