Castor-oil plant as an innovative raw material for an energy supply chain in semi-arid environments [Il ricino come materia prima innovativa per una filiera energetica in ambienti semiaridi]

Castor (Ricinus communis L.) is a promising candidate for developing an innovative energy supply chain in semi-arid environments, addressing global challenges such as achieving net-zero emissions, advancing the green revolution, and meeting the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs). This thesis explores the bioenergy potential of castor cultivation within a circular bioeconomy framework, demonstrating the versatility of the plant in a biorefinery context, investigating how all parts of the plant can be utilized (i.e. castor as a biodiesel feedstock and agricultural residues to produce biomethane and bioethanol). A key advantage of castor is its adaptability to Mediterranean climates and marginal lands unsuitable for food crops, mitigating land-use competition. The first chapter provides an overview of biofuels, focusing on lignocellulosic biomass. The second chapter is comprehensive review of castor and its potential as a bioenergetic culture. The third chapter is an experimental study which evaluates the biochemical methane potential (BMP) of castor cultivation residues processed at different particle sizes. The fourth chapter examines the impact of biological pretreatment on the theoretical biomethane potential (BMP) of castor capsule shells. The fifth chapter shows the adaptability of castor in the Mediterranean basin and the effects of fertilization with phosphorus and nitrogen on seed yield and oil content. Lastly, the sixth chapter shows the potential of cultivating castor as an oil plant to produce biodiesel, for the remediation of marginal lands polluted by heavy metals (cadmium and lead). Overall, this work underscores the potential of castor as a sustainable resource for renewable energy production in semi-arid regions, contributing to a circular economy and supporting global sustainability objectives.

Il ricino (Ricinus communis L.) è una pianta promettente per lo sviluppo di una filiera energetica innovativa in ambiente semi-arido che permetta di affrontare diverse sfide globali come il raggiungimento dell’obiettivo zero emissioni, l'avanzamento della rivoluzione verde e il raggiungimento degli Obiettivi di sviluppo sostenibile (SDGs) delle Nazioni Unite. Questa tesi valuta il potenziale energetico della coltivazione del ricino in un’ottica di bioeconomia, mettendo in evidenza la versatilità della pianta in un contesto di bioraffineria. In quest’ottica tutte le frazioni della pianta possono essere utilizzate, ad esempio l’olio per la produzione di biodiesel ed i residui per la produzione di biometano e bioetanolo. Una caratteristica importante del ricino è la sua adattabilità ai climi mediterranei e ai terreni marginali inadatti alle colture alimentari, mitigando la competizione per l'uso del suolo. Il primo capitolo fornisce una panoramica dei biocarburanti, concentrandosi sulla biomassa lignocellulosica. Il secondo capitolo è una review del ricino e del suo potenziale come coltura energetica. Il terzo capitolo è uno studio sperimentale che valuta il potenziale metanigeno dei residui di coltivazione del ricino pretrattati a diverse granulometrie. Il quarto capitolo esamina l'impatto del pretrattamento biologico sul potenziale teorico del biometano ottenibile dalle capsule del ricino. Il quinto capitolo mostra l'adattabilità del ricino nel bacino del Mediterraneo in relazione a differenti concimazioni con fosforo e azoto evidenziandone gli effetti sulla resa in semi e sul contenuto in olio. Infine, il sesto capitolo mostra il potenziale della coltivazione del ricino per la produzione di biodiesel ed il potenziale fitorisanamento di terreni marginali inquinati da metalli pesanti (cadmio e piombo). Nel complesso, questo lavoro evidenzia il potenziale del ricino come risorsa sostenibile per la produzione di energia in aree semi-aride, contribuendo ad un'economia circolare e supportando gli obiettivi di sostenibilità globale.