Per massimizzare la produzione di biogas dalla digestione anaerobica esistono alcuni accorgimenti che vanno decisi nella fase progettuale dell’impianto e che sono da valutare alla luce di un’analisi costi/benefici.

1. L’IMPATTO DEL SISTEMA DI
INCENTIVAZIONE SUL
“MERCATO” DEL BIOGAS
Giovedì 10 maggio 2012
“Scelte tecnologiche per massimizzare la
produzione di biogas”
Pierluigi Navarotto
pierluigi.navarotto@unimi.it

2. L’IMPIANTO DI BIOGAS
Costituito da varie sezioni le cui componenti devono essere ben armonizzate
tra loro per avere le necessarie garanzie di affidabilità ed efficienza.
BIOMASSE
+
Sistema di trattamento-inserimento nell’impianto
+
CARATTERISTICHE MECCANICHE
+
GESTIONE OTTIMALE DEL PROCESSO
MASSIMA EFFICIENZA
Spazio libero per eventuale
nome struttura o altro

3. QUALITA’ DELLE BIOMASSE
Innanzitutto è essenziale garantire la qualità costruttiva
dell’impianto:
• digestori ed opere murarie
• componentistica elettromeccanica
…troppo spesso si dimentica che
debbono durare almeno 20 anni!

4. BIOMASSE
• Attenzione al Decreto interministeriale sulle rinnovabili in itinere.
- prodotti di origine biologica (22,9 €cent/kWh)
- sottoprodotti di origine biologica (25,7 €cent/kWh)
• limite del 30% di prodotti di origine biologica
100 vacche da latte con rimonta 90 kWel
200 vacche da latte con rimonta 200 kWel
300 vacche da latte con rimonta 300 kWel
350 scrofe 90 kWel
750 scrofe 200 kWel
2000 suini da ingrasso 200 kWel
3000 suini da ingrasso 300 kWel
Spazio libero per eventuale
nome struttura o altro

5. QUALITA’ DELLE BIOMASSE
• Garantire il maggior contenuto energetico
ovvero
- per gli effluenti di allevamento: rapida veicolazione all’impianto
- per gli insilati: ridurre le perdite di conservazione
Spazio libero per eventuale
nome struttura o altro

6. SISTEMI DI PRETRATTAMENTO - ALIMENTAZIONE
• PER MIGLIORARE LA RESA IN METANO DELLA DIGESTIONE
ANAEROBICA DELLE BIOMASSE
– all’interno delle biomasse esiste una certa quantità di energia
“imprigionata” nelle molecole meno disponibili all’attacco enzimatico
delle comunità microbiche
• (Hendricks et al., 2009)
– Fin’ora molto lavoro è stato fatto soprattutto per quanto riguarda gli
effetti di trattamenti chimici e chimico-fisici di fanghi di depurazione
• (Bougrier et al., 2007; Valo et al., 2004)

7. I PRETRATTAMENTI PER MIGLIORARE LA DIGERIBILITÀ
DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA
• La biomassa lignocellulosica è composta da tre differenti polimeri in
associazione fra loro:
– Cellulosa
• Nelle piante è presente sia in forma amorfa che cristallina; formata da
sub-unità di Glucosio. Le fibre di cellulosa, principalmente slegate, sono
debolmente legate fra di loro (Perez et al., 2005).
– Emicellulosa
• Struttura molto complessa in cui prevalgono polimeri di zuccheri a 5 e a 6
atomi di carbonio organizzata in fasci di fibre la cui solubilità, nel caso di
trattamenti termici, aumenta all’aumentare della temperatura, ma anche
al variare del pH.
• Ha una funzione di collegamento fra le fibre di lignina e di cellulosa.
– Lignina
• Costituente delle pareti cellulari delle cellule vegetali
• Nella cellula è presente in forma amorfa ed ha una funzione
prevalentemente “plastica” e “strutturale”
• L’effetto che i pretrattamenti hanno è quello di migliorare la fase di
idrolisi e la resa totale in metano

8. QUALI PRETRATTAMENTI?
• MECCANICI
– Macinazione
• Riduzione della dimensione delle particelle di biomassa che porta
(Palmowski and Muller, 1999) :
– ad un aumento della superficie specifica (cm2/g)
– ad una riduzione del grado di polimerizzazione delle molecole
– ad uno sminuzzamento della biomassa
• questo può portare:
– ad un incremento totale della resa dell’idrolisi delle lignocellulose e
della produzione di metano dal 5 al 25% in funzione del tipo e della
durata della macinatura.
– Ad una riduzione del tempo di digestione dal 23 al 59% (Delgénes et
al., 2002)
– Estrusione
• La biomassa è sottoposta ad una compressione meccanica seguita da una
distensione improvvisa
– Sminuzzamento, Schiacciamento
– Frantumazione della struttura cellulare

9. QUALI PRETRATTAMENTI?
• TERMICI
–Riscaldamento della biomassa fino a 150÷180°C così da indurre una solubilizzazione
delle frazioni emicellulosiche e lignocellulosiche
•TRATTAMENTI CON VAPORE
– Temperatura elevata (fino a 240°C) ed alta pressione per pochi minuti seguita
da raffreddamento della biomassa.
•”STEAM EXPLOSION”
– Come prima ma si ha una depressurizzazione molto veloce seguita da un
altrettanto veloce raffreddamento che causa l’ “esplosione” dell’acqua
contenuta nelle cellule della biomassa.
–Lo scopo è solubilizzare le emicellulose per rendere più accessibile la cellulosa per
l’idrolisi enzimatica ed impedire la formazione di composti inibitori (Brownell et al.,
1986)
-Alcuni autori ricordano che il pretrattamento a vapore, se da un lato
solubilizza velocemente i componenti solubili della lignina, dall’altro può
indurne una veloce condensazione con il risultato di diminuirne la digeribilità

10. QUALI PRETRATTAMENTI?
• CON ACQUA CALDA
– Al posto del vapore si utilizza acqua bollente grazie alla
quale si solubilizzano prevalentemente le emicellulose. Per
evitare la formazione di sostante inibitrici è necessario
mantenere il pH della biomassa fra 4 e 7
– Rispetto ai trattamenti con vapore si ha una minore
concentrazione di prodotti solubili.
– La quantità di sostanze solubilizzate aumenta
ulteriormente se l’acqua calda è fatta “flussare”
attraverso la biomassa

11. QUALI PRETRATTAMENTI?
• PRETRATTAMENTI ACIDIFICANTI
– Consistono nell’aggiunta di acidi a temperatura ambiente per
solubilizzare le emicellulose e rendere disponibile la cellulosa.
– Se si utilizzano H2SO4 oppure HNO3 la produzione di metano risente
della produzione di H2S e N2.
• PRETRATTAMENTI ALCALINIZZANTI
– Si hanno reazioni di solubilizzazione e saponificazione che inducono
nella biomassa una condizione di “ammorbidimento” tale da renderla
più accessibile agli enzimi e ai batteri
– Ai fini della produzione di biometano non sembrano esserci
controindicazioni particolari. Pavlosthathis et al., (1985) hanno
segnalato incrementi di resa in metano del 100% trattando paglia di
frumento.
• PRETRATTAMENTI ENZIMATICI
– In letteratura sono riportati risultati contrastanti circa il loro impiego

12. QUALI PRETRATTAMENTI?
• PRETRATTAMENTI COMBINATI
• Trattamenti termici + trattamenti acidi
– L’addizione di un acido durante il trattamento termico permette di
solubilizzare le emicellulose abbassando la temperatura ottimale e rendendo la
biomassa più facilmente degradabile (Gregg et al., 1996; Hendricks et al.,
2009)
– La graduale solubilizzazione delle emicellulose può innescare un fenomeno di
riorientamento della struttura della cellulosa verso una forma maggiormente
cristallina (Gregg et al., 1996).
• Trattamenti termici + trattamenti alcalini
– Sono fatti aggiungendo calce alla dose di 0,1g Ca(OH)2/g di substrato e
portando al temperatura a 100÷150°C (Changet al., 2001).
– In base ad alcuni autori questo trattamento combinato è sufficiente a
rendere meglio degradabile la biomassa con poca lignina, ma non quella che
ne contiene in maggiore quantità.
– Fox et al. (2003) hanno rilevato incrementi di resa in metano da 3 a 4.5 volte
superiori trattando carta di giornale in questo modo.

13. EFFETTI DEI VARI PRETRATTAMENTI SULLA COMPOSIZIONE
CHIMICA E LA STRUTTURA DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA
Aumento Decristall. Solubilizz. Solubilizz. Composti Alterazione
cm2/g cellulosa emicellulosa lignina indesiderati lignina
Meccanici + +
Termici + + - + +
Acqua calda
(batch) + ND + - - -
Acqua calda
(flusso) + ND + - - -
Acidi + + + + +
Alcalini + - - - +
+ = grande efficacia; - = poca efficacia; ND = sconosciuto

14. IN DEFINITIVA …
• La biodegradabilità della biomassa lignocellulosica è limitata
da parecchi fattori fra cui:
– La cristallinità della cellulosa
– La superficie disponibile all’attacco microbico
– Il contenuto di lignina
• I pretrattamenti termici con vapore, con calce, con acqua
calda sono quelli che presentano la maggiore potenzialità;
tuttavia il loro effetto è estremamente dipendente dalle
condizioni operative e dalla composizione della biomassa.

15. PRETRATTAMENTI ENZIMATICI
• INSILAMENTO
– Perdita di biomassa fra il 5 e il 50% durante la
conservazione: essenziale insilare correttamente!
– Miglioramenti si possono ottenere mediante l’additivazione
di specifici microrganismi che riescono a rendere
maggiormente disponibili per l’utilizzo i polisaccaridi della
parete cellulare.
– Resta comunque essenziale che la raccolta della biomassa e
la conduzione dell’insilamento siano gestite correttamente
perché complementari all’attività dei microrganismi.

16. • La complessità delle interrelazioni tra i vari processi rende
particolarmente difficile effettuare valutazioni sugli effetti
complessivi dei vari trattamenti e sulla loro effettiva
convenienza economica
• Un’ulteriore difficoltà è legata alla specificità delle
risposte ai diversi trattamenti da parte delle varie
biomasse
• Solo future esperienze operative e lo sviluppo di specifiche
ricerche potranno fornire elementi utili ad operare scelte
realmente ponderate.
• Una indicazione che appare comunque chiara è la
specificità dei trattamenti per le varie biomasse ed in
questo senso è necessario predisporre i futuri impianti.

17. L’INSERIMENTO DELLA BIOMASSA
1. immissione delle frazioni liquide e solide
separatamente
a) Contenitore in cls. Si ha maggiore robustezza e
durata rispetto alle soluzioni in acciaio.
b) Contenitore in acciaio. La movimentazione può
essere fatta tramite:
-walking floor
-trasportatore di fondo a catena
- nastro trasportatore continuo
-parete mobile.
c) Cassoni con sistemi di miscelazione. Si tratta
di carri miscelatori stazionari ove il materiale
viene miscelato ed omogeneizzato.
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18. 1. immissione con veicolazione tramite pompaggio
a. sistema con cassone dosatore, tramoggia, miscelazione con il liquido di
veicolazione, trituratore e pompa di sollevamento
1. Cassone dosatore
2. Coclea dosatrice
3. Coclea di elevazione
4. Gruppo di miscelazione con liquido
di trasferimento
5. Trituratore
6. Pompa di ricircolo digestato
7. Digestore
8. Liquami
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19. 1. immissione con veicolazione tramite pompaggio
a. sistema con cassone dosatore, miscelatore su celle di carico, pompa e
trituratore
1. trituratore
1. Cassone dosatore
2. Pompa di sollevamento
2. Coclea dosatrice
3. digestore
3. Coclea di elevazione ed inserimento
4. Pompa di ricircolo digestato
4. Silo per eventuali prodotti integrativi
5. liquami
5. Miscelatore su celle di carico

20. 1. immissione con veicolazione tramite pompaggio
a. sistema con vasca polmone di miscelazione
1. Vasca polmone di miscelazione 1. trituratore
2. Mixer sommergibili ed orientabili 2. Pompa di sollevamento
3. Riscaldamento a parete o sul fondo 3. digestore
4. Immissione biomassa liquida 4. Pompa di ricircolo digestato
5. Immissione biomassa solida (con pala
caricatrice e carro miscelatore)

21. MISCELAZIONE
- Assicura il massimo contatto tra microrganismi e biomassa in
fermentazione, ottimizzando l’efficienza della d.a.
- La difficoltà a mantenere le condizioni di miscelazioni ottimali
dipende dal volume di digestione, dalle caratteristiche delle
biomasse trattate e dal tenore di solidi del materiale.
- Indispensabile:
- ridurre i consumi
- consentire le riparazioni senza svuotare i digestori

22. Fonte: 18° Annual Conference of German Biogas Association

23. RISCALDAMENTO
•è necessario per far fronte alle perdite di calore dovute all’immissione della
biomassa e alle dispersioni che si hanno attraverso le pareti del digestore
SOLUZIONI TECNOLOGICHE
Riscaldamento, tramite
Serpentina interna con scambiatore esterno, del
circolazione di acqua calda materiale in digestione
Generalmente realizzata in Indicati per biomasse con bassi
polipropilene reticolato, ma tenori in solidi.
anche in acciaio Soluzione preferita nel caso di
miscelazione idraulica

24. GASOMETRO
• Elemento indispensabile per raccogliere
temporaneamente il biogas prodotto, in attesa del suo
uso al cogeneratore.
• Poco utilizzate le classiche soluzioni a campana
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25. Le soluzioni più diffuse prevedono
GASOMETRO MONOMEMBRANA
• una sola membrana che viene posata in combinazione con una copertura
coibentata lignea del digestore.
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26. GASOMETRO A DUE MEMBRANE
• prima membrana: resistente agli agenti atmosferici, con funzione di
protezione
• seconda membrana: funzione gasometrica
• va prevista una durata media del gasometro di cinque anni
NB: le pressioni di esercizio sono dell’ordine di 1,5-2, mmbar
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27. SISTEMI DI CONTROLLO
LA GESTIONE DELL’IMPIANTO È L’ASPETTO CHE MAGGIORMENTE PREOCCUPA E
CHE NE CONDIZIONA LA REDDITIVITÀ NEL LUNGO PERIODO
OCCORRE DISPORRE DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI E DI RILEVAMENTO
DEI PARAMETRI DI PROCESSO
-pH
- fos/tac
-Redox confronto
- ac. grassi volatili
-Solidi sospesi
OTTIMIZZAZONE DEL PROCESSO E CONTROLLO DELLA RAZIONE
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28. SISTEMI DI CONTROLLO
BISOGNA INOLTRE MANTENERE IL CORRETTO
EQUILIBRIO TRA BIOGAS PRODOTTO E BIOGAS
RICHIESTO PER IL REGOLARE FUNZIONAMENTO DEL
GRUPPO DI COGENERAZIONE ALLA PIENA POTENZA
 per evitare di «sprecare biogas» diminuendo così
l’efficienza energetica della biomassa
 per evitare emissioni di metano in atmosfera
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29. Ancora meglio:
•Migliorare l’efficienza e…. aumentare la tariffa!
•+ 3 €cent/kWh con riduzione dell’azoto totale del 60%
•+ 1,5 €cent/kWh con riduzione dell’azoto totale del 40%
(sino a 600 kW).
Possibile ma non indolore: i maggiori costi di
investimento, manutenzione e gestione possono
annullare i benefici economici,
restano comunque quelli ambientali!

30. CONCLUSIONI
la realizzazione di un impianto di biogas richiede
quindi un approccio integrato che, partendo dalla sua
corretta progettazione e realizzazione, preveda la
necessaria strumentazione, la preparazione del
personale e l’assistenza tecnica, indispensabili per
assicurare una gestione sostenibile nonostante le
tariffe del nuovo decreto
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31. Prof. Pierluigi Navarotto
L’IMPIANTO DI BIOGAS: TECNOLOGIE
COSTRUTTIVE E BIOMASSE