Orvieto: recupero strutturale e considerazioni sull’impianto per la produzione di biogas

Inizieranno auspicabilmente entro la prossima estate i lavori per il recupero strutturale e funzionale di una tenuta agricola orvietana estesa su 62 ettari con due complessi edificati, l’uno in uso e l’altro dismesso.CSE 2019.03.10 Orvieto biogas 001.jpgLa vocazione del sito sarà agrosilvopastorale, in quanto verterà sulla produzione di manufatti realizzati con una  lana ovina particolarmente pregiata, olio, vino e prodotti correlati, con commercio diretto e presso unità distributive esterne.
Un’importante quota delle risorse verrà invece dedicata alla ricettività turistica ed all’effettuazione di attività afferenti l’ambito olistico di livello medio-alto.
Dei due complessi edificati, quelli in uso dispone di una fossa biologica bisognosa di consistente manutenzione, mentre in quello dismesso è presente la vecchia buca del letame, com’era in uso un tempo.
Il progetto prevede la realizzazione, in zona defilata, di un impianto per la produzione di biogas alimentato con le deiezioni animali e umane, con gli sfalci di frutteti, oliveto, vigna e con gli scarti alimentari e della lavorazione dei prodotti. La capacità dell’impianto consentirà l’autonomia relativamente all’acqua calda sanitaria ed al gas per uso di cucina.
Uno degli ambiti valutativi fondamentali riguarda conseguentemente la scelta del tipo di impianto: fitodepurativo aerobico piuttosto che mediante lagunaggio, oppure anaerobico.
tale scelta, che non esclude l’ipotesi del lagunaggio, potrebbe privilegiare l’ipotesi anaerobica per motivi estetici (maggiore possibilità di occultare l’impianto nell’ambiente) e legati alla diffusione di odori sgradevoli ed all’inevitabile genesi di zanzare, considerata l’attività ricettiva che caratterizzerà parte del complesso.CSE 2019.03.10 Orvieto biogas 003Questo scritto è incentrato sull’esame di alcune particolarità dei digestori e ad alcune caratteristiche del metodo pFOM e delle metodologie Weende e Nirs.
Premettiamo che se gli scarti vegetali riguarderanno residui della cucina, dell’orto, della sfalciatura e delle potature, le deiezioni animali saranno di origine prevalentemente ovina, quindi con marker organici e gradienti di acidità molto particolari e ben differenti rispetto a quelli di origine bovina massimamente noti in ragione della loro diffusione dovuta all’allevamento intensivo.
Sappiamo come la base teorica che sottende alla valutazione ed alla previsione dell’efficienza biologica dei processi degradativi della materia organica sia il metodo Weende1, zoccolo duro dell’analisi della digeribilità dei mangimi e più noto come CFM, Crude Fiber Method. Risale al 1864, quando fu codificato da Henneburg e Stohmann.
L’alternativa potrebbe essere costituita dal metodo Van Soest, più accurato del precedente ma non il più avanzato tecnicamente2.
Entrambi i metodi si basano sulla determinazione della frazione difficilmente degradabile (cellulosa) e non degradabile (lignina) di un foraggio, assumendo che la differenza fra tali misurazioni sia il valore nutrizionale netto per l’animale. Poiché il metodo non elabora moltissime variabili prenderemo in considerazione metodi ancora più accurati3.
Riteniamo che l’applicazione ad un impianto di biogas di un metodo sviluppato per la valutazione di mangimi, come comunemente avviene, sia sbagliata poiché la degradazione della biomassa nell’apparato digerente di un animale è sostanzialmente diversa da quella che si verifica all’interno di un digestore anaerobico.
Un’evidenza fondamentale in tal senso è data dai tempi: da 24 a 48 ore per il passaggio attraverso l’apparato digerente di un animale, contro i trenta o più giorni di permanenza in un digestore anaerobico.
Dati indicativi come la sostanza secca e la sostanza organica secca sono inoltre superati. tanto è vero che hanno lasciato il posto all’indicatore pFOM, potentially Fermentable Organic Matter, materia organica potenzialmente fermentescibile. Il valore definisce ciò che può essere effettivamente fermentato in modo efficace escludendo la parte non fermentabile (lignina, componenti di proteine grezze e fibre come la cellulosa ed emicellulosa) e calcola l’autoconsumo della massa batterica.
Per parte nostra specifichiamo che, affinché un impianto di biogas possa conseguire il massimo livello di efficienza, devono essere sviluppate competenze integrate di biologia, fisica, meccanica, automazione. Va inoltre tenuto in conto il fatto che un impianto viene realizzato nella previsione di un lungo periodo di alimentazione: agricola, industriale, comunale e della conseguente valorizzazione dell’energia ricavata per la sua gestione o vendita come prodotto finale in uscita.
Per avere certezza del potere metanigeno dei substrati, della loro adeguatezza biologica, della reperibilità, del costo e della gestione logistica, l’alimentazione dell’impianto viene quindi definita già in fase progettuale.
Ricapitoliamo un istante prima di proseguire: la base teorica ancora oggi più avanzata che sottende a valutazione ed a previsione dell’efficienza biologica dei processi degradativi della materia organica è il metodo Weender, ampliato di Van Soest per combinare ed elaborare numerose variabili, dove i dati su sostanza secca e sostanza organica secca, ritenuti superati, hanno lasciato il campo all’indicatore pFOM, valore che definisce ciò che può essere effettivamente ed efficacemente fermentato, escludendo la parte non fermentabile (lignina, componenti di proteine ​​grezze e fibre come la cellulosa ed emicellulosa) e calcolando l’autoconsumo della massa batterica, identificando il tempo di fermentazione kd di ogni singolo componente.
Collegando quindi il valore pFOM con i dati forniti dall’analisi all’infrarosso NIRS, Near Infrared Reflectance Spectroscopy, in uso da decenni, eseguita mediante spettroscopia a corto raggio ed oggi certificata ISO 9001, è possibile ottimizzare la ricetta di alimentazione in modo biologico, tecnico ed economico, per ottenerne una massa di deiezione ottimale, anticipando eventuali criticità e prevedendo contromisure in anticipo rispetto al manifestarsi di eventuali problemi.
Il corretto termine tecnico utilizzato, solidi volatili (SV, norma UNI 10458:2011, definizione 3.65), deriva dalla traduzione letterale dal tedesco Organische Trockenmasse, appunto sostanza secca organica per differenziarla dalla sostanza secca che include anche la frazione minerale nota come ceneri, ed i SV sono strettamente correlati al BMP, Biochemical Methane Potential, potenziale metanigeno, costituendo un indicatore fondamentale in tutte le norme applicabili alle biomasse per digestione anaerobica. Quindi la loro misurazione è imprescindibile per una corretta gestione dell’impianto.
Il processo di produzione del biogas, combustibile rinnovabile e dotato di un buon potere calorifico, avviene all’interno di digestori nei quali la biomassa introdotta, dove il cosiddetto substrato, che trova un riferimento nella cellulosa4, viene demolito in percentuali variabili tra il 40 e il 60%. Il biogas ricavato dal processo è composto mediamente al 50-80% da metano, dal 15-45% da anidride carbonica e nella misura residua del 5% da altri gas, soprattutto idrogeno e azoto.
Se per produrre calore, o elettricità con motori cogenerativi, il biogas può essere utilizzato tal quale, per essere immesso in una rete distributiva di gas, anche minima e privata come quella prevista a Orvieto, è indispensabile prevederne la purificazione che innalzi al 95-98% la percentuale di metano, incrementandone così qualità e potere calorifico. Il prodotto ottenuto assume, a rigore, la denominazione di biometano.
Un m³ di biogas consente di ottenere 1,8÷2,2 kWh di energia elettrica o 2÷3 kWh di energia termica, e la sua produzione mediante digestione anaerobica si differenzia in base alla temperatura di svolgimento del processo e del tipo di microrganismi coinvolti.
Le definizioni sono, rispettivamente, psicrofila tra 10 e 25° C, mesofila a circa 35° C e termofila a circa 55° C.
Sembra una banalità, ma la qualità del prodotto finito, nel nostro caso il biogas, è funzione della qualità di ciò che mangia l’animale le cui deiezioni finiscono nel digestore, ed in particolare delle proteine grezze, la cui digeribilità dipende dalla razza dell’animale e dai batteri anaerobici.
Nel caso in esame le proteine sono, in realtà, perfettamente digeribili dai batteri anaerobici a prescindere dall’origine, con valori di BMP, Biochemical Methane Potential, che si aggirano sui 450 Nm3/ton SV, metri cubi Normali per tonnellata di solidi volatili.
Lo dimostrano i numerosi impianti per la produzione di biogas autorizzati dal Ministero della Salute a funzionare con resti di macellazione, i cosiddetti SOA, Sottoprodotti di Origine Animale.
Il valore di autoconsumo della biomassa batterica si misura con una prova biologica, calcolando la differenza fra i SV totali iniziali e finali della biomassa batterica, detta inoculo. Tale differenza rappresenta la frazione di materia organica digeribile che, non mutata in biogas, contribuisce ad accrescere la popolazione di batteri vivi.
Se, sin dai tempi di Pasteur e addirittura con una strumentazione autocostruita e un po’ di pazienza, è possibile effettuare una semplice verifica di Bmp, misurando la costante di tempo di digestione, ben diversa è una situazione come quella orvietana, dove dovremo gestire la quotidianità dell’impianto con la massima precisione, ove possibile anticipando problemi di carico e qualità, e senza ricorrere all’acquisto di scarti di terzi.
Verrà pertanto impiantato un sistema di controllo digitalizzato ed in grado di dialogare con l’impianto di carico, il digestore e le altre strutture aziendali, in ossequio alla legge 232/2016 Industria 4.0 per fruire delle relative agevolazioni, ben sapendo che un modello matematico statico non ci consentirà di gestire un sistema che, per quanto minuscolo potrà essere, sarà in permanente cambiamento esattamente come accade nei digestori di impianti ben più dimensionati ed alimentati con sottoprodotti, per loro stessa natura inevitabilmente variabili nel tempo.
Ciò comporterà la costituzione di un data base di dati concreti, nello storico comprendenti picchi, assenze, carenze, eccedenze, presenza di composti anomali, parametri dei substrati e tra questi TS, NDF, ADF, Lignina, ADL, zucchero, proteine, grassi, amidi e via enumerando5. E ciò potrà avvenire solo mediante costanti prove biologiche realizzate nelle effettive condizioni operative dell’impianto.
La gestione della banca dati dinamica permetterà di avere sotto controllo alimentazione, combinazione corretta dei substrati per ottenere una resa ottimale del biogas, problemi di accumulo nei digestori, consistenza del volume fermentativo utile. L’utilizzo del software specifico consentirà inoltre di analizzare la degradazione dei substrati singolarmente ed in relazione tra loro, la produzione di energia, l’autoconsumo di batteri, la disponibilità residua, la riduzione volumetrica ed innumerevoli altri elementi.
Si potrà così disporre di valori sempre aggiornati in tempo reale, monitorando ed inserendo da remoto dati e parametri, sia ottenuti manualmente sia automaticamente con l’ausilio di strumenti come il Nirs.
I fautori del metodo sostengono che mediante un software, alimentato da una serie di dati numerici ricavati da prove non-biologiche, sia possibile addirittura diagnosticare i problemi biologici e prevedere la riduzione del volume dei digestori per accumulo di sedimenti o massa galleggiante.
Lo scopriremo in corso d’opera poiché, come ben sanno coloro che da decenni svolgono funzioni tecniche dedicate, è impossibile prevedere la resa in metano di un substrato esclusivamente in base alle analisi chimiche come il pFOM, il cui scopo effettivo, ricordiamo, è il calcolo delle razioni dei mangimi. Aspetto che a noi interesserà in modo assolutamente marginale.
Poiché non riteniamo tecnicamente corretto applicare norme al di fuori del loro scopo dichiarato, verrà inizialmente applicata la norma tedesca VDI 4630, pur nella consapevolezza di quanto sia abbondantemente superata, per poi trasmigrare alle norme nazionali più recenti e precise, come da tabella sottostante.CSE 2019.03.10 Orvieto biogas 002Concludiamo queste brevi e sommarie note con una precisazione: pur in ossequio all’interconnettività tipicizzata dai criteri di Industria 4.0, nel caso specifico non è necessario che la strumentazione sia hi tech, ma è sufficiente che sia adeguata alla tipologia delle biomasse ed alle dimensioni dell’impianto e che le sue caratteristiche metrologiche siano note e affidabili.
Crediamo che requisito principale per la proficua gestione di un impianto di biogas sia fondamentalmente una mente aperta e libera da pregiudizi e timori, in modo da interpretare obiettivamente gli esiti delle prove biologiche senza tentare di parametrare la realtà con algoritmi predefiniti o con i risultati della letteratura scientifica ufficiale.
Quello che fa fede sono le norme e la loro scrupolosa osservanza, seguendo alla perfezione i protocolli prestabiliti, valutando sempre i margini di errore delle prove e le informazioni fornite dalle curve di produzione di metano.

Alberto Cazzoli Steiner

NOTE
1 – Metodo Weende: quello ufficiale universalmente adottato e qui inteso in particolare per gli estrattivi inazotati, sempre superstimati rispetto al loro valore effettivo. In rete è presente esaustiva casistica
2 – Van Soest and McQueen: The chemistry and estimation of fibre – Cambridge University, 1973
3 – Considerazioni derivate in particolare dall’alimentazione di precisione delle bovine da latte
4 – norma UNI/TS 11703/2018
5 – La nota fa riferimento alle metodiche analitiche per la determinazione del contenuto in fibra degli alimenti, quella di Weende o della fibra grezza, ed il metodo Van Soest o della fibra neutro detersa, NDF, della fibra acido detersa, ADF e della lignina acido detersa, ADL.
Il metodo ufficiale universalmente utilizzato è quello di Weende, il cui principio è il seguente:
una aliquota dell’alimento macinato, dopo delipidizzazione con etere o acetone, viene trattata all’ebollizione per 30 min. con una soluzione di acido solforico 0,26N. Dopo filtrazione e lavaggio del residuo con acqua bollente questo viene trattato all’ebollizione per 30 min si filtra, si lava con acqua bollente e si secca il residuo in stufa; si pesa e si incenerisce il campione, che viene di nuovo pesato: la differenza tra le due pesate costituisce la fibra grezza del campione. Questo metodo sottostima il reale contenuto in fibra dell’alimento perchè il 50-90% della lignina, lo 0-50% della cellulosa e fino all’85% delle emicellulose può essere solubilizzato e quindi non dosato come fibra grezza.
Il sistema delle frazioni fibrose secondo Van Soest consente invece una migliore classificazione dei costituenti delle pareti cellulari. Principio del metodo:
a) fibra residua al detergente neutro NDF: tratta un’aliquota dell’alimento macinato con una soluzione contenente in qualità di detergente sodio laurilsolfato in ebollizione per 1 ora, si essica in stufa il residuo e si pesa; quindi si incenerisce in muffola e si pesa; la differenza fra le due pesate, rapportata al peso del campione, costituisce l’NDF;
b) fibra residua al detergente acido ADF: tratta un’aliquota dell’alimento macinato con una soluzione contenente in qualità di detergente bromuro di cetil-trimetilammonio in acido solforico 1N in ebollizione per 1 ora. Si filtra, si essica in stufa il residuo e si pesa. Questo residuo costituisce l’ADF;
c) lignina ADL: il residuo dell’ADF viene trattato con acido solforico al 72% a freddo per 3 ore. Si lava, si essica in stufa il residuo e si pesa; quindi si incenerisce in muffola e si pesa di nuovo: la differenza tra le due pesate costituisce l’ADL.
Il metodo NDF consente di separare cellulosa, emicellulose e lignina dalle pareti cellulari vegetali e dal materiale cellulare solubile rappresentato da zuccheri, acidi organici, sostanze azotate proteiche e non proteiche, lipidi, sali minerali solubili.
All’analisi NDF sfuggono le pectine, che vengono solubilizzate, anche se sono intimamente legate alla parete cellulare.
Il metodo ADF consente di determinare un residuo fibroso costituito da cellulosa, lignina, cutina e silice. La differenza tra NDF-ADF dà una stima delle emicellulose.
Il metodo ADL consente di determinare la lignina, al netto delle ceneri.

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