La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

FERMENTAZIONE ACETON BUTILICA ETANOLICA (ABE) parte prima: storia, microbiologia, biochimica e fisiologia.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "FERMENTAZIONE ACETON BUTILICA ETANOLICA (ABE) parte prima: storia, microbiologia, biochimica e fisiologia."— Transcript della presentazione:

1 FERMENTAZIONE ACETON BUTILICA ETANOLICA (ABE) parte prima: storia, microbiologia, biochimica e fisiologia

2 Chaim Weizmann ( ) IL PADRE DELLA FERMENTAZIONE ABE

3

4 FERMENTAZIONE ABE: UN PO DI STORIA Dallinizio secolo al 1914: butanolo per produzione di gomma sintetica amidi da patate e cereali usati come substrati per la fermentazione Dal 1914 al 1918 (I Guerra Mondiale): acetone solvente colloidale della nitrocellulosa (fulmicotone) nella preparazione della cordite butanolo conservato in serbatoi amido da cereali usato come substrato per la fermentazione Periodo interbellico: butanolo solvente per nitrocellulosa a bassa viscosità nella preparazione di vernici per automobili melasse come substrato per la fermentazione II Guerra Mondiale: acetone per fabbricazione esplosivi melasse come substrato per la fermentazione Dal 1945 al 1960: declino del processo e quindi chiusura degli impianti processo petrolchimico economicamente competitivo elevati costi delle melasse e del carbone (necessario per generare vapore)

5 MICROORGANISMI Clostridium acetobutylicum butanolo - acetone - etanolo 6:3:1 Clostridium beijerinckii butanolo - isopropanolo - etanolo 6:3:1 Clostridium saccharoperbutilacetonicum butanolo – acetone/isopropanolo 2:1 Clostridium tetanomorphum butanolo - etanolo 1:1

6

7

8

9

10 UTILIZZO DEGLI ZUCCHERI Esosi Embden-Meyerhof (Glicolisi) 2 ATP + 2 NADH / 1 Esoso Pentosi via Pentoso fosfati 5 ATP + 5 NADH / 3 Pentoso

11 pathway biochimici in acetobutilicum. reazioni che predominano durante la fase acidogenica (A) e la fase solventogenica (B) della fermentazione sono mostrati dalle freccie. Gli enzimi sono indicati dalle lettere come segue: (A) gliceraldeide- 3P.DH, (B) piruvato-ferrodossina ossidoriduttasi, (C) NADH ferrodossina ossidoriduttasi, (D) NADPH ferrodossina ossidoriduttasi (E) NADH rubredossina ossidoriduttasi (F) Idrogenasi, (G) Foasfato-acetil transferasi (fosfo-trans-acetilasi), (H) acetato chinasi, (I) Tiolasi (acetil-CoA acetil transferasi), (J) 3- idrossi-butirril-CoA DH, (K) Crotonasi, (L) butirril CoA DH (M) fosfato butil transferasi, (fosfotrans butirilasi), (N) butirrato chinasi, (O) acetaldeide DH, (P) etanolo DH (Q) butiraldeide DH, (R) butanol DH, (S) acetoacetil-CoA: acetato/butirrato: CoA transferasi, (T) acetoacetato decarbossilasi, (U) fosfoglucomutasi, (V) ADP- glucosio-pirofosorilasi, (W) granulosio (glicogeno) sintasi, (X) granulosio fosforilasi.

12 pathway biochimici in acetobutilicum. reazioni che predominano durante la fase acidogenica (A) e la fase solventogenica (B) della fermentazione sono mostrati dalle freccie. Gli enzimi sono indicati dalle lettere come segue: (A) gliceraldeide-3P.DH, (B) piruvato-ferrodossina ossidoriduttasi, (C) NADH ferrodossina ossidoriduttasi, (D) NADPH ferrodossina ossidoriduttasi (E) NADH rubredossina ossidoriduttasi (F) Idrogenasi, (G) Foasfato-acetil transferasi (fosfo- trans-acetilasi), (H) acetato chinasi, (I) Tiolasi (acetil-CoA acetil transferasi), (J) 3-idrossi-butirril-CoA DH, (K) Crotonasi, (L) butirril CoA DH (M) fosfato butil transferasi, (fosfotrans butirilasi), (N) butirrato chinasi, (O) acetaldeide DH, (P) etanolo DH (Q) butiraldeide DH, (R) butanol DH, (S) acetoacetil-CoA: acetato/butirrato: CoA transferasi, (T) acetoacetato decarbossilasi, (U) fosfoglucomutasi, (V) ADP-glucosio- pirofosorilasi, (W) granulosio (glicogeno) sintasi, (X) granulosio fosforilasi.

13

14 ELEMENTI CHIAVE PER LA SOLVENTOGENESI pH nel medium [acidi org. indissociati out ] biomassa [acidi organici in ]pH 2 nel bioreattore produzione H 2 velocità di crescita (sino a cessazione) SOLVENTOGENESI

15 ELEMENTI CHIAVE PER LA SOLVENTOGENESI Pressione parziale H 2 : pH2 produzione di H2 NAD(P)H produzione butanolo ed etanolo Effetto del CO: inibisce H2ase incremento NAD(P)H. Se flussato nel bioreattore (meglio se in presenza di acetato e butirrato) incremento produzione butanolo ed etanolo

16 pH esterno produzione di solventi a pH tra 3.5 e 5.5 (optimum 4.5). In alcuni ceppi industriali si ha solventogenesi anche a pH superiori ( ) discesa del pH è importante per consentire il passaggio alla fase solventogenica ma non è il segnale di innesco Acidi organici acetato e butirrato indissociati si accumulano e si ripartiscono tra medium e citoplasma agiscono come disaccoppianti, lasciando entrare H + collasso gradiente di pH rallentamento e cessazione della crescita solventogenesi come detossificazione pH interno al termine della fase acidogenica (pH esterno 4.5) C. acetonbutylcum è in grado di mantenere un pH alcalino di unità di pH necessaria ATPasi pompa protonica. Se inibita arresto crescita Temperatura 30°C – 33°C. A 37°C si riduce la produzione di solventi ELEMENTI CHIAVE PER LA SOLVENTOGENESI

17 Crescita e solventogenesi nutrienticrescita ed acidogenesi (massima produzione di energia) ATP mantenimento pH rallentamento e stop crescita SOLVENTOGENESI (detossificazione)

18 ELEMENTI CHIAVE PER LA SOLVENTOGENESI Tolleranza ai solventi metabolismo cessa intorno ai 20 g/l di solventi nel medium butanolo è il più tossico e quello che in fermentazione raggiunge livelli inibitori della crescita (12-16 g/l) butanolo distrugge componente fosfolipidica della membrana cellulare incremento della fluidità della membrana destabilizzazione distruzione di alcune funzioni legate alla membrana (ATPase per gradiente pH, uptake di zuccheri ed amminoacidi)

19 LIMITI DEL PROCESSO CONVENZIONALE Costi elevati delle materie prime (da mais e melasse), rispetto all sintesi chimica. Butanolo tossico per il microorganismo. Basse concentrazioni solventi alti costi di distillazione. Limitazioni intrinseche del processo, quali: basse rese in solventi rapporti tra i solventi prodotti spesso diversi da quelli desiderabili. Processo complesso da gestire. Bisogna mantenere sterilità. Contaminazioni (fagi) creano problemi. Grossi volumi di effluenti che richiedono specifiche procedure di trattamento.

20 TECNICHE DI COLTIVAZIONE SPECIALI Colture continue singolo/doppio/multi stadio, velocità di diluizione fisse o variabili. Spesso la produzione di solventi diminuisce con il tempo, in concomitanza con un incremento nella formazione di acidi. Per incrementare la biomassa e la produttività del bioreattore: colture continue con riciclo delle cellule elevata biomassa colture continue con immobilizzazione delle cellule recupero del prodotto facilitato (medium senza cellule) Per minimizzare linibizione da prodotto: fermentazioni estrattive, con rimozione in situ del butanolo (sistemi bifasici) In ogni caso non si arriva oltre ai 20 g/l di butanolo, ai 4.5 g/l/h in produttività di butanolo ed al 25% (w/w) di resa da glucosio

21 BIOCARBURANTI: PRODUZIONE BIOLOGICA DI BUTANOLO DA FONTI RINNOVABILI Aumento prezzo del gasolio, conflitti nei paesi fornitori di petrolio, ed esaurimento dei combustibili fossili. Possibilità di utilizzare integralmente scarti agricoli come substrato (fibra mais, paglia) ridurrebbe la dipendenza dagli idrocarburi fossili. Valenza etica: le biomasse ligno-cellulosiche non sono impiegate per uso alimentare. Nuovo potenziale mercato per gli agricoltori Difficoltà di idrolisi e necessità di pretrattamento.

22 PERCHE PRODURRE BUTANOLO 4 atomi di carbonio +25% di energia Reid Value bassa maggiore sicurezza Poco corrosivo possibilità di usare i condotti già esistenti Poco inquinante Prodotto da fonti rinnovabili Fermentazione aceton-butilica-etanolica(ABE) 2 Problematiche pretrattamenti tossici tossicità del butanolo

23 COSE IL BUTANOLO? Structure CAS number71363 name1-butanol synonyms Butyl alcohol; n-butyl alcohol; 1- butanol; Propylcarbinol; Butyric alcohol; butan-1-ol; n-Butanol formulaC4H10O MW74.1 Classalcohol MP, ºC-89.8 BP, ºC117.5 vapor pressure, evaporation rate (BuOAc=1)0.39 specific gravity, 25ºC/25ºC0.806 viscosity, 25ºC3 flash point, ºC (closed cup)27 water soly, g/100g H2O at 25ºC7.8 log Kow0.88 Kow 7.59 OH E un alcool a 4 atomi di carbonio, il doppio rispetto alletanolo, e questo equivale allaumento di circa il 25% del contenuto di energia (Btu's). E più sicuro da maneggiare, avendo un Reid Value di 0.33 psi (misura di grado di evaporazione dei fluidi) notevolmente più basso rispetto alla benzina (4.5 psi) e alletanolo (2.0 psi). E un alcool che puo, ma che non deve, essere mescolato a carburanti fossili. E meno inquinante, infatti se utilizzato in un motore acombustione interna, il suo prodotto di combustione è CO 2. Il butanolo è maggiormente miscibile con benzina e diesel ma meno miscibile con acqua. E molto meno corrosivo delletanolo e puo essere trasportare e distribuito attraverso i condotti e i distributori già esistenti. Risolverebbe i problemi di sicurezza associati alle infrastrutture di fornitura di idrogeno. Il butanolo riformato ha 4 atomi di idrogeno in più delletanolo, risultante in una maggiore produzione di energia ed è usato come combustibile per fuel cell. Metanolo Etanolo Butanolo Benzina CH3OH C2H5OH C4H9OH Many Energy Content (per Gallon) 63 K Btu 78 K Btu 110 K Btu 115 K Btu Vapor 100F (Reid V.P.) 4,6 PSI 2,0 PSI 0,33 PSI 4,5 PSI Motor Octane Air to Fuel Ratio 6,6 9 11,

24 PRODUZIONE ED IMPIEGO -Il butanolo è una commodity industriale, con un mercato di 370 milioni di galloni per anno a $3.75 per gallone. -Il butanolo derivante dallindustria petrolifera è usato nellindustria alimentare e cosmetica, di conseguenza è preferibile lapplicazione del biobutanolo privo di residui petroliferi associati ad aspetti carcinogenici. -Il biobutanolo viene prodotto dagli stessi feedstock agricoli del bioetanolo, rappresentando così unaltra opportunità di mercato per i prodotti chiave dellagricoltura (es.: grano, frumento e zucchero di canna e barbabietola). - Lidrogeno generato durante il processo fermentativo risulta facilmente recuperabile, aumentando così la resa energetica del 18 %, rispetto a quella ottenibile producendo etanolo dalla medesima quantità di materiale di partenza (mais).

25 SUBSTRATI NON LIGNOCELLULOSICIDERIVATI LIGNOCELLULOSE USO DIRETTO LIGNOCELLULOSE Amido da cereali e da patata Melasse zuccherine Carciofo di Gerusalemme (tubero) Siero da latticini Residui lavorazione mele (tritume) Biomassa da alghe (microalghe) Pentosi: xilosio (Clostridium acetobutylicum basse rese in batch e fed-batch) Sulfite waste liquors: liquidi scarto della lavorazione del legno e della carta. Vanno pretrattati idrolisati di materiale cellulosico ed emicellulosico (idrolisi acida o enzimatica) da steam exploded wood Steam cracking di cereali, separazione componenti e saccarificazione enzimatica della cellulosa. Biomassa cellulosica (bagassa e paglia di riso) in colture miste di microorganismi cellulosolitici (muffe). Cocolture di clostridi cellulosolitici e C. acetobutylicum. Basse rese in solventi.

26 ACIDO BUTIRRICO Coculture di clostridi acidogenici (C. butyricum, C. pasteurianum) con clostridi solventogenici (C. acetobutylicum, C. beijerinckii) Risultati non soddisfacenti CEPPI CELLULOSOLITI E XILANOLITICI Isolamento e studio di ceppi di C. acetobutylicum con elevate attività idrolitiche esocellulari. Sono stati identificati alcuni ceppi di potenziale interesse industriale ORGANISMI

27 Production of Butyric Acid and Butanol from Biomass David Ramey Environmental Energy Inc N. Waggoner Road P.O. Box 15 Blacklick, Ohio Shang-Tian Yang Department of Chemical and Biomolecular Engineering The Ohio State University 140 West 19th Avenue Columbus, Ohio Year: 2004

28 Step one: Clostridium tyrobutyricum Step two: Clostridium acetobutylicum

29

30 Clostridium tyrobutyricum

31

32

33

34 Meccanismo semplificato di trattamento della biomassa tramite clostridio solventogenico. 1, pretrattamento di grano e lignocellulosa; 2, idrolisi dellamido (alfa amilasi, beta-amilasi, pullulanasi, glucoamilasi e alfa-glucosidasi); 3, idrolisi di cellulosa (cellulasi e beta-glucosidasi); 4, idrolisi di emicellulosa; 5, uptake di xilosio e arabinosio e consecutiva scomposizione via transchetolasi e transaldolasi sequenza producendo fruttosio-6P e gliceraldeide-3P con il seguente metabolismo tramite la glicolisi; 6, uptake del glucosio tramite sistema fosfotransferasi e conversione in piruvato sempre tramite glicolisi; 7, piruvato-ferrodossina ossidoriduttasi; 8, tiolasi; 9, 3-idrossi-butirrill-CoA DH, crotonasi e butirril-CoA DH; 10, fosfato acetil-transferasi e acetato chinasi; 11, acetaldeide DH e etanolo DH; 12, acetoacetil-CoA: acetato butirrato: Coa transferasi e acetoacetato decarbossilasi; 13, fosfato butil transferasi e butirrato chinasi; 14, butiraldeide e butanolo DH

35 DISEGNO SPERIMENTALE

36 a) diagramma schematico A che mostra in situ il recupero del butanolo tramite gas- stripping (gas sparger system). Una pompa di riciclo del gas con velocità variabile; B bioreattore con Gas-sparger; C Condensatore; D Vapori condensati di ABE; E Apparato di raffreddamento con Liquido di raffreddamento; b) bioreattore con il impeller. Y impeller, Z Righello. CO 2, H 2

37 FERMENTAZIONE FED-BATCH IN ANAEROBIOSI FASE BATCH Contemporanea idrolisi e fermentazione. Bioreattore: statico. Fonte di C: 86 g/L di paglia di frumento. Temperatura: 35°C. Idrolisi accoppiata alla fermentazione. FED-BATCH CON GAS-STRIPPING Start dopo 24 ore (5-7 g/L di ABE). reciclo di CO2 e H2 (4 L/min). 2 Feed: glucosio, xilosio, arabinosio, galattosio, mannosio. Flusso medio 6 mL/h (<60 g/L).

38 RISULTATI DELLA FERMENTAZIONE Durata della fermentazione 533 ore ABE totale prodotto192 g Resa di ABE0.44 g/g (+22%) Produttività media0.36 g/Lh (+16%) Picco di produttività0.77 g/Lh

39 CONSIDERAZIONI GENERALI Scelta appropriata delle materie prime di partenza (considerazioni geografico-economiche) Messa a punto di pretrattamenti che non producano sostanze inibitrici Fed batch con gas-stripping Feed di sole fonti rinnovabili Scelta del ceppo e miglioramento genetico

40

41

42

43


Scaricare ppt "FERMENTAZIONE ACETON BUTILICA ETANOLICA (ABE) parte prima: storia, microbiologia, biochimica e fisiologia."

Presentazioni simili


Annunci Google