ITTO20130227A1 - Procedimento ed impianto per la produzione di idrogeno (h2) e metano (ch4) da effluenti zootecnici. - Google Patents

Description

Procedimento ed impianto per la produzione di idrogeno (H2) e metano (CH4) da effluenti zootecnici.

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento ed impianto per la produzione di idrogeno (H2) e metano (CH4) da effluenti zootecnici.

Per effluenti zootecnici, si intendono principalmente le deiezioni del bestiame, o una miscela di lettiera e di deiezioni, con eventuale aggiunta di acque di lavaggio dei ricoveri, liquidi di sgrondo e acqua da precipitazioni.

Gli effluenti zootecnici sono fonte di notevole impatto ambientale legato all’elevato contenuto di nutrienti, in particolare azoto (N). L’impatto ambientale si esplica principalmente a carico dell’aria (con emissioni di ammoniaca e di gas serra) e dell’acqua (con rilascio di fosforo e azoto ammoniacale e nitrico).

Arte Nota

Attualmente à ̈ noto che dagli effluenti zootecnici à ̈ possibile ottenere, mediante un processo di digestione anaerobica (DA), sia energia, principalmente sotto forma di metano e/o idrogeno, sia prodotti per il mercato: i coprodotti della DA, rappresentati prevalentemente da digestato, costituiscono infatti un’interessante materia prima per l’ottenimento di fertilizzanti di qualità.

La produzione di energia da effluenti avviene generalmente per degradazione della sostanza organica in condizioni anaerobiche in cui la sostanza organica à ̈ convertita principalmente in CH4 e CO2. Come noto, la degradazione anaerobica può essere scomposta in una serie di processi sequenziali, di cui i più importanti sono l’idrolisi, l’acidogenesi, l’acetogenesi e la metanogenesi, i quali vengono portati avanti da numerosi gruppi microbici. La fase intermedia di acidogenesi - acetogenesi à ̈ la chiave di controllo dell’intero processo di produzione del metano. Se à ̈ sufficientemente lenta ed il pH rimane neutro, si può sviluppare metano, se invece, à ̈ rapida e lontana dalla neutralità si produce energia più rapidamente in forma di idrogeno, ma la metanogenesi viene inibita. Questo aspetto particolare dell’intero processo fa sì che la metanogenesi sia un processo lento ed instabile.

Per complementare gli effluenti zootecnici con materiali ricchi in carboidrati, al fine aumentare la produzione di H2, vengono attualmente utilizzate colture energetiche (mais, sorgo, ecc..) che tuttavia, costituendo una risorsa anziché uno scarto, determinano una notevole riduzione dei vantaggi del processo.

Inoltre, l’aggiunta di ingredienti (substrati) in forma di colture dedicate in co-digestione con gli effluenti zootecnici, può implicare rischi per lo svolgimento corretto del processo, dovuti alla natura degli ingredienti stessi. In particolare alcuni substrati particolarmente acido-genici, benché aumentino le rese di metano (principale componente d’interesse nel biogas), se aggiunti in quantità eccessiva possono dar luogo a fenomeni di acidosi e blocchi nella produzione di metano. Il loro impiego va quindi accuratamente dosato.

Tradizionalmente la produzione di CH4 avviene in impianti monostadio in cui la produzione di H2 à ̈ effimera, in quanto l’H2 prodotto viene subito consumato dai microorganismi metanogeni idrogenotrofi. Tuttavia, à ̈ anche noto che se si indirizzano le condizioni di processo verso una “fermentazione al buio†, può essere favorita la produzione di H2 a scapito di quella di CH4.

In WO 2011/017292 Al vengono prodotti biologicamente H2 e CH4 da biomasse, in condizioni anaerobiche. La produzione di entrambi i gas avviene in un unico reattore: il passaggio dalla produzione di H2 a quella di CH4 à ̈ controllata mediante correzione dell’umidità: con valori bassi di umidità si ottiene H2, mentre alzando l’umidità (>90%) - mediante aggiunta di acqua o liquido di lisciviazione - si indirizza la trasformazione biologica alla produzione di CH4. In questa invenzione à ̈ prevista la possibilità di controllare il pH di processo. Questa soluzione ha come obiettivo prevalente la produzione di H2 da scarti a basso contenuto di umidità.

Fra gli scarti agroalimentari utilizzati nella DA tradizionale monostadio vi sono il siero di latte e la scotta di siero di latte, sottoprodotti della lavorazione dei formaggi e della ricotta. La scotta in particolare consiste nella frazione liquida rimanente dopo la produzione di ricotta, ottenuta per trattamento termico del siero acidificato, eventualmente aggiunto di latte e/o panna. Tuttavia, nei sistemi di DA tradizionale monostadio l’uso di scarti agroalimentari o agroindustriali ricchi di molecole fermentescibili ad alto contenuto energetico (ad esempio, siero, scotta o glicerolo) in codigestione con gli effluenti, deve essere attentamente misurato (10% al massimo, dalla letteratura), in quanto la loro prima demolizione si traduce in un’acidificazione spinta del mezzo, che risulta inibente per i microorganismi metanogeni. Nei sistemi tradizionali pertanto, l’uso di questi scarti risulta ridotto.

Per aumentare la produzione di biogas e produrre H2 sono stati proposti in passato impianti a doppio stadio, in cui le due fasi, acida e metanogenica, sono state separate.

In US 2012/0009643 A1 il processo proposto prevede due stadi: uno per la produzione di H2 e uno per la produzione di CH4, che tuttavia rappresenta un sottoprodotto. La produzione di H2 à ̈ l’obiettivo principale, mentre la produzione di CH4 à ̈ considerata “un disturbo†, e la separazione tra le due fasi serve a rimuovere questo elemento di disturbo.

In JP2006255538 (A) vengono prodotti H2 e CH4 da impianto a doppio stadio, a partire da scarti alimentari. Anche in questo caso l’obiettivo appare la produzione disaccoppiata di H2 e CH4, che vengono raccolti in serbatoi separati.

In JP10066996 (A) l’obiettivo à ̈ di produrre CH4 a partire da materiale organico con disaccoppiamento della produzione di H2 e CH4 in sistema a doppio stadio e riciclo dell’H2 dal primo al secondo stadio per aumentare la produzione di CH4. Questo processo à ̈ tuttavia condotto in condizioni di termofilia spinta, con conseguente consumo energetico non trascurabile per il mantenimento della dovuta temperatura.

Uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di superare gli inconvenienti dell’arte nota provvedendo un procedimento per la produzione di idrogeno (H2) e metano (CH4) da effluenti zootecnici, in un impianto a doppio stadio, che sia più rapido e non richieda necessariamente l’utilizzo di colture vegetali, pur potendone fare uso.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un impianto a doppio stadio per la realizzazione del procedimento.

Non ultimo scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un procedimento ed un impianto del tipo suddetto, che risulti economico da realizzare e da gestire, consenta rese elevate nella trasformazione degli effluenti in H2 e CH4 e si presti pertanto ad essere implementato industrialmente su vasta scala.

Descrizione dell’Invenzione

Questi ed altri scopi dell’invenzione sono ottenuti con il procedimento e l’impianto, come rivendicati nelle annesse rivendicazioni.

Secondo l’invenzione nel procedimento di produzione di H2 e CH4 vengono adottate le seguenti condizioni simultaneamente:

- il riciclo dell’H2 prodotto nel primo stadio, per aumentare la produzione di CH4 nel secondo e per ridurre la pressione parziale dell’H2 nello spazio di testa del primo reattore;

- il funzionamento in condizioni di mesofilia, con notevoli risparmi sui costi di gestione, rispetto al funzionamento in termofilia;

- il monitoraggio e controllo automatici dei più importanti parametri di processo, quali ad esempio pH, temperatura, pressione.

Secondo l’invenzione, le fasi di idrolisi, acidogenesi e acetogenesi si svolgono in un primo reattore, in condizioni tali da favorire la produzione di H2, mentre la fase di metanogenesi avviene in un secondo reattore al quale perviene il brodo fermentato di risulta dal primo reattore. Sempre secondo l’invenzione, l’H2 prodotto nel primo reattore viene allontanato dalla matrice di fermentazione preferibilmente mediante la creazione di condizioni di depressione.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione à ̈ possibile ottenere CH4 da co-digestione di effluenti zootecnici con percentuali elevate di scarti agroindustriali ricchi di molecole fermentescibili ad elevato contenuto energetico laddove, nella DA tradizionale, la codigestione à ̈ possibile solo se la percentuale di questi scarti à ̈ mantenuta bassa, tipicamente al di sotto del 10%, pena l’aumento di concentrazione degli acidi grassi volatili, con blocco della metanogenesi.

Inoltre, vantaggiosamente, con il processo secondo l’invenzione, il tempo di digestione risulta notevolmente ridotto, almeno del 30%, rispetto a quello ottenibile in DA tradizionale monostadio, partendo da materia prima indigerita.

Ulteriore vantaggio del procedimento secondo l’invenzione à ̈ il mantenimento di condizioni mesofile, ossia di temperature comprese nell’intervallo fra circa 30 e 40 °C, ossia ben al di sotto di quelle occorrenti ai processi termofili, tipicamente di almeno 55-60 °C, che richiedono consumi energetici elevati per il mantenimento della temperatura.

Vantaggiosamente, secondo un aspetto dell’invenzione l’uso di consorzi microbici selezionati, permette di ottenere rese di biogas più elevate.

Secondo un aspetto dell’invenzione, il procedimento a doppio stadio consente di utilizzare in co-digestione percentuali elevate di scarti agroalimentari o agroindustriali ricchi di molecole fermentescibili ad alto contenuto energetico (ad esempio: scotta o glicerolo), senza comportare problemi nella metanogenesi e, anzi, con un incremento notevole nella produzione di CH4, rispetto a quello che si avrebbe nella DA dei soli effluenti.

Secondo un aspetto principale dell’invenzione, il riciclo nel secondo stadio o reattore dell’H2 prodotto nel primo stadio consente di aumentare ulteriormente la produzione di CH4, nel contempo eliminando la necessità di gestione dell’H2 in uscita dall’impianto. Infatti, siccome i microorganismi metanogeni producono CH4 principalmente a partire da acetato, ma anche da H2+CO2, se l’H2 prodotto nel primo stadio viene convogliato nel secondo il risultato sarà un ulteriore incremento della produzione di CH4. Quest’ultimo aspetto à ̈ importante perché determina una migliore applicabilità industriale del procedimento e dell’impianto secondo l’invenzione. Prove per sistemi in “batch†hanno dimostrato che, mediante riciclo dell'H2 prodotto nel primo stadio al reattore del secondo stadio, à ̈ possibile ottenere un incremento del 25% nella produzione di metano.

Descrizione Sintetica delle Figure

L’invenzione sarà descritta nel seguito con riferimento ad alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento alle figure annesse in cui:

- la Figura 1 à ̈ uno schema a blocchi di un impianto per la produzione di H2 e CH4 secondo l’invenzione;

- la Figura 2 Ã ̈ una tabella in cui sono riportate le condizioni dei principali parametri del processo di produzione di idrogeno, in una forma preferita di realizzazione;

- la Figura 3 Ã ̈ un grafico della superficie di risposta per la produzione di H2;

- la Figura 4 Ã ̈ una tabella contenente gli intervalli ottimali di percentuali di Solidi Volatili (SV), da liquame, scotta e glicerolo, per la produzione di H2;

- la Figura 5 à ̈ una tabella contenente i dati di confronto fra stadio unico “U†e doppio stadio “D†.

Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione

Ci riferiremo alla Figura 1 in cui l’impianto secondo una forma preferita dell’invenzione à ̈ stato schematicamente rappresentato. Secondo questa forma preferita di realizzazione dell’invenzione detto impianto comprende principalmente un primo bioreattore B1, per la produzione di H2 ed un secondo bioreattore B2, per la produzione di CH4. Inoltre, preferibilmente, l’impianto comprende un primo serbatoio S1 per la preparazione della miscela di alimentazione all’impianto, un secondo serbatoio S2 contenente una soluzione tamponante per ripristinare il pH nel primo reattore B1, e un terzo serbatoio S3 contenente una soluzione tamponante per ripristinare il pH nel secondo bioreattore B2. In alternativa, la miscela di alimentazione all’impianto e le soluzioni tamponanti possono provenire da fonti diverse dai serbatoi S2,S3,S4, ad esempio esterne all’impianto, attraverso circuiti di alimentazione appositi. Secondo lo schema di realizzazione illustrato, l’impianto comprende inoltre pompe P1,P2,P3 per il trasporto di liquidi, ed eventualmente di corpi solidi sminuzzati, pompe P4, P5 per il trasporto di gas, pompe P6,P7 per liquidi, ad esempio a membrana, ed un riscaldatore/raffreddatore HC associato ad un circuito di riscaldamento/raffreddamento dell’impianto, schematicamente illustrato in figura con linee spezzate. L’impianto comprende inoltre preferibilmente un sistema di controllo e misura dei parametri per la conduzione dell’impianto in modo da assicurare in automatico le condizioni desiderate di produzione di H2 e CH4, comprendente un’unità elettronica di controllo, associata a sensori atti a generare un segnale indicativo del valore assunto da detti parametri e mezzi di regolazione delle percentuali degli ingredienti della miscela di alimentazione.

Nella forma di realizzazione illustrata, data a titolo esemplificativo, il bioreattore B1 per la produzione di H2 à ̈ costituito da un serbatoio in acciaio inossidabile coibentato e termostatato con rapporto altezza/diametro pari a due. Secondo un aspetto vantaggioso dell’invenzione, il bioreattore B1 à ̈ dotato di un coperchio flangiato la cui flangiatura à ̈ preferibilmente ottenuta in modo da risultare sotto battente liquido nelle normali condizioni di marcia dell’impianto. Questo accorgimento permette di limitare le fuoriuscite di gas, in particolare dell’H2 prodotto nel bioreattore B1. All’interno del bioreattore B1 à ̈ preferibilmente inoltre incorporato un agitatore a pale inclinate. Alternativamente, l’agitazione della sostanza contenuta nel bioreattore B1 può essere ottenuta mediante una pompa di circolazione, che può coincidere con la pompa P2 prevista per trasferire il brodo di fermentazione dal bioreattore B1 al bioreattore B2 e a questo scopo, una valvola V1 consente di inviare il brodo di fermentazione, che fuoriesce preferibilmente dal basso del bioreattore B1, al bioreattore B2, o di immetterlo nuovamente nel bioreattore B1, preferibilmente dall’alto. Vantaggiosamente, la dimensione del bioreattore B1 sarà scelta in modo da garantire un tempo di ritenzione opportuno, relativamente alla formazione di H2 e CO2.

Sempre con riferimento alla forma di realizzazione illustrata, il bioreattore B2 per la produzione di CH4 à ̈ costituito da un serbatoio in acciaio inossidabile coibentato e termostatato con rapporto altezza/diametro pari a due. Secondo un aspetto vantaggioso dell’invenzione, il bioreattore B2 à ̈ dotato di un coperchio flangiato la cui flangiatura à ̈ preferibilmente ottenuta in modo da risultare sotto battente liquido nelle normali condizioni di marcia. Questo accorgimento permette di limitare le fuoriuscite di gas, in particolare del CH4 prodotto nel bioreattore B2. All’interno del bioreattore B2 à ̈ inoltre preferibilmente incorporato un agitatore a pale inclinate. Alternativamente, l’agitazione della sostanza contenuta nel bioreattore B2 può avvenire mediante una pompa di circolazione P3. La dimensione del bioreattore B2 à ̈ preferibilmente scelta in modo da garantire un tempo di ritenzione opportuno, relativamente alla formazione di CH4 e CO2. Secondo un aspetto preferito dell’invenzione, il volume del bioreattore B2 à ̈ circa dieci volte quello del bioreattore B1.

Il serbatoio S1 à ̈ preferibilmente un serbatoio di acciaio coibentato, termostatato ed agitato mediante agitatore a pale inclinate ed eventualmente predisposto per la demolizione di substrati solidi e dotato di ingresso IN per gli ingredienti della miscela di alimentazione dell’impianto. I serbatoi S2 ed S3, contenenti le soluzioni tamponanti, in grado di ripristinare il corretto pH nei bioreattori B1 e B2, rispettivamente, sono anch’essi preferibilmente due serbatoi in acciaio. Una pompa P1 à ̈ prevista per il trasporto della biomassa dal serbatoio S1 al bioreattore B1.

Le pompe P1, P2, P3, dovendo garantire il trasporto della biomassa prevalentemente allo stato liquido, ma che potrebbe presentare dei solidi sospesi sminuzzati, saranno preferibilmente del tipo a vite.

Le pompe P4 e P5 sono due pompe per gas e vengono utilizzate, rispettivamente, per evacuare l’H2 prodotto nel bioreattore B1 ed il CH4 prodotto nel bioreattore B2, e devono pertanto essere idonee alla qualità del fluido trasportato. Preferibilmente, la pompa P4 sarà in grado di realizzare una depressione di 0,2-0,3 atm.

Le pompe P6 e P7 sono due pompe idonee al trasporto di una soluzione tamponante, presente nei serbatoi S2 ed S3, rispettivamente, ai bioreattori B1 e B2, ed il loro funzionamento à ̈ legato al controllo del pH nei due bioreattori B1 e B2, come apparirà evidente nel seguito della descrizione.

Il riscaldatore/raffreddatore HC à ̈ un apparato di riscaldamento/raffreddamento per il mantenimento delle temperature di processo nei bioreattori B1 e B2 e per il mantenimento della temperatura adeguata nel serbatoio S1, tale da non favorire la fermentazione della biomassa contenuta. Detto apparato HC potrà essere vantaggiosamente ad acqua di tipo commerciale.

Nel procedimento secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione gli effluenti zootecnici vengono immessi nel primo serbatoio S1 dove avviene la preparazione di una miscela di alimentazione. Preferibilmente il serbatoio S1 avrà una capacità tale da consentire un carico almeno ogni quattro giorni e da assicurare nel contempo la continuità dell’intero processo di produzione dell’H2 e CH4. Secondo l’invenzione gli effluenti zootecnici destinati all’impianto potranno consistere ad esempio in liquami, provenienti da allevamenti di varia categoria: bovini, suini, ecc…

Secondo un aspetto principale dell’invenzione, tali liquami vengono miscelati con scarti agroalimentari, al fine di ottenere un miscela di alimentazione dell’impianto idonea alla produzione di H2 e CH4 in un impianto a doppio stadio ossia in cui H2 e CH4 sono prodotti in due stadi o reattori diversi.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, tali scarti agroalimentari saranno ricchi di molecole fermentescibili ad elevato contenuto energetico. Ancor più preferibilmente, tali scarti agroalimentari saranno principalmente costituiti da sostanze ricche di carboidrati, in particolare, ma non esclusivamente, zuccheri, quali il lattosio. Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione tali scarti agroalimentari saranno costituiti principalmente da siero di latte, scotta di siero di latte o da una miscela di detta scotta e glicerolo.

Con riferimento in particolare a questa forma preferita di realizzazione dell’invenzione, ci si riferirà alla tabella di Figura 2 in cui sono riportate le condizioni ed i valori medi ottenuti sperimentalmente (con le relative deviazioni standard) dei principali parametri del processo di produzione di idrogeno: contenuto di idrogeno nel biogas (%), produzione volumetrica di idrogeno (ml), resa (ml H2/g VS) e il pH a fine fermentazione. I diversi parametri variano da valori minimi, ottenuti utilizzando come miscela di alimentazione o substrato il 100% di Solidi Volatili (SV) da effluenti zootecnici in forma di liquame, a valori massimi ottenuti utilizzando la scotta come unico substrato (100% di SV da scotta). Si potrà apprezzare che il pH a fine fermentazione segue un andamento inverso andando da un minimo di 4,45±0,02 ottenuto per la sola scotta ad un massimo di 6,57±0,01 ottenuto per il solo liquame. Tali risultati confermano la scotta come substrato preferito per la produzione di idrogeno e l’elevato potere tamponante del liquame.

Riferendoci ora alla Figura 3, à ̈ riportato il valore medio della produzione massima di idrogeno predetta dal modello il quale oscilla intorno ai 458 mL di idrogeno (range della superficie di risposta ottimale : 432-484 mL di H2), con il massimo rilevato sperimentalmente pari a 459,57±36,41 mL di H2, ed ottenuto miscelando il 66,6% di SV da scotta con 33,3% di SV da liquame. Si potrà apprezzare che la superficie di risposta ottimale mostra inoltre la possibilità di miscelare gli effluenti zootecnici ed i residui agroalimentari, ossia i substrati per l’alimentazione dell’impianto secondo l’invenzione, secondo varie combinazioni, a seconda delle disponibilità dei singoli substrati, pur mantenendo la produzione di H2 entro un intervallo ottimale, sufficientemente ampio. Con riferimento alla Figura 4, per quanto riguarda la scotta, la percentuale massima di SV da scotta che consente di rimanere all’interno di tale superficie di risposta ottimale à ̈ pari al 92%, con 8% di liquame. Il contributo del glicerolo, invece, à ̈ più modesto, con una percentuale massima di SV pari al 28%, insieme al 16% per liquame e 56% per scotta. Infine, per quanto riguarda il liquame, la combinazione ottimale per la produzione di H2 può raggiungere il 54% di SV da liquame, insieme con il 46% di SV da scotta. Quest’ultima rappresenta il tipo di substrato preferito, anche grazie alla buona disponibilità industriale, per la bio-conversione in idrogeno e può essere quindi opportunamente utilizzata per diluire il liquame da smaltire.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione à ̈ possibile operare in modo molto flessibile con i suddetti substrati, in base alle esigenze e quantità di substrati da smaltire.

Questo à ̈ molto importante visto che le disponibilità dei vari substrati possono anche cambiare nell’arco delle stagioni e che impianti istallati in aziende diverse avranno disponibilità e/o quantitativi di substrati differenti.

In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la miscela di alimentazione viene agitata con una velocità di circa 100 giri/min e tenuta ad una temperatura tra i 2 e i 15 °C, per evitare la solidificazione del liquido nelle tubazioni, in periodi freddi, e la fermentazione aerobica con perdita di proprietà utili per il processo e formazione di odori sgradevoli, nei periodi caldi. La miscela liquida così ottenuta, di densità tra 1 ed 1,2 kg/L e contenente al più qualche solido sminuzzato, costituisce l’alimentazione preferita dell’intero processo.

Detta miscela di alimentazione, in fase di marcia dell’impianto, viene inviata nel bioreattore B1, ove vengono anche immessi i microorganismi idrogenogenici (starter M1 in Fig.1). Secondo questa forma preferita di realizzazione dell’invenzione, all’interno del bioreattore B1 viene provocata la fermentazione di detta miscela di alimentazione e vengono promossi i processi di idrolisi, acidogenesi e acetogenesi in condizioni di anaerobiosi, oscurità, temperatura tra i 30 ed i 40 °C, preferibilmente fra 35 e 38°C, e pressione compresa fra 0,1 e 1,1 ata e preferibilmente in un range compreso tra 0,7 e 0,9 ata e ancor più preferibilmente a circa 0,8 ata.

Nel reattore B1 può essere inserito del riempimento (filling) per favorire l’insediamento e la crescita di microorganismi. Il volume apparente di riempimento ritenuto ottimale à ̈ pari alla metà del volume totale della parte piena di bioreattore (biomassa filling). Il materiale di riempimento sarà inoltre preferibilmente di tipo poroso, quarzoso.

I processi che si instaurano nel bioreattore B1 producono essenzialmente, dopo un tempo di ritenzione di circa 24-48 h, una miscela gassosa quasi equimolecolare di CO2 ed H2 ed un brodo di fermentazione che, come risulterà evidente dalla descrizione che segue, costituisce l’alimentazione del bioreattore B2.

Secondo questa forma di realizzazione dell’invenzione, la produzione giornaliera stimata di H2 sarà compresa tra i 5 e gli 8 volumi per ogni volume di biomassa presente nel bioreattore B1, considerando il gas prodotto a pressione atmosferica e a temperatura di 0°C. I volumi di H2 prodotti sono comunque strettamente legati alla composizione del substrato.

Il brodo fermentato di risulta del primo bioreattore B1 viene inviato mediante la pompa P2 al reattore B2 dove avviene la digestione metanogenica, in presenza di consorzi di microrganismi, preferibilmente selezionati, (starter M2 in Fig.1), agenti in sinergia, per la produzione di CH4 (metanogeni acetoclastici e altri). Vantaggiosamente, secondo la configurazione descritta, Ã ̈ stato possibile ottenere sperimentalmente una riduzione del tempo di ritenzione di circa il 30%, rispetto al tempo richiesto in un sistema monostadio.

Con riferimento alla Figura 5 sono stati confrontati i risultati relativi alla metanogenesi di secondo stadio, ossia ottenuta nel reattore B2, con liquame 70% scotta 30%, con quelli ottenuti con solo liquame in stadio unico “U†. In parentesi à ̈ riportata la deviazione standard. Come si può apprezzare, l'idrogeno H2 à ̈ stato prodotto solo quando il liquame era in codigestione con scotta. In stadio unico “U†, la produzione d'idrogeno da liquame scotta “LI+SCO†ha inibito quella di metano CH4. Dopo sette gg d'incubazione: non c'era più H2 nel biogas dei trattamenti; in DA tradizionale “U†, il liquame da solo non ha prodotto H2 ma solo CH4; la miscela LI+SCO, a parità di tempo di incubazione, oltre all'H2 ha prodotto un volume quasi doppio di CH4 in doppio stadio “D†, rispetto al liquame da solo in singolo stadio “U†. Dopo due settimane, in fase decrescente di accumulo di CH4, le differenze si erano attenuate, ma era mantenuto un vantaggio nella produzione di CH4 di LI+SCO su LI (+56%). Per l’ottenimento di questo risultato à ̈ stato fondamentale il re-inoculo del brodo di fermentazione proveniente dal primo stadio, bioreattore B1, e diretta al secondo stadio, bioreattore B2, con consorzi metanogeni selezionati. Infatti, in assenza di re-inoculo, “LI+SCO NRI†nella Tabella di Fig.5, la metanogenesi in doppio stadio “D†à ̈ partita in ritardo e conseguentemente la produzione di CH4.

Questo risultato ha portato gli autori della presente invenzione a concludere che l’aggiunta di scotta al liquame, nella miscela di primo stadio per la produzione d’idrogeno, migliora notevolmente le prestazioni dei microrganismi metanogeni e conseguentemente la produzione di metano nel secondo stadio in un impianto a doppio stadio del tipo descritto.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, il bioreattore B2 viene mantenuto a temperatura compresa fra circa 30 e 40 °C, preferibilmente fra 35 e 38 °C, in condizioni di anaerobiosi, al buio, a pressione atmosferica e ad un pH compreso fra circa 6,5 e 7,5, preferibilmente di circa 7. Nel reattore B2 può inoltre essere inserito materiale di supporto idoneo all’insediamento e alla crescita di microorganismi metanogeni.

Le condizioni suddette determinano la fuoriuscita dal bioreattore B2 di una fase gassosa pressoché equimolecolare di CO2 e CH4 ed una fase liquida costituita da digestato. Nell’esempio illustrato, la fuoriuscita della fase gassosa à ̈ ottenuta attraverso il circuito associato alla pompa P5 e il digestato à ̈ evacuato attraverso la linea OUT.

L’impianto descritto secondo questa forma preferita di realizzazione, à ̈ in grado di produrre circa da tre a sei volumi di CH4 per ogni volume di biomassa trasferita dal bioreattore B1 al bioreattore B2, considerando il gas prodotto a pressione atmosferica e a temperatura di 0 °C. Il volume di metano prodotto à ̈ comunque in stretta relazione col contenuto in Solidi Volatili (SV) del brodo fermentato.

La fase di inizializzazione dell’impianto o start-up prevede il carico del bioreattore B2 mediante la miscela di alimentazione preparata nel serbatoio S1; segue l’immissione di azoto nel bioreattore B2 stesso, per consentire la realizzazione di condizioni di anaerobiosi. Le caratteristiche della miscela di alimentazione preparata nel serbatoio S1 ed utilizzata nella fase di start-up, saranno vantaggiosamente preferibilmente le stesse della miscela che sarà utilizzata per la marcia in continuo dell’impianto.

Nel bioreattore B2 à ̈ quindi azionata l’agitazione e la biomassa all’interno à ̈ portata alla temperatura di processo. In questa fase possono essere inseriti i microrganismi starter specifici (M2 in Fig.1).

Occorre quindi aspettare un periodo di tempo che può essere indicativamente di almeno circa venti giorni, in modo da ottenere, a seguito di metanogenesi, un digestato stabile e tale da poter essere allontanato dal sistema. A questo punto nel bioreattore B1 viene immesso azoto e il bioreattore B1 viene quindi caricato con la miscela di alimentazione proveniente dal serbatoio S1 e portato alla temperatura e alla pressione di processo.

Dopo inserimento dei microorganismi starter specifici (M1 in Fig.1) nel bioreattore B1, l’impianto à ̈ pronto per la marcia in continuo.

Il riscaldamento ed il raffreddamento dei bioreattori B1 e B2 sono garantiti da un circuito preferibilmente ad acqua, che si riscalda e si raffredda mediante impianti commerciali idonei, ad esempio un chiller HC.

Secondo l’invenzione, nei bioreattori B1 e B2 vengono controllati la pressione del gas ed il livello, la temperatura e il pH del liquido. Il sistema di controllo comprende preferibilmente un’unica interfaccia operatore a display, sulla quale sono visualizzati lo stato ed i parametri del processo, una unità logica di controllo di processo o CPU ed i relativi moduli I/O analogici e digitali che dialogano su bus ethernet con un sistema dotato di software.

Secondo l’invenzione il bioreattore B1 à ̈ equipaggiato con sensori di livello di tipo piezometrico, posti sulla parte bassa (in fase liquida) e sulla parte alta del bioreattore B1 (in fase gassosa). Detti sensori rilevano se l’altezza del liquame all’interno del bioreattore B1 à ̈ nell’intervallo impostato dall’utente (in % sull’altezza totale) e generano un segnale che consente al sistema di controllo di agire sulla portata del liquame in uscita dal bioreattore B1 stesso, aumentandola o diminuendola a seconda che sia stato superato il livello minimo o massimo (ad esempio 70-80 %).

Secondo l’invenzione, la temperatura del bioreattore B1 di produzione dell’idrogeno à ̈ controllata agendo sul circuito di riscaldamento/raffreddamento. La misura della temperatura à ̈ effettuata in continuo all’interno del liquame; un apposito trasmettitore invia il segnale della temperatura; qualora tale misura sia fuori dal range impostato dall’utente, il sistema di controllo agisce sul riscaldatore/raffreddatore che invia un’opportuna quantità di liquido termovettore (solitamente acqua) alla temperatura necessaria per il suo raffreddamento o riscaldamento (range preferito 35-38 °C).

Sempre secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione l'impianto à ̈ controllato con una priorità nel riscaldamento/raffreddamento dei bioreattori B1,B2 e del serbatoio S1. La priorità à ̈ stabilita dalla relazione: B1 --> B2 --> S1. Pertanto, la temperatura del bioreattore B2 di produzione di metano viene controllata agendo sul circuito di riscaldamento/raffreddamento, qualora la temperatura del bioreattore B1 di produzione dell’idrogeno sia già in un range impostato. La misura della temperatura à ̈ effettuata in continuo all’interno del liquame, un apposito trasmettitore trasmette il segnale della temperatura, al sistema di controllo; qualora tale misura sia fuori dal range impostato dall’utente, il sistema di controllo agisce sul riscaldatore/raffreddatore che invia un’opportuna quantità di liquido termovettore (solitamente acqua) alla temperatura necessaria per il suo raffreddamento o riscaldamento (range preferito 35-38 °C); seguendo questo stesso principio di priorità, la temperatura del serbatoio S1 di accumulo della miscela di alimentazione viene controllata agendo sul circuito di riscaldamento/raffreddamento, qualora la temperatura del bioreattore di produzione dell’idrogeno e quella del bioreattore di produzione del metano siano già all’interno di un range impostato. La misura della temperatura à ̈ effettuata in continuo all’interno della miscela di alimentazione, un apposito trasmettitore invia il segnale della temperatura; qualora tale misura sia fuori dal range impostato dall’utente, il sistema di controllo agisce sul riscaldatore/raffreddatore, che invia un’opportuna quantità di liquido termovettore (solitamente acqua) alla temperatura necessaria per il suo raffreddamento o riscaldamento (range preferito 2-15 °C). Preferibilmente inoltre il range à ̈ facilmente variabile dall'utente.

L’invenzione prevede inoltre preferibilmente il controllo del pH del liquido all’interno del bioreattore B1 di produzione di idrogeno. Detto controllo avviene agendo sulla portata di una soluzione tamponante contenuta in un serbatoio S2. La misura del pH à ̈ effettuata in continuo mediante opportuno sensore posto all’interno del liquame, se la misura à ̈ al di fuori del range impostato dall’utente, il sistema di controllo agisce sulla pompa P6 per mandare l’opportuna quantità di soluzione tamponante in grado di riportare il pH al valore di set-up (preferibilmente ph acido comprese fra 4 e 5).

L’invenzione prevede anche preferibilmente il controllo del pH del liquido all’interno del bioreattore B2 di produzione del metano. Detto controllo avviene agendo sulla portata di una soluzione tamponante contenuta in un serbatoio S3. La misura del pH à ̈ effettuata in continuo mediante opportuno sensore posto all’interno del liquame, se la misura à ̈ al di fuori del range impostato dall’utente, il sistema di controllo agisce sulla pompa P7 per mandare l’opportuna quantità di soluzione tamponante in grado di riportare il pH al valore di set-up (range preferito pH 6.5-7.5).

Secondo l’invenzione la pressione all’interno del bioreattore B1 di produzione di idrogeno viene preferibilmente controllata agendo sulla portata di gas uscente da esso. La misura della pressione à ̈ effettuata in continuo all’interno del bioreattore B1 nella parte alta ove c’à ̈ gas; se la pressione à ̈ fuori dal range impostato dall’utente, il sistema di controllo interviene variando il numero di giri della pompa P4 aumentando o diminuendo la portata di gas in uscita dal bioreattore a seconda che sia al di sotto o al di sopra di tale range per riportare la pressione al valore di set-up (range preferito: 0.68-0.82 ata).

Secondo l’invenzione, anche la pressione all’interno del bioreattore B2 di produzione di metano viene preferibilmente controllata agendo sulla portata di gas uscente da esso. La misura della pressione à ̈ effettuata in continuo all’interno del bioreattore B2 nella parte alta ove c’à ̈ gas; essa à ̈ trasmessa in continuo e se la pressione à ̈ fuori dal range impostato dall’utente, il software dedicato interviene variando il numero di giri della pompa P5 aumentando o diminuendo la portata di gas in uscita dal bioreattore B2 a seconda che sia al di sotto o al di sopra di tale range per riportare la pressione al valore di set-up (range preferito 0.99-1.01 ata).

L’invenzione così come descritta ed illustrata à ̈ suscettibile di numerose varianti e modificazioni rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di idrogeno (H2) e metano (CH4) da effluenti zootecnici comprendente le fasi di: - in un primo serbatoio (S1) predisporre una miscela di alimentazione contenente effluenti zootecnici e scarti agroalimentari ricchi di molecole fermentescibili; - in un primo bioreattore (B1) provocare la fermentazione di detta miscela, in condizioni anaerobiche, al buio e a temperatura, pH e pressione controllati, mediante inoculo di microrganismi mesofili per favorire la fase di idrolisi, acidogenesi ed acetogenesi, al fine di produrre H2, in condizioni di acidità; - in un secondo bioreattore (B2) provocare la digestione metanogenica del brodo fermentato di risulta del primo reattore (B1) a temperatura e pH controllati, mediante inoculo di microrganismi mesofili per favorire la fase di metanogenesi, al fine di produrre CH4, in condizioni di pH neutro; - immettere nel secondo bioreattore (B2) almeno parte dell’H2 prodotto nel primo bioreattore per favorire la produzione di CH4 nel secondo bioreattore (B2); - controllare la composizione della miscela di alimentazione in funzione dei quantità di H2 e CH4 che si desidera ottenere.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui gli scarti agroalimentari ricchi di molecole fermentescibili comprendono almeno una sostanza contenente carboidrati.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui detta almeno una sostanza contenente carboidrati à ̈ siero di latte, scotta di siero di latte o una miscela di detta scotta e glicerolo.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui la miscela di alimentazione comprende liquami, scotta e glicerolo in quantità di SV comprese, rispettivamente, fra 8 e 54 %, fra 46 e 92 % e fra zero e 28 %.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui la miscela di alimentazione comprende circa 33,3 % di SV da liquame e circa 66,6 % di SV da scotta.
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di fermentazione nel primo bioreattore (B1) Ã ̈ ottenuta mantenendo una temperatura compresa tra i 35 ed i 40 °C ed una pressione compresa fra 0,1 e 1,1 ata.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui detta fase di fermentazione di detta miscela nel primo bioreattore (B1) Ã ̈ ottenuta mantenendo una pressione compresa tra 0,7 e 0,9 ata.
8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fermentazione di detta miscela nel primo bioreattore (B1) Ã ̈ ottenuta mantenendo un pH compreso tra 4 e 5.
9. 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) Ã ̈ ottenuta ad una temperatura compresa fra circa 30 e 40 °C.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui la fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) Ã ̈ ottenuta mantenendo una temperatura compresa tra i 35 e i 38 °C.
11. 11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) Ã ̈ ottenuta in condizioni di anaerobiosi.
12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) à ̈ ottenuta in condizioni di oscurità.
13. 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) Ã ̈ ottenuta a pressione atmosferica.
14. 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di digestione metanogenica nel secondo bioreattore (B2) Ã ̈ ottenuta mantenendo un pH compreso fra 6,5 e 7,5.
15. 15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui à ̈ prevista una fase di inizializzazione comprendete le fasi di: - caricare il primo bioreattore (B2) mediante la miscela di alimentazione preparata nel primo serbatoio (S1); - immettere azoto nel secondo bioreattore (B2), per consentire la realizzazione di condizioni di anaerobiosi all’interno di detto secondo bioreattore (B2); - eventualmente portare la biomassa contenuta all’interno del secondo bioreattore (B2) alla temperatura di processo; - inserire microrganismi starter nel secondo bioreattore - attendere la formazione di digestato stabile nel secondo bioreattore (B2); - immettere azoto nel primo bioreattore (B1); - caricare il primo bioreattore (B1) con la miscela di alimentazione proveniente dal serbatoio (S1); - eventualmente portare il primo bioreattore (B1) alla temperatura e pressione di processo; - inserire microorganismi starter nel primo bioreattore (B1).
16. 16. Impianto per la produzione di idrogeno (H2) e metano (CH4) da effluenti zootecnici comprendente: - un primo bioreattore (B1) per la produzione di H2; - un secondo bioreattore (B2) per la produzione di CH4; - un primo serbatoio (S1) per la preparazione di una miscela di alimentazione contenente effluenti zootecnici e scarti agroalimentari ricchi di molecole fermentescibili ed eventualmente un secondo ed un terzo serbatoio (S2, S3) contenenti una soluzione tamponante per ripristinare il pH nel primo reattore (B1) e nel secondo bioreattore (B2), rispettivamente; - un riscaldatore/raffreddatore (HC) per il mantenimento delle temperature di processo nel primo e nel secondo bioreattore (B1,B2) e per il mantenimento di una temperatura nel serbatoio (S1), tale da non favorire la fermentazione della biomassa contenuta; - un sistema di controllo e misura dei parametri per la conduzione dell’impianto in modo da assicurare in automatico le condizioni desiderate di produzione di H2 e CH4, comprendente un’unità elettronica di controllo, associata a sensori atti a generare un segnale indicativo del valore assunto da detti parametri e mezzi di regolazione delle percentuali degli ingredienti della miscela di alimentazione.
17. 17. Impianto secondo la rivendicazione 16, in cui sono previsti mezzi di controllo e regolazione del parametro pH della biomassa contenuta all’interno del primo bioreattore (B1) di produzione di idrogeno e all’interno del secondo bioreattore (B2) di produzione di metano.
18. 18. Impianto secondo la rivendicazione 16 o 17, in cui sono previsti mezzi di controllo e regolazione del parametro temperatura della biomassa contenuta all’interno del primo bioreattore (B1) di produzione di idrogeno e all’interno del secondo bioreattore (B2) di produzione di metano, detti mezzi agendo sul riscaldatore/raffreddatore (HC) per il mantenimento delle temperature di processo nel primo e nel secondo bioreattore (B1,B2).
19. 19. Impianto secondo la rivendicazione 16 o 17 o 18, in cui sono previsti mezzi di controllo e regolazione del parametro pressione all’interno del primo bioreattore (B1) di produzione di idrogeno, detti mezzi agendo sulla portata di gas uscente da detto primo bioreattore (B1).
20. 20. Uso di una miscela di alimentazione contenente effluenti zootecnici e scarti agroalimentari ricchi di molecole fermentescibili in un procedimento a doppio stadio per la produzione di H2 e CH4 in mesofilia, in cui almeno parte dell’H2 prodotto in un primo bioreattore (B1) à ̈ immessa in un secondo bioreattore (B2) per favorire la produzione di CH4 ed in cui la composizione della miscela di alimentazione à ̈ controllata in funzione dei quantità di H2 e CH4 che si desidera ottenere.