La liofilizzazione come metodo per la determinazione della sostanza secca e della sostanza organica in matrici sottoposte alla digestione anaerobica

The purpose of this study is to determine the content of volatile solids (meaning organic matter) in some biomass materials or digested intended for anaerobic digestion, after having them dried by two different methods: oven drying at a temperature of 105°C for 24 hours (traditional method) and freeze drying. In the last few years, the traditional has been called into question; as a matter of facts, it seems not be the best to determine the dry matter value since, due to high temperature, both water and part of the volatile solids (such as volatile acids or alcohols) evaporate. On the other side, freeze drying process might be more suitable as water sublimes only after matter has been frozen, so that the content of volatile solids remain intact. This method is widely use in food and pharmaceutical industry, but except for some specific studies regarding oven drying efficiency, there is no further official application to determine dry matter content. In this study five different materials are analyzed: fresh organic waste, organic waste left to ferment for five days, brewer’s yeast, corn silage and digestate. These materials were dried both by oven drying and freeze drying in order to observe and compare the effects in terms of dry matter and volatile solids content. The analysis of the different matters showed that after freeze drying, the content of dry matter was between 3,5% - 16,38% higher than after oven drying, mainly depending on the type of materials used and the original percentage of volatile content. Higher dry matter value was obtained from biomass material having higher volatile content. Said data support and confirm the purpose of the study, aiming to show how freeze drying does not cause evaporation and losses of dry matter that are normally a consequence of oven drying. In addition to this we can state that freeze dried matter contains higher values of organic content compared to oven dried ones. Such a result is confirmed by COD analyses and also by burning to ashes the freeze dried matter at 550°C for 2 hours. As a further advantage, the BMP analysis of freeze-dried matter shows a higher production of methane than oven dried one. Furthermore freeze dried matter keeps its chemical and physical characteristics unchanged, for this reason it can be reverted to the original shape by simply adding water. Freeze drying method has also some disadvantages such as: process duration, high costs for devices and energy, complexity of the process and lack of official guide lines. In consideration of above, freeze drying process is to be used when materials contains very high values of organic matter (especially volatile matter), but always considering advantages and disadvantages of the same.

Lo scopo di questo elaborato consiste nel valutare le differenze nella misura del quantitativo di sostanza volatile (intesa qui come sostanza organica) ottenibili su matrici da inviare a digestione anaerobica o su digestati, conseguente all’utilizzo di due diverse modalità di essiccamento; in stufa a 105°C per 24 ore (metodo tradizionale) e mediante liofilizzazione. Rispetto al metodo standardizzato dell’essiccamento in stufa sono nati negli anni interrogativi a causa della perdita, insieme all’acqua, di sostanza organica caratterizzata da elevata volatilità, a causa della temperatura a cui è sottoposta la matrice. Tra queste sostanze ad esempio gli acidi volatili o gli alcoli. Con il metodo della liofilizzazione, invece, si ha la sublimazione del contenuto d’acqua e quindi teoricamente non si ha perdita di sostanza volatile. Questo metodo trova ampio impiego in altri settori (farmaceutico e alimentare su tutti), mentre nella caratterizzazione è stato applicato solo in alcuni studi finalizzati a valutare l’efficienza dell’essicamento tradizionale; non esiste quindi una metodologia standardizzata. In questo studio vengono considerate 5 matrici: FORSU fresca, FORSU invecchiata 5 giorni, Lievito di Birra, Silomais e Digestato. Queste matrici vengono sottoposte sia alla liofilizzazione che all’essiccamento tradizionale al fine di valutare le differenze di sostanza secca e volatile riscontrate. Dallo studio condotto è emerso che con la liofilizzazione il contenuto di sostanza secca è del 3,5%-16,38% maggiore rispetto all’essiccamento tradizionale. Questa percentuale dipende dal tipo di matrice e dalla quantità iniziale di sostanza volatile in essa contenuta. Si ha una percentuale maggiore per matrici con maggiore sostanza organica. Questi risultati dimostrano quindi che con la liofilizzazione si mantiene una parte di sostanza volatile che si perde invece con l’essiccamento tradizionale. Le matrici liofilizzate presentano anche valori maggiori di sostanza organica; questo risultato si ottiene misurando la sostanza volatile sia con l’incenerimento in muffola a 550°C che con l’analisi del COD. Inoltre, sottoponendo la matrice liofilizzata alla digestione anaerobica attraverso la misura del BMP, si hanno produzioni maggiori di metano rispetto a quelle della matrice essiccata con il metodo tradizionale. In aggiunta a ciò, il materiale liofilizzato presenta le stesse caratteristiche della matrice originale, senza provocare modificazioni irreversibili alla struttura, ed è per questo ripristinabile alla forma originaria. Sono stati riscontrati anche svantaggi di questo metodo, che sono principalmente la durata del processo (48 ore a fronte della 24 dell’essiccamento tradizionale), il costo sia dell’apparecchiatura, la complessità del processo e l’assenza di una metodologia standardizzata. Ne consegue che l’applicazione di questo metodo è utile e necessaria quando si ha a che fare con matrici che presentano elevata quantità di sostanza organica e ancor più se molto volatile, valutando, però, i pro e i contro che questo metodo comporta.