Biomasse: come trasformare l`energia solare in biocarburanti

Biomasse: come trasformare
l’energia solare in biocarburanti
Rino Cella
Dipartimento 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.
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 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% 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: 169-172
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 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 prodotte
Il 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
estensione
pianta oleaginosa
(almeno 10Estensione
volte più della%palma)
delle
area coltivo
Coltura
Olio L/ha
Richiedendo una ridotta superficie
coltivabile,
non
richiesta
coltivazioni
compete con la produzione di(milioni
prodotti
vegetali
“foodnegli
di ha)
esistenti
USA
and feed”
soia Attualmente, il costo446
67
del biodiesel178
prodotto da alghe
colzacresciute in un fotobioreattore
1.190
42a
è 567volte superiore
quello ottenuto da olio
di palma (342
$/L contro 0,6 13
$/L)
jatropha
1.892
Palma da olio
5.950
13
7,2
Microalghe
(cont. 30%
59.000
1,3 e limiti della
1,3
Considerati
gli attuali
costi, problemi
olio)
produzione, non è ancora possibile puntare sulle
Microalghe (cont. 70%
137.000
0,6
0,6
microalghe
per
produrre
biodiesel
su
larghissima
scala
olio)
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:
• la fitodepurazione
di reflui
zootecnici,
di reflui urbani o
Inoltre, si può
contare
sul miglioramento
dell’industria
alimentare
casearia) poiché
le alghe hanno
genetico
delle(es.
microalghe:
è quindi
bisogno, e quindi consumano, ammonio, nitrati e fosfati
prevedibile che in tempi relativamente
• catturabrevi
di CO2legrazie
fotosintetica
(con riduzione delle
reseall’attività
dei processi
di produzione
emissioni locali
da parte,
ad esempio,
di centrali termiche)
possano
essere
incrementate.
• la produzione
additivi
proteici
per mangimi
o di prodotti
Anche didal
punto
di vista
ingegneristico
chimici di valore
commerciale
(es.avanzamenti
il carotenoide astaxantina)
sono
prevedibili
apprezzabili
Aumentare 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)