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
Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)
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
Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)
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
Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)
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
Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)
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
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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
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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
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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
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Produzione di metano (test BMP)
SM=Sensore manometrico
EV=Elettrovalvola
MM=Misuratore massico AG= Analizzatore gas
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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
200
250
300
350
0 5 10 15 20 25 30 35
Mulino a martelli
0
50
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250
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
+11% produzione CH47,4 kWh/kWh consumato
+3% produzione CH42,7 kWh/kWh consumato
+1% produzione CH40,1 kWh/kWh consumato
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Disgregazione fisica (granulometria)
BIOMASSA
SOLIDI TOTALISETACCIATURA
AD UMIDO5-0,1 mm
DISTRIBUZIONEGRANULOMETRICA
RACCOLTA DELLEVARIE FRAZIONI
ANALISIMICROSCOPIO
ELETTRONICO
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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%
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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.
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Monitoraggio di un impianto di biogas
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
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Monitoraggio di un impianto di biogas
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.
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Monitoraggio di un impianto di biogas
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.
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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
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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
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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
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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).
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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
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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
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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
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Macro e microelementi
INDIVIDUAZIONE
DELL’ECCE““O/DILUI)IONE
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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).
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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
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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)
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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.
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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
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Biologia in equilibrio
Parametri
pH 7,87
FOS 3955
TAC 15763
FOS/TAC 0,25
Ac. Acetico 92
Ac. Propionico
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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
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Acidosi con acido propionico
Parametri
pH 7,75
FOS 11282
TAC 11878
FOS/TAC 0,95
Ac. Acetico 575
Ac. Propionico 9469
Ac.Butirrico
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Inibizione dell’idrolisiParametri
pH 7,76
FOS 4177
TAC 15842
FOS/TAC 0.26
Ac. Acetico
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Impianto bistadio monofase
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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
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rico
Org
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SV
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3.g
))
COV CH4Giorni
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Caso reale: Acidosi per alto COV
0%
100%
200%
300%
400%
500%
600%
700%
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25 30 35
Pe
ff/P
att
Po
ten
za e
lett
rica
(k
W)
Giorni
Potenza Elettrica effettiva Potenza Elettrica attesa Peff/Patt
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Caso reale: Acidosi per alto COV
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
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Caso reale: Acidosi per alto COV
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
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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.)
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Valori al di sotto di 3000 mg/kg di N-NH4+ non sono inibenti per
la digestione anaerobica in ambito agrozootecnico
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Inibizione da ammoniaca
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Inibizione da ammoniaca
Biogas-done-right – #5 Pretrattamento biomasse e casi di studio reali – Mirco Garuti (Centro Ricerche Produzioni Animali)
Micro e macro elementi
C’è are za di microelementi?
Quali?
Quanto devo
aggiungere? Quanto
frequentemente?
Come faccio il
dosaggio?
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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
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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
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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
www.crpa.it
Your partner for R&D
in the biogas sector
mailto:[email protected]
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