IT201800008168A1 - Processo di metanazione biologica di substrati gassosi tramite cavitazione idrodinamica - Google Patents
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Description
TITOLO: “Processo di metanazione biologica di substrati gassosi tramite cavitazione idrodinamica”
DESCRIZIONE
CAMPO DELL’INVENZIONE
La domanda di brevetto concerne un metodo per il trattamento e la produzione di biogas.
STATO DELL’ARTE
In questi anni, il carattere di non-rinnovabilità dei combustibili di origine fossile ed i problemi di inquinamento ambientale relativi al loro utilizzo sono risultati essere particolarmente sentiti.
Di conseguenza, è cresciuta l’attenzione verso un utilizzo maggiore delle fonti di energia rinnovabili; di contro, alcune di esse (es. eolico, fotovoltaico) evidenziano forti problematiche legate a limitata programmabilità e ristretta capacità di stoccaggio che rendono ancora lontana un’indipendenza totale dai combustibili fossili.
Un ruolo di rilievo in questo contesto è assunto dal biogas prodotto mediante digestione anaerobica, ovvero ottenuto dalla conversione della sostanza organica contenuta nei residui organici (biomasse) mediante la conduzione di un processo microbiologico controllato in digestori anaerobici.
In generale, con il termine biogas si intende una miscela di gas provenienti dalla degradazione biologica di substrati organici di varia origine (frazione organica dei rifiuti solidi urbani, scarti di produzione agroalimentare, biomasse vegetali, reflui zootecnici) mediante un processo di digestione anaerobica (assenza di ossigeno) da parte di specifici microrganismi.
La produzione di biogas riveste un ruolo strategico nel panorama delle energie rinnovabili perché, in primo luogo, la sua produzione è modulabile in base alla quantità e alla qualità delle biomasse usate e, in secondo luogo, può essere valorizzata in molteplici utilizzi finali.
Il biogas da digestione anaerobica normalmente comprende dal 50% al 75% di metano e può essere convertito in energia elettrica rinnovabile mediante l’utilizzo di un sistema di generazione elettrica oppure in energia elettrica e termica mediante cogenerazione; il biogas può essere sottoposto ad una fase di purificazione (upgrade) a biometano ottenendo un gas contenente dal 95% al 99% in metano, ed essere così immesso nella rete del gas naturale.
La digestione anaerobica si compone di quattro fasi denominate idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi. Nelle prime tre fasi, differenti gruppi di batteri interagiscono per metabolizzare macromole organiche complesse che compongono le biomasse fino ad avere acido acetico, anidride carbonica e idrogeno molecolare. Nell’ultima fase di metanogenesi alcuni microrganismi, denominati acetoclastici, convertono l’acido acetico in metano e anidride carbonica mentre altri, denominati idrogenotrofi, convertono anidride carbonica e idrogeno in metano. Normalmente circa il 70% del biogas è ottenuto mediante digestione anaerobica da Archea metanigeni e il 30% da Archea idrogenotrofi
In generale, per biomassa si intende un qualsiasi materiale avente una frazione biodegradabile di origine biologica: essa può provenire dal settore dell’agricoltura, della silvicoltura e della itticoltura e comprende sia sostanze vegetali che animali; qualsiasi prodotto, rifiuto e residuo dell’industria della lavorazione del legno e della carta può essere considerata una biomassa; tutti i prodotti, rifiuti e residui organici aventi una frazione biodegradabile, derivanti dall’attività biologica degli animali e dell’uomo, come quelli contenuti nei rifiuti urbani o nei sottoprodotti del comparto agro-industriale collegato alla lavorazione dei flussi di materia del settore primario sono a tutti gli effetti definibili come biomassa.
Allo stato attuale dell’arte, la digestione anaerobica è un processo consolidato e diffuso sia in ambito industriale che agro-zootecnico.
Uno degli svantaggi nelle attuali tecnologie, sia per l’utilizzo del biogas per la produzione di energia elettrica e termica, che per l’utilizzo del biogas come biocombustibile, risiede nel mancato sfruttamento dell’anidride carbonica (CO2) che viene rilasciata in atmosfera.
Lo sfruttamento dell’anidride carbonica (CO2) può essere effettuato in un cosiddetto processo di metanazione mediante reazione con idrogeno molecolare (H2) per ottenere ulteriore metano (CH4). L’idrogeno molecolare (H2) può essere ottenuto mediante elettrolisi dell’acqua sfruttando il surplus di energia elettrica da fonti rinnovabili non programmabili quali fotovoltaico ed eolico; in questo contesto, la tecnologia di conversione dell’energia elettrica ad energia chimica è nota come Power-to-Gas.
La metanazione di CO2 e H2 può essere ottenuta per via chimica, caratterizzata da alte temperature, pressioni e utilizzo di catalizzatori, o per via biologica, mediante un processo biotecnologico che sfrutta il metabolismo di microrganismi idrogenotrofi condotto a temperature e pressioni sensibilmente inferiori e con ridotti costi energetici.
Attualmente, né la metanazione per via chimica, né quella per via biologica sono particolarmente diffuse, per limiti tecnico-economici.
Per la metanazione biologica, uno dei limiti tecnici più evidenti è la dissoluzione dell’idrogeno molecolare in fase liquida, condizione indispensabile per un suo utilizzo da parte dei microrganismi.
La cavitazione idrodinamica è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all'interno di un fluido che poi implodono producendo un’onda d’urto. In campo industriale, la cavitazione idrodinamica è ottenibile mediante sistemi rotore/statore, venturi, piastra forata o sistemi combinati.
Nello specifico, la cavitazione idrodinamica controllata è ottenibile mediante una tecnologia consistente in un cilindro di acciaio con cavità cieche, rotante all’interno di una chiocciola; la sua rotazione controllata determina all’interno di fori presenti sul cilindro una differenza di pressione, che a sua volta porta alla formazione e successiva implosione di microbolle.
La cavitazione idrodinamica controllata è attualmente utilizzata come sistema di pretrattamento delle biomasse in quanto produce un’intensa attività meccanica e termica sulla sostanza organica presente in soluzione acquosa, sulla quale determina una parziale destrutturazione fisica che si traduce in un’accelerazione della fase di idrolisi e, di conseguenza, in un miglioramento del processo di digestione anaerobica nel suo complesso; viene definita “controllata” poiché è modulabile il grado di disgregazione.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
La Richiedente ha ora determinato che il processo di cavitazione idrodinamica può essere anche utilizzato per aumentare la miscelazione dei gas in fase liquida.
La Richiedente ha quindi sviluppato un processo per la metanazione biologica di CO2 e H2 che consente di ottenere una maggiore efficienza biologica di produzione del metano.
In accordo con la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto mediante un processo in accordo con la rivendicazione 1.
Detto processo sfrutta la cavitazione idrodinamica, oltre che per disgregare ed omogeneizzare una biomassa, anche per migliorare la dissoluzione di substrati gassosi, comprendenti H2 e CO2, in un liquido di fermentazione. L’applicazione della cavitazione idrodinamica nel processo di metanazione biologica consente vantaggiosamente di aumentare il coefficiente di trasferimento di massa dell’idrogeno dalla fase gassosa alla fase liquida, rendendo il substrato gassoso maggiormente disponibile in soluzione, in cui sono presenti microorganismi metanigeni idrogenotrofi.
Ulteriore oggetto della presente domanda di brevetto è l’impianto per la realizzazione del processo sopra citato.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
Con il termine biomassa si indica un substrato adatto alla trasformazione ed alla generazione di biogas secondo la presente invenzione.
Preferibilmente, la biomassa è costituita da un substrato organico, o da digestati, o da liquido di fermentazione comprendente microrganismi anaerobici.
Nell’ambito della presente invenzione, substrati organici idonei sono ad esempio biomasse vegetali, sottoprodotti agro-industriali (es.: siero di latte, sansa a due fasi, sottoprodotti di lavorazione di vegetali e frutta), liquami zootecnici, rifiuti organici (es.: frazione organica del rifiuto solido urbano, verde urbano).
Con digestato si intende il materiale in fermentazione all’interno o uscente da un digestore anaerobico.
Con liquido di fermentazione si intende un mezzo di coltura batterica comprendente acqua e coltura pura o mista di microrganismi anaerobici coinvolti nel processo di digestione anaerobica, preferibilmente afferenti agli idrogenotrofi (Es.: Methanothermobacter spp., Methanobacterium spp., Methanococcoides spp.). Nell’ambito della digestione anaerobica, il liquido di fermentazione costituisce lo starter fermentativo di un digestore anaerobico.
Il processo oggetto della presente domanda consente vantaggiosamente di impiegare biomasse aventi un contenuto di acqua variabile, a seconda della natura e dell’origine della biomassa.
Si noti che, preferibilmente, la biomassa ha un contenuto di acqua compreso tra 1% e 99% (peso/peso).
Ancora più preferibilmente, la biomassa ha un contenuto di acqua ≥ 90% (peso/peso).
Qualora la biomassa in entrata avesse un contenuto di acqua non idoneo all’impiego, la biomassa in entrata è preferibilmente sottoposta a miscelazione con una fase liquida, per ottenere una biomassa avente un contenuto di acqua compreso tra 1% e 99%, più preferibilmente ≥ 90% (peso/peso).
La fase liquida è preferibilmente costituita da un fluido acquoso, scelto ad esempio tra almeno uno dei seguenti: acqua o un liquido di fermentazione comprendente microrganismi anaerobici idrogenotrofi o un digestato o miscele dei precedenti.
La biomassa viene successivamente sottoposta ad una fase di disgregazione mediante cavitazione idrodinamica, per ottenere una biomassa disgregata.
Durante la fase di disgregazione, la biomassa è miscelata con almeno idrogeno (H2) ed anidride carbonica (CO2) mediante cavitazione idrodinamica.
Si noti che detti H2 e CO210 sono in forma di gas.
I gas H2 e CO2 possono essere di origine sintetica o di origine biogenica. Più preferibilmente, H2 e CO2 possono essere totalmente o parzialmente di origine sintetica o biogenica.
Detti H2 e CO2 possono essere in forma di singoli reagenti o contenuti in una miscela complessa di gas.
Preferibilmente, uno o entrambi detti H2 e CO2 sono contenuti in un gas scelto tra almeno uno dei seguenti: biogas, syngas, gas di discarica, gas provenienti da altri tipi di fermentazioni in ambito biotecnologico o da processi industriali.
Con il termine syngas si intende un gas combustibile comprendente principalmente idrogeno, monossido di carbonio ed avente tracce di anidride carbonica. Il syngas viene prodotto mediante gasificazione, per reazione con vapore acqueo, monossido di carbonio e ossigeno. Può essere ottenuto da diverse fonti quali gas naturali, carbone, biomasse e da qualunque materia prima idrocarburica.
Con gas di discarica si intende un gas comprendente principalmente metano e anidride carbonica in rapporto variabile da 40-70% a 30-60%. Azoto, ossigeno, idrogeno e vari composti organici sono presenti come componenti relativi. Il gas di discarica è prodotto dalla biodegradazione intensiva dei rifiuti urbani ed agricoli, comprendenti scarti organici di origine domestica, commerciale e agricola, carta, cartone, scarti alimentari, plastica, gomma, vetro, rifiuti vari, metalli ed altro.
I gas provenienti da altri tipi di fermentazione in ambito biotecnologico o altri processi industriali sono, ad esempio, gas ottenuti come scarto dal processo di fermentazione alcolica, gas ottenuti dal processo di fermentazione butirrica, gas ottenuti come scarto dal processo di produzione di energia elettrica e termica dal biogas, come scarto del processo di upgrade del biogas a biometano, come prodotto secondario da impianti di produzione di ammoniaca, come sottoprodotto della produzione di fosfato di sodio. Questi gas comprendono principalmente idrogeno e anidride carbonica, in cui quest’ultima può essere presente in rapporto variabile da 70-99%.
La disgregazione ottenuta mediante il processo di cavitazione idrodinamica consente di ridurre la dimensione granulometrica delle frazioni di materiale aventi un diametro > 5 mm, tale da arrivare a far sì che queste frazioni rappresentino un quantitativo di solidi totali inferiore al 5% del peso totale della biomassa.
La biomassa disgregata così ottenuta viene indirizzata in un digestore anaerobico 30, per essere sottoposta ad una fase di digestione anaerobica.
Il digestore anaerobico contiene preferibilmente un liquido di fermentazione comprendente sali inorganici, che vengono addizionati a detto liquido ad esempio mediante soluzioni minerali.
Preferibilmente detti sali inorganici comprendono macroelementi, scelti ad esempio tra almeno uno dei seguenti: azoto, fosforo, potassio, zolfo, magnesio, manganese, sodio; detti sali inorganici comprendono oligoelementi, scelti ad esempio tra almeno uno dei seguenti: nichel, cobalto, selenio, molibdeno, ferro, zinco, rame, boro, tungsteno.
La biomassa disgregata viene preferibilmente sottoposta a digestione anaerobica ad una temperatura compresa tra 30°C e 60°C, preferibilmente ad un pH compreso tra 6,5 e 8,5.
Dalla digestione anaerobica della biomassa disgregata si ottengono due prodotti: un biogas ed un digestato.
Si noti che, il biogas ottenuto con il processo oggetto della presente invenzione è vantaggiosamente ricco in metano (CH4), ossia ha un contenuto di metano compreso tra 60-99% (volume/volume), con una resa preferibilmente superiore a 20 m<3 >CH4/ (m<3 >digestore <. >giorno).
Secondo una forma di realizzazione preferita, detto digestato costituisce la fase liquida del processo secondo la presente invenzione.
Secondo una forma di realizzazione alternativa alla precedente, la biomassa è costituita da detto digestato.
Il metodo può essere condotto in ricircolo, ad esempio sostituendo la biomassa con una quota del digestato o del liquido di fermentazione del digestore anaerobico.
Vantaggiosamente detto digestato è compatibile con l’utilizzo agronomico e può essere utilizzato per la fertilizzazione dei terreni.
La fase di disgregazione mediante cavitazione idrodinamica consente vantaggiosamente di ridurre le dimensioni della frazione solida/fibrosa compresa nella biomassa diluita, rendendoli più omogenei e consentendo un flusso regolare di materiale all’interno del digestore.
L’impiego della cavitazione idrodinamica controllata consente di migliorare la miscelazione della biomassa con i reagenti gassosi, favorendo la dissoluzione dei gas in fase liquida, aumentandone la disponibilità e la velocità di assimilazione per i microrganismi metanigeni idrogenotrofi presenti nel liquido di fermentazione.
La produzione specifica di metano del processo in questione, misurata come quantità di metano prodotta in un’unità volumetrica della capienza del reattore nell’unità di tempo (esprimibile con l’unità di misura m<3>CH4/ (m<3 >digestore <. >giorno), è preferibilmente superiore a 20 m<3 >CH4/ (m<3 >digestore <. >giorno) e indicativamente compresa tra 1 e 100 m<3 >CH4/ (m<3 >digestore <. >giorno).
Le reazioni biochimiche che danno luogo alla produzione di metano mediante digestione anaerobica sono riconducibili a quelle di Formula 1, in cui l’acido acetico è convertito in metano e anidride carbonica, e Formula 2, in cui idrogeno ed anidride carbonica reagiscono per formare metano ed acqua:
Formula 1 CH3COOH ⇄ CH4+CO2
Formula 2 4H2 + CO2 ⇄ CH4 + 2H2O
L’aggiunta dei reagenti H2 e CO2 consente di favorire la produzione di metano da parte dei microrganismi idrogenotrofi, secondo un processo noto come metanazione biologica.
Il processo oggetto dell’invenzione consente di spostare la produzione e quindi l’attività metanigena microbica verso gli Archea idrogenotrofi in percentuali di produzione superiori al 30%, utilizzando un processo e un impianto innovativi rispetto alle attuali tecnologie.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI: 1. Processo per la metanazione biologica di CO2 e H2 comprendente le fasi di: a) predisposizione di una biomassa; b) predisposizione di H2 e CO2; c) disgregazione della biomassa mediante cavitazione idrodinamica ed ottenimento di una biomassa disgregata; d) digestione anaerobica della biomassa disgregata in un digestore anaerobico ed ottenimento di un biogas e di un digestato, detto processo caratterizzato dal fatto che durante la fase di disgregazione c, la biomassa è miscelata con almeno H2 e CO2 mediante cavitazione idrodinamica.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui la biomassa ha un contenuto di acqua compreso tra 1% e 99% in peso, sul peso totale della biomassa.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 2, in cui la biomassa ha un contenuto di acqua ≥ 90% in peso, sul peso totale della biomassa.
- 4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detti H2 e CO2 sono di origine sintetica o biogenica.
- 5. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui uno o entrambi di detti H2 e CO2 sono contenuti in un gas scelto tra almeno uno dei seguenti: biogas, syngas, gas di discarica, gas provenienti da altri tipi di fermentazioni in ambito biotecnologico o da processi industriali.
- 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la biomassa è costituita dal digestato o dal liquor di fermentazione del digestore.
- 7. Impianto per il trattamento e la produzione di biogas da biomasse secondo il processo in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3.
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