produzione di BIOETANOLO C2H5OH

- versione#B2 – Prof. A.Tonini www.andytonini.com INDICE: PROCESSO BIO – DA MELASSI – DA AMIDACEI – DA CELLULOSICI – APPENDICI – BIOCARBURANTI -

Processo biotecnologico = produzione di etanolo a partire dagli zuccheri contenuti sotto forma più o meno complessa nei vegetali (biomasse), per fermentazione del glucosio (C6H12O6) operata da batteri e lieviti; competitivo, nel caso di forti disponibilità di BIOMASSA (scarti da barbabietole- canna-cereali – mais- melassi); diminuisce la %CO2 immessa da combustione, perchè quella emessa dalla combustione di biocombustibili chiude il ciclo del carbonio. L’alternativa è il processo chimico di sintesi per idratazione catalitica (cat.H3PO4/supporto) dell’etilene a

T=300°C p=68bar, più economico, CH2=CH2 + H2OC2H5OH H= 40,2kJ/mol. USI: solvente diluito ind.le/di laboratorio; antidetonante (se puro, max.10%);combustibile = direttamente in miscele con benzina (dal 10% fino al 30% di alcol senza modifiche al motore), come carburante in forma pura, oppure come additivo per la benzina dopo conversione in ETBE (etil-ter-butil-etere), conversione che avviene mediante reazione con isobutene, sottoprodotto della raffinazione del petrolio; produzione di glicoli eteri acidi.[vedi anche appendice]

SCHEMA GENERALE DEL PROCESSO BIOLOGICO: PRIMA FASE SECONDA FASE TERZA FASE

MATERIA PRIMA GLUCOSIO glicolisi PIRUVATO CH3-CO-COO- PIRUVATOfermentaz.alcolica ETANOLO

- 1)da melassi direttamente - 2)da sost.amidacee cellulosiche per cottura/idrolisi

fermentazione anaerobica - aerobica enzimatica data da miscuglio di enzimi (zimasi) secreti da lieviti

1-decarbossilazione a acetaldeide e CO2 2-ossidazione-deidrogenazione a etanolo

fermentazione alcolica: C6H12O6 + 2P + 2ADP 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O + 98 kJ/mol

confronto con respirazione (proc.aerobico): C6H12O6 + O2 + ..... CO2 + H2O + .....+ 38 ATP + 2870 kJ/mol

MATERIE PRIME (brodo di coltura):

1- contenenti SACCAROSIO: melassi, barbabietole e canna da zucchero, sorgo zuccherino, sottoprodotti delle produzioni vinicole e ortofrutticole; 2- contenenti sostanze AMIDACEE: mais, scarti di patate cereali avena riso...; previa saccarificazione di amido.

3- biomasse LIGNO-CELLULOSICHE (ricche in cellulosa e emicellulosa)- biomasse di 2°generazione: scarti di legna, carta, paglia,residui agroforestali, canna comune, miscanto,...

PROCESSI DI PRODUZIONE DI ETANOLO: [INIZIO]

1 - PROCESSO DA MELASSI [barbabietola-canna z.]: COMPONENTI DEL PROCESSO:

a) INOCULO:

Inoculo di ceppi selezionati; i microrganismi più utilizzati nella produzione di bioetanolo sono alcuni lieviti saccaromiceti, Saccharomices cerevisiae, (anche batteri, p.es.Zymomonas mobilis, ma con produzione di molti sottoprodotti). I saccaromiceti secernono un insieme di enzimi, la zimasi alcolica, necessari ciascuno nei vari passaggi del processo di fermentazione alcolica.

Prof.A.Tonini Le razze di saccaromiceti sono molto numerose: alcune galleggiano sul liquido che fermenta (lieviti leggeri), altre vanno a fondo (lieviti pesanti); alcune agiscono a temperature relativamente alta (sopra i 25°C, lieviti alti), altre invece sotto i 10°C (lieviti bassi). Valori limite per la sopravvivenza dei lieviti sono da pH 2,4 a pH 8,6 (l’intervallo di pH ottimale per il processo). La preparazione dell’inoculo di lieviti si realizza a partire da colture selezionate, e la crescita della colonia microbica prescelta avviene in un adatto liquido di coltura, attraverso una successione di stadi, per ottenere volumi crescenti di coltivazione, che di seguito vanno a costituire il lievito madre presente nel fermentatore. Nella crescita si utilizzano terreni semisintetici costituiti da soluzioni zuccherine e sali nutritivi cui si aggiungono estratti acquosi vegetali e altri prodotti di origine biologica; la moltiplicazione cellulare avviene in presenza di ossigeno dell’aria, impiegando recipienti chiusi del diametro di non oltre un metro, in cui il microrganismo è tenuto all’interno del liquido di coltura sotto debole agitazione.

b) BRODO DI COLTURA:

1-melasso, contenente saccarosio, sottoprodotto dell’industria saccarifera; 2-barbabietole e sost.saccarifere previa triturazione e estrazione con acqua a 70°C, e il mosto così ottenuto acidulato. Il melasso viene diluito dal 50% fino al 10% - 14% in contenuto zuccherino,( glucosio iniziale

150g/dm3), per evitare perdite di brodo, non riutilizzabile; viene acidificato a pH 4 – 5 con acido solforico. I melassi contengono tutte le sostanze nutritive; altre aggiunte sono sali di potassio magnesio fosforo composti azotati (ammidi amminoacidi sali ammonici) vitamine, che vengono utilizzati dai fermenti nella loro crescita. Le condizioni di pH e la presenza di alcol etilico nel reattore sono tali da evitare il rischio di inquinamento ad opera di microrganismi estranei al processo, per cui la carica da inviare al reattore può anche non essere sterilizzata, mentre deve esserlo per la preparazione dell’inoculo. c) FERMENTAZIONE:

Condizioni di processo: -pH: 4 per la vita dei lieviti, mantenuto attorno ai valori ottimali (pH 4/5) grazie anche alla capacità tampone dei brodi di fermentazione;

-T35°C (in base al tipo di microrganismo impiegato); -inizio in prefermentatori, passando da piccoli a grandi, in scala; quindi fermentatore finale con un tempo di fermentazione di circa due giorni (su un totale di produzione di circa 7 giorni); -resa teorica 88,5%, reale 60%volume, 50%peso; la fermentazione produce alcool al 10%, massima concentrazione <11%, oltre la quale avviene l’azione tossica inibitoria del prodotto sui lieviti; -ossigeno: il processo, essenzialmente anaerobico, avviene con piccola fornitura O2 per la sintesi di costituenti la membrana cellulare dei lieviti (sintesi degli acidi grassi insaturi e di ergosterolo,...): il tasso di ossigeno è dell’ordine di 0,4 – 0,8 millimoli ossigeno al minuto per litro di brodo di fermentazione. Il fermentatore scelto per la produzione (realizzato in acciaio inox), reattore batch di tipo discontinuo, deve essere sterilizzabile con vapore surriscaldato ed essere dotato di ingresso dell’aria sterile, di uscita per la raccolta sterile dei campioni e del brodo di fermentazione. Sebbene l’etanolo sia il prodotto principale del metabolismo dei Saccharomyces cerevisiae, si ottengono anche (con rese minori) altre sostanze (acido acetico, acido butirrico, acido formico, glicerolo, ac. lattico, ac.succinico, ecc.).

d) SEPARAZIONE:

dal brodo fermentativo uscente dal fermentatore viene separata per centrifugazione/filtrazione la biomassa (lieviti inviati allo smaltimento) e la soluzione zuccherina-alcolica, che viene sottoposta a distillazione in colonne a piatti per incrementarne la concentrazione in etanolo. e) DISTILLAZIONE della soluzione alcolica ad ALCOOL PURO:

dalla prima colonna di strippaggio, vedi schema (C1), si ottiene etanolo (Teb.=78,4°C) con una concentrazione intorno al 40% e soluzione zuccherina di fondo, con la seconda colonna (C2) di purificazione si separano aldeidi di testa, e acqua, di fondo, e lateralmente esce alcool al 60%, con la terza colonna (C3) di rettifica si ottiene alcool al 95%, immesso sul mercato o purificato al 99% con il processo di distillazione azeotropica con benzene (vedi appendice).

PROCESSI ALTERNATIVI DI CONCENTRAZIONE: per abbassare la spesa di energia per concentrare l’alcool, richiesto per usi specifici, si può operare con membrane permoselettive, col processo della pervaporazione [=permeazione + evaporazione]: la miscela acqua-alcool in pressione è inviata a una cella a membrana, dove l’alcool la attraversa per diffusione, evaporando a valle a causa della minore pressione.

Prof.A.Tonini SCHEMA DI IMPIANTO produzione BIOETANOLO da MELASSI ZUCCHERINI:

LEGENDA:

1 1 BRODO DI COLTURA 10-14%

2 2 INOCULO 3 3 ARIA 4 4 AC.SOLFORICO 5 5 SOSTANZE AGGIUNTE 6 6 CORRETTORE Ph 7 7 GAS USCENTI

8 BIOMASSA

8 9 SOLUZIONE ZUCCHERINA 9 10,12 ACQUA 10 11 ALDEIDI E PROD.LEGGERI 11 13 ALCOOL 95%

P1 COMPRESSORE ARIA D1,2 SERBATOI PREPARAZIONE BRODO F1 PREFILTRO F2 ULTRAFILTRO R1 BIOFERMENTATORE D3 SERBATOIO RACCOLTA P2 CENTRIFUGA SEPARATRICE C1 COL.STRIPPAGGIO AD ALCOOL40% E1,2,4 CONDENSATORI E3,5 RIBOLLITORI D4,5,6 SERBATOI RACCOLTA CONDENSATO C2 COL.RETTIFICA AD ALCOOL 60% C3 COL.RETTIFICA AD ALCOOL 90-95%

[INIZIO]

IL SEGUITO DEL DOCUMENTO E’ PRESENTE SUL CD5CHIMICA

Richiedibile come dal sito www.andytonini.com