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Applicazioni biotecnologiche nel sistema suolo-pianta

Biotecnologie e applicazioni innovative in agricoltura

Recupero di scarti derivanti da attività agrozootecniche ed agroindustriali per la produzione di biomolecole ad elevato valore aggiunto e biocombustibili - BIOMOLENER

Coordinatore: CRA-RPS Gruppo di Ricerca di Torino. http://rps.entecra.it/

Finanziatore: MIPAAF.

Date: 31/01/2010 to 31/12/2014

(Workshop Bioraffinerie - Torino 6 dicembre 2013)

 

 

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La sostenibilità dei processi produttivi agricoli, agrozootecnici ed agroindustriali è divenuta un’esigenza di primaria importanza, da cui deriva la necessità di ottimizzare la valorizzazione di tutti i sottoprodotti e gli scarti per incrementare il reddito dell’impresa ed il valore aggiunto dei processi produttivi. E’ con questa visione che si sta diffondendo il concetto di impresa agricola come bioraffineria, in cui più processi di affiancano e si susseguono per pervenire alla massima possibile conversione in prodotti delle risorse. Pertanto quelli che in passato erano considerati scarti o rifiuti divengono intermedi di lavorazione, da utilizzare per l’estrazione o la produzione di biomolecole, commodity chemicals o biomasse, o come fonti di energia rinnovabile, consentendo in quest’ultimo caso contemporaneamente di migliorare il bilancio energetico ed economico di processo e di dare un contributo alla soluzione del problema dell’impatto ambientale delle attività.

Nel presente progetto viene elaborato un modello di bioraffineria, da proporre in siti territoriali a prevalente indirizzo produttivo agrozootecnico e lattiero-caseario, basato su un sistema integrato di riutilizzo dei principali scarti derivanti da questa attività: i liquami zootecnici ed il siero di latte. La bioraffineria permetterà dunque di raggiungere un duplice risultato: da un lato si otterranno chemicals e biocombustibili ad elevato valore aggiunto, dall’altro si ridurrà ampiamente l’impatto ambientale, in particolare nei confronti della risorsa idrica, dovuto alle stesse attività agrozootecniche e lattiero-casearie.

Il siero di latte è una matrice ancora ricca in composti utili del carbonio (proteine e zuccheri), da cui si possono ottenere: proteine, che vengono separate mediante processi a membrana; bioplasiche e acido lattico, utilizzando il siero come pabulum di crescita per fermentazioni gestite ad hoc, e bioetanolo per fermentazione alcolica del lattosio con ceppi di lievito opportunamente selezionati. Questi processi generano residui che possono a loro volta essere ancora riutilizzati: fecce e residui cellulari di colture microbiche, che vengono utilizzati in digestione anaerobia per la produzione di biogas; CO2 ed effluenti a basso tenore in BOD e COD, che vengono utilizzati come substrato per la crescita di biomassa microalgale per la produzione di biodiesel.

I liquami zootecnici  sono utilizzati in digestione anaerobica in due stadi: nel primo stadio è maggiore la produzione di bioidrogeno, mentre nel secondo stadio è maggiore la produzione di  biometano. Anche in questo processo rimangono come residui effluenti in cui risultano abbattuti BOD e COD, ma il cui contenuto in azoto e fosforo risulta ancora elevato; questi effluenti sono stati testati per essere destinati alla produzione di biomassa microalgale, opportunamente miscelati con gli effluenti derivanti dalle lavorazioni del siero di latte così da ottenere un bilanciamento alla neutralità del pH ed un substrato di composizione ottimale: la crescita di biomassa microalgale viene infatti supportata per il C dalla CO2, in parte derivante dalla fermentazione alcolica o dalla fermentazione per la produzione di bioplastiche, e per N e P dagli effluenti, che vengono quindi ulteriormente depurati in ottemperanza a quanto previsto dalla vigente normativa.

Nel suo complesso quindi il progetto prevede la produzione di biocombustibili per via biotecnologica, e pertanto senza investimento di superfici agricole dedicate e senza entrare in competizione con produzioni di possibile destinazione alimentare, utilizzando esclusivamente scarti e residui, dopo aver massimizzato la valorizzazione di questi ultimi mediante l’estrazione e produzione di composti ad alto valore aggiunto.

Il progetto si articola pertanto in una fase di messa a punto dei singoli processi su scala di laboratorio ed una successiva fase di integrazione dei processi stessi, nell’ottica di una proiezione a livello di azienda e di programmazione dello scale-up con la realizzazione, l’avviamento ed il monitoraggio di un impianto pilota per la parte di digestione anaerobia finalizzata alla produzione di bioidrogeno e biogas.

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Le attività di progetto sono così articolate:

Produzione di bioplastiche e acido lattico.  Le diverse tipologie di siero sono state pre-trattate con un processo di precipitazione termocalcica e ultrafiltrazione al fine di recuperare rispettivamente, la frazione lipidica e proteica (whey protein, WP) che trovano applicazioni in differenti settori. Il permeato ottenuto, ricco in lattosio è stato impiegato in fermentazione per la produzione di PHA e acido lattico. E’ stato possibile ottenere la produzione contemporanea di PHA (prodotto intracellulare) e di acido lattico (prodotto extracellulare), utilizzando un consorzio microbico, precedentemente arricchito in microrganismi PHA- produttori. I risultati ottenuti di rese e produttività (PHA), per le differenti tipologie di siero testate, sono confrontabili a quelli riportati in letteratura, relativi a monocolture batteriche in presenza di siero di latte. Il processo messo a punto, a differenza di quelli che utilizzano monocolture, non necessità del controllo della sterilità durante la fermentazione.

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Produzione di bioetanolo. Si è valutata la fermentescibilità del siero di latte tal quale e deproteinato e della scotta con ceppi di lievito lattosio fermentanti, caratterizzandone le cinetiche di fermentazione; quindi si sono ottimizzate le modalità di gestione della fermentazione al fine di massimizzare la resa in etanolo. Ne è derivata l'ottimizzazione di un processo di fermentazione in semicontinuo con cui sono state ottenute rese in etanolo pressochè pari alla resa teorica massima, sia con siero che con scotta: il risultato ottenuto è particolarmente importante proprio per la scotta, perchè mentre il siero può trovare varie forme di reimpiego, la scotta è un rifiuto che comporta un costo per lo smaltimento.  

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Produzione di biodiesel. E’ stata valutata la possibilità di utilizzo dell’alga Scenedesmus obliquus per il trattamento di reflui gassosi e liquidi, contenenti rispettivamente CO2 e composti azotati.

  Le condizioni di coltura (concentrazione di bicarbonati, controllo del pH, modalità d’inoculo, temperatura, agitazione e fotoperiodo) sono state ottimizzate in beuta, su terreno sintetico.

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Definite le condizioni ottimali di coltura, sono state valutate due differenti tipologie di refluo:

1. Refluo gassoso ricco in CO2 derivante da un processo di fermentazione per la produzione di bioplastiche, insufflato in un terreno di coltura inorganico

2. Refluo liquido derivante da un processo di digestione anaerobica di reflui zootecnici e insilato di mais, caratterizzato da una concentrazione elevata di azoto ammoniacale.

In entrambi i casi è stata ottenuta la crescita microalgale.

Lo scale-up in fotobioreattore del processo in presenza del refluo liquido, ha permesso di osservare che, l’addizione fed-batch di refluo ha permesso alla coltura microalgale di mantenere nel tempo una crescita costante. S.obliquus ha dimostrato la capacità di ridurre gli inquinanti presenti nel refluo, in particolare l’ammonio, con un consumo pari al 64% in 72 ore.

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Produzione di bioidrogeno. Si è messo a punto e monitorato il processo di digestione anaerobia in doppio stadio  dei reflui combinati tra loro e mantenuti a condizioni tali da favorire la produzione di idrogeno nel primo stadio in condizioni di dark fermentation. Si opera con consorzi microbici selezionati su matrici complesse. Si è valutata la possibilità di controllare la pressione parziale di H2 mediante lo strippaggio ad opera degli stessi gas di processo.

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Produzione di biogas. Il processo di biometanazione è stato messo a punto in micro-reattori (microcosmi) su scala di laboratorio. La resa in biometano da siero di latte viene nettamente migliorata dall’aggiunta  di effluenti zootecnici con incremento progressivo fino alla quota del 50% di liquame. E’ stata messa a punto una tecnologia innovativa a doppio stadio di codigestione di siero e liquami in continuo con fase acidogenica e metanogenica concentriche, mediante la quale le rese e la qualità di biometano sono significativamente maggiori rispetto alle digestioni a singolo stadio o a doppio stadio tradizionali.

Impianto pilota Si è realizzato un impianto pilota mediante dimensionamento di un processo di produzione di PHA da siero di latte e di un processo di digestione anaerobica bistadio. E' stato progettato un processo di fermentazione aerobica facoltativa su scala pilota che si avvalga di un reattore miscelato agitato (Stirred batch reactor, SBR) della capacità di 800 l per la produzione di PHA, ed un processo anaerobico di produzione di biocombustibili gassosi a doppio stadio con un primo stadio pilotato verso la produzione di H2 e il secondo volto alla produzione di CH4 e l’analogo processo interamente dedicato alla produzione di CH4. La realizzazione dell’impianto è stata effettuata utilizzando apparecchiature ed utilities di stabilimento di proprietà messe a disposizione dalla UO 3.

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I risultati del progetto sono stati esposti nell'ambito del workhop "Le bioraffinerie per l'agricoltura e l'agroindustria" tenutosi a Torino il 6 dicembre 2013

 

 

 

 

Pubblicazioni chiave

Bardi L, Benedetti A. (2012) L’azienda agricola del futuro è una bioraffineria sostenibile. Terra e vita, 29-30:10-11

Bardi L. e Zoppellari F. (2013) Effluenti di caseificio, una risorsa per produrre bioetanolo. Terra e Vita, 29-30: 44-46

F. Zoppellari, L. Bardi (2012) Bioethanol production from dairy effluents: improvement of the process efficiency. Environmental Engineering and Management Journal 11(3, Supplement): S62, ISSN 1843-3707

F. Zoppellari, L. Bardi (2013) Production of bioethanol from effluents of the dairy industry by Kluyveromyces marxianus. New Biotechnology, 30:607-613

Francesca Bosco, Riccardo Andrea Carletto, Jenny Alongib, Luca Marmo, Alessandro Di Blasio,Giulio Malucelli (2013) Thermal stability and flame resistance of cotton fabrics treated with whey proteins. Carbohydrate Polymers 94:372– 377

L. Bardi, E. Malusà, F. Zoppellari, F. Bosco, B. Bergesio, L. Bertin (2010) Production of renewable energies and biomolecules from livestock and agro-industrial waste: the BIOMOLENER Project. Journal of Biotechnology, Volume 150, Supplement 1, November 2010, Page 172

L. Bertin, S. Grilli, A. Spagni, F. Fava (2013) Innovative two-stage anaerobic process for effective codigestion of cheese whey and cattle manure. BIORES. TECHNOL. 128:779-783

Zoppellari F. and Bardi L. (2011) Bioethanol from dairy wastes. Società Italiana di Microbiologia Generale e Biotecnologie Microbiche, 29th National Meeting Proceedings. Pisa, September 21-23 2011 (p. 62)

Zoppellari F., Bardi L. (2011) Production of bioethanol from effluents of dairies. XIX ISAF International Symposium on alcohol fuels, Development and utilisation of alcohol fuels to promote sustainability, 10-14 october 2011 Verona (Italy)

Zoppellari, F., Rosso, F., Bardi, L. (2012) Produzione di bioetanolo da residui dell'industria lattiero-casearia: il progetto BIOMOLENER. Quaderni della Regione Piemonte – Agricoltura, 77(suppl):65-68

Zoppellari. F., Bardi, L. (2013) Production of bioethanol from effluents of the dairy industry by Kluyveromyces marxianus. Proceedings of the Second International Conference on Microbial Diversity 2013 - Microbial interactions in complex ecosystems, MD2013, 23-25 October 2013, Turin (Italy) (pp. 207-208).

Link

http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2012.10.118

http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.12.075

http://dx.doi.org/10.1016/j.nbt.2012.11.017

http://sito.entecra.it/portale/cra_avviso.php?id=10870&tipo=convegno&lingua=IT