Biomasse: come trasformare l’energia solare in biocarburanti

Rino CellaDipartimento di

Genetica e Microbiologia

La comparsa della fotosintesi ossigenica circa 3 miliardi di anni fa fornì a cianobatteri ancestrali la capacità di sintetizzare sostanze organiche utilizzando luce solare, acqua e anidride carbonica

L’acquisizione dell’autotrofia favorì l’evoluzione di un sorprendente numero di forme di vita che nel tempo ha prodotto immensi giacimenti di combustibili fossili.

Tuttavia, l’ uso eccessivo di petrolio da parte delle società industriali ha prodotto un costante aumento del livello di CO2 nell’atmosfera che si pensa possa produrre drammatici cambiamenti climatici.

Il progetto europeo 20-20-20

Ridurre del 20% i consumi energetici

Ridurre del 20% le emissioni di CO2

Produrre il 20% di energia da fonti rinnovabili (di cui il 10% da biomassa)

Obbiettivi da raggiungere per ridurre leemissioni di CO2

I biocarburanti

Sono i biocombustibili utilizzati per l’autotrazione. Quelli cosiddetti di prima generazione sono:

il bioetanolo. Si ottiene utilizzando i prodotti finali della fotosintesi ovvero saccarosio o amido ottenuti, rispettivamente,dalla canna da zucchero o da vari cereali. Il ricavo energetico èdi 8:1 nel primo caso e di 2:1 partendo da mais;

il biodiesel. E’ attualmente ottenuto da diversi oli vegetali ottenuti da piante oleaginose quali palma, colza girasole, soia,mais.

Sono necessari i biocarburanti di seconda generazione?

La risposta è SI in quanto è necessario utilizzare specie che non abbiano un uso alimentare

E’ stato calcolato che annualmente grazie alla fotosintesi si producono più di 100 miliardi di tonnellate di biomassa secca (equivalenti a 100 TW contro i 14 TW del nostro attuale consumo) di cui almeno il 33% ècostituito da cellulosa, la macromolecola più diffusa sulla Terra.

I biocarburanti di generazioni successive da biomasse non alimentari:bioetanolo da biomasse cellulosiche; biodiesel da masse algali.

Lynd et al 2008 Nature Biotecnology 26: 169-172

Bioetanolo di seconda generazione: le biomasse

lignocellulosiche sono competitive

Schema del processo di produzione del bioetanolo da masse lignocellulosiche

L’ottimizzazione del processo richiede interventi migliorativi sia sulla qualità delle biomasse per ridurre i pre-trattamenti impattanti sia sul processo di bioconversione per ridurre il costo degli enzimi necessari per degradare e fermentare gli zuccheri.

Si può ridurre il costo degli enzimi?La nostra sfida è quella di farli produrre alle piante di tabaccoutilizzando il concetto noto come “molecular farming”

Il biodiesel di prima generazione può soddisfare solo molto parzialmente le esigenze del mercato

Stima della percentuale di area coltivata necessaria per sostituire con biodiesel di prima generazione il 15% dei combustibili fossili impiegati per l’autrasporto negli USA. La produzione di olio combustibile economicamente piùsostenibile è quella della palma da olio con una produttività di poco inferiore ai 6000 litri per ettaro mentre quella della colza è di circa un quinto.

Il biodiesel di seconda generazione richiede un grande lavoro di miglioramento genetico

Nel caso della palma da olio è necessario:

- sopprimere l’allungamento degli acidi grassi per ottenere catene C16/18;

- aumentare il grado di insaturazione in modo da renderlo più fluido.

Nel caso della colza è necessario produrre varietàcaratterizzate da una ridotta emissione di bromuro di metile (un potente gas-serra). Il contributo all’emissione di questo composto da parte della colza è stator calcolato in 9700 ton nel 2005.

Nel caso dell’euforbiacea Jatropha curcas sarebbe necessario ridurre la quantitàdi sostanze tossiche prodotte

Il biodiesel di terza generazione

In certe condizioni ambientali, alcune alghe accumulano trigliceridi sino al 70% del loro peso secco.

ColturaProduzione

Olio L/haEstensione area coltivo

richiesta (milioni di ha)

% estensione delle

coltivazioni esistenti negli

USA

soia 446 178 67

colza 1.190 67 42

jatropha 1.892 42 13

Palma da olio 5.950 13 7,2

Microalghe (cont. 30% olio)

59.000 1,3 1,3

Microalghe (cont. 70% olio)

137.000 0,6 0,6

Produzione di olio più elevata rispetto a qualsiasi pianta oleaginosa (almeno 10 volte più della palma)

Estensione delle coltivazioni necessarie per sostituire il 15% dei combustibili fossili impiegati per il trasporto negli USA con

biocarburanti

Considerati gli attuali costi, problemi e limiti della produzione, non è ancora possibile puntare sulle

microalghe per produrre biodiesel su larghissima scala

Richiedendo una ridotta superficie coltivabile, non compete con la produzione di prodotti vegetali “food

and feed”Attualmente, il costo del biodiesel prodotto da alghe cresciute in un fotobioreattore è 5 volte superiore a

quello ottenuto da olio di palma (3 $/L contro 0,6 $/L)

• la fitodepurazione di reflui zootecnici, di reflui urbani o dell’industria alimentare (es. casearia) poiché le alghe hanno bisogno, e quindi consumano, ammonio, nitrati e fosfati

• cattura di CO2 grazie all’attività fotosintetica (con riduzione delle emissioni locali da parte, ad esempio, di centrali termiche)

• la produzione di additivi proteici per mangimi o di prodotti chimici di valore commerciale (es. il carotenoide astaxantina)

Tuttavia, la coltivazione delle microalghe può diventare conveniente sotto il profilo

economico qualora accoppiata, oltre che alla produzione di biomassa, all’alimentazione di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, nonché a diversi processi industriali

quali:

Inoltre, si può contare sul miglioramento genetico delle microalghe: è quindi

prevedibile che in tempi relativamente brevi le rese dei processi di produzione

possano essere incrementate. Anche dal punto di vista ingegneristico

sono prevedibili avanzamenti apprezzabili

Riduzione del complesso antenna mediante mutagenesi per ridurre il tasso di fotoinibizione. Le grosse dimensioni del complesso antenna portano le alghe a dissipare sino al 60% della luce assorbita.

Alza il valore solia prima della fotoinibizione.

Da 1000 mEin m-2 s-1

A 2500 mEin m-2 s-1

Aumentare la produttività: a) ottimizzando la cattura della luce

Con questo approccio sono stati ottenuti ceppi capaci di produrre il 60% in più di biomassa algale

b) ottimizzando la fissazione della CO2

La RUBISCO non è limitante nelle condizioni di crescita del bioreattore. La sottoespressione dei geni codificanti le due subunità ne riduce il contenuto permettendo l’accumulo di altri enzimi che limitano l’efficienza del ciclo Calvin

Riduzione della quantità di RUBISCO all’interno del cloroplasto

Sovra-espressione dei geni codificanti la:

Fruttosio 1,6-bis Fosfato Aldolasi (ALD)

Trioso-fosfato Isomerasi (TPI) procariotica

Aumento della quantità di enzimi limitanti il ciclo di Calvin

Produzione biologica di idrogeno

Alcune alghe unicellulari tra cui Chlamydomonas e Scenedesmus, in carenza di S o in presenza di inibitori che riducono sostanzialmente il funzionamento del PSII, entrano in aerobiosi e attivano geni codificanti Fe-idrogenasi che portano alla evoluzione fotosintetica di H2. La produzione di H2 è però nell’ordine di 20 grammi/m2/giorno.

Sistemi bio-ibridi e fotosintesi artificiale

Il sistema bio-ibrido sarebbe basato sull’uso di idrogenasi ricombinanti.L’utilizzo di un apparato artificiale di cattura della luce potrebbe permettere lo sfruttamento di un più ampio spettro di lunghezze d’onda.

• L'utilizzo del miglioramento genetico e dell'ingegneria geneticarisulta indispensabile per superare gli attuali ostacoli alla produzione di biocarburanti di seconda generazione

• Solo approcci di seconda, terza e quarta generazione potranno essere soddisfacenti economicamente ed eticamente accettabili ai fini di una produzione su larga scala di biocarburanti.

• L’uso di sistemi ibridi o artificiali potrebbe aumentare sensibilmente l’efficienza di utilizzo della luce solare.

Concludendo

Grazie dell’attenzione

La terza generazione: trigliceridi da alghe unicellulari

In certe condizioni ambientali, alcune alghe accumulano lipidi sino al 70% del loro peso secco. Tuttavia, il costo del biodiesel prodotto da alghe cresciute in un fotobioreattore è 6 volte superiore a quello ottenuto da olio di palma (3 $/L contro 0,6 $/L)