Bioconversione della biomassa in miscugli di alcol

La bioconversione della biomassa ai carburanti misti può essere ottenuta utilizzando il processo MixAlco. Attraverso la bioconversione della biomassa in un combustibile misto di alcol, più energia proveniente dalla biomassa finirà come combustibile liquido che non nella conversione della biomassa in etanolo mediante fermentazione di lievito.

Il processo prevede un metodo biologico / chimico per convertire qualsiasi materiale biodegradabile (ad esempio rifiuti urbani, come rifiuti solidi urbani, rifiuti biodegradabili e fanghi di depurazione, residui agricoli come stover di mais, bagassa di canna da zucchero, gin di cotone, letame) prodotti chimici, come acidi carbossilici (ad es. acido acetico, propionico, butirrico), chetoni (ad es. acetone, metiletilchetone, dietilchetone) e biocarburanti, come una miscela di alcoli primari (ad es. etanolo, propanolo, n-butanolo ) e / o una miscela di alcoli secondari (ad es. isopropanolo, 2-butanolo, 3-pentanolo). A causa dei molti prodotti che possono essere prodotti economicamente, questo processo è una vera bioraffineria.

Il processo utilizza una coltura mista di microrganismi presenti in natura presenti in habitat naturali come il rumine di bovini, termiti e paludi marine e terrestri per la digestione anaerobica della biomassa in una miscela di acidi carbossilici prodotti durante gli stadi acidogenici e acetogenici della digestione anaerobica, comunque con l’inibizione dello stadio finale metanogeno. I metodi più popolari per la produzione di etanolo e di etanolo cellulosico utilizzano enzimi che devono essere isolati per primi per essere aggiunti alla biomassa e quindi convertire l’amido o la cellulosa in zuccheri semplici, seguiti poi dalla fermentazione del lievito in etanolo. Questo processo non ha bisogno dell’aggiunta di tali enzimi come questi microrganismi fanno da soli.

Poiché i microoganismi digeriscono anaerobicamente la biomassa e la convertono in una miscela di acidi carbossilici, il pH deve essere controllato. Questo viene fatto aggiungendo un agente tampone (ad es. Bicarbonato di ammonio, carbonato di calcio), ottenendo così una miscela di sali di carbossilato. La metanogenesi, essendo lo stadio finale naturale della digestione anaerobica, è inibita dalla presenza degli ioni ammonio o dall’aggiunta di un inibitore (es. Iodoformio). Il risultante brodo di fermentazione contiene i sali di carbossilato prodotti che devono essere disidratati. Ciò è ottenuto efficientemente dall’evaporazione del vapore-compressione. L’ulteriore raffinazione chimica del brodo di fermentazione disidratato può quindi avvenire a seconda del prodotto chimico finale o del biocarburante desiderato.

L’acqua distillata condensata dal sistema di evaporazione a compressione di vapore viene riciclata alla fermentazione. D’altra parte, se l’acqua usata per la fermentazione viene utilizzata come liquame o altra acqua di scarico con alto BOD che necessita di trattamento, l’acqua distillata condensata dall’evaporazione può essere riciclata in città o alla fonte originaria dell’alta -BOD acque reflue.Pertanto, questo processo può anche fungere da impianto di trattamento delle acque, producendo allo stesso tempo sostanze chimiche o biocarburanti di valore.

Poiché il sistema utilizza una coltura mista di microrganismi, oltre a non aver bisogno di alcuna aggiunta di enzima, la fermentazione non richiede sterilità o condizioni asettiche, rendendo questo passo iniziale nel processo più economico rispetto a metodi più popolari per la produzione di etanolo cellulosico. Questi risparmi nella parte anteriore del processo, in cui i volumi sono grandi, consentono flessibilità per ulteriori trasformazioni chimiche dopo la disidratazione, dove i volumi sono ridotti.

Acidi carbossilici
Gli acidi carbossilici possono essere rigenerati dai sali di carbossilato utilizzando un processo noto come “innesco di acido”. Questo processo fa uso di un’ammina terziaria ad alto peso molecolare (ad esempio, trioctylamine), che viene commutata con il catione (ad esempio, ammonio o calcio). Il risultante carbossilato di ammina può quindi essere decomposto termicamente nell’ammina stessa, che viene riciclata, e il corrispondente acido carbossilico. In questo modo, in teoria, non si consumano sostanze chimiche o si producono rifiuti durante questa fase.

chetoni
Esistono due metodi per produrre chetoni. Il primo consiste nel convertire termicamente sali di carbossilato di calcio nei corrispondenti chetoni. Questo era un metodo comune per produrre acetone da acetato di calcio durante la prima guerra mondiale. L’altro metodo per produrre chetoni consiste nel convertire gli acidi carbossilici vaporizzati su un letto catalitico di ossido di zirconio.

alcoli
Alcoli primari
Il residuo non digerito dalla fermentazione può essere utilizzato nella gassificazione per produrre idrogeno (H2). Questo H2 può quindi essere usato per idrogenolizzare gli esteri su un catalizzatore (ad esempio, cromite di rame), che sono prodotti esternalizzando i sali di carbossilato di ammonio (ad esempio, acetato di ammonio, propionato, butirrato) o gli acidi carbossilici (ad esempio, acetico, propionico , acido butirrico) con un alcol ad alto peso molecolare (es. esanolo, eptanolo).Dall’idrogenolisi, i prodotti finali sono l’alcol ad alto peso molecolare, che viene riciclato all’esterificazione, e i corrispondenti alcoli primari (ad es. Etanolo, propanolo, butanolo).

Alcoli secondari
Gli alcoli secondari (ad es. Isopropanolo, 2-butanolo, 3-pentanolo) sono ottenuti idrogenando su un catalizzatore (ad esempio, nichel Raney) i corrispondenti chetoni (ad es. Acetone, metiletilchetone, dietilchetone).

Biocarburanti drop-in
Gli alcoli primari o secondari ottenuti come descritto sopra possono essere sottoposti a conversione in biocarburanti drop-in, carburanti compatibili con le attuali infrastrutture a combustibili fossili come biogasolina, diesel verde e carburante a biogetto. Ciò viene fatto sottoponendo gli alcoli alla disidratazione seguita da oligomerizzazione usando catalizzatori di zeolite in un modo simile al processo di metanizzazione, che veniva usato per produrre benzina dal metanolo in Nuova Zelanda.

Acido acetico contro etanolo
Gli stabilimenti di produzione di cellulosa-etanolo sono destinati ad essere esportatori netti di energia elettrica perché gran parte della biomassa lignocellulosica, vale a dire la lignina, rimane non digerita e deve essere bruciata, producendo elettricità per l’impianto e l’elettricità in eccesso per la rete. Man mano che il mercato cresce e questa tecnologia diventa più diffusa, l’accoppiamento del combustibile liquido e dei mercati dell’elettricità diventerà sempre più difficile.

L’acido acetico, a differenza dell’etanolo, è prodotto biologicamente da zuccheri semplici senza produzione di anidride carbonica:

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 CH ₃ CH ₂ OH + 2 CO ₂
(Produzione biologica di etanolo)

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3 CH ₃ COOH
(Produzione biologica di acido acetico)

Per questo motivo, su una base di massa, i rendimenti saranno più alti rispetto alla fermentazione in etanolo. Se poi, il residuo non digerito (principalmente lignina) viene utilizzato per produrre idrogeno per gassificazione, si garantisce che più energia dalla biomassa finirà come combustibile liquido piuttosto che eccesso di calore / elettricità.

3 CH ₃ COOH + 6 H ₂ → 3 CH ₃ CH ₂ OH + 3 H ₂ O
(Idrogenazione dell’acido acetico)

C ₆ H ₁₂ O ₆ (da cellulosa) + 6 H ₂ (da lignina) → 3 CH ₃ CH ₂ OH + 3 H ₂ O
(Reazione generale)
Una descrizione più esaustiva degli aspetti economici di ciascuno dei combustibili è riportata nelle pagine Carburante per l’alcol e Carburante a base di etanolo, maggiori informazioni sull’economia dei vari sistemi possono essere trovate sulla pagina centrale dei biocarburanti.

Fase di sviluppo
Il sistema è in sviluppo dal 1991, passando dalla scala di laboratorio (10 g / giorno) alla scala pilota (200 lb / giorno) nel 2001. Un piccolo impianto di dimostrazione (5 tonnellate / giorno) è stato costruito ed è in funzione e nel 2012 è previsto un impianto di dimostrazione di 220 tonnellate / giorno.