Piante per l’Energia

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Piante per l’Energia

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

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Distribuzione dei Prodotti Agricoli e Forestali Coltivati e Commercializzati.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Semi/scarti Alimentazione

animale Alimentazione

umana Altri usi

Milioni di ettari

Cereali Radici/Tuberi Piante da zucchero Piante da olio Frutti

Stimulanti

Piante industriali Piante da foraggio

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Terminologia Usata nell‘Analisi di Biomasse, Applicabile Anche ad Altri Combustibili Solidi.

 La composizione “come ricevuta” (ar)

 La composizione “su base secca” (db)

Altro Ossigeno

Idrogeno Carbonio Estrat-

tivi

Emicellul.

Cellulosa Lignina

Ceneri Ceneri

Ceneri

Acqua

Acqua Sostanza secca Sost. secca, no ceneri Sost. Bruciabile Volatili Char Sost. Bruciabile

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Piante per il Bioetanolo (1

^a

generazione).

Un biocombustibile è un tipo di combustibile la cui energia deriva dalla fissazione del carbonio da parte di sistemi biologici. Sono inclusi i

combustibili derivati dalla conversione della biomassa, la biomassa

solida, i composti liquidi e vari biogas. I biocombustibili hanno attratto un crescente interesse del pubblico e scientifico, spinti da fattori quali

l’aumento del prezzo del petrolio, la necessità di aumentare la sicurezza energetica e le preoccupazioni per le emissioni dei gas serra da parte dei combustibili fossili.

• Bioetanolo

• da saccarosio o oligosaccaridi

• da amido

• da materiali lignocellulosici

• Biodiesel

• da oleaginose

• da alghe

Biocombustibili di 1^a generazione Biocombustibile di 2^a generazione

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Classificazione delle Piante in Funzione del

Componente Usato per Produrre il Biocombustibile.

In Dipendenza dalla parte della pianta utilizzata per la trasformazione in Biocombustibile, le piante sono classificabili in:

 Piante che producono zuccheri o amidi

 Piante che producono oli

 Piante di cui si utilizza la biomassa

 Residui di piante (di cui si utilizza la biomassa)

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Piante Basate sull'Amido:

Frumento (genere Triticum).

Triticum – più di 10-20 specie dall’Est Mediterraneo all’Iran.

Coltura temperata.

E’ stata addomesticata da complessi precursori per la prima volta nel Vicino Oriente un po’ prima del 7000 BC.

Evoluzione tramite poliploidia

Diploide – T. monococcum (einkorn) Tetraploide – T. dicoccon (emmer) Esaploide – T. aestivum (Frumento comune - T. durum (tipico per la pasta) Farro e spelta – alto contenuto di amilosio e non adatti per il pane lievitato.

Due proteine principali - glutenine e gliadine che rendono l’impasto elastico quando si mescola la farina con l’acqua.

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Riso (Oryza Sativa).

Gelatinizza alla cottura e le pareti cellulari si rompono.

Due-tre razze

• Tipo indica – grani lunghi; secchi e separati

• Japonica o sativa – grani morbidi, corti e lievemente collosi

• Javanica – Indocina; altipiani equatoriali, collosi

Temperatura di gelificazione e contenuto di amilosio.

• Alto amilosio – secco e squamato

• Basso amilosio – appic. e umido

Contiene soprattutto amido e 12% di proteine

• Glutenine, albumine, proline

Manca di lisina e treonina

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Mais (Zea mays).

Granoturco

Pianta addomesticata in America Centrale; il solo cereale usato come verdura; il cereale più diffuso

Antenati – il teosinte messicano Fiori unisessuali

70% endosperma e 11% embrione 11% di proteine nello strato

dell’aleurone

• Il germe fornisce glutelina mentre lo strato dell’aleurone contiene zeina

• Zeina – ricca in leucina ma carente di lisina e triptofano

• L’eccesso di leucina previene la

conversione del triptofano in niacina – malattia pellagra.

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Orzo (Hordeum vulgare).

Orzo

• Una pianta temperata; pianta addomesticata membro della famiglia delle erbe e il maggior chicco cereale

• Importante per l’alimentazione animale e per fare la birra

• Ha basso glutine e non si può lievitare

• Contiene beta glucani – abbassa il colesterolo nel sangue

• Riduce il cancro al colon

• La birra d'orzo è stata probabilmente

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Avena (Avena sativa).

Avena

• Ha cariossidi allungate

– Due strati di aleurone

– 12-13% proteine; 4-5% oli; 66-77%

carboidrati e 12-15% fibra grezza (riduce lo zucchero nel sangue limitandone l’assorbimento)

• L’avena è molto usata a scopo medicinale

• Ha tutti gli amminoacidi essenziali

• Si fanno trattamenti termici

per denaturare gli enzimi.

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Segale (Secale cereale).

Segale

• Cereale per l’alimentazione animale

• Bevande alcoliche

• Infezioni – ergot

• Contiene pentosani non amido – non si disintegra né gelatinizza – mollica morbida

• Normalmente mescolata

con farina di grano.

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Soia (Glycine max).

Un membro annuale estivo della famiglia dei legumi, E’ nativa dell’Asia Orientale. La più importante pianta da semi oleosi in molti paesi.

I semi contengono significative quantità di acido fitico, acido alfa-linolenico e isoflavoni.

Composizione: 40% proteine, 20 % olio, 35%

carboidrati e 5% ceneri.

Piante di Soia (a sinistra) e baccelli alla raccolta (a destra)

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Basati su zuccheri:

Canna da Zucchero (Saccharum officinarum L. (Poaceae)).

Canna da zucchero

– 12-15% saccarosio, glucosio e fruttosio

– 12-20% fibre

– 0.3-0.4% composti azotati – grassi, cere, acidi e pectine

• Succo di canna: acido acotinico, acidi citrico e malico; vit. B, D e enzimi quali invertasi e ossidasi.

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Barbabietola da Zucchero (Beta vulgaris var. rapa).

Beta vulgaris

• Le radici contengono fino al 20%

di saccarosio

• La Betaina (pigmento rosso) è estratta commercialmente

• Gli scarti contengono acido galatturonico – usato per sintetizzare la vitamina C.

Betaina

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Basate su Oli:

Piante che Producono Olio.

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Produzione, Contenuto d’Olio e Resa di Oleaginose.

Contenuto d’olio di Diverse Oleaginose Resa in Olio di Diverse Oleaginose Tipo di Oleaginosa Produzione

(kg/ha)

Contenuto d’olio (%)

Resa in olio (kg/ha)

Jatropha 5,000 30 1,500

Palma 20,501 20 4,100

Ravizzone 3,440 40 1,376

Girasole 1,434 42 602

Soia 2,314 18 416

0 10 20 30 40 50

Jatropha Palma Ravizzone Girasole Soya Contenuto

d’olio (%)

Tipi di Oleaginose

0 1000 2000 3000 4000 5000

Jatropha Palma Ravizzone Girasole Soya Resa in

olio (kg/ha)

Tipi di Oleaginose

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Produzione di Olio da Diverse Culture.

Pianta Nome Latino Gal Olio

/acro

Pianta Nome Latino Gal Olio

/acro

Olio da palma Elaeis guineensis 610 Riso Ozisa sativa L. 85

Palma macauba Acrocomia aculeata 461 Zucca Buffalo Cucurbita foetidissima 81

Pequi Caryocar brasiliense 383 Cartamo Carthamus tinctorius 80

Palma Buriti MAuritia flexuosa 335 Crambe Crambe abyssinica 72

Oiticia Licania rigida 307 Sesamo Sesamum indicum 71

Cocco Cocos nucifera 276 Camelina Camelina sativa 60

Avocado Persea americana 270 Senape Brassica alba 59

Noce del Brasile Bertholletia excelsa 245 Coriandolo Coriandrum sativum 55 Noce Macadamia Macadamia temiflora 230 Semi di Zucca Cucurbita pepo 55

Jatrofa Jatropha curcas 194 Euforbia Euphorbia lagascoe 54

Palma babassu Orbignya martiana 188 Nocciola Caylus avellana 49

Jojoba Simmondsia chinensis 186 Lino Linus usitatissimum 49

Pecan Carya illinoensis 183 Caffé Coffea arabica 47

Bacuri Platonia insignis 146 Soia Glycine max 46

Ricino Ricinus communis 145 Canapa Cannabis sativa 37

Gopher plant Euphorbia lathyris 137 Cotone Gassypium hirsutum 33

Piassava Attalea funifera 136 Calendula Calendula officinalis 31

Olivo Olea europea 124 Kenaf Hibiscus cannabinus L. 28

Ravizzone Brassica napus 122 Albero gomma Hevea brasiliensis 26

Papavero d’oppio Papaver somniferum 119 Lupino Lupinus albus 24

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Sottoprodotti nelle Oleaginose.

Sottoprodotti per ettaro e anno

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Energia Complessiva nelle Oleaginose.

Energia totale per ettaro e anno

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Palma da Olio (Elaeis guineensis jacq.).

• La pianta palma da olio è originaria dell’Africa dell‘Ovest dove cresce

spontanea e fu sviluppata come coltura agricola.

• La palma da olio è pianta monoica in quanto porta fiori maschi e femmina sulla stessa pianta. Ogni pianta

produce dei grappoli compatti che pesano tra 10 e 25 kg con 1000-3000 frutti per grappolo. I frutti sferici o

allungati sono rosso scuro quasi neri e il colore vira all’arancio rosso quando maturi. Ogni frutto consiste di un

nocciolo duro racchiuso in una intorno (endocarpo) che è circondato da un mesocarpo succoso.

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Palma da Olio.

L’elevata produttività è la ragione per cui la palma d’olio costituisce circa 1/3 dei 151 milioni di tonnellate di oli vegetali prodotti nel mondo.¹ La sua ampia

disponibilità e il basso prezzo combinato con certe uniche caratteristiche ne consente l’uso in cibi conservati e prodotti di uso personale. Gelati, margarina, biscotti, torte, cereali di colazione, snack, cibi istantanei, shampoo, saponi, candele e liquidi detergenti, contengono tutti questo olio, la cui produzione avviene in paesi tropicali quali

Indonesia e Malesia.

Ci si aspetta che la domanda cresca a 77 milioni di tonnellate per il 2050² in conseguenza dell’aumento delle esigenze alimentari di una popola- zione in crescita e l’uso di bio-

combustibili.

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Bilancio di Massa nella Lavorazione della Palma da Olio.

Caschi di Frutti Freschi 100%

Condensato 13.5%

Caschi di Frutti Vuoti 21.0%

Noce 11.9%

Nocciolo 4.9%

Guscio 6.4%

PKM 2.7%

PKO 23%

REDPO 18.18%

RBDPS 4.63%

RBDPL 22.82%

PFAD 0.98%

CPO 23.5%

Fibre 14.4%

POME 58.3%

Acqua di diluizione 15%

Mesocarpo

53.4% Acqua di lavaggio

14.4%

Frutti 64.5%

PKO = palm krnel oil PKM = palm kernel meal CPO = crude palm oil

POME = palm oil mill effluent

RBD = refined, bleached and deodorized PFAD = palm fatty acid distillate

Oil + Vit. E stearin olein

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Colza e Canola (Brassica spp.).

La colza (o ravizzone) è un membro della famiglia della senape. La Canola è una varietà di colza

selezionata per avere bassi livelli di acido erucico e glucosinolati (entrambi indesiderabili per il consumo umano) Esistono specie a crescita primaverile e invernale in dipendenza dall’orografia.

Buona resa in olio

Proprietà a freddo ottimali Usata spesso per la

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Camelina (Camelina sativa).

• La Camelina è un membro della famiglia della senape

• Pianta estiva annuale adatta alla crescita in climi semi-aridi e nel nord degli U.S.

• Varie ricerche sullo sviluppo di varietà e fattibilità economica

 Il costo del biodiesel da camelina dovrebbe aggirarsi sui 0.53 $ per litro rispetto agli 0.79 $ per litro di quello basato sulla soia

• I costi variabili e fissi sono 1/3 - 1/4 dei costi del ravizzone

 Da 45 a 68 $ per 4047 m².

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Girasole (Helianthus annus).

• Il girasole e il cartamo sono piante

estive annuali della famiglia dei girasoli.

I loro semi sono fonti eccellenti di olio.

I pannelli si possono usare per l’alimentazione animale.

• Entrambe le piante richiedono

irrigazione per ottenere alte rese in olio e perciò possono non avere un grande valore economico

• Le rese in olio di cartamo ben irrigato variano tra il 532 e gli 880 kg/ha. Senza irrigazione, la resa scende a 112 kg/ha.

Le rese in olio di girasole variano tra 840-930 kg/ha. La concentrazione dell’olio nel seme è tra il 40-45%.

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Cartamo (Carthamus tinctorius).

Vecchia pianta (nota ad Egizi e Cinesi 2000 BC) è usata a scopo alimentare e per l’olio. Questo è particolarmente pregiato per il contenuto in acidi grassi insaturi.

Fonte di coloranti giallo e rosso.

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Arachidi (Arachis hypogaea).

Vantaggi

Pianta ad uso alimentare per l’elevato contenuto di olio e proteine.

Resa in olio ~50-60% a differenza della soia che è solo del ~18%.

Circa il 15% delle arachidi è usato negli USA per produrre olio.

Si ottengono $50 per gallone di olio in media con un costo medio di 0.23-

0.30$ per lb.

Ostacoli:

Prodotto ad alto valore

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Jatrofa (Jatropha curcas).

La Jatropha è un piccolo arbusto nativo del Centro America e membro della famiglia delle Euforbiacee, è pianta perenne resistente alla siccità, che vive fino a 50 anni e cresce in suoli marginali. Contenuto in olio:

~35% (non commestibile).

Altri usi dell’olio: repellente per insetti

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Ricino (Ricinus communis).

Il Ricino (Castor bean) è una

pianta annuale di origine tropicale con immenso areale resistente alla siccità. La pianta può crescere fino a 2 - 5 m d'altezza.

Olio: solubile in alcol (senza riscaldamento) – va bene per il biodiesel.

Contenuto in olio : ~55%

Olio: Non commestibile (alti livelli di acido ricinoleico – 85%).

Si conoscono 700 altri usi dell’olio.

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Lino (Linum usitatissimum).

• Il lino è la fonte dell’olio di lino.

Il contenuto di olio nei semi varia tra il 30 e il 34%.

• Sono disponibili sia le forme primaverili che quelle

invernali.

• Della pianta si utilizzano

anche le fibre per tessuti molto traspiranti.

• L’olio è ricco di trigliceridi polinsaturi che lo rendono

siccativo per polimerizzazione indotta dall'ossigeno dell'aria.

Linoleina

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Crambe (Crambe abissinica).

Il Crambe è una cultura ideale per la produzione di oli industriali

specializzati di qualità che non si devono mescolare mai con gli oli alimentari di qualità.

Il Crambe è una pianta oleaginosa non alimentare che non si incrocia con le Brassicacee, quali il

ravizzone.

Per quanto riguarda la coltivazione, il crambe è una oleaginosa di

limitate richieste e che si può coltivare in varie parti d'Europa.

Contenuto di olio nel seme: 35%

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Albero del Tung Oil.

L’albero Tung, (Aleurites fordii) è a una piccolo pianta Asiatica della famiglia delle Euphorbiaceae

Commercialmente importante per il suo olio (tung oil), che si estrae dai suoi semi simili a noci (contiene per lo più esteri dell’acido eleostearico). In Oriente il tung oil era usato

tradizionalmente per illuminare, ma ha anche importanti usi industriali

(adesivi sensibili alla pressione,

rivestimenti epossidici auto-riparanti, schiume poliuretaniche, resine viniliche).

Acido eleostearico

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Limiti dei Biocombustibili di 1

^a

Generazione.

• Limitata capacità di

soddisfare la domanda di combustibili;

• Competizione per la terra con piante per l’alimentazione;

• Bassa resa energetica netta;

• Limitata riduzione di gas serra;

• Potenzialmente portano a

deforestazione e negativi

impatti sulla biodiversità.

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Fonti Lignocellulosiche.

• La forma più abbondante di biomassa

• Può crescere su terreni marginali

• Forti riduzione di gas serra

• Alta resa netta d’energia

• Superiore resa per ettaro

Esempi:

• Biomassa legnosa

• Residui agricoli

• Erbe perenni

Cellulosa

Emicellulosa

Lignina

Estraibili

(40-60%)

(15-30%) (10-29%)

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Basate su Cellulosa/Emicellulosa

(Piante per Biocombustibili di 2

^°

Generazione).

Legnose Erbacee

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Piante per l’Energia:

Miscanthus (Miscanthus Giganteus).

Il Miscanto è una grande erba

perenne che può arrivare a 4 metri di altezza. E’ caratterizzata da:

• Bassi consumi di fertilizzante e acqua

• Efficace fotosintesi, perenne

• Accumula carbonio e nutrienti nel suolo

• Adatta per coltivazioni estensive, ampia stagione di raccolto

• Economia: +$3000vs -$300 (profitto a 10 anni)

• Crescita annuale senza bisogno di

ripiantarla! E' invasiva. 20 tons/acre? (www.bical.net)

10-30 tons/acre (www.aces.uiuc.edu/DSI/MASGC.pdf)

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Piante per l’Energia:

Switch Grass (Panicum virgatum).

• Erba naturale di prateria diffusa negli US; arricchisce i suoli

• Meno acqua; meno fertilizzanti; meno pesticidi

• Riduce i gas serra

• Più biodiversità nei campi di switchgrass (vs. mais)

• Perdita meno drammatica della strato fertile

• Alto potenziale per la co-produzione di alimenti animali.

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Piante per l’Energia:

Sorgo.

Il Sorgo è un genere con molte specie e sottospecie, inclusi i sorghi da semi, i sorghi da foraggio (per allevamenti), il sorgo dolce (per sciroppi), e saggina.

• Pianta per biocombustibili resistente alla siccità

• Sorghum bicolor – tropicale Africa.

• Cibo importante in India e Africa dove non è usato il pane lievitato

• Pianta molto versatile

• Il Sorgo nero e bruno contiene polifenoli condensati.

• Il sorgo da semi e il mais sono confrontabili in termini di costo di produzione e di valore nutrizionale.

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Piante per l’Energia:

Canna Comune (Arundo Donax).

La Canna comune o canna domestica è una pianta erbacea perenne e dal fusto lungo, cavo e robusto, che cresce in

acque dolci o moderatamente salmastre.

La sua area di origine si estende dal

bacino del Mediterraneo al Medio Oriente fino all'India, ma attualmente la canna si può trovare sia piantata che naturalizzata nelle regioni temperate e subtropicali di entrambi gli emisferi.

Forma dense macchie in terreni umidi di ambiente ripariale, lungo gli argini di fiumi e stagni ma anche sui margini di campi coltivati e sulle dune sabbiose.

Massimo tasso fotosintetico pari a 19.8-

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Pioppo (genus Populus).

I pioppi sono piante a crescita rapida ma a vita relativamente breve, ben distribuiti nelle regioni temperate dell’emisfero Nord (N. America,

Eurasia, N. Africa, con poche specie che si estendono oltre il Circolo Artico.

Le foglie sono alternate e ovali o a cuore, con margini dentellati. I fiori maschili e femminili crescono su alberi separati e spuntano in infiorescenze pendenti ben prima dell’emissione delle foglie. I frutti, che maturano prima dello sviluppo completo delle foglie, sono capsule piccole che contengono molti piccoli semi rivestiti di peluria setosa, che li assistono nella diffusione aerea. Il legno è morbido e usato per fare carta, truciolati, casse e impiallacciature.

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Canapa (Cannabis sativa).

La canapa è una pianta a struttura fibrosa simile al lino, kenaf, iuta e ramiè. Lunghe fibre primarie sottili sulla parte esterna del gambo

caratterizzano queste piante tessili.

Pianta annuale a crescita rapida si può coltivare su vari suoli, ma

cresce meglio in terreni ad alta resa di mais. La canapa è dicotiledone, che significa che i suoi fusti hanno una fibra lunga esterna alle fibre del cuore. Le piante si raccolgono per le fibre, i semi e l’olio di semi. Le fibre più valide si trovano attorno al