scarica la presentazione - Orienta Chimica

Dalle biomasse e dai rifiuti organici
energia e prodotti rinnovabili
F Adani
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]
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
Produzione in declino
Fonte. WEO,2010 ( AIE)
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
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
6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2
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.,
Fonte: Prem S. Bindraban, ISRIC-World Soil Information - Researcher Agro-system Research, 2013
G.L.Bagnara
23
Redditi da biorefinery
DOVE PRODURRE ?????
3. Competizione
The Economist, 28
Agosto, 2010
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
•Purification
•Injection into the grid
around 1000
methane fuel
stations
= whatever use
sistemi Biogas
Il disegno di impianto dei
reattori è molto semplice
CSTR (Completely Stirred
Tank Reactor).
Il materiale fresco è
alimentato nel digestore e
completamente miscelato
Il digestato è
estratto dal digestore
Distinzione funzionale in fase acidogena e fase metanigena
Carbohydrates
Sugars
Carbonic Acids
and Alcohols
Fats
Hydrogen
Acetic Acid
CO2
Fats
Hydrogen
CO2
Ammonia
Proteins
Aminoacids
Proteins
Hydrolysis
Acidogenesis
Methane
CO2
C2H4O2
Acetogenesis
Methanogenesis
Alimentazione e produzione
Metano
1800 - 2100 mc CH4/d
Idrogeno
100 - 300 mc H2/d
50 ton/d liquami
bovini/suini
3 ton/d insilati
1 ton/d melasso
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 !!!!!!!!!!!!!!!!
Bilancio economico, energetico e ambientale
impianto biogas (1MW)
Coltura
Eco.
Bilancio
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
Sorgo - Triticale
Triticale - Mais II° Raccolto
Arundo Low
Arundo High
2,47
2,79
3,44
4,22
5,68
1,80
1,78
1,99
8,69
11,96
10,70
7,08
11,13
50,00
69,14
DiProVe/DIA (UNIMI): Schievano, Bacenetti, Fiala, Adani
Hill et al., 2009, PNAS, 106, 2077-2082
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
http://www.lcia-recipe.net/
I18 indicatori specifici
(midpoint)
Latte e/o carne
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
UNITÀ FZ: 1kWh elettrico; metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.06/Europe ReCiPe H/A; mPt: millipoints;
Tipologia di impianti
…usiamo il caso Lombardia
PROVINCIE
Cremona
Brescia
Lodi
Milano
Mantova
Pavia
Bergamo
N° impianti
Marzo 2013
137
68
49
8
41
47
11
Tot. 361 (282 MW)
Alimentazione media megadigestore
LOMBARDIA:
282 MW
Da tutto ciò cosa ne deriva ?
- 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%.
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
Da: http://michaelbluejay.com/veg/environment.html
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
Da: G.L.Bagnara
59
Allora usiamo anche dell’altro
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
GRUPPO RICICLA
via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
[email protected] http://users.unimi.it/ricicla/
Sottoprodotti animali
Sottoprodotti vegetali: quantità in gioco
Fonte:CRPA
GRUPPO RICICLA
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Sottoprodotti vegetali: coefficienti di scarto di alcune produzioni
lavorazione-preparazione dell’ortofrutta
destinata al consumo fresco;
GRUPPO RICICLA
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produzione di conserve vegetali diverse
dal pomodoro.
SOTTOPRODOTTI VEGETALI- FRUTTA: molecole antiossidanti
GRUPPO RICICLA
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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 SEED OIL IN COSMETIC
GRUPPO RICICLA
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APRICOT AND PEACH
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
GRUPPO
RICICLA
via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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A new OPECOrange Peel Exploitation Company
Valorisation of a million ton scale pre-consumer waste
to bio-chemicals, bio-materials and bio-fuels.
BIO-CHEMICALS
Bio-solvents
Natural fragrance chemicals
Chemical intermediates
50% juice
50% waste
acid catalysts
BIO-FUELS
bio-ethanol
sugars
8,069,705 T/y
of waste orange peels
available in Brazil
liquid fuels
BIO-MATERIALS
separations
chars
catalysis
water purification
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).
SCARTI DELLA PRODUZIONE DEL VINO
vinacce
GRUPPO RICICLA
via Celoria 2, Milano Tel 02 503 16546
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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
ALGHE
Courtesy of: Acien, 2014
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)
(Y. Chisty, 2007. Biotechnol. Adv.)
Corn
Soybean
Canola
Jatropha
Coconut
Oil palm
Microalgaea
Microalgaeb
Microalgaec
Microalgaed
Microalgaee
Microalgaef
172
446
1,190
1,892
2,689
5,950
35,202
70,405
18,750
17,330
23,500
35,300
3,080
1,188
446
280
198
90
15.2
7.6
28.2
30.6
20.9
15.2
Percent of
existing US
cropping area
1,692
652
Not
244
154
feasible
108
48
8
Optimistic
4
values
Proved
15.0
values
16.3
Proved
11
Estimated
8
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/m2·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/m2·day, Rodolfi et al., (2009)
f, Nannochloropsis sp. Two-step process tropical area, Rodolfi et al (2009)
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
Photobioreactors
Raceway reactors (open)
Tubular reactors (closed)
Courtesy of: Acien, 2014
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
Production steps
Culture medium
Photobioreactors
Centrifugation
Freeze-dryer
Control unit
Dry biomass
Courtesy of: Acien, 2014
Final product
MICROALGAE PRODUCTION AND MARKETS
Interest
Pure chemicals:
Carotenoids
Fatty acids
Phycobiliproteins
Toxins
Biomass
Functional foods
Aquaculture
Animal feeding
Biofuels/biofertilizers
Biofertilizers
Biodiesel
Biogas
Bioethanol
Bioremediation
Flue gases
Wastewater
Soils
ONLY SOME OF THEM ARE PERFORMED AT REAL SCALE
STILL TECHNICAL AND ECONOMIC BOTTLENECKS EXIST
PRODUCED STRAINS
Although thousands species are know, only a few are used commercially
Nannochloropsis
Isochrysis
Courtesy of: Acien, 2014
Utilization of consortiums is usually disregarded
PRODUCED STRAINS
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
PRODUCTION OF Dunaliella
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
Courtesy of: Acien, 2014
Cognis, Australia
Open ponds
Biogas-Algae BIOREFINERY
Farming
Slurry
20,201 Mg y-1
Electric energy
2,182 eKwh d-1
Biogas
Biogas
production
production
Digestate
N: 67.8 Mg y-1
18,787 Mg y-1 P: 14.3 Mg y-1
Electricity grid
SP
Agriculture
Fertilizers/
amendments
11,655 Mg y-1
N: 46.6 Mg y-1
P: 14 Mg y-1
DC
UF
N: 11.6 Mg y-1
UFP
-1
P: 0.18 Mg y-1
9581 Mg y
RO
Clean water
6898 Mg y-1
Biomass:
N-S
Ammonium
sulfate
232 Mg y-1
Option A (Actual situation)
Ammonium sulfate production
and clean water recycle
Market
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
Option B (New scenario)
Microalgae production
Ledda et al., Applied Energy, Under Review
Fabrizio Adani
Fulvia Tambone
Barbara Scaglia
Full Professor
Researcher
Biologist
Andrea Schievano
Giuliana D´Imporzano
Environmental Engineer
Agronomist
Valentina Orzi
Agronomist
Claudio Ledda
Silvia Salati
Biotechnologist
Environmental Scientist
Ester Manzini
Tommy Pepè Sciarria
Agronomist
Biologist
Arjana Doda
Samuele Lonati
Laura Terruzzi
Pharmacist
Agronomist
Natural scientist
Carlo Riva
Michele Pognani
Luca Corno
Agronomist
Agronomist
Agronomist