Pretrattamenti enzimatici su FORSU per la produzione di biogas

Questo lavoro di tesi intende approfondire gli aspetti relativi alla valorizzazione della frazione organica da rifiuti solidi urbani (FORSU) per la produzione di biogas mediante fermentazione anaerobica. In particolare sono stati studiati pretrattamenti di tipo enzimatico al fine di agevolare la fase di idrolisi della sostanza organica che costituisce uno degli stadi limitanti la resa del processo di produzione di biogas. A tal fine sono stati caratterizzati e selezionati alcuni preparati enzimatici commerciali indicati per il trattamento di matrici ligno-cellulosiche per le loro attività carboidrasiche come quella amilasica, xilanasica e pectinasica. Gli esperimenti hanno comportato la necessità di fare un’approfondita analisi merceologica della FORSU al fine di poter sviluppare un sistema modello da utilizzare per le prove di laboratorio. L’azione enzimatica è stata verificata sulla FORSU modello sottoposta a vari pre-trattamenti termici e meccanici in cui l’azione idrolitica è stata maggiormente osservata per quelle frazioni tipicamente di origine amidacea. I risultati di laboratorio sono stati poi utilizzati per valutare un’estrapolazione industriale del pre-trattamento su un impianto che tratta FORSU per produrre biogas attraverso un processo di fermentazione industriale dry in biocella.

Ricerca sulle Caratteristiche di Filtrabilità della Birra e Ottimizzazione del Processo di Filtrazione

Il presente lavoro ha avuto lo scopo di identificare le caratteristiche di filtrabilità della birra attraverso lo svolgimento di prove tecnologiche di filtrazione in scala di laboratorio e su scala pilota, utilizzando diverse tipologie di sistemi filtranti e sperimentando diversi materiali di membrana. La fase preliminare della caratterizzazione della filtrabilità della birra è stata condotta presso i laboratori del Campden-BRI – The Brewing Research International, Inghilterra, mentre le prove tecnologiche su scala pilota si sono svolte presso il CERB – Centro di Eccellenza per la Ricerca sulla Birra. Le prove di filtrazione e le analisi sui campioni hanno permesso di verificare le performance delle diverse membrane utilizzate in risposta alla variazione dei principali parametri del processo di filtrazione tangenziale. Sono stati analizzati diversi parametri di qualità della birra filtrata attraverso il monitoraggio del processo e lo svolgimento di prove analitiche sul prodotto volte ad evidenziare gli effetti delle differenti tecnologie adottate. Per quanto riguarda le prove di laboratorio per la caratterizzazione della filtrabilità della birra, l’analisi della PCS (Photon Correlation Spectroscopy) è stata utilizzata per verificare l’influenza di diversi trattamenti enzimatici sulla efficienza del processo di filtrazione e la loro influenza sulla stabilità colloidale della birra filtrata. Dai risultati ottenuti è emerso che il PCS è un valido strumento per determinare la distribuzione in classi di diametro e il diametro medio effettivo delle particelle solide in sospensione nella birra e può essere utilizzato sia per predire la stabilità della birra filtrata, sia per monitorare il processo di filtrazione in tempo reale.

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.

Utilizzazione di biogas per la produzione di energia elettrica: aspetti di processo e ambientali

Nel presente elaborato si è affrontato il tema dell’utilizzo di biogas per la produzione di energia elettrica e termica; in primo luogo è stata fatta una panoramica sulla diffusione degli impianti di digestione anaerobica in Europa e in Italia, con particolare attenzione alla logica degli incentivi volti alla promozione delle fonti rinnovabili. Il biogas presenta infatti il duplice vantaggio di inserirsi sia nell’ottica del “Pacchetto Clima-Energia” volto alla riduzione di consumi energetici da fonti fossili, sia nella migliore gestione dei rifiuti organici volta alla riduzione del conferimento in discarica. L’allineamento degli incentivi italiani con quelli europei, prevista dal Decreto Ministeriale 6 luglio 2012, presuppone un’espansione del settore biogas più oculata e meno speculativa di quella degli ultimi anni: inoltre la maggiore incentivazione all’utilizzo di rifiuti come materia prima per la produzione di biogas, comporta l’ulteriore vantaggio di utilizzare, per la produzione di energia e compost di qualità, materia organica che nel peggiore dei casi sarebbe inviata in discarica. Il progetto oggetto di studio nasce dalla necessità di trattare una quantità superiore di Frazione Organica di Rifiuti Solidi Urbani da R.D, a fronte di una riduzione drastica delle quantità di rifiuti indifferenziati conferiti ai siti integrati di trattamento di rifiuti non pericolosi. La modifica nella gestione integrata dei rifiuti prevista dal progetto comporta un aumento di efficienza del sito, con una drastica riduzione dei sovvalli conferiti a discariche terze, inoltre si ha una produzione di energia elettrica e termica annua in grado di soddisfare gli autoconsumi del sito e di generare un surplus di elettricità da cedere in rete. Nel contesto attuale è perciò conveniente predisporre nei siti integrati impianti per il trattamento della FORSU utilizzando le Migliori Tecniche Disponibili proposte dalle Linee Guida Italiane ed Europee, in modo tale da ottimizzare gli aspetti ambientali ed economici dell’impianto. Nell’elaborato sono stati affrontati poi gli iter autorizzativi necessari per le autorizzazioni all’esercizio ed alla costruzione degli impianti biogas: a seguito di una dettagliata disamina delle procedure necessarie, si è approfondito il tema del procedimento di Valutazione di Impatto Ambientale, con particolare attenzione alla fase di Studio di Impatto Ambientale. Inserendosi il digestore in progetto in un sito già esistente, era necessario che il volume del reattore fosse compatibile con l’area disponibile nel sito stesso; il dimensionamento di larga massima, che è stato svolto nel Quadro Progettuale, è stato necessario anche per confrontare le tipologie di digestori dry e wet. A parità di rifiuto trattato il processo wet richiede una maggiore quantità di fluidi di diluizione, che dovranno essere in seguito trattati, e di un volume del digestore superiore, che comporterà un maggiore dispendio energetico per il riscaldamento della biomassa all’interno. È risultata perciò motivata la scelta del digestore dry sia grazie al minore spazio occupato dal reattore, sia dal minor consumo energetico e minor volume di reflui da trattare. Nella parte finale dell’elaborato sono stati affrontati i temi ambientali,confrontando la configurazione del sito ante operam e post operam. È evidente che la netta riduzione di frazione indifferenziata di rifiuti, non totalmente bilanciata dall’aumento di FORSU, ha consentito una riduzione di traffico veicolare indotto molto elevato, dell’ordine di circa 15 mezzi pesanti al giorno, ciò ha comportato una riduzione di inquinanti emessi sul percorso più rilevante per l’anidride carbonica che per gli altri inquinanti. Successivamente è stata valutata, in modo molto conservativo, l’entità delle emissioni ai camini dell’impianto di cogenerazione. Essendo queste l’unico fattore di pressione sull’ambiente circostante, è stato valutato tramite un modello semplificato di dispersione gaussiana, che il loro contributo alla qualità dell’aria è generalmente una frazione modesta del valore degli SQA. Per gli ossidi di azoto è necessario un livello di attenzione superiore rispetto ad altri inquinanti, come il monossido di carbonio e le polveri sottili, in quanto i picchi di concentrazione sottovento possono raggiungere frazioni elevate (fino al 60%) del valore limite orario della qualità dell’aria, fissato dal D.Lgs 155/2010. Infine, con riferimento all’ energia elettrica producibile sono state valutate le emissioni che sarebbero generate sulla base delle prestazioni del parco elettrico nazionale: tali emissioni sono da considerare evitate in quanto l’energia prodotta nel sito in esame deriva da fonti rinnovabili e non da fonti convenzionali. In conclusione, completando il quadro di emissioni evitate e indotte dalla modifica dell’impianto, si deduce che l’impatto sull’ambiente non modificherà in maniera significativa le condizioni dell’aria nella zona, determinando una variazione percentuale rispetto agli inquinanti emessi a livello regionale inferiore all’1% per tutti gli inquinanti considerati (CO, PM10, NOX, NMCOV). Il vantaggio più significativo riguarda una riduzione di emissioni di CO2 dell’ordine delle migliaia di tonnellate all’anno; questo risultato è importante per la riduzione di emissione dei gas serra in atmosfera e risulta in accordo con la logica dell’utilizzo di biomasse per la produzione di energia. Dal presente elaborato si evince infine come l’utilizzo del biogas prodotto dalla digestione anaerobica della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani non comporti solo un vantaggio dal punto di vista economico, grazie alla presenza degli incentivi nazionali, ma soprattutto dal punto di vista ambientale, grazie alla riduzione notevole dei gas serra in atmosfera, in accordo con gli obiettivi europei e mondiali, e grazie al recupero di rifiuti organici per la produzione di energia e compost di qualità.

Dal biogas al biometano, analisi tecnico-economica di un'applicazione su scala reale e prospettive di sviluppo. Studio di fattibilita per l'impianto di digestione anaerobica di Etra S.P.A.

L’emanazione del Decreto 5 dicembre 2013, ha inaugurato una nuova stagione per il settore energetico italiano, dando vita anche in Italia, in linea con gli altri paesi europei, alla possibilità di valorizzare il biogas, prodotto a seguito di un processo di digestione anaerobica, come biometano, un gas con maggiore contenuto energetico che a seguito di opportuni trattamenti, può essere paragonabile al gas naturale. Il lavoro svolto pertanto si pone come obiettivo quello di individuare gli elementi peculiari che potrebbero favorire lo sviluppo e la crescita del biometano nel contesto italiano.

Biogas in Bangladesh : challenges and strategies

The people of Bangladesh are underprivileged from continuous grid electricity. Despite the plentiful supply of renewable sources of energy in Bangladesh, currently their contribution to the electricity supply remains inconsequential. Use of renewable energy is considered an indispensable component of sustainable energy systems, as renewable energy resources emit less greenhouse gas emissions compared to other non-renewable energy systems. Out of the various renewable sources, solar and biogas and to a limited extend, wind and hydro-power are effectively used. Though the biogas production was the leading and most appropriate renewable energy resource in our country, it has become notably insignificant due to the lack of appropriate strategies and institutional settings. To address this, this article examines Bangladesh's current energy strategies and institutional settings and investigates future strategies for the advancement of biogas production. This article argues that further significant efforts could be made toward energy sustainability in Bangladesh and the development for a national sustainable energy policy.

Technoeconomic analysis of an integrated microalgae photobioreactor, biodiesel and biogas production facility

As fossil fuel prices increase and environmental concerns gain prominence, the development of alternative fuels from biomass has become more important. Biodiesel produced from microalgae is becoming an attractive alternative to share the role of petroleum. Currently it appears that the production of microalgal biodiesel is not economically viable in current environment because it costs more than conventional fuels. Therefore, a new concept is introduced in this article as an option to reduce the total production cost of microalgal biodiesel. The integration of biodiesel production system with methane production via anaerobic digestion is proved in improving the economics and sustainability of overall biodiesel stages. Anaerobic digestion of microalgae produces methane and further be converted to generate electricity. The generated electricity can surrogate the consumption of energy that require in microalgal cultivation, dewatering, extraction and transesterification process. From theoretical calculations, the electricity generated from methane is able to power all of the biodiesel production stages and will substantially reduce the cost of biodiesel production (33% reduction). The carbon emissions of biodiesel production systems are also reduced by approximately 75% when utilizing biogas electricity compared to when the electricity is otherwise purchased from the Victorian grid. The overall findings from this study indicate that the approach of digesting microalgal waste to produce biogas will make the production of biodiesel from algae more viable by reducing the overall cost of production per unit of biodiesel and hence enable biodiesel to be more competitive with existing fuels.

Options for biogas cleaning and use on-farm

This project follows on from and utilises a floating cover currently being installed on the primary effluent pond at a southern piggery.

Biogas production by covered lagoons; Part 1 - piggery, QNPH

Establish a greenhouse gas pond cover and collection system providing data on methane and CO2 emissions.

Solid phase fermentation of leaf biomass to biogas

This paper describes a simple technique for the fermentation of untreated or partly-treated leafy biomass in a digester of novel design without incurring the normal problems of feeding, floating and scum formation of feed, etc. The solid phase fermentation studied consists of a bed of biomass frequently sprinkled with an aqueous bacterial inoculum and recycling the leachate to conserve moisture and improve the bacterial dispersion in the bed. The decomposition of the leaf biomass and water hyacinth substrates used in this study was rapid, taking 45 and 30 days for the production of 250 and 235 l biogas per kg total solids (TS) respectively, for the above mentioned substrates at a daily sprinkled volume of 26 ml cm−2 of bed per day sprinkled at 12 h intervals. Very little volatile fatty acid (VFA) intermediates accumulated in the liquid sprinkled, suggesting acidogenesis to be rate-limiting in this process. From the pattern of VFA and gas produced it is concluded that most of the biogas produced is from the biomass bed, thus making the operation of a separate methanogenic reactor unnecessary.

Studies in biogas technology. Part IV. A novel biogas plant incorporating a solar water-heater and solar still

A reduction in the heat losses from the top of the gas holder of a biogas plant has been achieved by the simple device of a transparent cover. The heat losses thus prevented have been deployed to heat a water pond formed on the roof of the gas holder. This solar-heated water is mixed with the organic input for ‘ hot-charging ’ of the biogas plant. A thermal analysis of such a solar water-heater ‘ piggy-backing ’ on the gas holder of a biogas plant has been carried out.To test whether the advantages indicated by the thermal analysis can be realised in practice, a biogas plant of the ASTRA design was modified to incorporate a roof-top solar water-heater. The operation of such a modified plant, even under ‘ worst case ’ onditions, shows a significant improvement in the gas yield compared to the unmodified plant. Hence, the innovation reported here may lead to drastic reductions in the sizes and therefore costs of biogas plants. By making the transparent cover assume a tent-shape, the roof-top solar heater can serve the additional function of a solar still to yield distilled water. The biogas plant-cum-solar water-heater-cum-solar still described here is an example of a spatially integrated hybrid device which is extremely cost-effective.

Studies in biogas technology. Part III. Thermal analysis of biogas plants

A thermal model for a conventional biogas plant has been developed in order to understand the heat transfer from the slurry and the gas holder to the surrounding earth and air respectively. The computations have been performed for two conditions : (i) when the slurry is at an ambient temperature of 20°C, and (ii) when it is at 35°C, the optimum temperature for anaerobic fermentation. Under both these conditions, the gas holder is the major “culprit” with regard to heat losses from the biogas plant. The calculations provide an estimate for the heat which has to be supplied by external means to compensate for the net heat losses which occur if the slurry is to be maintained at 35°C. Even if this external supply of heat is realised through (the calorific value of) biogas, there is a net increase in the biogas output, and therefore a net benefit, by operating the plant at 35°C. At this elevated temperature, the cooling effect of adding the influent at ambient temperature is not insignificant. In conclusion, the results of the thermal analysis are used to define a strategy for operating biogas plants at optimum temperatures, or at higher temperatures than the ambient.

Studies in biogas technology. Part II. Optimisation of plant dimensions

In this paper, the design basis of the conventional Khadi and Village Industries Commission biogas plants has been elucidated. It has been shown that minimisation of the cost of the gas holder alone leads to the narrow and deep digesters of conventional plants. If instead, the total capital cost of the gas holder plus digester is minimised, the optimisation leads to wide and shallow digesters, which are less expensive. To test this alternative, two prototype plants have been designed, constructed and operated. These plants are not only 25–40% cheaper, but their performance is actually slightly better than the conventional plants.

Studies in biogas technology. Part I. Performance of a conventional biogas plant

This paper gives an account of a conventional 5.66 m3/day (200 cubic ft/day) biogas plant which has been instrumented, operated and monitored for 2 1/2 years. The observations regarding input to the plant, sludge and biogas outputs, and conditions inside the digester, have been described. Three salient features stand out. First, the observed average daily gas yield is much less than the rated capacity of the plant. Secondly, the plants show ease of operation and a very slow response to reductions and cessations of dung supply. Thirdly, the unexpectedly marked uniformity of density and temperature inside the digester indicates the almost complete absence of the stratification which is widely believed to take place; hence, biogas plants may be treated as isothermal, ‘ uniform ’ density, most probably imperfectly mixed, fed-batch reactors operating at the mean ambient temperature and the density of water.