Biomasse: come trasformare l'energia solare inbiocarburanti - Rino Cella Dipartimento di Genetica e Microbiologia
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Biomasse: come trasformare
l’energia solare in biocarburanti
Rino Cella
Dipartimento di
Genetica e MicrobiologiaLa 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.
Obbiettivi da raggiungere per ridurre le
emissioni di CO2
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)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 è di 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 alimentareE’ 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% è costituito 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.
Bioetanolo di seconda generazione: le biomasse
lignocellulosiche sono competitive
Lynd et al 2008 Nature Biotecnology 26: 169-172Schema 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 tabacco utilizzando 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 più sostenibile 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 varietà
caratterizzate 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 quantità
di sostanze tossiche prodotteIl biodiesel di terza generazione In certe condizioni ambientali, alcune alghe accumulano trigliceridi sino al 70% del loro peso secco.
Estensione delle coltivazioni necessarie per sostituire il 15% dei
combustibili fossili impiegati per il trasporto negli USA con
biocarburanti
Produzione di olio più elevata rispetto a qualsiasi
Produzione
pianta oleaginosa (almeno 10Estensione
volte più della%palma)
estensione
Coltura Olio L/ha area coltivo delle
Richiedendo una ridotta superficie coltivabile,
richiesta non
coltivazioni
compete con la produzione di(milioni
prodotti vegetali
di ha) “foodnegli
esistenti
and feed” USA
soia Attualmente, il costo446
del biodiesel178
prodotto da alghe67
colzacresciute in un fotobioreattore
1.190 è 567volte superiore 42a
quello ottenuto da olio
jatropha di palma (342
1.892 $/L contro 0,6 13$/L)
Palma da olio 5.950 13 7,2
Microalghe
Considerati 59.000
gli attuali
(cont. 30% 1,3 e limiti della
costi, problemi 1,3
olio)
produzione, non è ancora possibile puntare sulle
Microalghe (cont. 70% 137.000 0,6 0,6
olio)
microalghe per produrre biodiesel su larghissima scalaTuttavia, 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
• la fitodepurazione contare
di reflui sul miglioramento
zootecnici, di reflui urbani o
genetico
dell’industria delle(es.
alimentare microalghe: è quindi
casearia) poiché le alghe hanno
bisogno, e quindi consumano, ammonio, nitrati e fosfati
prevedibile che in tempi relativamente
• catturabrevi
di CO2legrazie
reseall’attività
dei processi di produzione
fotosintetica (con riduzione delle
possano
emissioni locali essere
da parte, incrementate.
ad esempio, di centrali termiche)
Anche didal
• la produzione punto
additivi di vista
proteici ingegneristico
per mangimi o di prodotti
sono
chimici di valore prevedibili
commerciale (es.avanzamenti
il carotenoide astaxantina)
apprezzabiliAumentare la produttività: a) ottimizzando la cattura della luce 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 Con questo approccio sono stati ottenuti ceppi capaci di produrre il 60% in più di biomassa algale
b) ottimizzando la fissazione della CO2 Riduzione della quantità di RUBISCO all’interno del cloroplasto 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
Aumento della quantità di enzimi limitanti il ciclo di Calvin Sovra-espressione dei geni codificanti la: Fruttosio 1,6-bis Fosfato Aldolasi (ALD) Trioso-fosfato Isomerasi (TPI) procariotica
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.
Concludendo • L'utilizzo del miglioramento genetico e dell'ingegneria genetica risulta 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.
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)Puoi anche leggere
