BIOETANOLO

La biomassa trova impiego nella produzione dei biocarburanti. Sotto il nome di biocarburanti o biocombustibili rientrano i combustibili derivanti dalla lavorazione di sostanze organiche.

Bioetanolo: derivante dalla fermentazione di prodotti agricoli ricchi di zuccheri. Può sostituire la benzina nelle macchine funzionanti a ciclo Otto.

Può essere utilizzato

• direttamente come componente per benzine (attualmente viene miscelato con la benzina tradizionale fino ad una quantità pari al 30% in volume, senza che il motore abbia bisogno di particolari accorgimenti tecnici)

CH3

CH3 OCH3

CH3

CH3

CH3 OC2H5

CH3

•per la preparazione dell'ETBE (etil-terbutiletere), un derivato alto-ottanico alternativo all'MTBE (metil-terbutiletere), quindi con migliori caratteristiche antidetonanti.

ETBE MTBE

Le materie prime per la produzione di bioetanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi:

• Coltivazioni ad hoc (mais, sorgo, orzo, bietola, e canna da zucchero);

• Residui di coltivazioni agricole e forestali;

• Eccedenze agricole temporanee ed occasionali;

• Residui di lavorazioni delle industrie agrarie e agro-alimentari;

• Rifiuti urbani.

Il bioetanolo può anche essere ottenuto dalle biomasse di tipo cellulosico e dai sottoprodotti delle coltivazioni.

Le principali materie prime finora utilizzate per la sua produzione restano pertanto i cereali, la canna da zucchero e le barbabietole.

Le materie prime – I residui agricoliDisponibilità (t/ha)

Paglia di frumento tenero 3-6Paglia di frumento duro 3-5Stocchi di mais 4,5-6Tutoli e brattee di mais 1,5-2,5Sarmenti di vite 3-4Frasche di ulivo 1-2,5

Le materie prime – FORSU (Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano)

Composizione

Verde 30 % cellulosa 30 % emicellulosa

Residui alimentari 20 % cellulosa

Le materie prime – Le colture dedicate

Disponibilità Composizione

Sorgo 25 t/ha 11 % cellulosa18 % emicellulosa

Canna 25 t/ha 31 % cellulosa22 % emicellulosa

Panico 17 t/ha 31 % cellulosa20 % emicellulosa

CARATTERISTICHE INDICATIVE DI ALCUNE BIOMASSE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA

produttività t/ha s.s. % P.C.I.TIPO 1 anno 5 anni 10 anni tal quale kCal/kg s.s.

Sorgo 18 25 30 30 4200

Kenaf 15 15 20 30 4100

Miscantus 18 20 25 70 4200

Arundo Donax (canna) 22 25 30 60 4200

Topinambur 10 15 20 70 4100

Ginestra 6 8 10 50 4300

Robinia 15 15 22 50 4300

Pioppo 30 55 50 50 4200

Salice 18 20 22 50 4200

Paglia 3 4 4 85 4100

Stocchi di mais 8 8 8 40 4100

Stocchi di girasole 4 4 4 60 4300Potature di vite 1,5 2 2 50 4100Sansa 70 4100Lolla 85 3600

Kenaf Hibiscus Cannabinis

Panico

Topinambur

Il Brasile cominciò a produrre bioetanolo nel 1975, utilizzando canna da zucchero come materia prima, è il principale produttore a livello mondiale, e copre con questo carburante circa il 20% dei consumi per i trasporti.

Nei Paesi Industrializzati, le biomasse contribuiscono per appena il 3% agli usi energetici primari, mentre nell’Unione Europea è pari al 3,5% dei consumi energetici totali, con punte del 18% in Finlandia e del 17% in Svezia.

Produzione mondiale di benzina

Produzione mondiale di bioetanolo

1236Miliardi di litri/anno

36,5Miliardi di litri/anno

Processi di produzione per l’ottenimento del Bioetanolo

•PRETRATTAMENTO

•DETOSSIFICAZIONE

•IDROLISI

•FERMENTAZIONE

•DISTILLAZIONE

PRETRATTAMENTO

Chimico, Steam explosion, AFEX, Microbiologico

Chimico: NaOH (aq) al 8-12 %, a 80-120 °C, durata 30-60 minuti

Steam explosion:

fase 1: saturazione con vapore acqueo a 1,5-4 MPa a 180-230 °C per 1-10 minuti

fase 2: trasferimento a pressione atmosferica e decompressione esplosiva

AFEX: steam explosion con impiego di ammoniaca

Microbiologico: degradazione della lignina con funghi(Phanerochaete crysosporium)

La detossificazione

•Le soluzioni in fase di sperimentazione

Chimica:opzione 1: precipitazione variando il pH con Ca(OH)2 e

H2SO4

–fase 1: pH 9-10, a 50-60 °C–fase 2: pH 6, a 30 °C–fase 3: filtrazione a 0,2 μm

opzione 2: adsorbimento su carbone attivo, terra di diatomee o resine a scambio ionico

Fisica: –separazione per evaporazione sottovuoto degli inibitori volatili (acido acetico, furfurale)

Chimica

L’idrolisi avviene in una torre di distillazione detta “colonna cromatografica” costituita di silice o allumina, e si effettua in due stadi:

1. Si utilizza come catalizzatore H2SO4 0,7% in peso; la temperatura

è elevata e tempi di permanenza di circa 3 minuti. Il queste

condizioni piuttosto blande si idrolizza solamente l’emicellulosa, la

quale si scinde nei suoi monomeri di xilosio, arabinosio, glucosio.

IDROLISI

arabinosioxilosio

2. Si utilizza come catalizzatore ancora H2SO4, a concentrazioni molto elevate (70%); la temperatura è di circa 50°C e il tempo di permanenza di 3 minuti. In queste condizioni si idrolizza la cellulosa, la quale si scinde nei suoi monomeri di Glucosio.

In testa alla colonna di distillazione si ricava l’acido solforico, mentre sul fondo si raccoglie la miscela acido-zuccheri, allontanando l’eventuale residuo solido non reagito, contenente lignina.

Questo residuo viene nuovamente inviato alla colonna dove subisce un processo ciclico fino alla completa separazione della lignina (lo scarto effettivo) dai composti che devono ancora idrolizzarsi.

Gli zuccheri semplici in uscita dalla colonna cromatografica possono ora convertirsi in bioetanolo tramite il processo di fermentazione.

•Enzimatica:

-endocellulasi (1,4–β-D-4-glucanidrolasi)

-esocellulasi (1,4-β-D-glucan glucanoidrolasi o cellodestrinasi):

β-glucoside glucoidrolasi

Si svolge in due fasi: L’enzima Cerevisiae scinde, i disaccaridi.

La reazione chimica è la seguente:

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

per cui dal saccarosio (zucchero di canna) si formano monosaccaridi ed isomeri

Glucosio Fruttosio

invertasi

FERMENTAZIONE Operata da una particolare classe di enzimi, i Saccaromices, dei quali il più comune è il Cerevisiae, presente ad esempio nel lievito di birra.

Dagli zuccheri semplici si ha la formazione di etanolo tramite il processo di fermentazione alcolica.

questo, disidratandosi, forma come intermedio 2 molecole α-metil glicossale (piruvato).

In condizioni anaerobiche si verifica dapprima la glicolisi, dove la molecola di glucosio, difosforilata da due ATP si scinde in due molecole C3H6O3,

Successivamente, ad opera dell'enzima saccarasi, forma acido piruvico, con formula bruta CH3COCOOH con due gruppi carbossilici,

L'assenza di ossigeno determina il passaggio ai processi caratteristici della fermentazione. Spezzando il gruppo COOH, l'acido viene privato di una molecola di anidride carbonica, liberata all’esterno, per formare come prodotto l’acetaldeide, con formula bruta CH3COH.

Infine, l’acetaldeide si lega a due ioni idrogeno grazie al NADH (nicotinammideadenindinucleotide), il cui ruolo biologico consiste nel permettere le ossidoriduzioni, tramite la sua liberazione di ioni idrogeno.

Il NADH ricarica così le molecole di NAD+, mentre l’acetaldeide, grazie ai due ioni idrogeno, forma l'etanolo.

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6

-OO

CH3

OOH

OH

OH

OH

OOH

H O

CH3

HOH

CH3

H

H+

CO2

piruvato

acetaldeide

etanolo

Piruvato-decarbossilasi

Glicolisi

Alcool-deidrogenasi

NAD+ NADH + H+