Uso e riciclo delle biomasse agroalimentari

Uso e riciclo delle biomasse agro-alimentari

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Le biomasse

La biomassa nel dizionario italiano è definita come una massa totale degli organismi presenti in un dato tempo in un volume d’acqua o di terra; è un materiale organico derivante dalla fotosintesi e usato per generare energia. I due aspetti fondamentali sono il fatto che si tratta di materiale organico e che viene usato per fare energia, quindi ha un’origine e una finalità principali. Un esempio di produzione di energia da biomassa è la legna da ardere o la frazione organica dei rifiuti. Una terza definizione è quella ideata dal CEN che è un ente normativo della comunità europea che definisce tutto ciò che riguarda i settori produttivi della comunità europea, crea uniformità tra i diversi paesi europei; la biomassa è un materiale di origine biologica formato nelle ere geologiche o trasformato nelle ere fossili.

Il petrolio non è una biomassa con questa definizione, mentre la torba è biomassa. Tutto ciò che è base organica, carbonio, e derivante dalla fotosintesi è biomassa ma con la definizione CEN in termini operativi è tutto ciò che non è di origine fossile perché poi nei processi non si hanno cicli produttivi standard basati sull’utilizzo di petrolio. Le biomasse agro-alimentari sono numerose perché vanno dall’agricoltura e l’allevamento fino al post consumer: tutto ciò che è scarto sono biomasse dell’industria agro-alimentare come sottoprodotti agricoli, tra cui paglie di cereali, stocchi di mais, residui di potatura; poi durante le fasi di lavorazione si possono avere gusci, bucce, sanse, segature ecc. come anche gli scarti animali, sangue, grassi, contenuto ruminale, legati all’allevamento e alla macellazione e anche rifiuti che sono prodotti invenduti, materiale scaduto, FORSU ovvero il rifiuto prodotto in casa dopo la trasformazione del cibo.

Una biomassa è un qualcosa che ha caratteristiche comuni dal punto di vista chimico in quanto è fatta di sostanza organica: tutta la materia è costituita da particelle elementari che seguono la chimica del carbonio. Il carbonio può fare diverse tipologie di legami come il legame semplice, doppio legame, triplo legame e tramite queste tipologie influenza la reattività e la possibilità di formare molecole più complesse differenti. La chimica organica è la chimica del carbonio, più ossigeno, idrogeno, fosforo e azoto e la combinazione di questi elementi con legami differenti e in diverse molecole è la base della chimica delle biomasse passando da molecole più semplici a macromolecole dove si hanno numerosi atomi legati tra di loro.

Le bio-macromolecole sono la quota maggiore della biomassa perché la maggior parte dei rifiuti sono quasi solo sostanza organica perché l’industria alimentare ha il fine di produrre qualcosa che sia altamente energetico. Le macromolecole più importanti sono carboidrati, proteine e lipidi, acidi nucleici, e molecole di altra origine con attività di interesse come polifenoli, antiossidanti, carotenoidi, ormoni con finalità farmaceutica, alcaloidi o molecole particolari che possono essere estratti dagli scarti dell’industria alimentare come il licopene. Carboidrati e lipidi hanno solo C, H e O, mentre le proteine possiedono anche azoto e zolfo.

• I carboidrati possono essere mono, di, oligo e polisaccaridi e quelli di maggior interesse sono i polisaccaridi soprattutto per le loro funzionalità in quanto possono svolgere la funzione di riserva energetica, amido o glicogeno, o strutturale tipica della cellulosa, emicellulosa e pectine nelle strutture vegetali. Tra amido e cellulosa cambia il tipo di legami beta tra i residui che rendono la cellulosa più resistente all’idrolisi a livello dell’uomo e anche in natura e per questo conferisce struttura. L’emicellulosa fa parte del complesso lignocellulosico ma è costituita da pentosi in rapporto diverso e poi si hanno le pectine che sono a base di acido galatturonico e sono solubili, hanno una funzionalità diversa e sono considerate fibre solubili tipiche del mondo vegetale, frutti. La classificazione carboidrati può anche avvenire in zuccheri, che è ciò che ha funzionalità energetica, mentre i non zuccheri hanno funzionalità strutturale, omo-polisaccaridi o etero, e poi si hanno i carboidrati complessi dove si uniscono con lipidi e proteine per dare strutture complesse. La chimica dei carboidrati è molto complicata perché la stessa molecola ha proprietà diverse in base all’apertura o chiusura dell’anello, dal fatto che si trovi in soluzione e questo porta a reattività diversa. Molto importante nelle biomasse è il complesso lignocellulosico perché la biomassa più abbondante sulla terra perché è in tutto ciò che è vegetale; la conoscenza di questa struttura è importante per vedere gli effetti della reattività della biomassa nella sua totalità. Ci sono diverse tipologie di biomassa in cui tutte hanno un complesso lignocellulosico con una composizione diversa in glucani, xilani, lignina e pectine portando alla determinazione di biomasse di scarto con finalità diverse. Ad esempio, dallo scarto di produzione del succo di mela si possono ottenere pectine per fare la pectina come addensante.
• Le proteine sono la fonte azotata di una biomassa, importante è la composizione primaria, ovvero la presenza di amminoacidi diversi che possono avere una funzionalità: ci sono amminoacidi essenziali e alcuni di questi hanno funzionalità diverse; per esempio, in ambito agronomico gli amminoacidi hanno attività ormono-simili, oppure una biomassa ricca in amminoacidi essenziali può avere un rimpiego diverso. Il pregio di un elevato contenuto proteico può portare ad elevato valore aggiunto.
• I lipidi sono una classe molto estesa, sono molecole complesse con acidi grassi e glicerolo con funzione riserva energetica, trigliceridi, oppure con altre funzioni come le cere che hanno funzione protettiva; interessa la quantità di lipidi presenti e le frazioni ad elevato valore aggiunto acidi grassi polinsaturi e omega-3 e omega-6.
• Si hanno poi vitamine e antiossidanti in piccole quantità che sono interessanti per ambiti specifici perché fanno riferimento a un gruppo molecole ad elevato valore aggiunto perché sono frazioni molto richieste dal mercato ed economicamente di valore, quindi il loro ottenimento può rendere il sistema produttivo sostenibile dal punto di vista economico.

Fotosintesi, biodegradabilità e recalcitranza

Le biomasse derivano dalla fotosintesi che è alla base della produzione di tutte le biomasse; per questo la biomassa è un sistema di immagazzinamento dell’energia solare, è un qualcosa che può cedere energia con un efficace sistema di accumulo. La produzione di biomassa dipende dal sole e dagli organismi autotrofi, quindi piante, alghe che sono in grado di trasformare la CO2 in carbonio organico. Il sistema della fotosintesi per gli zuccheri porta alla formazione di ossigeno e molecole di diverso genere e quindi permette di creare sostanza organica. Questo sistema energeticamente è molto efficace perché quando si valuta la capacità di immagazzinare energia solare è più efficace di un qualsiasi sistema industriale; si ha un accumulo di energia sotto forma di tipo chimico a partire dall’energia solare che poi può essere rilasciata con diverse forme.

Quando si produce biomassa l’energia viene convertita in energia luminosa. Alcuni processi di trasformazione delle biomasse si basano su attività metaboliche, ovvero sulla capacità dei microrganismi di usare l’energia chimica determinando la modificazione della biomassa stessa per dare un prodotto diverso. Si possono avere trasformazioni che avvengono tramite respirazioni o fermentazioni. Questo aspetto di essere suscettibile alla degradazione di organismi viventi è la caratteristica che rende la biomassa diversa da altre risorse; la capacità di sfruttare l’energia chimica è alla base di tutto il processo biologico.

Per spiegare questo si parla di biodegradabilità, ovvero la capacità in tempi brevi di un materiale di scomparire, quindi viene utilizzato in ambito naturale. Una frazione biodegradabile è una frazione che può essere degradata dagli organismi viventi, solitamente microrganismi, tenendo conto del tipo di organismo, delle condizioni chimico-fisiche presenti e del tempo a disposizione. Biodegradabile è una biomassa soggetta a un metabolismo e si fa riferimento solitamente a microrganismi perché tanti processi produttivi li impiegano, come il compostaggio, la digestione anaerobica, la produzione licopene da funghi.

Un qualcosa di biodegradabile non è biodegradabile da tutti i microrganismi perché non tutti degradano allo stesso modo e inoltre bisogna considerare le condizioni chimico-fisiche e il tempo a disposizione. Queste caratteristiche vanno a definire la biodegradabilità che può essere intrinseca, quindi legata alle caratteristiche della biomassa, oppure estrinseca come le caratteristiche ambientali. Una condizione ambientale necessaria è per esempio l’acqua. Anche il tempo è un aspetto importante e a livello di processo deve essere una scala breve di pochi giorni/qualche mese e quindi interessa valutare la scala temporale in quanto in genere si utilizzano biomasse molto biodegradabili ed energeticamente favorevoli.

La recalcitranza è l’inverso della biodegradabilità, quindi è la tendenza di una biomassa a non essere utilizzata da microrganismi; entrambe dipendono dalle condizioni ambientali estrinseche alla biomassa o intrinseche, quindi dall’aspetto chimico o anche fisico di struttura del complesso lignocellulosico che ne riduce la potenziale biodegradabilità in base alla composizione chimica delle molecole che la costituiscono.

Per quanto riguarda gli aspetti ambientali sono condizioni a contorno in cui si trova il microrganismo o la biomassa e ne favoriscono o meno la degradazione; tutti i sistemi di conservazione del cibo sono tante condizioni ambientali che possono favorire o meno la biodegradabilità: in primo luogo si ha l’acqua in quanto un prodotto secco può durare di più, mentre un prodotto ricco di acqua è pronto alla degradazione biologica; le altre caratteristiche sono le condizioni chimico-fisiche come il pH, se neutro favorisce biodegradazione, tutti gli alimenti sono tendenzialmente acidi e quindi per la conservazione si usa basso un pH, la presenza o assenza di ossigeno, in base a microrganismo aerobio o anaerobio, la temperatura più o meno elevata, se elevata maggiore biodegradazione.

Ci sono poi aspetti chimici basati sulle tipologie di legami presenti: un legame con anelli aromatici è più difficilmente biodegradabile perché è una struttura che si presta meno all’attacco e quindi si ha una diversa tendenza da parte dei microrganismi ad attaccare la sostanza organica ottenendo ci sono diverse cinetiche di reazione in base alla struttura dei legami chimici presenti. Il legame chimico incide sulla biodegradabilità di cellulosa o amido: l’amido ha una funzionalità di riserva e quindi è facilmente utilizzabile, mentre la cellulosa ha una funzione di struttura e quindi è difficilmente attaccabile.

La recalcitranza della biomassa vegetale è legata anche da un aspetto fisico e dalla struttura del complesso lignocellulosico stesso: oltre alla cellulosa, le emicellulose sono polisaccaridi che sono tendenzialmente idrofili; ecco che la tipologia di legame chimico influenza anche l’interazione con l’acqua, quindi per esempio un anello aromatico è idrofobo. Quando si ha un processo di degradazione della sostanza organica la prima reazione che avviene è di idrolisi, quindi essere più o meno idrofili è un’indicazione alla tendenza ad essere più o meno attaccabili da microrganismi.

La lignina è un composto di origine aromatica di tipo complesso e conferisce quindi l’essere idrofobico e quindi ha proprietà fisiche in contrasto con l’interesse dei microrganismi nel deteriorarla. Queste caratteristiche della lignina hanno effetto di aumentare la recalcitranza perché il complesso lignocellulosico ha all’interno i componenti più degradabili e all’esterno la lignina che è meno degradabile, quindi si ha una sorta di protezione fisica dall’esterno. L’interesse che c’è relativo allo studio del complesso lignocellulosico è legato al fatto che è la biomassa più abbondante sulla terra e l’interesse al suo utilizzo si basa sul fatto di riuscire a implementare la biodegradabilità delle cellulose ed emicellulose che vi sono all’interno con una finalità applicativa per trovare sistemi in grado di rompere il complesso e aumentare la possibilità di utilizzo.

Struttura del complesso lignocellulosico

La struttura è data da una parte centrale in cui le varie molecole di cellulosa si uniscono tra loro a formare strutture a rosetta che sono fatte da 6 molecole di cellulosa e ogni rosetta si unisce ad altre 5 rosette a formare strutture chiamate microtubuli di cellulosa che a loro volta si uniscono a formare una struttura complessa che si posiziona sulla parete cellulare primaria delle cellule vegetali. Questa struttura può avere un grado di ripetibilità più o meno costante, può essere uniforme nella sua conformazione ed è il cuore del complesso lignocellulosico.

Quanto più la struttura è uniforme e costante, tanto più elevato l’indice di cristallinità, ovvero può essere così costante nella struttura dando un grado molto elevato; una struttura cristallina è meno soggetta alla biodegradabilità, quindi tanto più è alto il grado di cristallinità tanto più questa è tendente a non essere facilmente attaccabile e quindi anche nella strutturazione della cellulosa si ha un aspetto fisico da tenere in considerazione. Questa struttura a fibrille è ricoperta poi da una matrice di altri polisaccaridi, quindi emicellulosa e pectine con legami H o di altra tipologia e poi al di sopra si posiziona la lignina che è idrofoba e di natura aromatica.

Tutto questo complesso è strutturato in modo che le distanze tra i diversi componenti siano in misura tale da diventare inviolabili da particolari microrganismi. Gli spazi che ci sono a disposizione tra i diversi componenti sono tali che non permettono neanche agli enzimi producibili dai microrganismi di attaccare la struttura.

Aspetti legislativi e bioprodotti

In termini legislativi, la legge del 2003 fa riferimento alla biomassa come la parte biodegradabile dei prodotti, i rifiuti e i residui provenienti dall’agricoltura, silvicoltura e dalla industria interconnessa. Nel 2011 si sono aggiunte altre componenti in quanto sono state comprese la pesca e l’acquacoltura, gli sfalci e potature e quindi rispetto alla legge precedente è possibile usare anche tutti scarti derivanti da questi settori. I primi bioprodotti derivanti dalla conversione della biomassa sono stati bioliquidi, biocarburanti e biometano che hanno tutti finalità energetica. In seguito, sono poi arrivati altri utilizzi.

Caratterizzazione delle biomasse

Le biomasse sono molto diverse tra loro, si ha una chimica di base che permette di individuare le caratteristiche macromolecolari e poi si ha una definizione dell’impiego. Una caratterizzazione di base di una biomassa dà indicazioni sulle caratteristiche, sulla performance dei processi e sul modo di utilizzo. Le biomasse sono state utilizzate da sempre con finalità legate all’utilizzo agronomico ma anche per la produzione di mangimi per gli allevamenti; biomassa ha un valore che può essere sfruttato e valorizzato oltre a usarla per produrre energia. Ciò che si cerca di fare è di sviluppare processi diversi basati su questo scarto di una produzione che diventa la risorsa per un’altra.

Per quanto riguarda la classificazione chimica: una determinazione che viene sempre fatta è la sostanza secca e il risultato viene espresso in percentuale sul tal quale; il contenuto di acqua in una biomassa è importante per la sua conservazione. Le biomasse facilmente biodegradabili sono soggette alla proliferazione e all’attacco dei microrganismi e il contenuto d’acqua influenza molto. Importante è anche il costo di trasporto: con un contenuto d’acqua elevato i costi aumentano poiché si devono trasportare grosse quantità.

Anche l’effetto diluizione rispetto alla sostanza organica è importante: più acqua c’è più è diluita. In genere tutte le concentrazioni dei vari elementi della biomassa vengono espresse sul peso secco, mai sul tal quale in quanto può variare molto facilmente. Avere un quantitativo elevato di acqua è favorevole quando si deve fare un processo di compostaggio. I solidi volatili sono una misura veloce del contenuto di sostanza organica presente nella biomassa; la parte inorganica può essere costituita da ceneri.

Il solido volatile si misura con un processo di volatilizzazione a 550°C e quindi ciò che rimane nel crogiolo è considerato ceneri. Questo dato dice quanta sostanza organica c’è. È una misura molto veloce come indicatore dei processi degradativi dove la finalità è una riduzione quantitativa del contenuto della sostanza organica e questo è importante per monitorarla. Si può vedere la composizione della sostanza organica: si ha il total solid, ovvero la SS espressa come % e poi solidi volatili VS; poi si va a fare una composizione elementare e quindi come composta in termini di carbonio, azoto, idrogeno, ossigeno, fosforo e zolfo. Si può fare con diversi metodi di laboratorio e si ottiene quindi la composizione degli elementi espressa come % sul peso secco.