Si chiama steam explosion (esplosione mediante vapore) il processo termico che consente la polverizzazione della matrice fibrosa delle biomasse. Tale processo è in grado di aumentare il Bmp (potenziale metanigeno) e di facilitare la saccarificazione delle biomasse lignocellulosiche.
Nell'articolo Steam explosion delle biomasse: vale la pena? abbiamo già espresso qualche perplessità sul bilancio energetico del processo: produrre vapore richiede energia, che nel caso della digestione anaerobica non sempre è compensata dalla maggiore resa di metano rispetto alla biomassa non trattata. L'utilizzo di biomassa esplosa per la produzione di bioetanolo di seconda generazione presenta ulteriori problemi rispetto a quello per la digestione anaerobica: oltre al bilancio energetico, poco favorevole, le condizioni di temperatura e pressione della steam explosion sono talmente severe che le molecole di emicellulosa vengono degradate, producendo una serie di composti inibitori dei lieviti che realizzano la fermentazione alcolica. Tali inibitori vanificano in parte la maggiore resa di zuccheri dalle biomasse lignocellulosiche trattate con vapore. È lecito domandarsi: sono giuste le politiche europee per incentivare l'utilizzo della biomassa come mero combustibile? Dobbiamo per forza concentrare tutte le risorse dello Stato sulla produzione di energia?
Uno studio dell'Enea (Rif. i) apre una strada alternativa al classico uso energetico della biomassa che, oltre al risparmio energetico, offre maggiore sicurezza per i lavoratori agricoli, maggiore resa e qualità del prodotto e minore carico inquinante ambientale. L'idea consiste nel separare i sottoprodotti indesiderati della steam explosion, contenuti nei condensati, ed utilizzarli come fungicidi, rimpiazzando così i prodotti sintetizzati dal petrolio.
L'agricoltura occidentale richiede energia in molte forme, alcune facilmente quantificabili come ad esempio il gasolio necessario per le lavorazioni del terreno o l'elettricità per l'irrigazione; altre meno come l'energia necessaria per produrre fertilizzanti ed agrofarmaci. Questi ultimi sono prodotti contengono grandi quantità di "energia incorporata", in gergo tecnico: embodied energy. L'energia incorporata di un prodotto è la somma dell'energia necessaria per la sua produzione, confezionamento e trasporto. Nel caso di prodotti di sintesi, ricavati da ingredienti petrolchimici, si deve computare anche l'energia inizialmente contenuta nel petrolio dal quale derivano tali ingredienti, ovvero il suo potere calorifico più l'energia necessaria per l'estrazione e raffinazione.
La quantificazione dell'energia incorporata non è semplice quando i prodotti sono coperti da brevetti o segreti industriali, e perciò i loro processi produttivi non sono trasparenti. L'energia associata è anche variabile nel tempo: secondo uno studio condotto in Spagna (Rif. ii) dal 1940 fino al 2010 l'energia incorporata (media) negli agrochimici è salita da 70 MJ/chilogrammi nel 1940 fino a 447 MJ/chilogrammi nel 2010. Parallelamente, è andata aumentando l'efficacia dei prodotti man mano che si perfezionavano nuove molecole di sintesi, per cui la quantità media di agrofarmaci applicati per ettaro, e quindi il costo energetico dell'applicazione al campo è diminuito con il tempo.
Con le inevitabili incertezze del caso, possiamo fare una stima di quanta energia consuma il nostro paese per combattere le infestazioni fungine. I dati sono di pubblico accesso ed i conti sono molto semplici. Grazie alla banca dati della Fao, Faostat, scopriamo che in Italia sono state utilizzate 32.517 tonnellate di fungicidi nel 2017. Il valore dell'energia incorporata, calcolato dai ricercatori spagnoli, non è utilizzabile perché rappresenta la media di tutti gli agrochimici. Esiste poca informazione specifica sull'energia incorporata nei fungicidi, ma il buon senso ci dice che dovrebbe essere minore della media degli agrochimici per il semplice motivo che molti fungicidi sono a base minerale (per esempio, il solfato di rame) e quindi la loro estrazione, confezionamento e trasporto richiede relativamente poca energia per un chilo di prodotto.
Secondo R. Cross e R. Spencer (Rif. iii) l'energia associata ai fungicidi (media di tre prodotti specifici) è pari a 203,633 MJ/tonnellate. Una semplice moltiplicazione ci dice che, in Italia, il consumo energetico associato alla difesa dagli attacchi fungini è pari a 6.621.545.100 MJ. Un dato difficilmente "palpabile", per cui risulta più didattico esprimerlo in Tonnellate equivalenti di petrolio (Tep). Utilizzando la tabella di conversione "ufficiale", 1 Tep = 41.860 MJ, quindi con una semplice divisione deduciamo che la difesa, delle nostre colture, dalle malattie fungine richiede l'importazione di 158.183 Tep all'anno. A titolo di comparazione, nel 2017 tutte le centrali italiane di teleriscaldamento a biomassa hanno prodotto complessivamente 78.000 Tep di calore (Rif. iv).
La scoperta delle proprietà fungicide dei condensati rassomiglia a quella della scoperta della penicillina: avvenne per una felice coincidenza. I ricercatori dell'Enea di Trisaia stavano sperimentando nel loro impianto pilota Stele (Steam explosion legno, Foto 1) il trattamento della biomassa, da utilizzare come substrato presso una fungaia commerciale della provincia di Matera.
Foto 1: Schema di funzionamento dell'impianto Stele
(Fonte foto: De Corato et al., Rif. v)
Lo scopo iniziale della ricerca era valutare l'effetto ammendante della biomassa esplosa ottenuta da alcune colture energetiche (kenaf, sorgo, miscanto) sulla produttività della fungaia. Contrariamente alle aspettative, si osservò un netto decremento produttivo, sia in termini quantitativi che qualitativi. L'osservazione portò all'intuizione che nei substrati esplosi, utilizzati come ammendanti, vi fosse qualche sostanza che interferiva negativamente sia con la crescita miceliare e sia con la produzione in carpofori dei funghi coltivati.
Una successiva fase di studio dell'Enea evidenziò la presenza di acidi organici e di molecole furaniche nei substrati esplosi, le cui quantità dipendevano sia dal tipo di biomassa trattata che dalla severità del trattamento di steam explosion adottata. Era anche noto che alcune di queste sostanze, ed in particolare gli acidi acetico e formico, i lignosulfonati, la 2-furaldeide e il 5-idrossimetilfurfurale possedevano marcate attività antimicrobiche verso alcune specie di lieviti alcoligeni (Saccaromyces cerevisiae e Pichia stipis) comunemente utilizzati nei sistemi industriali di fermentazione per la produzione di bioetanolo di seconda generazione.
Nel 2008 è stata avviata un'ampia sperimentazione, sia in vivo che in vitro, volta a dimostrare l'esistenza di un'attività inibitrice/soppressiva esercitata da alcuni tipi di biomassa esplosa verso una collezione di funghi patogeni di specie ortive, particolarmente dannosi nelle serre in Puglia e Basilicata e trasmessi normalmente attraverso il suolo. La biomassa esplosa è stata ricavata da miscanto, canna comune e paglia di grano, in quanto sono colture adatte alle terre aride e marginali del Mediterraneo, sperimentate dal centro Enea della Trisaia.
In estrema sintesi, i risultati delle ricerche dimostrano che:
Tabella 1: Composizione in furfurali ed acidi organici volatili presenti in reflui da biomassa esplosa di miscanto, paglia di grano e canna comune
(Fonte foto: Rif. i)
Le politiche comunitarie attuali, e di conseguenza quelle nazionali, incentivano la semplice sostituzione dei combustibili fossili con biomasse, ma non considerano minimamente che il potere calorifico di queste è minore dell'energia associata a molti prodotti - per esempio le materie plastiche e gli agrochimici. Quindi sarebbe più efficace incentivare l'utilizzo della biomassa come materia prima per la produzione di commodities industriali, piuttosto che come semplice combustibile.
Ad esempio, se la biomassa utilizzata nelle centrali di teleriscaldamento venisse previamente esplosa con vapore prodotto dalla stessa centrale, si avrebbe un doppio risparmio: quello "classico", derivante dalla sostituzione di petrolio o carbone con biomassa e inoltre quello "innovativo", derivante dalla sostituzione dei fungicidi di sintesi con i condensati della steam explosion. Il calore necessario per produrre il vapore andrebbe comunque recuperato durante la sua successiva condensazione e la combustione della biomassa esplosa sarà sicuramente più efficiente rispetto a quella del cippato per la sua granulometria più fine, quindi si avrebbe complessivamente una maggiore efficienza nell'utilizzo della risorsa. La sperimentazione in vivo dimostra che i fungicidi, derivati da steam explosion, sono efficaci nella difesa di una grande varietà di ortive e nel contempo, presentando una bassa tossicità per gli umani e per l'ambiente, possono essere ritenuti più sicuri rispetto ai prodotti di sintesi. La loro energia associata è pressoché nulla perché si tratta di sottoprodotti accumulatisi nei condensati durante il recupero di calore dal vapore di processo.
[i] U. De Corato et al. Un potenziale impiego dei reflui ottenuti da biomasse vegetali trattate con la steam-explosion nella difesa fitosanitaria - Un'ulteriore opportunità per l'efficienza energetica e la sostenibilità ambientale in agricoltura. Rapporto tecnico Enea n. RT/2013/16/Enea, scaricabile da questa pagina.
[ii] E. Aguilera et al., Embodied energy in agricultural inputs. Incorporating a historical perspective. Issn: 2386-7825, nov. 2015.
[iii] R. Cross e R. Spencer, Sustainable gardens, Csiro Publishing, 2009, pagina 284, Tabella 12.12.
[iv] EurObserv'ER, Solid biomass barometer 2019, Tabella 3.
[v] U. De Corato et al., Biomasse vegetali e steam-explosion nella difesa fitosanitaria - Un'opportunità per l'efficienza energetica e la sostenibilità ambientale in agricoltura. RT/2012/18/Enea.
Nell'articolo Steam explosion delle biomasse: vale la pena? abbiamo già espresso qualche perplessità sul bilancio energetico del processo: produrre vapore richiede energia, che nel caso della digestione anaerobica non sempre è compensata dalla maggiore resa di metano rispetto alla biomassa non trattata. L'utilizzo di biomassa esplosa per la produzione di bioetanolo di seconda generazione presenta ulteriori problemi rispetto a quello per la digestione anaerobica: oltre al bilancio energetico, poco favorevole, le condizioni di temperatura e pressione della steam explosion sono talmente severe che le molecole di emicellulosa vengono degradate, producendo una serie di composti inibitori dei lieviti che realizzano la fermentazione alcolica. Tali inibitori vanificano in parte la maggiore resa di zuccheri dalle biomasse lignocellulosiche trattate con vapore. È lecito domandarsi: sono giuste le politiche europee per incentivare l'utilizzo della biomassa come mero combustibile? Dobbiamo per forza concentrare tutte le risorse dello Stato sulla produzione di energia?
Uno studio dell'Enea (Rif. i) apre una strada alternativa al classico uso energetico della biomassa che, oltre al risparmio energetico, offre maggiore sicurezza per i lavoratori agricoli, maggiore resa e qualità del prodotto e minore carico inquinante ambientale. L'idea consiste nel separare i sottoprodotti indesiderati della steam explosion, contenuti nei condensati, ed utilizzarli come fungicidi, rimpiazzando così i prodotti sintetizzati dal petrolio.
L'energia associata agli input agronomici
L'agricoltura occidentale richiede energia in molte forme, alcune facilmente quantificabili come ad esempio il gasolio necessario per le lavorazioni del terreno o l'elettricità per l'irrigazione; altre meno come l'energia necessaria per produrre fertilizzanti ed agrofarmaci. Questi ultimi sono prodotti contengono grandi quantità di "energia incorporata", in gergo tecnico: embodied energy. L'energia incorporata di un prodotto è la somma dell'energia necessaria per la sua produzione, confezionamento e trasporto. Nel caso di prodotti di sintesi, ricavati da ingredienti petrolchimici, si deve computare anche l'energia inizialmente contenuta nel petrolio dal quale derivano tali ingredienti, ovvero il suo potere calorifico più l'energia necessaria per l'estrazione e raffinazione.La quantificazione dell'energia incorporata non è semplice quando i prodotti sono coperti da brevetti o segreti industriali, e perciò i loro processi produttivi non sono trasparenti. L'energia associata è anche variabile nel tempo: secondo uno studio condotto in Spagna (Rif. ii) dal 1940 fino al 2010 l'energia incorporata (media) negli agrochimici è salita da 70 MJ/chilogrammi nel 1940 fino a 447 MJ/chilogrammi nel 2010. Parallelamente, è andata aumentando l'efficacia dei prodotti man mano che si perfezionavano nuove molecole di sintesi, per cui la quantità media di agrofarmaci applicati per ettaro, e quindi il costo energetico dell'applicazione al campo è diminuito con il tempo.
Con le inevitabili incertezze del caso, possiamo fare una stima di quanta energia consuma il nostro paese per combattere le infestazioni fungine. I dati sono di pubblico accesso ed i conti sono molto semplici. Grazie alla banca dati della Fao, Faostat, scopriamo che in Italia sono state utilizzate 32.517 tonnellate di fungicidi nel 2017. Il valore dell'energia incorporata, calcolato dai ricercatori spagnoli, non è utilizzabile perché rappresenta la media di tutti gli agrochimici. Esiste poca informazione specifica sull'energia incorporata nei fungicidi, ma il buon senso ci dice che dovrebbe essere minore della media degli agrochimici per il semplice motivo che molti fungicidi sono a base minerale (per esempio, il solfato di rame) e quindi la loro estrazione, confezionamento e trasporto richiede relativamente poca energia per un chilo di prodotto.
Secondo R. Cross e R. Spencer (Rif. iii) l'energia associata ai fungicidi (media di tre prodotti specifici) è pari a 203,633 MJ/tonnellate. Una semplice moltiplicazione ci dice che, in Italia, il consumo energetico associato alla difesa dagli attacchi fungini è pari a 6.621.545.100 MJ. Un dato difficilmente "palpabile", per cui risulta più didattico esprimerlo in Tonnellate equivalenti di petrolio (Tep). Utilizzando la tabella di conversione "ufficiale", 1 Tep = 41.860 MJ, quindi con una semplice divisione deduciamo che la difesa, delle nostre colture, dalle malattie fungine richiede l'importazione di 158.183 Tep all'anno. A titolo di comparazione, nel 2017 tutte le centrali italiane di teleriscaldamento a biomassa hanno prodotto complessivamente 78.000 Tep di calore (Rif. iv).
Il potere fungicida dei condensati da steam explosion
La scoperta delle proprietà fungicide dei condensati rassomiglia a quella della scoperta della penicillina: avvenne per una felice coincidenza. I ricercatori dell'Enea di Trisaia stavano sperimentando nel loro impianto pilota Stele (Steam explosion legno, Foto 1) il trattamento della biomassa, da utilizzare come substrato presso una fungaia commerciale della provincia di Matera.
Foto 1: Schema di funzionamento dell'impianto Stele
(Fonte foto: De Corato et al., Rif. v)
Lo scopo iniziale della ricerca era valutare l'effetto ammendante della biomassa esplosa ottenuta da alcune colture energetiche (kenaf, sorgo, miscanto) sulla produttività della fungaia. Contrariamente alle aspettative, si osservò un netto decremento produttivo, sia in termini quantitativi che qualitativi. L'osservazione portò all'intuizione che nei substrati esplosi, utilizzati come ammendanti, vi fosse qualche sostanza che interferiva negativamente sia con la crescita miceliare e sia con la produzione in carpofori dei funghi coltivati.
Una successiva fase di studio dell'Enea evidenziò la presenza di acidi organici e di molecole furaniche nei substrati esplosi, le cui quantità dipendevano sia dal tipo di biomassa trattata che dalla severità del trattamento di steam explosion adottata. Era anche noto che alcune di queste sostanze, ed in particolare gli acidi acetico e formico, i lignosulfonati, la 2-furaldeide e il 5-idrossimetilfurfurale possedevano marcate attività antimicrobiche verso alcune specie di lieviti alcoligeni (Saccaromyces cerevisiae e Pichia stipis) comunemente utilizzati nei sistemi industriali di fermentazione per la produzione di bioetanolo di seconda generazione.
Nel 2008 è stata avviata un'ampia sperimentazione, sia in vivo che in vitro, volta a dimostrare l'esistenza di un'attività inibitrice/soppressiva esercitata da alcuni tipi di biomassa esplosa verso una collezione di funghi patogeni di specie ortive, particolarmente dannosi nelle serre in Puglia e Basilicata e trasmessi normalmente attraverso il suolo. La biomassa esplosa è stata ricavata da miscanto, canna comune e paglia di grano, in quanto sono colture adatte alle terre aride e marginali del Mediterraneo, sperimentate dal centro Enea della Trisaia.
In estrema sintesi, i risultati delle ricerche dimostrano che:
- I condensati da steam explosion di biomassa di miscanto e di canna comune contengono una maggiore concentrazione di sostanze antimicotiche rispetto a quelli della paglia (Tabella 1).
- I condensati da steam explosion di miscanto e paglia di grano (e, in minor misura, anche da quello di canna comune o Arundo) sono ritenuti molto incoraggianti se applicati alla diluizione di 1:2 con acqua di irrigazione su sei patosistemi (A. alternata/pomodoro, B. cinerea/pomodoro, C. acutatum/fragole, C. fulvum/pomodoro, F. solani f. sp. pisi/pisello e V. dahliae/melanzana) durante trattamenti preventivi alle foglie, ai frutti ed alle piantine.
- I condensati sono facili da maneggiare e stoccare, completamente solubili in acqua irrigua, e la loro bassa tossicità non rappresenta pericolo alcuno per gli operatori.
Tabella 1: Composizione in furfurali ed acidi organici volatili presenti in reflui da biomassa esplosa di miscanto, paglia di grano e canna comune
(Fonte foto: Rif. i)
Conclusioni
Le politiche comunitarie attuali, e di conseguenza quelle nazionali, incentivano la semplice sostituzione dei combustibili fossili con biomasse, ma non considerano minimamente che il potere calorifico di queste è minore dell'energia associata a molti prodotti - per esempio le materie plastiche e gli agrochimici. Quindi sarebbe più efficace incentivare l'utilizzo della biomassa come materia prima per la produzione di commodities industriali, piuttosto che come semplice combustibile.Ad esempio, se la biomassa utilizzata nelle centrali di teleriscaldamento venisse previamente esplosa con vapore prodotto dalla stessa centrale, si avrebbe un doppio risparmio: quello "classico", derivante dalla sostituzione di petrolio o carbone con biomassa e inoltre quello "innovativo", derivante dalla sostituzione dei fungicidi di sintesi con i condensati della steam explosion. Il calore necessario per produrre il vapore andrebbe comunque recuperato durante la sua successiva condensazione e la combustione della biomassa esplosa sarà sicuramente più efficiente rispetto a quella del cippato per la sua granulometria più fine, quindi si avrebbe complessivamente una maggiore efficienza nell'utilizzo della risorsa. La sperimentazione in vivo dimostra che i fungicidi, derivati da steam explosion, sono efficaci nella difesa di una grande varietà di ortive e nel contempo, presentando una bassa tossicità per gli umani e per l'ambiente, possono essere ritenuti più sicuri rispetto ai prodotti di sintesi. La loro energia associata è pressoché nulla perché si tratta di sottoprodotti accumulatisi nei condensati durante il recupero di calore dal vapore di processo.
[i] U. De Corato et al. Un potenziale impiego dei reflui ottenuti da biomasse vegetali trattate con la steam-explosion nella difesa fitosanitaria - Un'ulteriore opportunità per l'efficienza energetica e la sostenibilità ambientale in agricoltura. Rapporto tecnico Enea n. RT/2013/16/Enea, scaricabile da questa pagina.
[ii] E. Aguilera et al., Embodied energy in agricultural inputs. Incorporating a historical perspective. Issn: 2386-7825, nov. 2015.
[iii] R. Cross e R. Spencer, Sustainable gardens, Csiro Publishing, 2009, pagina 284, Tabella 12.12.
[iv] EurObserv'ER, Solid biomass barometer 2019, Tabella 3.
[v] U. De Corato et al., Biomasse vegetali e steam-explosion nella difesa fitosanitaria - Un'opportunità per l'efficienza energetica e la sostenibilità ambientale in agricoltura. RT/2012/18/Enea.
