Possibili semplificazioni dei metodi di analisi dei materiali lignocellulosici nella loro applicazione ai tralci di potatura.

The production of ethanol from renewable sources, not in competition with the agri-food supply chains is a regulatory requirement that has led all the main producers to meet the market needs by resorting to the bio-refining of lignocellulosic materials. The latter has been practiced since World War II, but some obstacles, including the complexity of the lignocellulosic materials, still make current technologies unsatisfactory, both for energy expenditure and for yield. Over the past decade, research has been engaged in the development of new ways of bio-fractionation of lignocellulose into more environmental-friendly cellulose, hemicellulose and lignin. Thanks to the new solvents, including invertible solvents and eutectic solvents, it seems to be the possibility to carry out fractionation in a less energy-intensive and equally (or more) efficient way compared to the established methods. The experimentation, to date, refers to complex and long-running analysis protocols. To fully explore the possibilities of the innovative technologies given by the new solvents, which require a great deal of experimental work of optimization, it is required to carry out a lot of experimentation and to have protocols that allow to have exploratory results through a few phases, conditions of execution as moderate as possible, temperatures as low as possible, simple equipment and rapid times, with samples of small or very small consistency. The wine sector is an example of virtuosity from the field to the cellar and offers a lignocellulosic raw material with relatively guaranteed flows and without competition with the food chain: winter pruning shoots. This thesis aims to examine the analysis protocols of lignocellulosic materials that allow to know the quantitative constitution in the three main fractions and to explore the possibilities of simplification that facilitate a small laboratory to carry out effective research on the potential for bio-fractionation of the shoots. of pruning with the use of the new solvents mentioned above. The analysis of the constitution of lignocellulosic materials aimed at the production of fuels and other materials refers to the protocol developed and elaborated in several successive versions by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) of the US Department of Energy (DOE). It takes into account the fact that the materials may have a herbaceous or woody structure, and that they can present significant variations in composition and structure that the analysis protocol must consider appropriately to avoid incurring gross errors. In particular, the protocol requires a prior estimate of the extractives, non-structural components that can be extracted from solvents (such as fats, waxes, proteins, terpenes, gums, resins, simple sugars, starches, phenolics, essential oils, pectins, mucilages, glycosides and saponins, fatty acids, sterols and flavonoids), a phase of complete hydrolysis of structural carbohydrates and a phase of lignin analysis (soluble and insoluble in acid). From the examination of this protocol and the literature, a simplified version of the same is proposed to create a suitable method to measuring the performance of bio-fractionation carried out on a very small scale on pruning shoots. This protocol will have to be experimentally validated, an aspect that is not contemplated in this thesis.

La produzione di etanolo da fonti rinnovabili e non in competizione con le filiere agroalimentari è un requisito normativo che ha portato tutti i principali produttori ad attrezzarsi così da soddisfare le esigenze del mercato facendo ricorso alla bio-raffinazione dei materiali lignocellulosici. Quest’ultima viene praticata dalla II guerra mondiale, ma alcuni ostacoli, tra cui la complessità dei materiali lignocellulosici, rendono ancora insoddisfacenti, sia per il dispendio energetico sia per la resa, le tecnologie attuali. Nello scorso decennio la ricerca si è impegnata nello sviluppo di nuove modalità di bio-frazionamento della lignocellulosa in cellulosa, emicellulose e lignina più ecocompatibili. Grazie ai nuovi solventi, tra cui solventi invertibili e solventi eutettici, sembrano esservi delle possibilità di effettuare il frazionamento in modo meno energivoro ed altrettanto (o più) performante rispetto alle modalità consolidate. La sperimentazione, ad oggi, si rifà a protocolli di analisi complessi e di lunga esecuzione. Per esplorare in pieno le possibilità delle tecnologie innovative date dai nuovi solventi, che richiedono un grande lavoro sperimentale di ottimizzazione, si richiede di svolgere molta sperimentazione e di disporre di protocolli che consentano di avere dei risultati esplorativi mediante poche fasi, condizioni di esecuzione il più possibile moderate, temperature le più basse possibili, apparecchiature semplici, e tempi rapidi, con campioni di piccola o piccolissima consistenza. Il settore vitivinicolo è un esempio di virtuosità dal campo alla cantina e offre una materia prima lignocellulosica con flussi relativamente garantiti e senza competizione con la filiera alimentare: i tralci di potatura invernale. Questa tesi ha l’obiettivo di esaminare i protocolli di analisi dei materiali lignocellulosici che permettono di conoscere la costituzione quantitativa nelle tre frazioni principali e di esplorare le possibilità di semplificazione che agevolano un piccolo laboratorio di svolgere una ricerca efficace sulle potenzialità di bio frazionamento dei tralci di potatura con il ricorso ai nuovi solventi poc'anzi menzionati. L’analisi della costituzione dei materiali lignocellulosici finalizzata alla produzione di carburanti ed altri materiali fa riferimento al protocollo sviluppato ed elaborato in più versioni successive dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Department of Energy (DOE) degli Stati Uniti. Esso tiene conto del fatto che i materiali possano avere struttura erbacea o legnosa, e con questo presentare significative variazioni di composizione e struttura che il protocollo di analisi deve considerare in modo appropriato per evitare di incorrere in errori grossolani. In particolare, il protocollo richiede una preventiva stima degli estrattivi, componenti non strutturali che possono essere estratti da solventi (come grassi, cere, proteine, terpeni, gomme, resine, zuccheri semplici, amidi, fenolici, oli essenziali, pectine, mucillagini, glicosidi e saponine, acidi grassi, steroli e flavonoidi), una fase di idrolisi completa dei carboidrati strutturali ed una fase di analisi della lignina (solubile ed insolubile in acido). Dall’esame di tale protocollo e della letteratura si propone una versione semplificata dello stesso, consolidato per crearne uno idoneo a misurare le prestazioni di bio-frazionamento svolte in piccolissima scala su tralci di potatura. Questo protocollo dovrà essere avvalorato sperimentalmente, un aspetto che non è contemplato in questa tesi.