L’evoluzione dei biocarburanti e delle biofabbriche

La storia dei biocarburanti e il loro eterno conflitto con i combustibili di origine fossile traggono le proprie radici tra la fine del XIX secolo e gli inizi del XX secolo. In certo senso le automobili sono nate con i biocarburanti. Nel 1853 gli scienziati E. Duffy e J. Patrick realizzarono la trans-esterificazione dell’olio vegetale ottenendo il biodiesel, il cui utilizzo come combustibile divenne noto in occasione dell’Esposizione Mondiale di Parigi del 1898, quando Rudolf Diesel lo utilizzò per alimentare il propulsore omonimo da lui progettato e costruito cinquanta anni prima.

Inoltre, erano i primi anni del XX secolo, quando Henry Ford inventò la Hemp Body Car o Ford Cannabis, un’automobile (mai messa in commercio) interamente realizzata in fibre di canapa ed alimentata da etanolo di canapa (raffinato dai semi della pianta). Ford cercò di promuovere l’uso di biocombustibili per alimentare le sue automobili, come ad esempio l’etanolo di origine vegetale e l’olio di arachidi tuttavia questa idea innovativa e all’avanguardia nel settore energetico cadde ben presto nell’oblio poiché la tecnologia del petrolio ebbe la meglio.

Dagli anni ’30, scelte politiche e legislazioni sfavorevoli, la disponibilità di grandi quantità di greggio e il basso costo del petrolio fecero quasi scomparire i biocarburanti.

Agli inizi del XXI secolo, però, a seguito dell’incremento dell’attenzione mondiale su tematiche quali cambiamenti climatici e riscaldamento globale, la ricerca di innovativi e più competitivi biocarburanti ha subìto una significativa accelerazione portando al susseguirsi di ben quattro generazioni di biocarburanti (Fig. 1), classificate in base all’origine degli atomi di carbonio costituenti il carburante stesso. Tutto ciò, si è tradotto anche in una evoluzione dei microrganismi utilizzati come biofabbriche per la produzione di molecole di interesse energetico.

Figura 1 - Generazioni di biocarburanti — *Figura 1 – Generazioni di biocarburanti*

I carburanti di prima generazione provengono da coltivazioni ad hoc appartenenti però alla filiera alimentare. Il biodiesel di prima generazione deriva dalla trans-esterificazione degli oli vegetali (principalmente colza, palma, girasole) mentre il bioetanolo deriva dalla fermentazione microbica (ad opera principalmente di lieviti come Saccharomyces cerevisiae e batteri come Zymomonas mobilis) degli zuccheri presenti nelle piante coltivate (principalmente mais, colza e canna da zucchero). Questa tecnologia, meno complessa e costosa, resta ancora la più utilizzata.

Alla seconda generazione appartengono i biocarburanti derivanti da biomasse residuali e/o lignocellulosiche, come gli scarti agricoli e forestali. Ciò consente la salvaguardia delle coltivazioni a scopo alimentare in quanto gli zuccheri per produrre biocombustibili derivano dai polisaccaridi costituenti la parete cellulare vegetale, ossia cellulosa, emicellulosa e pectine. Tuttavia, per rendere questi ultimi disponibili ai microrganismi per lo step fermentativo occorre prima liberarli dalla matrice ligninica e successivamente depolimerizzarli. Questo passaggio risulta spesso complesso e necessita dell’uso di alte temperature, pressioni e/o composti chimici o enzimi. Ciò causa un incremento (a volte limitante per lo sviluppo su scala industriale) dei costi di produzione e dell’impatto ambientale. Il biodiesel di seconda generazione deriva dalla trans-esterificazione degli oli di origine microbica (ad opera principalmente di lieviti come Yarrowia lipolytica (Fig. 2), Lipomyces starkeyi, Cryptococcus curvatus) ottenuti fermentando gli zuccheri di seconda generazione.

Figura 2 - Immagine al microscopio ottico di cellule di Yarrowia lipolytica con in evidenza i corpi lipidici intracellulari contenenti trigliceridi, steroli e acidi grassi successivamente convertiti in biodiesel — Figura 2 – Immagine al microscopio ottico di cellule di Yarrowia lipolytica con in evidenza i corpi lipidici intracellulari contenenti trigliceridi, steroli e acidi grassi successivamente convertiti in biodiesel

Dei biocarburanti di terza generazione fanno parte tutti quelli di origine atmosferica, ossia i cui atomi di carbonio derivano dall’anidride carbonica dell’aria. Concettualmente, la terza generazione è un gigantesco passo in avanti nella produzione dei biocarburanti in quanto si agirebbe direttamente e velocemente sui livelli di anidride carbonica atmosferica. La CO₂ viene fissata da alghe unicellulari (Fig. 3), appartenenti al genere Schizochytrium, e Nannochloris, che la utilizzano per sintetizzare principalmente lipidi e altre componenti cellulari. Questi lipidi possono poi essere estratti e trans-esterificati in biodiesel.

Figura 3 - Rappresentazione della produzione di biocarburanti di terza generazione utilizzando come biofabbriche micro-alghe in grado di usare anidride carbonica e luce solare per la sintesi di lipidi — Figura 3 – Rappresentazione della produzione di biocarburanti di terza generazione utilizzando come biofabbriche micro-alghe in grado di usare anidride carbonica e luce solare per la sintesi di lipidi

Infine, la quarta generazione rappresenta un’evoluzione della terza generazione in quanto l’origine degli atomi di carbonio resta atmosferica, ma la conversione del carbonio in biocarburante avviene già all’interno della cellula nel senso che il post-processing riguarda solo la purificazione e la concentrazione del biocarburante. La conversione diretta dell’anidride carbonica in etanolo mediante l’uso, ad esempio, di cianobatteri, permette di ottenere risultati notevoli (Fig. 4). La loro natura li rende semplici e veloci da ingegnerizzare rispetto ad organismi più complessi, aumentandone la produttività.

Figura 4 - Rappresentazione della produzione di biocarburanti di quarta generazione utilizzando come biofabbriche cianobatteri in grado di usare anidride carbonica e luce solare per la sintesi di bioetanolo — Figura 4 – Rappresentazione della produzione di biocarburanti di quarta generazione utilizzando come biofabbriche cianobatteri in grado di usare anidride carbonica e luce solare per la sintesi di bioetanolo

Ad oggi l’impiego dei biocombustibili di seconda, terza e quarta generazione resta ancora limitato. La ragione principale consiste nel fatto che i quantitativi ottenuti mediante queste tecnologie non consentono una produzione di massa a prezzi competitivi con i combustibili fossili, e inoltre non esiste ancora su scala mondiale una tassazione dei carburanti che tenga conto del loro effetto inquinante.

Tuttavia, a partire dalla seconda metà del XXI secolo, sarà quasi inevitabile il passaggio a fonti energetiche alternative e sostenibili per il quale la ricerca e lo sviluppo tecnologico svolgeranno un ruolo cruciale per determinare la velocità di questa transizione.

Sitografia

Bibliografia

Biorefineries: Biofuels, Biochemicals And Bioproducts – chapter of the book Biofuels Production and Processing Technology – De Bari I., Cuna D., Di Fidio N. – ISBN 9781498778930 – CAT# K29842 – CRC Press Taylor & Francis Group, October 2017.

Crediti immagini

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ra/c4ra06441k/unauth#!divAbstract
http://informativobiotecnologico.blogspot.it/2014/01/convierten-levaduras-en-pequenas.html
http://informa.airicerca.org/it/2017/10/23/i-biocarburanti-il-futuro-che-viene-dal-passato/
https://nielsenlab.engineering.asu.edu/research/