Research and modeling of an integrated membrane reactor for the production of butyl butyrate starting from lignocellulosic sugars

Butyl butyrate is a promising substitute for diesel and jet engine fuel, thus being of relevance in energy supply for both land-based and aviation transport. It can be produced by an enzymatic esterification between butanol and butyric acid, in turn produced by two separate Clostridium fermentations of sugars. Both pentose and hexose sugars can be employed in the fermentations, coming from an enzymatic hydrolysis of renewable sources such as lignocellulosic biomass. These reactions are hampered by the common challenges associated with biofuel production such as products inhibition, high costs and low yields. The integration of all the three operations in one single reactor, with dedicated selective membranes that separate the different reactive systems and permeate selectively the desired product of each reaction, is an attempt to increase the yield and make the process economically interesting and competitive with respect to the standard fossil fuels technologies. In the esterification reaction, immobilization of the enzyme is taken into consideration as a further improvement of the process. This work deals with the assessment of different materials for the selective permeation of glucose and xylose, butanol and butyric acid and a suitable technique for the immobilization of the enzyme onto a membrane support. A first model for the integrated reactor system is elaborated, analyzing the proposed topologies for the reactions and membrane-diffusion processes.

Il butil butirrato è un promettente sostituto del diesel e del carburante per gli aerei, quindi di rilevanza come fonte energetica sia per il trasporto di terra che aereo. Può essere prodotto tramite un'esterificazione enzimatica di butanolo e acido butirrico, a loro volta prodotti da due fermentazioni separate degli zuccheri. Possono essere utilizzati sia zuccheri pentosi che esosi, provenienti da un'idrolisi enzimatica di una fonte rinnovabile, come la biomassa lignocellulosica. Queste reazioni sono soggette alle comuni sfide associate alla produzione di biocarburanti, quali inibizione dei prodotti, costi elevati e basse rese. L'integrazione di questi tre processi in un singolo reattore, con apposite membrane selettive che separano i diversi sistemi reattivi e permeano selettivamente il prodotto desiderato di ogni reazione, è un tentativo di incrementare la resa e rendere il processo economicamente interessante e competitivo rispetto alle tecnologie standard basate su combustibili fossili. Nella reazione di esterificazione, l'immobilizzazione dell'enzima è presa in considerazione come un ulteriore miglioramento del processo. Questo lavoro si occupa della valutazione di diversi materiali per la permeazione selettiva di glucosio e xilosio, butanolo e acido butirrico e di una tecnica idonea per l'immobilizzazione dell'enzima su un supporto a membrana. Un primo modello per il reattore integrato è stato elaborato, analizzando le topologies proposte per i sistemi di reazione e processi di diffusione attraverso le membrane.