bioga“ -done-right · 2020. 11. 19. · corso di formazione 27 settembre 2020 reggio emilia...

CORSO DI FORMAZIONE

27 Settembre 2020

Reggio Emilia

Pretrattamento biomasse e casi di studio realiMirco Garuti, Centro Ricerche Produzioni Animali (Reggio Emilia)

PSR 2014-2020 Regione del Veneto – TI 2.3.1 – Formazione dei consulenti

BIOGA“-DONE-RIGHTIl biogas fatto bene

10-11-12-17-18

Novembre 2020 Corso on-line

Formazione a

Distanza

Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)

Contenuti

• Tecnologie di pretrattamento delle biomasse

• Valutazio e dell’a da e to di u i pia to di iogas

• Interpretazione dei parametri chimico-fisici del digestato e delle biomasse

• Interpretazione dei parametri operativi

• Misure di correzione del processo biologico


Obiettivi

• Comprendere gli aspetti tecnologici dei pretrattamenti delle biomasse

• Interpretare correttamente i parametri biologici per la gestione di un impianto di biogas

• Sape valuta e l’a da e to di u i pia to di iogas


Obiettivi

• Comprendere gli aspetti tecnologici dei pretrattamenti delle biomasse

• Interpretare correttamente i parametri biologici per la gestione di un impianto di biogas

• “aper valutare l’a da e to di u i pia to di iogas


Perché il pretrattamento delle 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

e) Migliorare miscelazione ed

evitare strati galleggianti


Tipologie di pretrattamento

Fisico / Meccanico

•Mulino a coltelli•Mulino a martelli•Estrusione•Cavitazione

Fisico / Termico

•Steam Explosion•Pastorizzazione

Biologico

•Enzimi•Micronutrienti•Bioaugmentation

Chimico

• Idrolisi acida / basica


Attività di studio per pretrattamenti meccanici

Campionamento su 4 diversi impianti di biogas (999 kWe)

o 4 diversi pretrattamenti meccanici con 4 differenti tipologie di biomasse o Pretrattamento già ottimizzato con approccio «trial-and-error»o Le tecnologie sono funzionali e utili

✓ Valutare effetti produzione di biogas e disgregazione fisica✓ Correlazione con il consumo energetico✓ Identificare indici di efficienza applicabili ad altre casistiche


Pretrattamenti e biomasse

Pretrattamento Biomasse Solidi Totali (%) Solidi Volatili (%ST)

Mulino a coltelli Semi misti 88,2% 83,6%

Mulino a martellimix: lettiera di broiler, letame bovino,

silomais, farina di mais43,2% 89,1%

Estrusionemix: silomais, pastone di mais, bucce di patate,

lettiera di broiler, solido separato da liquame bovino37,9% 87,0%

Triturazione + cavitazione

Digestato da fermentatore primario 10,8% 76,9%

Biomasse al carico

Matrice già digerita


Produzione di metano (test BMP)

SM=Sensore manometrico

EV=Elettrovalvola

MM=Misuratore massico AG= Analizzatore gas


Effetto sulla produzione di metano

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

Pro

du

zio

ne

CH

4

(Nm

3C

H4/t

SV

)

Mulino a coltelli

0

50

100

150

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250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

Mulino a martelli

0

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100

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300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

Pro

du

zio

ne

CH

4

[Nm

3C

H4/t

SV

]

Tempo (giorni)

Estrusione

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

Tempo (giorni)

Cavitazione

+13% produzione CH410,8 kWh/kWh consumato





Disgregazione fisica (granulometria)

BIOMASSA

SOLIDI TOTALISETACCIATURA

AD UMIDO5-0,1 mm

DISTRIBUZIONEGRANULOMETRICA

RACCOLTA DELLEVARIE FRAZIONI

ANALISIMICROSCOPIO

ELETTRONICO


Riduzione solidi con D ≥ 5 mm

PretrattamentoSolidi con diametro

≥ 5 %“T

Mulino a coltelli- 5,5% ± 2,1%

Trattato 0,02% ± 0,02%

Mulino a martelli- 11,5% ± 3,5%

Trattato 7,7% ± 3,4%

Estrusione- 17,2% ± 3,6%

Trattato 10,3% ± 1,6%

Triturazione + cavitazione

- 8,4% ± 0,3%

Trattato 4,2% ± 0,1%

-100%

-33%

-40%

-50%


Monitoraggio di un impianto di biogas

La validazione di una tecnologia (es.: pretrattamento, additivi) prevede il monitoraggio di un

periodo di riferimento seguito da un periodo di utilizzo della

tecnologia anche se le biomasse possono essere variabili.



Il confronto tra la produzione di metano attesa dalle biomasse e la produzione di metano effettiva è un primo indicatore degli effetti

della tecnologia applicata



CENERI

SV in

CENERI

SVout

BIOGASEFFLUENTI ZOOTECNICI

% CH4 residuo =

SOTTOPRODOTTI

AGROINDUSTRIALI

BIOMASSE

VEGETALI

Caratterizzazione biomasse, registrazione quantità immesse

Stima quantitàdigestato in uscita

INDICATORE PER VALUTARE

L’EFFICIEN)A DEL PROCE““O

(Nm3CH4/tSV)(Nm3CH4/tSV)

Il test RBP consente di valutarel’effi ie za dell’i pia to el suo

complesso tenendo conto sia delle molteplici dinamiche che caratterizzano

l’e uili io i o iologi o e hi i o-fisico nel digestato che

dell’i t oduzio e di u a te ologia da valutare.



L’au e to di effi ie za dell’i pia to a seguito dell’i t oduzio e di u a

tecnologia può evidenziare risultati meno positivi rispetto alle

sperimentazioni di laboratorio.

Il beneficio deve comunque essere misurabile e può portare a

significativi miglioramenti nel bilancio economico.


Pretrattamento biomasse - Conclusioni

• L’au e to della p oduzio e di iogas o u p et atta e to è da ricercare principalmente nelle biomasse al carico di tipo lignocellulosico

• Il beneficio sulla miscelazione del digestato deve essere visibile dall’ope ato e e « isu a ile»

• Ridurre i tempi di ottimizzazione delle tecnologie di pretrattamento su scala reale valutando le condizioni operative con prove di laboratorio


Il processo biologico

✓ Tipologia delle biomasse✓ Miscelazione / Sistema di carico✓ Geometria dei fermentatori✓ Tempo di ritenzione idraulica✓ Carico organico volumetrico

✓ Temperatura✓ Rapporto acidità / alcalinità

✓ Acidi Grassi Volatili✓ Ammoniaca

✓ Conducibilità elettrica✓ Macro e microelementi

✓ Schiume


Parametri di processo

• Solidi Totali, Solidi Volatili• Acidi Grassi Volatili (Ac. acetico, Ac. Propionico, ecc.)• pH, Rapporto acidità / alcalinità (Es. FOS/TAC)

• Conducibilità elettrica ( salinità, si misura in mS/cm)• Azoto Ammoniacale N-NH4+ ( concentrazione di NH3)• Concentrazione di macro e micronutrienti


pH e FOS/TAC

pH

È determinato dal contributo della fermentazione acidificante(produzione di acidi) e della metanogenesi (consumo di acidi) edall’effetto tampone degli equilibri chimici

Acidità / alcalinità (FOS/TAC)

A idità è dete i ata dall’a u ulo di a idi o ga i i g A ido Acetico eq / kg . L’al ali ità è dete i ata dal siste a ta po e all’i te o del digesto e g CaCO3 eq / kg).


Interpretazione FOS/TAC

FOS/TAC Indicazione Azione da intraprendere

>0,6 Acidosi in corsoAnalisi, sospendere alimentazione,

rimuovere inibizione

0,45-0,60 Carico organico eccessivo Analisi, diminuire alimentazione

0,29-0,45 Carico organico elevatoAnalisi, mantenere alimentazione stabile o

diminuire

0,20-0,28 Biologia in equilibrio Mantenere condizioni stabili


Inibizione da ammoniaca

Si produce per deaminazione degli aminoacidi.

Esiste un equilibrio in ambiente acquoso tra le due forme chimiche che dipende dal pH, dalla temperatura di processo e dalla concentrazione di NH4

+.

NH3 (aq.) + H2O (l.) NH4+ (aq.) + OH- (aq.)

L’i i izio e atte i a è ausata dalla o e t azio e di a o ia a li e a NH3) ma dal lato p ati o si isu a l’azoto a o ia ale el digestato (N-NH4+).

Valori al di sotto di 3000 mg/kg di N-NH4+ non sono inibenti per

la digestione anaerobica in ambito agrozootecnico


Conducibilità elettrica

Per determinare la concentrazione di sali disciolti nel digestato si ricorre alla misura della conducibilità elettrica (si misura in millisiemens su centimetro, mS/cm)

I consorzi microbici sono in grado di adattarsi a concentrazioni diversificate di salinità


Macro e microelementi

INDIVIDUAZIONE

DELL’ECCE““O/DILUI)IONE


Macro e microelementi - meccanismo

La limitazione in uno o più elementi è influenzata da molteplici interazioni (Saito et al., 2008) che possono essere raggruppate nelle seguenti quattro:

• l’ele e to è il solo ad essere carente, non è sostituibile da altri metalli ela risposta nella produzione di biogas risponde alla teoria del minimo;

• due elementi risultano essere limitanti ed agiscono a livello di due viebiochimiche molto diverse come duplicazione cellulare e metanogenesi;la loro carenza può manifestarsi con un effetto sinergico oppureindipendente. (es.: la carenza di azoto e nichel).

• la carenza di un elemento può essere totalmente o parzialmente colmatadalla presenza di un altro elemento che agisce sulla stessa via metabolica(es.: Molibdeno/tungsteno).

• due elementi risultano essere limitanti perché uno di essi è essenzialeper il trasporto dell’alt o all’i te o della cellula (il secondo non èbiodisponibile).


Microelementi – funzione e concentrazione

Indagine CRPA su circa 60 impianti di tipo agrozootecnico

Le carenze maggiormente riscontrate hanno riguardato

cobalto, nichel, selenio, molibdeno e ferro


Crisi da microelementi: quanto è frequente?

RECUPERO DEL PROCESSO

14,5% dei casi* MANTENIMENTO/ OTTIMIZZAZIONE

85% dei casi*INDIVIDUA)IONE DELL’ECCE““O E DILUI)IONE

0,5% dei casi**indagine interna (CRPA)


Anche il digestato in uscita ha un valore

La produzione specificaresidua di metano

mediamente riscontratasia pari a

88 ± 37 Nm³CH4/tSV, andando da valori minimi

di 8 Nm³CH4/tSV a massimi di 250 Nm³CH4/tSV.


Interpretazione delle analisi

FOS/TAC Indicazione

>0,6 Acidosi in corso

0,45-0,60 Carico organico eccessivo

0,29-0,45 Carico organico elevato

0,20-0,28 Biologia in equilibrio


Biologia in equilibrio

Parametri

pH 7,87

FOS 3955

TAC 15763

FOS/TAC 0,25

Ac. Acetico 92

Ac. Propionico


Acidosi classica

Parametri

pH 7,21

FOS 12768

TAC 11075

FOS/TAC 1,15

Ac.Acetico 8243

Ac. Propionico 1753

Ac.Butirrico 442

Ac. Isobutirrico 193

Ac. Valerico 207

Ac. Isovalerico 280

Ac.Caproico 116

Ac. Iso-caproico 101

Ac. eptanico 300 mg/L !

Ac. Acet. / Ac. Prop. > 4 ok


Acidosi con acido propionico

Parametri

pH 7,75

FOS 11282

TAC 11878

FOS/TAC 0,95

Ac. Acetico 575

Ac. Propionico 9469

Ac.Butirrico


Inibizione dell’idrolisiParametri

pH 7,76

FOS 4177

TAC 15842

FOS/TAC 0.26

Ac. Acetico


Impianto bistadio monofase


Caso reale: Acidosi per alto COV

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0,40

0,90

1,40

1,90

2,40

2,90

3,40

3,90

4,40

4,90

Pe

rce

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Ca

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SV

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COV CH4Giorni



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100%

200%

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400%

500%

600%

700%

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400

600

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1000

1200

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Pe

ff/P

att

Po

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za e

lett

rica

(k

W)

Giorni

Potenza Elettrica effettiva Potenza Elettrica attesa Peff/Patt



0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 30 60 90 120

FOS

/TA

C

FOS

(m

g H

Ae

q/k

g)

TA

C (

mg

Ca

CO

3/k

g)

FOS TAC FOS/TAC

Digestore primario

reazione immediata e violenta del rapporto FOS/TAC che passa da 0,26 a 1,46 nel giro di

pochissimi giorni

Giorni



0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 30 60 90 120

FOS

/TA

C

FOS

(m

g H

Ae

q/k

g)

TA

C (

mg

Ca

CO

3/k

g)

Giorni

Digestore secondario

reazione lenta del rapporto FOS/TAC che passa da 0,21 a 0,26

I ricircoli dal digestore

secondario sono un buon

buffer di alcalinità da

poter usare per gestire

crisi da acidosi



Si produce per deaminazione degli aminoacidi.

Esiste un equilibrio in ambiente acquoso tra le due forme chimiche che dipende dal pH, dalla temperatura di processo e dalla concentrazione di NH4

+.

NH3 (aq.) + H2O (l.) NH4+ (aq.) + OH- (aq.)

L’i i izio e atte i a è ausata dalla o e t azio e di a o ia a li e a NH3) ma dal lato p ati o si isu a l’azoto a o ia ale el digestato (N-NH4+).

Valori al di sotto di 3000 mg/kg di N-NH4+ non sono inibenti per

la digestione anaerobica in ambito agrozootecnico


Micro e macro elementi

C’è are za di microelementi?

Quali?

Quanto devo

aggiungere? Quanto

frequentemente?

Come faccio il

dosaggio?


Microelementi: recupero di processo

COGENERATORE

999 kWe0,28€/kWh

SUOLO

AD1

2145 m3

PF2865 m3

VASCA STOCCAGGIO

SeparazioneS/L

t/gg tVS/gg

Silomais 30,1 9,0Silotriticale 0,9 0,3

Lettiera avicola 2,8 0,9Liquame suino 139,3 3,5Farina di mais 3,2 2,8

Glicerina 0,5 0,5 AD22145 m3

Temperatura: 41-42°CCOV (AD1): 7,90 kgSV/ m3 . ggHRT (AD1): 24 giorniPeriodo di monitoraggio: 2 anni


Take at home!

• L’ope ato e dell’i pia to di iogas assu e aggio e

consapevolezza nella gestione

• Un impianto di biogas è un sistema «meccanico-biologico»

• Con le analisi periodiche, la «manutenzione» della biologia

permette di evitare perdite di produzione

CORSO DI FORMAZIONE

27 Settembre 2020

Reggio Emilia




10-11-12-17-18


Formazione a

Distanza

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Attività condotta nell’ambito del progetto AGROENER Energia dall’agricoltura, innovazioni sostenibili per la bioeconomia MiPAAF, D.D.

N. 9 del / / , WP Realizzazione impianti sperimentali, dimostrazioni e divulgazione WP leader: Francesco Gallucci .

Mirco Garuti

[email protected]

www.crpa.it

Your partner for R&D

in the biogas sector

mailto:[email protected]

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27 Settembre 2020

Reggio Emilia




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