Produzione di bio-chemicals da fonti rinnovabili
per la valorizzazione del territorio
Barbara Nicolaus
([email protected])
Padula, 27 Febbraio 2015
I residui agro-industriali: una biomassa di scarto
Secondo la Direttiva 2001/77/CE la biomassa è “la parte
biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti
dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali ed animali),
dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte
biodegradabile dei rifiuti industriali ed urbani”
Padula, 27 Febbraio 2015
Disponibilità annua di biomassa di scarto in Italia
BIOMASSE
QUANTITA'
Deiezioni animali
150.000.000 t/a
Scarti agro-industriali
12.000.000 t/a
Scarti di macellazione
1.000.000 t/a
Fanghi di depurazione
3.000.000 t/a
Frazione organica Rifiuti Urbani
9.000.000 t/a
Residui colturali
10.000.000 t/a
(fonte dati: C.R.P.A. ) Padula, 27 Febbraio 2015
Disponibilità annua dei vari tipi di residui
agro-industriali in Italia
(fonte dati: Itabia ) Padula, 27 Febbraio 2015
I residui agro-industriali: una “risorsa” da valorizzare
scarso valore economico e
alto impatto ambientale
valorizzazione parziale
(compostaggio, incenerimento)
proteine, fibre e polisaccaridi, vitamine, antiossidanti
farmaci
nutraceutici
cosmetici
biopolimeri
biocarburanti
]Trasformare il rifiuto di un processo in materia prima per un’altra
produzione industriale
Padula, 27 Febbraio 2015
GREEN CHEMISTRY:
agro-wastes under investigation:
agro-wastes under investigation
Tomato
canning
5.125.000 t/y
Lemon
gross chemical composition
1.8 – 2.3 %
liquor production
488.000 t/y
Carrot
60 %
packing for wholesale market
630.000 t/y
Fennel
La Fontanella,
Nocera Sa
SOLAGRI, VILLA MASSA
Sorrento Na
Polli, Battipaglia Sa
30-40 %
packing for wholesale market
600.000 t/y
AZIENDA
La Gioventù, San Marzano
Sammy Export, Pagano
40 %
Padula, 27 Febbraio 2015
GREEN CHEMISTRY:
GREEN CHEMISTRY:
estigation
Crop residues
under invgation
Forestry/crop residues
Stalks for bioethanol production
PON01_01966: ENERBIOCHEM-Integrated agro-industrial
chains with high energy efficiency for the development of
eco-compatible processes of energy and biochemicals
production from renewable sources and for the land
valorisation
Reed
(Arundo donax)
rizhomes
Seeds for fatty acids production
Easy and fast propagation
Not in competition with food-chain
Bioremediation of polluted soils
Cardoon
(Cynara cardunculus)
Leafs and stalks
Padula, 27 Febbraio 2015
Uso della biomassa come materia prima per la produzione sostenibile di
molecole ad alto valore aggiunto
Residui agro-industriali
pomodori
limoni
carote
finocchi
5.125.000 t/y 488.000 t/y
630.000 t/y
600.000 t/y
Produzione
liquori
Vendita
all’ingrosso
Vendita
all’ingrosso
inscatolamento
1.8-2.3%
60%
30-40%
Biomassa di
scarto
• Residui agro-industriali
• Biomassa lignocellulosica
• Biomassa forestale
• Rifiuti Solidi Urbani (RSU)
Biomassa vegetale di scarto:
47 Mton/anno
40%
Colture energetiche
A
B
Arundo donax L.
A) Fusto e foglie; B) rizoma.
26 ton/ha di sostanza secca**
Cynara cardunculus
Foglie.
13 ton/ha di sostanza secca**
Colture energetiche (42%)
Residui colturali (28% )
Residui forestali (13%)
Residui agro-industriali (17%)
Padula, 27 Febbraio 2015
Uso della biomassa come materia prima per la produzione sostenibile di
molecole ad alto valore aggiunto
BIORAFFINERIA
Biomassa di
scarto
• Residui agro-industriali
• Biomassa lignocellulosica
• Biomassa forestale
• Rifiuti Solidi Urbani (RSU)
Tecnologie di
trasformazione
• Processi chimici
• Processi fisici
• Bio-processi (batterici,
enzimatici)
Prodotti di alto
valore aggiunto
• Biocarburanti
• Prodotti chimici
• Biopolimeri
Adattato da Kamm, B.; Kamm, M. (2004). Principles of
Biorefineries. Appl. Microbiol. Biotechnol. (AMB), 64: 137-145.
Padula, 27 Febbraio 2015
Uso della biomassa come materia prima per la produzione sostenibile di
molecole ad alto valore aggiunto
Trattamenti
termici;
microonde;
ultrasuoni,
etc.
Processi
chimici di
estrazione,
etc.
Processi
mediati da
componenti
biologiche
• Residui agro-industriali
• Biomassa lignocellulosica
• Biomassa forestale
• Rifiuti Solidi Urbani (RSU)
Biomassa di
scarto
Tecnologie di
trasformazione
• Processi chimici
• Processi fisici
• Bio-processi (batterici,
enzimatici)
Black smoker vents
Solfatara
Fuente de Piedra
Antartide
Microrganismi estremofili
AMBIENTI ESTREMI DI ORIGINE NATURALE
Compost
Salina Ston
AMBIENTI ESTREMI ARTIFICIALI
Padula, 27 Febbraio 2015
Uso della biomassa come materia prima per la produzione sostenibile di
molecole ad alto valore aggiunto
Biomassa di
scarto
Biomasse microbiche
• Residui agro-industriali
• Biomassa lignocellulosica
• Biomassa forestale
• Rifiuti Solidi Urbani (RSU)
Tecnologie di
trasformazione
• Processi chimici
• Processi fisici
• Bio-processi (batterici,
enzimatici)
Prodotti di alto
valore aggiunto
• Biocarburanti
• Prodotti chimici
• Biopolimeri
Biocarbuanti
Antiossidanti
Enzimi
Biopolimeri
Padula, 27 Febbraio 2015
GREEN CHEMISTRY:
Biorefinery methods
Padula, 27 Febbraio 2015
OR3p: Ottimizzazione dei sistemi di estrazione di
antiossidanti e polisaccaridi dalle biomasse lignocellulosiche
e loro identificazione
Attività: TRATTAMENTO INTEGRATO PER IL RECUPERO DI POLISACCARIDI E POLIFENOLI
Biomassa: Arundo donax (rizomi SECCHI, residuo PROESA) e Cynara cardunculus (steli e foglie)
Determinazione
Amido
Padula 27 febbraio
“Filiere agro-industriali integrate ad elevata efficienza energetica per la messa a
punto di processi di produzione ecocompatibili di energia e bio-chemicals da fonte
rinnovabile e per la valorizzazione del territorio”
Rizomi di
A. donax L.
Macerazione in KOH 2N 72h, t. a.
Foglie e steli di
C. cardunculus
Recupero fase liquida: filtrazione su carta e centrifugazione a
10000 rpm per 40 min a 4°C
Trattamento della fase liquida con etanolo al 96%, -20°C, 1
notte
estratto polisaccaridico
RK72
Recupero fase solida: centrifugazione a 10000 rpm per 1h a
4°C;
estratto polisaccaridico
CK72
Il pellet recuperato è solubilizzato in acqua distillata calda, la
soluzione è raffreddata a temperatura ambiente ed il pH
aggiustato a 7 con HCl.
La soluzione è dializzata contro acqua distillata impiegando tubi
da 12000-14000 MW cut-off; essa è liofilizzata
Estratto polisaccaridico emicellulosico
Padula, 27 Febbraio 2015
Ottimizzazione dell’idrolisi enzimatica del polisaccaride RK72
per ottenere zuccheri fermentabili ad etanolo
Rizomi di A. donax L.
xiloderivati
Tetrasaccaride
GLU: glucosio standard; XIL: xilosio standard; TFA: idrolisi acida
dell’estratto; X2: xilobiosio; 1, 2: CFE-TT; 3: CFE-TN; 4, 5: ESGTM1
tetrasaccharide
Tetrasaccaride2
S/B: mg tot di substrato/ mg tot di proteine; RS%: resa in zuccheri
riducenti (DNS); Xyl%: resa in xilosio; Glc%: resa in glucosio
H
TL = xilanasi da Thermomyces lanuginosus;
TM= xilanasi da Thermotoga maritima;
CFE-TT = omogenato cellulare da Thermoanaerobacterium thermostercoris;
CFE-TN = omogenato cellulare da Thermotoga neapolitana;
ES-GTM1 = sospensione extracellulare da Geobacillus thermantarcticus.
1
H O
H
HOHO
H
H
H
H
2
O
H
O
OH
H
H O H H
OH
OH
H
H
HO
pentasaccharide 1
Pentasaccaride
2
H O
H
1
H
HO
H
HOHO
H
H
O
O
H
OH
H
-L-Araf
O
OH HO
H
H
H
3
H
H
H
O
OH
HO
H
m/z: 569 [M+Na+]
3
HO
H
O
H
O
H
H O
HO
H
H
HO
H
H
OH
H
H H
4
OH OH
H
O
H
H
OH
H
O
HO
H
H H
OH
H -L-Araf
HO
m/z: 701 [M+Na+]
Padula, 27 Febbraio 2015
Ottimizzazione dell’idrolisi enzimatica del polisaccaride CK72
per ottenere zuccheri fermentabili ad etanolo
Foglie e fusto da
C. cardunculus
1,04
1,04 g/l
g/l
Xyl3GluAOMe 3
0,46
0,46 g/l
g/l
UK
UK
S/B: mg tot di substrato/ mg tot di proteine; RS%: resa in zuccheri
riducenti (DNS); Xyl%: resa in xilosio; Glc%: resa in glucosio
ES-GTM1 = sospensione extracellulare da Geobacillus thermantarcticus.
Solventi:
Solventi: EtOAc:HCOOH:HAc:
EtOAc:HCOOH:HAc: H
H22O:
O: 2-propanol
2-propanol 25:1:10:15:5
25:1:10:15:5
Xyl3GluAOMe 3
2
H
1
H
H O
H
H
HO
HO
O
HO
H
O
H HO
H
H
H
HO
H
H O
H
O
OH
H
H
H
H
HO
H
H
H
3
OH OH
H
O
H
m/z: 605 [M+H-]
O
COOH
H3CO
H
-D-4OMeGlcA
Padula, 27 Febbraio 2015
La valorizzazione dei residui agro-industriali di
origine vegetale: una ricerca CNR
recupero di
polisaccaridi
produzione di
bioetanolo
recupero di
antiossidanti
Padula, 27 Febbraio 2015
Progetto Bilaterale Italia Turchia
“Extremophiles for Next-Generation Biofuels ”
Dott. Barbara Nicolaus
Prof. Ebru Toksoy Oner
Bioetanolo di II generazione
Biomassa di scarto*
Simultaneous Saccharification and Fermentation
glucosio
Degradazione dell’amido e fermentazione degli
zuccheri ad opera di un lievito ingegnerizzato:
espressione di un enzima capace di degradare amido
grezzo in Saccharomyces spp
CH3CH2OH
*Non in competizione con la catena alimentare
Padula, 27 Febbraio 2015
Progetto Bilaterale Italia Turchia
“Extremophiles for Next-Generation Biofuels ”
Produzione di etanolo da scarti agro-industriali
Etanolo (g/L)
O.D. 660 nm
Crescita dei lieviti su scarti agro-industriali
1,2
1,4
1,2
1
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0
0
K11
Y9
BC187
L-1374
Saccharomycescerevisiae
L-1528
K11
Y9
BC 187
L-1374
L-1528
Saccharomyces cerevisiae
Melassa da amido
Melassa da barbabietola da zucchero
Pomodoro
Carota
Patata
Barbabietola da zucchero
Padula, 27 Febbraio 2015
Recupero di antiossidanti dagli scarti vegetali
ULTRASUONI
Padula, 27 Febbraio 2015
Scarti vegetali
Bioreattori
La produzione di biomassa microbica, utilizzando gli scarti vegetali,
ha dato rese paragonabili alle crescite standard condotte
con i substrati costosi di norma
impiegati per la preparazione dei brodi colturali
Padula, 27 Febbraio 2015
160%
complex media (100% specific activity)
110%
74%
α-glucosidasi
amilasi
Halobacillus alkaliphilus
Geobacillus thermoleovorans
strain PIZZO
strain FP5
Mezzo complesso
(100% produzione PHB)
310%
93%
Mezzo complesso
(100% produzione levano)
Levano
poli(4-idrossibutirrato)
Halomonas smyrniensis
strain AAD6
Haloterrigena hispanica,
strain FP1
xilanasi
Geobacillus thermantarcticus
strain M1
Padula, 27 Febbraio 2015
Produzione di biomassa microbica e biomolecole
Anoxybacillus amylolyticus
ütermofilo -60°Cüanaerobio facoltativo
ümoderatamente acidofilo –pH 5.6Monte Rittmann (Antartide)
2200 mt slm
α-amilasi extracellulare
Iperproduzione
dell’amilasi in presenza di
Arundo donax L.
Mezzo complesso
Mezzo minimo + scarto vegetale
Arundo donax L.
Cynara cardunculus
Mezzo complesso (100% attività specifica)
224%
Padula, 27 Febbraio 2015
La valorizzazione dei residui di pomodoro:
le fasi dell’estrazione di polisaccaridi con soluzioni alcaline
soluzione
alcalina
scarto
polisaccaride
Progetto POP Regionale; progetto MIUR formazione di reti di laboratori;
Progetto Regionale Attività Produttive
La valorizzazione dei residui di pomodoro:
le proprietà dei polisaccaridi estratti
Polisaccaride
Proprietà farmacologiche:
Attività antiinfiammatoria
Attività inibitoria su linee
cellulari di macrofagi murini
De Stefano et al. 2007 “Journal of
Natural Products” 70: 1636-1639
Applicazioni biotecnologiche:
Produzione di film biodegradabili
Film per la solarizzazione o pacciamatura
•In collaborazione con Dr. Mario Malinconico e
Dr. Barbara Immirzi , ICTP – CNR, Pozzuoli
Tommonaro et al. 2008 “Molecules” 13: 1384-1398
Padula, 27 Febbraio 2015
La valorizzazione dei residui di pomodoro:
uso dello “scarto dello scarto”
Applicazioni biotecnologiche:
Produzione di contenitori biodegradabili
Contenitori biodegradabili e di buona
resistenza
ottenuti
dal
residuo
dell’estrazione degli scarti di pomodoro
mediante soluzione alcalina
•In collaborazione con Dr. Mario Malinconico e Dr. Barbara
Immirzi , IPCB – CNR, Pozzuoli
Padula, 27 Febbraio 2015
Padula, 27 Febbraio 2015
GREEN CHEMISTRY:
agro-wastes and crop residues under investigation
CROPS’ RESIDUES
FOOD WASTES
GREEN CHEMISTRY: applications of
biomolecules
from wastes
GREEN CHEMISTRY:
applications
of biomolecules from wastes
Padula, 27 Febbraio 2015
ICB-CNR
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Ufficio Stampa del Consiglio Nazionale delle Ricerche.
ICB-CNR
(Arthur Bloch, umorista e scrittore USA)
OR3p: Ottimizzazione dei sistemi di estrazione di
antiossidanti e polisaccaridi dalle biomasse lignocellulosiche
e loro identificazione
Attività svolte : DIVULGAZIONE DEI RISULTATI/Congressi, giornate scientifiche, libri
Polysaccharides from Bioagro-Waste New Biomolecules-life
P. Di Donato, A. Poli, V. Taurisano, B. Nicolaus
In: Polysaccharides 2014, edited by Jean-Michel Merillon and Kishan G. Ramawat; Springer Ed.
Padula 27 Febbraio 2015
OR3p: Ottimizzazione dei sistemi di estrazione di
antiossidanti e polisaccaridi dalle biomasse lignocellulosiche
e loro identificazione
Attività svolte : DIVULGAZIONE DEI RISULTATI/Congressi e giornate scientifiche
Allestimento dello stand espositivo delle attività
del Progetto PON_Enerbiochem
7 ottobre 2014 – Pozzuoli, Napoli
•Barbara Nicolaus, Dirigente di ricerca
•Licia Lama, Ricercatore
•Annarita Poli, Ricercatore
•Paola Di Donato, Ricercatore Associato
•Giuseppina Tommonaro, Ricercatore
•Annabella Tramice, Ricercatore
•Valeria Calandrelli, CTER
•Ida Romano, CTER
•Edoardo Pagnotta, CTER
•Luigi Leone, CTER
Padula, 27 Febbraio 2015