Optimization of bioenergy solutions at different farm scales

RAF is a bio-energetic descriptive model integrates with MAD model to support Integrated Farm Management. RAF model aimed to enhancing economical, social and environmental sustainability of farm production in terms of energy via convert energy crops and animal manure to biogas and digestate (bio-fertilizers) by anaerobic digestion technologies, growing and breeding practices. The user defines farm structure in terms of present crops, livestock and market prices and RAF model investigates the possibilities of establish on-farm biogas system (different anaerobic digestion technologies proposed for different scales of farms in terms of energy requirements) according to budget and sustainability constraints to reduce the dependence on fossil fuels. The objective function of RAF (Z) is optimizing the total net income of farm (maximizing income and minimizing costs) for whole period which is considered by the analysis. The main results of this study refers to the possibility of enhancing the exploitation of the available Italian potentials of biogas production from on-farm production of energy crops and livestock manure feedstock by using the developed mathematical model RAF integrates with MAD to presents reliable reconcile between farm size, farm structure and on-farm biogas systems technologies applied to support selection, applying and operating of appropriate biogas technology at any farm under Italian conditions.

Aspetti di sostenibilità in agricoltura a diverse scale spaziali e temporali. Valutazioni ambientali, economiche ed energetiche.

La Tesi analizza le relazioni tra i processi di sviluppo agricolo e l’uso delle risorse naturali, in particolare di quelle energetiche, a livello internazionale (paesi in via di sviluppo e sviluppati), nazionale (Italia), regionale (Emilia Romagna) e aziendale, con lo scopo di valutare l’eco-efficienza dei processi di sviluppo agricolo, la sua evoluzione nel tempo e le principali dinamiche in relazione anche ai problemi di dipendenza dalle risorse fossili, della sicurezza alimentare, della sostituzione tra superfici agricole dedicate all’alimentazione umana ed animale. Per i due casi studio a livello macroeconomico è stata adottata la metodologia denominata “SUMMA” SUstainability Multi-method, multi-scale Assessment (Ulgiati et al., 2006), che integra una serie di categorie d’impatto dell’analisi del ciclo di vita, LCA, valutazioni costi-benefici e la prospettiva di analisi globale della contabilità emergetica. L’analisi su larga scala è stata ulteriormente arricchita da un caso studio sulla scala locale, di una fattoria produttrice di latte e di energia elettrica rinnovabile (fotovoltaico e biogas). Lo studio condotto mediante LCA e valutazione contingente ha valutato gli effetti ambientali, economici e sociali di scenari di riduzione della dipendenza dalle fonti fossili. I casi studio a livello macroeconomico dimostrano che, nonostante le politiche di supporto all’aumento di efficienza e a forme di produzione “verdi”, l’agricoltura a livello globale continua ad evolvere con un aumento della sua dipendenza dalle fonti energetiche fossili. I primi effetti delle politiche agricole comunitarie verso una maggiore sostenibilità sembrano tuttavia intravedersi per i Paesi Europei. Nel complesso la energy footprint si mantiene alta poiché la meccanizzazione continua dei processi agricoli deve necessariamente attingere da fonti energetiche sostitutive al lavoro umano. Le terre agricole diminuiscono nei paesi europei analizzati e in Italia aumentando i rischi d’insicurezza alimentare giacché la popolazione nazionale sta invece aumentando.

Fish quality assessment through the application of chemico-physical, sensory and microbiological analyses

The quality of fish products is indispensably linked to the freshness of the raw material modulated by appropriate manipulation and storage conditions, specially the storage temperature after catch. The purpose of the research presented in this thesis, which was largely conducted in the context of a research project funded by Italian Ministry of Agricultural, Food and Forestry Policies (MIPAAF), concerned the evaluation of the freshness of farmed and wild fish species, in relation to different storage conditions, under ice (0°C) or at refrigeration temperature (4°C). Several specimens of different species, bogue (Boops boops), red mullet (Mullus barbatus), sea bream (Sparus aurata) and sea bass (Dicentrarchus labrax), during storage, under the different temperature conditions adopted, have been examined. The assessed control parameters were physical (texture, through the use of a dynamometer; visual quality using a computer vision system (CVS)), chemical (through footprint metabolomics 1H-NMR) and sensory (Quality Index Method (QIM). Microbiological determinations were also carried out on the species of hake (Merluccius merluccius). In general obtained results confirmed that the temperature of manipulation/conservation is a key factor in maintaining fish freshness. NMR spectroscopy showed to be able to quantify and evaluate the kinetics for unselected compounds during fish degradation, even a posteriori. This can be suitable for the development of new parameters related to quality and freshness. The development of physical methods, particularly the image analysis performed by computer vision system (CVS), for the evaluation of fish degradation, is very promising. Among CVS parameters, skin colour, presence and distribution of gill mucus, and eye shape modification evidenced a high sensibility for the estimation of fish quality loss, as a function of the adopted storage conditions. Particularly the eye concavity index detected on fish eye showed a high positive correlation with total QIM score.

Il patrimonio culturale per la dinamizzazione dell'economia territoriale: Il riconoscimento dell'indicazione geografica "Vale do Paraiba Fluminense" ad un caffè con identità culturale

Le Indicazioni Geografiche (IG) giocano un ruolo importante nella crescita economica e nello sviluppo territoriale rurale quando una determinata qualità di prodotto, reputazione o altra caratteristica del prodotto siano attribuibili essenzialmente alla sua origine geografica. In questa ricerca si è verificato la possibilità di valorizzare la regione del Brasile denominata Vale do Paraiba Fluminense, soprannominata “Vale do Café” e di mettere in luce le potenzialità del caffè come prodotto di qualità, sostenibile sotto il profilo ambientale e sociale: un vero e proprio patrimonio culturale che può rivelarsi una valida risorsa economica per il territorio. Nella prima fase dell'indagine è stata realizzata la ricerca a tavolino e sul campo fondata sulle fonti bibliografiche; nella seconda fase è stata applicata la Metodologia Partecipativa della FAO per identificare il collegamento dell’area di origine e del prodotto locale ed il suo potenziale di sviluppo con le risorse locali attraverso questionari on line. Nell’analisi qualitativa sono stati intervistati rappresentanti delle differenti categorie di stakeholder per arricchire il quadro sul contesto storico della regione. Infine, nella parte quantitativa sono stati applicati dei questionari ai consumatori di caffè del territorio. A conclusione della ricerca il territorio potrebbe reintrodurre un caffè storico, simbolo della ricchezza e decadenza di quella regione come elemento di potenziale economico locale, sfruttando la parte immateriale delle aziende agricole storiche, rilocalizzando il prodotto nella memoria locale, riavvicinando la popolazione alla sua storia e principalmente sensibilizzandola del valore del nome geografico “Vale do Paraiba Fluminense” o “Vale do Café” relazionata alla storia della regione, e del prodotto caffè che si propone rilanciare a favore del territorio, rilocalizzando il nome geografico.

Terra e Sviluppo: impatti di genere delle acquisizioni di terra su larga scala in Africa

Secondo il Report IFAD sulla povertà rurale, nel 2008, circa due terzi della popolazione africana viveva nelle aree rurali ed era in qualche modo coinvolta in attività agricole commerciali o di sussistenza (IFAD, 2011). L’agricoltura rappresenta il più importante settore economico per la popolazione africana e le donne risultano cruciali per la produzione agricola: rappresentano infatti il 62,8 per cento della forza lavoro (FAO, 2014). Dopo la crisi alimentare del 2007-2008 si è andato intensificando il fenomeno delle acquisizione di terre su larga scala in paesi del Sud del mondo, in particolare nel continente africano, da parte di multinazionali, governi, aziende nazionali e singoli soggetti privati. Questo processo è stato denominato anche land grabbing dalle principali organizzazioni internazionali e della società civile e ha avuto grande impatto mediatico a livello internazionale. L'intensificarsi del fenomeno ha portato a una progressiva perdita di controllo e accesso ad ampie porzioni di territorio da parte delle comunità locali, che non possono più disporre delle risorse naturali collegate alla terra. La cessione di ampi terreni avviene in molti casi senza trasparenza informativa, con violazione dei diritti umani e senza il consenso delle comunità che vi abitano e che coltivano tali aree, e a cui viene imposto un cambio radicale di vita. La terra è una risorsa centrale per l'identità, il sostentamento e la sicurezza alimentare di una comunità, dunque le conseguenze sono molteplici a livello sociale, culturale, economico e politico. Gli impatti sulle relazioni di genere e in particolare sulle donne delle comunità rurali risultano essere cruciali nel discorso sullo sviluppo. L’obiettivo di questo lavoro è indagare come le relazioni di genere, a seguito delle trasformazioni nella gestione della terra, si modificano amplificando squilibri già esistenti e creando conseguenze sulle logiche di potere delle comunità rurali e sulle vite delle persone che ne fanno parte.

A robotic platform for precision agriculture and applications

Agricultural techniques have been improved over the centuries to match with the growing demand of an increase in global population. Farming applications are facing new challenges to satisfy global needs and the recent technology advancements in terms of robotic platforms can be exploited. As the orchard management is one of the most challenging applications because of its tree structure and the required interaction with the environment, it was targeted also by the University of Bologna research group to provide a customized solution addressing new concept for agricultural vehicles. The result of this research has blossomed into a new lightweight tracked vehicle capable of performing autonomous navigation both in the open-filed scenario and while travelling inside orchards for what has been called in-row navigation. The mechanical design concept, together with customized software implementation has been detailed to highlight the strengths of the platform and some further improvements envisioned to improve the overall performances. Static stability testing has proved that the vehicle can withstand steep slopes scenarios. Some improvements have also been investigated to refine the estimation of the slippage that occurs during turning maneuvers and that is typical of skid-steering tracked vehicles. The software architecture has been implemented using the Robot Operating System (ROS) framework, so to exploit community available packages related to common and basic functions, such as sensor interfaces, while allowing dedicated custom implementation of the navigation algorithm developed. Real-world testing inside the university’s experimental orchards have proven the robustness and stability of the solution with more than 800 hours of fieldwork. The vehicle has also enabled a wide range of autonomous tasks such as spraying, mowing, and on-the-field data collection capabilities. The latter can be exploited to automatically estimate relevant orchard properties such as fruit counting and sizing, canopy properties estimation, and autonomous fruit harvesting with post-harvesting estimations.

Sustainable pavements for rural scenarios: laboratory and in-situ characterization of recycled materials and innovative construction solutions

Growing need for infrastructure has led to expanding research on advances in road pavement materials. Finding solutions that are sustainable, environmentally friendly and cost-efficient is a priority. Focusing such efforts on low-traffic and rural roads can contribute with a significant progress in the vital circulatory system of transport for rural and agricultural areas. An important alternative material for pavement construction is recycled aggregates from solid wastes, including waste from civil engineering activities, mainly construction and demolition. A literature review on studies is made; it is performed a planned set of laboratory testing procedures aimed to fully characterize and assess the potential in-situ mechanical performance and chemical impact. Furthermore, monitoring the full-scale response of the selected materials in a real field construction site, including the production, laying and compaction operations. Moreover, a novel single-phase solution for the construction of semi-flexible paving layers to be used as alternative material to common concrete and bituminous layers is experimented and introduced, aiming the production and laying of a single-phase laid material instead of a traditional two phases grouted macadam. Finally, on a parallel research work for farming pavements, the possible use of common geotechnical anti-erosive products for the improvement of soil bearing capacity of paddock areas in cattle husbandries of bio-farms is evaluated. this thesis has clearly demonstrated the feasibility of using the sustainable recycled aggregates for low-traffic rural roads and the pavements of farming and agriculture areas. The pavement layers constructed with recycled aggregates provided satisfying performance under heavy traffic conditions in experimental pavements. This, together with the fact that these aggregates can be available in most areas and in large quantities, provides great impetus towards shifting from traditional materials to more sustainable alternatives. The chemical and environmental stability of these materials proves their soundness to be utilized in farming environments.