Un articolo scientifico stampato semplicemente da 4 scienziati brasiliani e due americani studia gli aspetti positivi dell’energia elettrica e termica ottenuta quando il grano esaurito del produttore di birra (bagassa d’orzo), un abbondante rifiuto prodotto dal commercio della birra, viene gestito con gli ultrasuoni prima dell’attuale processo di digestione anaerobica, un corso microbiologico che coinvolge il consumo di materia naturale e la produzione di metano.
Biogas generato dal pretrattamento con il 56% di metano, il 27% in più rispetto alla quota ottenuta senza l’uso degli ultrasuoni. Dopo la purificazione in metano, il biogas può essere utilizzato come benzina per automobili con un’impronta di carbonio molto bassa rispetto ai tipici combustibili fossili. Inoltre, nei cogeneratori, il metano potrebbe essere bruciato dal birrificio per fornire energia elettrica e calore. Il rifiuto definitivo può essere utilizzato come biofertilizzante in sostituzione del fertilizzante minerale. La metodologia è descritta intimamente all’interno dell’articolo, che è stampato all’interno del Giornale di produzione più pulita.
Il corso progressivo di è stato sviluppato sul Laboratorio di Bioingegneria e Rimedio delle Acque e dei Rifiuti (Biotar) all’interno della Facoltà di Ingegneria dei Pasti (FEA-UNICAMP) del Collegio Statale di Campinas. Il capo del gruppo di analisi, Tânia Forster-Carneiro, è il principale investigatore di un’impresa supportata da FAPESP.
Gli stabilimenti di lavorazione dei pasti dispongono di vegetazione per la terapia delle acque reflue, in conformità con il regolamento, tuttavia non sempre si occupano di rifiuti naturali forti, che di solito vengono spediti in discariche gestite o sanitarie, o utilizzati per fornire mangimi per animali. “L’analisi che fornisce valore ai rifiuti naturali forti è vitale per il commercio e la società nel suo insieme”, ha affermato Forster-Carneiro. “In particolare su questo esame, abbiamo pretrattato i rifiuti con gli ultrasuoni, un know-how incipiente normalmente utilizzato esclusivamente all’interno del laboratorio e quindi ottenuto la fase successiva della produzione di metano. I risultati sono stati molto ottimisti”.
Post-dottorato Luz Selene Buller e Ph.D. il candidato William Sganzerla, ciascuno dei vincitori di borse di studio FAPESP, è inoltre membro del gruppo di analisi.
Come ha definito Sganzerla, i rifiuti della fabbrica di birra sono lignocellulosici (composti da lignina, cellulosa ed emicellulosa) ei microrganismi che partecipano alla digestione anaerobica non possono semplicemente penetrare nelle partizioni cellulari. “Alimentare un reattore di digestione anaerobica con materiali lignocellulosici crudi produce bassi livelli di metano, perché i microrganismi non divorano questa biomassa, che deve essere danneggiata dal pretrattamento”.
L’esame ha inoltre analizzato i percorsi di ripristino dell’energia lungo tutto il metodo, concludendo che l’energia elettrica prodotta dal biogas ha compensato l’80% dell’energia richiesta per il pretrattamento con ultrasuoni e digestione anaerobica, producendo inoltre un surplus di energia termica del 50% maggiore rispetto al surplus calore che può essere ottenuto senza usare gli ultrasuoni.
“Un problema tecnologico è applicare un pretrattamento sostenibile che consuma poca energia”, ha affermato Sganzerla. “Il pretrattamento con un consumo di energia eccessivo non è praticabile per le funzioni su scala industriale. L’energia elettrica generata dalla combustione del biogas sarà quindi utilizzata per gli ultrasuoni. Il calore prodotto può essere utilizzato in commercio per i vari processi che richiedono energia termica. Tutto ciò segue le idee del sistema economico circolare per la produzione di pasti a basse emissioni di carbonio”.
In linea con Buller, il riciclaggio dei nutrienti e la produzione di energia a livello nazionale da fonti rinnovabili sono fondamentali per il miglioramento sostenibile e la decarbonizzazione della produzione di pasti.
Calcoli dettagliati
Per Forster-Carneiro, le misurazioni estremamente dettagliate effettuate all’interno dello studio sono il motivo principale per cui l’articolo ha attirato molta considerazione da parte del gruppo scientifico. “Abbiamo calcolato la stabilità di massa ed energia in tutti i flussi in entrata e in uscita. Abbiamo confermato intimamente che è possibile fornire 0,23 megawattora di energia elettrica per ogni tonnellata di bagassa d’orzo lavorata”, ha affermato.
Lo studio presenta inoltre il potenziale per generare energia da fonti rinnovabili per mitigare le emissioni di combustibili serra. Da oltre 5 anni Forster-Carneiro collabora con Michael Timko, penultimo creatore dell’articolo. Timko è professore al Worcester Polytechnic Institute del Massachusetts (USA) e inoltre è specialista nella valorizzazione dei rifiuti. “L’esame è stato glorioso”, ha affermato. “Solo alcune iniziative di analisi sono elementi di calcolo per la produzione di energia da metano”.
Questo esperimento, tra l’altro, è nato dal bel rapporto tra FEA-UNICAMP e birrai autoctoni, rispecchiato nelle visite tecniche e nella donazione di rifiuti forti. Il birrificio coinvolto produce 120-250 tonnellate di bagassa d’orzo a settimana. “L’impianto di produzione al momento non ricicla questi rifiuti. Semplicemente lo offre per essere utilizzato nell’alimentazione animale, ma sicuramente potrebbe gestire la bagassa e produrre energia nello stesso momento”, ha affermato Forster-Carneiro.
In questo contesto, Sganzerla ha reso note le conseguenze della forte copertura nazionale dei rifiuti del Brasile (Legislazione 12.305, emanata nel 2010). “Verrà il momento in cui tutti i produttori saranno obbligati a gestire i rifiuti che producono”, ha affermato. “Devono usare le scienze applicate ottenibili. Tecnicamente parlando, è già possibile. Livelliamo a numerose potenzialità nel nostro esame. Nessun produttore attualmente riesce a raggiungere questo obiettivo su larga scala perché, sebbene la digestione anaerobica esista ed è un know-how praticabile per i rifiuti liquidi e forti, è necessaria un’analisi più approfondita per i rifiuti forti e lignocellulosici”.
Ricco di nutrienti
Il Brasile è tra i primi 5 produttori di birra su questo pianeta. Nel 2019 ha prodotto 14 miliardi di litri, in risposta all’articolo. La produzione di 100 litri di birra genera circa 20 kg di bagassa d’orzo, quindi in Brasile vengono prodotte circa 2,8 milioni di tonnellate all’anno. Nel 2020, Forster-Carneiro e la sua forza lavoro hanno brevettato l’utilizzo di questi rifiuti naturali nei reattori anaerobici gestiti da produttori di birra per le esigenze della terapia delle acque reflue.
Un articolo di Forster-Carneiro, Sganzerla, Buller e Solange Mussatto, affiliato alla Divisione di Biotecnologie e Biomedicina del Technical College of Denmark, stampato all’interno del Giornale di produzione più pulita nel marzo 2021, unità una valutazione approfondita dei benefici finanziari della valorizzazione dei rifiuti, insieme alla produzione di fertilizzanti.
“Il digestione anaerobica Naturalmente tratta i rifiuti con un carico naturale eccessivo, producendo vitamine per questo. La forte frazione rimasta all’interno del reattore, spesso chiamata biodigest, è costituita principalmente da materiali lignocellulosici manipolati ricchi di azoto, fosforo, potassio e diversi minerali. Nel caso della bagassa d’orzo maltato, c’è una proporzione eccessiva di azoto oltre alle proteine, il che la rende un biofertilizzante che può modificare l’NPK [mineral fertilizer containing nitrogen, phosphorus and potassium]”, ha affermato Sganzerla.
Forster-Carneiro e la sua forza lavoro stanno inoltre studiando il pretrattamento idrotermale della bagassa d’orzo. “Diamo da mangiare al sciupare direttamente in un reattore, che in determinate condizioni di temperatura e stress idrolizza la biomassa [breaking down the molecules] per fornire un idrolizzato [liquid] con vitamine solubili. Questo è estremamente utile per i processi di fermentazione. Tuttavia, è necessaria un’analisi più approfondita per arrivare a una soluzione ecologica e sostenibile per la terapia dei rifiuti lignocellulosici”, ha affermato Sganzerla.
Dati extra:
Luz Selene Buller et al, Pretrattamento ad ultrasuoni dei chicchi esauriti dei produttori di birra per la digestione anaerobica: produzione di biogas per un miglioramento industriale sostenibile, Giornale di produzione più pulita (2022). DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.131802
William Gustavo Sganzerla et al, Valutazione tecno-economica della produzione di bioenergia e fertilizzanti mediante digestione anaerobica dei grani esauriti del produttore di birra in un’idea di bioraffineria, Giornale di produzione più pulita (2021). DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126600