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BIOETANOLO La biomassa trova impiego nella produzione dei biocarburanti. Sotto il nome di biocarburanti o biocombustibili rientrano i combustibili derivanti.

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1 BIOETANOLO La biomassa trova impiego nella produzione dei biocarburanti. Sotto il nome di biocarburanti o biocombustibili rientrano i combustibili derivanti dalla lavorazione di sostanze organiche. Bioetanolo: derivante dalla fermentazione di prodotti agricoli ricchi di zuccheri. Può sostituire la benzina nelle macchine funzionanti a ciclo Otto. Può essere utilizzato direttamente come componente per benzine (attualmente viene miscelato con la benzina tradizionale fino ad una quantità pari al 30% in volume, senza che il motore abbia bisogno di particolari accorgimenti tecnici)

2 per la preparazione dell'ETBE (etil-terbutiletere), un derivato alto- ottanico alternativo all'MTBE (metil-terbutiletere), quindi con migliori caratteristiche antidetonanti. ETBE MTBE

3 Le materie prime per la produzione di bioetanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi: Coltivazioni ad hoc (mais, sorgo, orzo, bietola, e canna da zucchero); Residui di coltivazioni agricole e forestali; Eccedenze agricole temporanee ed occasionali; Residui di lavorazioni delle industrie agrarie e agro-alimentari; Rifiuti urbani. Il bioetanolo può anche essere ottenuto dalle biomasse di tipo cellulosico e dai sottoprodotti delle coltivazioni. Le principali materie prime finora utilizzate per la sua produzione restano pertanto i cereali, la canna da zucchero e le barbabietole.

4 Le materie prime – I residui agricoli Disponibilità (t/ha) Paglia di frumento tenero 3-6 Paglia di frumento duro 3-5 Stocchi di mais 4,5-6 Tutoli e brattee di mais 1,5-2,5 Sarmenti di vite3-4 Frasche di ulivo 1-2,5 Le materie prime – FORSU ( Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano) Composizione Verde 30 % cellulosa 30 % emicellulosa Residui alimentari 20 % cellulosa

5 Le materie prime – Le colture dedicate Disponibilità Composizione Sorgo 25 t/ha 11 % cellulosa 18 % emicellulosa Canna 25 t/ha 31 % cellulosa 22 % emicellulosa Panico 17 t/ha 31 % cellulosa 20 % emicellulosa

6 CARATTERISTICHE INDICATIVE DI ALCUNE BIOMASSE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA produttività t/ha s.s. % P.C.I. TIPO 1 anno 5 anni 10 anni tal quale kCal/kg s.s. Sorgo Kenaf Miscantus Arundo Donax (canna) Topinambur Ginestra Robinia Pioppo Salice Paglia Stocchi di mais Stocchi di girasole Potature di vite 1, Sansa Lolla

7 Kenaf Hibiscus Cannabinis Panico Topinambur

8 Il Brasile cominciò a produrre bioetanolo nel 1975, utilizzando canna da zucchero come materia prima, è il principale produttore a livello mondiale, e copre con questo carburante circa il 20% dei consumi per i trasporti. Nei Paesi Industrializzati, le biomasse contribuiscono per appena il 3% agli usi energetici primari, mentre nellUnione Europea è pari al 3,5% dei consumi energetici totali, con punte del 18% in Finlandia e del 17% in Svezia. Produzione mondiale di benzina Produzione mondiale di bioetanolo 1236 Miliardi di litri/anno 36,5 Miliardi di litri/anno

9 Processi di produzione per lottenimento del Bioetanolo PRETRATTAMENTO DETOSSIFICAZIONE IDROLISI FERMENTAZIONE DISTILLAZIONE

10 PRETRATTAMENTO Chimico, Steam explosion, AFEX, Microbiologico

11 Chimico: NaOH (aq) al 8-12 %, a °C, durata minuti Steam explosion: fase 1: saturazione con vapore acqueo a 1,5-4 MPa a °C per 1-10 minuti fase 2: trasferimento a pressione atmosferica e decompressione esplosiva AFEX: steam explosion con impiego di ammoniaca Microbiologico: degradazione della lignina con funghi (Phanerochaete crysosporium)

12 La detossificazione Le soluzioni in fase di sperimentazione Chimica: opzione 1: precipitazione variando il pH con Ca(OH) 2 e H 2 SO 4 –fase 1: pH 9-10, a °C –fase 2: pH 6, a 30 °C –fase 3: filtrazione a 0,2 μm opzione 2: adsorbimento su carbone attivo, terra di diatomee o resine a scambio ionico Fisica: –separazione per evaporazione sottovuoto degli inibitori volatili (acido acetico, furfurale)

13 Chimica Lidrolisi avviene in una torre di distillazione detta colonna cromatografica costituita di silice o allumina, e si effettua in due stadi: 1.Si utilizza come catalizzatore H 2 SO 4 0,7% in peso; la temperatura è elevata e tempi di permanenza di circa 3 minuti. Il queste condizioni piuttosto blande si idrolizza solamente lemicellulosa, la quale si scinde nei suoi monomeri di xilosio, arabinosio, glucosio. IDROLISI arabinosio xilosio

14 2.Si utilizza come catalizzatore ancora H 2 SO 4, a concentrazioni molto elevate (70%); la temperatura è di circa 50°C e il tempo di permanenza di 3 minuti. In queste condizioni si idrolizza la cellulosa, la quale si scinde nei suoi monomeri di Glucosio. In testa alla colonna di distillazione si ricava lacido solforico, mentre sul fondo si raccoglie la miscela acido-zuccheri, allontanando leventuale residuo solido non reagito, contenente lignina. Questo residuo viene nuovamente inviato alla colonna dove subisce un processo ciclico fino alla completa separazione della lignina (lo scarto effettivo) dai composti che devono ancora idrolizzarsi.

15 Gli zuccheri semplici in uscita dalla colonna cromatografica possono ora convertirsi in bioetanolo tramite il processo di fermentazione. Enzimatica: -endocellulasi (1,4–β-D-4-glucanidrolasi) -esocellulasi (1,4-β-D-glucan glucanoidrolasi o cellodestrinasi): β-glucoside glucoidrolasi

16 Si svolge in due fasi: Lenzima Cerevisiae scinde, i disaccaridi. La reazione chimica è la seguente: C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 per cui dal saccarosio (zucchero di canna) si formano monosaccaridi ed isomeri Glucosio Fruttosio invertasi FERMENTAZIONE Operata da una particolare classe di enzimi, i Saccaromices, dei quali il più comune è il Cerevisiae, presente ad esempio nel lievito di birra.

17 Dagli zuccheri semplici si ha la formazione di etanolo tramite il processo di fermentazione alcolica. questo, disidratandosi, forma come intermedio 2 molecole α-metil glicossale (piruvato). In condizioni anaerobiche si verifica dapprima la glicolisi, dove la molecola di glucosio, difosforilata da due ATP si scinde in due molecole C 3 H 6 O 3, Successivamente, ad opera dell'enzima saccarasi, forma acido piruvico, con formula bruta CH 3 COCOOH con due gruppi carbossilici,

18 L'assenza di ossigeno determina il passaggio ai processi caratteristici della fermentazione. Spezzando il gruppo COOH, l'acido viene privato di una molecola di anidride carbonica, liberata allesterno, per formare come prodotto lacetaldeide, con formula bruta CH 3 COH. Infine, lacetaldeide si lega a due ioni idrogeno grazie al NADH (nicotinammideadenindinucleotide), il cui ruolo biologico consiste nel permettere le ossidoriduzioni, tramite la sua liberazione di ioni idrogeno. Il NADH ricarica così le molecole di NAD +, mentre lacetaldeide, grazie ai due ioni idrogeno, forma l'etanolo.

19 C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 piruvato acetaldeide etanolo Piruvato- decarbossilasi Glicolisi Alcool-deidrogenasi NAD + NADH + H +


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