BMP della vinaccia di canna da zucchero: rapporto F/M, variabilità dei risultati e conclusioni dalla revisione del 2023

La vinaccia di canna da zucchero – residuo liquido derivante dalla distillazione dell'etanolo – rappresenta uno dei substrati per biogas più abbondanti in Brasile, e i risultati dei test BMP (biochemical methane potential) dipendono fortemente dalle condizioni di misurazione, in particolare dal rapporto substrato/inoculo (F/M). Uno studio pubblicato sul Brazilian Journal of Chemical Engineering nel 2022 ha raggiunto, dopo l'ottimizzazione del rapporto F/M, un'efficienza di conversione in metano pari al 95 ± 2,55% del BMP teorico (con F/M compreso tra 1,34 e 1,42 g SCOD per g VSS), ma gli autori sconsigliano di stabilire un unico rapporto F/M standardizzato per la vinaccia.

Cosa è stato fatto nello studio

Lo studio riguarda la vinaccia di origine mista. Gli autori hanno ottimizzato il rapporto F/M, ovvero la relazione tra la quantità di substrato (espressa in termini di sostanza organica) e la quantità di biomassa microbica nell'inoculo. Un rapporto F/M troppo elevato rischia di sovraccaricare e inibire il processo (acidificazione, accumulo di acidi grassi volatili), mentre un rapporto troppo basso può sottostimare il risultato a causa dell'eccesso di inoculo e delle difficoltà di misurazione.

Perché non standardizzare il rapporto F/M

La conclusione degli autori è significativa: la composizione della vinaccia varia in funzione della materia prima, del processo di distillazione e della stagione, pertanto un unico rapporto F/M non risulta adatto per tutti i campioni. Nella pratica di laboratorio, ciò implica la necessità di effettuare test preliminari per adattare il rapporto F/M al campione specifico e di descriverlo nel rapporto, al fine di consentire il confronto dei risultati tra diversi laboratori.

Intervallo di valori dalla revisione

Una revisione pubblicata su Fermentation nell'aprile 2023 riporta che il potenziale metanigeno della vinaccia è compreso tra 215 e 324 L CH₄ per chilogrammo di materia organica e osserva che l'implementazione della tecnologia in Brasile è limitata. L'intervallo 215–324 evidenzia quanto siano rilevanti le condizioni sperimentali e la composizione del campione.

Insidia delle unità di misura

I risultati BMP della vinaccia in letteratura sono espressi in modi diversi: in litri di CH₄ per grammo di SV, per grammo di COD rimosso, per tonnellata di massa fresca. Ad esempio, uno studio cinetico sui residui della canna da zucchero (vinaccia, torta di filtro, bagassa, paglia), pubblicato su Int. J. Mol. Sci., riporta rese di metano comprese tra 5 e 181 Nm³ per tonnellata di massa fresca, con proprietà dei materiali molto diverse. Il confronto tra i dati senza una conversione in un'unità comune porta a conclusioni errate.

Come interpretare la variabilità

La variabilità è influenzata da: composizione della vinaccia (contenuto di materia organica e COD), pH, presenza di solfati e potassio, temperatura del test, attività e adattamento dell'inoculo, durata del test e metodo di misurazione del gas. Per nuovi progetti, è quindi necessario basarsi su misurazioni effettuate su campioni propri, mentre i valori riportati in letteratura devono essere considerati come intervalli orientativi.

La vinaccia come substrato

Secondo la revisione pubblicata su Fermentation, la vinaccia viene prodotta nella produzione di etanolo in quantità dell'ordine di 360 miliardi di litri, ha un COD medio di circa 46.000 mg/L e contiene ancora circa l'11% dell'energia originaria del succo di canna da zucchero, sebbene in forma diluita. Solitamente viene utilizzata come fertilizzante (fertirrigazione) o scartata, mentre la digestione anaerobica è una tecnologia che, secondo gli autori, è stata adottata in passato solo da circa il 3% degli impianti brasiliani di bioetanolo, la maggior parte dei quali ha poi cessato di utilizzarla. I risultati di Int. J. Mol. Sci. indicano che, a causa del basso contenuto di sostanza secca, per la vinaccia sono consigliati sistemi con immobilizzazione della biomassa, mentre la torta di filtro può integrare la produzione di biogas dalla vinaccia al di fuori della stagione saccarifera.

Buone pratiche di reporting

• indicare il rapporto F/M (espresso in termini di SV) e il metodo utilizzato per determinarlo;
• descrivere l'origine e l'adattamento dell'inoculo, nonché la sua attività (test di controllo con cellulosa o altro substrato di riferimento);
• riportare la temperatura, la durata del test, il numero di repliche e i controlli in bianco;
• specificare il metodo di normalizzazione del volume del gas (Nm³ o NmL in condizioni normali);
• indicare chiaramente l'unità di misura del risultato (per g di SV, per g di COD, per tonnellata di massa fresca).

Dal BMP al progetto

Il BMP rappresenta il potenziale massimo in condizioni di laboratorio, mentre la produzione reale in reattore dipende dal tempo di ritenzione idraulica (HRT), dal carico, dalla temperatura e dalle inibizioni. Pertanto, il valore BMP è utile per confronti e bilanci preliminari, ma per la progettazione di un impianto sono necessari ulteriori test continui o pilota. Per la vinaccia, la cui composizione varia durante la stagione, è opportuno pianificare misurazioni in diversi periodi della campagna.

Cosa significa per la Polonia e l'Europa

La lezione metodologica è universale: anche per un singolo substrato come la vinaccia, i risultati BMP dipendono dal rapporto F/M, dall'inoculo e dalle unità di misura. Per i laboratori polacchi, questo rappresenta un argomento a favore dell'adozione di protocolli raccomandati (ad es. VDI 4630) e della segnalazione completa delle condizioni di prova, al fine di facilitare il confronto dei dati tra diversi Paesi.