Bioetanolo

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)
•per la preparazione dell'ETBE (etil-terbutiletere), un derivato altoottanico alternativo all'MTBE (metil-terbutiletere), quindi con migliori
caratteristiche antidetonanti.
CH3
CH3
H3C
O
CH3
ETBE
C2H5
H3C
O
CH3
MTBE
CH3
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 –
Disponibilità
I residui agricoli
(t/ha)
Paglia di frumento tenero
Paglia di frumento duro
Stocchi di mais
Tutoli e brattee di mais
Sarmenti di vite
Frasche di ulivo
Le materie prime –
3-6
3-5
4,5-6
1,5-2,5
3-4
1-2,5
FORSU (Frazione Organica del Rifiuto Solido
Urbano)
Composizione
Verde
Residui alimentari
30 % cellulosa
30 % emicellulosa
20 % cellulosa
Le materie prime –
Le colture dedicate
Disponibilità
Composizione
Sorgo
25 t/ha
Canna
25 t/ha
Panico
17 t/ha
11 % cellulosa
18 % emicellulosa
31 % cellulosa
22 % emicellulosa
31 % cellulosa
20 % emicellulosa
CARATTERISTICHE INDICATIVE DI ALCUNE BIOMASSE PER LA
PRODUZIONE DI ENERGIA
produttività t/ha
s.s. %
P.C.I.
TIPO
Sorgo
Kenaf
Miscantus
Arundo Donax (canna)
Topinambur
Ginestra
Robinia
Pioppo
Salice
Paglia
Stocchi di mais
Stocchi di girasole
Potature di vite
Sansa
Lolla
1 anno 5 anni 10 anni
18
25
30
15
15
20
18
20
25
22
25
30
10
15
20
6
8
10
15
15
22
30
55
50
18
20
22
3
4
4
8
8
8
4
4
4
1,5
2
2
tal quale
30
30
70
60
70
50
50
50
50
85
40
60
50
70
85
kCal/kg s.s.
4200
4100
4200
4200
4100
4300
4300
4200
4200
4100
4100
4300
4100
4100
3600
Topinambur
Kenaf Hibiscus
Cannabinis
Panico
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
1236
Miliardi di litri/anno
36,5
Miliardi 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)
IDROLISI
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.
xilosio
arabinosio
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
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.
Si svolge in due fasi:
L’enzima Cerevisiae scinde, i disaccaridi.
La reazione chimica è la seguente:
invertasi
C12H22O11 + H2O
C6H12O6 + C6H12O6
per cui dal saccarosio (zucchero di canna) si formano monosaccaridi
ed isomeri
Glucosio
Fruttosio
Dagli zuccheri semplici si ha la formazione di etanolo tramite il
processo di fermentazione alcolica.
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,
questo, disidratandosi, forma
come intermedio 2 molecole
α-metil glicossale (piruvato).
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
O
OH
Glicolisi
O
HO
HO
O
-O
OH
piruvato
CH3
OH
+
H
Piruvatodecarbossilasi
CO2
H
H
OH
O
H
CH3
CH3
etanolo
NAD+
NADH + H+
Alcool-deidrogenasi
acetaldeide