Valore aggiunto senza sprechi: i ricercatori progettano una bioraffineria innovativa

Le biomasse, cioè le materie prime biologiche coltivate, sono un grande tesoro. La mangiamo, la alimentiamo, la bruciamo o la utilizziamo. Ciò che resta viene tradizionalmente compostato, messo in discarica o incenerito. Tuttavia, in ogni residuo inutilizzato c'è ancora del potenziale. Un modo per sfruttare questo potenziale è attraverso bioraffinerie intelligenti e integrate. A differenza delle bioraffinerie convenzionali, in cui le aziende chimiche, ad esempio, estraggono una specifica sostanza biochimica da un determinato materiale biologico di partenza, queste combinano diversi processi di conversione.

Il potenziale delle bioraffinerie intelligenti è immenso

Il dottor Nader Marzban è ricercatore presso l'Istituto Leibniz per l'ingegneria agricola e la bioeconomia (ATB) e autore principale del documento concettuale "Smart Integrated Biorefineries in Bioeconomy: A Concept Toward Zero-Waste, Emission Reduction, and Self-Sufficient Energy Production". La descrive così: "Esistono molte tecnologie di conversione che generano materiali di valore dalla biomassa. Queste includono la fermentazione microbica, come la digestione anaerobica, e la pirolisi. La fermentazione anaerobica, ad esempio, produce biogas, ma il residuo della fermentazione contiene ancora preziosi composti organici. Invece di usarlo come fertilizzante, come avviene tradizionalmente, possiamo convertire questo digestato in sostanze umiche artificiali attraverso l'umificazione idrotermale. Quando vengono introdotte nel terreno, stabilizzano la diversità batterica e migliorano la salute del suolo. Un altro approccio promettente è la combinazione della fermentazione anaerobica con la pirolisi, cioè la carbonizzazione. In questo caso, il biochar agisce come catalizzatore e aumenta l'efficienza della produzione di biogas. Allo stesso tempo, il biochar è arricchito di sostanze nutritive. In questo modo può mantenere i nutrienti disponibili nel suolo per lungo tempo e, a seconda delle condizioni del processo, immagazzinare carbonio per più di un secolo.

Un altro esempio è la fermentazione. Se si aggiunge biochar, gli inibitori della fermentazione vengono abbattuti, aumentando in modo significativo la resa di etanolo e acido lattico. Inoltre, il bio-calore e l'elettricità generati durante la pirolisi possono essere utilizzati per la fermentazione, riducendo così la dipendenza da fonti energetiche esterne. Le emissioni di CO₂ prodotte dalla pirolisi possono essere catturate e utilizzate per la coltivazione delle alghe, che a loro volta fungono da fonte alternativa di proteine".

Il potenziale delle bioraffinerie intelligenti è immenso, ma lo è anche il numero di ottimizzazioni possibili. I processi industriali come la digestione anaerobica, la fermentazione, la pirolisi, la carbonizzazione e l'umificazione hanno tutti parametri regolabili e possono essere combinati in vari modi. Invece di affidarsi a un unico tipo di biomassa, i ricercatori lavorano con 90 materie prime diverse che variano a livello regionale e stagionale. Impostando obiettivi chiave e parametri regolabili per ogni processo, si ottengono milioni di scenari potenziali.

Il dott. Marzban sottolinea: "Esaminare tutti questi scenari a livello sperimentale sarebbe estremamente costoso e richiederebbe molto tempo. Ma il tempo è un lusso che non abbiamo. La nostra economia è ancora fortemente dipendente dai combustibili fossili. Ne stiamo già vedendo gli effetti negativi. Ecco perché ci affidiamo a simulazioni guidate dall'intelligenza artificiale per individuare gli approcci più efficienti. Come scienziati di processo, procediamo per gradi e ottimizziamo inizialmente i sottosistemi, che poi colleghiamo gradualmente per combinarli in un insieme più ampio".

Una bioeconomia sostenibile senza sprechi ed entro i confini del pianeta

L'esperienza industriale globale e gli ampi risultati della ricerca - compresi quelli dell'ATB - forniscono una ricca base di dati per l'ulteriore sviluppo dei processi di conversione della biomassa esistenti. Le tecnologie chiave sono la sensoristica, che misura direttamente nei processi e aiuta a comprendere meglio le interazioni prodotto-processo, nonché l'intelligenza artificiale, i gemelli digitali e le tecniche di modellazione avanzate. Utilizzando dati, capacità di elaborazione e algoritmi, è possibile sviluppare bioraffinerie intelligenti e integrate, adattabili e scalabili, in grado di gestire migliaia, se non milioni, di scenari.

La Prof.ssa Barbara Sturm, Direttore Scientifico dell'ATB e autrice principale dell'articolo, spiega: "Le bioraffinerie intelligenti e integrate possono essere sviluppate utilizzando reti e dialoghi tra diversi sistemi modellati e poi convalidate nella realtà. Questo processo di convalida consente di identificare le lacune e di scoprire le opportunità nascoste, che possono essere affrontate riutilizzando le tecnologie e i sistemi esistenti o introducendo soluzioni innovative come le sostanze umiche artificiali. In questo approccio sistemico, ogni componente della bioraffineria cerca attivamente connessioni con gli altri e forma reti più ampie e integrate. Il sistema simulerebbe continuamente le fasi successive per trovare il modo migliore per raggiungere gli obiettivi prefissati. Questo migliorerà la sostenibilità e la circolarità dei modelli bioeconomici, creerà posti di lavoro e supporterà i responsabili politici. La nostra visione è quella di passare a una bioeconomia più resiliente, efficiente e a prova di futuro attraverso questa integrazione sistemica".

L'approccio integrato potrebbe permetterci di creare una bioeconomia veramente sostenibile, che non riconosca gli sprechi e rimanga entro i confini del pianeta. Aumenta la redditività e la competitività, di cui c'è urgente bisogno visti i costi più bassi dei prodotti di origine fossile. Tuttavia, il sostegno dei governi e gli interventi politici sono fondamentali per facilitare e accelerare la transizione verso le tecnologie verdi. A lungo termine, le bioraffinerie intelligenti e integrate saranno senza dubbio più redditizie dei sistemi che si concentrano su un singolo processo. Inoltre, ridurranno la necessità di importare materie prime, aumentando così la resilienza dei nostri sistemi economici.

Tempo di attuazione

Con il documento concettuale, il team ATB ha compiuto il primo passo insieme ai partner dell'Università di Potsdam e dell'Università Tecnica di Berlino. Ora seguiranno la convalida e l'attuazione. A marzo, l'ATB inizierà la costruzione di una bioraffineria a scopo di ricerca a Groß Kreutz, nel Brandeburgo. Questa andrà a integrare gli impianti e le strutture pilota esistenti presso la sede di Potsdam e il laboratorio sul campo per l'agricoltura digitale a Marquardt. Nell'ambito del Centro di Innovazione Leibniz per la Bioeconomia Sostenibile (InnoHof®), si sta creando una struttura che non solo unirà ricerca e pratica in modo co-creativo, ma dimostrerà anche la fattibilità di tali concetti.

Inoltre, l'ATB sta presentando domanda di ampliamento dell'istituto per integrare in modo ancora più consistente tali approcci sistemici nella sua ricerca. Con un incarico congiunto con l'Università di Osnabrück, l'ATB sta attualmente occupando una cattedra di scienza dei sistemi nella bioeconomia. Il Prof. Sturm sottolinea: "Dobbiamo pensare alle innovazioni sistemiche, tecniche, sociali ed economiche insieme. Solo se comprendiamo un sistema nel suo complesso, saremo in grado di ottimizzare i sottosistemi in modo che servano efficacemente alla sostenibilità. Con il nostro concetto, intensificheremo ulteriormente la ricerca interdisciplinare sulla bioeconomia con i decisori politici, i leader dell'industria e il settore alimentare e della nutrizione, con l'obiettivo di aumentare la resilienza del nostro sistema economico, rendere la nostra economia più sostenibile e sostenere la sovranità tecnologica della Germania e dell'Europa."