Pretrattamenti termo-meccanici ed enzimatici su scarti dell'industria enologica per la produzione di Biogas

A fundamental assumption for by-product from winery industy waste-management is their economic and commercial increase in value. High energetic value recovery from winery industry is an attractive economic solution to stimulate new sustainable process. Approach of this work is based about physic and biological treatment with grape stalks and grape marc to increase polysaccharides components of cell wall and energetic availability of this by-products. Grape stalks for example have a high percentage of lignin and cellulose and can’t be used, whitout pretreatment, for an anaerobic digestion process. Our findings show enzymatic and thermo-mechanical pre-treatments in combined application for optimise hydrolytic mechanism on winemaking wastes which represents 0,9 milion ton/year in Italy and on straw, cereal by-products with high lignin content. A screening of specifically industrial enzymatic complex for the hydrolysis lignocellulosic biomass were tested using the principal polysaccharides component of the vegetal cells. Combined thermo-mechanical and enzymatic pretreatment improve substrates conversion in batch test fermentation experiment. The conservation of the grape stalks, at temperature above 0°C, allow the growth of spontaneus fermentation that reduce their polysaccharides content so had investigated anarobic condition of conservation. The other objective of this study was to investigate the capability of a proprietary strain of L.buchneri LN 40177 to enhance the accessibility of fermentable forage constituents during the anaerobic conservation process by releasing the enzyme ferulate esterase. The time sequence study by batch tests showed that the L. buchneri LN-40177 inoculated grape stalk substrate was more readily available in the fermenter. In batch tests with grape stalk, after mechanical treatment, the L. buchneri LN41077 treated substrate yielded on average 70% more biogas per kg/DM. Thermo-mechanical, enzymatic and biological treatment with L. buchneri LN-40177 can increase the biogas production from low fermented biomasses and the consequent their useful in anaerobic biodigesters for agro-bioenergy production.

Messa a punto di processi biotecnologici per la produzione di biocombustibili da matrici organiche di rifiuto

The bioproduction of materials and energy from renewable sources (industrial biotechnology) is getting more and more interest in order to improve environmental sustainability of chemical industrial processes and to decrease their dependence from oil. Anaerobic digestion of organic waste matrices (agricultural and industrial wastes, organic fraction of municipal wastes, sewage sludges etc.) may play an important role in the implementation of industrial biotechnology being a well developed strategy in the valorization of complex matrices, as it can mineralize them while producing bioenergy in the form of a biogas rich in methane. In this research the potential of anaerobic digestion in the treatment of polluted sewage sludge was studied by developing three set of anaerobic microcosms with sludges differently contaminated by xenobiotic compounds. The effect of different incubating temperatures and of exogenous carbon and vitamine sources was investigated along with the role of the occurring microbial populations in the pollutant degradation activity. So, while confirming the potential of anaerobic digestion for the biomethanization of sewage sludges, this work proved the effectiveness of this technology in the removal of pollutants too. Moreover, since the degradation of lignocellulose appears to be a limiting step in the anaerobic treatment of a wide range of biomass, the possibility of optimizing anaerobic digestion of lignocellulosic substrates was also studied. To this aim a research was carried out at the BOKUUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Department for Agrobiotechnology, IFA - Tulln, where mixed cellulolytic cultures were isolated from biogas plants while assessing the metabolic pathway leading to cellulose degradation and verifying their capability to grow on lignocellulose too, proving that on the long term such bacterial cultures could be used as inoculum in order to improve the hydrolysis of lignocellulose in anaerobic digestion plants.

Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.

Applicazione della Metodologia LCA(Life Cycle Assesment): La sostenibilità ambientale di Impianti a Biomassa della regione Emilia Romagna

Lo studio che la candidata ha elaborato nel progetto del Dottorato di ricerca si inserisce nel complesso percorso di soluzione del problema energetico che coinvolge necessariamente diverse variabili: economiche, tecniche, politiche e sociali L’obiettivo è di esprimere una valutazione in merito alla concreta “convenienza” dello sfruttamento delle risorse rinnovabili. Il percorso scelto è stato quello di analizzare alcuni impianti di sfruttamento, studiare il loro impatto sull’ambiente ed infine metterli a confronto. Questo ha consentito di trovare elementi oggettivi da poter valutare. In particolare la candidata ha approfondito il tema dello sfruttamento delle risorse “biomasse” analizzando nel dettaglio alcuni impianti in essere nel Territorio della Regione Emilia-Romagna: impianti a micro filiera, filiera corta e filiera lunga. Con la collaborazione di Arpa Emilia-Romagna, Centro CISA e dell’Associazione Prof. Ciancabilla, è stata fatta una scelta degli impianti da analizzare: a micro filiera: impianto a cippato di Castel d’Aiano, a filiera corta: impianto a biogas da biomassa agricola “Mengoli” di Castenaso, a filiera lunga: impianto a biomasse solide “Tampieri Energie” di Faenza. Per quanto riguarda la metodologia di studio utilizzata è stato effettuato uno studio di Life Cycle Assesment (LCA) considerando il ciclo di vita degli impianti. Tramite l’utilizzo del software “SimaPro 6.0” si sono ottenuti i risultati relativi alle categorie di impatto degli impianti considerando i metodi “Eco Indicator 99” ed “Edip Umip 96”. Il confronto fra i risultati dell’analisi dei diversi impianti non ha portato a conclusioni di carattere generale, ma ad approfondite valutazioni specifiche per ogni impianto analizzato, considerata la molteplicità delle variabili di ogni realtà, sia per quanto riguarda la dimensione/scala (microfiliera, filiera corta e filiera lunga) che per quanto riguarda le biomasse utilizzate.

Fermentative processes for environmental remediation

The growing interest in environmental protection has led to the development of emerging biotechnologies for environmental remediation also introducing the biorefinery concept. This work mainly aimed to evaluate the applicability of innovative biotechnologies for environmental remediation and bioenergy production, throught fermentative processes. The investigated biotechnologies for waste and wastewater treatment and for the valorisation of specific feedstocks and energy recovery, were mainly focused on four research lines. 1. Biotechnology for textile wastewater treatment and water reuse that involving anaerobic and aerobic processes in combination with membrane technologies. Combinations of different treatments were also implemented for water reuse in a textile company. 2. Biotechnology for the treatment of solid waste and leachate in landfill and for biogas production. Landfill operated as Bioreactor with recirculation of the generated leachate was proposed for organic matter biostabilisation and for ammonia removal from leachate by favouring the Anammox process. 3. An innovative two-stage anaerobic process for effective codigestion of waste from the dairy industry, as cheese whey and dairy manure, was studied by combining conventional fermentative processes with a simplified system design for enhancing biomethanisation. 4) The valorisation of the glycerol waste as surplus by-product of the biodiesel industry was investigated via microbial conversion to value-added chemicals, as 1,3-propanediol. The investigated fermentative processes have been successfully implemented and reached high yields of the produced bio-chemical. The studied biotechnological systems proved to be feasible for environmental remediation and bioenergy and chemicals production.

Optimization of bioenergy solutions at different farm scales

RAF is a bio-energetic descriptive model integrates with MAD model to support Integrated Farm Management. RAF model aimed to enhancing economical, social and environmental sustainability of farm production in terms of energy via convert energy crops and animal manure to biogas and digestate (bio-fertilizers) by anaerobic digestion technologies, growing and breeding practices. The user defines farm structure in terms of present crops, livestock and market prices and RAF model investigates the possibilities of establish on-farm biogas system (different anaerobic digestion technologies proposed for different scales of farms in terms of energy requirements) according to budget and sustainability constraints to reduce the dependence on fossil fuels. The objective function of RAF (Z) is optimizing the total net income of farm (maximizing income and minimizing costs) for whole period which is considered by the analysis. The main results of this study refers to the possibility of enhancing the exploitation of the available Italian potentials of biogas production from on-farm production of energy crops and livestock manure feedstock by using the developed mathematical model RAF integrates with MAD to presents reliable reconcile between farm size, farm structure and on-farm biogas systems technologies applied to support selection, applying and operating of appropriate biogas technology at any farm under Italian conditions.

Aspetti di sostenibilità in agricoltura a diverse scale spaziali e temporali. Valutazioni ambientali, economiche ed energetiche.

La Tesi analizza le relazioni tra i processi di sviluppo agricolo e l’uso delle risorse naturali, in particolare di quelle energetiche, a livello internazionale (paesi in via di sviluppo e sviluppati), nazionale (Italia), regionale (Emilia Romagna) e aziendale, con lo scopo di valutare l’eco-efficienza dei processi di sviluppo agricolo, la sua evoluzione nel tempo e le principali dinamiche in relazione anche ai problemi di dipendenza dalle risorse fossili, della sicurezza alimentare, della sostituzione tra superfici agricole dedicate all’alimentazione umana ed animale. Per i due casi studio a livello macroeconomico è stata adottata la metodologia denominata “SUMMA” SUstainability Multi-method, multi-scale Assessment (Ulgiati et al., 2006), che integra una serie di categorie d’impatto dell’analisi del ciclo di vita, LCA, valutazioni costi-benefici e la prospettiva di analisi globale della contabilità emergetica. L’analisi su larga scala è stata ulteriormente arricchita da un caso studio sulla scala locale, di una fattoria produttrice di latte e di energia elettrica rinnovabile (fotovoltaico e biogas). Lo studio condotto mediante LCA e valutazione contingente ha valutato gli effetti ambientali, economici e sociali di scenari di riduzione della dipendenza dalle fonti fossili. I casi studio a livello macroeconomico dimostrano che, nonostante le politiche di supporto all’aumento di efficienza e a forme di produzione “verdi”, l’agricoltura a livello globale continua ad evolvere con un aumento della sua dipendenza dalle fonti energetiche fossili. I primi effetti delle politiche agricole comunitarie verso una maggiore sostenibilità sembrano tuttavia intravedersi per i Paesi Europei. Nel complesso la energy footprint si mantiene alta poiché la meccanizzazione continua dei processi agricoli deve necessariamente attingere da fonti energetiche sostitutive al lavoro umano. Le terre agricole diminuiscono nei paesi europei analizzati e in Italia aumentando i rischi d’insicurezza alimentare giacché la popolazione nazionale sta invece aumentando.

Methane production through anaerobic digestion of dedicated energy crops

Methane yield of ligno-cellulosic substrates (i.e. dedicated energy crops and agricultural residues) may be limited by their composition and structural features. Hence, biomass pre-treatments are envisaged to overcome this constraint. This thesis aimed at: i) assessing biomass and methane yield of dedicated energy crops; ii) evaluating the effects of hydrothermal pre-treatments on methane yield of Arundo; iii) investigating the effects of NaOH pre-treatments and iv) acid pre-treatments on chemical composition, physical structure and methane yield of two dedicated energy crops and one agricultural residue. Three multi-annual species (Arundo, Switchgrass and Sorghum Silk), three sorghum hybrids (Trudan Headless, B133 and S506) and a maize, as reference for AD, were studied in the frame of point i). Results exhibit the remarkable variation in biomass yield, chemical characteristics and potential methane yield. The six species alternative to maize deserve attention in view of a low need of external inputs but necessitate improvements in biodegradability. In the frame of point ii), Arundo was subjected to hydrothermal pre-treatments at different temperature, time and acid catalyst (with and without H2SO4). Pre-treatments determined a variable effect on methane yield: pre-treatments without acid catalyst achieved up to +23% CH4 output, while pre-treatments with H2SO4 catalyst incurred a methanogenic inhibition. Two biomass crops (Arundo and B133) and an agricultural residue (Barley straw) were subject to NaOH and acid pre-treatments, in the frame of point iii) and iv), respectively. Different pre-treatments determined a change of chemical and physical structure and an increase of methane yield: up to +30% and up to +62% CH4 output in Arundo with NaOH and acid pre-treatments, respectively. It is thereby demonstrated that pre-treatments can actually enhance biodegradability and subsequent CH4 output of ligno-cellulosic substrates, although pre-treatment viability needs to be evaluated at the level of full scale biogas plants in a perspective of profitable implementation.

Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.