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
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…qualcosa sta cambiando.
Crescita delle norme ambientali
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Nobel per la chimica 2007
Gerhard Ertl, per i suoi studi
alla base delle marmitte
catalitiche e delle celle a
combustibile
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L’ingegneria chimica
“Trasformare la materia
per migliorare la vita”
Governare i processi di trasformazione
Reazione
Separazione
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…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
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Perché? …anche per questo
Biocombustibili
Nuovi fotovoltaici
+ H2O +
Power
Fotolisi dell’acqua
+ H2O +
H2 + O2
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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.
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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
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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
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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
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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%
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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
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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)
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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
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Un percorso che ha molte
alternative
Bioraffineria
Sintesi
diretta
Gassificazione
Mais
Foglia
artificiale
Alghe
Bioetanolo da cellulosa
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Obiettivo di medio-lungo termine:
governare la fotolisi dell’acqua
Fotosistema II
Jim Barber
Premio Italgas 2005
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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
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La nuova chimica
Roald Hoffmann
Premio Nobel per la Chimica 1981
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...per un ruolo chiave come
un tempo!
Solvay Council
11 Premi Nobel
Bruxelles, Novembre 1911
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