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Le biomasse rappresentano un complesso insieme di organismi animali e vegetali presenti in un ambiente dato, fondamentale sia in ambito ecologico sia come fonte energetica rinnovabile. Storicamente il concetto fu sviluppato negli anni venti del XX secolo, con contributi fondamentali da parte di Vladimir Ivanovič Vernadskij, che già nel periodo tra il 1922 e il 1924 si interessò alla massa totale degli esseri viventi, sebbene senza utilizzare ancora la parola "biomassa" propriamente detta. L'introduzione del termine avvenne un anno più tardi grazie allo zoologo tedesco Reinhard Demoll. Il termine è stato ripreso nel 1931 dall'oceanografo Lev Aleksandrovich Zenkevich, il quale influenzò la prima pubblicazione scientifica in cui compare per la prima volta nel titolo la parola biomassa, opera del biologo acquatico Veniamin Grigor'evič Bogorov nel 1934[1].
La definizione ecologica classica si riferisce alla massa a secco di tutti gli individui appartenenti a una popolazione o comunità biologica in una determinata area. Tale definizione ha permesso di quantificare la biomassa non solo come massa totale ma anche come massa secca, parametro utilizzato per valutazioni più precise dal punto di vista energetico ed ecologico, come dimostrato dallo studio di Bogorov che misurò la biomassa dei copepodi dopo averli asciugati con cloruro di calcio[1].
Nel settore delle energie rinnovabili la biomassa è riconosciuta come frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti da agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), silvicoltura, pesca, acquacoltura e industrie correlate, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. La combustione della biomassa rilascia nell’atmosfera quantità di anidride carbonica equivalenti a quelle assorbite durante la crescita delle piante stesse, caratterizzando così un bilancio neutro dal punto di vista del ciclo del carbonio, almeno nella condizione ideale che le foreste rimboschite sostituiscano quelle abbattute[1].
Tuttavia, l’impiego delle biomasse presenta diverse criticità pratiche:
* Per necessità economiche di funzionamento è una forma opposta a politiche di minimizzazione della produzione dei rifiuti;
* Richiede vaste superfici coltivabili per compensare la bassa densità energetica della biomassa;
* Necessita l'utilizzo di fertilizzanti;
* Presenta problemi logistici legati alla fornitura della risorsa;
* È soggetta a problemi di condizioni ambientali/meteo e a una produzione annua non costante;
* Se le tecniche di coltivazione sono monocolturali, questo riduce la biodiversità, aumenta l'erosione del suolo e il rischio di insicurezza alimentare.
Questi svantaggi incidono sull’efficienza economica e ambientale complessiva delle tecnologie basate sulle biomasse.
La biomassa è composta principalmente da organismi vivi o morti e da una varietà di composti diversi. I composti quantitativamente più importanti dal punto di vista energetico sono carboidrati (monosaccaridi come glucosio e fruttosio, disaccaridi quali saccarosio e polisaccaridi come amido e cellulosa), grassi e proteine[1].
La fotosintesi clorofilliana converte l’energia solare in energia chimica attraverso la sintesi di glucosio dalla reazione:
\[
\text{Acqua} + \text{anidride carbonica} + \text{luce} \rightarrow \text{glucosio} + \text{ossigeno}
\]
L’efficienza globale dipende dall’intercettazione della radiazione solare e dal percorso biochimico seguito dalle piante (tipicamente C3 o C4).
Le tecnologie tradizionali che impiegano la combustione diretta sono affiancate da processi più sofisticati quali pirolisi e pirogassificazione. La pirolisi consiste nella decomposizione termica non ossidativa della biomassa a temperature comprese tra i \(400\) e gli \(800^\circ\mathrm{C}\), applicabile a materiali con contenuto d’acqua inferiore al \(15\%\)[2]. Attraverso questa tecnica si ottengono prodotti variabili: bio-olio (frazione liquida), syngas (gas combustibile) e residuo carbonioso. Il bio-olio può essere usato come combustibile ma richiede un trattamento specifico per migliorare stabilità, viscosità e acidità.
La pirogassificazione trasforma la biomassa in syngas tramite una combustione sottostechiometrica mediata da agenti gassificanti come aria, vapore o ossigeno. Le reazioni chiave includono:
\[
\mathrm{C} + \mathrm{CO}_2 + \text{calore} \rightarrow 2\,\mathrm{CO}
\]
\[
\mathrm{CO} + \mathrm{H}_2\mathrm{O} + \text{calore} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + \mathrm{H}_2
\]
Altre reazioni secondarie coinvolgono ossidazioni parziali, reforming del carbone e metanazione:
\[
\mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2
\]
\[
\mathrm{C} + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}
\]
\[
\mathrm{C} + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO} + \mathrm{H}_2
\]
\[
\mathrm{C} + 2\,\mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{CH}_4
\]
Temperature ideali per ottenere cracking completo del tar si avvicinano ai \(1200^\circ\mathrm{C}\), ma limiti tecnologici impongono l’uso di catalizzatori per lavorare efficacemente nell’intervallo \(800 - 900^\circ\mathrm{C}\)[2].
Il syngas risultante contiene monossido di carbonio, idrogeno, metano, anidride carbonica e azoto con un potere calorifico inferiore compreso tra \(4\,\mathrm{MJ/Nm^3}\) e \(6\,\mathrm{MJ/Nm^3}\). La sua composizione determina l’applicabilità in caldaie tradizionali o in motori endotermici per cogenerazione[2].
Un’importante frontiera nella chimica delle biomasse riguarda la loro trasformazione in composti chimici ad alto valore aggiunto tramite processi sostenibili. L’idrolisi produce zuccheri fermentabili che possono essere convertiti in materiali utili nell’industria tessile, polimerica, dei solventi, cementi, vernici e packaging[3].
Uno studio recente dimostra che nanocatalizzatori plasmonici costituiti da nanocubi di nitruro di titanio (TiN) ricoperti da nanoparticelle bimetalliche di rutenio (Ru) e platino (Pt) permettono ossidazioni selettive dell’ossigeno molecolare senza ricorrere a elevate temperature o basi forti. Questo sistema sfrutta l’assorbimento della luce nel vicino infrarosso (NIR) generando elettroni altamente energetici (“hot electrons”) capaci di attivare l’ossigeno tramite un complesso metallo–ossigeno “caricato” più reattivo rispetto ai radicali liberi tradizionali[3].
Il catalizzatore TiN–RuPt raggiunge una conversione completa (\(\approx 100\%\)) del 5-idrossimetilfurfurale (HMF), derivato dagli zuccheri della biomassa, con una selettività altrettanto vicina al \(100\%\) verso acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA). Quest'ultimo è un precursore fondamentale per bioplastiche alternative al PET fossile. Il processo avviene a pressione atmosferica di ossigeno usando solo energia luminosa senza condizioni estreme tipiche dei catalizzatori convenzionali che richiedono temperature superiori ai \(100^\circ\mathrm{C}\)[3].
A livello mondiale le biomasse contribuiscono al fabbisogno energetico primario per circa il \(9\%\), pari a circa \(55 milioni\,\mathrm{TJ/anno}\). Nei paesi in via di sviluppo tale quota sale al \(38\%\), sottolineando l’importanza strategica locale delle fonti biologiche anche in termini socioeconomici[1].
I biocarburanti derivati dalla fermentazione degli zuccheri vegetali (es. canna da zucchero, barbabietola, mais) producono etanolo utilizzabile nei motori endotermici; dalle biomasse oleaginose (quali colza e soia) si ottiene biodiesel tramite spremitura e transesterificazione. Tecnologie più avanzate consentono inoltre la produzione di BTL (Biomass to Liquid) partendo da scarti organici o colture dedicate[1].
L’efficienza netta dei biocarburanti deve essere valutata considerando l’EROEI (rapporto energia ottenuta/energia consumata); valori critici possono compromettere la sostenibilità tecnica ed economica.
L’integrazione tra processi termochimici consolidati come pirolisi/pirogassificazione e innovazioni chimiche basate su nanomateriali plasmonici apre nuove prospettive nelle trasformazioni sostenibili della biomassa. La capacità di produrre composti ad alto valore aggiunto senza condizioni estreme rappresenta un passo significativo verso una valorizzazione integrata delle risorse biologiche.
Il superamento delle limitazioni legate alla variabilità della materia prima, all’efficienza dei processi termochimici tradizionali ed alle condizioni operative gravose costituisce oggi una priorità per ampliare l’impiego industriale su scala commerciale delle tecnologie basate sulle biomasse.
English: Understanding the Chemistry Behind Biomasses and Their Uses
Español: Química de las biomasas: oportunidades y aplicaciones
Deutsch: Chemie der Biomasse: Grundlagen und Anwendungen
Français: Comprendre la chimie des biomasses pour un avenir durable
Русский: Химия биомассы и её применение в экологии
Română: Chimica a biomasei: soluții sustenabile pentru viitor
Português: Química da biomassa: conceitos e aplicações práticas
Hrvatski: Kemija biomase: Istraživanje i primjena u industriji
Sto generando il riassunto…