Appunti Biotecnologie delle colture erbacee

Biotecnologie delle colture erbacee

Fonti energetiche rinnovabili

Energia proveniente da fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, geotermica, oceanica, idraulica, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione, biomassa, idroelettrica.

Le biomasse (definizione)

La frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani (art.2, lettera «e», D.lgs28/2011).

A seconda della loro origine distinguiamo:

• Fitomassa: la biomassa proviene da piante (paglie di cereali, residui di potature, piante espressamente coltivate per scopi energetici come le piante zuccherine, amidacee o lignocellulosiche).
• Zoomassa: la biomassa proviene da organismi animali.
• Biomassa microbica: la biomassa proviene da microrganismi.

Bilancio positivo della CO2

Con l'aiuto dell’energia solare, dell’acqua e della CO2, le piante producono sostanze organiche e liberano ossigeno. La CO2 liberata durante la combustione (reazione con l’O2) della biomassa corrisponde alla quantità della CO2 assorbita dall'atmosfera dagli alberi o dalle piante nel corso della loro crescita. Non avviene nessun’ulteriore produzione di CO2.

Le biomasse si dividono in base alle caratteristiche chimico-fisiche in:

• Lignocellulosiche
• Oleaginose
• Zuccherine
• Amidacee
• Altre

Processi di conversione (energetica) della biomassa

Pirolisi  reazione che avviene sotto gli 800 gradi e in assenza di ossigeno.

Gassificazione  reazione che avviene sotto gli 800 gradi e in assenza di ossigeno.

Biomasse ligno-cellulosiche

Le biomasse ligno-cellulosiche si dividono in colture erbacee e legnose dedicate a residui agricoli e forestali. Essi contengono cellulosa, emicellulosa e lignina.

Biomasse oleaginose

Il prodotto delle biomasse oleaginose è l’olio vegetale, formato da acidi grassi liberi e trigliceridi. Dall’olio vegetale si ottiene biodiesel che è una miscela di alcuni acidi grassi liberi, separati dalla glicerina. Il procedimento prevede che dalla biomassa oleaginosa, tramite pressatura dei semi si ottiene prima il panello di estrazione e poi l’olio grezzo, che non può essere usato per l’autotrazione e per essere usato deve subire un processo di trans-esterificazione con metanolo, per eliminare la glicerina e ottenere biodiesel (acidi grassi liberi).

Biomassa zuccherina

La biomassa zuccherina è composta da sostanze ricche di saccarosio, come la canna da zucchero, barbabietola da zucchero, sorgo, alcuni tipi di frutta e verdura. Il saccarosio, comunemente chiamato zucchero, è un disaccaride composto da due monosaccaridi: glucosio e fruttosio. Da queste biomasse zuccherine si ottiene il bioetanolo di prima generazione, che prevede che dalla biomassa zuccherina, si ha l’idrolisi del saccarosio e successiva produzione di glucosio, fermentazione del glucosio e la produzione di bioetanolo.

Biomassa amidacea

La biomassa amidacea è composta da sostanze ricche di amido come i semi delle graminacee (mais, grano duro, orzo, triticale, secale, ecc.). L’amido è un polimero del glucosio, composto da due forme: amilosio per circa il 20% (legami α-1,4 glicosilici) e 80% da amilopectina (legami α-1,6 glicosidici). Il primo ha una struttura lineare, il secondo ramificata. Entrambe le forme sono insolubili in acqua fredda, ma solubili in acqua calda. Da biomasse amidacee si ottiene il bioetanolo di 2 generazione, che prevede che dalle biomasse amidacee tramite l’idrolisi prima dell’amido e poi del saccarosio, si ha la produzione di glucosio, poi la fermentazione di questa e la produzione di bioetanolo.

Digestione anaerobica

Prodotto da colture e residui ad elevata umidità (>30%) e rapporto C/N <30%, e si ottiene biogas. È una miscela di vari tipi di gas (principalmente metano e CO2) prodotto mediante fermentazione batterica in condizioni anaerobiche (assenza di ossigeno) di residui organici.

Rivalorizzazione della biomassa: ordine di priorità

L’uso a cascata delle biomasse, applica le idee dell’economia circolare anche alle risorse biologiche. È una strategia per usare le materie prime e i prodotti con esse derivate, per produrre prima sostanze/prodotti ad alto, medio, basso valore aggiunto, e alla fine del loro ciclo di vita recuperare energia da essi. Il principio dà priorità agli usi a più alto valore (aggiunto), che permettono il riutilizzo e il riciclaggio dei prodotti e delle materie prime e solo infine si usano questi materiali per produrre energia, solamente quando le altre opzioni stanno per esaurirsi. Si favorisce il passaggio dalle bio-conversioni di prima a quelli di seconda generazione in bio-raffinerie innovative. Nei percorsi di prima generazione si mira ad ottenere solo prodotti bio-energetici (biodiesel e biogas). Nei percorsi di seconda generazione si ha il concetto di bio-raffineria, cioè da cv da biomassa e residui, si ottengono prima prodotti ad alto, medio, basso valore aggiunto e solamente alla fine si ottiene energia e si ha il riciclo e il riutilizzo dei rifiuti.

Processo chimico: biogas

Cos'è il biogas?

Una miscela di vari tipi di gas prodotti dalla fermentazione batterica in anaerobiosi (mancanza di ossigeno) di residui organici.

• L’intero processo di produzione di biogas si basa sulla decomposizione del materiale organico da parte di alcuni tipi di batteri che producono anidride carbonica, idrogeno molecolare e metano (metanizzazione dei composti organici).
• Il biogas si distingue dal cosiddetto “compostaggio” che avviene in ambiente aerobico.

Il compostaggio è costituito da sostanza organica stabilizzata e parzialmente umificata, sostanze minerali, acqua e microrganismi. È un processo che avviene in presenza di ossigeno dandoci acqua, calore e CO2. Indipendentemente dalla tecnica adottata ci sono una serie di passaggi che sono:

1. Preparazione della miscela di partenza, che è correlata alla tipologia di residuo trattato.
2. Fase di degradazione biologica (bio-ossidativa) che può essere attuata tramite sistemi semplificati o tramite sistemi complessi.
3. Fase di maturazione che consiste nel completare la fase di trasformazione e stabilizzazione del prodotto.
4. Raffinazione e mobilitazione del prodotto, che riguarda le operazioni necessarie per avere un prodotto con caratteristiche qualitative costanti, e i requisiti commerciali richiesti.

Composizione del biogas

Il biogas è costituito da 50-80% Metano; 20-30% CO2; e una piccola % di ammoniaca, prodotti dello zolfo (H2S acido solfidrico) e Idrogeno.

La diffusione in Europa

La sua diffusione è incominciata nel settore della stabilizzazione dei fanghi di depurazione. È considerata una delle tecnologie migliori per il trattamento delle acque reflue industriali ad alto carico organico. Il recupero di biogas dai rifiuti urbani rappresenta in Europa la fonte di energia alternativa più importante.

La Germania è il Paese europeo nel quale la digestione anaerobica ha avuto il maggior impulso. Circa il 94% degli impianti di biogas operano in co-digestione, trattando assieme ai liquami zootecnici altri substrati organici, scarti dell’agroindustria, scarti domestici e della ristorazione, soprattutto colture energetiche (mais, sorgo zuccherino, barbabietola da foraggio, patate ecc.) e residui colturali.

La situazione in Italia

In Italia la maggior parte di impianti di digestione anaerobica basati su liquami zootecnici sono 72, in particolar modo nel Nord e centro Italia. Le biomasse interessate sono: deiezioni animali, scarti dell’industria e di macellazione, residui colturali, colture energetiche dedicate. L’Italia è al 3° posto nel mondo, dopo Germania e Cina per la produzione di Biogas.

Da cosa si produce bio-gas

Le materie prime utili alla produzione di biogas sono numerose e molto diversificate tra loro: colture dedicate, scarti agricoli, scarti dell’industria agricola, resti animali o vegetali, liquami zootecnici ed escrementi animali, ma anche rifiuti organici urbani. Sono state sviluppate tecnologie ed impianti specifici che tramite l’utilizzo di batteri in appositi “digestori” sono in grado di estrarre biogas:

• biogas dai rifiuti organici urbani (preferibilmente da raccolte differenziate);
• biogas dal letame degli allevamenti intensivi;
• biogas da fanghi di depurazione;
• biogas dai residui dell’agro-industria.

Come si utilizza il bio-gas

Il biogas è formato prevalentemente da metano, pertanto con un necessario processo di depurazione e separazione di altri componenti (per esempio, anidride carbonica e zolfo), può essere usato come biometano per autotrazione (auto e veicoli a metano). Quest’ultima applicazione ha trovato buon successo in Paesi dell’Europa centrale e settentrionale quali Svizzera, Germania, Svezia ecc., e in via sperimentale anche in Italia costituisce una delle più concrete promesse nel campo della mobilità eco-sostenibile. Il biogas prodotto dal trattamento di matrici solide (definito a secco) può essere utilizzato per la combustione in caldaie da riscaldamento o per produrre energia elettrica e/o calore.

Impianti di produzione biogas

Esistono varie tipologie di impianti di produzione di biogas indirizzati a trattare matrici organiche differenti, liquide o solide. Gli impianti di biogas a secco sono idonei al trattamento di matrici prevalentemente solide e non hanno bisogno di liquami per il loro funzionamento: l’acqua necessaria al processo è legata all’umidità del materiale utilizzato per alimentare l’impianto. Le componenti principali di un impianto a biogas sono il sistema di miscelazione matrici all’interno del fermentatore/digestore, il caricatore di matrici solide e il sistema di filtrazione del biogas prodotto. Nel dettaglio un impianto di produzione per biogas è composto da:

1. Serbatoio in cui la biomassa è depositata e periodicamente ne viene aggiunta di fresca.
2. Dispositivo di regolazione della portata che è utilizzata negli impianti ad umido e consente al liquame (refluo zootecnico) di entrare per gravità nell’impianto.
3. Miscelatore la cui miscelazione può essere effettuata o tramite ventole o tramite ricircolo forzato per garantire una certa omogeneità della massa all’interno del digestore in modo tale da evitare la formazione di sedimenti ed areare l’ambiente.
4. Digestore che deve essere ermetico, chiuso, coibentato e fatto in calcestruzzo dove la massa organica precipita nella parte inferiore mentre il biogas sale verso la parte superiore.
5. Recipiente esterno dove viene convogliato il digestato.
6. Serbatoio finale di stoccaggio del biogas chiamato gasometro (stoccaggio temporaneo). La T all’interno di questo serbatoio è mantenuta sopra i 15°C.

Impianti a secco

Negli ultimi anni si sta sviluppando il processo di Digestione Anaerobica a secco, con impianti tecnologici che derivano dal trattamento della FORSU. Con tale tecnica le matrici in ingresso al trattamento sono palabili con un contenuto in solidi totali compreso tra il 20 e il 25%. Sono costituiti da batterie di biocelle anaerobiche a funzionamento discontinuo. Il carico e lo scarico avvengono con pala.

Impianti a umido

Negli impianti a umido, la matrice è costituita da liquami e da una piccola parte di prodotto o sottoprodotti agro-industriali palabili (che si possono trasportare con la pala). Successivamente vi è la digestione anaerobica WET, poi la separazione liquido-solido; stoccaggio digestato e infine trattamento del digestato. La differenza tra impianto a umido e quello a secco consiste nell’utilizzo di matrici liquidi (per l’impianto a umido) e matrici solide (per l’impianto a secco).

Benefici ecologici e aziendali di entrambi gli impianti

Profilo ecologico (ambiente)

• Calo delle emissioni di metano e ammoniaca
• Riduzione in via indiretta dei gas serra
• Minore emissione di composti organici volatili non metanici
• Sostituzione delle fonti combustibili fossili

Per l’azienda agraria

• Risparmio energetico o possibilità di cedere energia ad altri
• Abbattimento degli odori
• Accelerazione del processo di stabilizzazione dei liquami stoccati

Digestione anaerobica

Questa reazione biochimica della digestione anaerobica è effettuata da batteri che appartengono al gruppo Archea Methanobacteriales, e fanno parte dell’ordine dei Methanococcales, Methanomicrobiales. Sono batteri metanogeni e chemioautotrofi (producono energia dall’ossidazione di prodotti inorganici) e usano diverse vie metaboliche per produrre metano. La metanogenesi ossia la produzione di metano, avviene ad una T di 30°C, con un pH neutro e in 60 giorni circa.

Le fasi sono 3:

1. IDROLISI E ACIDIFICAZIONE (acidogenesi) DEI SUBSTRATI ORGANICI (proteine, grassi e carboidrati) con formazione di acidi grassi volatili (acido acetico, propionico e butirrico), chetoni ed alcoli.
2. ACETOGENESI DEGLI ACIDI GRASSI in cui si ha la formazione di acido acetico, acido formico, idrogeno e CO2.
3. METANIZZAZIONE in cui si ha la formazione di metano usando acido acetico o attraverso la riduzione della CO2 utilizzando l’Idrogeno come co-substrato.

La velocità di degradazione della s.o non è uguale poiché dipende in base al contenuto di cellulosa, emicellulosa, proteine, grassi e carboidrati. La reazione è più lenta dalla cellulosa ai carboidrati, mentre dai carboidrati alla cellulosa è più veloce. La velocità di degradazione varia in base alla T adottata in quanto:

• Processo psicrofilo (<25°C) la reazione dura 60-90 giorni;
• Processo mesofilo (30-38°C) la reazione dura 20-40 giorni;
• Processo termofilo (40-55°C) la reazione dura 10-20 giorni.

Il biogas può essere utilizzato:

• In caldaia per produrre energia termica;
• In motori a combustione interna per produrre energia elettrica a corrente alternata dall’alternatore;
• In cogeneratori per la produzione combinata di energia elettrica e termica;
• Per l’autotrazione utilizzando solamente metano;
• Immessso nella rete di distribuzione nazionale come metano.

Le principali sostanze usate come matrice organica sono:

• Effluenti zootecnici come liquami e letami bovini, suini.
• Secondi raccolti come sorgo, triticale, loietto ed erba medica.
• Sottoprodotti agricoli come paglia, fienacci, stocchi di mais.
• Residui agro-industriali come vinacce e altri sottoprodotti.
• Insilati di primo raccolto.

Digestato

Il prodotto finale (sottoprodotto solido) è il digestato la cui connotazione giuridica è dettata dalla qualità delle biomasse trattate e dalla sua destinazione. Nel caso di colture energetiche e reflui di allevamento, la Direttiva Nitrati ne consente la destinazione agronomica su terreni considerando il carico di N dai reflui e l’N delle biomasse vegetali come N chimico e non organico. Il digestato può essere valutato in ambito agronomico per i rischi igienico-sanitari valutando la contaminazione microbiologica e quella chimica da metalli pesanti. L’altra cosa che si valuta è la capacità fertilizzante tramite il Test di fitotossicità e la presenza di semi infestanti.

Applicazioni delle varietà transgeniche

Miglioramento delle caratteristiche qualitative e resistenze agli erbicidi (OGM di 1° generazione)

DNA ricombinante

Il DNA ricombinante è un frammento di DNA che può essere modificato e inserito in altre cellule per essere copiato più volte (amplificato) ed espresso. È ottenuto dalla combinazione di materiale genetico di diversa origine.

Il DNA ricombinante viene utilizzato per:

• Ottenere frammenti specifici di DNA in grandi quantità;
• Studiare la sequenza di determinati frammenti genici;
• Identificare particolari sequenze in un cromosoma;
• Studiare le modalità di espressione e regolazione genica;
• Creare piante o animali transgenici;
• Diagnosticare e curare malattie genetiche.

Nasce negli Stati Uniti nei primi anni ’70. Questa tecnica permette di tagliare piccole sequenze di DNA per trasferirle in genomi di altre cellule. Gli enzimi di restrizione tagliano il DNA a livello di specifiche sequenze chiamate siti di restrizione. Le DNA-ligasi cuciono i frammenti formando DNA ricombinante.

Utilizzo del plasmide Ti (un plasmide che proviene dal batterio del suolo Agrobacterium tumefaciens) come vettore per modificare geneticamente le piante: con gli OGM di 1° generazione si è avuto un miglioramento delle caratteristiche nutrizionali, in particolar modo si è migliorata:

• La composizione aminoacidica;
• La composizione lipidica;
• La composizione vitaminica.

Composizione amminoacidica

La composizione amminoacidica varia in relazione alle specie e le principali fonti proteiche sono i semi di cereali delle leguminose, solo che i semi delle leguminose sono carenti in lisina, mentre i semi di cereali sono carenti in cisteina e metionina. Le soluzioni per sopperire alla carenza amminoacidica sono:

1. Il consumo bilanciato di entrambi i tipi di semi e dei loro derivati;
2. La trasformazione genetica finalizzata a modificare la composizione proteica dei semi, in particolar modo si ha la de-regolazione del percorso biosintetico degli amminoacidi essenziali.