Etanolo dalla Canna da Zucchero Intera? Si Può Fare! La Magia della Fermentazione Solida
Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona davvero: come possiamo rendere la produzione di etanolo, quel biocarburante così importante, più efficiente e sostenibile. Sapete, l’etanolo non è solo un’alternativa più verde ai combustibili fossili, ma è anche una base chimica fondamentale per creare un sacco di altri prodotti utili, dai solventi ai carburanti per aerei di nuova generazione.
La canna da zucchero è la regina indiscussa per produrre etanolo di “prima generazione”, specialmente in posti come il Brasile, che ne sforna quantità industriali. Il motivo? È dolcissima, piena di zuccheri (dal 11% al 17% del suo peso!). Ma c’è un “ma”. Il metodo tradizionale per trasformarla in etanolo è un po’ macchinoso e, diciamocelo, parecchio energivoro.
Il Metodo Classico: Spremuta di Canna e Tanta Energia
Pensateci: la canna viene raccolta, pulita, poi spremuta fino all’ultima goccia per estrarre il succo. Questo succo viene poi chiarificato, concentrato, sterilizzato e finalmente fermentato in enormi serbatoi pieni di liquido (la cosiddetta fermentazione sommersa). Solo l’estrazione e la chiarificazione del succo richiedono un’enorme quantità di energia termica, molto più di quanta ne serva poi per distillare l’etanolo! E non dimentichiamo l’acqua: ne serve tantissima per lavare la canna, per migliorare l’estrazione del succo e per il raffreddamento. Insomma, un processo efficace, sì, ma che si porta dietro un bel fardello energetico e idrico.
La Svolta: Fermentazione allo Stato Solido (SStF)
E se vi dicessi che c’è un modo per saltare quasi tutta la parte della spremitura e della gestione di enormi volumi di liquido? Ecco dove entra in gioco la fermentazione allo stato solido (SStF). È un approccio affascinante e, per la canna da zucchero, ancora poco esplorato, ma con un potenziale enorme.
Ma cosa significa “stato solido”? Semplicemente, la fermentazione avviene direttamente sulla materia prima umida, in questo caso la canna da zucchero tritata, senza aggiungere acqua libera. Immaginate dei microrganismi (nel nostro caso, il lievito Saccharomyces cerevisiae, un campione nella produzione di etanolo) che lavorano direttamente sulla “polpa” della canna.
I vantaggi? Sono parecchi:
- Meno acqua necessaria: Dimenticate i grandi volumi d’acqua della fermentazione liquida.
- Meno “brodo” da gestire: Si riducono drasticamente gli effluenti liquidi.
- Concentrazioni di etanolo potenzialmente più alte: Meno acqua significa un prodotto più concentrato.
- Addio estrazione del succo: Si elimina di netto il passaggio più dispendioso in termini energetici. Gli zuccheri vengono fermentati lì dove sono, dentro le fibre della canna!
- Meno rischi di contaminazione: La bassa attività dell’acqua rende la vita difficile ai batteri indesiderati, riducendo la necessità di sterilizzazioni aggressive (e quindi risparmiando altra energia).
Certo, c’è da pensare a come recuperare l’etanolo dai solidi fermentati. Non si può usare la distillazione classica. Ma niente paura, tecniche come lo “stripping” con vapore o con CO2 seguite da adsorbimento si sono già dimostrate efficaci ed efficienti, addirittura meno costose energeticamente della distillazione tradizionale secondo alcune analisi.
La Sfida della Canna da Zucchero
Mentre la SStF è stata usata per produrre enzimi o studiata per altri substrati come il sorgo dolce (molto simile alla canna), applicarla alla canna da zucchero stessa era una frontiera quasi inesplorata. Perché? Forse perché la canna è considerata un substrato più “difficile”. Ma noi abbiamo voluto raccogliere la sfida!
I Nostri Esperimenti: Alla Ricerca della Ricetta Perfetta
Abbiamo preso della canna da zucchero intera (solo tolto foglie e cima), l’abbiamo macinata in pezzi di diverse dimensioni e l’abbiamo messa in piccoli reattori orizzontali rotanti da 3 litri. L’idea era capire come ottimizzare il processo giocando su tre fattori chiave:
- Quantità di lievito (inoculo): Quanto lievito serve per far partire bene la fermentazione?
- Velocità di rotazione del reattore: Mescolare fa bene, ma quanto? Troppo veloce potrebbe stressare i lieviti?
- Dimensione dei pezzi di canna: Pezzi più piccoli offrono più superficie, ma cambia qualcosa?
Cosa abbiamo scoperto? Beh, i risultati sono stati davvero incoraggianti!
L’inoculo giusto: Abbiamo provato con l’1%, il 3% e il 5% di lievito rispetto al peso della canna umida. Con il 5%, la fermentazione era più rapida, raggiungendo il picco di etanolo in 48 ore invece di 72. Tuttavia, anche con il 3% si ottenevano concentrazioni e rese di etanolo ottime (circa 82.6 g/L), senza differenze significative rispetto al 5%. Usare l’1% rallentava un po’ troppo le cose e non permetteva di consumare tutti gli zuccheri disponibili nel tempo dato. Quindi, un inoculo tra il 3% e il 5% sembra il compromesso ideale per avere una buona velocità e un utilizzo quasi completo degli zuccheri, tenendo anche sotto controllo i costi del lievito. E la cosa bella? Niente acido lattico rilevato, segno che i batteri cattivi sono stati tenuti a bada!
Mescolare con delicatezza: Qui la sorpresa. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, andare piano paga! Abbiamo testato velocità di 3, 5 e 10 giri al minuto (rpm). Le rese migliori le abbiamo ottenute alle velocità più basse (3 e 5 rpm) e, ancora meglio, con un mescolamento intermittente (cioè, il reattore stava fermo e veniva mescolato solo brevemente ogni tanto, ad esempio durante il campionamento). Sembra che una rotazione troppo veloce stressi i lieviti o riduca il tempo di contatto ottimale tra lievito e particelle di canna, essenziale per il passaggio dei nutrienti. Quindi, less is more!
Pezzi piccoli o grandi? Abbiamo confrontato pezzi sotto gli 8 mm e pezzi tra 8 e 20 mm. I pezzi più piccoli hanno dato una resa in etanolo leggermente superiore (fino a 6.19 g per 100g di canna umida), probabilmente grazie a una maggiore superficie disponibile per i lieviti e a una migliore diffusione degli zuccheri dovuta a un contenuto di umidità finale leggermente più alto. Tuttavia, la differenza non era sempre statisticamente significativa, e bisogna considerare che macinare più fine richiede più energia. Forse, per la canna, una dimensione tra 8 e 20 mm è già un ottimo punto di partenza.
Ah, un dettaglio importante: abbiamo anche analizzato i minerali nel succo della canna. È ricca di potassio e magnesio, entrambi fondamentali per la salute e l’efficienza dei nostri lieviti, specialmente in condizioni “stressanti” come quelle della SStF (alta concentrazione di zuccheri e poi di etanolo). La natura ci dà già una mano!
Il Salto di Scala: Dal Laboratorio al Pilota
Ok, i risultati in piccolo erano promettenti. Ma funzionerà anche su scala più grande? Abbiamo preso le condizioni migliori trovate in laboratorio (inoculo al 3%, pezzi tra 8-20 mm, mescolamento intermittente) e le abbiamo applicate in un reattore pilota da 50 litri, sempre orizzontale e agitato.
Ebbene… successo! Abbiamo ottenuto una concentrazione di etanolo di 87.5 g/L e una resa di 6.61 g per 100g di canna umida, che corrisponde a circa il 97% della resa teorica massima! (Va detto che il calcolo della resa su scala più grande ha qualche incertezza sulla stima della massa residua, ma il risultato è comunque eccezionale). La cosa più importante è che non c’erano differenze significative rispetto ai risultati di laboratorio nelle condizioni simili. Questo dimostra che il processo è scalabile!
Anzi, la produttività volumetrica (quanto etanolo produciamo per litro di reattore all’ora) è addirittura migliorata del 49% rispetto al laboratorio, raggiungendo 1.75 g/L.h. E anche qui, niente contaminazioni batteriche rilevanti, grazie anche al pH che scende naturalmente durante la fermentazione, creando un ambiente ostile per i batteri ma perfetto per i nostri lieviti.
Confronti e Prospettive Future
Ma come si collocano questi numeri rispetto all’industria? Sorprendentemente bene! Le concentrazioni di etanolo (circa 8.7% v/v) e la produzione per tonnellata di canna (circa 83 litri/tonnellata) che abbiamo raggiunto con la SStF sono del tutto paragonabili a quelle ottenute nei processi industriali convenzionali in Brasile (che si attestano tra 7-11% v/v e 70-85 L/tonnellata).
Questo significa che la fermentazione allo stato solido della canna da zucchero intera non è solo un’idea affascinante, ma è tecnicamente fattibile e competitiva. Potrebbe rappresentare un modo per semplificare la produzione di etanolo, ridurre i costi energetici e il consumo di acqua, e magari aprire le porte a impianti più piccoli e decentralizzati, aiutando l’industria della canna da zucchero a diversificare la sua produzione oltre allo zucchero.
Certo, c’è ancora lavoro da fare per ottimizzare ogni aspetto e portarlo su scala veramente industriale, ma la strada è tracciata e sembra davvero promettente. La fermentazione solida potrebbe essere una piccola, grande rivoluzione nel mondo dei biocarburanti!
Fonte: Springer
