Barbara Mecheri

Economia circolare e sviluppo sostenibile: nuovi modelli di bioraffineria

per la valorizzazione degli scarti dell’industria agroalimentare

Dip. di Scienze e Tecnologie Chimiche, Università degli Studi di Roma Tor Vergata,

Via della Ricerca Scientifica 00133 RM barbara.mecheri@uniroma2.it

1

Il Gruppo di Ricerca MaDE@UTV group

Il gruppo Materials and Devices for Energy at University of Rome Tor Vergata (MaDE@UTV) del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” svolge da molti anni un’intensa attività di ricerca dedicata allo sviluppo di materiali e componenti innovativi per applicazioni energetiche.

http://made.uniroma2.it/ 2

Da sinistra: Silvia Licoccia, Barbara Mecheri, Cadia D’Ottavi, Alessandra D’Epifanio

MaDE@UTV Group,

Materials and Devices for Energy at University

of Rome Tor Vergata

http://made.uniroma2.it/

Attività di Ricerca del gruppo MaDE@UTV

Batterie a Flusso (VRFBs e Q-Br2 RFBs)

Separatori a Membrana POlimerica: Membrane a scambio ionico – Separatori non

ionici a porosità controllata Elettrodi Avanzati Materiali – Struttura - Proprietà Elettroliti: Liquidi Ionici, Chimica di nuove coppie Redox

MaDE@UTV Group,

Materials and Devices for Energy at University

of Rome Tor Vergata

http://made.uniroma2.it/

3

Celle a Combustibile (SOFCs, H2-PEMs e DMFCs)

Membrane Polimeriche a Scambio Ionico Elettrocatalizzatori a base di metalli non nobili Ossidi Ceramici

Sistemi Bioelettrochimici (BES)

Celle a Combustibile Enzimatiche, Celle Microbiche, Celle di Elettrosintesi Microbica

Purificazione di Rifiuti (Acque Reflue Urbane e Scarti Agroalimentari) Elettrodi a Enzima e PGM-free

MaDE@UTV Group,

Materials and Devices for Energy at University

of Rome Tor Vergata

http://made.uniroma2.it/

4

Attività di Ricerca del gruppo MaDE@UTV

Il mondo va verso una crisi energetica globale

5

Attività di Ricerca di MaDE@UTV: motivazioni

6

Inquinamento e Gestione dei Rifiuti

Attività di Ricerca di MaDE@UTV:motivazioni

Sviluppo sostenibile: "lo sviluppo che è in grado di soddisfare i bisogni delle generazioni attuali senza compromettere la possibilità che le generazioni future riescano a soddisfare i propri" (Gro Harlem Brundtland, 1987).

7

Attività di Ricerca di MaDE@UTV:motivazioni

Il Progetto AGER BIOVALE (n° 2017-2206)

8

Progetto Ager BIOVALE: BIOraffineria: VALore aggiunto dei sottoprodotti Enologici.

PARTNER - Università degli Studi di Roma Tor Vergata: BioReattori per il recupero di energia e/o idrogeno dalle fecce di vino attraverso processi bio-elettrochimici. - Universita’ di Udine: Estrazione con CO2 supercritico di composti bioattivi da fecce e vinacce per il settore alimentare (integratori alimentari, alimenti funzionali), cosmetico e farmaceutico. - Università di Bologna: Produzione di biopolimeri ottenuti dalla trasformazione degli acidi grassi volatili, a loro volta estratti da vinacce e fecce, da parte di batteri capaci di accumulare queste sostanze in quantità notevoli.

Da un’ economia lineare a un’economia circolare

9

Per promuovere un’ inversione nell’uso globale delle risorse occorre mettere in discussione l’attuale modello economico basato sullo

sfruttamento delle risorse naturali e sul consumo.

ECONOMIA LINEARE

TAKE MAKE CONSUME DISPOSE

Da un’ economia lineare a un’economia circolare

10

ECONOMIA LINEARE

ECONOMIA CIRCOLARE Chiudere il cerchio tra economia e ambiente: l’economia circolare come evoluzione della sostenibilità e nuovo modello di sviluppo

ENERGIE RINNOVABILI E RECUPERO DEI MATERIALI

TAKE MAKE CONSUME DISPOSE

TAKE

MAKE

USE/REUSE

REPAIR

RECYCLE

Economia circolare

11

Ellen MacArthur: dalle imprese in barca a vela all’economia circolare

Un’economia in grado di rigenerarsi da sola, con la forma di un cerchio: l’economia circolare.

Il diagramma a farfalla dell’Economia Circolare

12

13

BIO-RAFFINERIA

Economia circolare: i nutrienti biologici

LE BIOMASSE

I nutrienti biologici sono materiali che possono biodegradarsi facilmente e tornare nel suolo per alimentare i processi ambientali.

La Strategia europea sulla bioeconomia

14

• Il flusso dei materiali in Europa è rappresentato oltre il 25 % dalla biomassa, fornita principalmente dall’agricoltura.

• Ogni anno si generano oltre 100 milioni di tonnellate di rifiuti

agroalimentari, di cui il 75% non viene né raccolto né riciclato.

OBIETTIVI di CRESCITA: - 1 milione di nuovi posti di lavoro dalle le industrie biobased europee

entro il 2030

- Contributo al raggiungimento degli obiettivi dell’Accordo di Parigi sui cambiamenti climatici (riduzione emissioni biossido di carbonio)

- Riduzione di oltre il 50% dei rifiuti alimentari entro il 2030

La bioeconomia e la bioraffineria in Italia

15

Fonte: Agenzia della Coesione in Italia

60%

1% 1%

6%

32%

Risorse finanziarie per la politica di coesione in Italia, 2014 -2020

Fondi Strutturali e Investimenti Europei (Fondi SIE) Programmi Europei di Cooperazione Territoriale Fondo per gli aiuti Europei agli Indigenti (FAEI) Programmi Complementari - Piani di Azione per la Coesione Fondo Sviluppo e Coesione (FSC)

Iniziative avviate di bioeconomia in Europa

L’economia circolare nell’industria enologica

16

Integrated Waste Managment and Life Cycle Assessment in the

Wine Industry: from Waste to High-Value Products

(Total budget: € 1 509 000)

Beneficiario: Fundación Patrimonio Natural de Castilla y León

Risultati raggiunti: • Valutazione della sostenibilità della produzione del vino; • La biomassa cellulosica estratta dalle vinacce può essere usata per

rinforzare i materiali polimerici per diversi tipi di applicazioni

Il Progetto AGER

17

Progetto Ager VITIVINICOLO 2011: Valorizzazione di sottoprodotti e scarti dell’industria enologica per applicazione di tecnologie innovative per l’estrazione di prodotti naturali ad alto valore aggiunto.

Importo finanziato Il progetto è stato sostenuto con un importo di 680.000,00 euro, è iniziato il 31 ottobre 2011 ed è terminato il 30 luglio 2015.

I partner Università degli Studi di Udine, Università degli Studi di Bologna, Università degli Studi di Milano, Università degli Studi di Parma, Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”, Politecnico di Milano.

Il Progetto AGER

18

Progetto Ager VITIVINICOLO 2011: Valorizzazione di sottoprodotti e scarti dell’industria enologica per applicazione di tecnologie innovative per l’estrazione di prodotti naturali ad alto valore aggiunto.

• Processi di estrazione di polifenoli e proteine bioattivi da vinacce

• Caratterizzazione dei componenti polifenolici residui e del loro potenziale effetto sulla salute dell’uomo

• Produzione biotecnologica di polidrossialcanoati

• Produzione di energia elettrica e/o idrogeno da fecce di vino mediante sistemi Bioelettrochimici

VegeaTextile, il tessuto innovativo che viene dal vino

19

VEGEA® è un’ azienda italiana che sviluppa ed ingegnerizza processi e tecnologie e basati sull’utilizzo di biomasse.

La prima pelle vegetale, che

viene prodotta grazie a uno

speciale trattamento delle

fibre e degli olii contenuti nella

vinaccia

20

CAVIRO Extra: tecnologia e innovazione

21

Il biogas e il suo uso energetico

USO ENERGETICO DEL BIOGAS • Combustione diretta in caldaia, per la sola produzione di

energia termica; • Combustione in un cogeneratore, per la produzione combinata

di energia termica ed elettrica. • Produzione di biometano (autotrazione o immissione nella

rete gas).

IL BIOGAS • Il biogas è una miscela di CH4, CO2, H2O e H2S, prodotta

durante la decomposizione anaerobica della biomassa;

• Le reazioni biologiche avvengono all’interno di un DIGESTORE, dove sono ricreate le condizioni ottimali per la buona riuscita dell’intero processo,

22

Impianto a biogas: conversione indiretta dell’energia

BIOMASS

BIOGAS

Purification plant

CH4 METHAN

H2 HYDROGEN

Cogeneration CHP Plant

23

Impianto a biogas: Rendimento elettrico compreso nell’intervallo 28-42%;

Rendimento termico pari al 40-50%

Dalla conversione indiretta alla conversione diretta

E’ possibile convertire DIRETTAMENTE l’energia chimica immagazzinata nella biomassa in energia elettrica, senza passare

attraverso cicli termici e quindi senza risentire delle limitazioni imposte a questi ultimi dalla

termodinamica?

ANODO: H22H+ +2 e-

CATODO: ½ O2 + 2 e- O2-

H2+1/2 O2 H2O

1- Il processo di conversione è efficiente.

2- A differenza delle normali batterie, la reazione non si esaurisce e fornisce energia con continuità.

3- Le celle possono generare energia elettrica pulita . Se il combustibile è H2 prodotto da fonti rinnovabili, l’unica emissione di una cella a combustibile è acqua!

Le celle a combustibile

24

25

Motore a combustione vs Celle a combustibile

Combustibile: Idrogeno Alto rendimento Emissioni: acqua

Confronto delle efficienze di differenti impianti (celle a combustibile e

generatori convenzionali) in relazione alla potenza

26

Le celle a combustibile non sono un'innovazione recente, ma si basano su un principio fisico scoperto nel 1839, quasi 180 anni fa, da William Grove.

Le celle a combustibile

27

Il Coradia iLint di Alstom, il primo treno regionale del mondo a celle a combustibile idrogeno, ha vinto il premio GreenTec Award 2018

Le celle a combustibile

28

• Costi di materiali e componenti (catalizzatori)

Celle a combustibile : Problematiche aperte

• Mancanza di infrastrutture legate all’idrogeno (difficoltà di gestione e distribuzione)

• Costi e problematiche ambientali legate alla produzione di idrogeno

29

Cella a Combustibile

Comburente (O2)

H2O + ENERGIA

ELETTRICA

Rifiuto organico come combustibile

Energia Elettrica dai Rifiuti

30

•Sostanze organiche naturali e biodegradabili, di sintesi (tensioattivi) • Carica microbica: batteri (microrganismi viventi)

I rifiuti organici come combustibile

31

La respirazione aerobica

Il METABOLISMO: L’insieme delle reazioni chimiche che riforniscono l’organismo di energia e materia

CIBO

Da dove prendono l’energia gli organismi viventi?

32

La respirazione anaerobica

•Ci sono alcuni batteri che prosperano in condizioni ricche di nutrienti (sali minerali, vitamine) ma povere di ossigeno.

•Durante la respirazione, essi si adattano a usare altri tipi di sostanze come accettori finali di elettroni al posto dell’ossigeno

BATTERI ANAEROBI

33

Respirazione anaerobica nella cellula procariota

(batterio)

Combustibile (Rifiuto organico)

Accettore finale di elettroni

CO2 + H2O +

ENERGIA ELETTRICA

Una tecnologia bio-ispirata per la produzione di energia elettrica

34

L’elettrodo come accettore finale di elettroni

•Elettrodo di una cella a combustibile: conduttore elettronico (carbonio grafitico, tessuti carboniosi)

35

I batteri esoelettronici

•I batteri esoelettrogeni sono in grado di trasferire elettroni al di fuori della cellula (traferimento di elettroni extracellulare) a un accettore di elettroni insolubile (come un elettrodo).

•Tali batteri si trovano comunemente nel terreno, nei sedimenti di ruscelli e laghetti, nelle acque reflue, nei rifiuti alimentari.

36

Analisi della comunità microbica

Pepe Sciarria, T., Merlino, G., Scaglia, B., D'Epifanio, A., Mecheri, B., Borin, S., Licoccia, S., Adani, F.; Electricity generation using white and red wine lees in air cathode microbial fuel cells (2015) Journal of Power Sources, 274, pp. 393-399

37

Le celle a combustibile microbiche

Combustibile Comburente

Reazione: Ossidazione della sostanza organica presente nella feccia Catalizzatori: batteri esoelettrogeni presenti nella feccia

DEPURATA DELLA CARICA ORGANICA

38

Prospettive

La cella a combustibile microbica (MFC) permette di valorizzare gli scarti della filiera vinicola: si recupera

energia dalle fecce, depurandole al contempo della loro carica organica

• Che caratteristica deve avere la feccia o, più in generale, lo scarto alimentare, per essere trattato in celle MFC?

• Quali sono i materiali che costituiscono il reattore BES e quali sono le sue dimensioni?

• Quanta potenza elettrica si può recuperare con 1 kg di feccia?

TECNOLOGIE INNOVATIVE PER IL RECUPERO DI ENERGIA E/O

BIOIDROGENO DAGLI SCARTI DELL’INDUSTRIA ENOLOGICA:

DAL LABORATORIO CHIMICO ALLA PROTOTIPAZIONE INDUSTRIALE

Prof. ALESSANDRA D’EPIFANIO

Dip. di Scienze e Tecnologie Chimiche, Università degli Studi di Roma Tor Vergata,

Via della Ricerca Scientifica 00173 RM alessandra.d.epifanio@uniroma2.it

BIOVALE

la ricerca incontra il mondo dell’industria e dell’enologia

40

La tecnologia dei sistemi bioelettrochimici (BES)

I BES sono sistemi che, utilizzando il lavoro dei batteri , trasformano l’energia chimica contenuta nei rifiuti organici in: ENERGIA ELETTRICA o Bio-IDROGENO,

CATODO H2

BIOANODO Rifiuti + H2O → CO2+ H+

MFC ENERGIA ELETTRICA

H++2 e- → 4 H2

O2 +2 e- + 2H+→ H2O

MEC BIO-IDROGENO

Batteri ESOELETTROGENI

CATODO

41

COMBUSTIBILI PER SISTEMI BES

Batteri ESOELETTROGENI SOPRAVVIVONO NUTRENDOSI DI BIOMASSA

La BIOMASSA è presente in: • ACQUE REFLUE URBANE • SCARTI INDUSTRIA AGRO-ALIMENTARE: CANTINE; OLEIFICI, BIRRIFICI…

sistemi bes contribuiscono all’abbattimento del carico organico dei rifiuti che successivamente possono essere sparsi nei terreni agricoli.

COD < 10 gL-1 6<pH<8

42

La tecnologia dei sistemi bioelettrochimici (BES)

PRODUZIONE DI ENERGIA elettrica

PRODUZIONE DI BIO-IDROGENO

ABBATTIMENTO DEL CARICO ORGANICO

DEI REFLUI

IL MERCATO DEL VINO in Italia: 80 mila imprese vitivinicole per un fatturato annuale che vale circa 9,6 miliardi di euro*

Industria enologica: nuovo business dai sottoprodotti

43

* The International Organisation of Vine and Wine: http://www.oiv.int/en/the-international-organisation-of-vine-and-wine

LA FILIERA VITIVINICOLA

EFFLUENTI DI LAVAGGIO

RASPI

VINACCE

FECCE

Gestione e valorizzazione dei sottoprodotti enologici

44

Modalità di gestione dei sottoprodotti enologici: obbligo della consegna totale o parziale in distilleria riutilizzo controllato per usi alternativi.

Composizione chimica dei sottoprodotti enologici

Produzione attesa vino e mosti – Italia 2017* (Mhl)

≈ 8x109 kg VINACCIA; ≈2 Mhl di FECCIA

*Fonte: ISMEA/UIV NORD, CENTRO, SUD

Abbiamo valutato la prestazione elettrochimica di questi due “combustibili” in termini di: • generazione di tensione elettrica • recupero di energia e potenza elettrica • abbattimento della carica organica nella feccia

Il reattore MFC è stato alimentato con FECCE ROSSE e BIANCHE opportunamente diluite con tampone fosfato

45

Bioreattore MFC: recupero di energia dalle fecce

FECCE

• Elevato carico organico • Basso pH • Polifenoli

46

Fecce di vino: ottimizzazione del pretrattamento

Bioreattore MFC: recupero di energia dalle fecce

Feccia Rossa Feccia Bianca pH 3.96 TCOD ≈ 120 g L-1 Phen. ≈ 2660 mg L1

pH 3.85 TCOD ≈ 218 g L-1 Phen. ≈ 540 mg L-1

D I L U I Z IONE

1:10 v/v

1:15 v/v

1:20v/v

INIBIZIONE BATTERICA

RECUPERO ENERGETICO SCARSO

MIGLIORE PRESTAZIONE

D I L U I Z IONE

1:35 v/v

1: 40v/v

1:45v/v

47

Fecce di vino: ottimizzazione del pretrattamento

La feccia, di consistenza melmosa, si ottiene successivamente alla fase di fermentazione

DILUIZIONI (PBS 0.100 M)

INIBIZIONE BATTERICA

RECUPERO ENERGETICO SCARSO

MIGLIORE PRESTAZIONE

T. P. Sciarria, G. Merlino, B.Scaglia, A. D’Epifanio, B. Mecheri, S. Borinc, S. Licoccia, F.Adani. Electricity generation using white and red wine lees in air cathode microbial fuel cells. Journal of Power Sources 274 (2015) 393-399 doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.050

Feccia Rossa Feccia Bianca

Feccia Bianca: • 260 h (durata media di un singolo ciclo) • Tensione massima 0.42 V @ 1 kΩ Feccia Rossa: • 120 h (durata media di un singolo ciclo) • Tensione massima 0.34 V @ 1 kΩ

48

Risultati: Tensione (V) in funzione del tempo

WWL

RWL

F.Rossa 3.1 Wm-3 (111 mWm-2; 500Ω)

F.Bianca 8.23 Wm-3

(262 mWm-2; 500Ω)

49

Risultati: generazione di energia e potenza elettrica

La differenza nella risposta elettrica tra FB e FR dipende dalla differente composizione. Le FR sono molto più ricche di polifenoli, I quali inibendo il lavoro e la crescita dei batteri elettrofili sfavoriscono il funzionamento del sistema bioelettrochimico.

95%

90%

PARAMETRI FECCE

BIANCHE FECCE ROSSE

TCOD /gL-1 6.4±0.1 10.1±0.3

BOD5 /gL-1 6.0±0.2 3.3±0.2

BOD5/TCOD 0.93 0.33

Polyphenols 15±6 180±12

ACIDI GRASSI VOLTATILI /

mgL-1

FECCE BIANCHE in/out

FECCE ROSSE in/out

Acetate IN: 11.1±0.7 OUT: 78.2±3.4

IN: 33.1±1.8 OUT: 123.6±5.7

Propionate u.d.l. u.d.l. u.d.l. 5.64±0.1

Butyrate u.d.l. u.d.l. u.d.l. 39.63±2.1

pH 6.92±0.04 6.74±0.08

7.00±0.06 / 6.22±0.23

50

Risultati: abbattimento della carica organica

T. P. Sciarria, G. Merlino, B.Scaglia, A. D’Epifanio, B. Mecheri, S. Borinc, S. Licoccia, F.Adani. Electricity generation using white and red wine lees in air cathode microbial fuel cells. Journal of Power Sources 274 (2015) 393-399 doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.050

51

Bioreattore MEC: recupero di IDROGENO dalle FECCE

Abbiamo valutato la prestazione elettrochimica di questi due “combustibili” in termini di: • PRODUZIONE DI IDROGENO

•ABBATTIMENTO DELLA CARICA ORGANICA NELLA FECCIA

Il reattore MEC è stato alimentato con FECCE ROSSE e FECCE BIANCHE opportunamente diluite con tampone fosfato

L’idrogeno costituisce un buon mezzo per l’accumulo di energia elettrica e ha la caratteristica di essere anche un vettore, cioè trasportabile

FECCE

CATODO ANODO

H2

e-

Tensione fornita

0.5 V (10Ω)

FECCIA BIANCA 1:40

FECCIA ROSSA 1:20

H2

52

RISULTATI: produzione di H2 da feccia con MEC

Feccia ROSSA

Feccia BIANCA

MEC

BIANCA ROSSA In out in out

pH 6.95±0.06 6.37±0.23 6.99±0.4 6.34±0.5

Cond (mS) 12.6±0.07 11.87±0.85 11.85±0.5 11.61±0.3

TCOD (g O2 L-1) 6.48±0.35 3.8±0.4 7.5±0.15 5.3±0.4

BOD5 (g O2 L-1) 4.45±0.1 2.1±0.1 5.3±0.1 3.3±0.01

TCOD (g O2 L-1) 5±0.2 2.7±0.2 6.2±0.3 4.2±0.1 CE (%) 35±0.5% 7±0.5%

YH2 0.21±0.03 0.34±0.08

BOD5 e TCOD abbattuto: 28-38%

BOD5 e TCOD abbattuto: 40-50%

Fecce rosse

Fecce bianche 53

RISULTATI: abbattimento della carica organica

Valorizzazione Si è dimostrato che le FECCE sono un buon substrato per i sistemi bioelettrochimici sia per la produzione di energia elettrica 9Wm-3 che di bio-idrogeno. Ottimizzando il sistema si può ottenere Bio gas ricco in H2 Le fecce da uva bianca danno i risultati migliori perché sono meno ricche di polifenoli e acidi grassi volatili.

54

RISULTATI: APPLICAZIONE DEI SISTEMI BES SCARTI FILIERA VITIVINICOLA

Trattamento Elevato abbattimento del contenuto organico delle fecce: 90% con il sistema MFC e circa il 50% con il sistema MEC

La tecnologia MFC/MEC estesa alle acque di vegetazione (AV) delle olive

55

In Italia vengono prodotti ogni anno circa 3,3 mln di m3 di AV. 1m3 di AV ha sull’ambiente un effetto simile a quello di 200 m3 di acque reflue urbane. Costo totale annuo per lo spandimento sul suolo delle AV: 182 mln€. Spesa media annua di ogni frantoio per lo smaltimento: 3700 €.

56

PARAMETERS AV AV + ARU pH 4.9 ± 0.1 6.4 ± 0.06 Conductivity (µS cm-1) 9165 ± 27 1790 ± 0.1 TCOD (kg m-3) 28 ± 12 4 ± 0.4 BOD5 (g L-1) 15.3 ± 1.6 2.3 ± 0.4 Total Nitrogen (mg L-1) 384 ± 14 152.8 ± 8 Ammonia Nitrogen (mg L-1) 14.0 ±0.2 47.0 ± 17.1 Phenols (mg L-1) 1529 ± 21 106 ± 5 Total volatile fatty acids (mg L-1) 5300 ± 103 560 ± 31 Total alkalinity (mg L-1) 4800 ± 79 833 ± 36

Diluizione di AV con acque reflue

urbane 1/14 v/v

ACQUE DI VEGETAZIONE (AV) : ottimizzazione del pretrattamento

Il carico organico delle AV è molto elevato è necessario fare un pretrattamento diluendo con acque reflue urbane (ARU):

2014

RISULTATI: PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA

ARU

Sciarria, T.P., Tenca, A., D'Epifanio, A., Mecheri, B., Merlino, G., Barbato, M., Borin, S., Licoccia, S., Garavaglia, V., Adani, F. Using olive mill wastewater to improve performance in producing electricity from domestic wastewater by using single-chamber microbial fuel cell. Bioresource Technology, 147 (2013), 246-247 Doi: org/10.1016/j.biortech.2013.08.033

ARU +

AVO

Misura del POTENZIALE ai capi della cella

L’arricchimento delle AV con ARU permette la

generazione di un potenziale elettrico elevato

(0.4 V @ 1 kΩ)

2014 ARU

ARU+AV

Misura della POTENZA ai capi della cella L’integrazione dei due

reflui consente un buon recupero di energia

elettrica:

ARU: 0.6 Wm-3

ARU+AV : 6 Wm-3

RISULTATI: GENERAZIONE DI ENERGIA E POTENZA ELETTRICA

mV (Ω) OCV mV

Cur. den. mA m-2 (Ω)

Pow. den. mW m-2(Ω)

TCOD removal

ARU 130 (1k) 0.05 112 (2k) 17.6 (2k) 45%

ARU+AV 380 (1k) 0.2 596.6 (500) 124.6 (500) 60%

2014

La tecnologia delle celle a combustibile microbiche consente la valorizzazione e il trattamento delle acque di vegetazione delle olive, previa integrazione con acque reflue urbane Valorizzazione: recupero energetico di 6 Wm-3 di refluo

Il trattamento MFC/MEC abbatte la carica organica delle AV di oltre il 50%. A fine trattamento, le AV sono spandibili sui terreni agricoli, evitando le limitazioni della Legge n.574/96 e i gravi rischi d’inquinamento delle falde acquifere. Celle a combustibile microbiche come opportunità di supporto al reddito per la filiera dell’olio di oliva

RISULTATI: APPLICAZIONE DEI SISTEMI BES ACQUE DI VEGETAZIONE OLIVE

60

BIOREATTORI PER PRODUZIONE DI ENERGIA MFC

CATODO

ANODO

RIFIUTI LIQUIDI

61

bioreattori in scala di laboratorio per la produzione di Idrogeno

62

SISTEMA SVILUPPATO DAI RICERCATORI DELLA University of the West of England (UWE), Bristol.

BioEnergy Centre

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

63

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

Le MFC possono essere assemblate secondo diverse geometrie e grandezze.

Celle tubulari

Per aumentare la quantità di refluo trattato e quindi l’energia o l’idrogeno prodotto si possono mettere insieme più celle singole andando a costituire degli stack

Stack di celle singole

64

0.025 L → 85L

DAL LABORATORIO ALL’IMPIANTO PILOTA

65

Celle microbiche tubulari che utilizzano acque di scarto da birrificio Foster in Yatala, Australia (www. microbialfuelcell.org)

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

66

Sistema MFC costituito da 10 reattori singoli in grado di trattare 20L, di acque di scarto di un birrificio, in continuo. Efficienza della rimozione COD 94.6 %

STUDIO ESEGUITO A SAN DIEGO, CA, 92111, USA

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

67

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA SISTEMA SVILUPPATO DAI RICERCATORI DELLA

University of the West of England (UWE), Bristol. BioEnergy Centre

36 celle singole costituiscono 1modulo (19.2 L) alimentate in continuo producono 36-70 mW

Glastonbury Music Festival: è stata generata energia necessaria all’illuminazione del festival

68 https://phys.org/news/2016-07-urinal-electricity-urine.html#jCp

APPLICAZIONI IN TOILETTE PUBBLICHE

University of the West of England (UWE), Bristol. BioEnergy Centre

singola MFCs = 1–2 mW; 36-MFC-moduli, corrispondono a 432 MFC 400 - 800 mW . COD rimosso >95%

69

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

Impianto pilota MFC costituito da 6 moduli in grado di trattare in continuo 72 L acque di scarto urbane.

Densità di potenza 50.9 ± 1.7 W/m3; rimozione COD 97%

Tsinghua University, Beijing, PR China

70

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

Impianto pilota MFC costituito da 5 moduli in grado di trattare in continuo 90 L acque di scarto di un birrificio.

Harbin Institute of Technology; Nangang District; China

produzione di Energia 97 Wh/m3. Rimozione COD 87%

Impianto pilota MEC (generatore di Biogas (H2)) costituito da 24 moduli in grado di trattare in continuo 1000 L acque di scarto e fecce. Aziende della NAPA Valley CA, US.

71

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA

72

DAL LABORATORIO ALL’ IMPIANTO PILOTA Impianto pilota MEC (generatore di Biogas (H2)) costituito da 24 moduli in grado di trattare in continuo 1000 L acque di scarto e fecce di aziende vinicole.

Napa Wine Company in California, NAPA Valley CA, US.

73

IMPATTO ECONOMICO- stima costi-benefici

BENEFICI: Le fecce, l’acque di lavaggio delle

cantine e acque di vegetazione rigenerate possono essere sparse superando il limite di legge.

No costi smaltimento fecce, AVO…

Il costo dell’investimento ritorna nei primi 2-3 anni, negli anni successivi vi è un guadagno

Costi investimento acquisto MFC 1m3*:

Anno 1: macchinario 600€/m3 + altri costi di strumentazione da aggiungere (e.g., pompe in/out & installazione) + spesa energetica = 850€

Costi gestione MFC 1m3 Anno 2: spesa energetica ridotta dal riutilizzo dello scarto (fecce o AV)

Tecnologia MFC/MEC: riduzione del 15-20% della spesa per irrigazione, i.e. circa 20 mln di € per tutto il settore, considerando

le piccole-medie cantine.

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Bioreattori elettrochimici MFC/MEC rappresentano una tecnologia innovativa per la VALORIZZAZIONE e lo SMALTIMENTO dei sottoprodotti dell’industria agroalimentare, non ancora consolidata che necessita di essere sviluppata e collaudata in sistemi “reali”. VALORIZZAZIONE: recupero di energia e elettrica e idrogeno dalle fecce di vino e acque di vegetazione delle olive AVO SMALTIMENTO: abbattimento della carica organica della feccia di vino Adottare la MFC/MEC può generare benefici economici e vantaggi di immagine per le imprese vitivinicole e olearie.

CONCLUSIONI

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Il Progetto AGER BIOVALE, grant n° 2017-2206, è finanziato da AGER - AGricoltura E Ricerca.

Nell’ambito del Progetto Ager VITIVINICOLO 2011 (Valorizzazione di sottoprodotti e scarti dell’industria enologica per applicazione di tecnologie innovative per l’estrazione di prodotti naturali ad alto valore

aggiunto) il gruppo MaDE@UTV ha collaborato con il GRUPPO RICICLA dell’Universita degli Studi di Milano (http://users.unimi.it/ricicla/)

Nell’ambito del Progetto Ager BIOVALE il gruppo MaDE@UTV collabora con l’Università di Udine, l’Università di Bologna e con l’associazione Donne della Vite.