Use of ionic liquids in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass

The objective of this thesis was the analysis of the biochemical conversion of lignocellulosic material in bioethanol. In particular, we proposed an innovative process using ionic liquids for the pretreatment of the biomass and for the dehydration of ethanol produced. This innovative process was compared to the conventional bioethanol process, consisting of dilute sulfuric acid biomass pretreatment, separate enzymatic hydrolysis and fermentation, ethanol purification through ordinary distillation and molecular sieve adsorption. The comparison between the two technologies was done based on computational simulations of process models in Aspen Plus ® . The development of these simulations required effort in the definition of chemical compounds not available in the software database, in the definition of the process flowsheets, and in the definition of acceptable operating conditions for the unit operations in the processes. The results showed that biomass pretreatment and ethanol purification are between the most energy-intense processes in the overall bioethanol conventional process. The comparison with the technology using ionic liquids showed that this innovative alternative could decrease energy and water consumptions in biomass pretreatment, although the inhibitory effect of ionic liquids on the fermentation microorganisms is not completely understood yet. As far as ethanol purification is concerned, the ionic liquids process demonstrated excellent values for ethanol pureness and recovery, but energetic performances not competitive with the conventional technologies. Finally, from an economic point of view, the introduction of ionic liquids resulted in a general decrease of capital costs, unfortunately followed by a great increase of the operating costs mainly due to the high prices of ionic liquids themselves.

Questo lavoro di tesi ha avuto come obiettivo l’analisi del processo di conversione biochimico della biomassa lignocellulosica in bioetanolo. In particolare, è stato proposto un processo innovativo che impieghi i liquidi ionici per il pretrattamento della biomassa e per la distillazione dell’etanolo prodotto. Tale processo è stato posto a confronto con il convenzionale processo del bioetanolo, costituito da pretrattamento chimico della biomassa con acido solforico, idrolisi enzimatica e fermentazione, purificazione dell’etanolo prodotto tramite distillazione ordinaria e adsorbimento. Il confronto tra le due tecnologie è stato fatto sulla base di simulazioni in Aspen Plus ® di modelli di processo, la cui preparazione ha richiesto impegno nella definizione dei componenti chimici non definiti nei database del software, nella definizione dei modelli di processo stessi e infine nella modellazione di opportune condizioni di funzionamento nelle unità operative utilizzate. I risultati ottenuti hanno mostrato come i processi di pretrattamento della biomassa e di purificazione dell’etanolo prodotto siano tra i più energivori nel bilancio globale della produzione convenzionale di bioetanolo. Il confronto con la tecnologia con liquidi ionici ha indicato come questa innovazione possa diminuire i consumi di energia ed acqua nel processo di pretrattamento della biomassa, sebbene gli effetti nocivi dei liquidi ionici sui microorganismi fermentativi non siano ancora del tutto chiari. Per quanto riguarda la purificazione dell’etanolo prodotto, il processo con liquidi ionici ha dimostrato ottimi valori di purezza e di recupero dell’etanolo, ma prestazioni energetiche non competitive con i metodi tradizionali. Infine, dal punto di vista economico, l’introduzione dei liquidi ionici è risultata in una generale riduzione dei costi fissi, accompagnata tuttavia da una grossa crescita dei costi variabili dovuta principalmente agli elevati costi dei liquidi ionici stessi.