Sviluppo di residui di biomassa sostenibili per applicazioni di biocarburanti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14248 (2023) Citare questo articolo

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Una comprensione completa delle proprietà fisico-chimiche, del comportamento di degradazione termica e della composizione chimica è importante per i residui di biomassa prima della loro conversione termochimica per la produzione di energia. In questa indagine, i residui di paglia di teff (TS), buccia di caffè (CH), pannocchia di mais (CC) e gambo di sorgo dolce (SSS) sono stati caratterizzati per valutare le loro potenziali applicazioni come bioenergia e prodotti chimici a valore aggiunto. Il comportamento di degradazione termica dei campioni CC, CH, TS e SSS viene calcolato utilizzando quattro diverse velocità di riscaldamento. I valori dell'energia di attivazione variavano da 81,919 a 262,238 e 85,737–212,349 kJ mol−1 e sono stati generati dai modelli KAS e FWO e hanno aiutato a comprendere il processo di conversione della biomassa in bioprodotti. Il contenuto di cellulosa, emicellulosa e lignina di CC, CH, TS e SSS è risultato compreso rispettivamente tra 31,56–41,15%, 23,9–32,02% e 19,85–25,07%. Il potere calorifico dei residui variava da 17,3 a 19,7 MJ/kg, paragonabile alla biomassa grezza. Le micrografie elettroniche a scansione hanno rivelato strutture agglomerate, irregolari e ruvide, con linee parallele che forniscono percorsi di trasporto di nutrienti e acqua in tutti i campioni di biomassa. Gli spettri di raggi X a dispersione di energia e l'analisi di diffrazione di raggi X hanno indicato la presenza di materiale ad alto contenuto di carbonio e di natura cristallina. L'analisi FTIR ha identificato picchi di banda prominenti in corrispondenza di numeri d'onda specifici. Sulla base di questi risultati, si può concludere che questi residui hanno un potenziale come fonti di energia per varie applicazioni, come l’industria tessile, della plastica, delle vernici, automobilistica e degli additivi alimentari.

A causa della crescita della popolazione, della conseguente elevata domanda di energia e delle preoccupazioni ambientali, le agenzie governative e non governative richiedono una maggiore responsabilità ambientale per i prodotti chimici, i combustibili e l’estrazione di energia. I biocarburanti e le sostanze chimiche ottenute da fonti rinnovabili sono fondamentali per soddisfare la domanda energetica globale e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. L’accessibilità, l’utilizzo e l’efficacia in termini di costi dell’energia svolgono un ruolo importante nell’espansione dello sviluppo in tutto il mondo1,2. I residui agricoli e le biomasse non nutrizionali hanno un potenziale significativo per la produzione di energia dopo carbone, gas naturale e petrolio3,4,5,6. Pertanto, i bioprocessi possono fornire molteplici prodotti simili all’energia e rafforzare la bioeconomia circolare7,8. I biocarburanti affrontano questioni ambientali, sicurezza del carburante e vantaggi socioeconomici per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili per lo sviluppo sostenibile9. Si prevede che il bioolio ottenuto dalla biomassa lignocellulosica svolgerà un ruolo significativo nella futura produzione di carburante poiché possiede una densità energetica maggiore rispetto alla biomassa10,11,12. Per la sostenibilità della produzione di biocarburanti, la bioenergia è collegata all’idea di un’economia circolare olistica in tutto il mondo. I bioprocessi implicano la lavorazione, la selezione e la conversione delle materie prime in prodotti a valore aggiunto come la bioenergia e i prodotti chimici. Elliot13 ha rivelato che le sostanze chimiche ottenute dal processo bioenergetico vengono utilizzate in varie applicazioni come l'industria tessile, la plastica, le vernici, le automobili e gli additivi alimentari. La biomassa si riferisce in gran parte ai residui forestali e agricoli, le materie prime più favorevoli per il loro potere calorifico, il basso costo e la disponibilità14. I residui di biomassa possono essere trasformati in vettori energetici utilizzando vie di conversione biochimica o termochimica15,16,17.

I residui di paglia di teff (TS), buccia di caffè (CH), pannocchia di mais (CC) e gambo di sorgo dolce (SSS) sono rifiuti agricoli ottenuti dalla lavorazione di teff, mais, sorgo dolce e caffè, come mostrato in Fig. 1. Teff La paglia [Eragrostis tef (Zuccagni.) Trotter], localmente conosciuta come ch'ed, è derivata dal grano di teff, presente principalmente in Eritrea, Kenya settentrionale ed Etiopia18. È composto per il 25% da grani di teff e per il 75% da paglia di teff, con una produzione annua rispettivamente di 4,3 milioni e 13 milioni di tonnellate19,20. La paglia di teff è considerata un foraggio nutriente per i ruminanti rispetto ad altri cereali21,22.