Syllabus del corso
Obiettivi
L'insegnamento si propone di fornire conoscenze e capacità in termini teorici e pratici riguardo alla potenzialità delle biomasse vegetali e degli scarti organici nel settore agricolo e industriale che possono essere impiegate come materie prime per la produzione di bioprodotti (inclusi quelli energetici)/biomateriali sostenibili mediante un approccio di economia circolare.
- Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine dell'insegnamento lo studente avrà acquisito conoscenza e capacità di comprendere (a) le fonti di origine e le caratteristiche delle diverse tipologie di biomassa in relazione al loro potenziale utilizzo nei processi di valorizzazione (3) i processi biochimici per l’estrazione e la quantificazione dei composti funzionali o dei bioprodotti (es bioinsetticidi) (4) le tecnologie di produzione di bioenergie. - Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite alla risoluzione di problemi ambientali reali - Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di elaborare quanto appreso durante le lezioni in aula, in laboratorio e in campo per scegliere il miglior approccio da utilizzare per la valorizzazione delle biomasse in un’ottica di economia circolare. - Abilità comunicative
Alla fine dell'insegnamento lo studente acquisirà oltre alla capacità di esprimersi con un linguaggio scientifico appropriato, anche la capacita di relazionarsi con gli operatori esterni del settore. - Capacità di apprendimento
Alla fine dell'insegnamento lo studente avrà le competenze necessarie per affrontare in autonomia le scelte relative alla valorizzazione sostenibile delle biomasse
Contenuti sintetici
• origine e caratterizzazione delle biomasse vegetali usate come feedstock
• potenzialità per la valorizzazione delle biomasse, in relazione ai processi tecnologici impiegati
• principali strategie per la produzione di bioenergie e bioprodotti per l’agricoltura e il risanamento ambientale; in particolare verranno approfonditi:
• metabolismi microbici coinvolti nella valorizzazione degli scarti organici (e.g. metanogenesi, fermentazioni e vie biosintetiche)
• tecnologie per la produzione di biogas, idrogeno ed energia elettrica tramite processi microbici (e.g, digestione anaerobica, celle a combustibile microbiche) da scarti organici
• tecnologie bioelettrochimiche per il power-to-gas
• produzione di sostanze ad alto valore aggiunto tramite biosintesi microbiche (biotensioattivi).
Programma esteso
Argomenti delle lezioni frontali:
• Biomasse e sostenibilità: analisi dei fattori socio-economici ed ambientali che indicano nelle biomasse un materiale da utilizzare per la produzione di bio-prodotti (incluse le bioenergie) in un’ottica di economia circolare.
• Origine e tipologie di biomassa: biomasse di scarto e biomasse dedicate a scopi specifici, loro origine diretta o indiretta dagli organismi vegetali
• Caratteristiche delle biomasse: componenti chimici di interesse (lignina, cellulosa, emicellulose, pectine, proteine, metaboliti secondari) per la produzione di composti ad alto valore aggiunto (es. composti funzionali, fungicidi, ammendanti, prodotti specifici per il biorisanamento) e per le bioenergie
• Tecniche biochimiche per estrazione, quantificazione e purificazione dei composti di interesse
• Panoramica sulle tecnologie per la produzione di bioenergie: conversione termochimica, biologica e fisica
• Definizione dei parametri essenziali da utilizzare per scegliere la tecnologia idonea alla produzione di bioenergia in funzione delle caratteristiche della biomassa disponibile
• Processi microbici di metanogenesi e acetogenesi
• Processi ed impianti per la produzione di idrogeno, biogas ed energia elettrica mediante lo sfruttamento di metabolismi microbici a partire da scarti organici
• Processi e tecnologie tradizionali ed innovative per il “power-to-gas”
• Processi e tecnologie per la biosintesi microbica di sostanza ad alto valore aggiunto a partire da biomasse di scarto
Nella parte pratica saranno effettuate attività di laboratorio e analisi dei dati finalizzate a:
• stabilire le caratteristiche di diverse tipologie di biomasse in particolare attraverso l’applicazione di metodi di estrazione e quantificazione dei diversi componenti delle biomasse, la definizione del rapporto C/N e del contenuto di umidità
• misurare il potenziale bi produzione di metano (Biochemical Methane Potential - BMP) in diversi sistemi di laboratorio con differenti biomasse, inoculi microbici e temperature e determinarne le caratteristiche delle comunità microbiche operanti
• approfondire, attraverso la lettura e le elaborazioni di articoli scientifici, gli aspetti più innovativi delle tematiche trattate nell’insegnamento
Al termine della parte teorica e pratica saranno inoltre effettuate visite didattiche ad impianti di produzione di bioenergie e di compostaggio
Prerequisiti
Concetti di base di microbiologia, botanica e chimica organica
Modalità didattica
16h (8 lezioni da 2 ore) svolte in modalità erogativa in presenza (cfu2)
40 h di esercitazione in laboratorio LiBaaS, (4 cfu) svolte in modalità interattiva in presenza;
20 h di attività sul campo (2 uscite didattiche, 2 cfu) svolte in modalità interattiva in presenza.
Materiale didattico
Articoli scientifici e diapositive fornite attraverso la piattaforma elearning
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame scritto consistente in domande aperte relative agli argomenti trattati e alle esperienze pratiche effettuate durante il corso. Al candidato è richiesto di dimostrare la capacità di affrontare e discutere criticamente i principi e le tecniche oggetto delle domande in relazione alla loro applicazione per la valorizzazione delle biomasse ed anche in relazione alla risoluzione di problematiche ambientali reali.
Durante il corso sono previste due prove in itinere scritte costituite da domande aperte. Il superamento di entrambe le prove sostituisce l'esame. È possibile sostenere un colloquio orale ad integrazione della prova scritta.
Orale a scelta dello studente.
Orario di ricevimento
Su appuntamento tramite email
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide knowledge and skills in theoretical and practical terms regarding the potential of plant biomass and organic waste in the agricultural and industrial sector that can be used as raw materials for the production of bioproducts (including energy ones) / sustainable biomaterials through a circular economy approach.
- Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have acquired knowledge and ability to understand (a) the origin and the characteristics of the different types of biomass in relation to their potential use in the valorisation processes (3) the biochemical processes for the extraction and the quantification of functional compounds or bioproducts (eg bioinsecticides) (4) bioenergy production technologies. - Ability to apply knowledge and understanding
At the end of the course the student must be able to apply the knowledge acquired to the resolution of real environmental problems - Autonomy of judgment
The students must be able to process what they have learned during classroom, laboratory and field lessons in order to choose the best approach to use for the valorisation of biomass from a circular economy perspective. - Communication skills
At the end of the course the student will acquire not only the ability to express himself with an appropriate scientific language, but also the ability to relate to external operators in the sector. - Learning ability
By the end of the course, students will have acquired the necessary skills to make informed decisions about the sustainable utilisation of biomass.
Contents
• origin and characterization of plant biomass used as feedstock
• the potential for biomass utilisation in relation to the technological processes employed.
• main strategies for the production of bioenergy and bioproducts for agriculture and environmental remediation; in particular, the following will be studied in depth:
• microbial metabolisms involved in the valorisation of organic waste (e.g. methanogenesis, fermentation and biosynthetic pathways)
• technologies for the production of biogas, hydrogen and electricity through microbial processes (eg, anaerobic digestion, microbial fuel cells) from organic waste
• bioelectrochemical technologies for power-to-gas
• production of substances with high added value through microbial biosynthesis (biosurfactants).
Detailed program
Topics of the lectures:
• Biomass and sustainability: analysis of socio-economic and environmental factors that indicate biomass as a material to be used for the production of bio-products (including bioenergy) from a circular economy perspective.
• Origin and types of biomass: waste biomass and biomass dedicated to specific purposes, their direct or indirect origin from plant organisms
• Characteristics of biomasses: chemical components of interest (lignin, cellulose, hemicelluloses, pectins, proteins, secondary metabolites) for the production of compounds with high added value (e.g. functional compounds, fungicides, soil improvers, specific products for bioremediation) and for bionergies
• Biochemical techniques for extraction, quantification and purification of compounds of interest
• Overview of technologies for bioenergy production: thermochemical, biological and physical conversion
• Definition of the essential parameters to be used to choose the suitable technology for the production of bioenergy according to the characteristics of the biomass available
• Microbial processes of methanogenesis and acetogenesis
• Processes and plants for the production of hydrogen, biogas and electricity through the exploitation of microbial metabolisms starting from organic waste
• Traditional and innovative processes and technologies for "power-to-gas"
• Processes and technologies for microbial biosynthesis of high added value substances starting from waste biomass
In the practical part, laboratory activities and data analysis will be carried out aimed at:
• establishing the characteristics of different types of biomass, in particular through the application of extraction methods and quantification of the different biomass components, the definition of the C/N ratio and the moisture content
• measuring the bi production potential of methane (Biochemical Methane Potential - BMP) in different laboratory systems with different biomasses, microbial inocula and temperatures and determine the characteristics of the microbial communities operating
• deepening, through the reading scientific articles, the most innovative aspects of the topics covered in the course
At the end of the theoretical and practical part, educational visits to bioenergy and composting plants will also be carried out.
Prerequisites
Basics of microbiology, botany and organic chemistry
Teaching form
16 h (8 2h-lessons). Delivered Didactics in presence
40 h lab activities (LiBaaS). Interactive Teaching in presence
20 h field activities (2 educational outings). Interactive Teaching in presence
Textbook and teaching resource
Scientific articles and slides provided through the e-learning platform
Semester
Second semester
Assessment method
Written exam consisting of open questions relating to the covered topics and practical experiences carried out during the course. The students are required to demonstrate the ability to deal with and critically discuss the principles and techniques object of the questions in relation to their application for the valorisation of biomasses and also in relation to the resolution of real environmental problems.
During the course there are two in-itinere written tests consisting of open questions. Passing both tests replaces the exam. The written exam could be integated with an interview.
Oral exam by choice.
Office hours
To be arranged by email
