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: gruppo.ricicla@unimi.it

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

gruppo.ricicla@unimi.it 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

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gruppo.ricicla@unimi.it http://users.unimi.it/ricicla/

Sottoprodotti vegetali: coefficienti di scarto di alcune produzioni

lavorazione-preparazione dell’ortofrutta destinata al consumo fresco;

produzione di conserve vegetali diverse dal pomodoro.

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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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gruppo.ricicla@unimi.it http://users.unimi.it/ricicla/

LAVORAZIONE DI ALBICOCCA E PESCA: APRICOT AND PEACH

APRICOT SEED OIL IN COSMETIC

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gruppo.ricicla@unimi.it http://users.unimi.it/ricicla/

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).

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gruppo.ricicla@unimi.it http://users.unimi.it/ricicla/

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