ITRM980734A1

ITRM980734A1 - Procedimento e dispositivo per la produzione di agenti biologici da materiali residui, il sistema proposto e' caratterizzato da elevata produttivita' e da funzionamento automatico e continuo adatto a scopi industriali.

Info

Publication number: ITRM980734A1
Application number: IT000734A
Authority: IT
Inventors: Ruggero Baldo
Original assignee: Ruggero Baldo
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2000-06-01
Also published as: ITRM980734A0; IT1302888B1

Description

Le prime applicaz ioni delle biotecnologie in campo cartario riguardano la produzione di paste cellulosiche ; esse furono basate sulla colonizzazione di biomasse vegetali ( in particolar modo paglie, tutoli e stocchi di mais , steli di piante tessili, residui agricoli vari ) da parte di funghi ad alta attività lignolitica; tentativi di trasferire le esperienze di laboratorio alla fase industriale evidenziarono inconvenienti pratici dovuti principalmente ad elevate perdite di materiale vegetale ascrivibili al metabolismo miceliare ma , sopratutto , il tempo necessario per il trattamento, risultò incompatibile con i cicli industriali di produzione.

La ricerca scientif ica venne così orientata verso lo sviluppo di nuove tecnologie basate sull ' uso di enzimi; in particolare la scoperta di un enzima (la lignina perossidasi ) coinvolto nella degradazione della lignina ha polarizzato l 'attenzione di molti ricercatori.

Successivamente tali applicazioni furono ridimensionate da una serie concomitanti di difficoltà ed inconvenienti quali : l'estrema fragilità di tale enzima, la necessità di apportare perossido di idrogeno per garantirne il funzionamento e la necessità di utilizzarlo in combinazione con altri enzimi quali xilanasi e beta-xilosidasi.

Risultò quindi evidente l'opportunità di operare con miscele di enzimi ad azione sinergica mirata specialmente alla demolizione delle macromolecole di lignina ed emicellulosa e praticamente inerti nei riguardi della cellulosa. Tali enzimi sono producibili da organismi in grado di utilizzare residui cellulosici; in particolar modo si segnalano i funghi responsabili della carie bianca e più genericamente i miceli lignicoli saprofiti dei quali se ne conoscono alcune migliaia di specie tra cui il pleurotus ostreatus, la volvariella, ecc. ecc..

La produzione industriale dei funghi suddetti e dei relativi enzimi può essere effettuata sia operando con grande abbondanza di acqua (fermentazione in stato liquido o LSF) sia operando su substrati nei quali la disponibilità di acqua sia minima ed appena sufficiente ad imbibire omogeneamente il substrato vegetale (fermentazione in stato solido o SSF); esistono poi tutta una gamma di fermentazioni a concentrazione intermedia in cui la massa in trattamento ha consistenza più o meno melmosa (fermentazione sommersa o SraF). La classificazione dei diversi tipi di fermentazione è quantomai imprecisa e viene effettuata con osservazioni visuali tenendo presente che le fermentazioni in fase liquida possono scendere fino a diluizioni dell'1% di sostanza secca mentre le fermentazioni in fase solida possono arrivare a concentrazioni percentuali variabili dal 30 al 75.

Nelle fermentazioni industriali la funzione dell'acqua è di primaria importanza in quanto tale elemento svolge attività fondamentali e svariate che vanno dalla omogeneizzazione della concentrazione della sostanza vegetale al controllo della distribuzione dei gas che partecipano al metabolismo miceliare, al controllo della temperatura, alla distribuzione delle sostanze nutrienti e alla correzione della fermentazione, ecc. ; è quindi comprensibile come l'omogeneizzazione dei vari parametri avvenga molto più facilmente nella fermentazione in fase liquida che in quella in fase solida nella quale va opportunamente facilitata con sistemi esterni quali la movimentazione e l'aerazione meccanica dello strato vegetale (mediante coclee sollevatrici, aspi agitatori, iniezioni di gas e reattivi vari, spruzzi d'acqua sotto forma di liquido, aerosol o vapore a seconda che si debba diminuire od elevare temperatura, umidità, pressione, ecc..

Nelle applicazioni industriali la fermentazione in fase solida è più conveniente, a parità di capitale investito, per produttività, per i consumi di acqua ed energia, per il controllo di eventuali schiume, per la facilità di recupero dei prodotti finali e per la purezza degli stessi; per.contro nella fermentazione in stato solido il controllo della temperatura e dell'umidità sono più difficili e richiedono molta più attenzione che nella fermentazione in fase liquida. Esempi di applicazioni industriali sono il compostaggio, la produzione di mangimi speciali, la produzione di enzimi, ecc..

I concetti base della nuova tecnologia qui proposta sono:

a ) Preparazione del vegetale all'attacco fungino Sottoponendo dei "chips" di origine vegetale ad una azione meccanica di pressione e scorrimento interno ( similmente a quanto si può verificare in una trafila a passo variabile od in una macchina pellettizzatrice) si ingenera nel vegetale stesso una grande sensibilità al calore umido per cui sottoponendolo all’ azione di vapore saturo alla pressione di -500 kPa esso si sfalda completamente imbevendosi di acqua ed aumentando di volume fino ad oltre 5 volte quello originale. In tali condizioni il vegetale acquista grande reattività agli agenti biologici specialmente se di origine fungina.

b ) Attività fungine in due fasi: I* fase a strato statico: Ila fase a strato omogeneo

Inoculando il materiale destrutturato e sterilizzato con microrganismi ed immettendolo in distinti ambienti a pH, temperatura, tenore di CO, ecc., controllati, si instaura una intensa attività metabolica tale che nel giro da

1 a 6 giorni, si ha il totale sfruttamento delle biomasse in due fasi distinte.

c) Estrazione del liquido enzimatico

-Alla fine del trattamento microbico il rapporto liquido/solido della massa esaurita si aggira su 2,5 litri/kg e la sua concentrazione in enzima arriva a valori intorno a 120.000 FU/litro; l'estrazione industriale dell'enzima può essere effettuata sottoponendo il materiale vegetale ad alta pressione specifica in presse del tipo continuo (per produzioni sperimentali); la resa industrialmente raggiungibile nelle operazioni di estrazione si aggira sul 50÷60%.

Col liquido estratto da un kg di materiale vegetale, secondo i metodi descritti nella presente invenzione, si possono trattare materiali da trasformare in pasta cellulosica; il che detto in altri termini, significa che, nell'industria cartaria, il quantativo di vegetale da utilizzare nella produzione dell'enzima ammonterebbe a circa il 4% del vegetale da utilizzare nella produzione cellulosica; si tenga presente che il vegetale utilizzato nella produzione dell’enzima può anche essere diverso e di minor valore commerciale rispetto a quello impiegato nella produzione di cellulosa.Si noti infine che il liquido enzimatico che resta nel vegetale esaurito potrebbe essere recuperato con un lavaggio ed una successiva spremitura; la sua concentrazione in enzima e la sua efficacia sarebbero però ridotte e l'operazione, ai fini pratici, risulterebbe meno conveniente. É anche evidente che con il processo descritto è possibile ottenere diversi tipi di enzimi non necessariamente destinati all'attacco della lignina e delle emicellulose.

d ) Stoccaggio del liquido estratto ad alta concentrazione enzimatica

Poiché la quantità di liquido estratto da impiegare nella produzione di cellulosa (o altre attività consimili) e’ molto ridotta l'entità dello stoccaggio dell' enzima risulta modesta : ad esempio per il trattamento di 1000 ton/anno di vegetale il quantitativo totale di liquido enzimatico necessario risulta pari a 40 metri cubi.

Il liquido enzimatico va tenuto a temperatura inferiore ai 4 °C.

Lo schema operativo ed i macchinari messi a punto per realizzare l'impianto come descritto ai punti a), b), c) e d) sono illustrati in Figura 1 ; in particolare si può vedere come il vegetale già trasformato in pellet di piccole dimensioni venga stivato mediante la coclea 1) e dallo stoccaggio venga trasferito con la coclea 2) alla rotostella 3) che unitamente alla rotostella 5) mantengono la coclea 4) a perfetta tenuta della pressione di 2,5 kg/cm2 di vapore necessaria alla sterilizzazione.

All'uscita della rotostella 5), nella quale avviene il

raffreddamente, inizia il nastro 6) della camera A) mantenuta climaticamente in automatico per quanto riguarda temperatura, umidità, anidride carbonica, ecc..

Alla fine del nastro il materiale passa attraverso la rotostella 9) che separa climaticamente la camera A) da quella B) nella quale un analogo nastro 10) porta a maturazione il processo. Il materiale perviene alla coclea 13) dopo aver abbandonato la camera B) attraverso la rotostella di tenuta 12). Nella pressa 14) avviene la spremitura della biomassa ed il liquido estratto viene avviato ai serbatoi di raccolta a bassa temperatura.

Dal punto di vista del processo il primo trattamento del materiale biologico viene effettuato in macchinari (trafile a passo variabile, pelletizzatrici, ecc.) capaci di ingenerare una forte azione di scorrimento tra i diversi strati costituenti il vegetale; successivamente il chips viene convogliato, con sistemi di alimentazione e scarico continui, ad un reattore simile ai digestori continui utilizzati, a suo tempo, nella industria cartaria. Alla fine del trattamento nel reattore il materiale vegetale ha subito una completa sterilizzazione ed è rigonfiato assorbendo, se disponibili, fino a 4÷5kg d'acqua per kg di vegetale. Sempre in continuo il materiale vegetale viene immesso nella prima camera di reazione distribuendolo omogeneamente su un tappeto mobile che può essere a più piani a seconda della potenzialità dell'impianto; la velocità di avanzamento del nastro é regolabile. All'interno della camera il materiale viene trattato con inoculo e lasciato riposare disposto in uno strato di pochi centimetri di spessore. Lo spessore dello strato è limitato dal fatto che, come evidenziato al punto b), la prima fase dell'attacco fungino avviene in ambiente statico e la omogeneizzazione del materiale costituente lo strato è difficile.

Lo sviluppo dei funghi appositamente inseminati è molto veloce e già nello spazio da uno a pochi giorni le ife, sviluppatesi nell'attacco biologico, rallentano, fino a bloccarla, ogni attività dei funghi stessi.

Il vegetale meccanicamente manipolato passa ad una seconda camera di reazione, climaticamente separata, nella quale lo spessore dello strato in trattamento può raggiungere anche spessori elevati purché la massa vegetale sia rimescolata erivoltata con continuità ed in atmosfera perfettamente controllata.

Alla fine della seconda camera la reazione biologica è praticamente terminata (in termini di produttività industriale) e si può procedere all'estrazione della fase liquida utilizzando presse ad altissima efficacia tipo quelle impiegate nell'industria vinaria.

Lo sviluppo della tecnologia relativa alla produzione di enzimi in "stato solido" ed il loro impiego cartario vengono più dettagliatamente descritti negli esempi che seguono e che non devono essere in alcun modo ritenuti limitanti della presente invenzione.

Esempio 1

Tre kg di paglia di cereali scartata da altre lavorazioni sono stati trattati in una macchina per la pelletizzazione dei gusci di nocciolo, sterilizzati con trattamento termico, trattati con un inoculo adatto e lasciati reagire in una boccia di vetro, che può essere saltuariamente ruotata, alla fine del trattamento il 'materiale vegetale risulta colonizzato; esso è stato quindi aperto meccanicamente e lasciato a maturare per un ulteriore periodo.

L'estrazione della fase liquida , effettuata con pressa del tipo usato nell'industria vinaria, ha prodotto ~3 litri di soluzione enzimatica sufficiente a trattare 12 kg di vegetale per scopi cartari.

Esempio 2

Una quantità di 30 kg. di tiglio di kenaf è stata trattata al calor umido e successivamente immessa in un reattore rotante di capacità geometrica -400 litri nel quale sono state effettuate, in sequenza, le operazioni di attacco microbico, rottura del materiale agglomerato ad esaurimento dell'attacco biologico.

Il liquido enzimatico estratto alla fine delle predette operazioni presentava caratteristiche simili a quello prodotto nell'esempio n° 1 ed ammontava in totale a -50 litri sufficiente alla trasformazione di 200 kg di vegetale.

Esempio 3

Dopo passaggio in una trafila a passo variabile un quantitativo di -3 kg di kenapulo (parte legnosa dello stelo di kenaf) è stato sottoposto per circa 30 minuti, a trattamento termico, con vapore saturo alla pressione di 500 kPa, in un bollitore rotante da laboratorio avente capacità 16 litri; dopodiché, mescolato con la giusta dose di inoculo è stato steso in uno strato di pochi centimetri di spessore in ambiente condizionato. Dopo un periodo variabile fino a tre giorni dall' inizio dell'attacco biologico il materiale vegetale, completamente agglomerato, è stato sfaldato meccanicamente, disposto in strati di spessore più elevato e sottoposto ad azione meccanica di rivoltamento; la durata di questa seconda fase varia fino a due giorni ed avviene in un secondo ambiente climaticamente condizionato; i tre litri di liquido enzimatico ottenuto per spremitura presentava una concentrazione in enzima molto elevata e tale da poter trattare 96 kg di vegetale per scopi cartari.

I risultati della sperimentazione cartaria sono raccolti in Tabella 1 dall’ esame della quale si possono rilevare i grandi benefici conseguibili, specialmente per quanto riguarda la quantità di reattivo e di energia necessari, utilizzando enzimi prodotti in "stato solido" secondo il procedimento riportato nel presente esempio.

Claims

Rivendicazioni 1) Processo per la produzione di materiale enzimatico in soluzione acquosa e ad alta concentrazione di agente biologico, capace di intervenire positivamente nella demolizione di materiale vegetale ed in particolare sul vegetale da trasformare in paste cartarie agendo selettivamente nella demolizione delle macromolecole di lignina ed emicellulosa.
2) Processo secondo la rivendicazione n°l caratterizzato dal fatto che la produzione di enzima è ottenuta con attacco microbico del materiale vegetale.
3) Processo secondo le rivendicazioni n°l e n°2 caratterizzato dal fatto che la produzione del materiale enzimatico avviene in due fasi distinte.
4) Processo secondo le rivendicazioni n°l, e n°2, caratterizzato dal fatto che al variare delle condizioni e dei materiali introdotti nel procedimento, si possono ottenere liquidi biologici adatti ad essere utilizzati in svariati campi industriali: farmaceutica, tessile, mangimistica, depurazione, alimentare, chimica, ecc.. 5)Processo secondo le rivendicazioni n°2 e n°3 caratterizzato dal fatto che all'azione di destrutturazione meccanica segue un trattamento con vapore saturo avente pressione -500 kPa che compie la duplice azione di sterilizzazione e di imbibizione del materiale da sottoporre ad inoculo microbico. 6) Processo secondo le rivendicazioni n°3 e n°5) caratterizzato dal fatto che il materiale trattato termicamente con vapore saturo può rigonfiare fino a raggiungere un volume pari anche a 4÷5 volte il volume originale. 7) Processo secondo le rivendicazioni n°5 e n°6 caratterizzato dal fatto che le azioni meccanico-termiche preventive al trattamento biologico del materiale aumentano la reattività del materiale con conseguente diminuizione dei tempi di trattamento 8) Processo secondo le rivendicazioni n°5, n°6 e n°7 , caratterizzato dal fatto che nella seconda camera di reazione la fermentazione in stato solido procede velocemente su spessori elevati anche in virtù di una appropriata movimentazione . 9) Processo secondo le rivendicazioni n°3, n°4, n°5 e n°6, caratterizzato dal fatto che il liquido enzimatico così prodotto presenta alta concentrazione di enzimi tale da renderlo idoneo al trattamento di una quantità di vegetale otto volte superiore ai metodi tradizionali. 10)Processo secondo la rivendicazione n°l caratterizzato dal fatto che il materiale utilizzato nella produzione dell'enzima può essere diverso e meno costoso del materiale da trattare ai fini produttivi finali. 11)Processo secondo la rivendicazione n°l caratterizzata dal fatto che gli enzimi sono prodotti da organismi capaci di utilizzare residui cellulosici di qualsiasi natura. 12)Processo secondo la rivendicazione n°l caratterizzato dal fatto che la reazione avviene in "stato solido" producendo un liquido enzimatico ad alta concentrazione in FU. 13)Processo secondo le rivendicazioni n°2 , n°3, n°4, n°5 e n°6 caratterizzato dal fatto che sia il materiale trattato che il materiale prodotto possono variare senza apportare alcuna modifica all'impianto. 14)Processo secondo le rivendicazioni n°2, n°3, n°4, n°5 e n°6 caratterizzato dal fatto che qualunque modifica apportata al processo di produzione enzima può essere effettuata senza fermate o riduzioni di potenzialità dell'impianto stesso.