Produttività di colture poliennali dedicate ad uso energetico: il caso della canna comune (Arundo donax L.) e del miscanto (Miscanthus x giganteus Greef et Deuter)

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INTRODUZIONE 
“The first farmer was the first man, 
 and all historic nobility rests on possession and use of the land” 
Ralph Waldo Emerson (Society and Solitude, 1870) 
 
1.1 Le biomasse vegetali ad uso energetico 
Il termine biomassa, nella sua accezione biologica, deve essere inteso 
come qualsiasi matrice di origine organica vegetale o animale; ad oggi il suo 
significato è stato esteso a numerosi ambiti della nostra quotidianità. Nel 
settore energetico infatti, la biomassa vegetale è qualsiasi sostanza organica da 
cui è possibile ricavare energia, in quanto liberata dai legami chimici 
precedentemente costituiti tramite fotosintesi (Morini et al., 2009).  
Per quanto concerne gli aspetti normativi, il termine biomassa viene 
riferito, nella Direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’energia elettrica 
prodotta da fonti di energia rinnovabili
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, alla frazione biodegradabile dei 
prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura 
(comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie 
connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile 
dei rifiuti industriali e urbani. Questa impostazione consente, ai fini  
dell’attività agricola, di identificare la biomassa come qualunque materiale 
prodotto da coltivazioni vegetali specificatamente ad uso energetico, dai 
sottoprodotti originati dal trattamento esclusivamente meccanico di 
coltivazioni agricole non dedicate, generalmente ad uso alimentare, come paglie, 
                                                        
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 Nella stessa si identifica con “energia da fonti rinnovabili”, energia eolica, solare, aerotermica, 
geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di 
depurazione e biogas (EURLEX)
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stocchi ecc., dagli interventi silvicolturali e di manutenzione forestale, dalle 
lavorazioni meccaniche del legno e dei prodotti agricoli, nonché dalle deiezioni 
zootecniche (processabili anaerobicamente per la produzione di biogas). 
Più nel dettaglio, per quanto riguarda le colture dedicate ad uso energetico, 
queste, in letteratura, vengono raggruppate in tre tipologie principali (A.A.V.V., 
2008; Evans, 2007; A.A.V.V., 2004; Venturi e Bonari, 2004; Bonari e Pampana, 
2002; ITABIA): 
 colture oleaginose quali girasole, colza, soia proprie di ambienti temperati, 
palma e jatropha di ambienti tropicali e subtropicali, dalle quali, tramite 
estrazione, generalmente attraverso trattamenti meccanici e/o chimici, 
depurazione, raffinazione ed infine trans-esterificazione
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 si ottiene un 
combustibile da poter sostituire al tradizionale gasolio minerale. Possibile è 
comunque anche l’impiego di olio puro (SVO, “Straight Vegetable Oil”) che 
può essere utilizzato in motori diesel modificati. La resa in olio varia a 
seconda delle colture; per girasole e colza essa oscilla tra il 35 ed il 45% 
circa, i residui di processo costituiscono una minima parte, mentre il 
restante 55-65%, rappresentato dal panello, è impiegabile in alimentazione 
animale; 
 colture da carboidrati come canna da zucchero, frumento, barbabietola da 
zucchero, sorgo e mais dalle quali, tramite fermentazione alcolica dei 
carboidrati in esse contenuti, si ottiene bioetanolo. La produzione richiede 
quattro passaggi tecnologici comuni (fig. 1) quali un pretrattamento della 
                                                        
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La trans-esterificazione consiste in una rottura idrolitica delle molecole degli oli vegetali costituiti da 
esteri glicerici di acidi grassi ed esterificazione con metanolo ottenendo gli esteri metilici 
corrispondenti. Il loro peso molecolare è inferiore e, avendo minore viscosità, il loro l’utilizzo non rende 
necessarie sostanziali modifiche a motori termici e caldaie. Il processo consiste nella miscelazione di 
una mole di olio (composto prevalentemente da trigliceridi) con tre di metanolo in presenza di un 
catalizzatore basico (generalmente idrossido di potassio); con tale procedimento da 1000 kg di olio 
raffinato e 100 kg di metanolo si ottengono 1000 kg di biodiesel e 100 kg di glicerolo (ASS.IN.CER.).
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materia prima per ottenere una soluzione zuccherina (idrolisi nel caso di 
forme polimere di carboidrati), l'utilizzo di lieviti per la conversione dello 
zucchero in etanolo
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, la distillazione dell'etanolo dal substrato di coltura ed, 
eventualmente, la deidratazione dell'etanolo. Gli impieghi possibili, oltre 
che come carburante, sia puro che in miscela con benzina, sono la 
produzione dell’antidetonante etilterbutiletere (ETBE) che ha sostituito il 
piombo tetraetile e di altri prodotti chimici. 
 
Figura 1 - Produzione di etanolo a partire da materiali zuccherini/amidacei 
 
 colture da biomassa lignocellulosica, caratterizzate da elevata produzione di 
sostanza secca, che possono sottostare a differenti processi di 
trasformazione, sia termochimici che biologici. Queste si possono 
suddividere in colture arboree a breve turno di rotazione (Short Rotation 
Forestry) a cui appartengono specie come il pioppo, l’eucalipto, la robinia, 
l’acacia, il salice ecc. e colture erbacee annuali (sorgo da fibra, kenaf, canapa 
ecc.) o poliennali (miscanto, canna comune, cardo, panico ecc.). 
                                                        
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  La produzione di etanolo a partire dal glucosio avviene secondo la reazione C6H12O6 → 2C2H5OH 
+ 2CO2; il glucosio viene liberato dagli amidi tramite enzimi idrolitici (amilasi, destrinasi).
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Ad oggi i prerequisiti fondamentali di una coltura energetica sono 
l’elevato livello produttivo, la minima richiesta di input colturali, nonché un 
buon livello qualitativo, in funzione della destinazione d’uso. In tale direzione 
le specie poliennali sembrano essere quelle che meglio rispondono ai criteri 
delineati, in quanto riducono drasticamente la necessità di ricorrere alle 
lavorazioni del terreno, eccettuato l’anno d’impianto, abbattendo così i rischi 
dovuti all’erosione ed incrementando il contenuto in carbonio del terreno; 
inoltre mostrano esigenze di diserbo e di difesa notevolmente inferiori rispetto 
alle colture annuali, creando ambienti favorevoli allo sviluppo di fauna e 
microfauna (Bonari et al., 2004b; Lewandowski et al., 2003; BIOCOLT). 
1.2 Processi di conversione energetica della biomassa 
In questo paragrafo si è ritenuto utile introdurre le varie tipologie di 
conversione in energia della biomassa vegetale, dando maggiore risalto a 
processi che riguardano le colture lignocellulosiche, vista la maggiore attinenza 
con l’argomento trattato nel presente elaborato. 
 
Figura 2 - Processi di conversione energetica della biomassa (Candolo, 2005 modificato)
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I processi di conversione energetica delle biomasse possono essere 
raggruppati in tre grandi categorie (fig. 2): processi fisico-chimici, processi 
biologici e processi termochimici (Candolo, 2005). 
Dei primi abbiamo già parlato riguardo alle colture oleaginose; 
rientrano in questo gruppo i cosiddetti biocombustibili di prima generazione, 
ovvero carburanti che sottostanno a processi già ben conosciuti e applicati su 
larga scala (Bonari et al., 2009; A.A.V.V., 2008). 
 
I processi di conversione biologici sfruttano microrganismi (batteri, 
lieviti, funghi) che, attraverso trasformazioni di natura anerobica, convertono 
materiali di vario tipo quali: reflui zootecnici, scarti di lavorazione (vinacce, 
acque di vegetazione ecc.), reflui urbani e industriali, colture zuccherine e 
colture lignocellulosiche dedicate. Tali processi sono la digestione anaerobica, 
condotta da una catena di microrganismi che degradano il substrato in varie 
tappe, passando dalla formazione di carboidrati, idrogeno e acido acetico, per 
citarne alcuni, prima di giungere alla formazione di metano e anidride 
BOX 1 
L’ALBERO GENEALOGICO DEI BIOCARBURANTI 
 
Le generazioni umane hanno un’altra scala temporale. Per i biocarburanti 
siamo già giunti alla 4
a
 generazione in pochi decenni. La prima generazione 
poteva contare su colture tradizionalmente alimentari come materie prime. 
La seconda generazione si nutrirà da un piatto ben più ampio: la biomassa 
lignocellulosica. La terza generazione sarà basata sul miglioramento della 
qualità delle materie prime attraverso colture geneticamente modificate per 
aumentarne le rese o ridurne il contenuto in componenti “non utili” (lignina). 
La quarta generazione non avrà a che fare con organismi superiori, ma con 
microrganismi geneticamente modificati in grado di catturare grandi 
quantità di CO2 e di trasformarle direttamente in loro rifiuto, nostro 
combustibile. 
Fonte www.genitronsviluppo.com
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carbonica, componenti principali del biogas
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 (A.A.V.V., 2005; Burke, 2001). Il 
secondo tipo di trasformazione è la fermentazione alcolica che avviene a 
partire da zuccheri semplici o da carboidrati polimeri del tipo (C6H12O6)n, a 
seguito di conversione in glucosio tramite idrolisi. In entrambi i casi si parla di 
biocarburanti di prima generazione (Evans, 2007; Schlegel, 1996). 
Al momento però, il mondo della ricerca e dell’industria ha spostato 
l’interesse sui cosiddetti biocarburanti di seconda generazione, derivanti da 
biomasse lignocellulosiche (Bonari et al. 2009). Riguardo ai processi che 
implicano trasformazione biologica, si sta lavorando alla produzione di etanolo 
o di altri composti a più alta densità energetica (butanolo o idrocarburi) 
tramite l’impiego di batteri e lieviti, eventualmente geneticamente migliorati 
nelle vie metaboliche originarie (Regalbuto, 2009; Stephanopoulos, 2007).  
Ad oggi, la produzione, tramite microrganismi, di bioetanolo a partire 
da biomassa lignocellulosica è caratterizzata da tre fasi: pretrattamento, idrolisi 
e fermentazione (fig. 3). I metodi con cui vengono portati avanti i tre step sono 
variabili ed alcuni in corso di sperimentazione; i prerequisiti necessari per un 
corretto processo sono: l’efficiente depolimerizzazione della cellulosa e della 
emicellulosa in zuccheri solubili, l’efficiente fermentazione del mix di esosi e 
pentosi originatisi, la minimizzazione della richiesta energetica attraverso 
l’integrazione dei processi e l’impiego della lignina residua (Stephanopoulos, 
2007; Hahn-Hägerdal et al., 2006). 
                                                        
4 
 La formazione di metano avviene seguendo due principali vie: riduzione della anidride carbonica 
con idrogeno (metanogenesi idrogenotrofa, CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O), che contribuisce per un 
28% circa dei casi, altra via porta alla formazione di metano a spese del gruppo metilico (CH3COOH 
→ CH4 + CO2) dell’acido acetico ed è la via più seguita (72% circa dei casi).
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Figura 3 - Processo di conversione della biomassa lignocellulosica in etanolo  
(Hahn-Hägerdal et al., 2006 modificato) 
 
Il pretrattamento della biomassa, di durata variabile da qualche minuto 
a diverse ore, è preceduto da una riduzione della dimensione del materiale da 
trattare; l’obiettivo primario è quello di incrementarne la dimensione dei pori, 
di attaccare il reticolo cristallino della cellulosa e di indebolire il legame di 
questa con la lignina. La sua importanza è quindi evidente, in quanto un 
efficiente pretrattamento consente la sostanziale riduzione della quantità di 
enzimi utilizzati nelle successive fasi e pertanto minori costi. Diversi sono i 
metodi sperimentati per questo passaggio, che possono essere modificati 
anche in funzione del tipo biomassa impiegata; i più promettenti sembrano 
essere l’esposizione a vapore saturo (180-230 °C) detta steam explosion, ad 
ammoniaca concentrata (NH3-explosion) e la cottura ad alte temperature con 
acidi deboli o diluiti (Himmel et al. 2007; Stephanopoulos, 2007; Hahn-
Hägerdal et al., 2006). 
A seguito del pretrattamento si origina una sospensione solida 
contenente lignina e cellulosa ed una fase liquida contenente zuccheri pentosi,
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derivati dalla emicellulosa, quali xilosio e arabinosio principalmente, e piccole 
molecole organiche, come acidi organici, furani, composti fenolici e inorganici. 
Le successive reazioni vedono l’idrolisi della cellulosa a mezzo di enzimi 
specifici (endoglucanasi, esoglucanasi, β-glucosidasi o cellobiasi) e la 
fermentazione degli zuccheri liberati, in un unico passaggio definito 
“simultaneous saccharification fermentation” (SSF), che dura da 3 a 6 giorni circa. 
Alla fine del processo si rende necessaria una fase di distillazione dell’etanolo 
prodotto (4-4,5%) che, a causa dell’elevata diluizione, sarebbe inutilizzabile 
(Himmel et al. 2007; Stephanopoulos, 2007; Hahn-Hägerdal et al., 2006). 
Sebbene il mondo della ricerca stia dando un grande contributo allo 
sviluppo di tecnologie sempre più avanzate, come la creazione di batteri 
(Escherichia coli, Klebsiella oxytoca) e lieviti (Saccharomyces cerevisae) geneticamente 
migliorati, ulteriori progressi devono compiersi soprattutto per ciò che 
riguarda le fasi di pretrattamento e di idrolisi della cellulosa, così come la 
necessità di disporre di enzimi a prezzi contenuti e di sviluppare 
microrganismi tolleranti a maggiori percentuali di etanolo. Inoltre, potrebbe 
risultare interessante valutare l’impiego di materiale lignocellulosico per la 
produzione di biocarburanti alternativi all’etanolo, e valorizzare la biomassa 
integralmente, visto che al momento il processo di trasformazione della 
biomassa in etanolo ha come materiale di scarto la lignina umida. 
(Stephanopoulos, 2007; Service, 2007; Dien, 2003). 
Ulteriori processi di trasformazione a cui possono essere sottoposte le 
biomasse sono quelli termochimici. 
Ad oggi quelli maggiormente studiati sono la combustione diretta, la 
pirolisi e la gassificazione. Il primo processo è quello più tradizionale che però, 
per essere efficiente, richiede una biomassa con un ridotto contenuto di acqua.