The use of residual biomass for bio-energy and green chemicals is a real opportunity to contribute to the sustainable development. These materials are mainly composed polycarbohydrates (cellulose, hemicellulose) and phenolic polymers (lignin) and have huge potential for practical use. The lignocellulosic biomass, after a suitably conditioning, is used as substrates for fermentation and source of aromatics to produce biofuels or chemical building blocks. Subsequent processes of separation, purification and chemical synthesis may be used to access an extremely wide range of products. A key step of this transformation is the separation of the three macronutrients, a stage called pretreatment that can be realized in very different ways. Of particular interest is the use of saturated steam, at about 200 °C, which is efficient, inexpensive and with low environmental burden. A side effect of the hydrothermal pretreatment is the production of byproducts, arising from the dehydration of sugars, which may affect the subsequent stages. In this work the authors pioneered the use of a paddle dryer, downstream of the pretreatment of straw by steam explosion and upstream of the subsequent processes of hydrolysis and fermentation. The air drying was employed for the removal of inhibitors of alcoholic fermentation, such as acetic acid and furfural, and to improve the enzymatic hydrolysis at high initial concentration of solid. The dryer was used in different configurations. The best results were obtained with the detoxification treatment of one hour at 65 °C, with the simultaneous spraying of water on the biomass. In this way the initial concentration of acetic acid and furfural in the substrate (2.4% and 00:26% by weight, respectively) was reduced by an order of magnitude. Hydrolysis tests showed an increase of hydrolysis yield from 47-70% to 70-93% respectively in the raw exploded and the exploded detoxified. While the not-detoxified exploded straw did not produced ethanol after hydrolysis, the conditioned exploded gave an ethanol yield of 96%. The drying system was used as hydrolysis reactor for very high ratios solid / liquid. The yield of enzymatic hydrolysis in this configurations, with a load of solid of 40% by weight, increased by 51% compared to traditional bioreactors. Additionally, the fluidity of the slurry was sufficient to be pumped in normal lines plant, the provision of particular importance to the scalability of the industrial process.

L’impiego di biomasse residuali per ottenere bioenergia e green chemicals è una concreta possibilità di contribuire allo sviluppo sostenibile. Questi materiali sono composti principalmente da policarboidrati (cellulosa, emicellulosa) e polimeri fenolici (lignina) e hanno grandi potenzialità di utilizzo. Le biomasse lignocellulosiche opportunamente condizionate, sono utilizzate come substrato di fermentazione e riserva di sostanze aromatiche per produrre biocombustibili o monomeri di base. Una fase fondamentale di questa trasformazione è la separazione dei tre macrocostituenti, uno stadio chiamato pretrattamento che può essere realizzato in modalità anche molto varie. Di particolare interesse è l’utilizzo di vapore saturo a ca 200°C, che è efficace, economico e con un basso impatto ambientale. Un effetto collaterale dei pretrattamenti idrotermici è la produzione di molecole indesiderate, derivanti dalla disidratazione di alcuni zuccheri, che possono inficiare i successivi stadi. Il successo dell’intera filiera dipende dall’ottimizzazione di questi primi stadi della bioraffinazione che, infatti, è stato l’obiettivo di uno dei più impegnativi progetti del programma del Ministero dello Sviluppo Economico Industria 2015, il PR.IT. (Sviluppo di una tecnologia di PRetrattamento ITaliana per la produzione di bioetanolo di seconda generazione) in cui è stata largamente coinvolta l’ENEA. Nelle attività di cui si riporta, gli autori hanno sperimentato l’impiego di un essiccatore a pale cave, interposto a valle del pretrattamento di steam explosion di paglia di grano e a monte dei successivi processi di idrolisi e fermentazione. L’essiccatore è stato impiegato con successo per la rimozione di alcuni inibitori della fermentazione alcolica e per migliorare l’idrolisi enzimatica ad alta concentrazione iniziale di solido sia in termini di resa che di fluidificazione. L’essiccatore è stato utilizzato in diverse configurazioni. I migliori risultati di detossificazione sono stati ottenuti con trattamenti di un’ora a 65°C, con l’ausilio di uno spray addizionale di acqua. In questo modo la concentrazione iniziale di acido acetico e furfurale nel substrato (2,4% e 0.26% in peso rispettivamente) si sono ridotte di circa un ordine di grandezza. Prove d’idrolisi e fermentazione hanno dimostrato incrementi di resa d’idrolisi (da 47-70% nell’esploso tal quale a 70-93% nell’esploso detossificato) e produzioni alcoliche con rese del 96% rispetto ai potenziali stechiometrici. Una configurazione innovativa sperimentata nell’ambito del progetto è consistita nell’utilizzo del sistema di essiccazione a pale cave come reattore di idrolisi per elevati rapporti solido/liquido. Le idrolisi enzimatiche effettuate in questa configurazione con un carico di solido del 40% in peso hanno avuto un aumento di resa del 51% rispetto ai sistemi tradizionali da banco. Inoltre, la fluidità dello slurry era sufficiente da potere essere pompato e immesso nelle normali linee d’impianto già nella prima ora di idrolisi, una prestazione di particolare rilievo per la scalabilità industriale del processo.

Condizionamento di materiale lignocellulosico per la produzione di etanolo di seconda generazione

Valerio, V.;De Corato, U.;Cerone, N.;Viola, E.;Arcieri, G.;Zimbardi, Francesco
2016

Abstract

L’impiego di biomasse residuali per ottenere bioenergia e green chemicals è una concreta possibilità di contribuire allo sviluppo sostenibile. Questi materiali sono composti principalmente da policarboidrati (cellulosa, emicellulosa) e polimeri fenolici (lignina) e hanno grandi potenzialità di utilizzo. Le biomasse lignocellulosiche opportunamente condizionate, sono utilizzate come substrato di fermentazione e riserva di sostanze aromatiche per produrre biocombustibili o monomeri di base. Una fase fondamentale di questa trasformazione è la separazione dei tre macrocostituenti, uno stadio chiamato pretrattamento che può essere realizzato in modalità anche molto varie. Di particolare interesse è l’utilizzo di vapore saturo a ca 200°C, che è efficace, economico e con un basso impatto ambientale. Un effetto collaterale dei pretrattamenti idrotermici è la produzione di molecole indesiderate, derivanti dalla disidratazione di alcuni zuccheri, che possono inficiare i successivi stadi. Il successo dell’intera filiera dipende dall’ottimizzazione di questi primi stadi della bioraffinazione che, infatti, è stato l’obiettivo di uno dei più impegnativi progetti del programma del Ministero dello Sviluppo Economico Industria 2015, il PR.IT. (Sviluppo di una tecnologia di PRetrattamento ITaliana per la produzione di bioetanolo di seconda generazione) in cui è stata largamente coinvolta l’ENEA. Nelle attività di cui si riporta, gli autori hanno sperimentato l’impiego di un essiccatore a pale cave, interposto a valle del pretrattamento di steam explosion di paglia di grano e a monte dei successivi processi di idrolisi e fermentazione. L’essiccatore è stato impiegato con successo per la rimozione di alcuni inibitori della fermentazione alcolica e per migliorare l’idrolisi enzimatica ad alta concentrazione iniziale di solido sia in termini di resa che di fluidificazione. L’essiccatore è stato utilizzato in diverse configurazioni. I migliori risultati di detossificazione sono stati ottenuti con trattamenti di un’ora a 65°C, con l’ausilio di uno spray addizionale di acqua. In questo modo la concentrazione iniziale di acido acetico e furfurale nel substrato (2,4% e 0.26% in peso rispettivamente) si sono ridotte di circa un ordine di grandezza. Prove d’idrolisi e fermentazione hanno dimostrato incrementi di resa d’idrolisi (da 47-70% nell’esploso tal quale a 70-93% nell’esploso detossificato) e produzioni alcoliche con rese del 96% rispetto ai potenziali stechiometrici. Una configurazione innovativa sperimentata nell’ambito del progetto è consistita nell’utilizzo del sistema di essiccazione a pale cave come reattore di idrolisi per elevati rapporti solido/liquido. Le idrolisi enzimatiche effettuate in questa configurazione con un carico di solido del 40% in peso hanno avuto un aumento di resa del 51% rispetto ai sistemi tradizionali da banco. Inoltre, la fluidità dello slurry era sufficiente da potere essere pompato e immesso nelle normali linee d’impianto già nella prima ora di idrolisi, una prestazione di particolare rilievo per la scalabilità industriale del processo.
The use of residual biomass for bio-energy and green chemicals is a real opportunity to contribute to the sustainable development. These materials are mainly composed polycarbohydrates (cellulose, hemicellulose) and phenolic polymers (lignin) and have huge potential for practical use. The lignocellulosic biomass, after a suitably conditioning, is used as substrates for fermentation and source of aromatics to produce biofuels or chemical building blocks. Subsequent processes of separation, purification and chemical synthesis may be used to access an extremely wide range of products. A key step of this transformation is the separation of the three macronutrients, a stage called pretreatment that can be realized in very different ways. Of particular interest is the use of saturated steam, at about 200 °C, which is efficient, inexpensive and with low environmental burden. A side effect of the hydrothermal pretreatment is the production of byproducts, arising from the dehydration of sugars, which may affect the subsequent stages. In this work the authors pioneered the use of a paddle dryer, downstream of the pretreatment of straw by steam explosion and upstream of the subsequent processes of hydrolysis and fermentation. The air drying was employed for the removal of inhibitors of alcoholic fermentation, such as acetic acid and furfural, and to improve the enzymatic hydrolysis at high initial concentration of solid. The dryer was used in different configurations. The best results were obtained with the detoxification treatment of one hour at 65 °C, with the simultaneous spraying of water on the biomass. In this way the initial concentration of acetic acid and furfural in the substrate (2.4% and 00:26% by weight, respectively) was reduced by an order of magnitude. Hydrolysis tests showed an increase of hydrolysis yield from 47-70% to 70-93% respectively in the raw exploded and the exploded detoxified. While the not-detoxified exploded straw did not produced ethanol after hydrolysis, the conditioned exploded gave an ethanol yield of 96%. The drying system was used as hydrolysis reactor for very high ratios solid / liquid. The yield of enzymatic hydrolysis in this configurations, with a load of solid of 40% by weight, increased by 51% compared to traditional bioreactors. Additionally, the fluidity of the slurry was sufficient to be pumped in normal lines plant, the provision of particular importance to the scalability of the industrial process.
Pretrattamento;Bioetanolo;Pale cave;Detossificazione;Idrolisi enzimatica
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12079/6733
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