ITCO20120034A1 - "procedimento ed impianto per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (phb) e poliidrossialcanoati (pha)" - Google Patents
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Description
“Procedimento ed impianto per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA)”
Descrizione dell’invenzione
Campo tecnico
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento e ad un impianto per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA) secondo i preamboli delle rivendicazioni 1 e 4.
Sfondo tecnologico
Come noto, i polimeri derivanti da fonti rinnovabili (biopolimeri) possono essere divisi in tre categorie principali, basate sulla loro origine e sulla loro produzione (petersen et al. 1999), ovvero in:
1) polimeri direttamente estratti da materiale naturale (principalmente piante). Fanno parte di questa categoria i polisaccaridi come amido e cellulosa, e le proteine come caseina e glutine.
2) Polimeri prodotti mediante sintesi chimica “classica” utilizzando monomeri biologici e rinnovabili. Un ottimo esempio è l’acido polilattico, un biopoliestere polimerizzato a partire da monomeri di acido lattico.
3) Polimeri prodotti da microrganismi o batteri geneticamente modificati. Sostanzialmente si parla di poliidrossialcanoati (PHA). I PHA, dei quali il poliidrossibutirrato (PHB) è il più comune, sono composti che vengono sintetizzati da alcuni microrganismi per poi essere utilizzati come fonte di energia e di carbonio.
E inoltre noto che molte specie batteriche, sia aerobiche che anaerobiche, producono polimeri, ovvero poliidrossialcanoati (PHA), che servono per immagazzinare il carbonio quando nel loro ambiente di crescita è presente una carenza di altri nutrienti; pertanto i PHA se sono in una condizione in cui abbandona una fonte di carbonio (come ad esempio glucosio), ma scarseggia la fonte di azoto N e di fosforo P, allora i PHA non possono crescere in quanto mancano i micronutrienti fondamentali per la sintesi del DNA, ed immagazzinano il carbonio sotto forma di PHA per riutilizzarlo quando c’è disponibilità di N e P.
Come noto inoltre il PHB è un polimero termoplastico per molti aspetti simile al polipropilene, tuttavia presenta una temperatura di transizione vetrosa troppo elevata e una resistenza all’urto troppo bassa, laddove inoltre la temperatura di fusione è molto vicina a quella di degradazione, la qual cosa rende problematica, se non impossibile, la lavorazione con le tecniche convenzionali per i polimeri termoplastici. E però stato possibile ottenere copolimeri con idrossivalerato a disposizione casuale. H copolimero con il 20 % di idrossivalerato può essere paragonato (?) al polipropilene e riduce nello stesso tempo il problema della fragilità e della lavorabilità. In seguito al suo elevato prezzo però il copolimero idrossibutirrato/idrossivalerato ha finora trovato prevalentemente solo applicazioni di nicchia, ovvero molto limitate, nonostante una domanda potenziale del mercato molto elevata.
E parimenti noto che lo sfruttamento di materiale organico per la produzione di biogas al fine di produrre energia elettrica risale a più di 20 anni fa, laddove solo di recente le norme ispirate al protocollo di Kyoto e la riforma della politica energetica dell’ Unione Europea, con le conseguenti legislazioni e regolamentazioni nazionali, hanno dato un forte incentivo allo sviluppo di tecnologie di produzione di energia da fonti rinnovabili sempre più competitive, laddove inoltre la normativa italiana considera come fonte di energia rinnovabile anche la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici.
H biogas da digestione anaerobica, in quanto prodotto dalla trasformazione biologica di prodotti vegetali e rifiuti organici, costituisce una fonte energetica rinnovabile.
E parimenti noto che la digestione anaerobica è un processo biologico complesso per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas, costituito principalmente da metano (CH4), biossido di carbonio (C02) e altri gas in tracce, come acido solfidrico (H2S), laddove la percentuale di C02nel biogas varia a secondo del tipo di sostanza organica digerita e dalle condizioni di processo, da un minimo del 20 % fino al 40 %.
E parimenti noto che l’unica operazione effettuata come purificazione del biogas è la rimozione dell’acido solfidrico mediante colonne di lavaggio con soda, mentre il C02con il metano vengono convogliati come combustibile ad un cogeneratore per la produzione di energia elettrica e di calore.
Sommario dell’ invenzione
A fronte delle conoscenze attuali brevemente richiamate più sopra, l’inventore si è posto il compito di indicare un procedimento ed un impianto in grado di produrre biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA) in generale partendo da prodotti di scarto e, pertanto, a costi drasticamente diminuiti rispetto alla tecnica nota. H compito indicato viene risolto, secondo Γ invenzione, mediante un procedimento ed un impianto per la produzione di biopolimeri a base di PHB e PHA presentanti le caratteristiche delle rivendicazioni 1 e 4.
Ulteriori forme di esecuzione sono rilevabili dalle rivendicazioni dipendenti.
Con la soluzione secondo l’invenzione si ottengono diversi ed importanti vantaggi.
In primo luogo l’impiego di biogas proveniente dalla digestione anaerobica come nutriente di microrganismi o batteri geneticamente modificati, è disponibile in modo rinnovabile ed a costi estremamente bassi, in sostituzione alla nota produzione di biopolimeri con costose fonti di carbonio nobile, e consente di avere costi estremamente bassi sia della materia prima utilizzata che dei biopolimeri ottenuti, i quali possono così soddisfare l’attuale crescita esponenziale sul mercato della richiesta di biopolimeri.
Nello stesso tempo viene conseguito il vantaggio di valorizzare prodotti di scarto e rifiuti come fonti rinnovabili con un utilizzo alternativo del biogas prodotto in impianti di digestione anaerobica.
Un ulteriore vantaggio va visto nel fatto che gli insegnamenti della presente invenzione sono realizzabili prevedendo fasi operative eseguibili con dispositivi di per sé generalmente noti per il loro impiego in altri processi tecnologici.
Ancora un vantaggio dell 'invenzione consiste nel limitato numero di dispositivi richiesti per l’attuazione dell’invenzione nelle due modalità di attuazione previste.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche, vantaggi e dettagli dei procedimenti ed impianti per la produzione di biopolimeri a base di PHA e PHB secondo l’invenzione sono rilevabili dalla descrizione seguente di due esempi di esecuzione dell’invenzione schematizzati nei disegni allegati, nei quali mostrano:
la figura 1 una rappresentazione schematica del processo per la produzione di PHB e PHA a partire dal biogas ed utilizzo del C02contenuto in esso, e la figura 2 una rappresentazione schematica di un processo per la produzione di PHB e PHA a partire da biogas con trasformazione del C02in carbonato di calcio CaC03.
Descrizione delle forme di esecuzione preferite
Con riferimento alla figura 1 viene ora descritta una prima forma di esecuzione del processo secondo l’invenzione prevedente l’utilizzo di C02come nutriente di batteri specifici e rimpianto 1 per la sua attuazione.
L’intero processo può essere suddiviso in principio nelle seguenti quattro fasi:
• una fase di digestione anaerobica in un digestore anaerobico 2 con produzione di biogas inviato con una condotta 3 ad un dispositivo 4 di lavaggio per la rimozione di H2S,
• una fase di separazione in fase gassosa del metano CH4dal biossido di carbonio C02mediante uno stadio di separazione a membrane 6, laddove il metano viene condotto con una condotta 7 come combustibile ad un cogeneratore di energia elettrica e di calore (non illustrato),
• una fase di compressione del biossido di carbonio separato, il quale tramite una condotta 8 viene convogliato in un sistema di compressione 9 e sua alimentazione tramite la condotta 11 ad una cella elettrolitica 12 per la produzione di idrogeno H2, ossigeno 02e biopolimeri, come poliidrossialcanoati (PHA) e poliidrossibutirrati (PHB),
• laddove all’interno della cella elettrolitica 12 è previsto un diaframma microporoso 13 suddividente la cella in un primo compartimento 14 nel quale è immerso un anodo 14a, ed in un secondo compartimento 15 nel quale è immerso un catolo 15a collegato, come l’anodo 14a, ai poli corrispondenti di una sorgente di corrente continua 16, laddove l’elettrolita, ovvero acqua, riempie la cella 12 e nello scomparto 14 contenente l’anodo 14a nell’acqua sono contenuti specifici batteri ed in esso viene alimentato il biossido di carbonio proveniente dal sistema di compressione 9 come fonte di carbonio utile alla crescita dei detti batteri selezionati che, in assenza di altri macronutrienti quali azoto N e fosforo P, non sono in grado di riprodursi e crescere e immagazzinano il carbonio sotto forma di PHA e PHB, laddove la composizione precisa dei poliidrossialcanoati PHA dipende dal tipo di batterio dal quale sono stati sintetizzati e dal mezzo di coltura. Si prescinde da una descrizione più dettagliata dell’elettrolisi, in quanto ampiamente nota.
Adeguando opportunamente la cella 12 a un flusso discontinuo di energia elettrica è possibile alimentare tale dispositivo con l’energia elettrica prodotta dalla combustione in motori di cogenerazione del biometano, che è stato separato nella prima fase del processo con lo stadio di separazione a membrane 6.
Si fa ora riferimento alla variante del processo secondo l’invenzione con 1’impianto 1A illustrato in fig. 2, il quale mantiene inalterata la parte di testa e la parte di coda, con i relativi numeri di riferimento, uguali alle parti di testa e di coda corrispondenti dell’impianto 1 illustrato in fig.l.
Secondo questa variante nell’impianto 1 A vengono previste le seguenti fasi operative:
• una prima fase analoga a quella del processo di figura 1,
• una fase di lavaggio del biossido di carbonio C02in una colonna 20 con idrossido di potassio KOH con formazione di bicarbonato di potassio K0C03che, in fase acquosa, passa tramite la condotta 21 in una fase di precipitazione successiva,
• ovvero in una fase di precipitazione del CaC03ottenuta in una vasca con agitatore 22 addizionando alla soluzione di K0C03idrossido di calcio Ca(OH)2,
• nel sedimentatore 23 ha poi luogo una separazione del CaC03ed il recupero dell’idrossido di potassio, che viene ricircolato nella colonna di lavaggio 20 tramite la condotta 24,
• una fase di alimentazione del CaC03tramite la condotta 25 aH’intemo della cella elettrolitica 12, laddove il CaC03viene utilizzato come nutriente dai batteri come fonte di carbonio, al posto del C02previsto nel procedimento/impianto illustrato in figura 1. Dalla descrizione dei due procedimenti ed impianti secondo l’invenzione risulta evidente la vantaggiosa ed ingegnosa individualizzazione ed utilizzo di fonti di carbonio abbondanti ed economiche come alternative di nutrienti di carbonio nobile nella produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato e poliidrossialcanoati in una cella elettrolitica contenente microrganismi o batteri geneticamente modificati, nonché il fatto che con gli insegnamenti dell’ invenzione si risolve efficacemente il compito indicato e si conseguono i vantaggi menzionati.
In pratica gli esperti del ramo potranno introdurre diverse modifiche e varianti nello svolgimento dei processi ed impianti illustrati, come pure nella scelta dei microrganismi o batteri utilizzati, o prevedere una pluralità di celle idrolitiche, e così via, senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione della presente invenzione come descritta ed illustrata.
Claims (8)
- “Procedimento ed impianto per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA)” Rivendicazioni 1. Procedimento per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA) mediante l’impiego di una cella elettrolitica contenente nell’ elettrolita microrganismi o batteri geneticamente modificati, caratterizzato dal fatto che come nutriente dei batteri viene utilizzato, direttamente o indirettamente, biossido di carbonio C02separato da biogas proveniente da un digestore anaerobico.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il biogas viene preliminarmente privato di H2S mediante lavaggio e successivamente viene diviso in metano CH4 e biossido di carbonio C02, laddove il biossido di carbonio C02prima dell’invio nella cella elettrolitica viene compresso in uno stadio di compressione.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il biossido di carbonio C02separato viene lavato in una colonna di lavaggio con idrossido di potassio KOH aggiunto con formazione di bicarbonato di potassio K0C03in fase acquosa e successiva precipitazione del CaC03con aggiunta di idrossido di calcio Ca(OH)2 e separazione per sedimentazione del CaC03con recupero dell’idrossido di potassio, che viene ricircolato nella colonna di lavaggio, laddove il CaC03viene inviato come nutriente o fonte di carbonio nella cella elettrolitica.
- 4. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 e 3, caratterizzato dal fatto che il metano separato dal biogas viene utilizzato come combustibile per un cogeneratore per la produzione di energia elettrica e di calore, laddove una parte dell’ energia elettrica prodotta viene utilizzata per Γ alimentazione in corrente continua della cella elettrolitica.
- 5. Impianto per la produzione di biopolimeri a base di poliidrossibutirrato (PHB) e poliidrossialcanoati (PHA) comprendente una cella elettrolitica con microrganismi o batteri geneticamente modificati per la produzione di bioplastiche per l’attuazione del procedimento secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un digestore anaerobico (2), una colonna di lavaggio (4) del biogas prodotto per l’eliminazione di H2S, nonché uno stadio (6) di separazione con membrane di metano (C04) da biossido di carbonio C02, laddove una condotta (8) conduce detto biossido di carbonio all’ingresso della cella elettrolitica (12).
- 6. Impianto secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che a monte della cella elettrolitica (12) è previsto un sistema (9) di compressione del biossido di carbonio.
- 7. Impianto secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una colonna (20) di lavaggio del biossido di carbonio ottenuto con KOH con formazione di bicarbonato di potassio K0C03, la quale colonna (20) è in collegamento con una condotta (21) con una vasca di agitazione (22), che a sua volta è collegata con un dispositivo di sedimentazione (23) per la separazione del CaC03da inviare alla cella elettrolitica (12) tramite una condotta (25), laddove una condotta (24) di ricircolazione dell’idrossido di potassio collega detto dispositivo di sedimentazione (23) con la colonna di lavaggio (20).
- 8. Impianto secondo una o più delle rivendicazioni da 5 a 7, caratterizzato dal fatto che il metano prodotto è convogliato con una tubazione (7) ad un cogeneratore di generazione di elettricità/calore, laddove parte dell’ elettricità prodotta è alimentata come corrente continua di alimentazione della cella elettrolitica (12).
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