Gli obiettivi del progetto In questo progetto sono stati dichiarati i seguenti obiettivi:

Transcript

1 Sperimentazione applicativa sulla propagazione e coltivazione di Arundo donax L. quale biomassa no-food ad elevata resa e a basso impatto ambientale per produrre biogas: prove su cloni selezionati prove agronomiche, produzione di biogas, multifunzionalità (ARUNDO) (Piano Operativo DG Agricoltura Fondazione Minoprio) Introduzione Arundo donax L. o canna comune è una pianta erbacea che negli ultimi anni sta suscitando un grande interesse nella comunità scientifica per il suo sfruttamento a livello energetico e industriale. L attenzione per questa coltura trova giustificazione nella notevole quantità di biomassa prodotta, nella sua resistenza ai diversi stress abiotici e biotici, nella multifunzionalità del suo impiego per scopi energetici, nel ridotto numero di interventi agronomici e conseguente nei costi molto competitivi. La canna comune è una pianta erbacea idrofita rizomatosa ampiamente diffusa in tutti i continenti e su tutto il territorio italiano. Data la sua rusticità e resistenza è in grado di svilupparsi e crescere in condizioni pedoclimatiche differenti tra loro. Tendenzialmente colonizza le zone umide nei pressi di laghi e fiumi ma anche lungo i canali irrigui o nelle zone costiere. Le rese eccezionalmente alte rispetto ad altre colture erbacee e il basso input di risorse necessarie per la sua coltivazione permettono di sfruttare per la biomassa per la produzione di bioenergia. L impiego ridotto di fertilizzanti, anticrittogamici e apporti idrici rendono questo tipo di coltura competitiva anche a livello economico, se paragonata con le più tradizionali colture come il mais. Lo sfruttamento della pianta per scopi energetici e industriali può essere potenzialmente molto eterogeneo, a seconda delle caratteristiche del materiale raccolto. La canna comune può essere impiegata nella produzione di biogas, di bioetanolo e di cippato per la combustione diretta. Dalla biomassa è inoltre possibile estrarre e isolare un pool di diversi composti chimici che possono essere materia prima in una varietà di filiere: è possibile fornire composti molecolari e materie prime per le industrie produttrici di carta, prodotti alimentari, cosmetici, farmaceutici, edilizi, ecc. Il campo sperimentale Allo scopo di studiare più approfonditamente la pianta e la sua attitudine nell inserimento nelle filiere energetiche e industriali, nel 2010 è stato costituito il campo sperimentale di Arundo donax L. nell azienda agraria didattico-sperimentale A. Menozzi, Cascina Marianna, Landriano (PV) (N 45 18, E 9 15 ). Il campo raccoglie una collezione di più di 100 cloni campionati sul territorio nazionale e provenienti da ambienti e regioni diverse tra loro, in modo che fosse possibile osservare delle differenze sia a livello genetico che fenotipico in condizioni pedoclimatiche omogenee. E stata applicata la tecnica agronomica consueta. Gli obiettivi del progetto In questo progetto sono stati dichiarati i seguenti obiettivi: 1) confrontare le metodologie di propagazione conosciute col sistema messo a punto dal DiProVe-UNIMI, al fine di valutare le differenze dei costi d impianto attraverso la comparazione di parcelle basate su rizomi, plantule e canne interrate; 2) valutare diversi sesti d impianto per ottimizzare/ridurre il materiale biologico da utilizzare per la semina/trapianto;

2 3) utilizzare i cloni migliori selezionati da UNIMI e messi a disposizione per studiarne le performances su larga scala ; 4) stimare l epoca migliore di sfalcio al fine di ottimizzare la produzione di biogas e bioidrogeno di seconda generazione ottenuto dalla digestione anaerobica dei corrispettivi insilati; 5) valutare i benefici derivanti dall uso di Arundo in sostituzione delle colture energetiche food; 6) testare la possibilità di micropropagare Arundo. Di seguito vengono descritti i lavori effettuati suddivisi per obiettivo. - Obiettivo 1) Confrontare le metodologie di propagazione Nel II anno d impianto sono stati misurati nuovamente i parametri produttivi, al fine di confermatre i risultati dello scorso anno. - Obiettivo 2) Valutare diversi sesti d impianto Sono stati rilevati i parametri produttivi riguardanti i sesti di di impianto (2500, 5000 e piante per m 2 ) su piccole parcelle di 4 m 2 di superficie. - Obiettivo 3) Utilizzare i cloni migliori per studiarne le performances su larga scala I cloni più produttivi sono stati valutati, evidenziando differenze significative fra cloni. - Obiettivo 4) Stimare l epoca migliore di sfalci e ottimizzazione della produzione di biogas Il trinciato di Arundo per l insilamento quale sistema di conservazione, è stato raccolto nel mese di ottobre e riposto in trincea con le stesse modalità impiegate per il trinciato di mais; questo per verificare che non solo fosse possibile trattare la pianta come una tradizionale e già affermata coltura erbacea, ma anche che il processo biologico di insilamento producesse una biomassa stabile e utilizzabile per il processo di digestione anaerobica. Dalle valutazioni effettuate direttamente in campo, è stato possibile affermare che il colore, l odore, l umidità, il ph e la scarsa presenza di percolazioni hanno permesso di formulare un giudizio positivo sulla conservazione della biomassa. Inoltre, le ulteriori indagini condotte hanno dimostrato come il processo di insilamento vada a buon fine e come per alcuni parametri vi siano delle rassomiglianze con l insilato di mais (Tabella 3). Il ph nell insilato di Arundo è leggermente più alto a causa probabilmente della minore presenza di acidi che si sviluppano durante il processo di insilamento; questo si riflette anche sulla quantità dei singoli acidi presenti. L acidità totale che si crea durante l insilamento non è spiccata quanto quella del mais ma permette comunque la sua conservazione e un buon mantenimento della massa per lunghi periodi di tempo. Oltre alla quantità diversa degli acidi presenti, è interessante anche notare come il profilo degli acidi grassi volatili rilevati sia differente nelle due colture. A eccezion fatta per i principali acidi che vengono liberati durante le fermentazioni (succinato, acetato e lattato), è interessante notare come le due biomasse si distinguano per acidi differenti. È di particolare interesse constatare che l insilato di Arundo è particolarmente ricco di ossalato, l acido principale, che la letteratura suggerisce essere un composto impiegato in diversi ambiti industriali. I contenuti di sostanza secca, se pur rassomiglianti, derivano da una concentrazione iniziale ben diversa: se all epoca dello sfalcio il mais presenta un contenuto di sostanza secca pari a circa il 33%, la canna ha una percentuale pari a circa il 41%; pertanto, si è registrata una perdita complessiva di massa che è quasi doppia al mais. La flora batterica che si sviluppa nella biomassa di Arundo, per produrre una quantità di acidi tale da poter permettere una conservazione nel lungo periodo, ha probabilmente consumato più sostanza secca perché la pianta è tendenzialmente molto fibrosa e povera in zuccheri.

3 Tabella 3 Caratterizzazione chimica degli insilati di mais e arundo. Insilato mais Insilato arundo ph 3.63 ± ± 0.02 Ammoniaca g kg ± ± 0.04 Azoto totale g kg ± ± 0.09 Acidi grassi volatili mg kg ± ± 177 Alcalinità mg kg ± ± 97.9 Acido ossalico mg kg ± 1086 Acido citrico mg kg ± 68 Acido malico mg kg ± 88 Acido succinico mg kg ± ± 304 Acido lattico mg kg ± ± 430 Acido acetico mg kg ± ± 322 Acido propionico mg kg ± 1127 Acido isobutirrico mg kg ± 730 Acido Nbutirrico mg kg ± 1974 Conducibilità ms 1.69 ± ± 0.08 Sostanza secca % 31.1 ± ± 0.5 Carbonio totale g kg ± ± 12 Solidi volatili % 95.2 ± ± 0.8 Ceneri % 4.8 ± ± 0.8 Gli insilati studiati sono stati impiegati nella prova di digestione anaerobica che ha come principale obiettivo quello di verificare l effettiva produzione di biogas da parte di Arundo. La prova è stata condotta in parallelo con il mais, una coltura nota che potesse fornire un metro di paragone reale. L attitudine di Arundo a produrre biogas è stata indagata mediante una simulazione di un impianto reale, di tipo CSTR, con un tempo di ritenzione di 40 giorni. Le miscele di ingresso sono state preparate in modo che la sostanza secca in ingresso fosse la stessa per entrambe le biomasse testate e rappresentativa della realtà aziendale: pertanto queste sono state ottenute mantenendo un contenuto di sostanza secca pari al 13%. Il monitoraggio del processo si è articolato sulla caratterizzazione del digestato ottenuto e sulla valutazione della quantità di biogas ottenuto.

4 In Tabella 4 è riassunta la caratterizzazione delle miscele impiegate nella prova. Tabella 4 Caratterizzazione delle miscele d ingresso Miscela di mais Miscela di Arundo Sostanza secca % 13.6 ± ± 0.9 ph 4.74 ± ± 0.01 Conducibilità ms 1.30 ± ± 0 Carbonio organico g kg ± ± 15.4 Azoto ammoniacale g kg ± ± 0.01 Azoto totale g kg ± ± 0.07 Acidi grassi volatili mg kg ± ± 64.6 Alcalinità mg kg ± ± 99 Ossalato mg kg ± 1578 Lattato mg kg ± ± 96 Acetato mg kg ± ± 443 Succinato mg kg ± 435 Isobutirrato mg kg ± 494 Nbutirrato mg kg ± 332 OD 20 mg O 2 g -1 SS ± ± 12.3 Cellulare solubile % 50.5 ± ± 1.5 Emicellulosa % 24.6 ± ± 2.2 Cellulosa % 16.5 ± ± 1.3 Lignina % 8.4 ± ± 2.0 Solidi volatili % 93.8 ± ± 0.14 Ceneri % 6.15 ± ± 0.14 In Tabella 5 sono mostrati i risultati relativi alle quantità di biogas ottenute durante la prova e la composizione del gas stesso. Produzione di biogas Tabella 5 Produzioni e caratterizzazione del biogas ottenuto Mais Arundo Nm 3 Mg ± ± 15 Nm 3 CH 4 Mg ± ± 9 Nm 3 Mg -1 SV ± ± 16 Nm 3 CH 4 Mg -1 SV ± ± 9 CH 4 % 61.6 ± ± 2.2 CO 2 % 38.1 ± ± 2.1 H 2 S % 0.2 ± ± 0.1 H 2 % 0.1 ± ± 0.2 Come si evince dai dati, la produzione di biogas da Arundo è inferiore rispetto al mais; infatti dalla canna comune si è in grado di ottenere circa il 70% di biogas rispetto a quello ottenuto da mais. La differenza risiede ovviamente nella tipologia della biomassa impiegata: la canna comune è una pianta lignocellulosica di più difficile degradazione rispetto al mais. Inoltre, tale biomassa deficita della granella, quindi non possiede quella componente amidacea che è in grado di aumentare sensibilmente la produzione complessiva di biogas.

5 La differente composizione chimico-fisica delle biomasse si riflette non solo sulla quantità di biogas registrato ma anche sulla tipologia e sulla composizione chimica dei digestati ottenuti. In Tabella 6 viene riassunta la caratterizzazione dei digestati in uscita. Da una rapida analisi dei risultati si trova conferma che la degradazione anaerobica della biomassa di Arundo è più difficile rispetto all insilato di mais; la composizione chimico-fisica della canna comune rallenta e ostacola parzialmente il processo di degradazione. Infatti, è possibile osservare che i digestati analizzati differiscono soprattutto per il contenuto di sostanza secca e la composizione delle fibre, a indice del fatto che la digestione anaerobica della canna comune è più lenta che nel caso dell insilato di mais. Tabella 6 Caratterizzazione dei digestati Mais Arundo Sostanza secca % 4.35 ± ± 1.26 ph 8.23 ± ± 0.21 Conducibilità ms 12.5 ± ± 0.2 Carbonio organico g kg ± ± 0.3 Azoto ammoniacale g kg ± ± 0.01 Azoto totale g kg ± ± 0.01 Acidi grassi volatili mg kg ± ± 52.0 Alcalinità mg kg ± ± 232 VFA/ALK 0.1 ± ± 0.01 Acetato mg kg ± ± 79 OD 20 mg O 2 g -1 SS ± ± 0.9 SS separato solido % 10.6 ± ± 1.7 Cellulare solubile % 52.8 ± ± 5.1 Emicellulosa % 8.3 ± ± 7.5 Cellulosa % 22.5 ± ± 0.9 Lignina % 16.4 ± ± 3.4 Solidi volatili % 81.3 ± ± 2.3 Ceneri % 18.7 ± ± Obiettivo 5) Uso di Arundo in sostituzione alle colture energetiche food Utilizzare Arundo donax per ottenere bioenergia risulta competente grazie ai vantaggi che la pianta stessa manifesta in campo. Come illustrato nel punto 4), l ottenimento di biogas con la canna comune può sembrare svantaggioso rispetto ad altre colture energetiche dedicate già tradizionalmente impiegate nella digestione anaerobica. Il confronto di Arundo con il mais nel processo di digestione anaerobica deve essere ulteriormente elaborato per poter stimare e quantificare quelle che sono le effettive rese di metano ottenuto per ettaro di superficie coltivata. In questo caso, le valutazioni considerano non solo il mais (I raccolto) ma anche la miscela mais e triticale (mais di II raccolto e triticale) in quanto più frequente nella realtà padana. L ottenimento di tonnellate di biomassa per ettaro di superficie coltivata è decisamente superiore con la canna comune. Nel corso dell anno sono stati affinati i bilanci economici e produttivi per valutare la sostituzione con Arindo delle produzione di mais a scopo energetico. - Obiettivo 6) Micropropagazione di accessioni di Arundo donax Nel corso del 2014 sono state messi in coltura altri 30 genotipi. In totale sono al momento stati valutati 37 genotipi e si conta di ottenere valutazioni da ulteriori venti messi in coltura ma non ancora pronti per i test.

6 Sono state provate tre dosi di BAP (1,3,5 mg/l). Come appare in figura 1, la BAP incrementa la produzione di germogli ricoltivabili da 6 a 8 per espianto, alle due dosi maggiori, ma senza differenze fra esse. Se consideriamo tutti i tipi di germogli, anche quelli troppo piccoli per la ricoltivazione, le tre dosi si differenziano significativamente passando da poco più di 10 per la dose di 1 mg /L a quasi 35 per la dose più elevata. I cloni si differenziano significativamente, passando da produzioni inferiori a 5 germogli per espianto, a valori ben superiori a 10 (genotipi 76,74,11,19,81) ed addirittura 15 nel caso del genotipo 20.

7

8