Il Dr. Eunsung Kan vede il suo concetto di un caseificio a circuito chiuso, che riutilizza le acque reflue, non emette rifiuti e si alimenta con letame, come il futuro dell'allevamento sostenibile.

Kan, un ingegnere chimico e ambientale della Texas A&M AgriLife Research a Stephenville, ha detto che il suo concetto potrebbe cambiare il modo in cui i caseifici, gli allevamenti di suini e pollame si occupano di letame, acque reflue e gas serra utilizzando i rifiuti per generare elettricità.

I rifiuti animali sono una benedizione e una maledizione per i caseifici.

Il letame viene venduto agli agricoltori locali che hanno bisogno di infondere nutrienti nel terreno per le colture e il foraggio. Però, tonnellate di letame possono anche essere gravose dal punto di vista logistico poiché le strutture tengono il passo con il trattamento e la distribuzione di grandi quantità di materiali problematici per l'ambiente monitorati dai regolatori ambientali statali e federali.

Le operazioni agricole sono state implicate in livelli superiori al normale di azoto e fosforo, antibiotici, metalli pesanti e ormoni nelle acque superficiali e sotterranee a valle degli impianti. Il letame è anche un noto contributore alle emissioni di gas serra, come metano e anidride carbonica.

Il servizio di conservazione delle risorse naturali del Dipartimento dell'agricoltura degli Stati Uniti stima che il letame di un caseificio che munge 200 mucche possa produrre tanto azoto quanto lo è nelle acque reflue di una comunità di 5, 000-10, 000 persone.

La ricerca di Kan utilizzerebbe la tecnologia esistente:biochar, un materiale di carbonio simile al carbone di legna, creato da letame animale e scarti agricoli, come stoppie di mais o paglia di riso, che verrebbero utilizzate per filtrare rifiuti solidi ed effluenti. Il biochar può essere utilizzato come fertilizzante a lenta cessione o convertito, tramite pirolisi, che è la decomposizione del materiale organico mediante calore, in energia per alimentare la fattoria.

Il concetto lattiero-caseario a ciclo chiuso si concentra su tre obiettivi principali:trattamento delle acque reflue utilizzando biochar derivato dal letame, produrre bioenergia utilizzando letame lattiero-caseario e catturare i gas serra tramite adsorbimento su biochar derivato da letame lattiero-caseario, ha detto Kan.

Biochar ha dimostrato di fornire una chimica superficiale benefica in grado di filtrare un'ampia gamma di contaminanti, compresi azoto e fosforo, Egli ha detto. Quando la superficie del biochar viene modificata con diversi metodi in laboratorio, ha dimostrato la capacità di catturare gli antibiotici, pesticidi, ormoni, metalli pesanti e altri possibili contaminanti.

"La missione è il trattamento e il riutilizzo delle acque reflue casearie e la conversione dei rifiuti caseari in energia per alimentare l'impianto, " ha detto. "Si concentra sulla fornitura di un modello per l'agricoltura sostenibile".

L'anno scorso, Kan ha ricevuto una sovvenzione di 1 milione di dollari dal Fondo per l'iniziativa di ricerca del Cancelliere della Texas A&M University per ricercare la fattibilità del sistema lattiero-caseario a ciclo chiuso. Prima di entrare in AgriLife Research, ha anche ricevuto circa $ 400, 000 in borse di ricerca dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente, U.S. Department of Agriculture e U.S. Gelogic Survey per ricercare il potenziale del concetto per il trattamento dei rifiuti animali, controllare le emissioni di gas serra e convertire il letame in energia.

Sistema concettuale

Il caseificio a ciclo chiuso è un concetto relativamente semplice, ha detto Kan.

Le mucche producono letame, che, mescolato con resti di colture locali, può diventare una scorta apparentemente infinita di materiale filtrante, fertilizzante ed energia.

Le colonne riempite di biochar fungerebbero da sistema di purificazione dell'acqua che filtra l'azoto, fosforo e altri contaminanti dal liquido mentre passa attraverso, ha detto Kan.

"L'affluente della colonna sarebbe quindi molto povero di azoto e fosforo, " ha detto. "Se filtriamo a bassi livelli di azoto e fosforo non causerebbe alcun problema ambientale".

Il biochar utilizzato per filtrare l'azoto e il fosforo potrebbe quindi essere utilizzato come fertilizzante a lenta cessione che fornisce i nutrienti necessari alle piante e non viene dilavato dal deflusso delle forti piogge. Inoltre, il biochar immobilizzato con fotocatalizzatori decomporrebbe i contaminanti tossici in prodotti innocui se irradiati dall'esposizione alla luce ultravioletta.

Ad esempio, Lo studio di Kan ha dimostrato che un biochar immobilizzato con fotocatalizzatori degrada completamente i composti antibiotici e ormonali mentre controlla efficacemente i patogeni. Il potenziale dell'uso del biochar per filtrare le acque reflue va oltre l'agricoltura e potrebbe essere applicato a qualsiasi impianto di trattamento delle acque reflue, o anche per filtrare i contaminanti nell'acqua di iniezione utilizzata nell'industria petrolifera per il fracking.

Per l'energia, il letame da latte verrebbe alimentato in un reattore di pirolisi in loco che utilizzerebbe un calore relativamente basso, 500-1, 000 gradi Fahrenheit, per creare syngas compresso di idrogeno e monossido di carbonio che può essere utilizzato per creare energia elettrica, ha detto Kan. L'elettricità in eccesso potrebbe essere venduta alle società di servizi locali. Il sottoprodotto della pirolisi del letame è il biochar.

"Il principio è molto semplice, " Kan ha detto. "Il caseificio avrebbe solo bisogno di un reattore di dimensioni diverse per soddisfare la sua scala di produzione di letame e le esigenze energetiche".

Dott. Sergio Capareda, un ingegnere agrario di AgriLife Research a College Station, ha dimostrato la conversione pirolitica del letame caseario in syngas e biochar dal suo progetto finanziato dall'USDA, ha detto Kan. Kan prevede di portare avanti questo concetto convertendo biologicamente il syngas in butanolo e carburante per bio-jet come combustibili alternativi per il trasporto, e lo sviluppo di processi basati sul biochar per il trattamento delle acque reflue e il controllo dei gas serra.

Diversi altri ricercatori e ingegneri all'interno del sistema Texas A&M stanno collaborando con Kan, e l'interesse per il concetto sta crescendo tra le istituzioni pubbliche e le aziende private.

Dal concetto alla realtà

Kan produrrà una versione in scala di laboratorio del caseificio a ciclo chiuso per determinare la scala necessaria per l'applicazione e la sperimentazione presso il vicino Southwest Regional Dairy Center a Stephenville, un caseificio di proprietà privata gestito dalla Tarleton State University utilizzato per scopi educativi. Spera di avere un sistema, compreso il reattore di pirolisi, operanti nel caseificio entro tre o quattro anni.

"Avere il caseificio qui offre una buona opportunità per i dati sul campo, " ha detto. "Le dimostrazioni sul campo ci aiuteranno a risolvere eventuali problemi che potrebbero sorgere alle varie scale che potrebbero essere applicate dagli allevamenti commerciali".

Il caseificio produce latte che viene trasformato per il consumo e in prodotti come formaggio e yogurt e venduto nei negozi di alimentari locali.

Clay Dameron, il responsabile dei rifiuti del caseificio, ha detto che tra 300-400 mucche vengono munte giornalmente. Quelle mucche producono letame ed effluente che viene trattato tramite un sistema lagunare convenzionale. Ogni tre settimane circa 90-130 tonnellate di solidi vengono spostati nei terreni coltivati ​​e nei pascoli vicini dove vengono utilizzati come fertilizzante. I liquidi trattati dalla laguna vengono dispersi tramite irrigatori nei campi vicini.

Kan ha affermato di ritenere che il sistema a ciclo chiuso si rivelerà un modello logisticamente e finanziariamente fattibile per i produttori di latte da implementare in futuro. Si aspetta che il suo progetto pilota presso il caseificio regionale produca dati che attireranno più interesse e investimenti da parte di istituzioni pubbliche e aziende private.

"È molto eccitante, ", ha detto. "Non vedo l'ora di lavorare con i miei collaboratori e colleghi per rendere questo concetto una realtà che potrebbe cambiare il modo in cui operano i caseifici fornendo un'offerta autosufficiente, modello ecologico".