Il futuro del bioetanolo è di seconda generazione

www.informatoreagrario.it
Edizioni L’Informatore Agrario
Tutti i diritti riservati, a norma della Legge sul Diritto d’Autore e le sue
sucessive modificazioni. Ogni utilizzo di quest’opera per usi diversi da quello
personale e privato è tassativamente vietato. Edizioni L’Informatore Agrario
S.p.A. non potrà comunque essere ritenuta responsabile per eventuali
malfunzionamenti e/o danni di qualsiasi natura connessi all’uso dell’opera.
N O V I TÀ
TECNOLOGICHE
S
• L AV O R O D I G R U P P O M O S S I & G H I S O L F I E U N I V E R S I TÀ D E L P I E M O N T E
Il futuro del bioetanolo
è di seconda generazione
▪
Esiste un nuovo modo per produrre il bioetanolo da colture energetiche
(miscanto, Arundo, Panicum): lo zucchero per la fermentazione non
si ottiene più dagli zuccheri della pianta, bensì dall’idrolisi enzimatica
di cellulosa ed emicellulosa, i principali costituenti delle fibre vegetali.
Il bioetanolo così ottenuto si chiama, appunto, di seconda generazione
▪
di Michelle Marrone,
Alessandro Arioli
E
sistono due tipologie di processo produttivo attraverso cui si
può ottenere bioetanolo. Nel
primo, detto etanolo di prima
generazione, non vi è alcuna significativa differenza tra produrre il carburante
e il processo secolare della fermentazione
alcolica, nota da millenni e che ha portato nei secoli alle produzioni di birra,
vini e liquori.
Questo processo prevede come
materia prima un «succo zuccherino», ricavato dalla spremitura
di piante molto specifiche, ad alto
contenuto di zucchero (saccarosio), quali la canna da zucchero, la
barbabietola da zucchero, il sorgo
zuccherino. Il saccarosio, messo in
soluzione acquosa, si scinde spontaneamente nei costituenti glucosio e fruttosio, che a loro volta sono la medesima molecola a livello
chimico, ma con due «forme tridimensionali» diverse.
do acqua + enzimi (amilasi), in un processo definito idrolisi.
Quindi, partendo da piante zuccherine o da piante amidacee, si arriva a ottenere una soluzione di glucosio che viene
avviata alla fase di fermentazione, dove
si aggiunge un lievito (il Saccharomyces
cerevisiae, comunemente utilizzato nell’industria del vino e della birra, nonché
dai panificatori) che realizza la conversione alcolica.
L’etanolo così prodotto va a questo pun-
to concentrato, cioè è necessario eliminare
l’acqua che fino a ora è stata il mezzo in
cui sono avvenute le trasformazioni. In
Brasile si utilizza al 96%, in Europa e negli Usa si usa al 99% di purezza.
Il bioetanolo di prima generazione
garantisce una riduzione nell’emissione
complessiva di CO2 (anidride carbonica,
uno dei gas responsabili del cosiddetto
effetto serra). Nel caso in cui la materia
prima di partenza sia la granella di mais,
tale riduzione è di circa il 30% rispetto
ai carburanti di origine fossile.
Etanolo di 2ª generazione
Nel secondo tipo di processo, detto
etanolo di seconda generazione, la differenza significativa risiede nella provenienza dello zucchero che si andrà a fermentare. Infatti, il glucosio non viene più
ricavato solo dall’amido o dagli zuccheri
della pianta stessa, bensì viene generato
per idrolisi enzimatica della cellulosa e
dell’emicellulosa, che sono i principali
costituenti delle fibre vegetali.
Cioè, questa volta le materie prime
del processo possono essere svariate.
Etanolo di 1ª generazione
Per etanolo di prima generazione si
intende anche il processo a partire da
prodotti a elevato contenuto di amido,
come la granella di mais, le patate, il frumento. L’amido è un polisaccaride, ossia
una lunga «collana» nella quale le «perle» sono le unità di glucosio. I legami di
questa catena vengono scissi aggiungen© 2009 Copyright Edizioni L’Informatore Agrario S.p.A.
Foto 1 - Messa a dimora di Miscanthus
sinensis (dettaglio)
S
N O V I TÀ
TECNOLOGICHE
Raccolta in due fasi:
sfibratura...
La raccolta meccanica
avviene con sistema
di trinciatura classica
... e
rotoimballatura
Scarico della
biomassa trinciata
in un cumulo
senza impattare sulle colture destinate
all’alimentazione umana e animale;
• poterlo produrre utilizzando alcune
specie vegetali ricche in cellulosa, su
terreni marginali o non utilizzabili
dall’agricoltura tradizionale;
• migliorare fortemente l’impatto
globale del bioetanolo in termini di
emissioni di CO2 (le quali vengono
ridotte di oltre l’80% rispetto ai carburanti di origine fossile).
Questi tre vantaggi evidenziano e
garantiscono l’assoluta giustificabilità a livello ambientale e sociale del
bioetanolo di seconda generazione.
Andiamo a capire pertanto in cosa
consiste il processo di seconda generazione e cosa significa, in pratica, utilizzare la cellulosa e l’emicellulosa come
fonte di zuccheri.
Colture energetiche
di partenza
Stoccaggio
finale
della
biomassa
in bin-bag
FIGURA 1 - Schema di filiera dal campo allo stabilimento
Qualsiasi forma di vita vegetale in linea
di principio è adatta alla produzione di
bioetanolo di seconda generazione.
Infatti una specie vegetale, detta lignocellulosica, si compone principalmente
di cellulosa, emicellulosa e lignina. Cellulosa ed emicellulosa sono a loro volta
dei polisaccaridi come l’amido, però i
legami intramolecolari sono più difficili da scindere e pertanto per arrivare
agli zuccheri semplici è necessario promuovere l’idrolisi con l’utilizzo di enzimi particolari e molto efficienti chiamati
cellulasi ed emicellulasi.
La cellulosa, una volta idrolizzata, rilascia molecole di glucosio, che è uno
zucchero a sei atomi di carbonio. L’emicellulosa invece rilascia molecole di xilosio, che è uno zucchero a cinque atomi
di carbonio, detto pentoso.
Mentre la cellulosa e l’emicellulosa sono convertite, il terzo componente della specie vegetale, la lignina (scheletro
e sostegno per le piante), caratterizzata
da elevato contenuto energetico, può es-
36
sere utilizzata per produrre energia, sia
all’interno sia all’esterno del processo di
produzione di bioetanolo.
Queste considerazioni mettono in rilievo tre importanti vantaggi del processo di seconda generazione:
• poter produrre un carburante verde
Le specie lignocellulosiche più appropriate per il processo di produzione di
un biocarburante come l’etanolo devono
poter garantire un approvvigionamento
costante, cospicuo ed economicamente
sostenibile.
Per produrre bioetanolo in maniera
qualitativamente e quantitativamente costante in un impianto industriale
è necessario ottimizzare raccolta e trasporto delle biomasse e mettersi nell’ottica di operare per la produzione di una
materia prima facilmente trasportabile
e stoccabile, ovvero una cosiddetta coltura energetica (energy crop).
Ne deriva la necessità, e quindi l’opportunità, per il mondo agricolo nazionale ed europeo, di proporre un modello innovativo di filiera contrattualizzata,
che si integra perfettamente nella pac e
Foto 2 - Messa a dimora di Arundo donax (dettaglio)
supplemento a L’Informatore Agrario • 17/2009
© 2009 Copyright Edizioni L’Informatore Agrario S.p.A.
N O V I TÀ
TECNOLOGICHE
che consente di valorizzare al meglio anche superfici marginali, poco produttive
e/o incolte, consentendo sempre e comunque elevata redditualità in qualsiasi situazione agropedoclimatica a clima
temperato e mediterraneo.
Il centro ricerche Chemtex, avvalendosi di esperti in materia agraria (e in
particolare in colture energetiche), ha
avviato una serie di esperienze pratiche
di coltivazione e di indagini ad ampio
spettro su colture non a scopo alimentare, aventi scarso fabbisogno idrico, di
concimi, di fertilizzanti e di fitofarmaci
(diserbanti in particolare) a elevata resa in biomassa per ettaro e ad alto tasso
cellulosico.
Tutto questo adattato e sviluppato come abito su misura per la realtà rurale
italiana. Le colture, sia annuali sia poliennali, che sono risultate essere più promettenti alla latitudine e alle condizioni
agropedoclimatiche padane sono elencate nella tabella 1, che riassume i risultati
ottenibili con il livello tecnologico attuale (2008-2009).
Caratteristiche agronomiche
e meccanizzazione
S
IN FUNZIONE DA MAGGIO 2009
Il primo impianto pilota
di bioetanolo di 2a generazione
Nel mese di maggio al centro ricerche
di Rivalta Scrivia (Alessandria) del Gruppo M&G (unità Chemtex Italia) entrerà in
funzione il primo impianto pilota in Italia
per la produzione di bioetanolo di 2a generazione, in grado di produrne una tonnellata al giorno. Questo perché il ritorno del
petrolio su quotazioni abbordabili non ha
spento l’interesse degli imprenditori, che
desiderano svincolarsi almeno in parte da
una materia prima dal prezzo comunque
troppo instabile e incontrollabile.
Nella provincia di Alessandria ormai
da anni si è svolta infatti un’intensa e
vasta attività di ricerca, applicata all’ot-
tiche agricole che consentano di ottenere
produzioni di elevata qualità energetica
con elevata quantità di prodotto per ettaro, codificata e diff usa presso i produttori agricoli convenzionati con contatto produttivo di filiera (il modello di
riferimento è il protocollo Global-GAP
certificato);
• inoculo di micorrize e batteri rizosferici simbionti.
Messa a dimora. Le foto 1, 2 e 3 mostrano la messa a dimora meccanizzata
delle piantine di graminacee poliennali.
La meccanizzazione di tutte le fasi colturali è già messa a punto in modo soddisfacente.
Raccolta e logistica. Lo schema in
figura 1 rappresenta il modello di raccolta e logistica dal campo allo stabilimento
con fi liera locale.
Fabbisogno idrico. Per quanto riguarda il fabbisogno idrico delle colture energetiche sono state messe a confronto differenti tecniche di irrigazione
e fertirrigazione volte a minimizzare il
consumo di acqua.
Rese. In questo scenario ci si aspetta
di ottenere fino a 60-65 t/ha di biomassa secca in seguito al miglioramento progressivo delle tecnologie di produzione e
raccolta e insieme al miglioramento genetico. In effetti, ulteriori incrementi
saranno possibili nel breve periodo (12 anni), implementando in serie e con l’economia di scala
consentita da ampie superfici di coltivazione le seguenti
tecnologie:
• fertirrigazione con concimi e
fertilizzanti ottenuti da riprocessamento con biotecnologie
di liquami zootecnici in abbinamento a fitodepurazione;
• miglioramento genetico da
ibridazione di colture annuali-stagionali;
• miglioramento genetico da
selezione massale e successiva
moltiplicazione in purezza di
ecotipi mediterranei di graminacee poliennali;
• messa a punto di buone praFoto 3 - Messa a dimora di Panicum virgatum (dettaglio)
timizzazione delle colture, delle singole fasi del processo di produzione del
bioetanolo e dell’ingegneria necessaria
a portare il processo stesso su scala industriale.
L’impianto pilota precederà gli impianti industriali che il gruppo M&G intende
realizzare per la produzione di bioetanolo su larga scala, per i quali si prevede
un’entrata a regime a partire dal 2011.
Al centro ricerche Chemtex di Rivalta
Scrivia, nel Tortonese, sono impegnati
45 ricercatori, i quali collaborano a loro
volta con altri 50 ingegneri di M&G nella
sede di Tortona.
•
Pretrattamento
della biomassa
Una volta pronta, la biomassa viene tagliata e poi lasciata sul campo a essiccare,
o insilata, oppure può essere trasportata
all’impianto umida. Il rapporto costi/benefici va valutato caso per caso.
La biomassa entra adesso a far parte
del vero e proprio processo di produzione
del bioetanolo, attraverso la prima fase,
detta di pretrattamento.
Il pretrattamento serve a scomporre la
specie lignocellulosica nelle sue tre componenti principali: cellulosa, emicellulosa e lignina. Se non vi fosse pretrattamento, sarebbe molto più difficile attaccare la cellulosa per idrolizzarla, poiché
essa è protetta dall’involucro di lignina,
e inoltre possiede una struttura cristallina molto ordinata e
compatta che la rende indissolubile.
L’emicellulosa è
protetta anch’essa
dalla lignina, tuttavia possiede una
struttura amorfa,
cioè disordinata al
suo interno, un po’
come i fi li di un gomitolo di lana tra
i quali rimangono
molti spazi vuoti.
Pertanto l’emicellulosa, posta per un
certo tempo in condizioni di
alta temperatura e impregna17/2009 • supplemento a L’Informatore Agrario
© 2009 Copyright Edizioni L’Informatore Agrario S.p.A.
37
S
N O V I TÀ
TECNOLOGICHE
TABELLA 1 - Le colture più promettenti per produrre
La cellulosa è accessibile all’attacco enzimatico e pertanto
si passa alla fase di idrolisi per
Graminaceae poliennali (produttività Specie a ciclo annualericavare il glucosio.
annuale a regime dal 2° anno)
stagionale
Gli enzimi adibiti alla funDoppio
zione di scindere la catena
Arundo
Panicum Miscanthus Sorgo ibrido raccolto
molecolare della cellulosa sodonax
virgatum
sinensis
da fibra triticale +
no genericamente definiti celsorgo
lulasi, ma in realtà sono assai
Resa in biomassa
diversi tra loro. Non bisogna
55
37,5
42
45
50
(t/ha)
dimenticare che gli enzimi soValori validi per la Pianura Padana. Questi risultati sono ottenibili con tecnologie
no delle proteine, le quali haninnovative, intensive e sostenibili di fertirrigazione, calibrate in situ con minimo input
no un’incredibile stereo speidrico, chimico ed energetico.
cificità (cioè la conformazione spaziale di ciascun enzima
si separa automaticamente, senza biso- è particolare e inimitabile) e pertanto
gno di uno stadio in più di lavorazione. ciascun enzima serve per una reazioPretrattamento acido
A seconda poi dell’ingegneria dell’uni- ne chimica ben precisa, che coinvolge
tà di steam explosion, delle condizioni una particolare molecola. Ecco perché
Il pretrattamento acido prevede un at- operative di pressione, temperatura, cari- per una trasformazione come quella che
tacco alla struttura vegetale da parte di co di biomassa entrante e altri fattori più subisce la cellulosa in realtà serve un
una soluzione più o meno acida, ad alta specifici, si otterrà una qualità superiore cocktail di enzimi, ognuno dei quali
temperatura (circa 130 °C). La tecnica è o inferiore della biomassa pretrattata, in ha un compito e lavora in serie con gli
semplice e riesce a disgregare la biomas- termini di inibitori, ossia di quei compo- altri enzimi seguendo una sequenza di
sa separandone i principali costituenti, sti chimici che appunto inibiscono le fasi reazioni chimiche successive, che porta
tuttavia apporta degli effetti indesidera- successive di idrolisi o di fermentazione. alla formazione del glucosio.
ti notevoli: da un lato la formazione di
La fermentazione può avvenire in convari sottoprodotti che vanno a sottrarsi
comitanza all’idrolisi enzimatica (all’inIdrolisi enzimatica
alla potenziale resa finale in zucchero,
terno della stessa apparecchiatura) oppue fermentazione alcolica
o peggio ancora rischiano di inibire gli
re può essere effettuata in un fermentaenzimi preposti all’idrolisi della cellutore separato.
Ora la biomassa è pronta per essere
losa oppure i lieviti in fase di fermentaCi sono molti microrganismi che conzione; dall’altro, la necessità di costrui- trasformata completamente in glucosio, vertono gli zuccheri a sei atomi di carbore gli apparati dell’impianto in materiali xilosio e lignina.
nio in etanolo. Ci sono anche microrganiresistenti alla corrosione acida, molto più
smi che riescono a partire dagli zuccheri
Il reattore dove avviene il pretrattamento
costosi, come ad esempio l’acciaio rivea cinque atomi di carbonio e a produrre
della biomassa del Centro ricerche
stito di titanio.
comunque etanolo. Infine, alcuni riescono
di Chemtex di Mossi & Ghisolfi
a effettuare entrambe le trasformazioni.
Pretrattamento acquoso:
Comunque, il lievito Saccharomyces cerevisiae
rimane il preferito da molti, per«steam explosion»
ché è robusto e ha un’elevata tolleranza
Assai meno grossolana è la tecnologia
all’etanolo, il che vuol dire che può contidi pretrattamento acquoso, più precisanuare a fermentare senza problemi in un
mente detta «steam explosion», poiché
ambiente che va arricchendosi di etanolo,
si tratta di un trattamento con vapore
fino a una determinata concentrazione
ad alte pressioni e temperature (circa
che dipende dal ceppo di lievito.
200 °C) che impregna le cellule vegetali facendole letteralmente esplodere
L’etanolo carburante
in seguito al successivo abbassamento
Una volta purificato, distillato dalle
della pressione, che provoca l’espansioacque di fermentazione, separato dal
ne brusca del vapore stesso contenuto
residuo solido (la lignina e gli enzimi
all’interno delle pareti cellulari.
Dalle cellule esplose è poi semplice seormai inattivi), portato alla percentuale
parare la lignina dalla cellulosa attraverso
richiesta per legge, l’etanolo è pronto
la cosiddetta delignificazione della stessa,
per essere miscelato alla benzina tramediante un trattamento alcalino.
dizionale.
•
Michelle Marrone
Però, si può anche scegliere di manGruppo Mossi & Ghisolfi
tenere la lignina assieme alla cellulosa
R&D Project leader, ingegnere chimico
e di portarla avanti attraverso le fasi di
[email protected]
idrolisi enzimatica della cellulosa e ferAlessandro Arioli
mentazione degli zuccheri a etanolo; inUniversità del Piemonte Orientale
fatti in questo modo la lignina è l’unico
Docente in tecnologie delle biomasse, agronomo
solido rimasto alla fi ne del processo e
ta di vapor acqueo, si solubilizza rilasciando in soluzione
gli zuccheri pentosi da cui è
costituita.
La cellulosa invece rimane tal
quale e per arrivare al glucosio
è necessario prima destrutturarla per liberarla dalla lignina, poi scinderla con enzimi appositi (cellulasi) che riescono a
idrolizzarne la catena.
Per liberarla dalla lignina
esistono trattamenti concettualmente diversi tra loro, ad
esempio il pretrattamento acido oppure quello acquoso.
38
bioetanolo di 2ª generazione
supplemento a L’Informatore Agrario • 17/2009
© 2009 Copyright Edizioni L’Informatore Agrario S.p.A.