Do#.  Guglielmo  San-  Tutor  Do/.ssa  Silvia  Crognale  Tesi  discussa  il  29  marzo  2012  

 

UNIVERSITÀ  DEGLI  STUDI  DELLA  TUSCIA,  VITERBO  Corso  di  do#orato  

BIOTECNOLOGIA  DEGLI  ALIMENTI-­‐  CICLO  XXIV    

PRODUZIONE  DI  BIOETANOLO  DI  SECONDA  GENERAZIONE  DA  SCARTI  DI  

PROCESSAMENTO  DELLE  ARANCE  

Cremona,  5  marzo  2014  

Des-no  degli  scar-  di  processamento                                  

 Smal0mento  in  discarica  

         -­‐  Perdite  economiche;  -­‐  Inquinamento.  

         Bioconversione      

 e.g.  molte  componenG,  struHurali  e  non  (carboidraG,  grassi...)  degli  scarG  

vegetali…                                    

…possono  essere  converGte  in  bioetanolo.  

Industria  agro-­‐alimentare  ProdoHo  complessivo  nell’UE:      620  milioni  di  tonnellate  ogni  

anno…    

…a  cui  corrispondono  175  milioni  di  tonnellate  di  scarG  (daG  

Eurostat,  ProdCom  Database).  

Bioetanolo  di  prima  generazione    

•  Ampiamente  prodoHo  in  USA  e  Brasile;  

•  Matrici  zuccherine  o  amilacee:  è  semplice  oHenere  zuccheri  fermentabili;  

•  CompeGzione  tra  impiego  alimentare  ed  energeGco.  

 

Bioetanolo  di  seconda  generazione  •  Si  impiegano  fibre  

lignocellulosiche;  •  AbbondanG,  economiche  e  

facilmente  reperibili;  •  RecalcitranG  alla  

bioconversione.  

   

emicellulosa   PRETRATTAMENTO  

lignina  

cellulosa   lignina  cellulosa  

emicellulosa  

Pretra/amen-:  Alte  temperature  e  pressioni  (e.g.  Steam  explosion:  riscaldamento  con  vapore  ad  alta  pressione,  e  rapida  decompressione).  

In  Carboidra-  polimerici  più  accessibili  alla  depolimerizzazione    Out    Compos-  tossici  derivan-  dalla  degradazione  degli  zuccheri  ad  alte  temperature  

Acido  aceGco  

     Glucosio  GalaHosio  Mannosio  Xilosio  

5-­‐idrossimeGl-­‐  furfurale  (HMF)  

Acido  formico      Furfurale      

ComposG  fenolici  

                                                                                                                                                                                           

                     

Emicellulosa   Cellulosa   Lignina  

ProdoV  di  degradazione  della  lignocelluosa  

Buon  pretra#amento  =  1.  Massime  rese;  2.  Minimo  consumo  

energe0co;  3.  Facile  trasferimento  

di  scala.  

Idrolisi  enzima-ca  della  cellulosa  

Fermentazione    Saccharomyces  cerevisiae  è  il  microrganismo  maggiormente  uGlizzato  

Scar-  di  arance  •  >50%  del  materiale  di  partenza;  •  Produzione  annuale  nel  mondo:  ≈  25  

milioni  di  tonnellate;  •  Impiego  commerciale  limitato:  

generalmente  essiccate  per  produrre  mangimi.  

 

Ipotesi  di  proge/o:  Impiegare  gli  scar-  di  arance  per  produrre  bioetanolo.  

Componente   %  di  secco  

Glucosio  libero   6.6±0.69  

Fru/osio  libero   6.8±0.36  

Pec-na   16.9±0.90    

Cellulosa   26.1±2.12  

Emicellulosa   11.9±0.83  

Lignina   1.9±0.71  

Procedura  sperimentale    

Ø  PretraHamento  di  steam  explosion  in  condizioni  acide  mediante  un  impianto  protoGpo  in  scala  di  laboratorio;  

Ø  Messa  a  punto  di  idrolisi  enzimaGca  e  fermentazione  in  beuta;  

 

Ø  Trasferimento  in  bioreaHore  (STR-­‐  s0rred  tank  reactor)  e  sGma  finale  della  resa  complessiva  di  processo.  

Schema   di   processo   dell’impianto   di   steam   explosion   proge/ato   dal   Prof.   Ing.  Mauro  Moresi.    Abbreviazioni:   cf   –   liquido   di   raffreddamento;   CS-­‐   ciclone   separatore;   E   –   camicia   esterna   per   lo  scambio  di  calore;  EV  –  eleHrovalvola;  FI  -­‐  filtro;  M  –  motore  eleHrico;  MI  –  indicatore  di  massa;  NI  –  indicatore  di  velocità;  PI  -­‐  manometro;  R  –  reaHore  agitato  meccanicamente;  RD,  disco  di  roHura;  S  –  vapore  ad  alta  pressione;  SV  –  valvola  di  sicurezza;  TIC  –  indicatore  e  controllore  di  temperatura;  V  –  valvola  manuale.    

Table Cast-Iron Boiler

Cyclone Separator

Reactor

FL 300 Recirculating Cooler/Chiller

PC using the software FactoryTalk® View Machine Edn

Vista  d’insieme  dell’impianto  

Vista  frontale  di  caldaia  e  rea/ore  

Andamento  della  reazione  di  steam  explosion:  

temperatura  (TR:  ¯),  pressione  (PR:  �).  

Dimensioni  del  materiale  di  partenza:  1.0  mm;  Fase  liquida:  acqua  e  H2SO4  (0.5%  v/v);  Concentrazione  di  solido:  160  g  l-­‐1    (per  una  prova  120  g  in  750  ml).  

Pretra/amen-:  condizioni  opera-ve  

Temperature  e  tempi  di  pretra/amento:  130  °C  per  500  s;                            160  °C  per  240  s;    180  °C  per  150  s;    200  °C  per  90  s.  

Analisi  della  frazione  liquida  dopo  il  pretra/amento:  inibitori  

%  dm  Steam  explosion   Autoclave  

200  °C-­‐90  s   180  °C-­‐150  s   160  °C-­‐240  s   130  °C-­‐500  s   130  °C-­‐1h  

Fenoli   2.89±0.14d   2.4±0.01c   2.11±0.28b   1.73±0.02a   2.31±0.06bc  

HMF   1.23±0.04d   0.73±0.01b   0.69±0.08a   0.63±0.04a   0.90±0.01c  

Furfurale   n.d.  †   n.d.  †   n.d.  †   n.d.  †   0.35±0.01  

Acido  formico   1.45±0.21b   0.84±0.03a   0.77±0.04a   0.67±0.02a   0.74±0.10a  

Acido  ace-co       0.88±0.09a   0.79±0.08a   0.77±0.07a   0.69±0.05a   0.78±0.06a  

†  non  rilevato  

I  valori  sono  più  bassi  di  quelli  trovaD  in  leEeratura  dopo  pretraEamenD  simili  

Concentrazioni  sempre  al  di  soEo  della  soglia  di  tolleranza  di  S.  cerevisiae  

Idrolisi  enzima-ca  in  beuta  agitata  •  pH  5;    •  T  50  °C;    •  Agitazione  orbitale  

160  rpm;    •  Durata  72h.    

Fermentazione  in  beuta  agitata  

•  Precoltura  (24h)  di                                        S.  cerevisiae  F15  

•  T  30  °C;    •  Agitazione  orbitale  90  rpm;      

Dagli  scar-  pretra/a-  a  200  e  180  °C  si  oVene  la  massima  resa  in  glucosio  (circa  il  60%)  

Dall’idrolizzato  derivante  da  pretra/amento  a  180  °C  si  oVene  la  massima  resa  in  etanolo  (49,8  g  etOH/100  g  zuccheri  consuma-).  Il  teorico  è  51.1.  

Scaling-­‐up:  pretra/amento  a  180  °C  per  150  s  a  triplo  carico  di  solido  

Scaling-­‐up:  idrolisi  enzima-ca  in  rea/ore  STR  da  7  L  

Beuta  agitata   biorea/ore  

Resa  glucosio  (%)   55.73±3.34a     67.16±0.51b  

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

% re

leas

ed

time (h)

glucose

solid solubilization

0

4

8

12

16

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

7

Eth

anol

(g/L

)

Time (h)

CO

2 (%

)

% CO2ethanolCO2

Scaling-­‐up:  fermentazione  in  batch  ripetuto  in  biorea/ore  STR  da  1-­‐L    

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20 25 30 35

g/l

time (h)

glucosemicrobial biomassfructose

1st recyclebatch  

n.

Resa

%

Produtt.

(g  L-­‐1 h-­‐1)

1 30.6±0.21a 0.7±0.04a

2 33.5±0.48b 1.6±0.11b

3 36.9±1.04c 2.1±0.09c

4 49.2±0.72d 5.5±0.07  d

5 48.1±1.65d 5.6±0.08  d

Conclusioni  •  ScarG  di  arance:  un  substrato  adaHo  alla  produzione  di  etanolo  

grazie  alle  considerevoli  percentuali  di  zuccheri  liberi  e  cellulosa;  •  Impianto  protoGpo:   riscaldamento   rapido,   controllo   preciso   del  

tempo   e   della   temperatura   di   reazione,   limitata   formazione   di  inibitori;  

•  Solido   pretraHato:   efficientemente   idrolizzabile   da   cellulasi  commerciali;    

•  Idrolizzato:  efficientemente  fermentato  da  S.  cerevisiae  con  resa  vicina  a  quella  teorica.  Da  una  tonnellata  di  scarG  di  arance  153  l  etanolo.  

Possibilità  di  sviluppo  •  Incrementare  la  concentrazione  di  zuccheri  nell’idrolizzato  finale;  •  Migliorare   il   processo   di   batch   ripetuto   mediante   riciclo   con  

membrane;  •  EffeHuare  valutazioni  economiche  ed  energeGche  (e.g.  LCA).  

Grazie  a:  Do/.ssa  Silvia  Crognale  

Do/.  Alessandro  D’Annibale  Prof.  Maurizio  Petruccioli  

Prof.  Mauro  Moresi  

IBAF – Istituto di Biologia Agro-Ambientale e Forestale

Dipartimento: Scienze della terra e tecnologie per l’ambiente

Alberto Battistelli (primo ricercatore) Stefano Moscatello (ricercatore)

Simona Proietti (ricercatore)

Guglielmo Santi (Post-doc) Walter Stefanoni (dottorando) Francesca Brizi (tirocinante)

IL NOSTRO GRUPPO

Proge/o  Premiale  CNR    “Energia  da  fon-  rinnovabili”  -­‐  Valorizzazione  dei  digesta-  derivan-  dalla  produzione  di  biogas  

Digestato  da  insilato  di  mais:  conGene  ancora  molta  cellulosa  (35  %  dm),  emicellulosa  (24  %  dm)  e  lignina  (27  %  dm).  

Può  essere  valorizzato  mediante  bioraffinazione:  colGvazione  di  funghi  ligninoliGci.  

§  Degradazione  della  lignina;  §  Produzione  di  funghi  edibili;  §  OHenimento  di  prodoo  

d’interesse  (chiGna)  dai  funghi.  

…grazie  per  la  vostra  aEenzione.  

Villa  Paolina,  Porano  (TR),  XVII-­‐XVIII  sec.    Sede  centrale  IBAF-­‐CNR