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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



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



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.



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



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.



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



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

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



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



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



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).



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



Prospettive future



Ricerca Industriale

E’ un laboratorio dedicato alla Ricerca IndustrialeRete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna

Sezione AMBIENTE ed ENERGIA

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