Biogas, opportunità per il settore oleario

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Lo smaltimento delle acque di vegetazione, generate dai sistemi di estrazione trifasici, costituisce un costo ambientale ed economico.
Come le sanse, le acque di vegetazione possono essere reimpiegate, attraverso processi fermentativi, per la produzione di energia. Allo studio le potenzialità e la messa a punto di sistemi efficienti per il loro trattamento

La sostenibilità energetica rappresenta oggi uno degli obiettivi prioritari delle politiche di sviluppo promosse dall’Unione Europea che mirano al rafforzamento di una strategia basata sull’impiego di energia pulita, sicura, economicamente competitiva e fruibile su vasta scala. In questa moderna sfida, che vede come protagoniste le fonti di energia rinnovabile, un ruolo determinante è rivestito dal settore agro-forestale, tanto che negli ultimi anni si è arrivati allo sviluppo del concetto di azienda energetica ovvero di una azienda che alle normali attività agricole o forestali, affianca la produzione di energia verde.

In tale ottica, anche la filiera olivicola-olearia può giocare la sua partita, valorizzando al meglio i propri sottoprodotti ai fini energetici, quali, i residui di potatura, relativamente ai processi prettamente agricoli e le sanse vergini o esauste, il nocciolino di sansa, nonché le acque di vegetazione per quanto concerne i processi industriali di trasformazione.

In merito alle sanse vergini, è noto che esse vengono sottoposte nei sansifici all’estrazione dell’olio residuo mediante l’uso di esano. Tuttavia, quelle che presentano maggiore umidità (oltre il 60% in quelle derivate da impianti continui a due fasi) comportano difficoltà di lavorazione e costi di essiccazione più elevati che, associati ad una minore quantità di olio da esse ritraibili, le rende meno appetibili per il mercato.

La pratica dell’estrazione del nocciolino è invece in significativa crescita, anche grazie alla disponibilità oggi di macchine estrattrici di piccola taglia che sono in grado di operare ottimamente anche in frantoi di medie dimensioni. Tuttavia, tale soluzione presenta alcuni svantaggi quali ad esempio la difficoltà di gestione della polpa di sansa denocciolata, che non viene in genere ritirata dai sansifici.

Biogas, una scelta strategica

biogas sansaTra gli ulteriori impieghi possibili, il processo di digestione anaerobica per la produzione di biogas rappresenta una interessante scelta strategica, alternativa sia alla gestione delle sanse vergini ed esauste rispetto alle summenzionate destinazioni d’uso, che allo spandimento in pieno campo delle acque di vegetazione, derivanti da impianti continui a tre fasi e largamente diffusi in Italia, che prevede stringenti vincoli di legge da rispettare.

Ma in cosa consiste il fenomeno della digestione anaerobica? Si tratta, in sintesi, di un processo biologico fermentativo, che avviene cioè in assenza di ossigeno, per mezzo del quale una matrice organica di varia natura viene trasformata in biogas all’interno di appositi reattori. La produzione di biogas, a partire da residui organici avviene a livello microbico attraverso due passaggi successivi: avviene infatti prima una biodegradazione, che può essere ulteriormente divisa in due sottofasi, idrolitica e fermentativa, realizzata da muffe, batteri fermentativi ed acidogeni; successivamente, in ambiente anaerobico, avviene la metanizzazione vera e propria operata dai soli batteri metanigeni.

Sia la fase idrolitica che quella fermentativa sono caratterizzate dalla degradazione delle sostanze organiche più complesse in composti più semplici; ovvero tutti i composti che caratterizzano il substrato primario impiegato, quali materiali cellulosici, lipidi, proteine e carboidrati, vengono solubilizzati fino allo stato di acidi organici mediante reazioni di acidogenesi e, successivamente, tramite processi di acetogenesi, in acetato, anidride carbonica e idrogeno; questi verranno quindi degradati direttamente in metano nella fase di metanizzazione.

Gli inoculi per l’avvio del processo sono costituiti da consorzi di microrganismi anaerobici in grado di orientare la digestione anaerobica, che andrebbero selezionati in base alle caratteristiche dei substrati impiegati. Avviato il processo, il digestato stesso può fungere da inoculo per le biomasse.

La fermentazione metanigena è quindi un processo in serie in cui i microrganismi a valle utilizzano come substrato i prodotti dei microrganismi a monte: ciò rappresenta un limite in quanto ogni specie batterica ha una propria velocità di crescita ed una propria sensibilità ai fattori ambientali.

Il biogas prodotto è una miscela di gas, il cui componente principale è il metano (50-80%) mentre il resto è costituito da anidride carbonica, vapore acqueo, idrogeno e composti solforati; dopo essere stata sottoposto a filtrazione, deumidificazione e desolforazione viene utilizzato per innescare processi di combustione interna in cogeneratori atti alla produzione di energia elettrica, che viene poi immessa nella rete elettrica nazionale, e di calore ad uso interno aziendale.

Variabili di processo

La percentuale di metano producibile dipende da molteplici fattori: oltre alla tipologia dei substrati impiegati, un ruolo fondamentale giocano anche i parametri di processo adottati. Ad esempio, quando il substrato in digestione presenta un contenuto di sostanza secca inferiore al 10% si hanno i processi di digestione ad umido (wet); mentre, di contro, si hanno processi di digestione a secco (dry), quando i substrati impiegati hanno un contenuto di sostanza secca superiore al 20%. Si hanno processi monostadio, quando tutta la degradazione della sostanza organica avviene in un unico reattore; processi bistadio, quando idrolisi e fermentazione avvengono in un reattore diverso rispetto a quello dove avviene la fase metanigena. Si hanno poi processi che possono essere in continuo o in discontinuo, a seconda della frequenza temporale con cui vengono inserite biomasse fresche, oltre che di tipo mesofilo (35-40 °C) o termofilo (50-55 °C) a seconda della temperatura adottata.

Diverse sono quindi le variabili di processo, le quali, però tutte tendono ad un obiettivo comune, ottenere rese in metano più elevate e costanti nel tempo.

Limiti delle acque di vegetazione

Tornando ai sottoprodotti della filiera olivicola, l’impiego delle acque di vegetazione tal quali, non è di semplice gestione nei processi finalizzati alla produzione di biogas, a causa del loro pH acido e del basso contenuto in azoto ammonico, oltre che, di contro, all’alta concentrazione di polifenoli e acidi grassi volatili, che esercitano effetti tossici sui microrganismi metanigeni, inibendone la capacità produttiva.

Non è semplice trovare, in letteratura, indicazioni univoche sulle quantità ideali di acque reflue olearie e sulla loro modalità d’uso più proficua, in quanto la logica che guida il processo di digestione anaerobica, a volte, non è quella di impiegare i substrati adeguati, ma di ricorrere a quelli disponibili sul territorio, nel medio lungo periodo. A tal proposito si sono sperimentati diversi pre-trattamenti fisici, chimici o biologici per rendere le acque di vegetazione più adatte alla fermentazione anaerobica che, anche se efficaci, sono spesso molto costosi e di complessa realizzazione.

Co-digestione e combinazione di substrati

La soluzione più sostenibile è sempre quella di co-digerire le acque di vegetazione cercando la combinazione giusta con altre matrici provenienti sia dalla filiera agroalimentare (come residui della lavorazione di ortofrutta e di succhi di frutta), zootecnica (liquami e letami), dalle colture dedicate (insilati di mais, sorgo), o da altri sottoprodotti tipici della filiera olivicola come sansa vergine, esausta e denocciolata. Si può, inoltre, attingere da altri campi, come dalla frazione organica residui solidi urbani (Forsu); l’importante è trovare la miscela giusta che riesca a stabilizzare il processo ed a renderlo sufficientemente produttivo.

In merito a tale tematica, si è condotta una sperimentazione impiegando acque di vegetazione miscelata esclusivamente a digestato di liquame bovino (tabella 1), monitorandone poi la produzione in biogas per un periodo di 25 giorni, sia in condizioni mesofile (tesi A) che termofile (tesi B). Questi sono i due principali regimi termici ai quali operano i batteri metanigeni, quelli cioè ottimali per massimizzare la produzione di metano; fuori da questo intervallo le attività sono molto rallentate o addirittura impedite.

Tabella 1 - Tesi delle prove di co-digestione realizzate
Tesi

Temperatura

Digestato di liquame bovino
(% v/v)

Acque
di vegetazione
(% v/v)

A

37 °C

80

20

B

52 °C

80

20

Rese dei blend sperimentali

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1 - Modalità di svolgimento delle prove in batch.

Le prove, realizzate in collaborazione con il centro di ricerca per l’olivicoltura e l’industria olearia (Crea-Oli) di Rende (Cs), sono state condotte, in duplicato per ogni tesi, riempiendo per metà dei reattori batch di due litri posti in una camera climatica per il controllo della temperatura; questi venivano poi collegati idraulicamente, ed in modo ermetico, ad un secondo recipiente ripieno d’acqua (foto 1). Il volume di biogas prodotto nei reattori batch spostava quindi, da tali recipienti, un equivalente volume in acqua che veniva captata da un serbatoio graduato; la lettura di quest’ultimo corrispondeva al volume di biogas prodotto giornalmente. La quantità di metano presente nel biogas veniva invece misurata impiegando un gascromatografo (Agilent, GC6890), prelevando dei campioni ad intervalli giornalieri definiti.

La tabella 2 mostra innanzitutto come il blend impiegato, con una concentrazione al 20% delle acque reflue, ha permesso di mantenere il contenuto di polifenoli e di acidi grassi volatili al di sotto delle soglie inibenti la fermentazione, che in letteratura ritroviamo essere pari rispettivamente a 0,6 g/l e 2 g/l.

Tabella 2 - Caratterizzazione chimica dei singoli substrati e della miscela utilizzata nelle prove
Parametri

Digestato
di liquame bovino

Acque
di vegetazione

Digestato di liquame bovino in miscela alle acque di vegetazione

Sostanza secca (g/kg)

32,3

74,5

41

pH

7,9

4,5

7,5

Acidi grassi volatili (g/kg)

0,6

6,5

1,9

Solidi volatili totali (g/kg)

23,9

64,1

32,1

Polifenoli (g/kg)

0

2,8

0,6

Circa le rese in biogas e metano, si è invece registrata una buona produzione media cumulata (grafico 1), ad emblema di come giuste miscele possano contribuire a ridurre l’effetto tossico dei composti inibenti sulla crescita dei microrganismi responsabili dei processi di metanizzazione, con i conseguenti effetti positivi sulle rese finali.

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Con riferimento al regime termico adottato, si evidenzia infine come in quello termofilo si generino produzioni di metano inferiori rispetto a quello mesofilo (grafico 2), a riprova questo, di come, a parità di durata di processo, più è alta la temperatura impiegata maggiore è la quantità di sostanza organica degradata; la produzione di biogas si concentra così in un periodo limitato, a discapito quindi della durata di processo ovvero della sua produttività. Il tempo medio di permanenza del substrato nel digestore, in linea generale, deve comunque essere superiore al tempo di duplicazione dei ceppi batterici a duplicazione più lenta (ovvero quelli metanigeni), che a sua volta è funzione delle caratteristiche di biodegradabilità del substrato e delle tipologie di processo adottate, sempre finalizzate ad incrementare le rese in biogas e quindi in metano. Ulteriori studi sono in corso di realizzazione nell’ambito del progetto “Sustainability of Olive-oil System - Sos” finanziato da Ager.

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Acque reflue, scarto o risorsa?

Lo studio condotto mette in evidenza come, attraverso la valorizzazione dei sottoprodotti, nelle molteplici opportunità che essi offrono, energetiche ma non solo, si può generare per il settore agricolo un circuito virtuoso, dove produzione di cibo ed “usi alternativi” dell’agricoltura non sono in contrasto, ma entrano a far parte di una economia circolare in grado di generare tutta una serie di benefici aziendali. In tale ottica, sono ad esempio in atto alcune sperimentazioni di piccoli impianti prototipali a biogas (foto 2), alimentanti principalmente attraverso i sottoprodotti aziendali, e quindi anche le acque reflue, che hanno come finalità quella di sostenere i consumi energetici dei frantoi di media taglia e di favorire la risoluzione delle problematiche relative alla sostenibilità ambientale dei residui di lavorazione.

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2 - Prototipo di digestore anaerobico realizzato nell’ambito del progetto PON01_01545 “Olio Più”.

Molteplici sono quindi gli impatti positivi che il settore olivicolo può offrire oltre al suo prodotto principe, l’olio extravergine, di cui il biogas è solo una delle tante chiavi di lettura possibili. Molto ancora resta però da fare: alla ricerca scientifica deve affiancarsi la volontà di fare rete, di realizzare filiere sempre più organizzate e funzionali, in grado di affrontare la stagionalità delle produzioni olivicole, con investimenti mirati ed aperte anche a quelle filiere per i quali i sottoprodotti continuano ad essere visti come un problema e non come una risorsa.


Digestione anaerobica

È un processo di fermentazione biologico che avviene all’interno di appositi reattori, in cui una matrice organica viene trasformata in biogas.


Biogas

Il biogas prodotto della fermentazione anaerobica è una miscela di gas: il principale, fino all’80%, è il metano, la restante parte è composta da anidride carbonica, vapore acqueo, idrogeno e composti solforati.


 

La bibliografia può essere richiesta agli autori.

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