Effetto delle materie prime, dell'umidità e della tipologia dei leganti sul processo di granulazione di fertilizzanti e ammendanti.

The industrial PhD was carried out in collaboration with LB Officine Meccaniche S.p.A., an Italian company specialized in milling and granulation technologies. The project aimed to investigate the influence of raw materials, additives, and binders on the granulation behaviour of fertilizers, with the goal of expanding the company’s know-how in fertilizer production and developing a new industrial field. The first phase of the study evaluated the effects of inorganic raw material composition (MAP/DAP), additives, and process parameters on the yield, morphology, and compactness of microgranules. High-purity raw materials containing 15–20% of fines powders enhanced granulation efficiency. The addition of MnCl₂ increased granule compactness while reducing moisture demand in granulation, energy consumption and CO₂ emissions. Humic acid acted as a natural binder, improving granulation yield, whereas lignum reduced cohesion and growth. Industrial-scale tests using MAP + humic acid + ZnSO₄ achieved high yields (~90%), confirming process scalability and optimization. The second phase investigated the influence of natural raw materials, coatings and different binders on macrogranule formation. Three binders with distinct water solubilities—calcium lignosulfonate, modified starch, and carboxymethyl cellulose—were tested to assess their impact on nucleation, growth, and granule strength. High-purity powders with particle sizes below 400 µm promoted more uniform granulation. Calcium lignosulfonate proved particularly effective, reducing both binder demand and drying energy. Finer powders required higher binder content, while coarser powders generated stronger but less soluble granules. An inverse relationship between porosity and mechanical strength was confirmed. Milling of coated materials increased granulation yield and highlighting the efficiency of calcium lignosulfonate as a binder. The final phase focused on the development of slow-release fertilizers (SRFs) derived from waste-based raw materials, aimed at improving nutrient efficiency and process sustainability. Experimental N–P–K mixtures were produced from pumice scraps, animal blood (liquid and dried), and bone meal, through laboratory and semi-industrial granulation trials. Nutrient release was evaluated in 2% citric and acetic acid solutions to simulate rhizospheric and acid rain conditions. The optimized formulation exhibited controlled macronutrient release—8% after 24 h and 73% after 90 days—ensuring a gradual nutrient supply. Agronomic trials on lettuce confirmed an increase in biomass compared to both unfertilized and conventionally fertilized controls. The use of animal by-products and mineral residues enabled the production of low-cost, scalable SRFs with good mechanical properties and reduced environmental impact. Based on the experimental evidence, a new granulator was designed and built, specifically suited for the production of microgranular fertilizers. The analysis of process parameters—including impeller and drum speed, atomization pressure, nozzle geometry, and drum filling level—was correlated with granule hardness, morphology, particle size distribution, and operational performance. These studies supported the design and patenting of self-cleaning nozzle bar and drum systems and an optimized binder atomization circuit, representing a significant technological advancement toward sustainable fertilizer production.

Il dottorato industriale è stato realizzato in collaborazione con LB Officine Meccaniche S.p.A., azienda italiana specializzata nei processi di macinazione e granulazione. Il progetto aveva l’obiettivo di indagare l’influenza sulla granulazione dei fertilizzanti delle materie prime, degli additivi/leganti, per ampliare il know-how di LB sulla loro produzione e sviluppare un nuovo settore merceologico. La prima fase dello studio ha valutato gli effetti della composizione delle materie prime inorganiche (MAP/DAP), degli additivi e dei parametri di processo sulla resa, la morfologia e la porosità dei microgranuli. Materie prime ad alta purezza e con presenza di fini pari al 15–20% aumentano l’efficienza di granulazione. L’ aggiunta di MnCl₂ incrementa la compattezza dei granuli riducendo l’umidità di granulazione, il consumo energetico e le emissioni di CO₂. L’acido umico agisce come legante aumentando le rese di produzione, mentre la lignina riduce la coesione e la crescita dei granuli. Prove industriali con MAP + acido umico + ZnSO₄ hanno raggiunto elevate rese (~90%), confermando la scalabilità e l’ottimizzazione del processo. La seconda fase ha indagato l’influenza delle materie prime naturali, dei coating e dei leganti (binders) sulla produzione di macrogranuli. Sono stati testati tre leganti con diversa solubilità in acqua - lignosolfonato di Ca, amido modificato e CMC - analizzandone il loro impatto su nucleazione, crescita e resistenza dei macrogranuli. Materie prime ad alta purezza e granulometria inferiore a 400 µm favoriscono una granulazione uniforme. Il lignosolfonato di Ca aiuta la produzione, riducendo l’uso di legante e l’energia di essiccazione. Polveri fini richiedono maggiori quantità di legante, mentre quelle grossolane producono granuli più resistenti ma meno solubili. Si è confermata la relazione inversa tra porosità e durezza dei macrogranuli. La macinazione di materiali con coating ne incrementa le rese di produzione evidenziando l’efficienza del lignosolfonato come legante. La fase finale si è concentrata sullo sviluppo di fertilizzanti a rilascio controllato ottenuti da materie prime di scarto, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza nutrizionale e la sostenibilità. Miscele sperimentali N–P–K sono state prodotte a partire da scarti di pomice, sangue (liquido/essiccato) e farina d’ossa mediante prove di granulazione su scala di laboratorio e semi-industriale. Il rilascio dei nutrienti è stato testato in acido citrico e acetico al 2% per simulare le condizioni della rizosfera e della pioggia acida. La formulazione ottimizzata ha mostrato un rilascio controllato dei macronutrienti—8% dopo 24 ore e 73% dopo 90 giorni—garantendo un apporto graduale di nutrienti. Le prove agronomiche su lattuga hanno confermato un incremento della biomassa rispetto ai controlli non fertilizzati e ai fertilizzanti convenzionali. L’impiego di sottoprodotti zootecnici e residui minerali ha permesso la realizzazione di SRF a basso costo, scalabili e con buone proprietà meccaniche e ridotto impatto ambientale. Basandosi sulle evidenze sperimentali si è realizzato un nuovo granulatore per la produzione di fertilizzanti microgranulari. L’analisi dei parametri di processo—velocità di barra e botte, pressione di atomizzazione, geometria dell’ugello e grado di riempimento botte—sono stati correlati a durezza, morfologia, distribuzione dimensionale dei microgranuli e problematiche produttive supportando la progettazione e la tutela brevettuale dei sistemi autopulenti porta ugelli e pulizia botte nonché del circuito idraulico dei leganti.