Uso e Riciclo delle Biomasse

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

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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

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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.

LO SCOPO: produrre a partire da biomassa rinnovabile composti utili a fini agronomici quali biofertilizzanti ed

ammendanti.

Economia lineare vs economia circolare riferiti alla produzione di fertilizzanti

La produzione tradizionale di fertilizzanti porta ad un inquinamento ambientale derivante dalle

problematiche di smaltimento correlate alla produzione agricola, in particolare zootecnica, con una bassa

efficienza generale ed un costo comportato dall’acquisto dei fertilizzanti necessari sul mercato, quando gran

parte degli elementi utili alle colture sono stati smaltiti (male) col refluo.

L’accentramento dell’allevamento zootecnico e la monocoltura hanno portato progressivamente ad un

eccessivo accumulo di N, P e K nei terreni agricoli delle zone con un’agricoltura più intensiva e sviluppata.

Ad oggi si assiste ad un più contenuto impiego dei fertilizzanti nei paesi sviluppati migliorando le efficienze,

per quanto riguarda i paesi in via di sviluppo si assiste ancora a consumi “di lusso” di questi beni.

La Lombardia è una regione estremamente industrializzata e popolata con un’elevata attività agricola che

determina una forte pressione ambientale.

Alla composizione del particolato atmosferico (PM e PM ) concorre anche l’emissione di NH proveniente

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in gran parte dall’agricoltura (45%). L’ammoniaca si combina con nitrati e solfati a formare i particolati.

La cattiva gestione della risorsa N, per natura difficile causa lisciviazione, denitrificazione, volatilizzazione,

determina una bassa efficienza nella sua utilizzazione comportando costi più elevati e problemi ambientali.

I fertilizzanti sono sempre disponibili?

L’azoto sì, siccome deriva da un ciclo naturale che ha come riserva l’atmosfera (processo Haber-Bosch); P e

K, invece, sono ricavati da riserve fossili.

Il P è una risorsa non rinnovabile e deriva da miniere, di cui circa l’80% è localizzato in Marocco (rocce

dell’Atlante) e questo determina una futura problematica per il suo approvvigionamento, di costo e di

strategia geopolitica (l’82% del P estratto è impiegato in agricoltura). Le ammatiti sono le rocce con P

tricalcico insolubile da cui si estrae, tramite trattamento con acidi forti, il fertilizzante (questo comporta delle

perdite). Si rende quindi necessario instaurare un’economia circolare che consenta il riciclo del fosforo

impiegato.

Il K è una fonte non rinnovabile ma presente in grandi quantità su tutta la crosta terrestre.

Il 3-5% dell’energia mondiale è impiegata nella produzione di fertilizzanti e solo lo 0,01% del guadagno

derivante da questa industria è speso in ricerca e sviluppo.

L’economia circolare fa in modo che le risorse impiegate per la produzione primaria, siano nel limite della

possibilità riciclate all’interno del processo produttivo. Fertilizzanti rinnovabili: il recupero di nutrienti

contenuti nelle biomasse diviene un processo di produzione di fertilizzanti, la biomassa preleva i nutrienti dal

suolo rendendoli disponibili per successivi cicli.

Il compost non è adatto alla produzione di biofertilizzanti (il compost mineralizza la SO in tempi che spesso

non sono compatibili con quelli della coltura in atto), la sfida è quindi ottenere a partire dalla sostanza

organica i principi minerali prontamente utilizzabili in maniera rinnovabile e ciclica.

Il compostaggio

Dovremo utilizzare più fertilizzanti, perché saremo 10 miliardi di abitanti nel 2050. Il problema non è l’N,

anche se per produrre una tonnellata di urea sono utilizzate 4 tonnellate di petrolio (emissioni nocive per

l’effetto serra), perché di N in atmosfera è il 78%. Sarebbe meglio favorire un riciclo dei nutrienti, per ridurre

l’importazione in Europa.

Il P, a differenza dell’azoto, è un elemento finito, deriva dalle miniere (apatiti) che sono concentrate per il

70% in Marocco e ciò potrebbe portare a tensioni e una corsa all’approvvigionamento in quanto le miniere

sono in esaurimento. Anche il K è una risorsa finita.

In Cina e India l’uso di fertilizzanti è sconsiderato e con bassa efficienza, questo determina uno spreco e una

modifica degli ecosistemi (la capacità di modificazione della Terra è già stata oltrepassata), con ovviamente

sempre maggiori ripercussioni.

L’economia circolare non è un semplice riciclo. Devo andare a produrre qualcosa che possa sostituire quello

che ho utilizzato. Il rifiuto diventa quindi la materia prima per un secondo processo.

Il compostaggio ha avuto inizio in Italia quando non è stato più possibile portare la FORSU in discarica; per

motivi ambientali, la discarica infatti veniva istituita nelle ex cave di sabbia, che giacciono però sopra la falda,

che veniva dunque inquinata. Da qui ha inizio la raccolta differenziata nel 1988: essa si è rivelata più

efficiente rispetto alla separazione dei rifiuti dopo la raccolta. L’organico rappresenta il 30% del rifiuto totale.

L’organico va trasformato in qualcosa che non dia fastidio: una possibilità è il compostaggio. Il rifiuto è

trasformato in compost, un ammendante, stabile biologicamente, parzialmente igienizzato e quindi non

sterile. L’ammendante non apporta elementi nutritivi, ma sostanza organica, migliorando le caratteristiche

del suolo (trattiene acqua, favorisce l’attività biologica, la flocculazione e aumenta la CSC).

Il compostaggio è un processo aerobico biologico in cui si sfruttano i batteri eterotrofi per produrre compost,

consiste nella biossidazione della sostanza organica allo stato semisolido. Si tratta di reazioni di ossidazione e

trasformazioni biologiche della sostanza organica che avvengono in condizioni aerobiche (l’accettore finale

-

degli e è l’O ). Tali processi determinano la degradazione delle frazioni organiche più degradabili, la

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conservazione delle più resistenti e la trasformazione in sostanze umiche delle frazioni più recalcitranti (non

tutto è ovviamente trasformato in CO ). Una matrice molto degradabile non è gestibile, attirerebbe animali,

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produrrebbe gas e odori sgradevoli. Una matrice meno degradabile, invece, andando incontro a una

trasformazione molto più lenta, non puzza e non si degrada nel tempo in cui si trova nel sacchetto. Il

compost è il residuo non digerito dai batteri, una matrice organica, stabile, matura e umificata (quest’ultimo

punto per legge, ma non è vero siccome l’humus non esiste).

Come avviene il compostaggio?

Il rifiuto è composto da 3 fasi: solida, liquida e gassosa. Il compostaggio avviene in 3 fasi, come il rifiuto:

l’acqua è necessaria perché è il solvente principale delle reazioni, la fase solida è la materia che viene

degradata dal biofilm batterico, mentre la matrice gassosa è necessaria in quanto fonte di ossigeno (in

condizioni asfittiche si ha la digestione anaerobica che produce metano).

Una particella solida è formata da un core anaerobico, ricoperto da un biofilm con batteri a contatto con

l’aria. Un’attività di esoenzimi degrada le grandi molecole, i monomeri sono solubili nel biofilm e sono

assorbiti nei batteri.

Il substrato, composto di polimeri, ad opera di esoenzimi, tende a diventare solubile. I monomeri nel biofilm

vanno incontro a degradazione aerobica, la CO formata si trasferisce verso la fase gassosa mentre l’O migra

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verso il biofilm. Se si dovesse percepire un forte odore sgradevole, non sta avvenendo la degradazione

aerobica, ma quella anaerobica che porta anche a situazioni di tossicità. Si ha inoltre la produzione di calore.

FORSU + O - CO + H O + CALORE (∆H) + COMPOST

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Il calore è maggiore nella prima fase (fino a 55°-65°C) ed è importante perché igienizza il compost risultante,

comporta l’eliminazione dei patogeni intestinali che sono i più sensibili e inoltre inattiva i semi di infestanti

eventualmente presenti. La temperatura però non deve essere troppo alta poichè una sterilizzazione

porterebbe ad un blocco della reazione. Inoltre una T alta potrebbe portare all’essiccazione del biofilm e

bloccare il processo, quindi è necessario un impianto di irrigazione.

Si può compostare la FORSU, il fango, gli scarti di potatura e il digestato.

Il consumo di ossigeno indica l’andamento del processo. Il consumo di ossigeno rispetto al tempo è valutato

secondo una funzione modello:

All’inizio il consumo di O è basso poiché non sono ancora presenti i batteri sul substrato, la crescita è poi di

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tipo esponenziale (analogamente alla crescita microbica: i batteri inizialmente si moltiplicano molto perchè il

substrato è abbondante), dopodiché si ha una diminuzione del numero di batteri e conseguentemente del

consumo di O siccome sta diminuendo la fonte nutrizionale, ma comunque non si raggiunge lo zero: la

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reazione continua ad avvenire, ma in modo lento e costante senza emettere odori sgradevoli. Si impiegano

dai 3 ai 4 giorni per giungere a consumi elevati.

Si può testare un compost in laboratorio: se questo è stato processato correttamente il consumo di O è

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basso, in caso contrario il consumo è elevato anche dopo il processo.

Si effettua inoltre un rivoltamento per ridurre i processi anaerobici e favorire l’aerazione.

Il processo di compostaggio in laboratorio può durare 10 giorni, in scala reale si arriva a 20-30 giorni, anche

se per legge non può durare meno di

90 (questo non ha fondamento

scientifico ma serve a regolamentare

i produttori).

Si prevede una fase attiva di 20-30

giorni in cui il consumo di ossigeno è

elevato, dove si verifica la

degradazione della componente più

facilmente degradabile e quindi un

innalzamento della temperatura; questa è seguita da una fase di maturazione (di trasformazione) in cui la

degradazione continua lentamente (ma non è umificazione) perché ormai quasi stabile.

Il consumo di O è l’indice del processo (monitoraggio dell’attività di batteri eterotrofi), ma è monitorata

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anche la temperatura: entrambi i parametri variano in funzione dell’intensità dell’attività biologica di

degradazione attuata dai batteri.

La portata d’aria necessaria è maggiore all’inizio del processo. La risultante, ovvero il compost, è una matrice

biologicamente stabile che non genera odori, percolati, risultando quindi facilmente gestibile e non

inquinante.

Il compost contiene sostanza organica stabilizzata, è un ammendante molto valido, riconosciuto tale per

legge (D.Lgs 75/2010). Il suo valore è di circa 5-10€ a tonnellata, il business è incentrato sul ritiro del rifiuto

stesso.

L’humus che contiene il compost non è altro che l’insieme delle molecole più difficilmente degradabili che

non sono degradate durante il processo e permangono nel prodotto finito più o meno perfettamente

conservate (lignina, cutina, suberina).

Nel suolo, il compost è una matrice organica lentamente degradabile che permane nel terreno, avendo così

tempo di espletare la sua funzione positiva, analogamente al letame maturo di cui è il sostituto. La nuova

zootecnia ha portato a un minore approvvigionamento di sostanza organica nel suolo derivante da letame, si

rende quindi necessaria l’integrazione di SO nel suolo a partire da compost (200-400q/ha).

Sia letame fresco che compost fresco, ovvero non sottoposti a periodi di maturazione, risultano invece

tossici in quanto vanno incontro a fermentazioni anziché a processi aerobi.

Dovendo arrivare a una matrice stabile e parzialmente igienizzabile bisogna giungere a determinati parametri

fondamentali, un processo di compostaggio essendo un processo biologico richiede:

 Nutrienti;

 C organico degradabile: minimo 20% sulla sostanza secca;

 Acqua;

 Ossigeno.

Ci sono parametri di controllo relativi a patogeni (controllo microbiologico), inquinanti, frazione inorganica

eventualmente presente (plastiche e inerti). Come parametro per la stabilità è stato scelto un indice di

germinazione maggiore al 60%, ovvero si fa crescere (Lepidium) per valutarne la non tossicità.

La biomassa compostata deve avere un rapporto C/N di circa 25-35: il rifiuto organico ha C/N di circa 5-10,

che, unito a chippatura con C/N più elevato, riesce a raggiungere un valore ottimale di C/N, inoltre la

presenza di lignina nella matrice del rifiuto organico struttura meglio la matrice formando una porosità che

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consente gli scambi gassosi ovvero con una densità di 0,65 t/m ). Inoltre l’unione di chippato di legno e

FORSU consente di raggiungere un valore ottimale di umidità, 75-80% di ritenzione idrica massima (umidità

del 60% circa.

Il compostaggio in Italia:

La frazione organica dei rifiuti ammonta mediamente al 43% di cui il 27% è umido e il 15% di verde. La

tendenza è generalmente di un aumento a livello nazionale della raccolta differenziata e un costante

aumento degli impianti di compostaggio; la quota relativa alla digestione anaerobica è destinata ad

aumentare.

I tipi di compost:

 ACV: l’ammendante compostato verde è ottenuto soltanto da scarti verdi.