Produzione dell'alcol etilico: riassunto

PRODUZIONE DELL'ALCOL ETILICO

L’alcol etilico è un buon solvente, un ottimo comburente, e ha inoltre un buon substrato di partenza per sintesi specifiche e viene utilizzato anche nelle industrie dei liquori, dei cosmetici e delle essenze. Può essere prodotto per via chimica o per via fermentativa (soluzione ideale per ridurre l’impatto ambientale); è infatti uno dei risultati dell’attività metabolica di diverse specie di microrganismi a spese di sostanze zuccherine, amidacee e ligno–cellulosiche, generalmente di scarto.

LE FONTI

Le fonti sono di diverso tipo, anche se da tutte è possibile estrarre zucchero fermentescibile, e i microrganismi appartengono ai generi Saccharomyces, Candida, e alcune specie come Kluyveromyces fragilis e Zymomonas mobilis. Frutta a parte, è necessario effettuare opportuni pretrattamenti sulla maggior parte delle materie prime.

• La barbabietola e la canna da zucchero vengono sottoposti ad estrazione a caldo in acqua: tra i prodotti ottenuti viene separato il melasso, miscela costituita essenzialmente da saccarosio. Questo, previa diluizione ed aggiustamento di pH, viene sottoposto ad inversione, ovvero idrolisi in glucosio e fruttosio

• Grano, granturco e la patata tramite cottura forniscono l’amico in sospensione gelatinosa (i chicchi dei cereali devono essere prima macinati a secco). L’amido subisce l’idrolisi enzimatica fino alla formazione del glucosio per opera delle amilasi e dopo della maltasi.

I trattamenti per ottenere la cellulosa da paglia, residui della lavorazione di carta e legno e quelli erbacei, sono più complessi e costosi, anche se il materiale di partenza è il più conveniente. La cellulosa e i materiali che la contengono devono essere idrolizzati, o per via chimica o per via enzimatica, con rese limitate in entrambi i casi. Quando si parte direttamente dalla lignina è preferibile la via chimica: dopo la macinazione a secco, si utilizza un acido forte e concentrato (di solito acido solforico) nei limiti in cui provocherebbe la corrosione degli impianti e l’inibizione dei microrganismi. L’idrolisi biochimica invece viene eseguita soprattutto su materiali ricchi di cellulosa grazie all’azione di enzimi appartenenti alle cellulasi (idrolisi) presenti in molte specie microbiche. L’azione enzimatica viene preceduta dalla triturazione meccanica del materiale solido. I microrganismi selezionati vengono prima fatti crescere su substrati nutritivi molto ricchi, poi trasferiti su substrati poveri di sostanze azotate e ricchi di cellulosa, per indurre la cellula a produrre la quantità massima possibile di cellulasi. Infine la biomassa viene filtrata per poter riutilizzare le cellule. La resa in zuccheri è circa del 50%.

LA PRODUZIONE DELL'ETANOLO

Per la produzione dell’etanolo sono necessari i seguenti passaggi:

• Pretrattamento delle materie prime
• Sterilizzazione del bioreattore
• Immissione delle materie prime
• Preparazione dell’inoculo
• Semina nel bioreattore
• Bioconversione
• Recupero dei prodotti
• Estrazione e purificazione dell’etanolo

Pretrattamenti:

• melasso = il saccarosio deve essere presente dal 10 al 20% e il pH deve essere di 4,5 amido e cellulosa = triturazione e macinazione preliminare del materiale e successiva idrolisi. Se chimica, aggiunta di calcare macinato e di una base per ottenere il pH richiesto e per provocare la precipitazione e la separazione di tutti gli ioni non desiderati. Se enzimatica, eventuale sterilizzazione e correzione del pH rifiuti solidi urbani = triturati e sottoposti ad idrolisi con acidi minerali forti concentrati (solforico, cloridrico e fluoridrico), neutralizzato, filtrato e immesso nel bioreattore.

Il mosto (melasso e altri materiali contenenti glucosio) viene arricchito di fosfato e ammonio, che favoriscono la crescita cellulare ed esaltano il metabolismo, acidificato a pH ≈ 4,5 e termostatato a circa 20°C.

Nel bioreattore viene immesso prima il mosto e poi inoculato il lievito madre (ottenuto da semine per ingrandimenti successivi) nella misura del 5%. La fermentazione avviene tra i 25 e i 30°C, in anaerobiosi: il bioreattore viene riempito al massimo, la formazione di anidride carbonica in superficie impedisce l’eventuale ossigenazione e i microrganismi precipitano sul fondo. L’acidità e l’anaerobiosi non rende possibile l’inquinamento e la lavorazione discontinua può durare tra le 50 e le 70 ore. La resa è del 6,5% di etanolo corrispondente al 60% di saccarosio convertito, questo perché la fermentazione alcolica non è l’unico processo metabolico e perché l’alcool etilico prodotto inibisce la crescita dei lieviti tra valori dal 2% al 10% in base alla specie utilizzata.

I bioreattori più utilizzato sono del tipo STR ad agitazione idraulica o pneumatica, capacità massima 106 L, a pressione normale o ridotta. Recentemente sono stati adottati anche CSTR e a torre a letto fluido. Nei primi la lavorazione è continua grazie a sistemi a letto fisso su cui vengono immobilizzati i microrganismi. Hanno il vantaggio di aumentare la resa fino al 90% della conversione in etanolo dello zucchero, incrementano la produttività grazie all’immissione continua di cellule giovani, mantengono le condizioni a livelli ottimali e semplificano e rendono continui i controlli. Nei secondi invece le cellule sono immobilizzate su supporti in sospensione che, mano a mano che si riproducono, flocculano, raggiungendo densità elevate e rese relativamente alte.

Tra gli altri prodotti c’è il fuseloil (un insieme di alcoli superiori, acidi organici, esteri e aldeidi) e la glicerina. All’uscita dal bioreattore la fase solida deve essere separata da quella liquida. L’etanolo si distilla a T relativamente basse (78°C):

• a pressione normale e con batteri mesofili: centrifugazione o filtrazione batteri e lieviti termofili: a 60 – 70°C prima separazione per evaporazione, poi centrifugazione o filtrazione a pressioni ridotte: l’evaporazione avviene in quantità maggiore

La separazione dell’etanolo dalla fase liquida avviene soprattutto per distillazione ed estrazione, in base alla qualità che si vuole ottenere. La distillazione permette di ottenere l’etanolo al 95% (sistema a due colonne termicamente accoppiate) o l’etanolo assoluto (sistema a quattro colonne termicamente accoppiate). La prima ottimizza le quantità relative liquido – vapore, riduce i costi energetici grazie alla possibilità di utilizzare lo stesso alcool come fluido riscaldante, fa risultare stabilizzato il ciclo fermentativo e riduce sensibilmente i rischi di contaminazione per la reimmissione di lieviti e di parte del liquido sottoposto a scambio termico nel bioreattore. La seconda, invece, grazie ai cicli interni ottimizza il risparmio energetico fino al 60% e riduce notevolmente lo smaltimento dei residui della fermentazione. Il fermentato può anche essere trattato per produrre carburante con il 10% di etanolo assoluto, utilizzando una tecnica mista di distillazione – estrazione.