UN SOMMARIO DELLE TECNICHE DI PASTORIZZAZIONE DELL'ACQUA 

Dale Andreatta, Ph. D., P. E. 
S.E.A. Inc. 
7349 Worthington-Galena Rd. 
Columbus, OH 43085 USA 

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La maggior parte di questo documento è stata tratta da RECENT ADVANCES IN DEVICES FOR THE HEAT PASTEURIZATION OF DRINKING WATER IN THE DEVELOPING WORLD ("Sviluppi recenti nei dispositivi per la pastorizzazione col calore dell'acqua da nei paesi in via di sviluppo") di Dale Andreatta, Derek T. Yegian, Lloyd Connelly, e Robert H. Metcalf, da i lavori della 29° Conferenza Intersocietaria di Ingegneria di conversione dell'energia, Istituto americano di aeronautica ed astronautica. (29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1994).
 

Introduzione

Nei paesi in via di sviluppo tuttavia, il peso delle malattie causate dall'acqua contaminata e dalla mancanza di condizioni igieniche continua ad essere sbalorditivo, soprattutto per quanto riguarda i bambini. La diarrea è causata da microbi che entrano attraverso la bocca, spessissimo per tramite di acqua contaminata. Secondo l'UNICEF, la diarrea è la più comune malattia infantile nei paesi in via di sviluppo. La disidratazione che ne consegue è la maggior causa di morte nei bambini sotto i 5 anni, si stima che annualmente i bambini morti per questo motivo siano 5 milioni. La diarrea è anche la causa più comune di malnutrizione infantile, che può condurre alla morte o comunque a menomazioni fisiche o mentali permanenti.¹

L'UNICEF stima che il 60% delle famiglie rurali e il 23% di quelle urbane nei paesi in via di sviluppo non hanno accesso all'acqua potabile. In alcune zone le fonti di acqua possono essere tutte contaminate.² Se la fonte di acqua è sospettata di essere insicura, la raccomandazione più comune è quella di bollire l'acqua.¹ Questa raccomandazione è seguita raramente per diverse comprensibili ragioni, la più importanti di queste, il tempo impiegato e soprattutto la quantità di combustibile necessario.

Contrariamente a quanto molte persone credono, non è necessario bollire l'acqua per renderla sicura. E non è nemmeno necessario distillarla. Riscaldare l'acqua a 65º C (149º F) uccide tutti i germi, virus e parassiti.³ Questo processo è chiamato pastorizzazione e il suo uso per il latte è molto conosciuto, sebbene il latte richieda temperature e tempi leggermente differenti. Un problema ovvio che sorge con la pastorizzazione è la questione di sapere in che momento viene raggiunta la giusta temperatura. Le soluzioni a ciò verranno spiegate nella prossima sezione. Naturalmente la pastorizzazione non aiuta se l'acqua è contaminata chimicamente, o se è salmastra.

In questo documento verranno descritte diverse tecniche di pastorizzazione applicabili nei paesi in via di sviluppo. La pastorizzazione non è l'unica tecnica possibile per rendere potabile l'acqua. Clorazione, disinfezione con raggi ultravioletti, unite alla costruzione e l'uso di pozzi o cisterne ben costruiti e ben manutenzionati, sono altri sistemi per l'approvvigionamento dell'acqua potabile, specialmente se c'è la necessità di un grande quantitativo di quest'ultima. 

Dall'altra parte, laddove ci sia bisogno di quantitativi modesti, i sistemi di pastorizzazione hanno il vantaggio di ammortizzare molto bene i costi. Comunque la scelta del miglior metodo andrà fatta in base alle condizioni locali.. 

Questo documento descrive le tecniche utili per pastorizzare l'acqua, ma è anche necessario educare le persone della necessità di avere disponibile dell'acqua potabile e come fare per mantenerla correttamente. Tra molte persone nei paesi in via di sviluppo, l'acqua potabile non è percepita come una necessità importante. E dall'altro lato molte persone non conoscendo il modo in cui si trasmettono i germi, possono inconsapevolmente ricontaminare l'acqua mettendola in contenitori infetti. 

Metodi base di pastorizzazione- Forni solari

Anche altri tipi di forni solari possono essere usati per la pastorizzazione. Un recente sviluppo in materia di forni solari sono i forni a pannelli, che consistono in alcuni pannelli riflettenti che concentrano la luce solare sul cibo. Il cibo viene posto all'interno di una busta da forno per ridurre le perdite di calore. Sostituendo il cibo con un contenitore  scuro pieno d'acqua fa di esso un pastorizzatore solare. Però, nonostante il costo di questi forni a pannelli sia molto basso, più di un paio di litri per volta non possono essere pastorizzati. Anche se con il clima favorevole diverse sessioni di pastorizzazione al giorno possono essere fatte. 

Qualunque sia il tipo di forno solare usato, c'è bisogno di un metodo per sapere se la temperatura di pastorizzazione è stata raggiunta. Un dispositivo molto economico è stato sviluppato ed è mostrato in Fig. 2., il WAPI. E' un tubetto di plastica con le due estremità sigillate, e contiene in un estremità un piccolo quantitativo di un particolare tipo di grasso di soia che fonde a 154º F (67,7° C). Il tubetto è galleggiante, ma e' appesantito con una rondella di modo che questo peschi sul fondo dell'acqua (che è poi la parte più fredda), e viene messo nel contenitore in modo che l'estremità con il grasso stia in alto. Successivamente se il grasso verrà trovato nell'estremità inferiore del tubetto, l'acqua avrà raggiunto la temperatura di pastorizzazione, anche se in seguito si è raffreddata. Un filo di nylon rende possibile levare il tubetto dall'acqua senza ricontaminarla. Il dispositivo viene riutilizzato capovolgendolo e scorrendo il filo dalla parte opposta. Questo dispositivo funziona in contenitori di qualsiasi dimensione e forma, e chiaramente, non ha nessuna importanza quale sia la forma di energia usata per riscaldare l'acqua, l'unica precauzione da usare, nel caso si usi del combustibile, è di non tenere il filo di nylon vicino al fuoco! Dato che riscaldare l'acqua alla temperatura di pastorizzazione anziché a quella di ebollizione riduce l'energia richiesta almeno del 50%, il risparmio di combustibile dato da questo semplice dispositivo e' considerevole.

Il WAPI costa circa $6, ed è disponibile da Solar Cookers International, 1919 21st St., Suite 101, Sacramento, California, 95811, (916) 455-4499, fax: (916) 455-4498.
 
 

Figura 2: Un indicatore di pastorizzazione. L'indicatore va messo in un angolo sul fondo del contenitore dell'acqua. 

 Dispositivi di pastorizzazione a flusso (Flow-Through Pasteurization Devices)

Questo dispositivo risolve diversi problemi inerenti a tutto il processo. Primo, l'acqua potabile diventa disponibile lungo tutto l'arco del giorno, via via che nuovi quantitativi di acqua trattata vengono aggiunti al serbatoio dell'acqua pulita. Secondo, questo tipo di unità si adatta alle varie condizioni di insolazione, se questa aumenta, il tempo richiesto per pastorizzare e rilasciare l'acqua diminuisce, incrementando così il volume di acqua prodotto nella giornata. Se l'insolazione decresce il tempo di permanenza dell'acqua nel forno aumenta, diminuendo così il volume di acqua trattata, ma con questo dispositivo non si verificherà mai il caso in cui si sovrastimi la quantità di acqua trattabile in un giorno. Questo è quindi un processo totalmente automatico che fa risparmiare tempo per fare altre cose, e diminuisce la probabilità di incidenti. durante il trasferimento dell'acqua dentro e fuori l'unità di pastorizzazione. Prove sul campo effettuate da PAX World Service e il Consiglio pakistano per le tecnologie appropriate (Pakistan Council of Appropriate Technology) hanno regolarmente mostrato rendimenti di 16-24 litri per giorno (da 4 a 6 galloni al giorno). Il costo di questo dispositivo è di circa $50. 

Nonostante questo sia un rispettabile quantitativo d'acqua, un incremento sostanziale può essere raggiunto riciclando il calore dell'acqua pastorizzata uscente. Una volta che l'acqua è stata pastorizzata e rilasciata dal forno solare, l'energia termica di questa può essere usata per preriscaldare l'acqua entrante. Questo processo è mostrato in Fig. 3. Dal momento che la temperatura dell'acqua in entrata è più alta, ci vuole meno tempo a finire il processo di pastorizzazione, permettendo così di trattare volumi di acqua maggiori. 
 
 

Figure 3: Pastorizzatore d'acqua stile PAX con scambiatore di calore.

Un semplice dispositivo che serve allo scopo è uno scambiatore di calore in contro-flusso. L'acqua calda scorre su un lato della placca metallica, mentre sull'altro lato scorre l'acqua fredda in direzione opposta. L'energia dell'acqua calda è trasferita all'acqua fredda, questo determina il preriscaldamento dell'acqua contaminata in entrata e al tempo stesso il raffreddamento dell'acqua pastorizzata in uscita. 

Ci sono vari modi di costruire uno scambiatore di calore in contro-flusso. Sia la versione tubolare, che quella piatta sono state testate in varie configurazioni e materiali, da questi esperimenti risulta più economica la versione piatta, nonostante la versione tubolare sia più facile da realizzare. La versione piatta permette di recuperare il 75-80% dell'energia termica dell'acqua in uscita, e permette di pastorizzarne 4-5 volte di più rispetto ad un pastorizzatore uguale ma senza scambiatore. Questo corrisponde a circa 80-96 litri al giorno (20-24 galloni) di acqua trattata. Il costo dello scambiatore di calore è nell'ordine di $15 portando il costo dell'unità PAX a $65. Quindi con un incremento della spesa del 30%, si ottiene un aumento dell'acqua trattata del 400%. Un ulteriore beneficio di questo dispositivo, è che riduce il rischio di scottature in quanto l'acqua in uscita si trova ad una temperatura più bassa.

Altre sorgenti di calore

Nel caso si abbia un sistema a combustibile, ci sarebbe bisogno di un pezzo di tubo metallico, una valvola terostatica con un'opportuno supporto di montaggio, e uno sacmbiatore di calore. Al momento  comunque, non abbiamo fatto esperimenti in questa area. 

La pozza solare (The Solar Puddle)- Un dispositivo a basso costo 

Figure 4: Un modello base di pozza solare. In questa figura e dimensioni orizzontali sono compresse per chiarezza. La pozza solare può anche essere costruita per esempio, con lati in legno sopra un tavolo o addirittura in cima ad un tetto.

Si inizia scavando una fossa profonda circa 10 cm (4 inches). Il dispositivo usato per il test era un "formato-famiglia", circa 1 metro per 1 metro (3 1/2 x 3 1/2 piedi) ma può anche essere più piccola o più grande. Se la pozza viene fatta più grande, c'è sì più acqua da pastorizzare, ma c'è proporzionalmente un'area di raccolta della luce solare più grande. La buca viene prima riempita con uno strato di almeno 5 cm (2 inches) di isolante termico solido. Noi abbiamo usato pezzettini di carta appallottolata, ma paglia, erba, foglie o fuscelli possono essere usati. Questo strato, dovrebbe essere piatto fuori che in un punto in un angolo che è indicato con "buca" in Fig. 4 Un telo di plastica trasparente, e poi un telo di plastica nera vanno stesi sopra lo strato isolante con i bordi che fuoriescono dalla fossa. Vengono usati due strati di plastica nel caso in cui uno si fessurasse. Nell'esperimento sono stati usati dei teli di polietilene che sono molto economici, anche se della plastica resistente agli UV dura di più. A questo punto si mette dentro dell'acqua e si cerca di appiattire il più possibile l'isolante in modo che lo scarto massimo della profondità dell'acqua tra i vari puntidella pozza sia di circa 1 cm (1/2 inch), tranne che nella buca che deve essere circa 3 cm (1 inch) più profonda del resto. Fatto ciò si può aggiungere dell'acqua fino a raggiungere una profondità da 2 a 7 cm (1-3 inches) a seconda di quanta insolazione ci si aspetta. Un indicatore di pastorizzazione va messo nella buca dato che quì si raccoglie l'acqua più fredda. A questo punto si può installare il sifone di drenaggio. Andrebbe messo nella parte più profonda della buca in modo da poter raccogliere il maggior quantitativo di acqua possibile prima che il sifone inizi a drenare l'aria. L'estremità del sifone andrebbe fissata stabilmente al posto  con un peso o alcune pietre. Un telo trasparente va sopra l'acqua, contro i bordi dei teli inferiori stesi sopra i bordi della buca. Uno strato isolante d'aria è formato mettendo uno o più distanziatori sopra il terzo strato di plastica (delle  palle di giornale un po' appiattite vanno benissimo), e mettendoci sopra un altro telo di plastica che deve essere anch'esso trasparente. Lo spessore dello strato di aria deve essere almeno 5 cm (2 inches). Per finire i bordi dei teli vanno fermati giù con delle pietre, terra o quant'altro. Se il fondo della pozza viene fatto sufficientemente piatto, è possibile drenare tramite il sifone ben più del 90% dell'acqua.

Una volta che la pozza è costruita si può usare ogni giorno riempiendola con il quantitativo d'acqua necessario , sia sollevando un po' gli strati di plastica superiori in un angolo e versandoci l'acqua con un secchio, sia dotandola di un sifone di riempimento. In questo caso il sifone di riempimento NON deve essere lo stesso usato per il drenaggio, perché il sifone di riempimento si ricontamina ogni volta che si aggiunge acqua alla pozza, mentre il sifone di drenaggio DEVE RIMANERE PULITO!!! Una volta montato il sifone di drenaggio, andrebbe lasciato in posizione per tutta la vita della pozza. 

I soli materiali costosi usati per fare la pozza solare sono un indicatore di pastorizzazione ($6), un sifone ($1), e quattro teli di plastica trasparente (circa $2 per il formato testato). Molti test sono stati fatti nella primavera e nell'estate del 1994 in Berkeley, California. In giorni con buona insolazione la temperatura richiesta è stata raggiunta anche con 68 litri (17 galloni) di acqua, corrispondenti ad una profondità di 62 mm (2 1/2 inches). Con quantitativi minori temperature più alte sono raggiungibili. Con 24 litri (6 galloni), corrispondenti alla profondità di 24 mm (1 inch), 80° C (176º F) sono stati raggiunti in un giorno. 

La pozza solare lavora anche in condizioni che non sono ideali. La condensa che si forma sul telo superiore non sembra sia un problema, tuttavia nel caso in cui se ne formi troppa si può sempre alzare un angolo del teloper qualche minuto per permettere alla condensa di evaporare. Dei forellini sul telo superiore non fanno tanta differenza. Il dispositivo funziona col vento, o anche se lo strato isolante è umido. La temperatura dell'acqua è uniforme in tutta la pozza con lo scarto di 1°C (2° F) 

Dopo alcuni mesi lo strato superiore sotto l'azione combinata del vento e del calore si sciupa e va sostituito. Questo effetto pùo essere ridotto cercando di evitare i cosidetti punti caldi, ii indebolisce. Un'altra opzione è quella di usare una plastica resistenze ai raggi del sole (UV resistente). I due teli inferiori tendono a formare delle piccole fessurazioni se non sono maneggiati e mantenuti con molta cautela. Un piccolo forellino su questi strati farà sì inumidire lo strato isolante, ma non è un grossissimo problema. 
Ci sono vari modi di costruire una pozza solare. Il più economico è di farlo scavando una buca direttamente in terra, come illustrato in Fig. 4, ma la pozza può essere costruita con i lati di legno, sul piano di un tavolo, oppure su di un tetto. Nei posti dove si verificano frequenti brevi acquazzoni, si può mettere lo strato superiore a mò di tenda canadese (che formi cioè una specie di tettoia)., in modo che la pioggia scorra via. Aggiungere poi un ulteriore strato d'aria rende il dispositivo più efficiente, ma aggiunge il costo di un'altro telo di plastica. Come già detto il dispositivo può coprire un'area più o meno grande in relazione alla quantità di acqua desiderata. Una pozza grande ha un costo iniziale più alto, ma un costo per unità d'acqua prodotta più basso, in quanto si usa la stessa linea di drenaggio e lo stesso indicatore di pastorizzazione che si usa in una pozza piccola. Si pùo fare un riscaldatore d'acqua esemplicemente triplicandone il contenuto, in questo modo l'acqua raggiungerà solouna temperatura di circa 50°C (120°F), e rimarrà calda durante le ore serali (quest'acqua chiaramente non verrà pastorizzata da questo riscaldamento). Si può anche pensare di risolvere il problema dei contenitori dell'acqua infetta, mettendoli nella pozza e pastorizzandoli quindi insieme all'acqua. La pozza solare può essere usata per cuocere del cibo come il riso in situazioni d'emergenza, ad esempio in un campo profughi. 
[Abbiamo dei resoconti dal 'campo' che in una pozza solare a 63° C (145° F), la crescita di alcuni batteri potrebbe aumentare. Visto che questa temperatura è molto vicina a quella minima di pastorizzazione richiesta, menzionata in questo articolo, suggeriamo di riscaldare l'acqua ad una temperatura maggiore, ed effettuare dei test prima di adottare la pozza come il proprio metodo di pastorizzazione] 

(Sommario dei costi

Nei calcoli fatti vien assunto che:

Il combustibile costa mediamente 0,02 US$ per litro di acqua bollita (casi A) e B)). Questa cifra viene fuori da una recente pubblicazione della newsletter dei Solar Cookers International (ed è la cifra che alcune persone nei paesi in via di sviluppo sono disposte a spendere per il combustibile per bollire l'acqua). 

1. Il combustibile costa mediamente 0,02 US$ per litro di acqua bollita (casi A) e B)). Questa cifra viene fuori da una recente pubblicazione della newsletter dei Solar Cookers International (ed h la cifra che alcune persone nei paesi in via di sviluppo sono disposte a spendere per il combustibile per bollire l'acqua).
2. Gli indicatori di pastorizzazione devono essere sostituiti un paio di volte in 5 anni (casi B), C), E) e F)).
3. Le valvole termostatiche devono essere sostituite una volta in 5 anni (caso D)).
4. Per la pozza solare (solar puddle) i due strati di plastica superiori devono essere sostituiti ogni tre mesi, mentre i due inferiori ogni 6 mesi (casi E) ed F)).

Da quello che si può vedere i sistemi che usano del combustibile hanno un costo iniziale molto basso, ma hanno un costo a lungo termine molto alto. L'indicatore di pastorizzazione è un sistema economico per quasi raddoppiare l'acqua prodotta per unità di combustibile, sebbene il costo a lungo termine di questo sistema è comunque alto a causa del prezzo del combustibile. La pozza solare ha un costo iniziale basso e un costo a lungo termine anch'esso basso, ma implica il lavoro di sostituire frequentemente i teli di plastica. 

Conclusioni

In questo documento la pastorizzazione dell'acqua è stata presentata come un sistema di approvvigionamento di acqua potabile nei paesi in via di sviluppo. Diverse tecniche per la pastorizzazione dell'acqua sono state esposte. Alcuni di questi metodi sono più economici, altri producono più acqua al giorno, e altri usano dei dispositivi compatti che possono essere agevolmente trasportati e usati "sul campo". La pastorizzazione è solo un metodo per avere dell'acqua potabile. Lo scopo di questo documento non è quello di dire che la pastorizzazione sia il metodo migliore, o che alcune tecniche di pastorizzazione siano meglio di altre. Come sempre, la scelta del metodo deve essere basata sulle condizioni locali, siano esse sociali, culturali, economiche e di capacità tecniche. L'esperienza sul campo dimostra che l'istruzione è pure necessaria per raggiungere risultati positivi con qualunque sistema si scelga.

References:

1. UNICEF, The State of the World's Children, 1988, Oxford University Press, pg. 3, 1988.
2. UNICEF, The State of the World's Children, 1989, Oxford University Press, pg. 48, 1989. 
3. Ciochetti, D. A., and Metcalf, R. H., Pasteurization of Naturally Contaminated Water with Solar Energy, Applied and Environmental Microbiology, 47:223-228, 1984.
4. Recent Advances in Devices for the Heat Pasteurization of Drinking Water in the Developing World, Dale Andreatta, P. E., Derek T. Yegian, Lloyd Connelly, and Robert H. Metcalf, Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1994. 

See also Solar Water Pasteurizers Make Safe Drinking Water in Tanzania