IT202000016651A1 - Idrolisi di biomasse cellulosiche di scarto - Google Patents
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Description
Idrolisi di biomasse cellulosiche di scarto
Il progetto che ha condotto all?invenzione ? stato finanziato dalla Public-Private Partnership Bio Based Industries Joint Undertaking nell?ambito del programma di ricerca e innovazione dell?Unione Europea Horizon 2020, di cui al Grant Agreement No.745746.
La presente invenzione riguarda un processo che, attraverso l?utilizzo di biomasse cellulosiche di scarto come materia prima, permette di ottenere una molteplicit? di composti organici utilizzabili come intermedi chimici. Tale processo consente di estrarre, separare e recuperare saccaridi fermentabili da dette biomasse cellulosiche di scarto.
Le biomasse cellulosiche di scarto secondo la presente invenzione possono derivare da prodotti per l?igiene, quali pannolini usa e getta per bambini, pannoloni per adulti, prodotti per l?igiene femminile, traversine, materiale assorbente per l?igiene e la cura della persona in generale e carta igienica. Tali biomasse possono essere post-industriali e/o post-consumo e provenire nel secondo caso dallo smistamento di rifiuti o da impianti di depurazione.
I prodotti per l?igiene sopraelencati tipicamente comprendono una frazione cellulosica (e.g. fibre di cellulosa ottenute da differenti biomasse vegetali, ad esempio mediante processo Kraft) e possono comprendere polimeri super assorbenti ed un rivestimento esterno che li avvolge, costituito generalmente da tessuto non tessuto o da un film di plastica. Sebbene questi prodotti vengano comunemente conferiti in discarica o inceneriti dopo l'uso, negli ultimi anni sono stati sviluppati dei processi per recuperare e riciclare i materiali che li costituiscono. Per poter riutilizzare tali prodotti, ? necessario un processo per la separazione delle loro componenti principali: plastica, frazione cellulosica (Absorbent Hygiene Products waste cellulose, AHPwc) e polimero super assorbente (SAP, Super Absorbent Polymer). L?azienda ha ad esempio sviluppato un processo mirato alla separazione di queste componenti, descritto nella domanda di brevetto WO 2017/015242. Tale processo prevede una fase di trattamento dei prodotti assorbenti per la persona mediante autoclave ed essiccatore, allo scopo di sterilizzare, pre-separare ed asciugare i materiali, eliminando i cattivi odori ed i potenziali agenti patogeni, seguita dalla separazione e dal recupero della frazione cellulosica, della plastica e del polimero super assorbente.
Gli impianti di depurazione svolgono il trattamento delle acque reflue di origine urbana o industriale. Queste acque reflue possono contenere biomasse cellulosiche, componenti che diventano un rifiuto da bruciare o da smaltire in discarica. Tali componenti, se efficacemente separati dalle acque reflue e trattati, possono essere riutilizzati in altri processi, ad esempio come fonte rinnovabile di zuccheri fermentabili. L?azienda KNN Cellulose ha ad esempio sviluppato il processo ?Cellvation??, per il recupero della frazione cellulosica dai fanghi di trattamento delle acque reflue. Il prodotto ottenuto, Recell?, ? una cellulosa adatta all?impiego in vari settori come l'edilizia e l?industria della carta e del cartone, per la produzione di rivestimenti e prodotti chimici sostenibili.
Le biomasse cellulosiche tipicamente comprendono una frazione cellulosica ricca in polisaccaridi (come ad esempio emicellulosa e cellulosa) costituiti da unit? saccaridiche a 5 e 6 atomi di carbonio (c.d. zuccheri C5 - C6), che costituisce un?importante fonte rinnovabile di zuccheri fermentabili. Tuttavia, a causa della complessa struttura della frazione cellulosica, per favorire l?idrolisi enzimatica dei polisaccaridi in zuccheri semplici si rende necessario rompere i legami chimici tra i suoi componenti strutturali (cellulosa, emicellulosa e lignina). Vengono pertanto comunemente impiegati pretrattamenti mirati a distruggere la struttura esterna formata da lignina ed emicellulosa, oltre a ridurre la cristallinit? ed il grado di polimerizzazione della cellulosa stessa, e consentire l?accesso alla cellulosa da parte degli enzimi idrolitici.
Tali pretrattamenti possono essere di natura fisica, chimica e/o biologica.
Il brevetto EP 2828 392 descrive un processo per la produzione di zuccheri da piante erbacee oleaginose, comprendente un pretrattamento alcalino della biomassa lignocellulosica allo scopo di allontanare lignina, acetati, estraibili e ceneri, e consentire il recupero di emicellulosa e cellulosa, evitando la formazione di sottoprodotti di degradazione quali furfurale, HMF e suoi derivati.
La domanda di brevetto US 2010/0112242 descrive un metodo per l?utilizzo di biomasse di origine vegetale, animale e derivanti da rifiuti urbani, per la produzione di biocarburanti. Tali biomasse vengono sottoposte ad un trattamento, selezionato tra radiazioni, sonicazione, pirolisi ed ossidazione, allo scopo di modificarne la struttura molecolare e ricavarne zuccheri.
La domanda di brevetto WO 2017/015242 descrive un metodo per destrutturare una biomassa cellulosica post-consumo mediante trattamento con alta temperatura e alta pressione. Dopo trattamento, la frazione cellulosica viene direttamente saccarificata con produzione di zuccheri utilizzati come fonte di carbonio da microrganismi per la produzione di biocarburanti.
L?ottenimento di zuccheri C5 ? C6 fermentabili dalle biomasse cellulosiche di scarto ? per? difficoltoso, non solo a causa della complessa struttura della cellulosa, ma anche per la presenza di impurezze, quali ad esempio il polimero super assorbente, quando non completamente separato dalla frazione cellulosica, e/o eventuali residui organici e/o inorganici legati al consumo della biomassa cellulosica stessa.
Tali impurezze possono infatti causare una diminuzione dell?attivit? degli enzimi coinvolti nella saccarificazione, inficiare i processi di purificazione delle soluzioni zuccherine ottenute, inibire la crescita dei microrganismi, interferire con i processi di fermentazione e di purificazione dei composti prodotti attraverso il processo di fermentazione.
Per poter facilitare la reazione di saccarificazione della biomassa cellulosica derivante dai prodotti per l?igiene, ad esempio, il polimero super assorbente (c.d. SAP) contenuto deve essere allontanato o opportunamente trattato per ottenere una diminuzione del suo potere assorbente. La presenza di un polimero super assorbente pu?, infatti, portare all?ottenimento, durante il pretrattamento e/o la successiva saccarificazione enzimatica, di una sospensione o miscela molto viscosa, difficoltosa da mescolare e da trasferire. Pu? inoltre influire sull?attivit? catalitica degli enzimi impiegati nei processi di saccarificazione e/o dei microrganismi coinvolti nell?eventuale processo di fermentazione a valle. La separazione del polimero super assorbente dalla frazione cellulosica ? tuttavia difficoltosa e spesso non completa.
Anche la presenza di residui organici e/o inorganici pu? rendere difficoltoso sia il processo di saccarificazione enzimatica delle biomasse cellulosiche di scarto sia il successivo utilizzo degli zuccheri ottenuti in processi di fermentazione, poich? tali residui interferiscono con le reazioni catalizzate da enzimi e con il metabolismo dei microorganismi inibendone la crescita ed i processi di fermentazione.
Ad esempio, il brevetto JP5875922B2 descrive un metodo per ottenere zuccheri da pannolini usa e getta, in cui ad una soluzione di zuccheri ottenuti mediante saccarificazione enzimatica della biomassa viene aggiunto cloruro di calcio allo scopo di rimuovere il polimero super assorbente. Poich? il cloruro di calcio viene aggiunto durante o dopo la fase di saccarificazione, il polimero super assorbente ? presente nel reattore di saccarificazione e, oltre a causare una diminuzione della capacit? del reattore, essendo in grado di assorbire acqua con il conseguente aumento del suo volume, esso interferisce con l?attivit? degli enzimi, inficiando l?efficienza di saccarificazione. Inoltre, l?utilizzo di elevate concentrazioni di sali pu? causare l?inattivazione degli enzimi durante la saccarificazione o compromettere la vitalit? dei microrganismi utilizzati per la fermentazione.
La presente invenzione permette di superare le problematiche sopra descritte. Si ? infatti trovato che, sottoponendo una biomassa cellulosica di scarto ad un particolare pretrattamento alcalino, ? possibile ridurre la presenza di impurezze ed ottenere zuccheri C5-C6 adatti all?impiego in processi di fermentazione. Il processo secondo l?invenzione permette infatti, non solo di destrutturare la frazione cellulosica per renderla pi? facilmente attaccabile da parte degli enzimi, ma anche di allontanare le impurezze che inibiscono il metabolismo dei microrganismi utilizzati nei processi fermentazione.
Oggetto della presente invenzione ? pertanto un processo per la produzione di zuccheri C5-C6 a partire da una biomassa cellulosica di scarto contenente impurezze, comprendente le fasi di:
a) porre in contatto detta biomassa con una soluzione acquosa basica con pH > di 12, preferibilmente > o uguale a 13 e ad una temperatura compresa tra 60 e 120?C, ottenendo una miscela contenente almeno il 5% in peso di detta biomassa cellulosica rispetto al peso totale della soluzione;
b) separare detta miscela in una frazione solida comprendente cellulosa e una frazione liquida;
c) sottoporre detta frazione solida a uno o pi? lavaggi con acqua;
d) sottoporre la frazione solida derivante dalla fase c) ad un trattamento di idrolisi ottenendo un idrolizzato comprendente zuccheri C5-C6.
Preferibilmente il processo comprende dopo la fase d) una fase e) di separazione da detto idrolizzato di una frazione liquida contenente detti zuccheri C5-C6.
Ai sensi della presente invenzione, per biomassa cellulosica di scarto si intende la frazione organica di origine vegetale, principalmente costituita da cellulosa, (c.d. frazione cellulosica) separata dai rifiuti post-industriali e/o post-consumo. Nel caso in cui la frazione cellulosica derivi da biomasse post-consumo, queste subiscono preferibilmente un processo di sanificazione per l?eliminazione di eventuali agenti patogeni presenti prima di essere alimentate al presente processo.
Secondo un aspetto preferito, la biomassa cellulosica di scarto secondo la presente invenzione deriva da biomasse post-consumo e proviene ad esempio da impianti di smistamento di rifiuti o da impianti di depurazione.
Secondo un aspetto, la biomassa cellulosica di scarto deriva da un prodotto per l?igiene e pu? comprendere un polimero super assorbente.
Secondo un aspetto la biomassa cellulosica di scarto proviene da impianti di depurazione. La biomassa cellulosica di scarto comprende, rispetto al peso secco della biomassa, dal 40% al 99%, in peso di cellulosa. Il contenuto di cellulosa ? preferibilmente superiore al 50%, pi? preferibilmente superiore al 55% e ancora pi? preferibilmente superiore o uguale al 60% in peso.
La cellulosa nella biomassa cellulosica di scarto ? tipicamente presente sotto forma di fluff ed ha un peso molecolare, una struttura ed un grado di polimerizzazione che la contraddistinguono dalla cellulosa utilizzata in altri prodotti (ad esempio la carta). Tali caratteristiche possono aver subito delle modifiche a seguito dei trattamenti a cui la biomassa cellulosica di scarto pu? essere stata sottoposta (ad esempio la separazione di altri componenti, la sterilizzazione, ecc.).
La biomassa cellulosica di scarto pu? comprendere, rispetto al peso secco della biomassa, da 0% al 30%, preferibilmente da 0% al 20%, ancora pi? preferibilmente da 0% al 10% in peso di emicellulosa.
La biomassa cellulosica di scarto pu? comprendere lignina, in quantit? non superiore a 15%, preferibilmente non superiore a 10%, ancora pi? preferibilmente non superiore a 5% in peso rispetto al peso secco della biomassa. Vantaggiosamente il contenuto di lignina ? inferiore al 2% in peso rispetto al peso secco della biomassa. Secondo un aspetto, la biomassa cellulosica di scarto non comprende lignina.
Per peso secco (anche detto sostanza secca o residuo secco) della biomassa si intende il peso della porzione residua di biomassa dopo l'allontanamento dell'acqua in essa contenuta; esso pu? essere determinato ad esempio secondo la norma ASTM E1756 - 08.
La biomassa cellulosica di scarto secondo la presente invenzione contiene impurezze.
Per impurezze, ai sensi della presente invenzione, si intendono i componenti della biomassa cellulosica di scarto diversi dai polisaccaridi (i.e. cellulosa ed emicellulosa) e sono inferiori o uguali al 50% in peso, ad esempio dall?1 al 50% in peso, rispetto al peso secco della biomassa. Preferibilmente tali impurezze sono inferiori o uguali al 40%, pi? preferibilmente inferiori o uguali al 30%, pi? preferibilmente inferiori o uguali al 20% e ancora pi? preferibilmente inferiori o uguali al 10% in peso, rispetto al peso secco della biomassa.
Il contenuto dei polisaccaridi viene determinato ad esempio mediante la metodica sviluppata dal Laboratorio di procedure analitiche (LAP) del National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, A.; Ruiz, R.; Scarlata, C.; Sluiter, J.; Templeton, D.; Crocker, D: ?Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass.? Technical Report NREL/TP-510-42618, 2012), modificata utilizzando un bagno ad olio riscaldato al posto dell?autoclave (prevista al paragrafo 10.1.8). L?identificazione dei monosaccaridi ottenuti viene effettuata mediante cromatografo ionico con detector amperometrico.
Il contenuto di impurezze ? pertanto determinabile sottraendo il contenuto dei polisaccaridi al peso secco della biomassa.
Le impurezze possono inoltre essere quantificate ad esempio tramite un processo di estrazione in due fasi per rimuovere i composti solubili in acqua e in etanolo, impiegando il protocollo sviluppato dal Laboratorio di procedure analitiche (LAP) del National Renewable Energy Laboratory (Sluiter, A.; Ruiz, R.; Scarlata, C.; Sluiter, J.; Templeton, D.: ?Determination of Extractives in Biomass.? Technical Report NREL/TP-510-42619, 2005), utilizzando la procedura di estrazione automatica o mediante Soxhlet.
I componenti della biomassa cellulosica di scarto diversi dai polisaccaridi, quali ad esempio SAP e/o contaminanti organici e/o contaminanti inorganici, possono rendere difficoltoso l?ottenimento di zuccheri C5 ? C6 fermentabili, diminuendo l?attivit? degli enzimi coinvolti nella saccarificazione, inficiando i processi di purificazione delle soluzioni zuccherine ottenute, interferendo con il metabolismo dei microrganismi (e.g. inibendone crescita e/o i processi di fermentazione) e con i processi di purificazione dei composti prodotti.
Secondo un aspetto, la biomassa cellulosica di scarto contiene impurezze comprendenti un polimero super assorbente. Quando presente, il contenuto di polimero super assorbente ? ad esempio dall?1 al 35% in peso rispetto al peso secco della biomassa. Preferibilmente il contenuto di polimero super assorbente ? inferiore o uguale al 35%, preferibilmente inferiore o uguale al 30%, pi? preferibilmente inferiore o uguale al 20% e ancora pi? preferibilmente inferiore o uguale al 6% in peso rispetto al peso secco della biomassa.
Ai sensi della presente invenzione, per polimero super assorbente si intende un polimero reticolato in grado di assorbire 400-1000 volte il suo peso in acqua e di trattenerla anche quando sottoposto a pressione. I polimeri super assorbenti possono essere costituiti da monomeri sintetici (ad esempio acido acrilico, acrilamide, acido metacrilico, etc.), naturali (ad esempio polipeptidi e polisaccaridi) o una loro combinazione. Ad oggi, la maggior parte dei SAP utilizzati ha un'origine sintetica ed i monomeri pi? spesso impiegati sono acrilati o acrilamidi. Tra i polimeri super assorbenti, il poliacrilato ? uno dei pi? comunemente utilizzati nella produzione di prodotti per l?igiene.
La determinazione del contenuto di polimero super assorbente pu? essere effettuata attraverso la misura della quantit? di acqua che ? in grado di assorbire.
La biomassa cellulosica di scarto pu? contenere impurezze comprendenti contaminanti organici. Quando presenti, i contaminanti organici possono essere da 0,1% al 40% in peso, preferibilmente da 0,1% al 30% in peso, ancora pi? preferibilmente da 0,1 al 20% in peso, rispetto al peso secco della biomassa cellulosica. Esempi di contaminanti organici sono acidi organici, molecole biologicamente attive impiegate nella detergenza e cosmesi, proteine, acidi grassi, farmaci e loro derivati, composti azotati, ecc.
La biomassa cellulosica di scarto pu? contenere impurezze comprendenti contaminanti inorganici. Quando presenti, i contaminanti inorganici possono essere da 0,1 al 40% in peso, preferibilmente da 0,1 al 30% in peso, ancora pi? preferibilmente da 0,1 al 20% in peso, rispetto al peso secco della biomassa cellulosica. Tra i contaminanti inorganici possono essere presenti sali inorganici e metalli come ferro, manganese, fosforo, zinco, alluminio, cromo, nichel, piombo, cadmio, rame.
Il processo secondo l?invenzione pu? comprendere una successiva fase opzionale di purificazione e/o concentrazione degli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase e) mediante tecniche note all?esperto del ramo. Preferibilmente tale fase comprende una o pi? operazioni a scelta tra adsorbimento, dialisi, osmosi inversa, cristallizzazione, cromatografia, evaporazione, distillazione.
Secondo un aspetto preferito, gli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase e) vengono concentrati. Gli zuccheri C5-C6 ottenuti con il presente processo risultano particolarmente adatti ad essere impiegati come fonti di carbonio in processi di fermentazione per la produzione di intermedi chimici e poliidrossialcanoati, e richiedono operazioni semplificate di separazione e purificazione dei prodotti dopo fermentazione.
Il processo secondo l?invenzione pertanto comprende una fase opzionale di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre intermedi chimici e/o poliidrossialcanoati in presenza di una fonte di carbonio comprendente gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d). Tale fase di crescita ? preferibilmente preceduta dalla fase e) di separazione e opzionalmente dalla fase di purificazione e/o concentrazione sopra descritta.
Detti intermedi chimici sono vantaggiosamente selezionati tra: dialcoli (preferibilmente 1,4-butandiolo), monoalcoli, idrossiacidi, diacidi, amminoacidi e diammine.
Secondo una forma di realizzazione preferita, il processo secondo l?invenzione comprende una fase opzionale di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre 1,4-butandiolo in presenza di una fonte di carbonio comprendente, o vantaggiosamente costituita da, gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d). Tale fase di crescita ? preferibilmente preceduta dalla fase e) di separazione e opzionalmente dalla fase di purificazione e/o concentrazione sopra descritta. Secondo una forma di realizzazione alternativa, il processo secondo l?invenzione comprende una fase opzionale di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre poliidrossialcanoati in presenza di una fonte di carbonio comprendente gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d). Tale fase di crescita pu? essere preceduta dalla fase e) di separazione e opzionalmente dalla fase di purificazione e/o concentrazione sopra descritta.
Secondo un?altra forma di realizzazione alternativa, il processo secondo l?invenzione comprende una fase opzionale di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre diacidi in presenza di una fonte di carbonio comprendente gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d). Tale fase di crescita ? preferibilmente preceduta dalla fase e) di separazione e opzionalmente dalla fase di purificazione e/o concentrazione sopra descritta.
La presente invenzione riguarda pertanto un processo per l?ottenimento di intermedi chimici e/o poliidrossialcanoati a partire da una biomassa cellulosica di scarto contenente impurezze, comprendente le fasi di:
a) porre in contatto detta biomassa con una soluzione acquosa basica con pH > di 12, preferibilmente > o uguale a 13 e ad una temperatura compresa tra 60 e 120?C, ottenendo una miscela contenente almeno il 5% in peso secco di detta biomassa cellulosica rispetto al peso totale della soluzione;
b) separare detta miscela in una frazione solida comprendente cellulosa e una frazione liquida;
c) sottoporre detta frazione solida a uno o pi? lavaggi con acqua;
d) sottoporre la frazione solida derivante dalla fase c) ad un trattamento di idrolisi ottenendo un idrolizzato comprendente zuccheri C5-C6;
e) preferibilmente separare da detto idrolizzato una frazione liquida contenente detti zuccheri C5-C6;
f) opzionalmente purificare e/o concentrare detti zuccheri C5 ? C6 mediante una o pi? operazioni a scelta tra adsorbimento, dialisi, osmosi inversa, cristallizzazione, cromatografia, evaporazione, distillazione;
g) crescere un ceppo microbico in grado di produrre intermedi chimici e/o poliidrossialcanoati in presenza di una fonte di carbonio costituita da detti zuccheri C5-C6.
Il processo secondo l?invenzione pu? essere preceduto da un trattamento meccanico di comminuzione della biomassa cellulosica di scarto prima della fase a). Preferibilmente la biomassa viene ridotta ad una dimensione inferiore a 2 cm, preferibilmente inferiore a 1 cm, ad esempio attraverso trattamenti meccanici come macinazione, taglio, frantumazione, triturazione o loro combinazioni. Il trattamento pu? essere effettuato mediante l?utilizzo di un mulino, o di qualsiasi strumento in grado di ridurre la pezzatura di tale biomassa.
Il processo secondo l?invenzione verr? ora descritto con maggior dettaglio.
La Figura 1 rappresenta un diagramma di flusso del processo secondo l?invenzione.
Nella fase a) del processo, la biomassa cellulosica di scarto contenente impurezze viene posta in contatto con una soluzione acquosa basica con pH > di 12, preferibilmente > o uguale a 13, pi? preferibilmente > o uguale a 13,3, ottenendo una miscela contenente, rispetto al peso secco totale della biomassa, almeno il 5%, preferibilmente almeno il 7,5 %, ancora pi? preferibilmente almeno il 10% in peso di detta biomassa cellulosica.
Il pH basico della soluzione acquosa pu? essere ottenuto attraverso l?aggiunta di basi come NaOH, LiOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, carbonati alcalini (e.g. Na2CO3, Li2CO3, K2CO3) e loro miscele. L?impiego di NaOH e K2CO3 ? preferito. L?impiego di NaOH ? particolarmente preferito. La base viene aggiunta in quantit? inferiori al 20%, preferibilmente inferiori al 15%, ancor pi? preferibilmente inferiori al 10% rispetto al peso secco della biomassa. La biomassa cellulosica viene posta in contatto con detta soluzione acquosa basica ad una temperatura compresa tra 60 e 120?C, preferibilmente tra 70 e 100?C, ancor pi? preferibilmente tra 80 e 100?C e preferibilmente a pressione atmosferica. Nel caso in cui si operi a temperature elevate (ad esempio in caso di temperature ? 100?C), ? vantaggioso operare a pressioni superiori alla pressione atmosferica.
La biomassa cellulosica viene posta in contatto con detta soluzione acquosa basica per un tempo compreso tra 30 minuti e 24 ore, preferibilmente tra 1 e 10 ore, ancora pi? preferibilmente tra 2 e 5 ore.
Prima o dopo la fase a) ? possibile porre in contatto la biomassa cellulosica con un agente ossidante. L?utilizzo di tale agente ossidante permette di abbattere il contenuto degli eventuali contaminanti organici, come ad esempio farmaci, presenti nella biomassa.
In una forma preferita, l?agente ossidante ? perossido di idrogeno, ad una concentrazione di detto agente ossidante tra 0% e 3% in peso rispetto al peso di acqua utilizzata nella fase a). La fase a) avviene preferibilmente in condizioni di blando mescolamento o di mescolamento vigoroso, in modo da ottenere una miscela di composizione omogenea.
Al termine della fase a), dopo opportuno raffreddamento della miscela, ? possibile abbassarne il pH mediante l?aggiunta di un acido, ad esempio H2SO4, fino ad ottenere valori di pH inferiori a 13, preferibilmente inferiori a 8.
La miscela ottenuta nella fase a) viene quindi sottoposta nella fase b) a separazione in una frazione solida comprendente cellulosa e una frazione liquida.
Tale separazione comprende una o pi? operazioni scelte tra pressatura, torchiatura, decantazione, sedimentazione, centrifugazione, filtrazione, e qualsiasi altra tecnica idonea per la separazione solido-liquido e loro combinazioni.
Preferibilmente essa viene inviata ad un dispositivo all?interno del quale subisce un processo di compressione e separazione in una frazione solida comprendente cellulosa e una frazione liquida (fase b).
Il materiale alimentato alla fase b) deve comunque contenere una quantit? di solido superiore al 5%, preferibilmente superiore al 7,5 %, ancora pi? preferibilmente superiore al 10% in peso.
Il dispositivo atto a separare, tramite compressione, una frazione solida ed una frazione liquida eventualmente impiegato nella fase b) pu? essere un decantatore, un sedimentatore, una filtropressa, un filtro a nastro, una centrifuga, un filtro o un qualsiasi sistema comunemente utilizzato per la separazione solido-liquido di materiali fibrosi.
In una forma preferita del processo secondo l?invenzione, la miscela viene prima sottoposta a centrifugazione o a filtrazione mediante filtro a nastro, con una prima separazione di una frazione solida e liquida. La frazione liquida ottenuta pu? essere nuovamente trattata, ad esempio mediante filtrazione, per recuperare ulteriore frazione solida ricca in cellulosa ed emicellulosa.
Attraverso la fase b) di separazione si ottengono una frazione solida contenente principalmente cellulosa ed emicellulosa ed una frazione liquida.
La frazione solida ottenuta al termine della fase b) ha un contenuto d?acqua vantaggiosamente inferiore al 60% in peso.
La frazione solida al termine della fase b) viene sottoposta nella fase c) ad uno o pi? lavaggi con acqua o con una soluzione acquosa leggermente acida. Preferibilmente, il lavaggio viene effettuato con acqua. Il lavaggio consiste nell?aggiungere acqua alla frazione solida e successivamente separare nuovamente una frazione solida e una liquida.
I lavaggi possono essere effettuati con acqua e/o con acqua acidula (con pH inferiore a 7, preferibilmente inferiore a 6) ad una temperatura compresa tra 10 e 100?C, preferibilmente tra 20 e 90?C, ancor pi? preferibilmente tra 40 e 60?C e mantenendo la frazione solida in agitazione.
Il lavaggio pu? essere vantaggiosamente eseguito in controcorrente.
Mediante la fase di lavaggio viene abbassato il pH della frazione solida, fino ad ottenere valori inferiori a 13, preferibilmente inferiori a 10, pi? preferibilmente inferiori a 8. L?esperto del settore ? in grado di valutare la quantit? di acqua necessaria per ottenere tale abbassamento di pH. In alternativa, i lavaggi possono essere effettuati fino ad ottenere un valore di conducibilit? della frazione liquida in uscita dal lavaggio confrontabile a quello dell?acqua utilizzata per effettuare il lavaggio stesso.
Per ogni grammo di frazione solida secca possono, ad esempio, essere utilizzati da 30 a 100 ml di acqua.
Secondo un aspetto vantaggioso, al termine del lavaggio e tra un lavaggio e l?altro nel caso di due o pi? lavaggi, la frazione solida viene separata dalla frazione liquida utilizzando lo stesso dispositivo impiegato nella la fase b).
Il numero totale dei lavaggi, la durata di ciascuno di essi ed i volumi di acqua utilizzati per ogni lavaggio non sono particolarmente limitanti.
Vantaggiosamente, attraverso le fasi a), b) e c) del processo secondo l?invenzione viene ridotto il contenuto di impurezze e di azoto totale della frazione solida.
La frazione solida ottenuta al termine della fase c) ? ricca di polisaccaridi (i.e. cellulosa ed emicellulosa) e presenta un contenuto di impurezze (ad esempio SAP e/o contaminanti organici e/o inorganici) inferiore o uguale al 30% in peso, preferibilmente inferiore o uguale al 25% in peso, pi? preferibilmente inferiore o uguale al 15% in peso e ancora pi? preferibilmente inferiore o uguale al 10% in peso, rispetto al peso secco della frazione solida.
Secondo un aspetto dell?invenzione, utilizzando una biomassa cellulosica di scarto contenente impurezze comprendenti dallo 0,5% al 2% in peso di azoto totale, rispetto al peso secco della biomassa cellulosica, il presente processo permette vantaggiosamente di ottenere una frazione solida al termine della fase c) avente un contenuto di azoto totale inferiore a 0,5% in peso, preferibilmente inferiore o uguale a 0,4% in peso, ancor pi? preferibilmente inferiore o uguale a 0,3% in peso, rispetto al peso secco della frazione solida.
Il contenuto di azoto totale ? determinabile ad esempio mediante la norma UNI EN 15407:2011. Tale frazione solida pu? essere opzionalmente sottoposta a successivi trattamenti di natura chimico/fisica o biologica, ad esempio per separare la componente emicellulosica da quella cellulosica.
La frazione solida ottenuta al termine della fase c) viene sottoposta ad un trattamento di saccarificazione per ricavare zuccheri semplici C5-C6 nella fase d) del processo. Tale trattamento pu? essere di tipo enzimatico, chimico, fisico o una loro combinazione.
Nel processo secondo l?invenzione il trattamento enzimatico ? preferito e viene effettuato con enzimi idrolitici o loro miscele in grado di scindere i polisaccaridi in monosaccaridi.
La fase d) di idrolisi enzimatica pu? essere vantaggiosamente effettuata alimentando ad un reattore dotato di agitazione una soluzione contenente detti enzimi e la frazione solida, con una concentrazione della frazione solida compresa tra 5% e 30%, preferibilmente tra 10% e 25% in peso.
La saccarificazione pu? essere effettuata attraverso un processo in continuo o, in alternativa, tramite mescolamento della frazione solida con detti enzimi in un reattore discontinuo.
Le condizioni di saccarificazione (mezzo di reazione, pH, temperatura, durata, ecc.) dipendono dalla miscela enzimatica utilizzata, in particolare dalla presenza di cellulasi ed emicellulasi. Le cellulasi e le emicellulasi utilizzate nella presente invenzione possono essere qualsiasi enzima che abbia un'attivit? di cellulasi o un'attivit? di emicellulasi, rispettivamente. Le cellulasi e le emicellulasi possono far parte di un cocktail enzimatico comprendente una o pi? cellulasi, una o pi? emicellulasi o una loro miscela. Sono disponibili in commercio diversi cocktails enzimatici, come ad esempio CTec2 e HTec2 (Novozymes), Viscamyl Flow (Genencor, DuPont) e Cellulase 8000L (Enzyme Supplies).
Il trattamento enzimatico pu? essere condotto in presenza di uno o pi? agenti batteriostatici e/o battericidi in grado di contrastare la crescita indesiderata di microrganismi che depauperino il contenuto di zuccheri (ad es. antibiotici, acidi grassi a catena corta come acido nonanoico, parabeni, ecc.).
L?idrolisi pu? essere anche ottenuta per via chimica e/o fisica, ad esempio mediante l?utilizzo di acidi minerali, quali HCl e H2SO4, o acidi solidi, quali resine organiche solfonate. In generale, l?idrolisi pu? essere condotta utilizzando catalizzatori carboniosi in cui la specie attiva si basa su gruppi solfonici, come ad esempio il carbonio solfonato attivato, e con i materiali nanocompositi carbonio-silice. Tali acidi solidi si presentano vantaggiosamente in forma macro o mesoporosa.
Al termine della fase d) si ottiene un idrolizzato, che viene preferibilmente sottoposto ad una fase e) di separazione di una frazione solida e di una frazione liquida contenente gli zuccheri C5-C6 (c.d. soluzione zuccherina).
La separazione pu? essere effettuata sfruttando le differenti caratteristiche della fase solida e liquida (ad esempio la densit? e la dimensione delle particelle presenti), e comprende una o pi? operazioni scelte tra pressatura, torchiatura, decantazione, sedimentazione, centrifugazione, filtrazione, e qualsiasi altra tecnica idonea per la separazione solido-liquido e loro combinazioni.
La scelta del tipo di apparecchiature, delle loro combinazioni e delle loro modalit? di operazione dipende dalla quantit?, dal tipo di idrolizzato da separare e dalla qualit? desiderata.
Le operazioni di separazione possono ad esempio essere condotte sfruttando la diversa densit? della frazione solida e di quella liquida, utilizzando una centrifuga o un decanter o un sedimentatore.
In una forma preferita del processo secondo l?invenzione, gli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase d) vengono separati mediante almeno una operazione di filtrazione, preferibilmente ultrafiltrazione.
Le operazioni di filtrazione comprendono microfiltrazione e/o ultrafiltrazione e/o nanofiltrazione.
Secondo un aspetto, gli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase d) vengono separati mediante centrifugazione, microfiltrazione e ultrafiltrazione.
Secondo un aspetto alternativo, gli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase d) vengono separati mediante microfiltrazione e ultrafiltrazione.
Secondo un ulteriore aspetto alternativo, gli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase d) vengono separati mediante centrifugazione o decantazione e ultrafiltrazione.
All?ultrafiltrazione possono opzionalmente seguire una o pi? operazioni di diafiltrazione. All?ultrafiltrazione possono opzionalmente seguire una o pi? operazioni di nanofiltrazione. La microfiltrazione pu? essere condotta ad esempio utilizzando membrane da 0,1 ?m in polisulfone.
La nanofiltrazione pu? essere condotta ad esempio utilizzando membrane con pori di 250-300 KDa in poliammide.
Per l?ultrafiltrazione pu? essere impiegata una qualsiasi tecnica di ultrafiltrazione che utilizzi una qualsiasi unit? filtrante dotata di membrane semipermeabili, ad esempio tubolare, a fibra cava, a spirale, del tipo ?plate and frame? e che lavori utilizzando un flusso tangenziale o perpendicolare alla superficie della membrana. Per quanto riguarda le membrane filtranti, possono essere utilizzate membrane semipermeabili di acetato di cellulosa, derivati di acetato di cellulosa quali cellulosa acetobutirrato, e polimeri sintetici, quali per esempio polipropilene, poliammidi, poliimmidi, PVDF (polivinildenfluoruro), PAN (poliacrilonitrile), PES (polieteresulfone) e ceramica. Preferibilmente, vengono utilizzate membrane semipermeabili in polieteresulfone, con porosit? inferiore o uguale a 10KDa.
La scelta della temperatura, della pressione transmembrana e delle altre condizioni operative a cui la fase di ultrafiltrazione viene condotta ? determinata principalmente dalla viscosit? della miscela acquosa alimentata e dal tipo, oltre che dalla porosit? della membrana utilizzata.
Con il procedere dell?ultrafiltrazione, la viscosit? della miscela acquosa e la pressione transmembrana tendono naturalmente ad aumentare e l?efficienza della separazione tende a decrescere. Ci? rende necessario l?uso di pressioni man mano crescenti che, se troppo elevate, possono danneggiare l?unit? filtrante e compromettere l?efficienza del processo. Per evitare l?impiego di pressioni troppo elevate ? possibile ricorrere alla cosiddetta diafiltrazione, alimentando una o pi? aliquote di una soluzione di ripristino che compensa la parte di miscela acquosa permeata attraverso la membrana. La diafiltrazione pu? essere condotta sia in regime continuo che in regime discontinuo.
Il processo secondo l?invenzione pu? comprendere una successiva fase opzionale di purificazione e/o concentrazione degli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase e) mediante una o pi? operazioni a scelta tra adsorbimento, dialisi, osmosi inversa, cristallizzazione, cromatografia, evaporazione, distillazione.
La scelta del tipo di apparecchiature, delle loro combinazioni e delle loro modalit? di operazione dipende dalla quantit?, dal tipo di idrolizzato da purificare e/o concentrare e dalla qualit? desiderata.
La frazione liquida ottenuta al termine della fase e) pu? opzionalmente essere concentrata per diminuire i volumi operativi durante il successivo processo di fermentazione.
La concentrazione pu? essere condotta attraverso tecniche note, ad esempio mediante distillazione, evaporazione o osmosi inversa, fino ad ottenere uno sciroppo con una concentrazione di zuccheri C5 ? C6 compresa tra 20% e 80% in peso, preferibilmente tra 40% e 80% in peso. Sono preferite operazioni che non richiedano temperature eccessivamente elevate, per evitare la formazione di sottoprodotti di degradazione che possono avere un effetto inibente sui microrganismi utilizzati in fermentazione.
La soluzione zuccherina comprendente gli zuccheri C5 - C6 ottenuti dopo la fase e) del processo dell?invenzione ha un contenuto di impurezze inferiore al 45% in peso, preferibilmente inferiore al 35% in peso, pi? preferibilmente inferiore al 25% in peso, ancor pi? preferibilmente inferiore al 15% in peso, rispetto al peso secco di detta soluzione zuccherina, che la rende particolarmente adatta ad essere utilizzata in processi di fermentazione. Tale contenuto di impurezze, infatti, non interferisce con il metabolismo dei microorganismi.
Il contenuto di impurezze nella soluzione zuccherina viene calcolato sottraendo il contenuto di zuccheri al peso secco della soluzione zuccherina.
In un secondo aspetto, la presente invenzione riguarda pertanto una composizione di zuccheri C5 - C6, ottenuti da biomasse cellulosiche di scarto, avente un contenuto di impurezze inferiore al 45% in peso, rispetto al peso secco della composizione.
Gli zuccheri C5-C6 di detta composizione possono pertanto essere sottoposti a trasformazione per via biochimica (e.g. fermentazione operate da batteri, archea o da lieviti) per ottenere poliidrossialcanoati ed intermedi chimici come ad esempio dialcoli (preferibilmente 1,4-butandiolo), monoalcoli, idrossiacidi, diacidi e amminoacidi.
Detti poliidrossialcanoati (PHA) sono preferibilmente selezionati nel gruppo che consiste in: poli idrossibutirrato, poli idrossibutirrato-valerato, poli idrossibutirrato propanoato, poli idrossibutirrato-esanoato, poli idrossibutirrato-decanoato, poli idrossibutirrato- dodecanoato, poli idrossibutirrato-esadecanoato, poli idrossibutirratoottadecanoato, poli 3-idrossibutirrato 4-idrossibutirrato. Pi? preferibilmente detti poliidrossialcanoati sono selezionati nel gruppo che consiste in poliidrossibutirrato (PHB), poli idrossibutirrato-valerato (PHBV) e poli idrossibutirrato-esanoato (PHBH).
Detti intermedi chimici sono preferibilmente selezionati nel gruppo che consiste in: dialcoli, quali 1,2-etandiolo, 1,2-propandiolo, 1,3-propandiolo, 1,3-butandiolo, 2,3-butandiolo, 1,4-butandiolo, monoalcoli quali butanolo ed etanolo, idrossiacidi quali acido lattico, diacidi (DCA), quali acidi succinico, glutarico, adipico, muconico, azelaico, sebacico, undecandioico, dodecandioico, brassilico, esadecandioico, octadecandioico, octadecendioico, octadecadienoico, ottadecatrienoico, eicosandioico, docosandioico e furandicarbossilico, amminoacidi quali alanina, arginina, asparagina, cisteina, glicina, glutammina, istidina, metionina, prolina, tirosina, valina, leucina, isoleucina, acido aspartico e glutammico, lisina, treonina, serina, triptofano e fenilalanina.
Esempi di trasformazione biochimica per la produzione di poliidrossialcanoati sono le fermentazioni operate da batteri appartenenti ai generi Bacillus, Rhodococcus, Pseudomonas,Ralstonia, Haloferax, Cupriavidus, Protomonas, Alcaligenes, Escherichia e Leuconostoc.
Per produrre PHA, la coltura batterica pu? venire in un primo momento fatta crescere in un terreno di coltura adatto a favorire la produzione di biomassa cellulare e, in un secondo momento, vengono eventualmente cambiate le condizioni di crescita per indurre la sintesi e l?accumulo di PHA, sotto forma di inclusioni intracellulari. La sintesi di PHA ? solitamente indotta sottoponendo il microrganismo ad una carenza di macronutrienti quali ad esempio fosforo, azoto e zolfo e contemporaneamente ad un eccesso di fonti di carbonio.
Esempi di trasformazione biochimica per la produzione di intermedi chimici sono la fermentazione operata da batteri (e.g. E. coli) o da lieviti oleaginosi come ad esempio quelli appartenenti ai generi Yarrowia, Candida, Rhodotorula, Rhodosporidium, Cryptococcus, Trichosporon e Lipomyces. Particolarmente preferiti sono lieviti appartenenti ai generi Yarrowia e Candida.
Ad esempio, miscele di zuccheri C5-C6 possono essere utilizzati da E. coli geneticamente modificati con il processo descritto nel brevetto WO 2015/158716 per ottenere 1,4-butandiolo (1,4-BDO).
L?1,4-BDO pu? essere ottenuto mediante un processo di fermentazione a partire da un terreno di coltura contenente almeno uno zucchero, preferibilmente glucosio e, opzionalmente, uno o pi? zuccheri differenti dal glucosio, in presenza di uno o pi? microrganismi dotati di almeno una via metabolica per la sintesi di 1,4-BDO.
Gli zuccheri forniti ai microrganismi per la produzione di 1,4-BDO possono essere zuccheri C5 ? C6 derivanti da saccarificazione di biomasse cellulosiche di scarto o miscele di questi con zuccheri di prima generazione, caratterizzati da un elevato livello di purezza. Nel caso di miscele, queste possono comprendere dal 1 al 99% in peso, preferibilmente dal 15 al 65% in peso di zuccheri derivanti dalla saccarificazione di biomasse cellulosiche di scarto rispetto al totale degli zuccheri.
Il terreno di coltura pu? comprendere altre sostanze necessarie per la crescita ed il sostentamento del microrganismo durante la fase di fermentazione, come elementi quali C, H, O, N, K, S, P, Fe, Ca, Co, Mn, Mg. Tipicamente, il terreno di coltura pu? comprendere uno o pi? componenti selezionati nel gruppo che consiste di zuccheri differenti dal glucosio, idrolizzati proteici, proteine, amminoacidi, acidi organici, vitamine, sali minerali, estratti di lievito, e microelementi quali ad esempio Cobalto, Calcio e Rame. Cobalto, Calcio e Rame possono essere dosati nel terreno di coltura, ad esempio, come sali quali Cobalto cloruro, Calcio cloruro e Rame cloruro. Generalmente, il terreno di coltura comprende almeno uno zucchero, generalmente glucosio e, opzionalmente, uno o pi? zuccheri differenti dal glucosio, in concentrazione compresa tra 10 e 100 g/L. Poich? durante la fase di fermentazione del presente processo il microrganismo consuma uno o pi? zuccheri, ? generalmente necessario reintegrare detti zuccheri all?interno di un reattore di fermentazione. Detta reintroduzione pu? essere effettuata con una modalit? continua o discontinua, secondo modalit? note al tecnico del settore. Per limitare il contenuto di zuccheri inutilizzati e, quindi, ottimizzare l?economicit? del processo, l?alimentazione di uno o pi? zuccheri viene vantaggiosamente interrotta o gradualmente diminuita prima della fine della fermentazione. Per quanto riguarda eventuali altri componenti del terreno di coltura, il terreno di coltura in genere contiene sali, minerali essenziali, e agenti antischiuma. Il terreno di coltura pu? essere preparato secondo una qualsiasi modalit? nota al tecnico del ramo, ad esempio miscelando tutti i suoi componenti insieme oppure pre-miscelando tutti i componenti con l?esclusione di glucosio ed aggiungendo questi ultimi in un secondo momento, singolarmente o gi? premiscelati a loro volta. ? altres? possibile utilizzare come base di partenza un terreno di coltura disponibile in commercio ed opportunamente modificarne la composizione in un secondo momento, per esempio al momento di mettere in contatto il terreno di coltura con il microrganismo dotato di almeno una via metabolica per la sintesi di 1,4-BDO da fonte rinnovabile. Durante la fermentazione, l?insieme costituito dal microrganismo e dal terreno di coltura comprendente uno o pi? zuccheri ? mantenuto in condizioni idonee a sfruttare la via metabolica di sintesi di 1,4-BDO da fonte rinnovabile. Il tecnico del ramo ? peraltro in grado di verificare nel corso della fermentazione lo stato di avanzamento del processo, ad esempio verificando uno o pi? parametri e eventualmente intervenendo su di essi per riportare il processo in condizioni idonee alla produzione di 1,4-BDO.
Miscele di zuccheri C5-C6 possono essere anche utilizzati da lieviti oleaginosi appartenenti al genere Candida per ottenere diacidi.
La produzione di diacidi pu? essere effettuata mediante fermentazione bifasica, ovvero con una fase di crescita cellulare a biomassa e una successiva fase di produzione. Nella fase iniziale di crescita, le cellule crescono utilizzando come unica fonte di carbonio lo zucchero presente nel terreno di coltura. La successiva fase di produzione di DCA ? preferibilmente un processo fedbatch finalizzato a mantenere la biomassa cellulare attiva e cataliticamente performante nel convertire gli acidi grassi a DCA. Vantaggiosamente, questa fase ha una doppia alimentazione: uno zucchero, volto a mantenere le cellule attive, e una fonte di acidi monocarbossilici o gliceridi di acidi monocarbossilici per la biotrasformazione.
Gli zuccheri C5-C6 ottenuti tramite il processo secondo l?invenzione possono essere sottoposti anche a trasformazione per via chimica per la produzione di intermedi chimici. Esempi di trasformazione chimica sono l?isomerizzazione del glucosio a fruttosio e la successiva disidratazione in ambiente acido per ottenere HMF, che a sua volta pu? essere ossidato ottenendo acido furandicarbossilico e suoi derivati.
Intermedi chimici ottenibili tramite trasformazione degli zuccheri prodotti attraverso il processo secondo l?invenzione, come ad esempio butandiolo, acido succinico, acido adipico, acido muconico, acido furandicarbossilico, acido tereftalico, acido levulinico, acido lattico e poliidrossialcanoati, sono utili come monomeri per la sintesi di polimeri, in particolare di poliesteri.
Il processo secondo l?invenzione verr? ora descritto secondo una esemplificazione non limitativa.
ESEMPI
Esempio 1
Fase a)
In un reattore cilindrico provvisto di agitatore meccanico a pale alternate, sistema di regolazione della temperatura, pHmetro ed imbuto gocciolatore sono stati aggiunti 6,7 kg di biomassa cellulosica da prodotti assorbenti per adulti (con un contenuto di umidit? del 10,45%, di polimero super assorbente del 29% in peso e di azoto totale dello 0,56% in peso, rispetto al peso secco della biomassa) a una concentrazione finale del 10% e 59,3 litri di una soluzione acquosa basica, ottenendo una miscela con pH 13,3. La miscela ottenuta ? stata quindi portata alla temperatura di 90?C tramite camicia ad olio riscaldante e mantenuta per 4 ore in blanda agitazione.
Fase b)
La miscela ottenuta al termine della fase a) ? stata sottoposta a filtrazione, ottenendo 10 Kg di una frazione solida comprendente cellulosa e 56 litri di una frazione liquida.
Fase c)
La frazione solida comprendente cellulosa derivante dalla fase b) ? stata sottoposta a successivi lavaggi con 330 litri di acqua e alla temperatura di 20?C, fino al raggiungimento di un pH di circa 8.
Al termine della fase c) la frazione solida presentava un contenuto di impurezze pari al 5% in peso, e di azoto totale dello 0,29% in peso, rispetto al peso secco della frazione solida.
Fase d)
La frazione solida derivante dalla fase c) ? stata sottoposta ad un trattamento di idrolisi enzimatica.
3,6 Kg di frazione solida secca sono stati aggiunti in un reattore cilindrico provvisto di agitatore meccanico a pale alternate, sistema di regolazione della temperatura, sistema di regolazione del pH, a 23,3 litri di tampone fosfato 50 mM a pH 5 e addizionati con 569 ml di ViscamylFlow (complesso enzimatico contenente enzimi ad azione cellulolitica ed emicellulolitica) e con 24 ml di acido nonanoico. La reazione ? stata mantenuta per 48 h a 50?C in blanda agitazione. Fase e)
Al termine della reazione di idrolisi, l?idrolizzato ? stato centrifugato, filtrato su setacci con maglie fino a 25 micrometri e sottoposto a ultrafiltrazione tangenziale con membrane di cellulosa rigenerata con pori da 10 kDa, ottenendo una frazione liquida (soluzione zuccherina) con una concentrazione di glucosio in soluzione, determinata tramite cromatografia ionica, pari a 55 g/L.
L?analisi del contenuto di zuccheri ? stata condotta mediante cromatografo ionico Metrohm Professional IC Vario 940, dotato di detector amperometrico ed equipaggiato con colonna Metrosep Carb 2250mm x 4.0mm x 5?m e pre-colonna Metrosep Carb 2 Guard/4.0, utilizzando le seguenti condizioni operative:
Flusso: 0,7 mL/minuto
Temperatura forno: 30?C
Temperatura detector: 35?C
Eluente: NaOH 40 mM NaOAc 40 mM.
Esempio 2
La frazione liquida ottenuta al termine della fase e) ? stata concentrata mediante l?impiego di un evaporatore rotante in vuoto a 50?C, ottenendo uno sciroppo con una concentrazione di glucosio in soluzione, determinata tramite cromatografia liquida, pari a 484,4 g/L.
Lo sciroppo ottenuto ? stato utilizzato come fonte di carbonio in un processo di fermentazione per la produzione di 1,4-BDO.
Un ceppo di Escherichia coli dotato di una via metabolica per la sintesi di 1,4- BDO ? stato inoculato in una beuta da 250 ml contenente 50 ml di terreno Luria Bertani. La beuta ? stata quindi posta in agitazione a 275 rpm, alla temperatura di 35?C, per una notte, ottenendo un preinoculo.
Successivamente, un?aliquota del preinoculo ? stato trasferita in una beuta da 1000 ml contenente 200 ml di un secondo terreno di coltura (12,78 g/L M9 Minimal Salt; 10 g/L glucosio di prima generazione; 1 ml/L MgSO41M; 1 ml/L CaCl20,1 M; 1,25 ml/L Trace Elements; 0,5 ml/L Streptomycin 100 mg/ml).
La beuta ? stata incubata a 35?C, agitando il contenuto a 275 rpm per circa 8 ore. Dopo questo periodo di incubazione la densit? ottica ha raggiunto un valore OD (densit? ottica misurata a 600nm) di circa 3- 4 OD e la coltura ? stata utilizzata per inoculare un fermentatore di semina a OD 0,25.
Dopo circa 18 ore un?aliquota della fermentazione di semina ? stata utilizzata per inoculare a OD 4 un fermentatore produttivo contenente 1 litro di terreno (KH2PO41,73 g/L; (NH4)2SO4 0,83 g/L; NH4H2PO4 0,96 g/L; Na2SO4 0,30 g/L; Ca Citrate*4H20 0,038g/L; Citric Acid C6H8O70,20g/L; MgSO41M (2ml/L); Trace Elements 2,5 ml/L; Antifoam 0,1ml/L) e 20 g/L di glucosio di prima generazione.
Nel corso della fermentazione, lo zucchero derivante dall?Esempio 1, purificato e concentrato, ? stato progressivamente alimentato con un processo fed batch nel fermentatore, in modo da mantenere costante la concentrazione del glucosio nel terreno di coltura nell?intervallo 30-60 g/l, per circa 36 ore dall?inizio della fermentazione, riducendola poi progressivamente fino ad ottenere una concentrazione di glucosio alla fine della fermentazione (circa 40 ore dall?inoculo) di circa 0 g/L.
Il bioreattore ? stato mantenuto nelle seguenti condizioni: velocit? di agitazione 700-800 rpm, flusso di aria 0,4 vvm (L aria/L terreno/minuto), pH 6.2, temperatura 35 ?C.
A diversi tempi sono stati prelevati campioni del mezzo di reazione per valutare la produzione di 1,4- BDO mediante analisi tramite cromatografia ionica.
L?analisi del contenuto di 1,4-BDO ? stata condotta mediante cromatografo ionico Metrohm Professional IC Vario 940, dotato di detector amperometrico ed equipaggiato con colonna Metrosep Carb 2250mm x 4.0mm x 5?m e pre-colonna Metrosep Carb 2 Guard/4.0, utilizzando le seguenti condizioni operative:
Flusso: 0,7 mL/minuto
Temperatura forno: 30?C
Temperatura detector: 35?C
Eluente: NaOH 50 mM NaOAc 5 mM.
Sulla base dei dati raccolti, sono stati determinati Titolo e Produttivit? (Tabella 1), dove: - ?Titolo? (g/l): concentrazione ponderale di 1,4- BDO nel mezzo di reazione al termine delle ore di fermentazione;
- ?Produttivit?? (g/l/h): velocit? ponderale media di sintesi di 1,4- BDO, calcolata come Titolo/ore di fermentazione
I risultati ottenuti sono riportati nella Tabella 1.
Esempio 3
Lo stesso processo di fermentazione descritto nell?Esempio 2 ? stato condotto utilizzando come fonte di carbonio uno sciroppo preparato miscelando il 25% in peso di glucosio derivante dall?Esempio 1 e concentrato, e il 75% in peso di glucosio di prima generazione.
La fermentazione ? terminata dopo circa 45 ore dall?inoculo.
I risultati ottenuti sono riportati nella Tabella 1.
Esempio 4 comparativo
3,4 kg di biomassa cellulosica da prodotti assorbenti per adulti (con un contenuto di umidit? del 6,82%, di polimero super assorbente del 23,3% e di azoto dello 0,54% in peso, rispetto al peso secco della biomassa) ? stata sottoposta direttamente ad un trattamento di idrolisi enzimatica. La biomassa cellulosica da prodotti assorbenti per adulti ? stata introdotta in un reattore cilindrico provvisto di agitatore meccanico a pale alternate, sistema di regolazione della temperatura e sistema di regolazione del pH, a 10,2 L di tampone fosfato 50 mM a pH 5 e addizionata con 5,6 L di Cellulase 8000L (complesso enzimatico contenente enzimi ad azione cellulolitica ed emicellulolitica) e 16 ml di acido nonanoico. La reazione ? stata mantenuta per 180 h a 50?C in blanda agitazione.
Al termine della reazione di idrolisi, l?idrolizzato ? stato centrifugato, filtrato su setacci con maglie fino a 25 micrometri e sottoposto a filtrazione tangenziale con membrane di cellulosa rigenerata con pori da 10 kDa, ottenendo una frazione liquida con una concentrazione di glucosio in soluzione, determinata tramite cromatografia ionica, pari a 35,8 g/L.
La frazione liquida ottenuta ? stata concentrata mediante l?impiego di un evaporatore rotante in vuoto a 50?C, ottenendo uno sciroppo con una concentrazione di glucosio in soluzione, determinata tramite cromatografia ionica pari a 357,5 g/L.
Lo stesso processo di fermentazione descritto nell?Esempio 2 ? stato condotto utilizzando come fonte di carbonio una miscela preparata mescolando il 25% in peso di glucosio prodotto nell?Esempio 4 comparativo e concentrato, e il 75% in peso di glucosio di prima generazione. La fermentazione ? stata interrotta dopo 28 ore dall?inoculo a causa della drastica riduzione dei parametri vitali del microrganismo.
I risultati ottenuti sono riportati nella Tabella 1.
I risultati ottenuti chiaramente evidenziano come il processo secondo l?invenzione permetta di ottenere zuccheri C5-C6 a partire da una biomassa cellulosica di scarto adatti ad essere utilizzati da un ceppo microbico in grado di produrre 1,4-butandiolo. Tali zuccheri, utilizzati da soli (Esempio 2) o in miscela con zuccheri di prima generazione (Esempio 3), non interferiscono con la normale crescita del microrganismo e vengono da esso efficacemente convertiti in 1,4-butandiolo, come dimostrato dai valori di titolo e produttivit? riportati in Tabella 1.
L?Esempio comparativo 4 dimostra, invece, che gli zuccheri ottenuti da una biomassa cellulosica di scarto non sottoposta al processo secondo l?invenzione non possono essere utilizzati in fermentazione, anche se miscelati ad uno zucchero di prima generazione. Tali zuccheri hanno infatti un contenuto di impurezze tale da renderli meno biocompatibili per il microrganismo. La presenza delle impurezze ha infatti causato una drastica riduzione dei suoi parametri vitali e la fermentazione ? stata pertanto interrotta solo dopo 28 ore dall?inoculo.
Inoltre, la presenza di impurezze ha interferito con la produzione di 1,4-butandiolo, causando un abbassamento dei parametri di fermentazione.
Claims (18)
1. Processo per la produzione di zuccheri C5-C6 a partire da una biomassa cellulosica di scarto contenente impurezze, comprendente le fasi di:
a) porre in contatto detta biomassa con una soluzione acquosa basica con pH > di 12 e ad una temperatura compresa tra 60 e 120?C, ottenendo una miscela contenente almeno il 5% in peso secco di detta biomassa cellulosica rispetto al peso totale della soluzione; b) separare detta miscela in una frazione solida comprendente cellulosa e una frazione liquida;
c) sottoporre detta frazione solida a uno o pi? lavaggi con acqua;
d) sottoporre la frazione solida derivante dalla fase c) ad un trattamento di idrolisi ottenendo un idrolizzato comprendente zuccheri C5-C6.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui la biomassa cellulosica di scarto ? una biomassa post-consumo.
3. Processo secondo una o entrambe le rivendicazioni 1 ? 2 in cui la biomassa cellulosica di scarto deriva da un prodotto per l?igiene.
4. Processo secondo una o entrambe le rivendicazioni 1- 2 in cui la biomassa cellulosica di scarto proviene da impianti di depurazione.
5. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 - 4 in cui la biomassa cellulosica di scarto ha un contenuto di impurezze inferiori o uguali al 50% in peso, rispetto al peso secco della biomassa.
6. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 ? 3 in cui la biomassa cellulosica di scarto contiene impurezze comprendenti un polimero super assorbente.
7. Processo secondo la rivendicazione 6 in cui detta biomassa cellulosica ha un contenuto di super assorbente inferiore o uguale al 35% in peso rispetto al peso secco della biomassa.
8. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 - 7 in cui la biomassa cellulosica di scarto contiene impurezze comprendenti azoto.
9. Processo secondo la rivendicazione 8 in cui il contenuto di azoto totale ? dallo 0,5% al 2% in peso, rispetto al peso secco della biomassa cellulosica.
10. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 ? 9 in cui la frazione solida ottenuta al termine della fase c) presenta un contenuto di impurezze inferiore o uguale al 30% in peso, rispetto al peso secco della frazione solida.
11. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 ? 9 in cui la frazione solida ottenuta al termine della fase c) ha un contenuto di azoto totale inferiore a 0,5% in peso, rispetto al peso secco della frazione solida.
12. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 ? 11 comprendente una successiva fase e) di separazione da detto idrolizzato di una frazione liquida contenente detti zuccheri C5-C6.
13. Processo secondo la rivendicazione 12 comprendente una successiva fase di purificazione e/o concentrazione degli zuccheri C5 ? C6 ottenuti dalla fase e) mediante una o pi? operazioni a scelta tra adsorbimento, dialisi, osmosi inversa, cristallizzazione, cromatografia, evaporazione, distillazione.
14. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 ? 13 comprendente una successiva fase di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre intermedi chimici e/o poliidrossialcanoati in presenza di una fonte di carbonio comprendente gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d).
15. Processo secondo la rivendicazione 14 comprendente una fase di crescita di un ceppo microbico in grado di produrre 1,4-butandiolo in presenza di una fonte di carbonio comprendente gli zuccheri C5-C6 idrolizzati nella fase d).
16. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1- 15 in cui detta biomassa cellulosica di scarto viene sottoposta a trattamento meccanico di comminuzione prima della fase a).
17. Processo secondo una o pi? delle rivendicazioni 1 - 16 in cui nella fase a) la biomassa viene posta in contatto con una soluzione acquosa basica per un tempo tra 30 minuti e 24 ore.
18. Composizione di zuccheri C5 - C6, ottenuti da biomasse cellulosiche di scarto, avente un contenuto di impurezze inferiore al 45% in peso rispetto al peso secco della composizione.
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