Bioetanolo: stabilizzazione della fermentazione e della distillazione per la massima resa

Il bioetanolo è stato tradizionalmente prodotto fermentando gli zuccheri provenienti da colture alimentari di prima generazione come mais, canna da zucchero, grano e sorgo. Con l'inasprirsi delle politiche di decarbonizzazione globali, l'etanolo sta assumendo un ruolo sempre più importante come sostituto a basse emissioni di carbonio della benzina derivata dai combustibili fossili.

L'industria tende a passare dalle colture di prima generazione a materie prime di seconda generazione - note anche come materie prime cellulosiche - per abbassare le emissioni del ciclo di vita e ridurre la concorrenza con la produzione alimentare. Le materie prime non alimentari, compresi i residui agricoli, i sottoprodotti della silvicoltura e le colture energetiche dedicate, contengono zuccheri fermentabili incorporati in strutture lignocellulosiche che devono prima essere scomposte.

Per rilasciare zuccheri fermentabili dalla lignocellulosa, questi materiali richiedono un ulteriore pretrattamento e fasi di idrolisi enzimatica. La transizione supporta un'ulteriore riduzione delle emissioni ma aumenta anche la variabilità delle materie prime e la complessità del processo biologico.

Oltre che nel settore dei trasporti su strada, la domanda di etanolo sta crescendo in numerose ambiti applicativi, tra cui i seguenti:

• Aviazione, grazie all'espansione delle filiere di produzione di carburante sostenibile per l'aviazione (SAF - Sustainable Aviation Fuel)
• Produzione chimica, dove l'etanolo funge da materia prima rinnovabile
• Combustibili industriali, a sostegno delle attività di decarbonizzazione nei processi ad alta intensità energetica

L’adozione, in diverse regioni, di veicoli flex-fuel e lo sviluppo continuo delle filiere SAF ribadiscono ulteriormente la necessità di una produzione stabile e ad alta resa. Con l'aumento della varietà di materie prime, il mantenimento di uno stretto controllo sui processi di fermentazione e distillazione diventa fondamentale per assicurare una conversione efficiente, un'elevata purezza del prodotto e operazioni a valle regolari.

Con l'accelerazione delle iniziative di decarbonizzazione a livello mondiale, il bioetanolo ricopre un ruolo sempre più importante nella sostituzione della benzina di origine fossile e nella riduzione delle emissioni del ciclo di vita. Stati Uniti e Brasilerimangono i più grandi mercati dell'etanolo, con forti incentivi politici come l'RFS (Renewable Fuel Standard) negli Stati Uniti e RenovaBio in Brasile. Questi quadri di riferimento continuano a spingere verso obblighi di miscelazione più elevati e a premiare filiere di produzione a basse emissioni di carbonio.  

In India, uno dei mercati dell'etanolo in più rapida espansione, il governo sta lanciando l'adozione a livello nazionale del carburante E20, un programma avviato nel 2023 e in continua crescita in tutto il paese. Questa espansione sostenuta aumenta ulteriormente la domanda di etanolo di qualità costante e ad elevata purezza.

Nell'Unione Europea, la direttiva sulle energie rinnovabili (RED II/III) richiede agli stati membri di incrementare l'utilizzo di energia rinnovabile nei trasporti, in modo da raggiungere il 29% entro il 2030 o da ottenere una riduzione del 14,5% dell'intensità GHG . Pur non imponendo un livello fisso di miscelazione con etanolo questi obiettivi sostengono, in tutta l'area, l'adozione sia dell'etanolo cellulosico che di quello di prima generazione.

La domanda crescente impone ai produttori di etanolo di mantenere elevate le rese di fermentazione, controllare la variabilità biologica e stabilizzare il consumo energetico della distillazione. La fermentazione è un processo particolarmente sensibile e anche piccole deviazioni possono danneggiare l'intera catena. Una misura accurata del processo e un controllo rigoroso della fermentazione sono essenziali per sostenere l'efficienza di produzione e soddisfare le crescenti esigenze del mercato globale del bioetanolo.

La produzione industriale di bioetanolo prevede generalmente tre fasi:

1. Preparazione dell'alimentazione: la materia prima per il bioetanolo può venire da diverse fonti. Le materie prime ricche di zuccheri come il succo di canna da zucchero, il sorgo o la melassa possono essere fermentate direttamente. I prodotti a base di amido come mais o grano vengono convertiti in zuccheri usando una combinazione di cottura ad alta temperatura e trattamento enzimatico. Durante questa fase di conversione, l'interazione tra amidi e zuccheri viene monitorata attentamente per ottimizzare il consumo di energia e aiutare gli operatori a massimizzare lo zucchero totale disponibile
2. Fermentazione: dopo averne regolato il pH e i nutrienti, la miscela preparata viene inoculata con il lievito. La fermentazione avviene in grandi recipienti agitati, dove i valori relativi a temperatura, pH ed emissioni di CO₂ vengono monitorati per mantenere la vitalità del lievito e l'efficienza di fermentazione. Piccole alterazioni possono ridurre l'efficienza di conversione o portare alla formazione di sottoprodotti che influiscono sulla separazione a valle
3. Distillazione e disidratazione: la "birra" ricca di etanolo viene trasferita al sistema di distillazione, dove una colonna separa l'etanolo dall'acqua e dai solidi attraverso un riscaldamento controllato. Il monitoraggio della distillazione, comprendente la misura della temperatura e della concentrazione di etanolo, determina l'efficienza della colonna. La disidratazione finale porta l'etanolo al grado di purezza adatto all'uso come carburante

Queste fasi incidono direttamente sulla resa del bioetanolo e sul consumo di energia, rendendo indispensabile disporre di una strumentazione affidabile per assicurare un funzionamento efficiente.

Anche quando la fermentazione e la distillazione avvengono entro i limiti nominali, spesso compaiono segnali precoci di perdita di resa e instabilità. Generalmente, questi sintomi riflettono le lacune nel controllo del processo di produzione dell'etanolo e tendono a manifestarsi prima che scattino gli allarmi.

• Lotti di fermentazione che terminano con una concentrazione di etanolo inferiore al previsto
• Variabilità dei tassi di consumo degli zuccheri tra un lotto e l'altro
• Eccessiva formazione di schiuma o pattern anomali di rilascio della CO₂
• Aumento della formazione di sottoprodotti quali acido acetico o glicerolo
• Maggiore domanda di energia per raggiungere la purezza target nel processo di distillazione
• Etanolo fuori specifica a causa dell'instabilità della colonna di distillazione dovuta, ad esempio, a fluttuazioni del rapporto di riflusso, della pressione o della temperatura

Questi problemi rappresentano gli effetti superficiali di squilibri più profondi del processo di fermentazione o distillazione. Piccole variazioni nell'attività biologica o nel comportamento delle colonne possono accumularsi rapidamente, amplificando il loro impatto sul consumo di energia e sulla purezza dell'etanolo. L'identificazione dei fattori alla base di queste alterazioni è il primo passo verso la stabilizzazione della produzione.  

Mentre gli indicatori a cui abbiamo accennato nella sezione precedente descrivono ciò che gli operatori osservano, le cause scatenanti sono spesso nascoste nei processi biologici e termici della produzione. La fermentazione dipende da condizioni microbiche costanti, mentre la distillazione si basa su un trasferimento stabile di calore e massa. Quando si discostano dai valori ottimali, i processi possono degenerare in una ridotta resa di etanolo, un maggiore consumo di energia e una qualità altalenante del prodotto. Capire le cause alla radice è indispensabile per migliorare il controllo del processo di produzione dell'etanolo e mantenere prevedibili le operazioni.

• Deriva del pH che altera il metabolismo del lievito, rallentando la conversione degli zuccheri e abbassando la resa di etanolo
• Fluttuazioni di temperatura nei fermentatori che stressano il lievito, rallentano la cinetica di reazione lenta e aumentano la domanda di vapore nella distillazione a valle
• Alimentazione non ottimizzata di zuccheri o nutrienti, causa di variabilità tra un lotto e l'altro nella formazione di alcool e cinetiche di fermentazione instabili
• Gestione inefficace della CO₂, che altera l'attività microbica e maschera le contaminazioni precoci o i problemi di vitalità del lievito
• Mancanza di misure affidabili della concentrazione di zuccheri, nutrienti ed etanolo, che limitano il monitoraggio in tempo reale e impediscono un controllo efficace dei parametri critici del processo

• Instabilità della colonna di distillazione - comprese oscillazioni dei valori di pressione o temperatura e scarso controllo del riflusso - che riduce l'efficienza della distillazione e la purezza dell'etanolo
• Ridotta efficienza di separazione, che comporta un maggiore consumo di energia, l'aumento dei flussi interni di riciclo e una concentrazione finale incostante di etanolo

Questi pattern operativi sono spesso indice che la fermentazione o le condizioni di distillazione stanno iniziando a uscire dai limiti di progetto. Dato che le due fasi sono strettamente interconnesse, anche leggere deviazioni possono influire sull'efficienza complessiva. Il monitoraggio delle principali variabili di processo permette il rilevamento precoce delle anomalie e aiuta a mantenere entrambe le fasi operative entro i loro campi ottimali.

Soluzioni di misura affidabili trasformano la sequenza sensibile di fermentazione-distillazione in un processo che può essere monitorato e controllato in modo continuo.

Pochi ma importanti valori di misura assicurano la visibilità in tempo reale dell'attività microbica, della conversione degli zuccheri, del consumo di energia e delle prestazioni di separazione. Questo livello di informazioni rende il processo di produzione del bioetanolo più facile da gestire e ottimizzare.

• La misura del pH durante la fermentazione assicura un metabolismo stabile del lievito e una conversione ottimale zucchero-etanolo
• Il monitoraggio della temperatura di fermentazione protegge l'attività del lievito e stabilizza la cinetica di reazione
• La misura della portata di alimentazione di zucchero e nutrienti mantiene costante la disponibilità del substrato tra i diversi lotti
• Il monitoraggio della CO₂ in uscita fornisce informazioni in tempo reale sull'attività di fermentazione e sulle condizioni del lievito

• Il monitoraggio della temperatura nella colonna di distillazione mostra la stabilità dei piatti e le prestazioni di separazione
• La misura della pressione della colonna aiuta a mantenere l'equilibrio vapore-liquido
• Il monitoraggio della portata del riflusso e del flusso di vapore controlla l'efficienza di separazione e il consumo di energia
• La misura della concentrazione di etanolo verifica la purezza del prodotto e individua le perdite del processo di separazione

• Il monitoraggio della temperatura nei ribollitori e nei condensatori aiuta a mantenere l'equilibrio termico del sistema di distillazione; l'instabilità aumenta il consumo di vapore e i carichi di riciclo interni
• La misura della portata di vapore, acqua di raffreddamento e condensa rivela gli squilibri energetici nel sistema di distillazione e aiuta gli operatori a controllare la domanda complessiva di energia del processo
• Il monitoraggio della purezza dell'etanolo mediante la misura della densità o della conducibilità rileva impurità, trascinamento d'acqua o instabilità del processo di disidratazione che possono portare a una concentrazione finale incostante di etanolo

Le soluzioni di misura forniscono agli operatori i dati di cui hanno bisogno per procedere con fiducia alla fermentazione e alla distillazione. Quando gli indicatori di processo sono precisi, gli operatori possono effettuare regolazioni proattive che mantengono nei limiti previsti la conversione degli zuccheri, l'attività microbica, la stabilità della colonna e la purezza dell'etanolo. Con la visibilità in tempo reale sulle variabili chiave, il controllo del processo di produzione dell'etanolo diventa prevedibile, riducendo la variabilità sia nella fase biologica che in quella termica.

• Titoli più elevati di etanolo, grazie a una cinetica di fermentazione stabile e a prestazioni microbiche costanti
• Minore consumo di energia, per effetto di una distillazione stabile e di una migliore efficienza di scambio termico
• Meno lotti fuori specifica, attraverso la riduzione dei ritrattamenti e la stabilizzazione della concentrazione di etanolo nel corso delle campagne di produzione
• Maggiore uniformità tra i fermentatori, con la conseguente minimizzazione delle variazioni tra un lotto e l'altro in termini di consumo degli zuccheri e rilascio di CO₂
• Riduzione dei rischi per la sicurezza legati alle fluttuazioni di pressione, all'accumulo di CO₂ e alla gestione dei vapori di etanolo
• Aumento dei tempi di disponibilità, con meno allarmi intempestivi e meno fluttuazioni dei principali valori quali pH, concentrazione di nutrienti ed etanolo, temperatura e densità
• Migliore utilizzo degli asset, per operazioni più prevedibili di programmazione, capacità produttiva e pianificazione delle risorse

L'ottimizzazione della produzione di bioetanolo è un processo di perfezionamento continuo. Che si tratti di passare a una nuova struttura per la produzione di etanolo cellulosico o di ammodernare un impianto esistente per ridurre la sua impronta di carbonio, una strategia di misura affidabile è la soluzione più preziosa. Garantisce una produzione di etanolo di alta qualità ed energeticamente efficiente, riducendo al minimo la variabilità e i rischi operativi.

Questa sezione risponde alle domande più comuni su stabilità della fermentazione, resa di etanolo e prestazioni energetiche nella produzione di bioetanolo. Si occupa delle principali sfide operative come, ad esempio, la variabilità delle materie prime, le inefficienze di fermentazione e la stabilità della distillazione.