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Sulla base del modello di produzione di bioetanolo da sorgo dolce ideato dal CETA , Green Enginering ha sviluppato una proposta per una Bioraffineria di taglia piccola adatta alla Provincia di Siena .
INTRODUZIONE
Negli ultimi due anni abbiamo sviluppato una proposta per la realizzazione di una bioraffineria per la produzione di bioetanolo a partire da sorgo zuccherino (sorgo dolce), sulla base del modello ideato dal CETA .
La nostra idea è che la comprovata sostenibilità della produzione di Bioetanolo da sorgo zuccherino in piccoli impianti decentralizzati può costituire il fondamento su cui sviluppare implementazioni come quella della produzione di bioetanolo da materiale lignocellulosico (seconda generazione) ed in generale da rifiuti e prodotti di scarto di vario tipo (terza generazione) .
Accanto a questo, un intelligente progetto della filiera di produzione (dagli agricoltori ai distributori di carburante) può massimizzare i benefici ambientali e sociali di questo tipo di produzione.
Per tutti questi motivi abbiamo concepito un progetto multi-fase in cui già dalla prima fase è prevista l'implementazione di una linea sperimentale per la produzione di bioetanolo a partire dal siero di latte scartato dai caseifici locali.
Il diagramma generale della bioraffineria (prima fase del progetto) è riportato qui sotto :
i blocchi in verde rappresentano la linea principale, che converte gli zuccheri contenuti nel sorgo in bioetanolo. I blocchi in azzurro rappresentano la linea sperimentale del siero di latte. Il blocco in rosso rappresenta la caldaia a biomassa mentre i blocchi in blu sono generatori di energie elettrica.
Esistono due possibili strategie per progettare il modello produttivo. Lo schema riporta entrambe le soluzioni, ma tecnologie e tipi di progettazione specifici devono essere adottati a seconda della strategia produttiva prescelta.
Per prima cosa diamo un'occhiata al processo generale rappresentato nello schema riportato, dopodiché andremo ad approfondire le due strategie menzionate.
I PRINCIPALI PROCESSI
La "linea verde" è composta dalle seguenti unità di processo:
GE/UNITA' 100 - Si tratta semplicemente di una unità di stoccaggio del sorgo dolce proveniente dal raccolto.
GE/UNITA'200 - In questa unità viene estratto il succo contenuto negli stocchi del sorgo dolce. Il succo ha un contenuto in zucchero pari al 15% e rappresenta quello zucchero destinato ad essere convertito in etanolo nelle unità successive. Il residuo del processo di estrazione è il bagasso, costuito essenzialmente da materiale lignocellulosico. Questo sottoprodotto può essere bruciato per produzione di energia in una caldaia a biomasse, e nel futuro potrebbe essere utilizzato per produzione di bioetanolo di seconda generazione. La tecnologia standard prevede una batteria di mulini, nei quali il sorgo dolce viene frantumato ed il succo (contenente zuccheri) è recuperato ed inviato alla successiva unità di processo.
GE/UNITA'300 Fermentazione - In questa unità il succo recuperato dall'unità GE/UNITA'200 è fermentato tramite l'utilizzo di fermenti standard. Durante la fermentazione gli zuccheri contenuti nel succo sono convertiti in etanolo dal lievito, producendo così un mash con un contenuto alcolico compreso tra l8% ed il 14%. Questo mash è chiamato anche "vino".
GE/UNIT 400 Distillazione - Il vino prodotto nella fermentazione è poi distillato con un sistema di colonne di distillazione secondo una configurazione a multi-effetto. La distillazione permette di separare l'alcool dall'acqua, producendo due differenti correnti: una corrente alcolica con una gradazione di circa il 96% (punto azeotropico) ed una corrente di acqua, contenente gli elementi organici propri del succo da sorgo dolce.
GE/UNITA' 900 Disidratazione - La corrente alcolica a 96% ottenuta nella distillazione necessita di un'altra fase per poter corrispondere ai valori della specifica AST per biocarburanti. Questa fase ulteriore è chiamata disidratazione ed ha lo scopo di innalzare la concentrazione di etanolo al 99%. L'unità di disidratazione lavora grazie ad una particolare tecnologia chiamata "disidratazione a setacci molecolari" in cui materiali speciali (i setacci molecolari) sono in grado di catturare le molecole di acqua e far fluire quelle di etanolo. Il prodotto derivante da questa unità è quindi etanolo ad un livello di purezza estremo, in accordo con la specifica ASTM per etanolo carburante comunemente denominato "bioetanolo"
GE/UNITA' 500 Stoccaggio - Il bioetanolo prodotto è inviato al sistema di stoccaggio, in attesa di essere venduto ad una compagnia petrolifera che lo utilizzerà per miscelarlo con la benzina. Questa unità chiude l'intera linea produttiva (conversione dello zucchero in bioetanolo).
GE/UNITA' 800 recupero del biogas - Le acque estratte dal fondo delle colonne di distillazione sono chiamate borlande scure. Quest'acqua presenta un COD alto (35.000 - 70.000 ppm) determinato dai componenti organici contenuti nel vino. Per questa ragione quest'acqua è inviata al reattore Biogas (una miscela di CH4, CO2, e altri gas) e fanghi stabilizzati. In questo modo l'acqua è purificata ed il biogas recuperato può essere utilizzatoper produrre elettricità con un generatore a turbina a gas.
Stazione a biomasse - L'altro principale sottoporodotto del processo è il bagasso. Il bagasso può essere inviato ad una caldaia a biomasse al fine di produrre vapore tramite combustione. Il vapore prodotto è utilizzato come fonte di energia per per la fabbrica (principalmente per la distillazione e la disidratazione), ma una grossa quantità di esso è comunque disponibile per produzione di energia tramite turbina a vapore.
Prima di guardare alla linea sperimentale dell'etanolo da siero di latte è importante dire qualcosa riguardo le due differenti strategie per gestire la produzione di bioetanolo da sorgo dolce. Per investigare tali strategie dobbiamo tener conto di un problema proprio del sorgo zuccherino, ovvero la sua tendenza a fermentare subito dopo essere statao stoccato.Il problema è connesso all'alto contenuto di zuccheri negli stocchi: i comuni lieviti ed i batteri presenti nell'ambiente iniziano a metabolizzare gli zuccheri contenuti nella biomassa, decrescendo il contenuto di polisaccaridi per produrre etanolo. Di conseguenza, deve essere predisposto un sistema capace di tenere gli zuccheri al sicuro per l'Unità 300, dove avviene la conversione in etanolo. La prima strategia è quella di insilare tutto il sorgo dolce raccolto, utilizzando un'adeguata tecnologia di "risparmio di zucchero" (vedi l'argomento specifico nel forum) ed alimentare la bioraffineria giorno per giorno solo con l'alimentazione necessaria alla produzione giornaliera. Con l'insilaggio, il sorgo dolce può essere inviato in continuo all'impianto in marcia, per tutti 300 - 330 giorni: la bioraffineria riceve soltanto l'alimentazione giornaliera richiesta a produrre etanolo. In questo modo il processo diventa lineare e facile. Chiameremo questa strategia la "strategia di insilaggio".
La seconda possibile strategia è quella di inviare il sorgo dolce raccolto alla seconda unità, l'unità di estrazione succo, e poi di stoccare il succo estratto al fine di alimentare la bioraffineria per l'intero anno di produzione. In questo caso il problema è che non possiamo stoccare il succo stesso, perché anche in questo caso la fermentazione inizierebbe immediatamente. Per poter stoccare il succo, quindi, dobbiamo concentrarlo fino a che non raggiunge un contenuto in zucchero pari a circa il 50 - 80%; a questo livello di concentrazione la fermentazione non può iniziare. Il succo concentrato è chiamato "sciroppo". Per produrre lo sciroppo abbiamo necessità di un impianto di evaporazione. Lo sciroppo può essere stoccato senza problemi per molti mesi, e può essere utilizzato per alimentare giorno per giorno l'unità di fermentazione dopo opportuna diluizione con acqua.
Naturalmente, come già detto, la scelta della strategia (insilaggio vs evaporazione) ha una notevole influenza sulla progettazione ed il dimensionamento delle prime due unità; così una procedura di ottimizzazione interattiva deve essere implementata al fine di scegliere la strategia migliore in accordo ai parametri econometrici e logistici. Questo lavoro di ottimizzazione deve essere fatto in stretta collaborazione con i proprietari terrieri, perché loro conoscono effettivamente le caratteristiche dei suoli, le terre disponibili, gli elementi a disposizione per lo stoccaggio della materia prima e le conseguenze logistiche.
DATI PRINCIPALI
Il progetto per la Toscana è stato elaborato sulla base dei seguenti dati di base:
Alimentazione : circa 10,000 tonnellate/anno di sorgo dolce
Produzione bioetanolo: circa 5,000 tonnellate all'anno
produzione di energia elettrica : circa 1,5 - 1,8 MW
Necessità di terreno : dai 1,200 ai 2,000 ha
LINEE SPERIMENTALI ED AZIONI FUTURE
Come anticipato, la proposta per la Toscana include in una prima fase anche una linea sperimentale per produrre etanolo dal siero di latte dell'industria casearia. Questa linea è rappresentata in blu chiaro nello schema riportato ed è composta da : una unità di stabilizzazione e di stoccaggio per il siero (GE/Unità 2100), una UF/NF ultrafiltrazione / nanofiltrazione (GE / UNITA' 2200) ed una unità di fermentazione (GE / UNITA' 2300). La stabilizzazione del siero è necessaria perché il siero è un ambiente perfetto per la vita di molti batteri, alcuni dei quali sono anche pericolosi. Poi il siero stabilizzato è inviato all'unità di Nanofiltrazione / Ultrafiltrazione che concentra il siero e permette di recuperare le WPC (Concentrato di proteine del siero); le WPC possono essere vendute all'industria alimentare. Il siero concentrato è inviato ad una unità di fermentazione speciale, in cui gli zuccheri contenuti nel siero (principalmente lattosio) sono fermentati in bioetanolo. Il mash alcolico ottenuto da questa unità è poi inviato all'impianto principale di distillazione / disidratazione.
La linea sperimentale è solo una delle linee sperimentali che possono essere realizzate all'interno della bioraffineria. Le fasi successive del progetto Toscana prevedono l'implementazione della fermentazione cellulosica, gli scarti a fermentazione etanolo e lo sfruttamento di componenti chimici di alto valore dai sottoprodotti solidi della fabbrica per produrre elementi come : biodyes & biopolimeri.
Infine, un'altra linea interessante che potrebbe essere sviluppata in questo tipo di bioraffineria è la produzione di biodiesel utilizzando un processo di transesterificazione di oli vegetali attraverso etanolo (invece di metanolo). E sarà proprio questo l'oggetto del nostro prossimo intervento sul web.
