biogas ad elevato potere calorifico, e un digerito che può presentare, a
seconda della qualità della biomassa di partenza, ottime caratteristiche di
amm
In t suf
regione Campania, ha presentato la inata
appunto BIODIGEST che prevede la ruppo di
impiantistica ambientale della Seconda inato dal
prof ssa
Mar di imp
Il progetto BIODIGEST si propone di sv e
ana e di up-grade del biogas, acq tale campo,
allo scopo di:
– o di digestione aumentando la r
in rendendo
p ndone il
co)
– ridurre l'immissione di in atmosfera (teoricamente
fino ad annullarla) e quindi acc ai credits appositamente previsti
per tali tecniche.
Di seguito si riporta una tabella comparativa che evidenzia le variazioni delle
principali caratteristiche, prestazioni e specifiche del processo oggetto dello
studio.
endante per terreni agricoli.
ale ambito LE CALORIE s.p.a., u ruendo del bando ex legge 598 della
proposta di progetto denom
collaborazione con il g
Università di Napoli coord
essore Umberto Arena, ordinario di i
ia Laura Mastellone, associata
mpianti chimici, e dalla professore
ianti biochimici.
iluppare una tecnologia di digestion
uisendo un know-how in erobica
ottimizzare il process esa in biogas e
riducendo i tempi di digestione
– aumentare la conversione
possibile l'impiego di turbine di
rendimento energeti
energia elettrica (anche
iccole dimensioni e migliora
anidride carbonica
edere
9
logico e di processo Status tecnologico e di processo Status tecno
pre-progetto post-progetto
Processo di digestione classico Processo di digestione avanzato con
miglioramento del rapporto
aumento della resa in biogas e
metano/anidride carbonica
Impossibilità di entrare nel mercato Possibilità di ent
della digestione anaerobica di
biomasse
rare nel mercato
regionale, nazionale ed estero con
un know-how innovativo
Utilizzo del biogas tal quale in
motori
Up-grade del biogas con aumento
della frazione in metano
Potere calorifico del biogas pari a
4000 kcal/m
3
Aumento del potere calorifico del
biogas fino a 7000kcal/m
3
Immissione in atmosfera di
anidride carbonica
Rimozione dell’anidride carbonica
dal biogas e sua sequestrazione
Know-how della tecnologia di
digestione anaerobica in possesso
di società non italiane
Know-how avanzato della
tecnologia e del processo di
digestione di proprietà di una società
italiana
Tabella comparativa
10
Le finalità di questo lavoro di tesi possono essere così schematizzate:
– studio del processo di digestione anaerobica
– studio delle tecnologie di digestione anaerobica esistenti sul mercato
– analisi di laboratorio sul substrato da alimentare al reattore
– elaborazione del progetto preliminare ed esecutivo del digestore
anaerobico
– realizzazione e messa in esercizio del digestore anaerobico
– considerazioni sulla fattibilità dell’intero processo
11
Parte I
Stato dell’arte del processo e delle
tecnologie di digestione anaerobica delle
biomasse
12
Aspetti fondamentali del processo di
digestione anaerobica di biomasse
1 Microbiologia del processo
i.
La cellula e tituita da una
membrana, flessibile all’esterno, al cui interno si trova il protoplasma cellulare
itoplasma più carioplasma). Il citoplasma è la sostanza cellulare esterna al
è
cco di acido desossiribonucleico (DNA) che contiene elementi fondamentali
1.1 Struttura dei microrganism
d i microrganismi unicellulari o pluricellulari è cos
(c
nucleo ed è costituita da una sospensione colloidale di sostanze tra cui i
ribosomi che contengono l’acido ribonucleico (RNA) fondamentale per la
sintesi delle proteine della cellula. Il carioplasma, che costituisce il nucleo
ri
per la riproduzione cellulare.
Struttura della cellula batterica (Metcalf & Eddy,1999)
13
Se racchiusa da una membrana, la cellula si definisce eucariota, in caso
contrario procariota (batteri). All’esterno della cellula è disposto uno strato
mucoso gelatinoso che, se molto spesso, prende il nome di capsula.
Il flagello è una struttura di forma cilindrica e allungata che consente alla
cellula di spostarsi.
1.2 Il metabolismo
Per riprodursi e vivere un organismo deve avere:
• energia;
• carbonio per la sintesi di nuova materia cellulare;
• nutrienti.
L’energia richiesta per la sintesi cellulare può essere fornita dalla luce o da
una reazione di ossidazione chimica. I microrganismi che usano la luce sono
car n
organico per la formazione di tessuto cellulare sono chiamati eterotrofi, quelli
che u
trasfor meno
fosfato inorganico. Le proporzioni in cui tali elementi sono richiesti variano al
chiamati fotosintetici, quelli che usano le reazioni chimiche chemiosintetici.
Tra le fonti più comuni di carbonio cellulare per i microrganismi ci sono il
bo io organico e l’anidride carbonica. Gli organismi che usano carbonio
sano anidride carbonica sono chiamati autotrofi. Quest’ultima
mazione richiede più energia, quindi i batteri autotrofi crescono
velocemente di quelli eterotrofi.
In condizioni anaerobiche il carbonio disponibile nel substrato utilizzato per la
sintesi cellulare è minore che non in condizioni aerobiche.
I principali nutrienti richiesti dal metabolismo cellulare sono azoto e fosforo.
Mentre le fonti di azoto possono essere varie (NO
3
2-
, NO
-
2
, NH
3
, N organico),
secondo il tipo di metabolismo batterico, il fosforo è sempre richiesto come
14
variare della velocità di crescita, in particolare sono alte in fase di crescita
esponenziale (N=12% del secco totale) e più basse invece man mano che ci
ndogena (N=5% del secco totale). Le
alere, per condizioni di intensa velocità di
ne:
esto
ltra sostanza organica e
ossidazione avviene essenzialmente mediante la perdita di una coppia di
tomi di idrogeno da parte della sostanza organica ossidata. Quando si
piega ossigeno molecolare come accettore, il processo è chiamato
espirazione aerobica e gli organismi sono chiamati aerobici obbligati. Se
si avvicina ai livelli di respirazione e
proporzioni BOD
5
: N : P possono v
crescita (e perciò alto carico organico):
BOD
5
: N : P=l00 : 5 : l
mentre per condizioni endoge
BOD
5
: N : P=200 : 5 : l
Tali rapporti sono, per esempio, ampiamente soddisfatti nel caso di liquami
civili, mentre sono deficienti in alcuni casi di scarichi industriali. In qu
caso si provvede allora a calcolare tale deficit e a colmarlo immettendo, nello
scarico, sali di azoto e di fosforo in genere, come NH
4
+
e PO
4
3-
. L’azoto può
essere alimentato come gas (NH
3
anidra), come soluzione ammoniacale, o
come sale d’ammonio secco ed il fosforo come fosfato mono o diammonico,
monosodico o trisodico.
Il metabolismo è l’insieme dei processi biochimici ed energetici che porta alla
produzione di protoplasma cellulare e quindi alla crescita dei microrganismi.
Il metabolismo si articola in due fasi:
• anabolismo: processo di sintesi in cui si ha la produzione di tessuto
cellulare;
• catabolismo: processo di ossidazione biochimica o fotosintesi in cui si
ha la produzione dell’energia necessaria per la sintesi cellulare.
Tutte le reazioni di ossidoriduzione richiedono un accettore di elettroni;
mentre i microrganismi aerobici utilizzano ossigeno molecolare come
accettore di elettroni, quelli anaerobici utilizzano a
l’
a
im
r
15
l’accettore di idrogeno è una sostanza organica il processo si definisce
rmentazione.
mposti inorganici ossidati come nitrati e
itriti possono essere accettori di elettroni per alcuni microrganismi che sono
Gli g e generano energia mediante fermentazione in assenza di
ossigeno, e quindi attraverso un processo in cui non è coinvolto un elemento
esterno come accettore di idrogeno, sono chiamati anaerobici obbligati.
Si definisc quei microrganismi che hanno la
possib olecolare.
organici in ambiente anaerobico è catalizzata da
alcuni teine combinate con molecole organiche a
bas NAD
+
, NADP
+
), con molecole inorganiche
o d roduzione delle sostanze all’interno della
fungono da catalizzatori
del zimi sono
car e
L’acce ato e
quindi rigenerato), ma, attrav no,
il carbonio, l’azoto o lo zolfo legati or
è o i
l’energ azzinata attraverso una trasformazione in energia
sotto forma di ATP (adenosina tri-fosfato).
fe
AH
2
A + 2H ossidazione
B + H
2
BH
2
riduzione
In assenza di ossigeno, alcuni co
n
chiamati organismi anossici.
or anismi ch
ono anaerobici facoltativi
ilità di crescere sia in presenza che in assenza di ossigeno m
L’ossidazione di composti
enzimi. Gli enzimi sono pro
so peso molecolare (coenzimi:
a sole; essi consentono l’int
cellula del microrganismo (enzimi extracellulari) o
le reazioni di ossidoriduzione (enzimi intracellulari). Gli en
att rizzati da un elevato grado di efficienza e da una particolare specificità.
ttore finale dell’idrogeno non è però il coenzima (che è ossid
erso altre reazioni di ossidoriduzione, l’ossige
iginariamente alla sostanza organica che
ss data. E’ proprio il passaggio attraverso queste reazioni che fornisce
ia che è immag
chimica,
16
1.3 Tipi di microrganismi
ui operano, il metabolismo e la natura, come
mostrato n
Condizioni ambientali (presenza o meno di O
2
disciolto)
I microrganismi possono essere classificati in funzione di vari parametri tra
cui le condizioni ambientali in c
ella tabella successiva.
• Aerobici
• Anaerobici
• Facoltativi
• Microaerofili (si s O
2
ridotte) viluppano con concentrazioni di
Temperatura dell’habitat
• Criofili -2 20 °C
• Mesofili 20 45 °C
• Termofili 45 75 °C
Metabolismo ( fonte di C utilizzato per la sintesi)
• Eterotrofi fotosintetici (C organico + energia solare)
• Eterotrofi chemiosinteti (C organico + energia da reazioni di
ossidoriduzione)
• Autotrofi fotosintetici (C inorganico + energia solare)
• Autotrofi chemiosintetici (C inorganico + energia da reazioni di
ossidoriduzione)
Natura
• Regno protista (batteri , funghi , alghe , protozoi)
• Regno animale (rotiferi , crostacei)
• Regno vegetale (muschi , felci)
Classificazione dei microrganismi in funzione di diversi parametri
17
I Batteri
Sono protisti unicellulari a cellula procariota, e possono essere aerobici,
eterotrofo o autotrofo. In base alla
– cocchi (forma sferica)
– spirilli o coliformi (forma el le)
anaerobici, facoltativi o microaerofili, di tipo
forma, i batteri sono distinti in:
– bacilli (forma cilindrica)
icoida
Tipi di batteri (R. Vismara,1997)
I batteri sono composti di acqua (80%) e frazione secca (20%).
La frazione secca è costituita da:
– Composti organici: 90%
– Sali inorganici: 10%
circa il 50% di C e circa il 10% di N
Una tipica composizione è C
5
H
7
NO
2
18
Le sostanze utilizzate dai batteri per il loro metabolismo sono i composti
eterotrofi) e l’azoto
mmoniacale (batteri autotrofi chemiosintetici). Ne consegue che i batteri
ono i principali artefici della rimozione biologica del COD e del BOD
disciolto.
Batteri eterotrofi aerobici
Il metabolismo dei batteri eterotrofi aerobici può essere schematizzato con le
seguenti reazioni:
Pro
CHONS + O
2
CO
2
+ N odotti + energia
enzimi
ia catturata per lo
volgimento delle reazioni di sintesi e per le altre funzioni vitali.
organici carboniosi biodegradabili disciolti (batteri
a
s
cesso di ossidazione (catabolismo)
H
3
+ H
2
O + altri pr
Processo di sintesi (anabolismo)
CHONS + O
2
+ nutrienti + energia
C
5
H
7
NO
2
(tessuto cellulare)
L’energia prodotta nelle reazioni di ossidazione è catturata dai composti
organici presenti (ADP -adenosindifosfato). Le molecole di ADP, catturando
l’energia, passano ad uno stato energeticamente superiore noto come ATP
(adenosintrifosfato). Le molecole di ATP cedono poi l’energ
s
19
Schema del ciclo energetico dei batteri (R. Vismara,1997)
anza di substrato l’energia necessaria per le funzioni vitali è ricavata
zione del protoplasma cellulare che porta alla formazione di
non più suscettibile di demolizione batterica; tale
2
5
CO
2
+ NH
3
+ 2H
2
O + energia
In manc
dall’auto-ossida
un residuo organico stabile
fase è nota come respirazione endogena.
enzimi
C
5
H
7
NO
2
+ 5O
20
Schema del metabolismo dei batteri eterotrofi aerobici e autotrofi fotosintetici
(R. Vismara,1997)
Batteri autotrofi chemiosintetici aerobici
I batteri nitrificanti, responsabili della trasformazione biochimica dell’azoto
ammoniacale a nitrato, sono i batteri aerobici autotrofi chemiosintetici che
rivestono particolare interesse nell’ambito dei trattamenti biologici dei liquami.
Il processo di nitrificazione avviene in due stadi: nel primo stadio i batteri
Nitrosomonas trasformano l’azoto da ammoniacale a nitroso, nel secondo
stadio l’azoto nitroso è trasformato a nitrico dai Nitrobacter.
21
Schema del metabolismo dei batteri autotrofi chemiosintetici
(R. Vismara,1997)
totali e quelli destinati alla sintesi
ome:
K=(C
c
+C
s
)/C
s
si potrà scrivere: K = x/5×n
c
dove il numero di atomi di carbonio contenuto in una mole di cellule
batteriche è posto pari a 5 come risulta dalla formula prima assunta a
riferimento.
Batteri anaerobici eterotrofi
Assumendo per la cellula batterica la formula bruta C
5
H
7
O
2
abbiamo che:
Anabolismo C
x
H
y
O
z
→ C
5
H
7
O
2
Catabolismo C
x
H
y
O
z
+ (x+y/4-z/2)H
2
O → (x/2-y/8+z/4)CO
2
+ (x/2+y/8-z/4)CH
4
Da questa espressione si può notare che occorre fare reagire l’H
2
O, se il
numero di atomi di carbonio del substrato x > [(y/4) + (z/2)] come avviene per
i grassi, e in questo caso il peso dei prodotti gassosi potrà essere superiore al
peso del substrato gassificato.
Definito il rapporto tra atomi di carbonio
c
22
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