Chimica delle biomasse

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

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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 .

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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

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alcoli accumulati dal passaggio precedente.

 Metanogenesi: il metano può essere prodotto secondo due reazioni

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

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

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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:

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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

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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.

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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]:

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 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.

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 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

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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: