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I combustibili fossili sono causa di guerre e diatribe politiche. Con l’aumento dei consumi si è verificato l’aumento del

PIL. I giacimenti si stanno esaurendo per cui si stanno cercando nuove fonti (in Antartide o rinnovabili). I paesi arabi

stanno investendo molto sull’energia solare. Prima del 2008 il prezzo del barile era alto ma con l’arrivo della crisi si è

abbassato (a causa dei minori consumi). Il prezzo basso del petrolio fa sì che non vengano più fatti grandi investimenti

sullo sviluppo energie rinnovabili in quanto il petrolio risulta più conveniente. Ultimamente però il prezzo del petrolio

sta crescendo nuovamente soprattutto perché le quantità stanno scemando. Con il progressivo esaurimento del

petrolio, l’America si sta impegnando nell’estrazione dello shale gas: questo è un gas aderente alle argille, difficile da

estrarre e di conseguenza molto costoso. In America è presente in grande quantità. Gli USA avevano iniziato ad

estrarlo quando il prezzo del petrolio era molto alto, ma poi con l’abbassarsi del prezzo del barile l’estrazione è stata

bloccata. Un vantaggio dei pozzi per l’estrazione dello shale gas è che una volta chiusi possono essere riaperti, a

differenza di quelli petroliferi. Green economy

Come è possibile contrastare l’effetto serra? E il riscaldamento globale? Come è possibile ridurre il consumo di

combustibili fossili?

L’economia verde prevede di avere dei sistemi produttivi che riducano o eliminino il consumo di combustibile fossile.

In questo modo sarebbe possibile creare tutto ciò che si produce abitualmente ma senza utilizzare risorse non

rinnovabili. La fotosintesi è il modo più efficiente di immagazzinare energia solare. Un processo industriale necessita

di 100 volte l’energia che necessita un sistema biochimico. La biomassa che ne deriva può essere usata come risorsa

rinnovabile in quanto è disponibile in quantità praticamente illimitate, è biodegradabile e quindi non altera il ciclo del

carbonio e può esser impiegata anche come materia prima o come intermedio per altre produzioni. La combustione di

una biomassa non contribuisce all’effetto serra, si dice essere neutra. Anche gli input per l’agricoltura come i

fertilizzanti, il biometano per le macchine agricole possono impiegare fonti rinnovabili derivanti dalla fotosintesi.

Una fonte rinnovabile può ritornare nel ciclo in un tempo compatibile con la vita umana. L’anidride che deriva dalla

combustione di biomasse ha un ciclo molto corto, quindi è rinnovabile. Ad esempio una molecola di anidride che

ritorna ad essere quella che era una volta (es.: petrolio) ma in tempi molto più lunghi (milioni e milioni di anni) non

può essere considerata una fonte rinnovabile.

Se tutto venisse prodotto con la biomassa si avrebbe un ciclo corto: non aumenterebbe l’anidride perché il carbonio

stoccato milioni di anni fa non verrebbe riportato in atmosfera; la CO messa in circolo deriverebbe sostanzialmente

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da attività fotosintetica che quindi può velocemente tornare ad essere fissata.

La biobased economy è quindi un’economia di sviluppo basata sull’uso di fonti rinnovabili (biomassa, energia

fotoelettrica, eolica, geotermica o idroelettrica).

La biomassa può essere impiegata per produrre qualsiasi cosa. È così che si trasforma il concetto di sistema

agroindustriale, il quale diviene non solo il sistema deputato alla produzione di alimenti ma un sistema produttore

anche di servizi e prodotti estranei all’alimentazione denominato agribusiness, questo processo si riflette anche

sull’agricoltore che ha la possibilità di diversificare la sua produzione e di essere parte integrante di una filiera alla

quale precedentemente non aveva accesso. Da produttore di materie prime egli diventa protagonista del mercato:

l’azienda agricola può diventare una vera e propria bioraffineria in cui si producono biocombustibili (biometano,

bioetanolo), intermediari energetici (biogas, calore, elettricità, H ), prodotti chimici (acidi organici, proteine, fenoli…) e

2

altri beni come fertilizzanti adesivi, coloranti e fibre. Una bioraffineria unisce la produzione di prodotti (cibo, alimenti

per animali) e di energia. Ad esempio anche sottoprodotti come il siero di latte può dare origine a nuovi prodotti:

attraverso la sua fermentazione si ricava una bioplastica. I redditi delle bioraffinerie rappresentano un aspetto

economico importante: la bioeconomia muove milioni di euro.

Ma perché le fonti rinnovabili?

Il petrolio è una fonte che si sta esaurendo, ha dei prezzi molto variabili ed è distribuito in modo irregolare. I paesi

poveri impiegano le loro riserve monetarie per comprarlo. L’uso di fonti rinnovabili può diminuire l’effetto dei gas

serra. Inoltre con le rinnovabili è possibile un nuovo sviluppo di aree rurali e dell’agricoltura.

Tra i biocarburanti (biometano, bioetanolo, biodiesel) cosa è meglio produrre? Il biometano è più pulito del

bioetanolo: per produrre un litro di bioetanolo viene impiegata una quantità di energia maggiore rispetto a quella che

in realtà il biocombustibile contiene. In questo modo il bioetanolo non è una fonte rinnovabile perché l’energia

prodotta deve superare quella utilizzata. Per rendere la produzione di bioetanolo sostenibile è necessario impiegare i

residui agricoli e agroindustriali, come ad esempio le parti non edibili delle colture che altrimenti sarebbero scartate (è

il cosiddetto combustibile di seconda generazione) e non solo la granella (prima generazione). La canna comune

(Arundo donax) ha un’elevata resa per ettaro (70t/ha di sostanza secca) che si traducono in 14t di zucchero. L’anidride

carbonica che deriva dalla combustione di benzina e biometano è la stessa, ma il fattore che differenzia i due composti

è l’origine di questo carbonio.

Il mais impiegato per la produzione di bioetanolo ha una resa energetica molto più bassa rispetto alla stessa coltura

utilizzata per la produzione di biogas: le rese energetiche di biogas sono superiori di tre volte quelle di bioetanolo.

L’Europa ha una SAU ridotta che solo in minima parte potrà essere usata per colture energetiche: essa sarà invece nel

prossimo futuro il primo importatore di biomassa. In ogni caso nel nostro piccolo possiamo fare qualcosa. 35.000 ha in

Lombardia sono attualmente destinati alla produzione di bioenergia: sono solo il 4% della SAU. L’impiego di terre per

la produzione di colture energetiche viene spesso associato ad una riduzione di terre coltivate con colture destinate

all’alimentazione umana. Si pensa quindi che destinare più ettari alla coltivazione di colture energetiche possa

interferire con la food security. Ma il reale problema non sono le quantità di cibo prodotte, bensì la mal organizzata

distribuzione dello stesso. Dagli anni ’80 ad oggi il numero delle persone obese è aumentato circa del 5% in entrambi i

sessi.

Il 62% delle terre coltivate è destinato alla produzione di cibo e ben il 35% è coltivato per l’alimentazione animale.

Solo il 3% di terre arabili è destinato alle colture energetiche.

La trasformazione di un alimento vegetale in un alimento animale è estremamente onerosa in termini energetici. Se le

terre usate per l’alimentazione animale fossero destinate direttamente a quella umana produrrebbero il 50% di cibo in

più. Produrre carne, soprattutto da bovini, ha un costo elevato, impiega spazio, produce metano e ha una bassa

efficienza di conversione della proteina vegetale in proteina animale (bassa efficienza energetica di trasformazione).

Pollo, pesce e maiale sono più sostenibili (si emette meno CO rispetto alla produzione di carne bovina). Le proteine

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animali non sono sostenibili: il 15% delle emissioni globali di gas serra è dovuto all’allevamento intensivo di animali da

carne, l’8% dell’acqua è destinata all’allevamento (inclusa quella per l’irrigazione dei campi) e il 26% della superficie

terrestre è impiegata per il pascolo. 54cal di combustibile fossile sono utilizzate per la produzione di 1cal di carne,

mentre vengono impiegate 3cal per produrre 1cal di frumento e mais e 2 per 1cal di soia. Produrre proteine da insetti

è molto più sostenibile che produrre proteine da animali: 10kg di alimento danno 9 kg di insetti o 1kg di carne bovina.

La composizione dell’insetto è anche interessante dal punto di vista nutrizionale (72% proteine, 16% grassi polinsaturi,

12% carboidrati). La CO emessa per la produzione di carne bovina è pari a 285 g. mentre la CO emessa per la

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produzione di insetti: 0,157 g.

La spirulina è ottenuta da microalghe; un cucchiaino contiene fino a 4 g di proteine. L’alga nonostante sia coltivata in

acqua è quella che ha le minori esigenze idriche. La carne bovina è la produzione alimentare che ne richiede di più.

Ogni anno in Europa circa 900 milioni di tonnellate di cibo, carta, legno, vengono buttati. In Italia, per persona, si

sprecano 146kg di cibo all’anno. Nel complesso ogni anno 1/3 della produzione mondiale di cibo viene persa. Questo

3

si traduce in anidride carbonica emessa inutilmente (3,3 miliardi di tonnellate), in 250km di acqua sprecata e di 1,4

miliardi di ha utilizzati (il 28% delle terre coltivabili). Non è vero che il rifiuto è più produttivo rispetto alla coltura

energetica vera e propria. Se si fosse coltivato direttamente mais per energia, anziché produrlo per alimentazione e

poi scartarlo, la spesa energetica sarebbe stata minore.

Biogas

Il biogas è un biocombustibile gassoso ottenuto dalla fermentazione (digestione anaerobica) di materiali e residui di

origine organica, animale o vegetale. La digestione anaerobica è attuata da microrganismi che accumulano come

prodotto del loro metabolismo il biogas. Il biogas è composto al 60% da metano e dal 40% di anidride carbonica. La

sua componente energetica, il metano, riesce ad essere separata facilmente dagli altri componenti. Da questo

processo fermentativo si ottiene anche il digestato: esso è composto prevalentemente da lignina e cellulosa e, se i

livelli di metalli pesanti sono bassi, può essere impiegato come fertilizzante. È un processo molto conveniente e

versatile perché si può utilizzare qualsiasi tipo di sostanza organica per produrlo. Il processo produttivo del bioetanolo

invece esige come materia prima zucchero (da canna da zucchero, mais…): in Italia non è conveniente produrlo in

quanto non c’è una superficie adeguata. L’Italia è il terzo paese produttore di biogas (1500 impianti, di cui 400 il

Lombardia). La Cina è al secondo posto e la Germania è al primo (9000 impianti).

Il metano è una molecola altamente energetica in

quanto ridotta. Il contenuto di energia per unità di

massa è pcs=55,5 MJ/kg, ovvero circa 1,2 volte i

combustibili liquidi. L’unico difetto è il suo stato

gassoso: si hanno MJ per unità di volume molto ridotti

(va quindi compresso). È uno dei combustibili con le

emissioni più basse in termini di PM, NO e anche CO .

x 2

Le auto elettriche inquinano allo stesso modo di quelle

a benzina perché per produrre energia si usano

combustibili fossili; esse inquinano solamente in

momenti/luoghi diversi. Le auto a biometano invece

inquinano molto meno. Nel calcolare il bilancio delle emissioni bisogna considerare anche l’energia (fossile o no)

usata per produrre la S.O. In Svezia il 60% di metano venduto nei distributori deriva da biogas purificato.

Il biogas può essere impiegato per un uso energetico diretto: la cogenerazione nei motori diesel dei mezzi agricoli o di

mezzi di trasporto. Oppure può essere immesso nella rete locale del gas (uso differito) a media pressione. La Germania

vuole coprire il 10% della domanda nazionale con biogas entro il 2020.

La reazione generica del processo di digestione anaerobica si divide in quattro fasi:

 Idrolisi: consiste nella degradazione di composti organici complessi come proteine, carboidrati e grassi; i batteri

infatti necessitano di un substrato semplice da poter utilizzare.

 Acidogenesi: i composti solubili derivati dall’idrolisi vengono metabolizzati da microrganismi acidogenici

fermentanti con la formazione di acidi organici e alcoli.

 Acetogenesi: i batteri acetogeni producono acido acetico (CH COOH), CO e H utilizzando gli acidi organici e gli

3 2 2

alcoli accumulati dal passaggio precedente.

 Metanogenesi: il metano può essere prodotto secondo due reazioni

 La dismutazione anaerobica dell’acido acetico: CH COOH → CH + CO

3 4 2

 L’ossidazione anaerobica dell’idrogeno a metano: CO + 4H → CH + 2H O

2 2 4 2

I 4 processi avvengono tutti contemporaneamente. La digestione anaerobica è un processo strettamente anaerobio. I

composti finali sono metano e CO . Dalla degradazione di molecole complesse si formano molte moli di acido acetico:

2

esso, se presente in concentrazioni elevate, inibisce la fase di metanogenesi.

La fase acidogena comprende i primi tre stadi del processo di digestione: si verifica un aumento degli acidi organici e

degli acidi grassi volatili (AGV) che causano un abbassamento del pH (un pH acido favorisce i batteri acidogeni ma

inibisce quelli metanogeni). Nella fase acidogena si produce un biogas ricco di anidride carbonica.

La fase metanigena si riferisce all’ultimo passaggio: essendo una fase riduttiva, si registra un abbassamento della

concentrazione di AGV e quindi un innalzamento del pH (7-8) che favorisce l’attività metabolica dei batteri

metanogeni. In questo stadio la concentrazione di anidride scende e aumenta quella di metano. Questa è la fase

debole del processo: i batteri metanogeni sono sensibili agli acidi grassi, all’O e al pH eccessivamente acido. Quindi

2

appena vengono prodotti, gli acidi devono essere consumati in modo da mantenere l’equilibrio e permettere la

metanogenesi.

Il metano ottenuto è separato dall’anidride e viene stoccato in polmoni (palloni). I processi che subisce sono la

desolfurazione e il raffreddamento per eliminare l’acqua. Viene prodotto anche idrogeno che può essere utilizzato per

formare biometanolo: H + CO → biometanolo.

2 2

La digestione anaerobica è in pratica la gestione di un processo naturale: un legame chimico complesso di matrice

organica (da reflui, insilati, frazione organica dei rifiuti) viene trasformato in composti semplici mediante applicazioni

biotecnologiche. In realtà non si produce nuova energia, ma si trasforma un legame chimico a basso valore energetico

in uno ad alto valore energetico.

Per ottimizzare il processo si controllano le condizioni che accelerano la fase metanigena e favoriscono questo ceppo

batterico (pH e [AGV]). Per favorire le condizioni metanigene stabili si bilancia il rapporto tra digestato e materiale

fresco: il digestato è un ottimo sito di inoculo per i batteri metanogeni e aiuta a tamponare l’acidità causata dalle

prime fasi di degradazione della sostanza organica.

Parametri di processo da controllare in un digestore:

 Alcalinità totale: rappresenta la capacità del sistema di accettare protoni; si esprime come la concentrazione di

CaCO mg/L. Valori medi in digestori stabili variano da 3000 a 5000 mg /L.

3 CaCO3

 Rapporto AGV/alcalinità: la concentrazione degli acidi grassi volatili e l’alcalinità sono i due parametri che

mostrano una più rapida variazione quando il sistema tende ad allontanarsi da condizioni di stabilità. La [AGV] è

espressa come concentrazione di acido acetico nel volume di materiale (mg/L). La [AGV] in un digestore può

variare tra 500 e 5000 mg /L e non deve essere superiore a 6000 mg/L. Per questo valore è importante la

Ac

variazione nel tempo che indica se il sistema si sta dirigendo verso la fase acidogena piuttosto che verso quella

metanigena. Valori del rapporto intorno a 0,3 indicano un’operatività stabile del digestore.

 [NH ]: un’elevata concentrazione di ammoniaca può inibire batteri acidogeni e metanogeni. Intervalli di [C]:

3

 200-1500 mg/L: mai tossica

 1500-3000 mg/L: inibente se il pH è minore di 7,4

 3000 mg/L: sempre inibente

La concentrazione di ammoniaca è importante per tamponare nel sistema l’accumulo di acidi grassi volatili.

 pH: un valore tra 7-8 è ideale e indica un equilibrio tra la fase acidogena e quella metanigena; il valore del pH

dipende dai parametri sopra descritti.

 [CH ]: se tale valore dovesse scendere al di sotto del 50% si avrebbe un’inibizione della fase metanigena.

4

 Rapporto C/N: dev’essere compreso tra 10 e 30.

 [NaCl]: non deve superare 500mM

Identificazione di problemi del processo:

Una bassa % di metano nel biogas può manifestarsi con il variare di molti fattori:

 pH acido: se il pH è 5,5 il metano non è presente (esso deve raggiungere il 60-70%). Con un pH acido l’attività

metabolica dei metanobatteri è inibita. Se il pH risulta basso vuol dire che il processo sta producendo troppi acidi,

più di quanti i metanobatteri riescono ad usare. Se gli acidi grassi sono eccessivi (>6000) il processo non è in

equilibrio e quindi l’attività metanogenica è bassa. Gli acidi grassi prodotti non vengono prontamente convertiti in

metano: si verifica un sovraccarico del reattore, significa che è stata fornita troppa sostanza organica all’impianto.

 pH alcalino: se il pH è alto si può avere un accumulo di NH (derivante dalla deamminazione degli amminoacidi); i

3

metanobatteri sono molto sensibili all’ammoniaca. Un pH basico può essere causato anche dall’uso di una

biomassa salina che impedisce una normale attività dei batteri a causa dell’alto potenziale osmotico.

 AGV/alcalinità>0,3: in presenza di un’alta concentrazione di acidi grassi volatili e di ammoniaca è utile controllare

il rapporto AGV/alcalinità. Un valore superiore a 0,3 aggiunto ad una [AGV] maggiore di 6000 indicano un

sovraccarico del sistema.

 Presenza di inibitori: se il rapporto AGV/alcalinità è <0,3 e tutti gli altri parametri sono nella norma potrebbero

essere presenti antibiotici, fitofarmaci, acidi organici e metalli pesanti che inibiscono l’attività batterica.

Sovraccarico del sistema, le soluzioni sono:

 Interruzione dell’alimentazione

 Diluizione della concentrazione di AGV (ricircolo di digestato)

 Aggiunta di agenti alcalinizzanti (NaCO )

3

Accumulo di NH (ad esempio con l’uso di molto refluo suino, molto ricco di ammoniaca) e salinità, le soluzioni sono:

3

 Interruzione del ricircolo del digestato

 Diluizione della concentrazione di NH 3

 Diluizione con acqua

 Aumento dell’alimentazione (se le condizioni lo permettono)

Presenza di inibitori, le soluzioni sono:

 Controllo dei materiali in ingresso: controllo degli antibiotici!

Il materiale che può essere impiegato in un digestore ha diverse potenzialità produttive: in ordine crescente sono le

deiezioni, le colture energetiche, i rifiuti e i sottoprodotti/scarti. Produce di più qualcosa a base di lipidi, più

concentrato, non predigerito come i liquami. Ad esempio, il siero di latte essendo molto diluito è poco produttivo,

mentre il potere calorifico dell’olio è molto alto. La lignina prevede un lungo tempo di digestione: si può reinserire

però gradualmente la parte di digestato non completamente degradata favorendo una maggiore resa per la lignina.

Le colture energetiche vengono insilate nello stesso modo sia per alimentazione del bestiame, sia per la produzione di

biogas. Ma non è un problema se la sostanza organica insilata, destinata alla produzione di biogas, produce anche

acido acetico (da evitare invece per l’insilamento di mangimi).

Costi di approvvigionamento biomassa:

 La coltura energetica ha dei costi di produzione non indifferenti: circa 5 centesimi kW/h

 Liquami e letami hanno costo zero

 I sottoprodotti hanno costi variabili ma generalmente elevati

 I rifiuti organici hanno un costo negativo: 80 centesimi al kg di guadagno; il loro trattamento per la produzione di

biogas risolve il problema dello smaltimento.

Criteri di classificazione dei sistemi di digestione anaerobica:

In base al contenuto di sostanza secca nel digestore si distinguono i processi a umido, a semi secco e a secco. Nel

processo a umido la massa ha un contenuto di sostanza secca inferiore al 10-12%. Nel processo a secco il contenuto di

sostanza secca è maggiore del 20%. Grazie alla consistenza semisolida si ha più adattabilità a diversi impianti. Il

processo semi secco è un intermedio (10-20% ss).

Secondo la separazione o meno delle fasi biologiche i sistemi si differenziano in:


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie agrarie
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher marcianodeme di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica delle biomasse e produzione di bioenergia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Adani Fabrizio.

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