Controllare la fermentazione dell`etanolo combustibile

Controllare la fermentazione
dell’etanolo combustibile
premendo un tasto
I produttori di etanolo combustibile continuano in sordina il loro
prezioso lavoro, che consiste nel produrre carburante sostenibile
e, come se non bastasse, migliorano in continuazione il processo.
Si realizzano miglioramenti nell'efficienza in
tutte le direzioni. La capacità predittiva delle
rese e la possibilità di differenziare il mais al
ricevimento non è che un esempio. In una fase
più avanzata del processo, un'altra area in via
di sviluppo è la fermentazione - probabilmente
la parte più critica nel produrre metanolo combustibile, ma anche la più vulnerabile, perché
le infezioni dovute a attività microbica indesiderata possono letteralmente mangiarsi milioni di dollari di produzione.
Nonostante i metodi basati su HPLC mettano a disposizione un'ampia gamma di informazioni, il tempo per ottenere i risultati, il
costo per campione e la necessità di personale
di laboratorio esperto rimangono barriere che
impediscono di ottenere il livello di informazioni necessario per un controllo efficace della
fermentazione. C'è spazio per qualcosa di più
rapido, di più economico e più facile, specialmente per coloro che non dispongono in loco
di un laboratorio si serie A.
Il vicino infrarosso, tanto noto per applica-
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zioni quali l'analisi dei cereali al ricevimento,
è stato preso in considerazione da molti, ma
rimangono dei dubbi sulla sua capacità di rilevare degli indicatori di infezione che tipicamente sono presenti solo a bassi livelli. Il
campo della tecnologia delle analisi a infrarossi non è finito qui anche se, come un'altra
tecnologia correlata, ha proprio le credenziali
giuste per colmare il divario, la Fourier Transform Infrared (FTIR).
La FTIR ha dei vantaggi provati, compresi
la velocità, i costi bassi di esercizio e la semplicità. Si ottengono i risultati per diversi parametri in non più di due minuti. Si può analizzare tutto ciò che si vuole senza costi aggiuntivi
e chiunque può effettuare il test. La tecnologia
FTIR sembra essere anche particolarmente
adatta a cogliere i parametri indicatori di infezione.
Un prototipo di applicazione della tecnologia è stato valutato negli stabilimenti di etanolo degli Stati Uniti e il concetto ha attratto un
significativo interesse.
Analisi illimitate condotte da chiunque
Per Brian Wrenn, il direttore della ricerca al
National Corn-to-Ethanol Research Centre
(NCERC) è la velocità della nuova opzione di
monitoraggio ad essere particolarmente interessante. Spiega che con le analisi convenzionali ci può essere un intervallo da otto a dieci
ore tra un'analisi e l'altra e poi ci vuole circa
un'ora per avere i risultati dell'analisi: circa 20
minuti per l'analisi, più del tempo aggiuntivo
per il campionamento. “Può succedere molto
in un'ora e l'attesa può essere snervante” dice.
Gli antibiotici danno la soluzione, ma nessuno ne vuole usare più del necessario, sia per
ragioni di costi sia perché i residui potrebbero
contaminare i sottoprodotti destinati all’alimentazione animale. Analisi rapide permettono di migliorare il monitoraggio e permettono
un approccio proattivo al controllo della fermentazione con un utilizzo minimo di antibiotici.
La capacità di analizzare tutto quello che si
vuole senza costi aggiuntivi è quello che nota
anche Mitchell Feldman, direttore del laboratorio all'Abengoa Bioenergy del Nebraska.
“Con l'HPLC, i filtri costano almeno un
dollaro a campione e le fiale costano almeno
10 centesimi, quindi si risparmia un dollaro
e dieci ad ogni campione analizzato,” calcola
Feldman. In una giornata normale, il labora-
In Focus, Vol. 33, No 1, 2009
Le misurazioni sono facili da fare per chiunque in azienda
1. Selezionare il tipo di
campione
2. Caricare il campione 3. Premere start
torio di uno stabilimento con una capacità di
88 milioni di galloni all'anno analizza tra i 50
e i 60 campioni. Ma se sorgono problemi, allora ne analizzeranno un centinaio, a seconda
di quello che deve essere misurato. Anche se
solo occasionalmente, la necessità di sostituire le colonne per i sistemi HPLC costituisce
un costo ulteriore. “Quando si analizza un numero di campioni come il nostro, tutto conta”
afferma Feldman.
La tecnologia analitica FTIR è resa semplice da usare e l’apparecchio provato all'Abengoa Bioenergy del Nebraska è uno strumento
compatto, di facile utilizzo che non è più complicato di un normale distributore di bevande.
“La può usare chiunque” afferma Feldman.
L'usabilità associata all'analisi FTIR è stata notata anche dal direttore del NCERC John
Caupert. “La formazione è un grossissimo
problema per l'industria” dice Caupert, che ha
testimoniato di fronte alla Camera dei Rappresentanti degli USA sulla necessità di migliorare la formazione in quella che ritiene una delle
poche aree di crescita per l'economia degli
Stati Uniti al momento. La velocità e la facilità d'uso sarebbero un enorme vantaggio. "Può
usarlo anche uno come me e io non sono né un
chimico, né un ingegnere" afferma.
Latte, vino e adesso etanolo
combustibile
La tecnologia FTIR potrà essere nuova per
l'industria dell'etanolo ma non per altre, poiché
la necessità di monitorare la fermentazione è
tutt'altro che unica.
Anche ai produttori di vino fanno in tempo
a venire i capelli bianchi mentre aspettano il
risultato della fermentazione, proprio come
ai produttori di etanolo. Ma per contro, molti
si sono dati un vantaggio con una tecnologia
analitica che può dare risultati per i parametri
principali, fornendo così un efficace sistema di
preavviso in caso di problemi potenziali.
Con parole semplici, il metodo FTIR funziona proiettando luce a infrarossi attraverso il
campione. Questo coglie l'attività vibrazionale
dei gruppi funzionali. Tale informazione viene
poi decodificata per mezzo di una nota funzione matematica (la Trasformata di Fourier).
Questa tecnica è usata da decenni per le analisi
In Focus, Vol. 33, No 1, 2009 4. Attendere il risultato 5. Pulire con un panno
del latte e, come si è detto nell'industria del
vino, dove fu usata per la prima volta nel 1999.
Rilevare acido lattico e acido acetico
La FTIR misura tutti i normali parametri
importanti nel controllo della fermentazione, zuccheri (maltosio e glucosio) e etanolo.
Inoltre, un comprovato punto di forza della
tecnologia FTIR è che fornisce la sensibilità
necessaria a cogliere parametri spesso percepibili a basse concentrazioni come l'acido acetico e l'acido lattico, entrambi determinanti. In
questo senso offre un'alternativa più potente al
metodo meglio conosciuto dell'analisi nel vicino infrarosso.
Un termine che capiterà di sentire quando si
parla di tecnologia FTIR è la 'firma' lasciata da
un componente chimico che può essere colto
in particolari zone della lunghezza d'onda della luce a infrarossi.
La miscela di mais per la fermentazione fornisce una serie di firme diverse e la tecnologia
FTIR è ideale per rilevare acido lattico e acetico tra la massa dei dati. Allo stesso tempo, gli
studi indicano che è migliore anche quando si
tratta di misurare i componenti più rilevanti.
“La tecnologia NIR sembra funzionare, ma la
FTIR è più specifica” afferma Wrenn.
Feldman condivide l'interesse nella capacità
di tracciare gli indicatori di infezioni. Per la
misurazione dell'acido lattico e acetico la tecnologia è davvero brillante nel fornire risultati
riproducibili" afferma. “Sono a livello molto
basso, quindi sono difficili da misurare con la
NIR, ma abbiamo scoperto che lo strumento
FTIR fa davvero un ottimo lavoro nel misurare
questi parametri a bassi livelli.”
Stessa procedura, più informazioni
Il controllo delle infezioni è particolarmente importante negli impianti come quello di
Abengoa Bioenergy dove si usa un processo
di fermentazione continuo che occupa otto
vasche. “Una piccola infezione nella fermentazione iniziale si trasforma in un grosso problema quando si arriva alla fine della fermentazione” afferma Feldman.
Spiega che, se vedono un problema in arrivo, prelevano ulteriori campioni per controllare che tutto stia andando nella direzione giusta.
A circa un milione di galloni per vasca, si tratta
di un grande investimento dato che un milione
di galloni di miscela di granoturco oggi non
costa poco sul mercato. Ci sono milioni di dollari nel processo, solo di cereali.
“Non perdiamo un'intera vasca, ma perdiamo resa” spiega Feldman riferendosi al fatto
che un'infezione consuma o zucchero o alcol. I
batteri nella vasca convertono zucchero e etanolo in qualcos'altro, o acido lattico o acido
acetico.
Proprio quando ci vengono ricordati fatti
così fondamentali, si accende la lampadina sui
vantaggi di un metodo di controllo rapido e di
facile utilizzo. L'analisi FTIR semplicemente
fa sì che i dati di controllo necessari si riescano ad ottenere più rapidamente e con maggiore efficienza dei costi. “Sarebbe lo stesso con
l'HPLC, ma i maggiori vantaggi della tecnologia FTIR sono i tempi e i costi, entrambi ottimi” sostiene Feldman.
Analisi orarie diventate realtà
Mentre scriviamo, lo strumento FOSS FTIR
BioFoss™ sta lavorando all'Abengoa Bioenergy Nebraska ormai da parecchi mesi e promette molto bene. È stato inoltre installato in altri
stabilimenti per la produzione di etanolo lungo
tutta la cintura del mais dove col tempo ridurrà
l'uso dell'HPLC per le analisi di routine.
Nel frattempo, le potenzialità della FTIR
sono già chiare. Essendo un metodo accessibile e rapido, la tecnologia FTIR è in grado di
ridurre l'uso di antibiotici, garantire la massima resa e evitare brutte sorprese nella fase di
fermentazione. Soprattutto, potrebbe rendere
le analisi una routine per chiunque nello stabilimento. “Perché non fare analisi ogni ora?” si
chiede Wrenn del NCERC.
Maggiori informazioni sulle soluzioni
FOSS per il Biocarburante su: www.foss.it/
biofuel

Richard Mills, FOSS ([email protected])
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