Biomasse: come trasformare l energia solare in biocarburanti. Rino Cella Dipartimento di Genetica e Microbiologia

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Gabriella Alfano
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1 Biomasse: come trasformare l energia solare in biocarburanti Rino Cella Dipartimento di Genetica e Microbiologia

2 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

5 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 CO 2 nell atmosfera che si pensa possa produrre drammatici cambiamenti climatici.

Tuttavia, l uso eccessivo di petrolio da parte delle società industriali ha prodotto un

6 Obbiettivi da raggiungere per ridurre le emissioni di CO 2 Il progetto europeo Ridurre del 20% i consumi energetici Ridurre del 20% le emissioni di CO 2 Produrre il 20% di energia da fonti rinnovabili (dicuiil10%da biomassa)

energetici Ridurre del 20% le emissioni di CO 2 Produrre

7 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.

Si ottiene utilizzando i prodotti finali della fotosintesi ovvero saccarosio o amido ottenuti, rispettivamente, dalla

8 Sono necessari i biocarburanti di seconda generazione? La risposta è SI in quanto è necessario utilizzare specie che non abbiano un uso alimentare

9 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.

almeno il 33% è costituito da cellulosa, la macromolecola più diffusa sulla Terra.

11 Bioetanolo di seconda generazione: le biomasse lignocellulosiche sono competitive Lynd et al 2008 Nature Biotecnology 26:

13 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.

delle biomasse per ridurre i pre-trattamenti impattanti sia sul processo di

15 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

17 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.

fossili impiegati per l autrasporto negli USA.

18 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 C 16/18 ; - 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 Nel caso dell euforbiacea Jatropha curcas sarebbe necessario ridurre la quantità di sostanze tossiche prodotte

Nel caso della colza è necessario produrre varietà caratterizzate da una ridotta emissione di bromuro di metile (un potente gas-serra).

19 Il biodiesel di terza generazione In certe condizioni ambientali, alcune alghe accumulano trigliceridi sino al 70% del loro peso secco.

20 % estensione delle coltivazioni esistenti negli USA soia colza jatropha Palma da olio ,2 Microalghe (cont. 30% ,3 1,3 olio) Microalghe (cont. 70% olio) 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 pianta oleaginosa Produzione (almeno 10 Estensione volte più della palma) Coltura Olio L/ha area coltivo Richiedendo una ridotta superficie richiesta coltivabile, non compete con la produzione di (milioni prodotti di ha) 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) Considerati gli attuali costi, problemi e limiti della produzione, non è ancora possibile puntare sulle ,6 0,6 microalghe per produrre biodiesel su larghissima scala

qualsiasi pianta oleaginosa Produzione (almeno 10 Estensione volte più della palma) Coltura Olio L/ha area coltivo Richiedendo una ridotta superficie richiesta coltivabile, non compete con la

21 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 la fitodepurazione di reflui zootecnici, di reflui urbani o dell industria genetico alimentare delle (es. microalghe: casearia) poiché è quindi le alghe hanno bisogno, e quindi consumano, ammonio, nitrati e fosfati prevedibile che in tempi relativamente cattura brevi di CO 2 le grazie rese all attività dei processi fotosintetica di produzione (con riduzione delle emissioni locali da parte, ad esempio, di centrali termiche) possano essere incrementate. Anche dal punto di vista ingegneristico sono prevedibili avanzamenti apprezzabili la produzione di additivi proteici per mangimi o di prodotti chimici di valore commerciale (es. il carotenoide astaxantina)

22 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

23 b) ottimizzando la fissazione della CO 2 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

24 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

25 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 H 2. La produzione di H 2 è però nell ordine di 20 grammi/m2/giorno.

26 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.

27 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.

28 Grazie dell attenzione

30 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)

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