Le "bio-fabbriche" di idrogeno del futuro

Inquinamento da combustibili fossili

I combustibili fossili derivano da materiale organico seppellito sotto strati di rocce e sedimenti per migliaia di anni. Questi combustibili sono usati dall’uomo in processi di produzione di elettricità, riscaldamento e manifattura. Dalla loro combustione vengono rilasciati gas-serra, anidride carbonica (CO₂), monossido di carbonio (CO), particolati (PM) e idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che intrappolano il calore nella atmosfera causando il riscaldamento globale e il cambiamento climatico. Inoltre, la loro inalazione costituisce un pericolo per la salute. Con la crescita demografica, l’urbanizzazione e l’industrializzazione, il fabbisogno energetico globale subirà un incremento del 56% entro il 2040 (da 553 a 855 quadrillioni di KJ). E’ però possibile trovare una soluzione a questa situazione critica: le nuove potenziali applicazioni dei microorganismi nella produzione di bio-idrogeno e bio-fuels creeranno un futuro sostenibile (Figura 1). Per questo scopo numerose sono le applicazioni e i processi studiati che vedono protagonisti i batteri e i loro enzimi.

*Figura 1- Passaggi schematizzati del processo fermentativo per la produzione di bio-idrogeno. [Fonti: Elsevier]*

Perché il bio-idrogeno

Il bio-idrogeno è privo di CO₂ e eventuali emissioni tossiche durante la combustione. Il suo prodotto finale a seguito della combustione è vapore acqueo. Questa caratteristica soddisfa l’obiettivo di emissioni zero perseguito a livello globale, aiutando a diminuire le emissioni e migliorando le condizioni globali attuali.
Inoltre, per la produzione di bio-idrogeno, verrebbero utilizzati i rifiuti solidi e le acque reflue, andando così a risolvere un altro problema incombente. Infatti al giorno d’oggi, come riportato dall’Unione Europea, le acque reflue, prodotte dalla popolazione e dall’industria, costituiscono una delle principali fonti di inquinamento (Figura 2). La loro presenza incide negativamente sulla qualità dell’acqua potabile e sulle risorse idriche, la quali risultano già scarse. I processi per il trattamento delle acque reflue spesso sono considerati costosi, ma l’utilizzo di quest’ultime come fonte di nutrimento di microrganismi per la produzione di bio-idrogeno e composti con interessanti valori di mercato, può andare a creare ricchezza là dove precedentemente vi era solo dispendio di denaro pubblico.

*Figura 2 – Inquinamento da acque reflue in località balneari, rischi per la salute umana e animale. [Fonte: Gds.it]*

Produzione di bio-idrogeno

Per la produzione di bio-idrogeno esistono vari processi, che vedono coinvolti microrganismi e sistemi che coniugano materia organica e inorganica:

fermentazione in assenza di luce;
fermentazione in presenza di luce;
fotosintesi;
digestione anaerobica (in assenza di ossigeno);
sistemi bio-ibridi.

La fotosintesi è un processo utilizzato da numerosi microrganismi e alghe uni/pluricellulari, mediante il quale le cellule sono in grado di produrre ossigeno. Questo processo però è utilizzato anche diversamente da alcuni microrganismi, che sono in grado di andare a produrre bio-idrogeno come sostanza di scarto del loro metabolismo. Applicazioni di questi processi sono largamente utilizzati sia in dispositivi semi- artificiali, che nei foto-bioreattori, i quali utilizzano la luce e i microrganismi per produrre bio-idrogeno mediante processi sostenibili. I dispositivi semi-artificiali producono e utilizzano bio-idrogeno per produrre elettricità, partendo da acqua, luce e enzimi di organismi differenti. (Figura 3)

Rappresentazione schematica di un dispositivo artificiale per la scissione dell'acqua e la produzione di bio-idrogeno — *Figura 3 – Rappresentazione schematica di un dispositivo artificiale per la scissione dell’acqua e la produzione di bio-idrogeno. [Fonte:* Lubitz, Wolfgang et al. “Hydrogenases.”]

Digestione anaerobica

Anche altri processi risultano però essere promettenti. Secondo uno studio che ha visto la collaborazione di Enti di ricerca e Università da tutto il mondo, la digestione anaerobica (AD), ovvero in assenza di ossigeno, è un processo biologico che utilizza microrganismi in grado di convertire i rifiuti organici in biogas, acidi grassi volatili (VFA), bio-idrogeno e altre sostanze con un interessante valore di mercato. Questo processo richiede bioreattori semplici e economici e può produrre bio-idrogeno in modo continuo, da risorse rinnovabili a basso costo, quali gli scarti delle industrie agro-alimentari.
Il campo della produzione di bio-idrogeno sostenibile è però in continua evoluzione. Come riportato dalla ricerca svolta dall’Università di Cambridge e dalla Nuova Università di Lisbona, esiste un nuovo sistema “bio-ibrido”, che dimostra come l’unione di elementi inorganici con catalizzatori biologici, cioè enzimi, sia in grado di produrre foto-elettrodi ibridi, ovvero dei nuovi sistemi con prestazioni eccezionali e utilità rimarchevoli nella produzioni semi-artificiali di idrogeno, che possono avere applicazioni non solo al mondo industriale.

Un futuro tutto Italiano

L’Agenzia Spaziale Europea (Esa), partecipe della rivoluzione green, ha scelto di finanziare il progetto Purple–B, del Green propulsion Laboratory Veritas di Fusina per la produzione di bio-idrogeno dai batteri rossi, isolati dai sedimenti della Laguna di Venezia. Il progetto è stato messo a punto dal GpLab Veritas in collaborazione con le Università di Padova e Venezia e la start up 9 Tech e ha preso il via il 1 marzo 2022. L’idea prevede di progettare e costruire, mediante l’utilizzo di stampanti 3D, di un foto-bioreattore dove saranno intrappolate, al riparo dall’ossigeno, le cellule dei microrganismi (definiti batteri rossi), isolati dai sedimenti della Laguna di Venezia. Il motore della fotosintesi dei batteri rossi è la luce e stimolerà la produzione di bio-idrogeno.
Verranno costruiti due prototipi, uno terrestre di Purple-B che sarà collocato al GpLab Veritas di Fusina, e uno spaziale, che verrà utilizzata dalle stazioni orbitanti e sarà inviata in Olanda, all’Estec (European space research and technology centre) di Noordwijk e nell’ambito del Programma Melissa (Micro-ecological life support system alternative) di Esa.

Conclusioni

Il bio-idrogeno è un carburante privo di emissioni di carbonio con molti vantaggi ambientali, sociali e economici. Queste sue peculiarità consentono un inquinamento prossimo allo zero sia nella sua produzione che nel consumo. Vari microrganismi sono in grado di produrlo, partendo da scarti a bassissimo costo, e producendo sostanze con elevato valore di mercato oltre al bio-idrogeno. Gli studi per utilizzare questi microrganismi e i loro enzimi come “bio-fabbriche” e catalizzatori semi-sintetici stanno riportando numerosi successi. In un futuro prossimo saremo in grado di far fronte all’inquinamento atmosferico, delle acque e all’eccesso dei rifiuti con processi green e sostenibili, volgendoci sempre più verso un’ottica di economia circolare, minimizzazione degli scarti e incrementando la sostenibilità di città e industrie.