Catalytic processes for the transformation of ethanol into acetonitrile

This thesis deals with the transformation of ethanol into acetonitrile. Two approaches are investigated: (a) the ammoxidation of ethanol to acetonitrile and (b) the amination of ethanol to acetonitrile. The reaction of ethanol ammoxidation to acetonitrile has been studied using several catalytic systems, such as vanadyl pyrophosphate, supported vanadium oxide, multimetal molibdates and antimonates. The main conclusions are: (I) The surface acidity must be very low, because acidity catalyzes several undesired reactions, such as the formation of ethylene, and of heavy compounds as well. (II) Supported vanadium oxide is the catalyst showing the best catalytic behaviour, but the role of the support is of crucial importance. (III) Both metal molybdates and antimonates show interesting catalytic behaviour, but are poorly active, and probably require harder conditions than those used with the V oxide-based catalysts. (IV) One key point in the reaction network is the rate of reaction between acetaldehyde (the first intermediate) and ammonia, compared to the parallel rates of acetaldehyde transformation into by-products (CO, CO2, HCN, heavy compounds). Concerning the non-oxidative process, two possible strategies are investigated: (a) the ethanol ammonolysis to ethylamine coupled with ethylamine dehydrogenation, and (b) the direct non-reductive amination of ethanol to acetonitrile. Despite the good results obtained in each single step, the former reaction does not lead to good results in terms of yield to acetonitrile. The direct amination can be catalyzed with good acetonitrile yield over catalyst based on supported metal oxides. Strategies aimed at limiting catalyst deactivation have also been investigated.

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.