Domande Uso e riciclo delle biomasse agroalimentari

Domande sulle biomasse

Definizione di biomassa, bio-macromolecole, fotosintesi e biodegradabilità

Una biomassa è definita come la massa totale di organismi presenti in un tempo in un determinato volume di acqua o di terra; si tratta quindi di materiale organico che deriva dalla fotosintesi per generare energia. La definizione del CEN dice che una biomassa è un materiale biologico formato nelle ere geologiche o trasformato nelle ere fossili, quindi è tutto ciò che è base organica che deriva dalla fotosintesi e che non è di origine fossile.

Le biomasse possono essere quindi scarti delle trasformazioni alimentari che derivano dall’agricoltura, lavorazione, allevamento o dai rifiuti post-consumer come la FORSU. Una biomassa è una sostanza organica che segue la chimica del carbonio che può avere diverse tipologie di legami passando da molecole semplici a macromolecole dove si hanno numerosi atomi legati tra di loro e che sono la quota maggiore della biomassa.

In particolare, le macromolecole sono: carboidrati, che possono avere funzione di riserva energetica o strutturale come amido e cellulosa, emicellulosa, pectine che insieme vanno a formare il complesso ligno-cellulosico; le proteine hanno un valore maggiore se contengono amminoacidi essenziali; i lipidi sono acidi grassi legati al glicerolo con funzione energetica e quelli di maggiore rilevanza sono omega-3 e omega-6. Infine, si hanno vitamine e antiossidanti che sono presenti in piccola quantità ma hanno un elevato valore aggiunto per le loro caratteristiche.

Con la fotosintesi si ha la produzione di biomasse vegetali partendo da CO₂ e luce e ottenendo ossigeno ed energia; nelle biomasse si ha quindi un accumulo di energia solare che viene trasformata in energia chimica e può essere rilasciata in diverse forme con diverse attività metaboliche che possono essere respirazioni o fermentazioni. Da qui nasce il concetto di biodegradabilità che si definisce come la capacità di una massa di essere utilizzata in tempi brevi dagli organismi viventi conoscendo il tipo di organismo, le condizioni chimico-fisiche e il tempo a disposizione.

La biodegradabilità può essere intrinseca, ovvero legata alle caratteristiche della biomassa, o estrinseca e quindi legata alle condizioni ambientali. L’opposto della biodegradabilità è la recalcitranza, ovvero la tendenza di una massa a non essere utilizzata dagli organismi; anche questa dipende dalle condizioni ambientali di acqua, pH, ossigeno e temperatura e dalle caratteristiche intrinseche della biomassa, quindi dall’aspetto chimico che dipende dai legami presenti e dall’aspetto fisico in base alla struttura del complesso lignocellulosico. Nel caso dei legami chimici, quando per esempio si ha la presenza di un anello aromatico, si ha una struttura più recalcitrante; fondamentale è poi il complesso lignocellulosico che condiziona l’aspetto fisico e che è caratterizzato da una parte centrale con la cellulosa organizzata in fibrille più o meno cristallina, poi si ha la presenza di emicellulose e pectine e infine la lignina che ha il ruolo di protezione fisica esterna in quanto è idrofobica per la sua origine aromatica.

Secondo la legge del 2003, una biomassa è la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti, e i residui provenienti dall’agricoltura, silvicoltura e industria interconnessa; nel 2011 sono state comprese altre componenti come pesca, acquacoltura e sfalci e potature.

Caratterizzazione delle biomasse

Le biomasse possono essere caratterizzate dal punto di vista chimico tenendo conto di diversi parametri: fondamentale è il contenuto di sostanza secca espresso in %SS sul tal quale; questo va a esprimere l’acqua presente nella biomassa e va a influenzare la conservazione, il trasporto e l’effetto di diluizione della biomassa stessa in quanto è legata alla crescita microbica e allo spazio necessario per il trasporto e la distribuzione, quindi è un costo. In genere si ha un contenuto SS pari al 23-50% e nel caso di farine la SS è maggiore, mentre è minore per rifiuti non solidi.

Importanti poi sono i solidi volatili SV che sono la sostanza organica che si ottiene tramite una volatilizzazione a 550°C dove il residuo è rappresentato dalle ceneri. In genere si hanno SV elevati e sono minori per biomasse già digerite come la FORSU. Importante è poi la composizione elementare espressa sulla % di SS, quindi si determina il contenuto di carbonio che è quello maggiormente presente, poi azoto, fosforo, metalli. Per quanto riguarda l’azoto, si può considerare il TKN che va a esprimere la concentrazione di azoto che è di fondamentale importanza per la crescita microbica e un parametro fondamentale è il rapporto C/N in quanto N va a limitare la crescita. Si hanno poi il rapporto O/C, che in caso di ossidazione diminuisce, e il rapporto H/C che in anaerobiosi aumenta.

Per quanto riguarda la composizione macromolecolare, si va a determinare il contenuto di fibre rappresentato da cellulosa ed emicellulose e poi l’ADL, ovvero la frazione di lignina che è quella maggiormente recalcitrante, mentre il CL rappresenta il cellulare solubile e quindi è la parte più degradabile. Determinando questi parametri si va a vedere la digeribilità della biomassa e vengono determinati con il metodo Van Soest che è un metodo chimico che utilizza detergenti e acidi con diversi lavaggi per determinare le due frazioni principali di ADL e CS che hanno un rapporto diverso.

Si hanno poi i grassi che vengono determinati con l’estratto etereo o con il metodo Soxhlet che utilizza l’estrazione con solventi apolari; il contenuto di grassi è un’informazione importante nel caso della produzione di biodiesel e in più interessa la presenza di omega-3 e omega-6, il potere calorifero e il valore nutrizionale.

Infine, si hanno i microelementi che interessano per il contenuto di molecole tossiche che inibiscono i microrganismi e per le molecole ad elevato valore aggiunto che hanno un costo maggiore e sono rappresentate da polifenoli, antiossidanti, carotenoidi; questi ultimi sono presenti in piccole quantità ma sono proficui.

Proprietà biologiche

Le proprietà biologiche di una biomassa sono determinate con una misura biologica andando così a definire la recalcitranza o biodegradabilità; si va sottoporre la biomassa all’azione di microrganismi per stimare la sua tendenza ad essere degradata con un metabolismo di tipo aerobico o anaerobico. Questi test vengono fatti in base al tempo e in condizioni sperimentali costanti in modo che l’unico elemento limitante sia la sostanza organica stessa. Se una biomassa è stabile, allora è recalcitrante.

In particolare, esistono tre principali tipologie di test: il test aerobico viene fatto in tempi brevi, ovvero 20 ore, valutando il consumo di ossigeno e di conseguenza verrà degradata la frazione prontamente disponibile della biomassa. Si pone la biomassa con una quantità di acqua, micronutrienti a valori di pH ideali e a una temperatura di 37°C; si va a valutare il consumo di ossigeno con un elettrodo con intervalli di aerazione spinta. Si ottiene un grafico con il tempo espresso in ore in funzione del consumo di ossigeno: la pendenza è maggiore se il consumo è maggiore e il fattore limitante è il carbonio presente nella biomassa. Il valore che si ottiene è l’OD che viene espresso in mg di O₂/gSS in 20 ore.

Un altro test è quello della biodegradabilità intermedia con un test aerobico fatto in 4 giorni in condizioni solide valutando il consumo di ossigeno orario con un’insufflazione di aria continua; si ottiene un indice di respirazione dinamico nel tempo con un massimo di consumo. Il parametro che si ottiene è il DRI espresso in g di O₂/gSV h che è un parametro di processo per la digestione anaerobica.

Infine, si ha un test anaerobico che valuta la biodegradabilità totale con microrganismi metanigeni sensibili facendo un inoculo a 37°C senza ossigeno ma con un rapporto metano/CO₂ pari a 60/40. Si determina la quantità di biogas prodotto e il parametro è ABP espresso in kg/SS.

Altri due parametri importanti sono BOD e COD che vanno a esprimere il carico organico dell’acqua e di rifiuti liquidi come mg di O₂/L; il carico organico è la capacità di ossidare la sostanza organica in termini chimici e biologici: il COD è di tipo chimico, mentre il BOD è di tipo biologico e quindi è la stima della quota di carbonio presente che viene degradata dai microrganismi nell’arco di un tempo. Stimare il carico organico è utile per valutare il possibile rimpiego di una biomassa e spesso si considera il rapporto BOD/COD che è un’indicazione su quanta è la frazione facilmente biodegradabile rispetto al totale di carbonio presente.

Inoltre, le biomasse sono una forma altamente efficiente di stoccaggio di energia e l’utilizzo più immediato è la combustione, quindi PCI e PCS sono indicatori importanti; PCS è la quantità di energia termica che si ottiene con la combustione completa di 1 kg di combustibile considerando anche la tensione di vapore dell’acqua in quanto maggiore è l’umidità, minore è la combustione.

Rifiuto e sottoprodotto: scarti dell’industria alimentare

La direttiva 75/44 CEE definisce il rifiuto come una sostanza/oggetto di cui il detentore si disfi o di cui ha l’intenzione/obbligo di disfarsi; non si fa quindi riferimento a specifiche caratteristiche ma dipende dal detentore. Nel caso di obbligo, si hanno sistemi precisi e normati. Si tratta di un concetto dinamico ed è associato al concetto di sottoprodotto che è l’opposto e non è l’oggetto dell’attività principale di produzione ma deriva dei processi industriali ed è destinato a un ulteriore impiego/consumo; viene ottenuto alla fine del processo produttivo e ha requisiti merceologici e di qualità in quanto non deve dare emissioni o impatti ambientali negativi. Un sottoprodotto può essere utilizzato direttamente o può subire dei trattamenti semplici per essere poi utilizzato. Sottoprodotto e rifiuto quindi si distinguono in termini operativi.

Nel caso dell’industria agro-alimentare, si hanno diversi scarti generati nella fase pre-consumer con la produzione primaria, il food processing, la distribuzione che sono legati agli standard di qualità elevati che portano allo scarto di prodotti non idonei e che quindi devono essere gestiti, oppure si ha un fattore legato allo sviluppo tecnologico dell’industria alimentare. Nel caso della distribuzione si hanno scarti legati alla catena del freddo o a prodotti scaduti. In particolare, nel caso dei paesi sottosviluppati gli scarti generati si hanno a causa di mancanze dal punto di vista tecnologico, mentre in quelli sviluppati prevalgono gli scarti post consumer generati a casa come nel caso di cibo avariato, scarti della trasformazione del cibo che vanno a formare la FORSU. Ci sono scarti che sono residui industriali ubiquitari come nel caso della produzione di limone e derivati.