Materie Prime e
Polimeri da Biomasse
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
Tecnologie e Vie di Accesso ai BIO-PRODOTTI.
• Principi degli (attuali) processi, vie di accesso e prodotti chimici
• Conversioni termiche, chimiche e biologiche di biomasse (Fermentazione, AD, Enzimi, sintesi FT, idrolisi, macinazione a umido e a secco, separazioni bio, distillazione,
conversione catalitica)
• Strumenti Biotecnologici, incluse le modifiche genetiche e l’ingegneria molecolare
• Integrazione con la produzione di biocombustibili
• Bioraffinerie e importanza degli approcci multi-prodotto
• Concetti di bioraffineria e dei relativi prodotti (diversi dall’energia)
• Panorama delle piattaforme e delle materie prime della raffineria: classificazione delle bioraffinerie e problemi nella classificazione
• Uno sguardo più dettagliato alle singole piattaforme (Syngas, biogas, zuccheri C5 e C6, oli e lignina) e prodotti inclusi DME, metanolo, etanolo. Butanolo, sorbitolo. Furfurolo, HMF, acido levulinico, glicol propilenico, acido acrilico e molto altro.
• Prodotti da alghe – tecnologia attuale, limiti e futuri sviluppi
• Bio fibre, polimeri biodegradabili e bio compositi
• Bio lubrificanti, inchiostri e pitture
• Prodotti farmaceutici e nutraceutici
Stato delle tecnologie – commerciali / pilota o Ricerca - Tecnologie emergenti.
Valutazione dei costi
Vantaggi del Cambio della Materia Prima.
•Lo scarto è un problema di smaltimento
• Crescita da aumento volume di produzione
• Lo scarto è una opportunità
• Crescita da aumento del valore aggiunto
Economia del Carbonio Fossile – il carbonio è usato e scaricato
Economia dei Bioprodotti – il carbonio è riciclato
Ciclo del Carbonio in Natura
Ciclo del Carbonio nell’Industria
Carbon fossile
Ciclo del Carbonio nell’Indu-
stria
Rinnovabile Ciclo del Carbonio
in Natura
formaldeide;
36,%
Acido acetico 12%
MTBE e comb. 18%
Altro; 34%
Opportunità di Marcato di ‘Passare al Verde’.
industriale
medicina HPC
Idrogeno
biodiesel
bioetanolo E & E
autotrasporti mobili costruzioni
Resine per rivestimenti
Colle MDF
antigelo
plastiche
trasporti
dolcificanti
Schema dell’Industria Chimica Tradizionale.
Materie prime
Prod. Chimici Commodity
Prod. Chimici
Secondari commodity Intermedi Prodotti Finiti e Beni di Consumo
Petrolio
NaturaleGas
O2/N2
SO2 Cat Solforico Acido
Cat Cat
Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat
Cat Cat
Cat Cat
Cat
Cat
Benzene
BenzeneEtil Cicloesanoii
Xilene p-Xilene Cumene
Toluene Buteni
Iso-butilene Butadiene
Etano/ Etilene
Cloro
Ossido di Etilene Propilene
Etilene dicloruro
Metanolo
Cat Cat Cat
Cat
Cat
Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat
Ammoniaca
CO/H2
Glicol Etilenico
Vinil cloruro Ossido di Propilene
Formaldeide Acrilonitrile
Acido acetico
Acido nitrico MBTE
Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat Cat
Stirene Cat
Caprolattame
Acetone
Acido Tereftalico
Fenolo Acido adipico
• Polistirene
• Nylon 6,6
• Poliuretano
• Nylon 6
• Metil metacrilato
• Solventi
• Bisfenolo A
• Farmaci
• Resine fenolo-formaldeide
• Bisfenolo A
• Caprolattame
• Acido salicilico
• Fibre, film in poliestere
• MTBE
• Toluen diisocianato
• Gamma stirene butadiene
• Polibutadiene, neoprene
• Gomma stirene butadiene
• Anticongelanti
• Fibre, film in poliestere
• Resine
• Polipropilene
• Polipropilen glicol
• Propilen glicol
• Fibre acriliche
• Plastiche ABS e SA
• Adiponitrile
• Acrilammide
• Polivinil cloruro
• Additivi ossigenati di benzine
• Resine urea-formaldeide
• Resine fenolo-formaldeide
Vinil acetato • Polivinil acetato
• Polivinil alcol
• Polivinil butirale
• Nitrato di ammonio
• Acido adipico
• Fertilizzanti, esplosivi
• Fertilizzanti fosfatici
ABBIGLIAMENTO
• tappeti
• fibre
• tessuti
• Rivestimenti tessuti i.e. Goretex
• cuscini di schiuma
• tappezzeria
• tendaggi
• Lycra, spandex
ALIMENTAZIONE SICURA
• imballaggi cibi
• conservanti
• fertilizzanti, pesticidi
• refrigeranti
• bottiglie per bibite
• elettrodomestici
• rivest. lattine
• vitamine
TRASPORTI
• pneumatici
• anti-congelanti
• plastiche stampate
• additivi per benzina
• sedili
• cinghie e tubi
• fluidi
• paraurti
CASA• pitture
• resine
• raccordi
• isol. fibre di vetro
• cementi
• rivestimenti, vernici
• ritardanti di fiamma
• adesivi
RICREAZIONE
• scarpe per atleti
• attrezzature protez.
• parti biciclette, gomme
• fotografia e film
• mute
• nastri e CD
• attrezzatura golf
• campeggio
COMUNICAZIONI
• plastiche stampate
• computer, telefoni
• rivest. fibre ottiche
• schermi cristalli liquidi
• penne, matite
• inchiostri
• coloranti
• Prodotti per carta
SALUTE E IGIENE
• occhiali in plastica
• cosmetici
• detergenti
• farmaci
• Lozione sultan
• medicine, cura denti
• disinfettanti
• aspirina
Linea prodotti Petrolio K Linea prodotti Gas Nat.
E Linea prodotti SO
Risorse da Biomasse e Principali Problemi.
Residui di Legno:
Segatura
Scari del legno
Residui della lavorazione della Carta
Residui Agricoli:
Stoppie di grano
Residui di riso (stoppie e pula) Bagasse di Canna da Zucchero Sanse di estrazione di oli
Bucce di Prodotti alimentari e semi
Scarti dell’industria ittica (per es. scheletri di crostacei) Deiezioni Animali
Piante della Filiera Energetica.
Diagramma di Flusso di Prodotti a Base Bio Da Risorse di Biomasse.
Materia prima
Piattaforma Intermedia
Componenti base
Prodotti secondari
Intermedi Prodotti/Usi
Amido
Emicellulosa
Cellulosa
Lignina
Olio
Proteine
Sin Gas a base bio
Zuccheri Glucosio Fruttosio Xilosio Arabinosio
Lattosio Saccarosio
Amido
SG
C2
C3
C4
C5
C6
Ar
Diretto Polimeri &gomme
H2 Metanolo Alcoli misti Alcoli super.
Prodotti osso sintesi
prodotti iso sintesi Liquidi Fisher-Tropsch
Glicerolo Acido lattico 3-Idrossi propionato Acido propion.
Acido malonico Serina Acido succinico Acido fumarico Acido malico Acido aspartico 3-Idrossi butirrolattone Acetoino Treonina
Acido itaconico Furfurolo Acido levulinico
Acido glutam.
Acido xilonico Xilitolo/Arabitolo Acidi citrico/aconitico
Lisina Acido gluconico Acido glucarico Sorbitolo
3-Idrossometil furfurolo
Acido gallico Acido ferulico
Sintesi dell’ammoniaca, prodotti di idrogenazione Esteri metilici, Formaldeide, Acido acetico, Dimetil Etere, Dimetil carbonato, Metil ammine, Benzina Alcoli 1^ lineari e ramificati, alcoli superiori Prodotti idroformilazione olefine: aldeidi, acidi Molecole iso-C4, isobutano e suoi derivati a-olefine, benzina, cere, diesel
Prodotti di fermentazione: glicol propilenico, malonico 1,3-PDO, diacidi, alcol propilico, dialdeidi, epossidi Acrilati, L-propilenglicol, Poliesteri, Lattide
Acrilati, Acrilammide, Esteri, 1,3-Propandiolo, acido malonico e altri
Reagente, propionil acrilato Intermedi farmaceutici
2-ammino-1,3-PDO, 2-amminomalonico, (ammino-3HP)
THF, 1,4-butandiolo, g-butirrolattone, Pirrolidoni, Esteri, Diammine, 4,4-Bionelle, acido Idrossibutirrico Derivati succinici insaturi
Derivati idrossisuccinati, idrossibutirrolattoni Derivati amminosuccinati
Idrossibutitrato, epossi-g-butirrolattone, ac.butenoico Butandioico, butenoli
Dioici, derivati chetonici, indeterminante Derivati metil succinati, esteri insaturi Molti derivati furanici
d-amminolevulinato, 2-Metil-THF, 1,4-diolo, esteri Ammino dioli, acido glutarico, pirrolidoni sostituiti
Esteri lattoni
EG, PG, glicerolo, lattato, idrossifurani, acidi zuccheri 1,5-pentandiolo, derivati itaconici, pirrolidoni Numerosi derivati furanici, succinati, acido levulinico Caprolattame, diammino alcoli, 1,5-diamminopentano Esteri gluconolattone
Dilattoni, monolattoni, altro Glicoli (EG, PG), glicerolo, lattato, isosorbide Fenolici, additivi alimentari
Ossigenati per combust.
Unità reattive
Anti-congelanti e schiuma
solventi
Solventi verdi
Intermedi di specialità
Emulsifificanti
Agenti chelanti
Ammine Plastificanti
Polivinil acetato
Agenti di controllo pH
Resine, reticolanti
Polivinil alcol
Poliacrilati
Poliacrilammidi
Polieteri
Polipirrolidoni
Poliesteri ftalati
Polimero PET
Poliidrossipoliesteri
Nylon (poliammidi)
Poliidrossipoliammidi
Sostituti Bisfenolo A
Policarbonati
Poliuretani
Resine fenolo-formaldeide
Poliidrossialcanoati
poliamminoacidi Polisaccaridi
Industriale
Inibitori di corrosione, controllo polveri, disincrostanti, purificazione gas, abbattimento emissioni, lubrificanti, tubi, guarnizioni
Trasporti
Combustibili, ossigenati, anti-cong., fluidi, plastiche stampanti, sigillanti, cinghie, tubi, paraurti, inib.corrosione
Tessili
Tappeti, fibre, tessuti, rivestimenti di tessuti, cuscini di schiuma, lycra tappezzeria, tende, spandex
Alimentazione sicura
Confezioni per cibi, conservanti, fertilizzanti, pesticidi, bibite, bottiglie, elettrodomestici, rivest.
Lattine per bevande, vitamine
Ambiente
Trattamento acque, flocculanti, chelanti, pulitori e detergenti,
Comunicazione
Plastiche estruse, rivest. computer, rivestimenti fibre ottiche, display a cristalli liquidi, penne, matite, inchiostri, coloranti, carta
Ricreazione
Calzature, attrezzature protettive, foto e film, parti di biciclette e gomme, mute, coperture CD/DVD, attrez. golf., campeggio, barche
Abitazione
Pitture, resine, rivestimenti, adesivi, isolamento, cementi, vernici, ritardanti di fiamma, moquette
Salute e Igiene
Occhiali di plastica, cosmetici, detergenti, farmaci, lozioni e creme solari, prodotti per la cura dentale, disinfettanti, aspirina
Cosa è un Prodotto a Base Bio? (Definizioni)
I. Un prodotto finalizzato ad essere un prodotto industriale o commerciale
(non destinato ad alimentazione umana o animale) costituito, totalmente o in parte significativa, di prodotti biologici o materiali rinnovabili domestici
agricoli (incluse materiali da piante, animali, e organismi acquatici) o materiali forestali.”
II. Basati su materiali di piante o animali come ingredienti principali. Le piante o animali utilizzati sono fonti rinnovabili. Con alcune eccezioni,
generalmente non contengono sostanze sintetiche, tossine o composti dannosi per l’ambiente.
III. Benefici dei Prodotti a base Bio
Generalmente più salubri e sicuri per gli utilizzatori
Generalmente più salubri per l’ambiente
Ridotta dipendenza da materiali importati
Ridotta dipendenza dal petrolio
Generalmente utili all’economia
Estremamente utili all’economia rurale e forestale.
Struttura Organizzata delle Cellule Animali e Vegetali.
Cellula Animale Cellula Vegetale
mitocondrio
citoplasma
ribosoma
plasma membrana
reticolo endoplasmatico
rugoso cloroplasto
complesso di Golgi microtubuli
(parte del citoscheletro)
lisosoma
reticolo endoplasmatico
liscio
reticolo endoplasmatico
rugoso
centriolo reticolo
endoplasmatico liscio
ribosoma libero
nucleo nucleolo cromatina poro nucleare parete nucleare complesso di Golgi
nucleolo poro nucleare
cromatina parete nucleare
nucleo
ribosomi
ribosoma libero
plasma membrana
parete cellulare plasma-
desma vacuolo centrare mitocondrio
plastidi microtubuli
(parte del citoscheletro)
vescica
Tipi di Materie Prime da Vegetali.
Oli essenziali Amido
Cellulosa/
Emi-cellulosa
Lignina Acidi grassi/
trigliceridi Cotone/lino
/canapa Gomma Naturale
Proteine
Altri
metaboliti
Approcci all’Uso di Materie Prime Sostenibili.
• Duplicazione di prodotti e strutture: biomasse usate per preparare
derivati petrolchimici noti … con relativa facilità, ma scarsa economicità
• Duplicazione di proprietà: le biomasse sono usate per duplicare
proprietà prestazionali interessanti … con relativa difficoltà, ma di ben maggiore opportunità economica.
• Sviluppo di nuovi prodotti eco-compatibili.
Materia prima sostenibile
Nuovo processo
Sostituzione prodotto
convenzionale
Materia prima sostenibile
Processo
convenzionale
Prodotti alternativi
Materia prima sostenibile
Nuovo processo
Prodotti alternativi
La Bioeconomia: Cuore della «Nuova Bioeconomia».
BIOECONOMIA
AUMENTO DEL VALORE
ENERGIA E MATERIALI A BASSO IMPATTO SECURIEZZA
ALIMENTARE
BIORAFFINERIE BIOMASSA Sostenibilità
(Economica, Ambientale, Sociale)
INDUSTRIA RURALE E AGRICOLTURA
SOSTENIBILE
+ Forestale e acquacultura
Alimentare Non-
Alimentare
Le Tre Grandi Categorie dei Prodotti a Base Biologica.
• Biocombustibili (oli, biodiesel, etanolo)
• Composti Biochimici (specialità chimiche quali vernici, inchiostri, tensioattivi, polimeri, lubrificanti, solventi,
farmaceutici da vegetali, ecc.)
• Biomateriali (prodotti per fibre, mobili, cuoio, cibi lavorati,
laminati, coperture, plastiche, isolamenti, ecc.)
Due Alternative Principali.
a) Separazione di polimeri e composti prodotti dalla natura
Tecnologie Meccaniche
Tecnologie di Estrazione
Altre tecnologie di separazione
b) Scelta e produzione di un biocatalizzatore per la produzione selettiva di polimeri e composti (tramite organismi GMO)
scelta e caratterizzazione di Biocatalizzatori
Ingegnerizzazione dei Biocatalizzatori
Applicazione
Recupero del prodotto (lavorazioni downstream).
Il Ciclo dei Processi Implicati nella Scelta e Sviluppo di un Biocatalizzatore.
(da Schmid et al., 2001)
Reagenti Processo Prodotti
Recupero prodotto
Applicazione
Scelta Biocatalizzatore
Ingegneria Biocataliz.
Caratterizzazione Biocatalizzatore
Economia
Screening Enzima o cellule?
Downstream Recupero In situ
Stabilità Immobilizzazione
Rigenerazione cofattore
Sistemi Multifase
Cinetica Condizioni
reazioni Informazione
Strutturale Ingegneria
Cellulare Ingegneria di
processo Ingegneria enzimatica
Nuove reazioni
Costituenti Alimentari della Biomassa.
Amido: 70-75% (frumento)
Rapidamente disponibile e idrolizzabile
Base per le comuni “bioraffinerie”.
Oli: 4-7% (frumento), 18-20% (soia)
Rapidamente separabile dalla pianta
Base per l’oleochimica e il biodiesel.
Proteine: 20-25% (frumento), 80%
(soia)
Componente chiave dei cibi
Applicazioni in prodotti chimici.
O
O O
O O O
( ) 7 ( ) 7
( ) 7
Costituenti Non Alimentari della Biomassa.
Lignina: 15-25%
Complessa struttura aromatica
Alto contenuto energetico
Resistente alla conversione biochimica.
Emicellulosa: 23-32%
Lo xilosio è il secondo zucchero più abbondante nella biosfera
Polimero di zuccheri a 5- e 6- carboni, marginale alimento biochimico.
Cellulosa: 38-50%
La forma più abbondante di carbonio nella biosfera
Polimero del glucosio, valida materia prima biochimica.
O O
O O H
OHO
O H OH
OH OH
O O
O O H
OH O
O H OH
OH OH
O O
O O H
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O H OH
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O O
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O H OH
OH OH O
O O O H
OH O
OH OH O
O O H
OH O
OH OH O
O O H
OH O
OH OH O
O O H
OH
OH
OH
O O H
O OH
O OH O
O H
OH OH O
C H3
O O
O H
O H
OH O
CH3 O
CH3 O
CH3 O
CH3 O
CH3 O CH3
O
C H3O
CH3 O
CH3 O C
H3O
CH3 O
CH3 O
CH3 O
CH3 O CH3 O
C H3O
Complementarietà delle Diverse Visioni della Biotecnologia.
BIOTECNOLOGIE Biotecnologie Rosse
Applicazioni Mediche Proteine terapeutiche,
diagnostica, terapia genica …
Biotecnologie Verdi I vegetali
Agricoltura, alimentazione, OGM…
Biotecnologie Blu La via marina
Organismi marini, alghe…
Biotecnologie Gialle Ambiente
Bioremediation, trattamenti acque…
Biotecnologie Bianche Biotecnologie Industriali
Fermentazione, catalisi
Visione Olistica di una Bioraffineria.
La Bioraffineria di Pomacle-Bazancourt.
La Bioraffineria di Pomacle-Bazancourt.
Vasche – Stazione depurazione – CH4 Chamtor– Cristal Union
Amidonnerie
Chamtor Disidratazione
Cristal U.-Luzeal
Pilota Etanolo 2G
Progetto Futurolo Distillerie
Cristanol II
Silos Vivescia
Distillerie Cristanol II
CO2 Air Liquide
Chaudière biomassa Cristal Union
Alim.Animale Desialis
Tensioactifs Wheatoleo R&D
ARD
Zuccherificio Cristal Union Cosmetica
Soliance Pilota Papetier Paille
CIMV
Succinato BioAmber
Evoluzione del Mercato dei Prodotti a Base Agricola nel Prossimo Futuro.
Alta dinamica / alte quantità
Dinamica media / alte quantità
Alta dinamica / medie quantità
Media dinamica / medio-basse quantità
Potential quantities (k tons)
Moltiplicatore di crescita del mercato in ogni campo (2000 vs. 2005)
50 100 150 200 250 1000 2000 6000 10000 Biocombustibili
Bio lubricanti
Agro
solventi Inchiostri vernici
Agro tensioattivi
50 100 150 200 250
Compositi
Intermedi Chimici
biomateriali
Agro materiali
Esempio di Materia Prima: Seme di Grano
endosperma
cellule aleurone cellule endosperma
con granuli di amido
germe (embrione) plumule
radice scutello
crusca
tessuto nucellare tegumento (testa) cel. tubolari
cel. trasversali ipoderma epidermide
brattee (pula) barbe
Composizione di uno Stocco di Mais.
Componente Chimico Composizione %
Glucani 36.1 %
Xilani 21.4 %
Arabinani 3.5 %
Mannani 1.8 %
Galattani 2.5 %
Lignina 17.2 %
Proteina 4.0 %
Acetile 3.2 %
Ceneri 7.1 %
Acidi Uronici 3.6 %
Zuccheri non-strutturali 1.2 %
foglia
fusto
radici Radici ancor..
barba infiorescenza maschile
spiga ascellare o spadice
Chimica del Legno.
Il legno appartiene alla classe dei materiali compositi:
Matrice = lignina Fibra di rinforzo = cellulosa
Agente interfacciale = emicellulosa
Legno massello Legno massello cuore
Anello annuale cambio
corteccia
Struttura Macroscopica del Legno.
Corteccia esterna = cellule morte
Il legno (o xilema) cresce di anno in anno
(struttura ad anelli) Tessitura del legno duro...
Tessitura del legno molle ...
canali
Struttura Anatomica di una Fibra di Legno (Tracheide).
Parete secondaria
S3 70-100 nm
S2 0.5-8 mm
S1
100-200 mm
Cellulosa
Parete primaria
(30-100 nm) Lamella intermedia (lignina + emicellulosa)
Microfibrille
Resinose:
l
= 1.5-5 mmf = 20-50 mm Frondose:
l
= 0.6-1.6 mm f = 10-30 mmLignina:
tenere = 25%
dure = 21%
Emicellulosa:
tenere = 25%
dure = 35%
Estraibili: 2-8%
Due Tipi di Specie Vegetali.
Composizione massiva (%) Ruolo Resinose Frondose
Cellulosa 40-45 38-50 Rinforzo
Emicellulosa 7-15 19-26 Matrice
Lignina 26-34 23-30 Matrice
Estraibili 4 4 Lubrificante
Ceneri < 1 <1 -
Pino
bianco Quercia
Rossa
Carboidrati Strutturali nelle Piante.
0 5 10 15 20 25 30 35
Erba giovane Alfalfa giovane Alfalfa matura
% Materia secca
Pectina Emicellulosa Cellulosa
• Pectine meno in erbe che legumi.
• Emicellulosa di più nell’erba che nei legumi.
• Emicellulosa e cellulosa aumentano con la maturazione.
alfaalfa = medicago sativa
Polisaccaridi Misti – Pectine.
• Pectine
Le pectine hanno una struttura complessa e non esatta. Lo scheletro è molto spesso costituito da acido D-galatturonico legato α-1,4
Il ramnosio si può intercalare all’acido galatturonico con punti di
ramificazione che formano catene laterali (1 - 20 residui) soprattutto di L- arabinosio e D-galattosio
Contengono poi legami esteri con gruppi metile e le catene laterali
contengono altri residui quali D-xilosio, L-fruttosio, acido D-glucuronico, D-apiosio, acido 3-deosossi-D-manno-2-ottulosonico e acido 3-deosossi- D-liso-2-eptulosonico legato a regioni di acido poli-α-(1,4)-D-galatturonico
Le proteine dette estensine si trovano comunemente associate alla pectina nelle pareti cellulari
Comunemente forma reticolazioni e lega altri polimeri
La composizione varia da pianta a pianta e in parti di pianta
• La polpa di limone, la barbabietola, le scorze della soia ne hanno un’alta concentrazione
• L'Alfalfa (erba medica) ha concentrazioni intermedie di pectina
• Le erbe ne contengono una bassa concentrazione
Pectina: Struttura e Fonti.
Mesocarpo ricco di Pectina
Fonti di pectina:
• Fecce di mela (residuo dopo spremitura del succo);
• Buccia di Limone.
Acido metil galatturonico
Acido Galatturonico
Acido galatturonico ammidato Acido galatturonico
Acido galatturonico Metilato Acido galatturonico ammidato Ramnosio
Arabinosio o galattosio Xilosio (alto contenuto nella
pectina di mela)
Polisaccaridi Misti – Emicellulosa.
• Polisaccaridi ramificati che sono strutturalmente omologhi della cellulosa in quanto hanno uno scheletro composto da residui
saccaridici legati β-1,4 – Molto spesso xilani, a struttura non esatta.
• L’emicellulosa è abbondante nelle pareti primarie ma si trova anche nelle pareti secondarie.
• Varie catene laterali: arabinosio, acido glucuronico, mannosio, glucosio, acido 4-O-metilglucuronico – varia tra le specie.
• Nelle pareti delle cellule vegetali:
Stretta associazione con la lignina – legami con gli acidi cumarico e ferulico - non molto resistente all’attacco chimico
I polimeri xilanici si possono reticolare con altri scheletri di emicellulosa
Legata alla cellulosa nelle pareti cellulari delle piante
Il rapporto tra cellulosa e emicellulosa varia da 0.8:1 a 1.6:1.
Struttura Molecolare dell’Emicellulosa.
L’emicellulosa è più abbondante nel legno tenero =
Galattoglucomannano.
Additivi alimentari,
ispessenti, emulsionanti agenti gelificanti, adesivi.
Mannani (resinose)
Ac Ac
Ac
C O H REG
Ac –O- Gruppo Acetile Galattosio (6)
Mannosio (6)
Glucosio (6) L’emicellulosa è un
polimero ramificato DP ~ 50-300 (amorfo)
Xilani
Lignina.
La lignina è un polimero reticolato amorfo d alto peso molecolare.
Motivo propil-fenolo (C9)
Monomeri della lignina
Piante annuali
Resinose Frondose
Interazione tra Lignina e Polisaccaridi.
Lignina interna
Lignina esterna
2 3 1
3
3
Polisaccaride
4
Lignina
Lignina
O
6 7
5
La Lignina e i Suoi Monomeri.
• Polimero tridimensionale. Non è un carboidrato – non contiene zuccheri
• Di tipo fenolico – molto simile alle resine fenoliche usate nel compensato.
• I monomeri sono unità fenilpropaniche, prevalentemente alcol cumarilico [con un gruppo OH in posizione 4 dell’anello
fenilico], alcol coniferilico (gruppo OH in posizione 4, -OCH3 in posizione 3) e alcol sinapilico (gruppo OH in posizione 4,
gruppo -OCH3 in posizioni 3 e 5).
• I gruppi laterali dei monomeri sono reattivi formando strutture scarsamente definite che sono fortemente reticolate.
• Attacco a emicellulosa e pectine
• Non digerite nel rumine
• Scure in natura – specialmente dopo reazione con alcali – devono essere de- colorate o rimosse per sbiancare la carta.
fenilalanina
acido cinnamico
acido p-cumarico
acido ferulico
acido sinapilico
alcol sinapilico alcol copiferilico
Legno: Struttura della Parete Secondaria.
http://digital.library.okstate.edu/oas/oas _pdf/v72/p51_56.pdf
Struttura della Carta.
Separazione delle lamelle
Processo Kraft Soda + Na2S T = 160°C
Separazione delle fibre
= pasta di carta
Il Caso del Sughero (40% di Suberina).
Bassa densità
Idrofobica e plastica
Struttura della suberina
Alcuni Comuni Lipidi di Riserva e di Membrana.
• Nei triacilgliceroli, glicerofosfolipidi, galattolipidi e sulfolipidi, i gruppi alchilici sono acidi grassi con legami esterei.
• Gli sfingolipidi contengono un singolo acido grasso, con legame ammidico sulla matrice della sfingosina.
• Nei fosfolipidi il gruppo polare di testa è legato tramite un fosfodiestere, mentre i glicolipidi hanno un legame glicosidico diretto tra lo zucchero del gruppo di testa e l'intelaiatura del glicerolo.
• I lipidi di membrana degli archeobatteri sono variabili; quelli riportati hanno due catene alchiliche (isopreniche) molto lunghe e ramificate, ciascuna che finisce con un legame etereo con l'unità del glicerolo.
Stoccaggio lipidi (neutri)
Lipidi di Membrana (polari)
Fosfolipidi
Triacilgliceroli Glicerofosfolipidi Sfingolipidi Sfingolipidi Galattolipidi (sulfolipidi)
Glicolipidi Lipidi-eteri di archeobatteri
Glicerolo Glicerolo Glicerolo Glicerolo
Sfingosina
Sfingosina
acido grasso
acido grasso
acido grasso
acido grasso
acido grasso acido grasso acido grasso acido grasso
acido grasso
PO4 Alcool PO4 Colina (SO4) PO4
Mono- o
oligosaccaride Mono- o
disaccaride ( legame etereo)
Difitanile Difitanile
Glicerolo
PO4
Glicerolo
Molecole che si Possono Estrarre dal Legno:
i Terpeni.
Famiglia dei terpeni
“Olio di trementina"
Acido abietico e omologhi
"Resine di legno o colofonie"
Adesivi, vernici, lubrificanti.
Distribuzione delle Risorse di Piante/Animali come Materie Prime.
Risorsa Legno
Amido industriale Oli vegetali
Gomma naturale Estratti di legno Cellulosa
Lignina
Milioni di ton.
usate all’anno 80.9
3.0 1.0 1.0 0.9 0.5 0.2
Usi
Carta, cartone, compositi lignocellulosa
Adesivi, polimeri, resine
Tensioattivi, inchiostri, vernici Pneumatici, giocattoli
Oli, gomme
Fibre tessili, polimeri
Adesivi, concia pelli, vanillina
Processo di Frazionamento del Legno.
Materia prima lignocellulosica
Insolubili
Solubili
Polpa di cellulosa
Lavaggio Fibre
Acquosa Organica
Separazione delle fasi
Emicellulosa Lignina
Cellulosa Emicellulosa Lignina
Altro
La Degradazione Enzimatica della Cellulosa Coinvolge Vari Enzimi.
Endoglucanasi - taglia a caso nel mezzo della catena del polimero
Exoglucanasi - Taglia una unità di dimero del glucosio (cellobiosio) all’estremità della catena del polimero
Beta-Glucosidasi- converte Il cellobiosio in glucosio si
no
Questi enzimi si trovano in batteri che vivono nello stomaco di ruminanti e termiti, ed in alcuni funghi. Le cellulasi più attive in laboratorio si recuperano dal fungo Trichoderma reesei.
Concetto di BioRaffineria.
Generare più prodotti da qualsiasi risorsa agricola.
• prodotti basati su Bisogni + Mercato + Economia - mix da provenienze multiple
• tecnologie compatte in tutti gli stadi per limitare gli investiment.i Requisiti Tecnologici :
- Nuove Strategie di Lavorazione
per dare correnti di processo che facilitano la flessibilità operativa e in grado di ottenere miscele di prodotti variabili
- Nuove Tecnologie di Separazione
per dare prodotti, specialmente quelli a bassa concentrazione e alto prezzo, a basso costo e alta qualità
Bio-Raffineria.
Grano
Oli
Chimica fine Fibre
Plastiche Composti Chimici Solventi
Combustibili
Alcuni “Co-prodotti” di Bioraffineria di Cellulosa.
Una bioraffineria basata sulla cellulosa che produce 200 milioni di
litri/anno di etanolo da paglia e fieno (a 200 litri/ton) produrrà anche:
23,000 ton di Ca, K, Mg, P
22,000 ton di lipidi, grassi, cere
57,000 ton di proteine (non incluse le cellule della biomassa)
Parecchia elettricità (dalla lignina)
Proteine equivalenti a 170,000 acri di soia
(probabilmente) zuccheri residui per l’alimentazione animale
Una bioraffineria opera simultaneamente in molti campi di affari (combustibili, composti chimici, potenza, alimentazione, ecc.).
Alcune Letture sull’Argomento.
Oli/Grassi
Chimica
- canna
- barbabietola - mais, grano - legno
-….
Rinnovabili
Prodotti Chimici e Bio-Energia hanno la stessa Base di Materie Prime.
Legno
Intermedio
Polimeri
Prodotto Intermedio
Chim. Fine
es. Acido Lattico Bio-Chimica
Bio-Energia
Zuccheri
Per es. C3
Prodotto
Benzina Vapore/ Elet.
Vapore/ Elet.
BTL Biogas
Bio-Etanolo
Combustione
Gassificazione
Piattaforme Base Cn per le Bioraffinerie.
Numero di Carboni, n
30 Potenziali principali candidati
1 Monossido di carbonio e idrogeno (syngas)
2 Etanolo
3 Glicerolo, acido 3-idrossipropionico, acido lattico, acido malonico, acido propionico, serina
4 Acetoino, acido aspartico, butanolo, acido fumarico, 3-idrossi- butirrolattone, acido malico, acido succinico, treonina
5 Arabinitolo, furfurolo, acido glutammico, acido itaconico, acido levulinico, prolina, xilitolo, acido xilonico
6 Acido aconitico, acido citrico, acid 2,5-furandicarbossilico, acido glucarico, acido mucico, glucosio, lisina, levoglucosano, sorbitolo
Cn
Componenti a Valore Aggiunto Derivati da Zuccheri (Precursori Cn).
Il DOE indica i seguenti 12 prodotti derivati da zuccheri come rilevanti:
Lo sviluppo di tecnologie avrà maggior impatto, quindi sarà necessaria una pre-identificazione di prodotti tramite sia ricerche
fondamentali che applicate!
La biomassa come materia prima per prodotti è un tema di corrente alto interesse per un ampio spettro di segmenti industriali.
Sviluppare tecnologie per fare
composti di base poco costosi di un definito numero di carboni da cui sviluppare attività industriali.
Lo sviluppo del prodotto lignina è particolarmente importante.
Acidi succinico, fumarico e malico, Acido 2,5-furandicarbossilico
Acido 3-idrossipropionico Acido aspartico
Acido glutarico Acido glutammico
Acido itaconico Acido levulinico
3-Idrossibutirrolattone Glicerolo
Sorbitolo
Xilitolo/arabinitolo
Produzione e Prezzi di Mercato Mondiali per
Importanti Prodotti di Fermentazione Microbica.
Fonte: W. Soetaert, E. Vandamme, Biotechnol. J. (2007)
Produzione mondiale (ton/anno)
Mercato prezzo (€/kg)
Bioetanolo 38000000 0.40
Acido L-glutammico 1500000 1.50
Acido Citrico 1500000 0.80
L-lisina 350000 2
Acido Lattico 250000 2
Vitamina C 80000 8
Acido Gluconico 50000 1.50
Antibiotici 30000 150
Antibiotici specialità 5000 1500
Xanthano 20000 8
L-Idrossifenilalanina 10000 10
Vitamina B12 3 25000