Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
A.A. 2015/2016
Piante per l’Energia
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://ISCaMaP.chem.polimi.it/citterio/
http://www.biogasmax.eu/489-handbook-on-energy-crops-for-heat-and-power.html
Distribuzione dei Prodotti Agricoli e
Forestali Commercializzati
Altri usi
Cereali
Alimentazione
umana
Radici/Tuberi
Piante da zucchero
Piante da olio
Alimentazione
animale
Frutti
Stimulanti
Piante industriali
Semi/scarti
Piante da foraggio
0
100
200
300
400
500
600
Milioni di ettari
Attilio Citterio
700
800
900
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
Attilio Citterio
Biocombustibili di 1a generazione
Biocombustibile di 2a generazione
Basati 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 treonina
Eliminando 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 zaccarosio
•
La Betaina (pigmento rosso) è
estratta commercialmente
•
Gli scarti contengono acido
galatturonico – usato per
sintetizzare la vitamina C
sugar
O
HO
Betaina
O
N
+
HOOC
O
–
N
COOH
H
Attilio Citterio
Basate su Oli:
Piante che Producono Olio
Attilio Citterio
Produzione, Contenuto d’Olio e Resa di
Oleaginose
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
Tipo di Oleaginosa
50
5000
Contenuto
d’olio (%)
40
4000
30
3000
20
2000
10
1000
0
Resa in
olio
(kg/ha)
0
Jatropha
Palma
Ravizzone Girasole
Soya
Jatropha
Palma
Ravizzone Girasole
Soya
Tipi di Oleaginose
Tipi di Oleaginose
Contenuto d’olio di Diverse Oleaginose
Attilio Citterio
Resa in Olio di Diverse Oleaginose
Produzione di Olio da Diverse Culture
Pianta
Olio da palma
Palma macauba
Pequi
Palma Buriti
Oiticia
Cocco
Avocado
Noce del Brasile
Noce Macadamia
Jatrofa
Palma babassu
Jojoba
Pecan
Bacuri
Ricino
Gopher plant
Piassava
Olivo
Ravizzone
Papavero d’oppio
Arachide
Cacao
Girasole
Pianta d’olio tung
Nome Latino
Elaeis guineensis
Acrocomia aculeata
Caryocar brasiliense
MAuritia flexuosa
Licania rigida
Cocos nucifera
Persea americana
Bertholletia excelsa
Macadamia temiflora
Jatropha curcas
Orbignya martiana
Simmondsia chinensis
Carya illinoensis
Platonia insignis
Ricinus communis
Euphorbia lathyris
Attalea funifera
Olea europea
Brassica napus
Papaver somniferum
Arachis hypogea
Theobroma cacao
Helianthus annuus
Aleurites fordii
Gal Olio
/acro
610
461
383
335
307
276
270
245
230
194
188
186
183
146
145
137
136
124
122
119
109
105
98
96
Pianta
Riso
Zucca Buffalo
Cartamo
Crambe
Sesamo
Camelina
Senape
Coriandolo
Semi di Zucca
Euforbia
Nocciola
Lino
Caffé
Soia
Canapa
Cotone
Calendula
Kenaf
Albero gomma
Lupino
Palma
Avena
Anacardio
Granoturco
Nome Latino
Ozisa sativa L.
Cucurbita foetidissima
Carthamus tinctorius
Crambe abyssinica
Sesamum indicum
Camelina sativa
Brassica alba
Coriandrum sativum
Cucurbita pepo
Euphorbia lagascoe
Caylus avellana
Linus usitatissimum
Coffea arabica
Glycine max
Cannabis sativa
Gassypium hirsutum
Calendula officinalis
Hibiscus cannabinus L.
Hevea brasiliensis
Lupinus albus
Erythea salvadorensis
Avena sativa
Anacardium occidentale
Zea mays
Gal Olio
/acro
85
81
80
72
71
60
59
55
55
54
49
49
47
46
37
33
31
28
26
24
23
22
18
18
da Tickell, 2000
Attilio Citterio
Sottoprodotti nelle Oleaginose
Attilio Citterio
Energia Complessiva nelle Oleaginose
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 popolazione in crescita e l’uso di biocombustibili.
1USDA.
2FAO,
Table 03: Major Vegetable Oils: World Supply and Distribution (Commodity View). Accessed October 22, 2011 http://www.fas.usda.gov/oilseeds/Current/
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%
Caschi di Frutti Vuoti
21.0%
Frutti
64.5%
Condensato
13.5%
Noce
11.9%
Mesocarpo
53.4%
Acqua di
diluizione 15%
Nocciolo
4.9%
PKO
23%
PKM
2.7%
CPO
23.5%
Guscio
6.4%
olein
RBDPL
22.82%
PKO = palm krnel oil
REDPO
PKM = palm kernel meal
18.18%
CPO = crude palm oil
Oil + Vit. E
POME = palm oil mill effluent
RBD = refined, bleached and deodorized
PFAD = palm fatty acid distillate
Attilio Citterio
RBDPS
4.63%
stearin
Acqua di
lavaggio
14.4%
Fibre
14.4%
PFAD
0.98%
POME
58.3%
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
produzione di biodiesel
in 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 $50 per gallone di olio in
media con un costo medio di 0.230.30$ 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.
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
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
Estraibili
Lignina
Esempi:
•
•
•
Biomassa legnosa
Residui agricoli
Erbe perenni
(10-29%)
Cellulosa
(40-60%)
Emicellulosa
(15-30%)
Attilio Citterio
Basate su Cellulosa/Emicellulosa
(Piante per Biocombustibili di 2° Generazione)
Erbacee
Attilio Citterio
Legnose
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!
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 19.837 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.
Attilio Citterio
