Piante per l’Energia

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

http://www.biogasmax.eu/489-handbook-on-energy-crops-for-heat-and-power.html

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Attilio Citterio

Distribuzione dei Prodotti Agricoli e

Forestali Coltivati e Commercializzati.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Semi/scarti

Alimentazioneanimale

Alimentazioneumana

Altri usi

Milioni di ettari

Cereali

Radici/Tuberi

Piante da zucchero

Piante da olio

Frutti

Stimulanti

Piante industriali

Piante da foraggio

Attilio Citterio

Terminologia Usata nell‘Analisi di Biomasse,

Applicabile Anche ad Altri Combustibili Solidi.

http://bisyplan.bioenarea.eu/fuel_appendix.html

La composizione “come ricevuta” (ar)

La composizione “su base secca” (db)

La composizione su base “secca, priva di ceneri” (abbreviata “daf”)

L'analisi elementare o ultima

Altro

Ossigeno

Idrogeno

Carbonio

Estrat-tivi

Emicellul.

Cellulosa

Lignina

CeneriCeneriCeneriCeneriCeneri

Acq

ua

Acq

ua

Acq

ua

Acq

ua

Acq

ua

Acq

ua

S

osta

nza s

ecca

So

st.

se

cca

, n

o c

en

eri

So

st.

Bru

cia

bile

Vo

latili

Ch

ar

So

st.

Bru

cia

bile

Attilio Citterio

Piante per il Bioetanolo (1a 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 1a generazione

Biocombustibile di 2a generazione

Attilio Citterio

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)

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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 treoninaEliminando l’involucro e il germe si elimina la tiamina – malattia beriberi

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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

una delle prime bevande alcoliche

sviluppate dagli uomini del Neolitico.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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)

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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

Attilio Citterio

Basate su Oli:

Piante che Producono Olio.

Attilio Citterio

Produzione, Contenuto d’Olio e Resa di

Oleaginose.

Contenuto d’olio di Diverse Oleaginose Resa in Olio di Diverse Oleaginose

Tipo di OleaginosaProduzione

(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

Attilio Citterio

Produzione di Olio da Diverse Culture.

da Tickell, 2000

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

Arachide Arachis hypogea 109 Palma Erythea salvadorensis 23

Cacao Theobroma cacao 105 Avena Avena sativa 22

Girasole Helianthus annuus 98 Anacardio Anacardium occidentale 18

Pianta d’olio tung Aleurites fordii 96 Granoturco Zea mays 18

Attilio Citterio

Sottoprodotti nelle Oleaginose.

Sottoprodotti per ettaro e anno

Attilio Citterio

Energia Complessiva nelle Oleaginose.

Energia totale per ettaro e anno

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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.

1USDA. Table 03: Major Vegetable Oils: World Supply and Distribution (Commodity View). Accessed October 22, 2011 http://www.fas.usda.gov/oilseeds/Current/

2FAO, 2006, World agriculture: towards 2030/2050. Prospects for food, nutrition, agriculture and major commodity groups. Interim report

Attilio Citterio

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

Attilio Citterio

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 olioProprietà a freddo ottimali Usata spesso per la produzione di biodieselin EU.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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%.

Valore 0.36-0.55 $/kg.

• La seconda materia prima per il

biodiesel in EU.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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

La sgusciatura e la selezione sono

processi costosi.

Attilio Citterio

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

Attilio Citterio

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.

Acido Ricinoleico

Attilio Citterio

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

Attilio Citterio

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%

con il 55% di acido erucico.

Si usa per lubrificanti e plastiche.

Attilio Citterio

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

Attilio Citterio

Limiti dei Biocombustibili di 1a 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.

Attilio Citterio

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%)

Attilio Citterio

Basate su Cellulosa/Emicellulosa

(Piante per Biocombustibili di 2° Generazione).

LegnoseErbacee

Attilio Citterio

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)

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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-

37 µmoli m-2s-1, un valore molto superiore

ad altre piante dotate di ciclo C4.

Attilio Citterio

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.

Attilio Citterio

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

midollo più ricco in lignina.

Le varietà coltivate sono a basso

contenuto di THC.