dalle biomasse e dai rifiuti organici energia e …...dalle biomasse e dai rifiuti organici energia...
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GRUPPO RICICLA
DiSAA - Università degli Studi di Milano
Lab. Suolo e Ambiente, via Celoria 2, 20133 Milano
Lab. Biomasse e Agroenergia, Parco Tecnologico Padano, Via Einstein, Loc. C.na Codazza, 26900 Lodi.
Tel.02 503 16546 Fax. 02 503 16521
http://users.unimi.it/ricicla - e-mail: [email protected]
Dalle biomasse e dai rifiuti organici
energia e prodotti rinnovabili
F Adani
da Garavaglia, 2009
1. Dinamica effetto serra
I gas serra più
dannosi
Carbon Dioxide and Temperature
“Business as Usual” (fossil intensive)
2100
Aumento della temperatura del mare
Shroter et al., 2009,
Science
Shroter et al., 2009, Science
2. Consumi energetici
Fonte. WEO,2010 ( AIE)
Produzione in declino Petrolio non conv. alti costi anche ambientali
SOLUZIONI ?????
RINNOVABILI
BIOMASSE
Fotosintesi: il modo più efficace di immagazzinare energia solare
• Un processo industriale necessita di 100 volte l'energia che necessita un sistema bio-chimico
Fotosintesi
6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2
Mondo vegetale: Autotrofismo = capacità di sintetizzare composti organici
partendo da elementi minerali semplici, utilizzando una fonte di energia esterna.
Organicazione Il passaggio da composti inorganici semplici a
composti organici complessi
Garavaglia, 2009
Green Economy …..
…………….bioraffineria
da, Amaretti et al.,
Garavaglia, 2009
da, Amaretti et al.,
….e
Ragauskas et al., 2009, Science
da, Amaretti et al.,
23 G.L.Bagnara
Fonte: Prem S. Bindraban, ISRIC-World Soil Information - Researcher Agro-system Research, 2013
Redditi da biorefinery
DOVE PRODURRE ?????
The Economist, 28
Agosto, 2010
3. Competizione
Forte competizione
The Economist, 28
Agosto, 2010
Forte competizione
The Economist, 28
Agosto, 2010.
Cai et al., 2011 Env. Sci Technol.,
1200-1400 milioni di Ha marginali = 25-50 % di
fuel liquidi necessari
Cosa è meglio produrre ?
Biofuels for automotive?
Bio-methane!
Fuel emissions
Bio-Methane instead of methane
around 1000
methane fuel
stations
•Purification
•Injection into the grid = whatever use
Il materiale fresco è alimentato nel digestore e completamente miscelato
Il disegno di impianto dei reattori è molto semplice CSTR (Completely Stirred Tank Reactor).
Il digestato è
estratto dal digestore
sistemi Biogas
Carbohydrates
Fats
Proteins
Sugars
Fats
Proteins
Carbonic Acids
and Alcohols
Hydrogen
CO2
Ammonia
Hydrogen
Acetic Acid
CO2
Methane
CO2
MethanogenesisAcetogenesisAcidogenesisHydrolysis
Aminoacids C2H4O2
Distinzione funzionale in fase acidogena e fase metanigena
50 ton/d liquami bovini/suini 3 ton/d insilati 1 ton/d melasso
Idrogeno 100 - 300 mc H2/d
Metano 1800 - 2100 mc CH4/d
Alimentazione e produzione
Biofuels:
- 1a generazione: parti edibili delle
colture (es. amido, olio etc.)
(basse potenzialità).
- 2a generazione: residui agricoli ed
agroindustriali, parti no-food
delle colture (elevate
potenzialità).
-….ma non solo !!!!!!!!!!!!!!!!
DiProVe/DIA (UNIMI): Schievano, Bacenetti, Fiala, Adani
Bilancio
Coltura Eco. Ene. Amb.
€/€ kWe/kWe kg CO2/kg CO2
Mais I° raccolto 3,14 1,88 19,35
Segale - Mais III° raccolto 2,94 1,65 13,62
Mais II° raccolto - Erba Silo 2,47 1,80 10,70
Sorgo - Triticale 2,79 1,78 7,08
Triticale - Mais II° Raccolto 3,44 1,99 11,13
Arundo Low 4,22 8,69 50,00
Arundo High 5,68 11,96 69,14
Bilancio economico, energetico e ambientale
impianto biogas (1MW)
Hill et al., 2009, PNAS, 106, 2077-2082
htt
p:/
/ww
w.lc
ia-r
ec
ipe
.ne
t/
I18 indicatori specifici
(midpoint)
Climate change
Ozone depletion
Human toxicity
Ionising radiation
Photochemical oxidant formation
Particulate matter formation
Climate change
Terrestrial ecotoxicity
Terrestrial acidification
Agricultural land occupation
Urban land occupation
Natural land transformation
Marine ecotoxicity
Marine eutrophication
Freshwater eutrophication
Freshwater ecotoxicity
Water depletion
Metal depletion
Fossil depletion
vengono aggregati, attraverso
un “set di pesatura”, in
3 indicatori endpoint
human health
ecosystems
resources
UNITÀ FZ: 1kWh elettrico; metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.06/Europe ReCiPe H/A; mPt: millipoints;
Figura 4.1.4. Valutazione dell’impatto – provincia di Cremona: nello scenario attuale viene esplicitata la quota parte del agricoltura e quella del processo di digestione anaerobica e valorizzazione del biogas
Latte e/o carne
Tipologia di impianti
…usiamo il caso Lombardia
PROVINCIE N° impianti
Marzo 2013
Cremona 137
Brescia 68
Lodi 49
Milano 8
Mantova 41
Pavia 47
Bergamo 11
Tot. 361 (282 MW)
Alimentazione media megadigestore
LOMBARDIA:
282 MW
- il rapporto Ha di mais per biogas/ SAU totale CREMONA è pari al 11%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale LODI è pari al 9 %;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale BRESCIA è pari al 4%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale MILANO è pari al 2%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale MANTOVA è pari al 1%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale PAVIA è pari al 4%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale BERGAMO è pari al 1%;
- il rapporto Ha di mais per biogas/SAU totale REGIONE LOMBARDIA è pari al
4%.
Da tutto ciò cosa ne deriva ?
FoodNOfood
Cortesia , Boccasile, 2011
• 62% crop production is for food
• 35 % animal feed
• 3% bioenergy
Foley et al., 2011, Nature
Calories of fossil fuel used to make
1 calorie of protein for various foods (266)
Calories of fossil fuel used to make
1 calorie of protein for various foods (266)
Calories of fossil fuel used to make
1 calorie of protein for various foods
Da: http://michaelbluejay.com/veg/environment.html
Gallons of water required to produce one pound
of various foods (236)
Gallons of water required to produce one
pound of various foods
Da: http://michaelbluejay.com/veg/environment.html
PERCHE’
Produzione o distribuzione ????
Cosa distingue un paese sviluppato da uno in via di sviluppo ? Gli Sprechi alimentari pro-capite
59 Da: G.L.Bagnara
Allora usiamo anche dell’altro
GRUPPO RICICLA via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
[email protected] http://users.unimi.it/ricicla/
Principali filiere dell’Industria Alimentare (ISTAT)
Carne e prodotti a base di carne
Pesce crostacei e molluschi
Frutta e ortaggi Olii e grassi
vegetali
Latte derivati Granaglie, amidi e prodotti amidacei
Prodotti da forno e farinacei
Zucchero
Cacao, cioccolato, caramelle
confetterie Tè e caffè
Condimenti e spezie
Pasti e piatti preparati
Omogeneizzati e dietetici
Alimenti per animali
Sottoprodotti vegetali Sottoprodotti animali
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Sottoprodotti vegetali: quantità in gioco
Fonte:CRPA
GRUPPO RICICLA via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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Sottoprodotti vegetali: coefficienti di scarto di alcune produzioni
lavorazione-preparazione dell’ortofrutta destinata al consumo fresco;
produzione di conserve vegetali diverse dal pomodoro.
GRUPPO RICICLA via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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SOTTOPRODOTTI VEGETALI- FRUTTA: molecole antiossidanti
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LAVORAZIONE DELLA MELA: PECTINE (APPLE POMACE), POLIFENOLI NELLE BUCCE
Polifenoli: CATECHINS, HYCROXYCINNAMATES, QUERCITIN GLYCOSIDE, ECC…).
bucce
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LAVORAZIONE DI ALBICOCCA E PESCA: APRICOT AND PEACH
APRICOT SEED OIL IN COSMETIC
GRUPPO RICICLA via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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CAROTA:
TOTAL CAROTENE>2g/kg dm POMACE
Development and Characterization of Extruded Product Using Carrot Pomace and Rice Flour Kumar, Navneet / Sarkar, B. C. / Sharma, Harish Kumar Citation Information: International Journal of Food Engineering. Volume 6, Issue 3, Pages –, ISSN (Online) 1556-3758, DOI: 10.2202/1556-3758.1824, June 2010
A new OPEC- Orange Peel Exploitation Company
50% juice 50% waste
Valorisation of a million ton scale pre-consumer waste
to bio-chemicals, bio-materials and bio-fuels.
BIO-CHEMICALS
8,069,705 T/y
of waste orange peels available in Brazil
BIO-FUELS
BIO-MATERIALS
bio-ethanol
Bio-solvents
chars
liquid fuels sugars
water purification separations
Natural fragrance chemicals
Chemical intermediates
acid catalysts
catalysis
Licopene Il licopene è un pigmento carotenoide, maggiormente presente nel pomodoro, che ne conferisce il caratteristico colore rosso
La pelle e il pericarpo del frutto di pomodoro sono particolarmente ricchi in
licopene e altri carotenoidi.
BUCCIA DEL POMODORO= 12 mg di licopene per 100 g (peso umido)
POMODORO MATURO = 3,4 mg per 100 g (peso umido).
GRUPPO RICICLA via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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vinacce
SCARTI DELLA PRODUZIONE DEL VINO
GRAPE STEAM: ELEVATE PROPRIETA’ ANTIOSSIDANTI
OLIO DI SEMI D’UVA: ELEVATE PROPRIETA’ ANTIOSSIDANTI
Grape seed oil also contains 0.8 to 1.5% unsaponifiables rich in phenols (tocopherols) and steroids (campesterol, beta-sitosterol, stigmasterol).
ANTIOSSIDANTE: RASVERATROLO
Courtesy of: Acien, 2014
ALGHE
ENERGY FROM MICROALGAE
Production of biofuels from microalgae
United States biodiesel needs = 0.53 billion m3 (to replace all transport fuel)
Crop Oil yield (L/ha)
Land area needed (M ha)
Percent of existing US cropping area
Corn 172 3,080 1,692 Soybean 446 1,188 652 Canola 1,190 446 244 Jatropha 1,892 280 154 Coconut 2,689 198 108 Oil palm 5,950 90 48 Microalgae 35,202 15.2 8 Microalgae 70,405 7.6 4
Microalgae 35,202 15.2 8 Microalgae 70,405 7.6 4
Not
feasible
(Y. Chisty, 2007. Biotechnol. Adv.)
Microalgaec 18,750 28.2 15.0
Microalgaed 17,330 30.6 16.3
a b
a, 20% w/w oil in biomass (Y. Chisty, 2007. Biotechnol. Adv.) b, 40% w/w oil in biomass (Y. Chisty, 2007. Biotechnol. Adv.) c, Phaeodactylum tricornutum 20% oil in biomass, 5glipids/m
2·day. Acién Fernández et al., (1998) d, Scenedesmus almeriensis, 16% oil in biomass. Fernández Sevilla et al., (2008) e, Nannochloropsis sp. Two-step process 200 mgoil/L·day, 9.5 gbiomass/m
2·day, Rodolfi et al., (2009) f, Nannochloropsis sp. Two-step process tropical area, Rodolfi et al (2009)
Optimistic
values Proved
values
Microalgaee 23,500 20.9 11
Microalgaef 35,300 15.2 8
Proved
Estimated
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
Raceway reactors (open) Tubular reactors (closed)
Photobioreactors
Courtesy of: Acien, 2014
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
Production steps
Culture medium Photobioreactors
Centrifugation
Freeze-dryer
Control unit
Dry biomass Final product
Courtesy of: Acien, 2014
Pure chemicals: Carotenoids Fatty acids Phycobiliproteins Toxins
Biofuels/biofertilizers Biofertilizers Biodiesel Biogas Bioethanol
Biomass Functional foods Aquaculture Animal feeding
Bioremediation Flue gases Wastewater Soils
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
ONLY SOME OF THEM ARE PERFORMED AT REAL SCALE
STILL TECHNICAL AND ECONOMIC BOTTLENECKS EXIST
Interest
PRODUCED STRAINS
Although thousands species are know, only a few are used commercially
Nannochloropsis Isochrysis
Utilization of consortiums is usually disregarded Courtesy of: Acien, 2014
PRODUCTION OF Spirulina Uses: Foods and functional foods, γ-linolenic acid, phycocianin, cosmetic, suplement for feeds
Companies: Cyanotech (www.cyanotech.com) (U.S.A); Earthrise Nutritionals (www.earthrise.com) (U.S.A); Panmol/Madaus (www.panmol.com) (Austria); Parry Nutraceuticals (www.murugappa.com) (India); Spirulina Mexicana (Sosa Texcoco) SA (México); Siam Alga Co., Ltd. (Tailandia), Nippon Spirulina Co., Ltd. (Japan), Koor Foods Co., Ltd (Israel), Nan Pao Resins Chemicals Co., Ltd. (Taiwan); Myanmar Spirulina Factory (Myanmar), Blue Continent Co., Ltd (South Africa)
Cyanotech Co., Hawaii, USA Raceway ponds
PRODUCED STRAINS
Uses: Foods and functional foods, β- carotene, cosmetic, antioxidant, suplement for feeds
Companies: Nature Beta Technologies Cognis (www.cognis.com) (Australia); Cyanotech (www.cyanotech.com) (U.S.A.); Nikken Sohonsha Corp. (www.chlostanin.co.jp) (Japan); Earthrise Nutritionals (www.earthrise.com) (U.S.A.), Betatene (www.betatene.com.au) (Australia); Inner Mongolia Biological Eng. (China); Nature Beta Technologies (Israel); Parry agro Industries (www.murugappa.com) (India); ABC Biotech Ltd. (India); Tianjin Lantai Biotechnologyd, (China); Western Biotechnology Ltd.(Australia); Aqua Carotene Ltd.(Australia)
Nature Beta Technologies, Eilat, Israel Raceway ponds
Cognis, Australia Open ponds
PRODUCTION OF Dunaliella
PRODUCED STRAINS
Courtesy of: Acien, 2014
Farming
Biomass: 166-190 Mg y-1
• Carbohydrates 39-76 Mg y-1
• Proteins 56-89 Mg y-1
• Lipids 25-56 Mg y-1
• PUFA 0.9-4 Mg y-1
•Pigments: 0.25 Mg y-1
Electric energy2,182 eKwh d-1
Ammonium sulfate
232 Mg y-1
Agriculture
Slurry20,201 Mg y-1
Digestate18,787 Mg y-1
N: 67.8 Mg y-1
P: 14.3 Mg y-1
Fertilizers/amendments11,655 Mg y-1
N: 46.6 Mg y-1
P: 14 Mg y-1
SP
DC
UF
UFP9581 Mg y-1
N: 11.6 Mg y-1
P: 0.18 Mg y-1
Option A (Actual situation) Ammonium sulfate production
and clean water recycle Option B (New scenario)
Microalgae production
Clean water6898 Mg y-1
RO
N-S
Market
Biogas
production
Electricity grid
Biogasproduction
Ledda et al., Applied Energy, Under Review
Biogas-Algae BIOREFINERY
Fabrizio Adani Full Professor
Fulvia Tambone Researcher
Barbara Scaglia Biologist
Valentina Orzi Agronomist
Giuliana D´Imporzano Agronomist
Andrea Schievano Environmental Engineer
Silvia Salati Environmental Scientist
Claudio Ledda Biotechnologist
Ester Manzini Agronomist
Tommy Pepè Sciarria Biologist
Carlo Riva Agronomist
Samuele Lonati Agronomist
Michele Pognani Agronomist
Laura Terruzzi Natural scientist
Arjana Doda Pharmacist
Luca Corno Agronomist