La canapa per il mercato tessile e della carta: realizzazione di un impianto dimostrativo per la macerazione nella Toscana Occidentale

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1 toscanapa La canapa per il mercato tessile e della carta: realizzazione di un impianto dimostrativo per la macerazione nella Toscana Occidentale toscanapa Descrizione del progetto La canapa: storia, botanica, utilizzo La filiera di lavorazione

2 CREDITS Partners del Progetto Gruppo Fibranova (coordinatore) Dipartimento di Energetica Sergio Stecco Dipartimento Biologia animale Leo Pardi ETA Energie Rinnovabili EnergiAgri Lanificio Faliero Sarti e figli Studio Tecnica Agraria Paroli e Carrara Ecoverde E.pro Impianti Soc.Coop.Produttori Agricoli Val di Serchio Studio Paroli e Associati Ringraziamenti L Istituto Sperimentale Colture Industriali di Bologna ha partecipato attivamente nella messa a punto delle condizioni migliori di macerazione mediante inoculo di ceppi selezionati. Il Centro Ricerche Trisaia dell ENEA (MT). Nadia Crivelli e Simone Sorbi, Regione Toscana, Direzione Sviluppo Economico Bibliografia Nuove prospettive sulla macerazione della canapa - Accademia Nazionale di Agricoltura Di Candilo, M., P. Ranalli, C. Bozzi, B. Focher and G. Mastromei Preliminary results of tests facing with the controlled retting of hemp Ind. Crops and Prod. 11: Tamburini, E., M. Di Candilo, B. Perito, M. Polsinelli, P. Ranalli and G. Mastromei Selezione, caratterizzazione ed impiego di ceppi batterici nella macerazione controllata della canapa Agroindustria 1: Tamburini, E., A. Gordillo León, B. Perito and G. Mastromei Characterization of bacterial pectinolytic strains involved in the water retting process Environm. Microbiol. 5: Design e Impaginazione Emanuela Barbini Edito da: ETA Energie Rinnovabili, Firenze SOMMARIO PRESENTAZIONE DEL PROGETTO TOSCANAPA P. 3 LA CANAPA - Usi potenziali della coltura della Canapa P. 4 LE FASI DEL PROGETTO - Schema della filiera di lavorazione della canapa durante lo svolgimento del progetto Toscanapa P. 5 - Caratterizzazione della componentistica e della strumentazione P. 5 - Processo di macerazione biologica P. 6 - Cellulosa da Steam Explosion P. 6 - Produzione agricola della canapa da fibra: aspetti economici e scenari produttivi P. 7 INNOVAZIONE TECNOLOGICA IN TOSCANA PROGRAMMA REGIONALE DI AZIONI INNOVATIVE

3 Presentazione del Progetto TOSCANAPA Lo sviluppo economico ed il benessere sono legati alla disponibilità di materie prime e di energia. Le colture non alimentari sono destinate, per questo motivo, ad assumere un'importanza sempre maggiore nell'economia agricola di molti paesi e di pari passo devono crescere le attività di trasformazione dei prodotti agricoli ad uso industriale. Il progetto toscanapa nasce dall'esigenza di valorizzare le colture di canapa, per agevolarne l'utilizzo industriale e la valorizzazione energetica. Il progetto toscanapa vuole rappresentare un'esperienza pilota nella macerazione della canapa e del lino secondo le esigenze individuate per l'utilizzo nell'industria tessile. IL PROGETTO Da qualche anno nella Regione Toscana l'interesse per le colture da fibra, soprattutto per la canapa, è molto vivo. Le prime coltivazioni sperimentali sono iniziate nel 1998 e nel Piano di Sviluppo Rurale le colture da fibra, lino e canapa, sono inserite nei settori di intervento. Non vi è dubbio che la produzione di materie prime cellulosiche sia particolarmente importante per una regione, come la Toscana, che ha un tessuto produttivo molto differenziato, sia in agricoltura che in campo industriale, tessile e cartario, capace di valorizzare al massimo la qualità del proprio lavoro. E' emersa quindi l'esigenza di realizzare impianti di prima trasformazione, alla progettazione dei quali si sta attivamente lavorando da tempo. Il progetto toscanapa ha come principali obiettivi: La progettazione e realizzazione di un impianto pre-industriale di macerazione batterica/enzimatica per la fibra da canapa, sulla base dei risultati ottenuti e delle esperienze di laboratorio precedentemente sviluppate. L'identificazione e valutazione delle possibilità di integrazione della macerazione con altre iniziative in corso nell'area della Toscana Occidentale nel settore bioenergia (produzione di energia da biomassa), al fine di realizzare un progetto industriale per la trasformazione della canapa dalle caratteristiche estremamente innovative. La creazione negli agricoltori locali di un livello di consapevolezza nella produzione di canapa sufficiente per l'avvio di una iniziativa industriale. Il risultato generale del progetto sarà quello di raccogliere e diffondere tutte le informazioni necessarie alla realizzazione della filiera agroindustriale della canapa, per impieghi tessili e cartari nella Toscana Occidentale. È importante sottolineare come il coinvolgimento di tutti gli attori della filiera produttiva sia il presupposto fondamentale per la realizzazione di un sistema sostenibile da un punto di vista economico (calcolo dei costi di produzione), da un punto di vista sociale (valutazione delle possibilità di impiego create da questa iniziativa, offerta di una coltura alternativa agli agricoltori, accettabilità di prodotti naturali e compatibili con l'ambiente) e da un punto di vista ambientale (la potenziale integrazione dell'impianto di macerazione con quello di produzione di energia da biomasse). toscanapa 3

4 La Canapa USI POTENZIALI DELLA COLTURA DELLA CANAPA Fibre tecniche Lettiere zootecniche Tessile Materiale edilizio Pacciamatura Cellulosa per carta Compositi Fibre Parte legnosa dello stelo (canapulo) Alimentare Steli di canapa (bacchette) Igiene e cosmetica Olio tecnico Semi Olio Farine Colture di Canapa Biomassa Energia Sementi TESSILE La pianta di canapa, più produttiva in fibra tessile del cotone, oggi può essere lavorata in impianti che sostituiscono le lunghe e faticose lavorazioni manuali di un tempo. La tradizionale lavorazione della canapa è ad un livello tecnologico che risale a cinquant anni fa, di conseguenza improduttivo. Al fine di realizzare prodotti competitivi e di usare le molteplici proprietà della fibra di canapa in senso economico ed ecologico, è indispensabile lo sviluppo o l applicazione di metodi di lavorazione. A prescindere dal fatto che le fibre di canapa possano venire adottate per usi tessili o tecnici, si dovrebbe essere in grado di lavorarle su macchinari e nelle industrie già esistenti senza coinvolgere nuovi ed estesi sviluppi. La tecnologia dell esplosione a vapore consente la realizzazione di fibre speciali che possono essere modificate in base ai prodotti oppure alle esigenze dei test. Attraverso l adattamento del processo ingegneristico, si possono produrre manufatti di fibre "su misura", come, per esempio, nuovi tipi di filati di canapa creati nelle filature per il cotone; lo stesso criterio può essere applicato alla produzione di fibre speciali usate nell industria della lana (pettinato di lana o filati di lana), o per specifici usi tecnici come tessuti non filati, elementi filtranti, ecc. CELLULOSA PER CARTA Il recente rinnovato interesse della canapa, per produrre pasta di cellulosa, sembra originare da un forte motivo ambientale. Parte delle foreste primarie d'europa, e la maggior parte di quelle americane, è stata distrutta. La fibra di canapa è stata un ingrediente importante per la carta sin dalla sua invenzione in Cina, circa 1900 anni fa (attorno al 100 d.c.). Questa situazione è rimasta invariata fino a quando l'invenzione della pressa da stampa e la meccanizzazione della macchine per la carta richiesero più materia prima rispetto agli stock che canapa e lino potevano offrire. Questo indusse, circa 100 anni fa, all'uso degli alberi e ad una chimica più aggressiva per la produzione di pasta (cellulosa) e carta. La più facile delignificazione rispetto alle colture arboree può essere dovuta alla minor presenza di strutture polimere, dato che le fibre sono più giovani delle normali fibre di legno duro. toscanapa 4

5 Le fasi del Progetto SCHEMA DELLA FILIERA DI LAVORAZIONE DELLA CANAPA DURANTE LO SVOLGIMENTO DEL PROGETTO TOSCANAPA Semina Crescita Raccolta Prodotto Canapulo Decorticazione (stigliatura) Fibre lunghe in mannelle Stoppe e fibre tecniche Filatura a secco Filatura a filo umido Sistema controllato di Macerazione Cardatura / Pettinatura Risciacquo ed Ammorbidatura Asciugatura Pellets da canapulo Steam Explosion Business plan CARATTERIZZAZIONE DELLA COMPONENTISTICA E DELLA STRUMENTAZIONE Fulcro del progetto è la realizzazione di un impianto pre-industriale di macerazione batterica per la fibra di canapa, in modo da poter ripetere il processo di macerazione in condizioni controllate ed ottimali di temperatura e flusso, impegnare minore manodopera rispetto a quella necessaria attualmente ed ottenere un prodotto dalla qualità replicabile e più uniforme rispetto alla classica macerazione in campo. L impianto progettato è tale da permettere di modulare i diversi parametri di processo (livelli di temperatura, macerazione batterica, diversi tempi di permanenza dei campioni nelle vasche di macerazione), per identificare le combinazioni ottimali. La progettazione di tutto il sistema è stata eseguita in modo tale da contenere quanto più possibile i consumi energetici, soddisfatti da una caldaia a pellet, e di acqua. L impianto di macerazione della canapa è costituito essenzialmente da tre blocchi: il primo è costituito dalla vasca di macerazione, il secondo dal quadro elettrico e dalla strumentazione per il controllo del processo ed il terzo dal sistema di riscaldamento e ricircolo dell acqua. La vasca di macerazione è stata progettata in modo da ottimizzare l uniformità della macerazione. Essa è in grado di ospitare al suo interno quattro balle di fibra lunga (circa 315 kg) e tre balle di fibra corta (circa 320 kg), oppure circa 500 kg di mannelle. toscanapa 5

6 Le fasi del Progetto Strumentazione Batteri anaerobi PROCESSO DI MACERAZIONE BIOLOGICA Per la produzione della fibra tessile, le fibre floematiche dello stelo della pianta di canapa devono essere separate dalla pianta stessa. Gli steli vengono quindi sottoposti al processo di macerazione, mediante il quale la sostanza cementante di natura pectica viene demolita. Nella macerazione di tipo microbiologico la decomposizione delle sostanze pectiche è operata dagli enzimi prodotti da microrganismi degradatori, funghi o batteri, presenti naturalmente sulle piante o nel suolo. I batteri svolgono un ruolo chiave nella biodegradazione del materiale pectico. Le proprietà dei microrganismi degradatori influenzano sia l'andamento del processo che la qualità del prodotto. L'utilizzo di ceppi batterici selezionati (aerobi ed anaerobi, entrambi con elevata attività pectinolitica) rappresenta dunque una valida strategia per il miglioramento del processo, rendendo la macerazione indipendente dall'insediamento di batteri degradatori autoctoni. Questi ceppi sono stati sottoposti a caratterizzazione molecolare e sono stati individuati quelli più attivi nel processo di macerazione. Per ridurre notevolmente i tempi di macerazione e ottenere risultati riproducibili, è stato deciso di utilizzare una coltura mista formata da cellule di un ceppo aerobio e di uno anaerobio. Durante le prove di macerazione è stato osservato un innalzamento iniziale della flora batterica (aerobia ed anaerobia), per arrivare a una fase stazionaria, dove i titoli batterici si sono mantenuti prevalentemente costanti. Questo andamento si è verificato in tre vasche di macerazione diverse per dimensioni, dimostrando così la riproducibilità del processo dal punto di vista microbiologico. CELLULOSA DA STEAM EXPLOSION Scopo di questa fase del progetto è stato quello di valutare la qualità della pasta di cellulosa, derivata dal canapulo, come materia prima nella produzione di carta e cartoni. La cellulosa è stata ottenuta mediante il processo di Steam Explosion nell impianto pilota dell ENEA a Trisaia. Nello specifico, è stata eseguita una soddisfacente valutazione dell impiego di pasta da canapulo come integrazione di fibre nel processo di produzione di carta da imballaggi a base fibra di recupero. Impianto Steam Explosion FOGLI OTTENUTI DAI CAMPIONI DI CANAPA Impianto Steam Explosion CAMPIONE 1 Preliminarmente raffinato SR=32 CAMPIONE 2 Preliminarmente raffinato SR=29 CAMPIONE 3 Preliminarmente raffinato SR=35 toscanapa 6

7 Le fasi del Progetto PRODUZIONE AGRICOLA DELLA CANAPA DA FIBRA: ASPETTI ECONOMICI E SCENARI PRODUTTIVI Il lavoro svolto è stato finalizzato alla realizzazione di ricerche e valutazioni a carattere prevalentemente economico e finanziario relative alla filiera della canapa da fibra. In primo luogo sono state individuate le aree potenzialmente utilizzabili ed interessate a tale coltura in relazione all ipotesi della realizzazione di una struttura di prima trasformazione della canapa. Sono stati poi valutati gli aspetti tecnico-economici (in termini di redditività) legati alla coltivazione della canapa da fibra, con particolare riferimento alle opportunità concrete per le aziende agricole toscane. Sono state svolte le ricerche per definire la redditualità aziendale a seguito dell'adozione delle destinazioni colturali oggetto di studio, con un accurato esame analitico dei costi e con il confronto tra diverse possibili alternative colturali per le aziende agricole potenzialmente interessate. Particolare importanza è stata attribuita agli aspetti normativi del settore (con particolare riferimento alla revisione di medio termine della PAC) in funzione di un possibile rilancio della coltura nel medio periodo. toscanapa 7

8 Innovazione tecnologica in Toscana Programma regionale di azioni innovative Obiettivo strategico Il Programma regionale di azioni innovative ha l obiettivo di stimolare i processi di diffusione dell innovazione tecnologica nell economia regionale mediante la creazione di reti di cooperazione tra imprese, centri di ricerca, università, istituzioni pubbliche locali, centri per l innovazione, centri di servizi alle imprese, agenzie formative e organismi finanziari. Le reti create consentiranno di integrare le competenze scientifiche, tecnologiche e industriali delle aree più sviluppate della regione con le risorse presenti nelle aree che beneficiano dei finanziamenti del FESR (obiettivo 2 e sostegno transitorio ) allo scopo di elaborare e sperimentare metodologie esemplari e riproducibili di diffusione dell innovazione, che potranno trovare una successiva e sistematica attuazione nella gestione del Documento unico di programmazione della Regione Toscana (Docup Ob.2). Il Programma ha una durata di due anni, dal 1 gennaio 2002 al 31 dicembre Struttura del programma Il Programma si articola in azioni che consentiranno di sperimentare pratiche innovative: in contesti territoriali diversi, quali i sistemi locali di piccola impresa specializzati nelle produzioni tradizionali, le aree rurali caratterizzate dalla presenza della produzione agroindustriale e le aree a declino industriale; in contesti settoriali e/o tecnologici diversi, caratterizzati dalla presenza di livelli diversi di innovazione; con modalità d intervento differenziate, secondo le soluzioni che saranno adottate dalle reti di attori che realizzano le azioni previste dal programma. Sono previste quattro linee di azione che hanno l obiettivo di costituire reti di cooperazione con la finalità di: favorire il trasferimento tecnologico e la diffusione dell innovazione nella Toscana occidentale; favorire il trasferimento tecnologico e la diffusione dell innovazione nel sistema moda: tessile, abbigliamento, calzatura; favorire lo sviluppo e le applicazioni industriali delle tecnologie optoelettroniche; favorire lo sviluppo e le applicazioni industriali, agroalimentari ed ambientali delle biotecnologie. A queste linee di azione si aggiunge una misura di accompagnamento finalizzata alla definizione di programmi di sfruttamento dei risultati dei progetti pilota e modellizzazione dei risultati. Dal sito Internet : Né la Regione Toscana, né qualsiasi persona operante per conto della Regione Toscana, è responsabile per l utilizzo che potrebbe essere fatto delle informazioni contenute in questa pubblicazione. Le opinioni espresse all interno della presente pubblicazione non rappresentano necessariamente il punto di vista della Regione Toscana. ETA-Energie Rinnovabili, Firenze 2004 La riproduzione dei contenuti è consentita previa citazione della fonte. Stampato in Italia. Edito da: ETA Energie Rinnovabili Piazza Savonarola Firenze, Italia Tel Fax Web site: eta.fi@etaflorence.it Progetto realizzato nell'ambito del Programma Regionale di Azioni Innovative "Innovazione Tecnologia in Toscana" e finanziato con FONDI: FESR (Fondo Europeo di Sviluppo Regionale), Statali e Regionali.