SIA - Società Italiana di Agronomia, XLIII Convegno Nazionale, 17 19 settembre 2014 - Scuola Superiore S. Anna di Pisa La sostenibilità dell intensificazione colturale e le politiche agricole: Il ruolo della ricerca agronomica Produzione di bioetanolo di seconda generazione dal cardo (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) Laura D Andrea 1, A. Domenico Palumbo 1, Giuseppe De Mastro 2 1 CRA - Unità di Ricerca per i Sistemi Colturali degli Ambienti caldo-aridi (SCA), via Celso Ulpiani 5, Bari email: laura.dandrea@libero.it 2 Dipartimento di Scienze Agroambientali e Territoriali, Università degli Studi di Bari Aldo Moro, via Amendola 165/A, Bari
Premessa
Università degli Studi di Bari, Aldo Moro Scuola di Dottorato: PRODUZIONI VEGETALI, ALIMENTI E AMBIENTE Direttore della Scuola: Prof. Antonio Blanco Dottorato di Ricerca in AGRONOMIA MEDITERRANEA XXIV Ciclo [2009-2011] Coordinatore: Prof. Pietro Rubino Relazione finale del PhD Bari, 8 giugno 2012 Potenzialità energetiche del cardo (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) in ambiente mediterraneo Facoltà di Agraria Dipartimento di Scienze Agroambientali e Territoriali Settore Scientifico Disciplinare: AGR/02 Supervisori: Prof. Giuseppe De Mastro Dott. A. Domenico Palumbo Dottoranda: Dott.ssa Laura D Andrea
La tesi di dottorato è stata svolta nell ambito del Progetto Nazionale: Titolo Progetto: Ottimizzazione delle Filiere Bioenergetiche esistenti per una Sostenibilità Economica ed Ambientale [BIOSEA] Coordinatore: Prof. Gianpietro Venturi (Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali) La tesi di dottorato è stata svolta presso una Unità Operativa (UO) del Progetto: Unità operativa (UO): CRA - SCA (Unità di Ricerca per i Sistemi Colturali degli Ambienti Caldo-Aridi) BARI Titolo della Ricerca: Potenzialità agronomiche degli ambienti meridionali per sistemi colturali agroenergetici Responsabile Scientifico: Dott. A. Domenico Palumbo
Con i collaboratori di entrambi gli enti di ricerca
Potenzialità energetiche Il cardo
Introduzione
Produzione di biocarburanti nel MONDO Biodiesel 19% Bioetanolo 81% USA (12,7 Mt) Brasile (12,6 Mt) Fonte: dati Eurobserver (2008) e Renawable Energy Policy Network for the 21th Century (REN 21), 2008
Produzione di biocarburanti in EUROPA Olanda Bioetanolo 19% Lettonia Lituania Regno Unito Slovacchia Biodiesel 81% la UE Paesi dell Ungheria Repubblica Ceca Italia Svezia Polonia Spagna Fonte: dati Eurobserver (2008) e Renawable Energy Policy Network for the 21th Century (REN 21), 2008 Germania Francia 0 100 200 300 400 500 600 ML/anno
Produzione di bioetanolo in Europa 2500 2000 Mt/a anno 1500 1000 500 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 anno
Produzione e consumo di bioetanolo in Europa 3000 produzione consumo Il tasso di crescita medio annuo di consumo è del 47% 2500 2000 secondo EBIO (European Bioethanol Fuel Associations) Migliaia di t 1500 1000 500 0 l UE-27 ha importato nel 2008 circa 1,5 milioni di tonnellate di bioetanolo, dal Brasile (circa il 76%) 2005 2006 2007 2008 anno dagli USA (circa il 34%)
Materiali e metodi
Cardo (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) Classificazione botanica Famiglia: Sottofamiglia Tribù Genere: Specie: Subspecie Compositae o Asteraceae Tubuliflorae Cynareae Cynara cardunculus scolymus (Carciofo) 2 varietà botaniche: var. altilis Cardo domestico o cardo da coste var. sylvestris Cardo selvatico
Cardo (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) Origine e diffusione del genere Cynara
Materiale e Metodi Il genotipo di cardo utilizzato nella prova sperimentale è di provenienza spagnola, fornito dal Politecnico di Madrid (Proff. Jesus Fernandez e Maria Dolores Curt) seme Coltivazione del genotipo di cardo in Spagna - Foto di Mastrorilli
Sito di sperimentazione La prova sperimentale è stata svolta presso l azienda sperimentale M.E. Venezian Scarascia del CRA-SCA di Bari (ex Istituto Sperimentale Agronomico) sita a Rutigliano (BA) Campo sperimentale Area: circa 1 ha Largo: 144 m Lungo: 70 m
Caratteristiche pedologiche Caratteristiche fisiche Caratteristiche 0-20 cm 20-40 cm (%) media Dev.St. media Dev.St. scheletro 4.0 1.8 3.3 2.3 terra fina 96.0 1.8 96.7 2.3 sabbia grossa 2.5 0.3 2.6 0.3 sabbia fine 10.2 1.9 10.0 1.2 limo grosso 9.3 0.6 9.2 0.4 limo 29.4 4.7 28.1 3.3 argilla 48.5 5.0 50.1 4.0 Caratteristiche chimiche Parametri 0-20 cm 20-40 cm media Dev.St. media Dev.St. ph 7.0 0.2 7.0 0.2 CE (ds/m) 0.8 0.2 0.6 0.3 Cloruri (g/l) 0.1 0.0 0.1 0.0 N totale (g/kg) 1.2 0.1 1.2 0.2 TOC (g/kg) 12.6 1.9 12.0 1.3 TEC (g/kg) 7.7 1.3 7.3 1.0 HA+HF (g/kg) 6.3 1.2 6.0 1.3 P 2 O 5 (mg/kg) 55.8 9.8 49.7 9.7 K 2 O (mg/kg) 705.2 133.1 618.4 64.8 Na 2 O (mg/kg) 54.7 6.7 53.7 8.8 CaO (mg/kg) 4357.4 353.7 4364.6 263.5 MgO (mg/kg) 257.9 63.4 241.0 52.2
Andamento climatico 1 ciclo di coltivazione (2009/2010) 2 ciclo di coltivazione (2010/2011) Pioggia (mm) T max ( C) T min ( C) Pioggia (mm) T max ( C) T min ( C) 140 50 140 50 120 40 120 40 100 30 100 30 Pioggia (mm) 80 60 20 10 Temperatura ( C) Pioggia (mm) 80 60 20 10 Temperatura ( C) 40 0 40 0 20-10 20-10 0-20 0-20 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a 1a 2a 3a Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto CLIMA MEDITERRANEO DI TIPO SEMI-ARIDO - inverni piovosi e miti - estati aride e molto calde Mese Scarti pioggia (mm) Scarti T max ( C) Scarti T min ( C) 2009/10 2010/11 poliennio 2009/10 2010/11 poliennio 2009/10 2010/11 poliennio Settembre -11.6-5.0 56.4 0.3-0.8 25.9 0.4-1.1 15.8 Ottobre 101.4 174.4 48.4-2.3-1.9 21.9-2.4-1.7 12.9 Novembre -37.3-3.7 71.9 0.9 2.1 16.5-0.8 1.0 8.6 Dicembre 2.6-27.7 69.2 1.3 0.2 12.9 0.6-0.5 5.7 Gennaio -27.2-25.7 59.5-0.4-0.3 12.0 0.0-0.7 4.5 Febbraio -19.3-22.5 57.7 1.3 0.8 12.1 0.7-1.0 4.3 Marzo -0.5 46.3 56.3 0.2-0.4 15.1-0.5 0.4 6.1 Aprile 6.3-21.1 40.7 0.9 1.1 18.0-0.1-0.4 8.3 Maggio 37.3 0.6 36.0 0.2-0.2 23.0 0.4-0.8 12.4 Giugno -3.5 1.5 29.1-0.2 4.2 27.3 0.0 2.0 16.0 Luglio -3.3 12.7 21.3 0.6 5.5 29.8 1.4 2.3 18.3 Agosto -11.8-25.0 25.0 2.8 6.6 29.8 3.8 2.3 18.5 Sett-Ago 33.1 104.8 571.5 0.5 1.4 20.3 0.3 0.1 11.0
Tecnica colturale Preparazione del terreno Semina: 30 ottobre 2009 seme
1 Ciclo colturale 2009-2010 Emergenza prime foglie veri stadio di rosetta 11 novembre 2009 Dicembre 2009 Gennaio 2010 Ripresa vegetativa 2 Ciclo colturale 2010-2011 30 Settembre 2010 120 cm
Stadio vegetativo 1 Ciclo colturale 2009-2010 120 cm Febbraio 2010 Marzo 2010 Aprile 2010 2 Ciclo colturale 2010-2011 Ottobre 2010 Gennaio 2011 Marzo 2011
1 (2009-2010) e 2 (2010-2011) Ciclo colturale Stadio riproduttivo Allegagione Maturazione del seme Aprile 2011 Luglio 2010 Giugno 2011 Giugno 2010 Agosto 2011
1 (2009-2010) e 2 (2010-2011) Ciclo colturale Raccolte: 18 agosto 2010 9 agosto 2011
Risultati
Produzione di biomassa totale (t ha -1 s.s.) 2010 2011 8.7 b ± 0.81 15.6 a ± 2.02 nel 2010 nel 2011 capolini 30.4% foglie 39.8% capolini 17.5% foglie 48.1% fusti 34.4% fusti 29.8%
Produzione di biomassa totale (t ha -1 s.s.) 2010 2011
Produzione di biomassa totale (t ha -1 s.s.) 2010 2011
Filiera del bioetanolo di seconda generazione
Produzione di bioetanolo ESTRAZIONE bioetanolo di seconda generazione fase di pretrattamento lignina cellulosa emicellulosa PRETRATTAMENTO (Fonte: modificato da Mosier et al., 2005)
Composizione chimica della biomassa totale Parametro (%) Acronimo Media Dev.St. Umidità 9.0 0.2 Estrattivi inazotati 0.7 0.3 Fibra grezza FG 48.8 1.6 metodo Weende Fibra neutro detersa NDF 72.3 1.3 Fibra acido detersa ADF 48.8 1.5 Lignina ADL 7.3 0.9 Cellulosa ADF-ADL 41.4 1.5 Emicellulosa NDF-ADF 23.6 0.7 metodo Van Soest
Composizione chimica della biomassa totale Rapporto cellulosa/ lignina biodegradabilità della cellulosa 5.64 Rapporto cellulosa/ emicellulosa produzione di bioetanolo 1.76
Somma Somma Rapporto Rapporto Specie Bibliografia Lignina Cellulosa Emicellulosa Polisaccaridi costituenti cellulosa/ cellulosa/ totali della fibra lignina emicellulosa Cardo di prova 7.3 41.4 23.6 65.0 72.3 5.64 1.76 Cardo (a) 7.6 43.8 22.3 66.0 73.6 5.76 1.96 Panico (b) 8.4 38.3 31.2 69.5 77.9 4.56 1.23 (c) 7.2 40.1 30.3 70.4 77.6 5.57 1.32 (d) 17.6 31.0 20.4 51.4 69.0 1.76 1.52 (e) 12.5 40.0 25.0 65.0 77.5 3.20 1.60 Miscanto (b) 20.4 44.0 25.4 69.4 89.8 2.16 1.73 (c) 8.8 48.4 26.1 74.5 83.3 5.50 1.85 (f) 22.4 41.0 22.4 63.4 85.8 1.83 1.83 Festuca (b) 6.5 33.3 30.4 63.7 70.2 5.12 1.10 (c) 4.3 34.0 25.2 59.2 63.5 7.91 1.35 I valori qualitativi del cardo Sorgo da fibra (b) 8.0 42.3 26.2 68.5 76.5 5.29 1.61 (c) 3.2 29.7 25.1 54.8 58.0 9.28 1.18 sono simili (d) 8.4 14.3 16.8 31.1 39.5 1.70 0.85 Mais (b) 7.3 38.0 27.4 65.4 72.7 5.21 1.39 (c) 3.4 26.3 23.8 50.1 53.5 7.74 1.11 ad altre colture lignocellulosiche: Kenaf (b) 7.9 53.2 18.4 71.6 79.5 6.73 2.89 Faggio (b) 23.1 45.4 27.9 73.3 96.4 1.97 1.63 panico e miscanto Pioppo (b) 24.8 42.0 22.0 64.0 88.8 1.69 1.91 (d) 18.1 49.9 17.4 67.3 85.4 2.76 2.87 Salice (b) 20.0 46.5 18.5 65.0 85.0 2.33 2.51 Topinambur (c) 10.1 36.5 21.0 57.5 67.6 3.61 1.74 Arundo (f) 20.4 34.6 23.1 57.7 78.1 1.69 1.50 Specie erbacee (d) 28.5 37.5 27.5 65.0 93.5 1.32 1.36 Specie legnose (d) 22.5 47.5 22.5 70.0 92.5 2.11 2.11
Resa e produzione di bioetanolo Resa di bioetanolo (Kg etanolo t -1 ) Produzione di bioetanolo (Kg etanolo ha -1 ) 350 5000 4685 a 1 ) (Kg etanolo t -1 300 250 200 150 100 emicellulosa cellulosa 1 ) (Kg etanolo ha -1 4000 3000 2000 2566 b 50 1000 0 2010 2011 0 2010 2011
Conclusioni
Conclusioni attraverso la valutazione potenziale produttivo della coltura potenziale energetico della coltura Si è rilevato nel biennio di prova un consistente incremento nella produzione in biomassa passando dal primo al secondo anno a conferma della buona adattabilità della coltura nell ambiente di prova e facendo prevedere potenzialità a crescere nelle annate a seguire.
Conclusioni attraverso la valutazione potenziale produttivo della coltura potenziale energetico della coltura La biomassa può essere utilizzata nei processi di fermentazione, per estrarre bioetanolo di seconda generazione, in quanto è costituita da: a) un ottimo rapporto cellulosa/lignina (5.64) che è indice di una maggiore biodegradabilità della cellulosa; b) un elevato rapporto cellulosa/emicellulosa (1.76) favorevole ad una maggiore resa in bioetanolo;
Conclusioni attraverso la valutazione potenziale produttivo della coltura potenziale energetico della coltura si potrebbe ottenere al secondo anno d impianto una resa di 3700 litri ha -1 in bioetanolo di seconda generazione
SIA - Società Italiana di Agronomia, XLIII Convegno Nazionale, 17 19 settembre 2014 - Scuola Superiore S. Anna di Pisa La sostenibilità dell intensificazione colturale e le politiche agricole: Il ruolo della ricerca agronomica Grazie per l attenzione Laura D Andrea 1, A. Domenico Palumbo 1, Giuseppe De Mastro 2