LA PRODUZIONE DI IDROGENO DALLE ALGHE. CENNI STORICI.

Nel 1939 un ricercatore tedesco, Hans Gaffron, durante i suoi studi presso l'università di Chicago, notò che le alghe che stava osservando, la Chlamydomonas reinhardtii

(un'alga verde), a volte passava dalla produzione di ossigeno a quella di idrogeno. Gaffron non riuscì però a scoprire la causa che provocava questo cambiamento, e per molti anni la causa rimase misconosciuta fino alla fine degli anni '90 quando il professor Anastasios Melis, all'epoca ricercatore presso l'Università della California a Berkeley, scoprì che se la coltura di alghe veniva privata di zolfo questa cessava di produrre ossigeno (la normale fotosintesi), passando a produrre idrogeno. Scoprì inoltre che l'enzima responsabile di questa reazione è l'idrogenasi, ma che l'idrogenasi perdeva la sua funzione in presenza di ossigeno. Melis scoprì che privando l'alga dello zolfo questa interrompeva il flusso interno di ossigeno, creando così un ambiente in cui l'idrogenasi poteva reagire, producendo idrogeno.

Estrarre idrogeno dalle alghe, la ricerca italiana.

Attualmente si adoperano alcuni particolari batteri e alcune tipologie di micro-alghe. Quindi su microorganismi, sia procarioti che eucarioti, che hanno imparato con l’evoluzione a utilizzare l’energia solare meglio di qualunque altro essere. La sfida è utilizzare questi processi naturali per ottenere idrogeno, che sembra essere il vettore emergente per produrre energia pulita. Allo stato naturale alcuni tipi di alghe sintetizzano piccolissime quantità d’idrogeno che utilizzano a fini metabolici. L' intervento di modificazione genetica consiste nel fargli produrre più idrogeno. A tal fine vi è una collaborazione in atto tra l’Università di Firenze, l’Enea e il CNR di Napoli e Firenze con coordinamento del gruppo a Padova. Si stanno seguendo tre linee di ricerca. La prima è l’utilizzo di microorganismi per ottenere idrogeno da biomassa. La biomassa si può ottenere dai residui di lavorazione degli allevamenti, ma anche nelle acque reflue cittadine.

La seconda linea di ricerca è forse la più difficile e ambiziosa: modificare geneticamente alghe e organismi per produrre idrogeno. La terza linea è la più ingegneristica: combinare i risultati delle prime due linee per realizzare un impianto pilota in cui realizzare il frutto di questi processi. Sarà il momento in cui sarà possibile valutare il costo, l’economicità e la possibilità di questa innovazione. In prospettiva potremmo avere dei bioreattori che sotto illuminazione solare saranno capaci di produrre idrogeno.

 Chlamydomonas moeweesi è considerata dagli studiosi una buona candidata per la produzione di idrogeno.

Nella prospettiva di una produzione diffusa dell’idrogeno, possiamo immaginare piccoli impianti che producano, almeno in parte, l’energia necessaria.

Ad esempio un allevamento o un’azienda agricola che potrà installare un bioreattore e soddisfare il suo fabbisogno (Guelci, 2007).

Prospettive della ricerca mondiale

La produzione biologica d’idrogeno è fatta in bioreattori ed è basata sulla produzione di idrogeno da parte di alcune alghe private di zolfo.

Problemi nella realizzazione di bioreattori:

·                    Si ha diminuzione di produzione di idrogeno in via fotosintetica dovuta alla formazione di un gradiente protonico.

·                    Inibizione di tipo competitivo della produzione fotosintetica di idrogeno da parte del biossido di carbonio .

·                    Necessità di un legame bi carbonico nel foto sistema II (PSII) per mantenere efficiente l'attività fotosintetica.

·                    Cattura competitiva degli elettroni da parte dell'ossigeno durante la produzione di idrogeno da parte delle alghe.

·                    Fattibilità economica-efficienza energetica: la conversione di luce solare in idrogeno deve raggiungere il 7-10% (le alghe nella loro forma naturale riescono a raggiungere lo 0,1% al massimo).

Attualmente ci sono progetti in corso per risolvere questi problemi con l'uso della bioingegneria.

Traguardi raggiunti :

2006 - Ricercatori dell'Università di Bielefeld e dell’Università del Queensland, hanno modificato geneticamente l'alga verde unicellulare Chlamydomonas reinhardtii in modo da rendere possibile da parte dell'alga la produzioni di grandi quantità di idrogeno. La Stm6, come è stata chiamata, può produrre nel lungo termine, cinque volte il volume di idrogeno prodotto dall'alga nello stato naturale con una efficienza energetica di produzione di circa l'1,6-2%. Un articolo non pubblicato dell'Università di Berkeley (il programma è stato svolto dal Midwest research Institute, un operatore esterno che lavora per il NREL) potrebbe aver trovato la soluzione tecnologica che consente di aumentare l’efficienza energetica del processo, rendendo fattibile da un punto di vista economico il progetto. Questo risultato è stato ottenuto accorciando i blocchi di clorofilla negli organuli deputati alla fotosintesi. In Germania all’università di Karlsruhe è in corso di sviluppo un prototipo di bioreattore contenente 500-1.000 litri di colture algali. Il reattore sarà utilizzato nei prossimi 5 anni per provare la fattibilità economica del programma (W.a 4/4/2007).

G.N.

PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’IDROGENO

Esistono diversi modi per estrarre l'idrogeno. Osserviamoli e confrontiamoli.

La trasformazione degli idrocarburi:

Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato e attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. Tale metodo può essere applicato anche ad altri idrocarburi come l'etano e la nafta. Non possono essere utilizzati idrocarburi più pesanti perché essi potrebbero contenere impurità. Altri processi, invece, come l'ossidazione parziale, sono più efficienti con idrocarburi più pesanti. Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno. Il rendimento del processo si aggira sul 50%-70%. Nello steam reforming tradizionale, gli idrocarburi sono la fonte sia dell’energia chimica, sia dell’energia termica:

circa il 45% del consumo degli idrocarburi è destinato alla produzione di calore. Poiché l’idrogeno in tal modo prodotto è più costoso della sostanza di partenza, il metano, la sostituzione di questo con l’idrogeno come combustibile non è conveniente. I costi dello SMR sono notevolmente inferiori a quelli dell'elettrolisi e competitivi con quelli delle altre tecnologie, esso comporta inoltre un ridottissimo impatto ambientale.

Alcuni autori, sostengono che la tecnologia SMR può essere conveniente, se combinata con l'alimentazione di veicoli, per l'applicazione su celle a combustibile prodotte su scala ridotta. Altre innovazioni invece, riguardano più in particolare lo SMR stesso. Uno degli obbiettivi della ricerca è infatti, quello di migliorare il tradizionale processo SMR con il perfezionamento di un nuovo processo denominato:

Sorbtion Enhanced Reforming (SER). Rispetto al tradizionale SMR tale processo implica la produzione di idrogeno a temperatura particolarmente bassa e  l’abbinamento di un processo di rimozione selettiva dell’anidride carbonica rilasciata durante la fase di reforming. Il vantaggio principale del SER quindi, consiste nell’ottenere direttamente dei flussi separati, estremamente puri, sia di idrogeno che di CO₂ senza ricorrere a costosi sistemi di purificazione. Questo nuovo processo ha dunque la possibilità di prevalere rispetto ai processi convenzionali, e di favorire l’introduzione a breve termine dell’idrogeno, non solo per i ridotti costi operativi che esso comporta ma anche per il contributo alla riduzione della concentrazione dei gas serra nell’atmosfera.

Le attività di ricerca sono ovviamente volte all’individuazione dei materiali più idonei all’assorbimento di CO₂, alla dimostrazione della validità tecnica dei sistemi sperimentali e all’analisi dei relativi vantaggi economici.

Gassificazione del carbone e dei combustibili fossili:

Il processo di gassificazione consiste nella parziale ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.

Tramite la gassificazione il carbone viene convertito, parzialmente o completamente, in combustibili gassosi i quali, dopo essere stati purificati vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti.

La produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone è una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma è competitiva con la tecnologia SMR solo dove il costo del gas naturale è molto elevato (per esempio la Repubblica Popolare Cinese e il Sud Africa). La gassificazione di combustibili fossili si presenta economicamente interessante nelle regioni in cui il carbone abbonda ed è poco costoso.

Idrolisi dell’acqua.

Elettrolisi:

questo è sicuramente il processo più maturo per la produzione industriale, e sono stati costruiti alcuni grandi impianti nelle vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo. E’ importante però ricordare che, seppur svantaggioso, dalla produzione di idrogeno mediante il processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro, da utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più comune per la produzione di idrogeno anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di energia elettrica.

Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo per soddisfare richieste limitate di idrogeno estremamente puro. Per risolvere questo problema, si prevede l’applicazione dell’elettrolisi con vapore ad alta temperatura (900-1.000 °C).

L’alta temperatura del sistema accelera le reazioni, riduce le perdite d’energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi ed accresce l’efficienza complessiva del sistema. Questa tecnologia offre l’opportunità di ridurre il consumo di elettricità al 35% di quella utilizzata dagli attuali elettrolizzatori in commercio. Questa notevole riduzione dei costi, e l’elevata efficienza di conversione stimata (circa il 90%), consentirebbe all’elettrolisi di essere competitiva anche con lo steam reforming, che richiede notevoli investimenti strutturali.

Termolisi:

la termolisi è la dissociazione delle molecole di acqua tramite solo apporto di calore che richiede temperature molto elevate, dell’ordine dei 3.000°C .

Con temperature così elevate, è complicato però separare l’idrogeno dall’ossigeno dati i notevoli problemi che pone la resistenza dei materiali.

 Decomposizione mediante cicli termochimici:

con temperature più basse, tecnologicamente compatibili con i materiali conosciuti, è possibile ottenere la dissociazione dell’acqua per mezzo di cicli chiusi di reazioni chimiche di tipo endotermico. Tali tecnologie di produzione sono motivate dalla speranza di individuare un processo che possa utilizzare direttamente una fonte di calore ad alta temperatura, solare o nucleare (in particolare nei reattori HTGR, caratterizzati da una alta temperatura di uscita dei vapori) con un rendimento globale maggiore di quello ottenibile da un impianto di elettrolisi.

Fotolisi:

Essa si propone di ottenere la dissociazione della molecola dell’acqua fornendo l’energia necessaria sotto forma di radiazioni luminose solari.

Decomposizione mediante foto elettrolisi:

 L’ultima possibilità di produrre idrogeno impiega il biossido di titanio o rutilio – TiO2 – come fotoelettrodo. Questo sistema, scoperto nel 1972, ha dato vita a numerosi ed interessanti studi e ricerche.

Altri processi:

Oltre ai metodi analizzati nei precedenti paragrafi, la ricerca è attiva in diversi settori riguardanti la produzione dell’idrogeno. Essa si muove fondamentalmente

 in due direzioni: migliorare le tecnologie esistenti e sperimentare nuovi metodi. L’obiettivo principale è quello di abbattere i costi delle tecnologie ormai in uso riducendo la quantità dei materiali impiegati e aumentando quindi i rendimenti di conversione degli impianti esistenti. In secondo luogo, si cercano di perfezionare nuovi sistemi che consentano di risolvere la questione dell’impatto ambientale delle tecnologie basate sull’impiego degli idrocarburi. In particolare, si sta puntando molto su sistemi che consentano la produzione di idrogeno tramite l’impiego diretto dell’energia solare, in sostituzione dell’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi dell’acqua. Uno di questi, la produzione dell'idrogeno per fotoconversione, associa un sistema di assorbimento della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell'acqua. Questo processo usa l'energia della luce senza passare attraverso la produzione separata di elettricità richiesta dall'elettrolisi. Ci sono due classificazioni principali di tali sistemi: fotobiologico e fotoelettrochimico. Si tratta, tuttavia, prevalentemente di tecnologie in fase sperimentale, le cui attività di laboratorio richiedono ancora notevoli perfezionamenti.

Tecnologie foto elettrochimiche:

 I sistemi foto elettrochimici usano degli elettrodi semiconduttori in una cella foto elettrochimica per convertire energia ottica in energia chimica. Esistono essenzialmente due tipologie di tali sistemi: una utilizza semiconduttori, l'altro metalli complessi dissolti.

 Nel primo tipo, un materiale semiconduttore è utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia per agire da elettrodo per la scissione dell'acqua. Il secondo tipo di sistemi foto elettrochimici usa materiali complessi dissolti come catalizzatori. Il materiale complesso solubile assorbe energia e crea una separazione tramite carica elettrica che conduce alla reazione di scissione dell'acqua. La ricerca si sta occupando di individuare dei catalizzatori che possano dissociare più efficientemente l'acqua e produrre idrogeno.

Tecnologie fotobiologiche:

 I processi di produzione fotobiologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi biologici, che usano generalmente la luce solare. Alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni pigmenti delle alghe assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno. La ricerca sta analizzando i meccanismi dettagliati di questi sistemi biologici. In ogni caso si è ai primi stadi ed il livello di efficienza di conversione in energia (rapporto tra l'ammontare di energia prodotta dall'idrogeno e l'entità della luce solare impiegata) è basso, circa il 5%. Per la produzione di idrogeno su larga scala, questi processi richiedono efficienza più elevata e riduzione dei costi.

Esistono numerose attività di ricerca che hanno lo scopo di adeguare i sistemi di produzione fotobiologica a tali difficoltà. A breve termine si prevede l’identificazione di batteri e sviluppo di un sistema che possa produrre idrogeno puro a temperatura e pressione ambiente, nell'oscurità.

Attualmente, sono state isolate circa 400 specie di questo tipo di batteri, capaci di combinare, nell'oscurità, monossido di carbonio ed acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno e biossido di carbonio.

L'analisi dettagliata di venticinque specie, ha dimostrato che esse sono in grado di produrre idrogeno da circa il 100% del monossido di carbonio impiegato ma un solo tipo di sistema, basato sull'azione di alcune specie di cianobatteri, ha dato risultati soddisfacenti

(www.energylab/pdf/hidrogen, 2004).

G.N.

L'IDROGENO E LE ALGHE

L’idrogeno, elemento chimico di simbolo H e numero atomico 1, appartenente al gruppo IA  della tavola periodica, è un gas molto reattivo, incolore, inodore e insapore. Fu scoperto nel 1766 dal chimico britannico Henry Cavendish, come prodotto dell'azione dell'acido solforico sui metalli e come elemento costituente dell'acqua; nominato inizialmente "aria infiammabile" da Joseph Priestley, fu poi chiamato idrogeno dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier. Come molti elementi gassosi, l'idrogeno è diatomico (la molecola contiene due atomi), ma ad alte temperature si dissocia in atomi liberi.

Ha punto di ebollizione e di fusione più bassi di ogni altra sostanza, fatta eccezione per l'elio: solidifica a -259,2 °C e liquefa a -252,77 °C. Alla temperatura di 0 °C e alla pressione di 1 atmosfera, si presenta allo stato gassoso con densità 0,089 g/l..

Il peso atomico è 1,007. L'idrogeno liquido, ottenuto per la prima volta dal chimico britannico James Dewar nel 1898, è incolore e ha densità relativa 0,070.

Il gas idrogeno è una miscela di due forme diverse, l'orto idrogeno (con spin dei nuclei paralleli), che costituisce circa il 75% della miscela, e il para idrogeno (con spin anti paralleli). Ai punti di fusione e di ebollizione la composizione è leggermente diversa.

Esistono tre isotopi dell'idrogeno:il nucleo dell'idrogeno ordinario è composto da un solo protone; il deuterio, presente nel normale idrogeno per lo 0,02%, ha nucleo costituito da un protone e un neutrone, e ha quindi massa atomica 2; il trizio, isotopo radioattivo e instabile, ha nucleo formato da un protone e due neutroni, e ha massa atomica 3.

 L'idrogeno libero è presente solo in ridottissime quantità nell'atmosfera, ma dall'analisi degli spettri solari e stellari, risulta l'elemento più abbondante nell'universo. È presente in grandi quantità anche sulla Terra, in diversi composti, tra i quali il più importante è l'acqua,  della quale rappresenta l’11% in peso. È parte essenziale di tutti gli idrocarburi e di molte sostanze organiche. Inoltre tutti gli acidi contengono idrogeno.

Un kg di idrogeno contiene la stessa quantità di energia di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina. L’idrogeno brucia nell’aria a concentrazioni volumetriche comprese nel range del 4-75% (il metano brucia in un range del 5,3-15% e il propano del 2,1-9,5%).

 La più alta temperatura di ignizione dell’idrogeno pari a 2.318°C è raggiunta alla concentrazione volumetrica del 29 %, mentre, in un’atmosfera ricca di ossigeno, può raggiungere temperature di ignizione fino a 3.000°C (le temperature di iniezione più alte in aria per il metano sono 2.148°C per il metano e 2.385°C per il propano).

La minima energia di iniezione richiesta per una miscela stechiometrica combustibile/ ossigeno, è 0,02 Mj per l’idrogeno, 0,29 Mj per il metano e 0,26 Mj per il propano. Le temperature per la spontanea combustione dell’idrogeno, del metano e del propano sono 585°C, 540°C e 487°C rispettivamente.

La regione di esplosività per l’idrogeno e per il metano è compresa tra il 13-59% per il primo e tra il 6,3-14% per il secondo. Il range di esplosività dell’idrogeno è chiaramente molto più ampio, laddove il metano è già esplosivo a concentrazione molto più bassa.

 Il coefficiente di diffusione dell’idrogeno è pari a 0,61 cm²/s, mentre per il metano è 0,16 cm²/s. Pertanto l’idrogeno diffonde nell’aria più velocemente del metano o del vapore di benzina, e ciò costituisce un vantaggio in luoghi aperti, ma uno svantaggio in luoghi chiusi o scarsamente ventilati. L’idrogeno e il gas naturale tendono a salire velocemente essendo più leggeri dell’aria, mentre il propano e i vapori di benzina rimangono sul suolo essendo più pesanti.

BENEFICI AMBIENTALI

Bruciare idrogeno con aria in condizioni appropriate all’interno di motori a

combustione o turbine a gas determina una notevole riduzione delle emissioni. Le emissioni di ossido d’azoto aumentano esponenzialmente con la temperatura di combustione e dunque vengono limitate da un appropriato controllo del processo. Poiché l’idrogeno offre una maggiore flessibilità rispetto agli altri combustibili, lavorando a temperature più basse, vale a dire con eccesso di aria, si riducono le emissioni di NOx.

Le emissioni di particolati e zolfo sono pressoché nulle. L’uso di idrogeno nei sistemi di propulsione che utilizzano celle a combustibile, elimina tutti i problemi di impatto ambientale. L’unico coprodotto volatile che si ottiene nel processo di generazione di energia elettrica da idrogeno e ossigeno è l’acqua demineralizzata. Qualche problema di emissione di CO₂ si ha nel processo di reforming del metanolo per la produzione di idrogeno. Se nelle celle a combustibile si lavora in condizioni di alta temperatura, è stato dimostrato che le emissioni sono 100 volte inferiori a quelle registrate con le convenzionali power stations.

 G.N.

Le macroalghe

La coltivazione di Macro-alghe a scopo energetico

ha dei costi di raccolta minori rispetto alle microalghe e se come possibile l'impianto è effettuato in mare aperto i costi di miscelamento sono inesistenti così come i costi idrici.

Inoltre possono essere utilizzate nel contesto di una maricoltura integrata con pesci e molluschi vicino alle foci dei fiumi con buone rese.

 Il ricercatore M.Aresta ha selezionato alcune macroalghe tratte dal Mar Jonio e Adriatico secondo la loro capacità fotosintetica per ottenere biocarburanti e le ha comparate con l'efficenza energetica delle microalghe ottenendo risultati interessanti.

Le macroalghe selezionate sono: Chaetomorpha linum Kutzing (Cladophorales, Cladophoraceae); Pterocladiella capillacea Santelices et Hommersand (Gelidiales, Rhodophita).  C.linum è specie dominante nel mar Piccolo a Taranto (mar Jonio) ed'è inoltre molto presente nell'estuario del fiume Galeso dove può raggiungere una densità del 3,6 kg/m². P.capillacea una buona agarofita può trovarsi in substrati rocciosi nel sud Adriatico del mar Chiuso di Bari ove raggiunge una densità di 0,15 kg/m2.

Codeste specie hanno in comune un basso costo di raccolta, l'alta percentuale di componenti da cui è possibile ottenere biodiesel e le basse esigenze colturali. Queste macroalghe sono state poi trattate con due diverse metodologie d'estrazione. Per la produzione di biodiesel, la ScCO2 (sigla per Supercritical Carbon Dioxide Extraction)  e l'estrazione per solvente tradizionale.

La ScCO2 vince nettamente il confronto in termini d'efficenza energetica.

 Vengono generati 11.000 Mj/t (s.s.alghe) per le macroalghe contro 9.500 Mj/t (s.s alghe) generatesi nella gassificazione delle microalgae (Aresta, 2004). Infine come già detto specialmente nel caso delle macroalghe bisogna considerare oltre alla funzione prettamente energetica anche le possibiltà nutritive celate nella alghe e specialmente nelle macroalghe già da milleni utilizzate per l'alimentazione umana. Tutto cio’ fa pendere nettamente la bilancia a favore della loro coltivazione data l’enorme quantità di prodotti allocabili che ne deriva una volta esaurito il loro uso  energetico.  Per M.Zappi docente d'ingegneria chimica del Msu (Massachutes States University) le macroalghe saranno la coltivazione del futuro dato che producono più del doppio delle altre oleaginose (soia) e hanno un elevato valore nutrizionale e economico grazie alle proteine e alla ricchezza in acidi grassi omega3. In tempi di carenza di suolo agricolo fertile e acqua dolce irrigua sono rappresentano più d'una semplice speranza (Confagricoltura, 2007).

Biometano dalle alghe kelp oceaniche.

Nel 1976 il prof.Leese ipotizzò in piena crisi energetica piantagioni oceaniche di 850 ha cadauna in cui le alghe erano sostenute da corde orrizontali di politilene fissate con pesi  al fondo e alla superficie con corde di sostegno orizzontali a loro volta fissate a boe fisse ancorate al fondo (Dough, Soliv, 2006). Tale assemblamento dava la massima praticità e al contempo univa la robustezza per resistere alle correnti oceaniche all'elasticità necessaria per attuare la manutenzione periodica che consiste nella rimozione delle epifite opportuniste e degli eventuali parassiti. Al centro della coltura sorgeva una piattaforma semiflottante che riforniva con una rete idrica di fertirrigazione le alghe (Fig.9.2.1).

 La piattaforma era abitata, con annesse strutture e laboratori per la trasformazione delle masse algali circostanti, che raccolte da imbarcazioni erano poi issate con gru e bracci meccanici sopra la piattaforma e qui lavorate per ottenere prodotti per l'alimentazione umana, mangimi, fertilizzanti e biometano tramite fermentazione anaerobica.

Tale progetto non ebbe grande seguito a causa della concorrenza d'altre fonti energetiche più a buon mercato.

I FLOCCULANTI NATURALI. LA MORINGA OLEIFERA.

Tra i flocculanti naturali ve ne sono diversi dalla buone potenzialità, ma uno dei più interessanti è senza dubbio estratto dalla Moringa oleifera. Uno dei pregi della moringa è l’abbondanza sul mercato, a prezzi relativamente economici, del suo estratto, che deriva dalla massa  residua dell’ estrazione del’olio di ben, dalle ottime qualità fisico-chimiche e che è valutato come potenziale fonte di biodiesel.

Altri flocculanti naturali non sono presenti sul mercato a prezzi accessibili (dato che devono essere appositamente estratti e non sono residuo d’altre lavorazioni)  nonostante l’ottima qualità come lo Strychnos potatorum Linn.usato in India per purificare l’acqua, e quindi un loro eventuale uso per l’acquicoltura è improbabile al momento.  

La Moringa oleifera è un alberello tropicale, leguminosa spontanea in Africa e Asia con alta produzione di baccelli contenenti una miriade di sostanze utili per i più diversi scopi. Ha un contenuto in proteine e sali minerali notevolissimo tanto che sono allo studio progetti per la realizzazione d’alimenti contro la malnutrizione infantile a base di Moringa.

 Ma la qualità che a noi interessa di più è che dalle sue proteine viene estratto un coagulante che stimola la  flocculazione usato nella tecnologia vinicola biologica per la precipitazione dei lieviti in sospensione. Lavora bene indipendenemente dal pH, caratteristica molto importante.

La capacita flocculante della farina del legume, è ben nota ai tropici dove viene tradizionalmente usata per rendere potabile l’acqua eliminando larve e parassiti dalla sua superficie, perchè fa precipitare colloidi e particelle in sospensione a cui vi sono aggrappati il 90% dei batteri.

 Vi sono progetti in studio per rendere potabile l’acqua utilizzando materiali facilmente reperibili ai tropici come questa pianta e la pomice (Broin, 2002).

La prova svolta nel mese di luglio del 2006, in laboratorio del Dipartimento di Biotecnologie Agrarie di Firenze, a cui ho personalmente partecipato non ha dato i frutti sperati. 

La microalga prescelta per l’esperimento è stata la Nannocloropsis, alga marina coltivata  in bioreattori. La microalga si presentava in una spessa emulsione acquosa molto fine di colore verde scuro. L’esperimento avendo disatteso le aspettative non è stato più ripetuto.

In prospettiva si pensa di ripeterlo con concentrazioni diverse oppure usando direttamente l’estratto dei semi di Moringa invece della cake disoleata e soprattutto provando con microalghe d’acqua dolce dove si spera dovrebbe finalmente dare i risultati sperati.

G.N.

SWITCHGRASS (Panicum virgatum)

Switchgrass (Panicum virgatum)

Famiglia Poaceae.

Classificazione (Usda, 2007).

Regno	Plantae
Sottoregno	Tracheobinta
Superdivisione	Spermatophyta
Divisione	Magnoliophyta
Classe	Liliopsida
Sottoclasse	Commelinidae
Ordine	Cyperales
Famiglia	Poaceae
Genere	Panicum L. - Erba panico
Specie	P. virgatum L.- Switchgrass

Origine: tropicale ma ovunque diffusa nel mondo.

Descrizione e ecologia

Erbacea C4, infestante poliennale e rizomatosa a crescita rapida spesso dominante nei prati e nelle grandi  praterie americane ma è di origine tropicale. E’ diffusa nelle Americhe, in Europa, Asia, Africa. I culmi sono eretti e lunghi da 0,5 a 2 metri. L’infiorescienza è un panicolo lungo da 15 a 50 cm. I semi sono duri e piccoli e 1.000 semi pesano 1,1-2 grammi.

Alcune cultivar sono relativamente tolleranti al freddo.  Vive bene su suoli neutri ma si adatta agli acidi. Basandosi sulla morfologia e sulle diverse tipologie d habitat lo switchgrass è stato diviso in due diverse tipologie: le specie a taglia bassa da altopiano adatte a suoli poveri e in pendio che sfruttano meglio i bassi input e le specie a taglia grande da pianura che sfruttano meglio gli alti input. (Fuentes, 2002)

Cenni colturali

Si propaga da seme. La germinabilità è sul 75%. La semina è effettuata meccanicamente.

La densità di coltura è di 400 piante sul metro quadro. Le concimazioni non sono richieste e se applicate e bene metterle nel letto di semina o in copertura per non stimolare le piante competitrici. Si semina in inverno. Il germoglio esce dal rizoma in primavera, a causa della crescita rallentata autunnale alcune erbacce potrebbero prendere il sopravvento obbligandoci all’uso d’erbicidi. Il primo anno la resa in biomassa è bassa rispetto al secondo anno di coltura.

 Il ciclo colturale è di 3-5 anni. Il costo di produzione è più basso rispetto al Miscanto. L’umidità alla raccolta è del 30% e va essiccata in campo per qualche giorno (RE, 1996).

Usi energetici

Switchgrass è considerato una pianta da bioetanolo low input dal grande potenziale grazie  alla sua robusticità e adattamento a suoli poveri e condizioni climatiche, crescita rapida e le  richieste di fertilizzanti basse unite ad una scarsa suscettiblità alle malerbe.

Ha un alta efficienza d’uso dell’acqua e tollera bene pH acidi. Per la Fao (Reu, 1996) il Panicum virgatum produce un massimo di 35 t/ha di biomassa secca per attestarsi su una media di 12 t/ha di s.s.

 Tramite il miglioramento genetico e la ricerca, la biomassa ottenuta è aumentata dal 1996 a tal punto che unita alle nuove tecniche biotecnologiche di conversione cellulosa-etanolo ha portato nel 2006 a ricavare circa 7.000 litri di etanolo ad ettaro. Il presidente degli Stati Uniti d’America, George W. Bush ha menzionato lo Switchgrass in suo discorso pubblico del 2006 come una speranza per il futuro.  Switchgrass potenzialmente  può produrre 7.000 litri di bioetanolo a ettaro contro i  5.800 l/ha per la canna da zucchero e 3.000 litri/ha per il mais.

 Non tutti i pareri sono concordi su questi dati e lo stesso dicasi per i bilanci energetici.

All’ Università della California, il Prof. Tad Patzek della Berkeley ritiene che lo switchgrass necessiti per la sua produzione più energia di quella ottenuta dal bioetanolo ricavato dalla conversione della sua biomassa, per Patzek il 45 % più energia fossile della bioenergia prodotta. In una conferenza del 2007 il Prof. Richard Muller, della stessa università, denuncia il bilancio energetico negativo dello switchgrass.

Per permettere un Eroei migliore alla coltura a Berkeley è partito l’Helios Project  che sta tentando di pianificare un nuovo processo biotecnologico sfruttando ceppi batterici selezionati per convertire più efficientemente la cellulosa ad etanolo. Dall’altra parte, David Bransby, stimato esperto americano delle energy crops sostiene che per ogni unità d’input energetico, lo switchgrass da 4 unità d’output. Questo lavoro è stata la fonte usata da Bush per il suo discorso all’Unione ad inizio 2006 (W.a, 2007).

G.N.

TOPINAMBUR (Helianthus tuberosus L.)

Topinambur (Helianthus tuberosus L.)

Famiglia Asteraceae

Regno	Plantae – Piante
Sottoregno	Tracheobionta – PianteVascolari
Superdivisione	Spermatophyta – Pianta a seme
Divisione	Magnoliophyta – Pianta a fiore
Classe	Magnoliopsida- Dicotiledoni
Sottoclasse	Asteridae
Ordine	Asterales
Famiglia	Asteraceae
Genere	Helianthus L.– Girasole.
Specie	Helianthus tuberosus L.–Jerusalem artichoke- Topinambur

Descrizione pianta

Il topinambur o Jerusalem artichoke è pianta brevidiurna C3 originaria del Nord America.

Pianta morfologicamente simile al girasole se ne distingue per la diversa infiorescenza e per la presenza di grossi tuberi radicali ricchi di inulina. Ha un sapore simile al carciofo ma più dolce. Per questo è chiamato anche carciofo di Gerusalemme. E’ alto da 1 a 4 metri. Ha uno stocco semirigido e foglie lanceolate. Produce fiori gialli con 4-8 cm di diametro. Non sempre la pianta produce semi. Ha un apparato radicale con stoloni sotterranei che portano grossi tuberi simili alla patata eccetto che i primi hanno un contenuto d’acqua più alto e producono radici avventizie. Resiste poco al gelo ma i tuberi sopravvivono a -30 gradi. Predilige suoli sabbiosi e vive e produce discretamente anche in suoli poveri.

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Cenni colturali.

Il topinambur è una delle colture di campo di cui disponiamo con la più alta produzione di materia secca per ettaro. Un buon raccolto è relativamente facile da ottenere ma difficile da raccogliere ed immagazzinare.

 I tuberi sono legati ermeticamente alla corona della pianta e, quando è effettuata la raccolta meccanica, viene su un insieme di tuberi, tessuto di corona, e suolo che non si separano bene come la patata e la patata dolce.

Vi è così necessità di molta manodopera per la fase di raccolta. Oltre a questo, i tuberi si deteriorano velocemente e sono difficili da immagazzinare denotando una bassa serbevolezza.

Vanno processati rapidamente con problemi logistici facilmente immaginabili. I tuberi si conservano bene in ogni modo nel suolo e ipoteticamente potrebbero essere immagazzinati nel campo tal quali e raccolti periodicamente ogni qualvolta il suolo non è    troppo bagnato al punto da rendere difficile la raccolta. Un altro problema è che il topinambur non resiste bene alle infestanti e non si adatta ai suoli argillosi. Richiede un pH compreso tra 5,5 e 7. Per la semina usiamo una piantatrice da patate. Si propaga mediante frammenti di tubero, semi o segmenti del rizoma.

Dove coltivata in maniera tradizionale la  concimazione apportata è N: K: P, 40-80; 250; 120 più 60 kg/ha di magnesio. La coltura va sospesa ogni 5 anni perchè è molto soggetta allo Sclerotinia. Spesso è coltivata nonostante sia poliennale come coltura al massimo biennale. E’ attaccata inoltre dalla ruggine Puccinia helianthi e dall’Erysiphe cichoracearum.

Produzione e usi energetici.

E’ coltivato in maniera estensiva come pianta da bioetanolo. Con il sorgo dolce e la patata dolce ha la resa in zuccheri semplici e quindi in alcol più alta riportata in letteratura (7.500 l/ha). Nonostante ciò la specie denota allo stato attuale molti svantaggi colturali e processuali che ne limitano lo sviluppo. Ad esempio nonostante renda di più si preferisce in Europa puntare sulla barbabietola da zucchero perché il saccarosio è direttamente fermentabile.

 L’inulina richiede uno step in più nel processo di conversione per la sua idrolisi con costi aggiuntivi. In Spagna il clone "Violet de Rennes" ha prodotto 16 t/ha per anno. In Portogallo sono stati ottenuti ben 43 t/ha su suoli sabbiosi. In Olanda cloni selezionati di Bianka, Yellow perfect, Columbia e Precoce su suoli leggeri e sabbiosi hanno prodotto nel 1989 circa 92-105 t/ha in tuberi freschi con una resa in inulina di 16 t/ha (13-15% inulina nel tubero). L’anno dopo la coltura ha reso la metà. A seconda della varietà il tubero è costituito dal 75% d’acqua, 3% proteine e 16% carboidrati dei quali il polimero del fruttosio inulina può costituire da solo l’8%.

L’ Helianthus tuberosus L. è con la radice di cicoria classificata come Cichorium intybus L. una delle maggiori fonti di questo zucchero conosciute tra le colture di campo. L’ Inulina (D-fruttosio) può essere trasformata in sciroppi di fruttosio tramite idrolisi o convertita facilmente tramite fermentazione con lieviti in Bioetanolo (e saccarosio). Circa 10 litri di etanolo possono essere ricavati da 100 kg di tuberi freschi. L’Inulina può essere usata nell’industria alimentare come zucchero dietetico, mentre gli sciroppi di fruttosio possono essere usati come dolcificante nelle bibite. Nel frattempo si sta attuando una rapida ricerca applicativa per utilizzare l’inulina ed i suoi possibili derivati (composti chimici del furano) come materiale per l’industria chimica. Durante gli ultimi 10 anni è stato attuato un significativo miglioramento genetico sul Topinambur in Europa specialmente nei Paesi Bassi. La produzione d’inulina è in media per il carciofo di Gerusalemme da  4,5 a 8,3 t/ha, mentre la radice di cicoria produce da 9,8 a 16,1 t/ha. Nei Paesi Bassi incrociando l’H. tuberosus si ottennero 10 cloni con produzione di inulina sulle 16 t/ha nel 1989, ma senza irrigazione in una anno di carenza idrica del 1990 s’ottennero solamente 7 t/ha (Van Soest, 1993; Mays, 1990). La biomassa verde totale ha un potere calorifico di 17,6 Mj/kg di materia secca e può essere usata come foraggio o polpa per cartiere (RE, 1996).

G.N.