Un articolo scientifico appena pubblicato da quattro scienziati brasiliani e due americani riporta i guadagni di energia elettrica e termica ottenuti quando il grano esaurito del produttore di birra (bagassa d’orzo), un abbondante rifiuto prodotto dall’industria della birra, viene trattato con gli ultrasuoni prima di subire la digestione anaerobica, un processo microbiologico consumo di sostanza organica e 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 carburante per veicoli con un’impronta di carbonio molto bassa rispetto ai combustibili fossili convenzionali. Inoltre, nei cogeneratori, il metano può essere bruciato dal birrificio per produrre elettricità e calore. Il rifiuto finale può essere utilizzato come biofertilizzante anziché come fertilizzante minerale. La metodologia è descritta in dettaglio nell’articolo, che è pubblicato nel Giornale di produzione più pulita.
Il processo innovativo è stato sviluppato presso il Laboratorio di Bioingegneria e Trattamento delle Acque e dei Rifiuti (Biotar) della Scuola di Ingegneria Alimentare dell’Università Statale di Campinas (FEA-UNICAMP). Il capo del gruppo di ricerca, Tânia Forster-Carneiro, è il principale ricercatore di un progetto sostenuto da FAPESP.
Gli stabilimenti di trasformazione alimentare dispongono di impianti di trattamento delle acque reflue, nel rispetto della legge, ma non sempre trattano i rifiuti solidi organici, che vengono tipicamente spediti in discariche controllate o sanitarie, o utilizzati per produrre mangimi. “La ricerca che aggiunga valore ai rifiuti solidi organici è importante per l’industria e la società nel suo insieme”, ha affermato Forster-Carneiro. “In questo studio in particolare, abbiamo pretrattato i rifiuti con gli ultrasuoni, una tecnologia incipiente solitamente applicata solo in laboratorio e quindi ottenuto un livello più elevato di produzione di metano. I risultati sono stati molto positivi”.
Anche la borsista post-dottorato Luz Selene Buller e il dottorando William Sganzerla, entrambi vincitori di borse di studio della FAPESP, sono membri del gruppo di ricerca.
Come ha spiegato Sganzerla, i rifiuti del birrificio sono lignocellulosici (comprendenti lignina, cellulosa ed emicellulosa) e i microrganismi che partecipano alla digestione anaerobica non possono penetrare facilmente nelle pareti cellulari. “L’alimentazione di un reattore di digestione anaerobica con materia prima lignocellulosica produce bassi livelli di metano, poiché i microrganismi non consumano questa biomassa, che deve essere scomposta mediante pretrattamento”.
Lo studio ha anche analizzato i percorsi di recupero energetico durante tutto il processo, concludendo che l’elettricità prodotta dal biogas ha compensato l’80% dell’energia necessaria per il pretrattamento con ultrasuoni e digestione anaerobica, generando anche un surplus di energia termica superiore del 50% rispetto al calore in eccesso che sarebbe ottenuto senza l’uso di ultrasuoni.
“Una sfida tecnologica è come applicare un pretrattamento sostenibile che consuma poca energia”, ha affermato Sganzerla. “Il pretrattamento ad alto consumo energetico non è praticabile per applicazioni su scala industriale. L’elettricità generata dalla combustione del biogas sarà quindi utilizzata per gli ultrasuoni. Il calore prodotto può essere utilizzato nell’industria per i vari processi che richiedono energia termica Tutto questo segue i principi dell’economia circolare per la produzione alimentare a basse emissioni di carbonio”.
Secondo Buller, il riciclaggio dei nutrienti e la generazione di energia a livello locale da fonti rinnovabili sono fondamentali per lo sviluppo sostenibile e la decarbonizzazione della produzione alimentare.
Calcoli dettagliati
Per Forster-Carneiro, le misurazioni altamente dettagliate effettuate nello studio sono il motivo principale per cui l’articolo ha attirato così tanta attenzione da parte della comunità scientifica. “Abbiamo calcolato l’equilibrio di massa ed energia in tutti i flussi in entrata e in uscita. Abbiamo mostrato in dettaglio che è possibile produrre 0,23 megawattora di elettricità per ogni tonnellata di bagassa d’orzo lavorata”, ha affermato.
Lo studio presenta anche il potenziale per generare energia da fonti rinnovabili per mitigare le emissioni di gas serra. Da oltre cinque anni Forster-Carneiro collabora con Michael Timko, penultimo autore dell’articolo. Timko è professore al Worcester Polytechnic Institute del Massachusetts (USA) ed è anche specialista nella valorizzazione dei rifiuti. “Lo studio è stato eccellente”, ha detto. “Pochissimi progetti di ricerca dettagliano i calcoli per la generazione di energia dal metano”.
Questo esperimento, tra l’altro, è nato dal buon rapporto tra FEA-UNICAMP e produttori di birra locali, che si riflette in visite tecniche e donazione di rifiuti solidi. Il birrificio in questione produce 120-250 tonnellate di bagassa d’orzo a settimana. “La fabbrica al momento non ricicla questi rifiuti. Li regala semplicemente per l’uso nell’alimentazione animale, ma potrebbe trattare la bagassa e produrre energia allo stesso tempo”, ha affermato Forster-Carneiro.
In questo contesto, Sganzerla ha rilevato gli effetti della politica nazionale sui rifiuti solidi del Brasile (Legge 12.305, emanata nel 2010). “Verrà il momento in cui tutti i produttori saranno obbligati a trattare i rifiuti che producono”, ha affermato. “Dovranno utilizzare le tecnologie disponibili. Tecnicamente parlando, è già fattibile. Nel nostro studio indichiamo varie possibilità. Nessun produttore lo fa attualmente su larga scala perché, sebbene la digestione anaerobica esista ed è una tecnologia praticabile per liquidi e rifiuti solidi, è necessaria una ricerca più approfondita per i rifiuti solidi e lignocellulosici”.
Ricco di nutrienti
Il Brasile è tra i primi cinque produttori di birra al mondo. Nel 2019 ha prodotto 14 miliardi di litri, secondo l’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 il suo team hanno brevettato l’uso di questi rifiuti organici nei reattori anaerobici gestiti da produttori di birra ai fini del trattamento delle acque reflue.
Un articolo di Forster-Carneiro, Sganzerla, Buller e Solange Mussatto, affiliato al Dipartimento di Biotecnologie e Biomedicina dell’Università Tecnica della Danimarca, pubblicato nel Giornale di produzione più pulita nel marzo 2021, stabilisce una valutazione dettagliata dei vantaggi economici della valorizzazione dei rifiuti, compresa la produzione di fertilizzanti.
“Il processo di digestione anaerobica tratta i rifiuti con un elevato carico organico, generando di conseguenza nutrienti. La frazione solida rimasta nel reattore, nota come biodigest, è fondamentalmente costituita da materiale lignocellulosico trattato ricco di azoto, fosforo, potassio e altro minerali Nel caso della bagassa d’orzo maltato, c’è un’alta percentuale di azoto e proteine, il che la rende un buon biofertilizzante che può sostituire NPK [mineral fertilizer containing nitrogen, phosphorus and potassium]”, ha detto Sganzerla.
Forster-Carneiro e il suo team stanno anche studiando il pretrattamento idrotermale della bagassa d’orzo. “Alimentiamo i rifiuti in un reattore, che in determinate condizioni di temperatura e pressione idrolizza la biomassa [breaking down the molecules] per produrre un idrolizzato [liquid] con nutrienti solubili. Questo è molto vantaggioso per i processi di fermentazione. Tuttavia, sono necessarie ricerche più approfondite in modo da poter arrivare a una soluzione efficiente e sostenibile per il trattamento dei rifiuti lignocellulosici”, ha affermato Sganzerla.