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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. - PowerPoint PPT Presentation
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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+