una sfida per l`ingegnere chimico
Transcript
una sfida per l`ingegnere chimico
Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico Guido Saracco Politecnico di Torino Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica E-mail: [email protected] E’ ancora questa l’immagine della chimica? Seveso (Italia), 1976 diossina Bophal (India), 1984 Tolosa (Francia), 2001 MIC nitrato di ammonio G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 2 …qualcosa sta cambiando. Crescita delle norme ambientali G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 3 Nobel per la chimica 2007 Gerhard Ertl, per i suoi studi alla base delle marmitte catalitiche e delle celle a combustibile G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 4 L’ingegneria chimica “Trasformare la materia per migliorare la vita” Governare i processi di trasformazione Reazione Separazione G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 5 …qualcosa sta cambiando. Immatricolazioni al Politecnico di Torino 180 160 140 120 100 80 60 40 Corso di Laurea in INGEGNERIA CHIMICA (Torino) 20 Corso di Laurea in INGEGNERIA ENERGETICA (Torino) 0 Anno Accademico Anno Accademico Anno Accademico Anno Accademico Anno Accademico 2003-2004 2004-2005 2005-2006 2006-2007 2007-2008 G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 6 Perché? …anche per questo Biocombustibili Nuovi fotovoltaici + H2O + Power Fotolisi dell’acqua + H2O + H2 + O2 G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 7 Biocombustibili: un’era d’oro è alle porte Fonte: “International Energy Agency www.iea.org” Ogni scenario evolutivo elaborato dalla International Energy Agency prevede un futuro di significativo incremento dell’uso dei biocombustibili. G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 8 Meglio far altro con il petrolio! glicol-etilenico etilene propilene polietilene polipropilene acrilonitrile 1 Barile di PETROLIO butadiene buteni 72 litri aromatici di nafta (1000 km di viaggio) 21 magliette 276 m² di film per serre o 146 m di tubi per gas 4 cassette per bottiglie o 30 rotoli di spago 21 maglioni o 5 coperte elastomeri 1 pneumatico o 13 pneumatici da bicicletta 3 camere d'aria per auto o 17 camere d'aria per bicicl. caprolattame 500 paia di collant Fonte: BP Chemicals G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 9 Etanolo da biomassa lignocellulosica Vantaggi principali: • Relativa abbondanza biomasse (foreste+sfalci agricoli) • Biomassa meno costosa • Rese di circa 4 volte superiori per superficie coltivata (fino 10 t/ha di etanolo) • Nessuna competizione con il cibo G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 10 Etanolo da biomassa Lignocellulosica: il processo …l’ingegnere chimico interviene in ogni stadio per sviluppare un processo “robusto” con più materiali di alimentazione possibili e un prodotto conveniente con gli strumenti di bioingegneria, termochimica, nanotecnologie,... Etanolo Separazione Prodotti Target produttività: 200 kg/m3h Preparazione Biomassa Pretrattamento Detossificazione Neutralizzazione Produzione Biopolimeri da C5 e C6 Separazione Liquidi - Solidi Fermentazione Zuccheri Lavorazione co-prodotti Idrolisi Enzimatica Coprodotti Produzione Enzimi G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 11 Una tecnologia che può progredire su più fronti Miglioramento del pretrattamento Migliorare rese e consumi dei processi di comminuzione e pretrattamento in situ così da evitare il trasporto della biomassa. sviluppare metodi termochimici di disgregazione della struttura lignocellulosica (es. steam o NH3 explosion) che aumentino la resa in etanolo minimizzare i sotto prodotti nocivi (furani, acidi, fenoli,..) e sviluppare processi di loro rapida estrazione esplorare vie biologiche (funghi, termiti) o biochimiche (enzimi speciali) per disgregare o post-convertire la lignina. esplorare processi di dissoluzione selettiva della cellulosa in liquidi ionici steam explosion Rese in etanolo 5-10% Rese in etanolo 85-90% G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 12 Una tecnologia che può progredire su più fronti Migliorare il processo di idrolisi nuovi enzimi attraverso ingegneria genetica ed ottimizzazione del “pacchetto enzimatico” abilitare la possibilità di trattare substrati differenti Abilitare la possibilità di condurre la idrolisi congiuntamente alla fermentazione (SSF = simultaneous saccarification and fermentation) Cercare di ridurre i tempi di permanenza e i volumi necessari con una adeguata progettazione dei reattori e una accurata caratterizzazione della reologia delle miscele trattate. µ>10 Pa·s G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 13 Una tecnologia che deve progredire su più fronti Sviluppo di sistemi fermentativi: riuscire a metabolizzare diversi zuccheri insieme esosi pentosi e finanche la lignina reprimere l’inibizione da cataboliti attraverso vie reattoristiche (fed-batch) o genetiche (sviluppo di microorganismi specifici) per poter lavorare a concentrazioni più elevate di etanolo con rese accettabili. sviluppo di culture termofile e che lavorino a basso pH sviluppo di sistemi che estraggano l’etanolo mentre viene prodotto. Concentrations (g/L) per 12 % Fibres Fed-Batch SSF 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Glucose Ethanol 0 50 100 150 200 Time (h) G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 14 Una tecnologia che deve progredire su più fronti Esplorare nuove tecniche di separazione/concentrazione: cercare di evitare processi ad alti consumi energetici quali la distillazione Sviluppo di materiali adsorbenti intelligenti attraverso processi nanotecnologici (es. gel polimerici ad assorbimento selettivo e desorbimento comandato attraverso impulsi di parametri come il pH, la T, la luce, campi magnetici,…) Sviluppo di tecniche di rilascio dell’etanolo in quantitativi di acqua minimali, Responsive gel particle T, hν Hydrophobic domains for selective solubulizatio n of ethanol pH, ∆ψ + + Hydrophobic domains disrupted to reduce selectivity for ethanol Charged groups disrupt solubilization zones Source: Prof. Wang, MIT G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 15 Un percorso che ha molte alternative Bioraffineria Sintesi diretta Gassificazione Mais Foglia artificiale Alghe Bioetanolo da cellulosa G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 16 Obiettivo di medio-lungo termine: governare la fotolisi dell’acqua Fotosistema II Jim Barber Premio Italgas 2005 G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 17 Obiettivo di medio-lungo termine: governare la fotolisi dell’acqua Energia solare annuale (100,000TWh) O2 1 ora di energia dal sole equivale a 1 anno di consumi del pianeta Fotosistema II 2H2 2H2O Consumo annuale (14TWh) O2 Se lo può fare una foglia, perchè noi no? E’ nato ad Alessandria il Biosolar Lab sotto la direzione del Prof. Barber G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 18 La nuova chimica Roald Hoffmann Premio Nobel per la Chimica 1981 G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 19 ...per un ruolo chiave come un tempo! Solvay Council 11 Premi Nobel Bruxelles, Novembre 1911 G. Saracco, Bioetanolo di seconda generazione: una sfida per l’ingegnere chimico, 04/03/2009 20