Integrated Solar-Assisted Pretreatment, Natural Buffering, and Wood Ash Alkaline Processing for Sustainable Bioethanol Production from Banana Peel and Onion Peel

Il mondo è alla ricerca di modi per alimentare se stesso senza bruciare i resti antichi e sepolti delle piante che chiamiamo combustibili fossili. Un percorso promettente prevede la trasformazione delle parti dure e fibrose delle piante — come i gambi del mais o le bucce della frutta — in combustibile liquido. Questo processo è complicato perché le cellule vegetali sono costruite come castelli fortificati, con pareti fatte di fibre resistenti che sono difficili da rompere. Per estrarre gli zuccheri intrappolati all'interno di queste pareti, gli scienziati devono prima ammorbidire la struttura, un passaggio noto come pretrattamento. Tradizionalmente, ciò ha richiesto grandi quantità di acqua calda, sostanze chimiche costose e un'energia significativa, rendendo il combustibile finale costoso da produrre. I ricercatori si stanno ponendo una domanda semplice ma profonda: possiamo usare gli scarti del processo agricolo stesso, insieme all'energia gratuita del sole, per svolgere il lavoro pesante?

In uno studio recente, un team di scienziati in Sri Lanka ha esplorato questa possibilità trasformando due comuni scarti da cucina — bucce di banana e bucce di cipolla — in bioetanolo, un tipo di alcol utilizzato come combustibile. Invece di acquistare sostanze chimiche costose per scomporre le bucce di banana, hanno utilizzato una soluzione composta da cenere di legno, il residuo lasciato dopo la combustione del legno. Per ammorbidire le bucce prima del trattamento chimico, non hanno usato riscaldatori elettrici; invece, hanno posto la miscela in vassoi neri sotto il sole, lasciando che il calore solare facesse il lavoro. Per la fase successiva, in cui le fibre dure vengono convertite in zucchero, hanno evitato tamponi sintetici e regolazioni acide utilizzando un estratto fatto dalle bucce di cipolla, che contiene naturalmente il giusto equilibrio di acidi per guidare il processo. I ricercatori hanno combinato questi materiali derivati dagli scarti con un tipo specifico di lievito per fermentare gli zuccheri in alcol, creando un sistema che si basa quasi interamente su risorse trovate nella fattoria o in cucina.

Il team ha iniziato raccogliendo bucce di banana mature e bucce di cipolla dai mercati locali, lavandole e asciugandole al sole finché non sono diventate fragili. Hanno macinato questo materiale essiccato in una polvere fine. Il primo grande passaggio consisteva nel trattare le bucce di banana con acqua calda per rimuovere una sostanza appiccicosa chiamata pectina, che agisce come una colla che tiene insieme le fibre vegetali. Per riscaldare l'acqua, hanno riempito i vassoi neri con la miscela e li hanno lasciati alla luce diretta del sole per tre ore. I vassoi scuri hanno assorbito i raggi solari, riscaldando il liquido a una temperatura compresa tra sessantacinque e settanta gradi Celsius senza usare elettricità. Questo riscaldamento solare ha ammorbidito con successo la struttura vegetale, rendendo più facile accedere agli zuccheri all'interno.

Successivamente, i ricercatori avevano bisogno di scomporre gli strati esterni duri della pianta, noti come lignina, per liberare le fibre di cellulosa. In una fabbrica standard, questo passaggio comporterebbe l'aggiunta di forti sostanze chimiche acquistate, come l'idrossido di sodio, sulla biomassa. Qui, il team ha utilizzato un liquido ottenuto immergendo la cenere di legno in acqua. La cenere di legno è ricca di potassio e carbonato, che creano una soluzione alcalina naturalmente forte. Hanno mescolato questo liquido di cenere di legno con le bucce di banana riscaldate dal sole e hanno riposto i vassoi nuovamente al sole per quattro ore. Il calore del sole ha aiutato la soluzione di cenere di legno a penetrare nelle fibre vegetali, interrompendo la struttura dura e preparando la miscela per la fase successiva. Fondamentalmente, il team non ha lavato le bucce dopo questo trattamento. Nei metodi convenzionali, il lavaggio è necessario per rimuovere le sostanze chimiche aggressive, ma questo processo laverebbe via zuccheri e minerali preziosi. Saltando il lavaggio, hanno mantenuto i nutrienti benefici, come il potassio, che sono essenziali affinché il lievito possa prosperare in seguito.

Con le bucce di banana ammorbidite e le bucce di cipolla preparate, i ricercatori si sono rivolti alle bucce di cipolla per gestire l'acidità della miscela. Dopo il trattamento con cenere di legno, la miscela era troppo alcalina per gli enzimi necessari a convertire le fibre in zucchero. Invece di aggiungere un acido forte come l'acido solforico per abbassare il pH, hanno aggiunto un estratto fatto dalle bucce di cipolla. Questo estratto conteneva acidi organici naturali che hanno riportato delicatamente la miscela a un livello neutro adatto agli enzimi. L'estratto di cipolla ha anche agito come un tampone, aiutando a mantenere stabile il pH durante il processo, e ha fornito ulteriori nutrienti di cui il lievito avrebbe avuto bisogno.

La fase finale ha comportato un processo di fermentazione in due fasi. Per prima cosa, il team ha aggiunto un enzima chiamato cellulasi alla miscela per scomporre le fibre vegetali in zuccheri semplici. Questo passaggio, noto come pre-saccarificazione, è avvenuto a cinquanta gradi Celsius per dodici ore. Una volta rilasciati gli zuccheri, la miscela è stata raffreddata e il lievito è stato aggiunto per "mangiare" gli zuccheri e produrre alcol. Questa fermentazione è avvenuta simultaneamente alla conversione dello zucchero rimanente, un metodo che accelera la produzione. Il team ha regolato attentamente la quantità di lievito, la velocità di agitazione e la temperatura per trovare le condizioni perfette. Hanno scoperto che agitare la miscela a centocinquanta rotazioni al minuto e mantenere la temperatura a trentadue gradi Celsius offriva i migliori risultati.

I risultati di questo approccio integrato sono stati impressionanti. Combinando il riscaldamento solare, la cenere di legno e l'estratto di buccia di cipolla, i ricercatori hanno aumentato la quantità di zucchero che potevano estrarre dalle bucce di banana di quasi il duecento per cento rispetto alle bucce non trattate. Sotto le condizioni ottimizzate, hanno prodotto una concentrazione finale di etanolo di quarantuno virgola cinque grammi per litro. Questa è una resa superiore a molti studi precedenti che utilizzavano sostanze chimiche più costose e metodi ad alto consumo energetico. Il team ha anche controllato la qualità del combustibile finale. Hanno scoperto che l'alcol era molto puro, con livelli estremamente bassi di metanolo, un sottoprodotto tossico spesso presente nella fermentazione, e quantità trascurabili di metalli pesanti come piombo e cadmio. L'analisi spettroscopica ha confermato che il componente principale era effettivamente l'etanolo, con pochissime impurità indesiderate.

Questo studio dimostra che i rifiuti agricoli possono servire a un duplice scopo: possono essere la materia prima per il combustibile e possono anche fornire gli strumenti necessari per processare tale combustibile. Utilizzando la cenere di legno al posto degli alcali commerciali, le bucce di cipolla al posto dei tamponi sintetici e il sole al posto dei riscaldatori elettrici, i ricercatori hanno creato un sistema che utilizza molta meno acqua, energia e denaro. Hanno dimostrato che è possibile saltare la fase di lavaggio che solitamente spreca acqua e zucchero, e che i minerali lasciati dietro nelle bucce aiutano effettivamente il lievito a lavorare meglio. Sebbene questo lavoro sia stato condotto su piccola scala di laboratorio, offre un modello pratico per un modo più sostenibile di produrre biocarburante. Suggerisce che il futuro dell'energia rinnovabile potrebbe non dipendere da complessi macchinari industriali, ma dall'uso intelligente ed efficiente delle risorse che già possediamo.