Report sulle Bioraffinerie

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1 Report sulle Bioraffinerie A cura di Sara Donato I Anno Biotecnologie Anno Accademico 2014/2015

2 Sommario Il concetto di Bioraffineria... 3 Gerarchia di Biovalore... 3 Le fasi del ciclo della Bioraffineria... 4 Esempio di Bioraffineria: la Canapa Industriale... 6 Bioraffinerie di I generazione... 7 Bioraffinerie di II generazione... 8 Bioraffinerie di III generazione... 9 Novamont... 9 Microalghe nel settore dei Biocombustibili Conclusioni Bibliografia Sitografia Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 2

3 Il concetto di Bioraffineria La Bioraffineria si occupa di separare i componenti della biomassa nelle sue parti costituenti, per destinare ciascuna di esse all impiego che consente di ottenere la maggior quota di biovalore. Il concetto di bioraffineria è analogo alle raffinerie di petrolio ma tende a superare il limite di una destinazione puramente energetica delle colture, proponendo un impiego della biomassa vegetale come base per la produzione di molecole chimiche impiegate in più settori. Questo approccio è stato considerato decisivo per le agricolture e varie industrie dalla Commissione europea che dagli anni 90 ha rivolto sempre più attenzione al tema delle bioraffinerie. Le bioraffinerie sono in grado di convertire la biomassa di natura chimica, fisica o microbiologica in prodotti energetici, carburanti e sostanze chimiche, e sono ritenute la via più completa per la creazione di un industria basata su prodotti derivati da materiali biologici o in grado di valorizzare le diverse componenti chimiche della biomassa. Gerarchia di Biovalore Le bioraffinerie hanno a disposizione molti utilizzi della biomassa in diversi settori dell industria. La parte della biomassa che interessa le materie prime vegetali sono utilizzate per la produzione di composti chimici a elevato valore aggiunto per l industria. Un esempio è l amido presente nei cereali, nelle leguminose e nelle patate, e la sua degradazione può portare alla produzione di polimeri, poliuretani, poliesteri e resine. La cellulosa che rappresenta il 40 45% della biomasse delle colture tradizionali è utile per la produzione di etanolo dal glucosio e per ottenere acidi grassi. Le due principali destinazioni degli output delle bioraffinerie sono: - Biotecnologia Verde: sostanze destinate all agricoltura; - Biotecnologia Bianca: sostanze destinate all industria e all utilizzo di microrganismi. Gli output delle bioraffinerie vengono classificati in una gerarchia di biovalore che indica il valore delle trasformazioni della biomassa. In cima alla piramide vi sono le sostanze destinate alla chimica fine e farmaceutica utile per la sintesi di vaccini, antibiotici e proteine di immunoterapia. I ricercatori hanno anche sperimentato la produzione di farmaci da piante geneticamente modificate. A seguire abbiamo prodotti ricavati per l industria alimentare e per la nutrizione di animali, seguite dalle sostanze per le industrie di prodotti chimici come bioplastiche, lubrificanti, solventi, adesivi, fibre e coloranti. I ricercatori stanno cercando di utilizzare organismi geneticamente modificati per produrre la materia prima dei biomateriali. Alla base della piramide abbiamo tutte le sostanze ricavate per il settore energetico, destinate a produrre bio gas tramite fermentazione e bio carburanti. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 3

4 Le fasi del ciclo della Bioraffineria Le fasi del ciclo della Bioraffineria sono: - Separazione - Concentrazione - Purificazione - Raffinazione - Conversione La separazione avviene durante la raccolta e lavorazione delle colture, quando le parti utili della pianta sono separate dal resto. I sottoprodotti vengono utilizzati in altri ambiti, come i semi, le radici e le bucce di frutta e tuberi. La separazione comprende anche la divisione dei solidi dai liquidi attraverso la centrifuga, come la tecnica per disidratare il letame, e il filtraggio. Subito dopo la separazione seguono le altre fasi, la più importante delle quali è la conversione. Esistono diversi tipi di conversione: - FISICO MECCANICA: si usano le centrifughe. - TERMOCHIMICA: la forma più comune è la combustine, in cui le biomasse vengono usate nelle centrali elettriche come agente di co combustione. Le nuove tecnologie prevedono la conversione pulita di biomassa interamente in energia. Un esempio sono le caldaie a pellet e sistemi di cogenerazione. Un altro metodo è la gassificazione in cui la biomassa viene posta a 200 per formare il furfurale: un olio usato come carburante, per produrre additivi, nei profumi e come impregnante. La combustine della biomassa seguita da catalisi e purificazione produce il syngas (miscela di monossido di ossigeno e idrogeno). Un ultimo esempio di conversione termochimica è la torrefazione in cui si brucia la biomassa in assenza di ossigeno per produrre il carbone vegetale. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 4

5 - BIOCHIMICA: vengono usati processi di fermentazione per la trasformazione dell erba silo in enzimi high tech. I ricercatori hanno trovato un modo per far effettuare la fermentazione a enzimi catalizzatori, e aziende come Novozymes hanno cominciato a produrre enzimi commercialmente utili. Gli enzimi sono anche biodegradabili, rendendoli una risorsa alternativa alle sostanze aggressive e inquinanti. Infine gli enzimi sono alternativi degli acidi nell industria della fecola e dell amido. ALCUNI ENZIMI COMMERCIALI PRODOTTI BIOTECNOLOGICAMENTE ENZIMI Acetolactate Decarboxylase α Amylase Amylo 1,6 Glucosidase Chymosin Lactase Glucan 1,4 α Maltohydrolase (maltogenic α amylase) APPLICAZIONI Beer aging and diacetyl reduction High fructose corn syrup (HFCS) Production High fructose corn syrup (HFCS) Production Milk clotting in cheese manufacturing Lactose hydrolysis Anti stalingin bread Si intende conversione biochimica anche l uso di bioreattori ad alta tecnologia dove i processi biochimici avvengono su scala industriale. Il bioreattore è un recipiente contenente microrganismi che condizionati dall esterno attraverso la temperatura, il ph, e concentrazione si può innescare la fermentazione. - BIOTECNOLOGIA: le nuove tecnologie hanno permesso l utilizzo di microarray per analizzare contemporaneamente diversi geni del DNA. Si sono già trovati diversi marcatori del DNA per numerose caratteristiche come la resistenza alle malattie, la qualità di cottura soprattutto del grano ed elevata concentrazione di licopene nei pomodori. La ricerca sulla genetica delle piante ha permesso di isolare specie con specifiche caratteristiche fisiche e chimiche: un vantaggio per gli agricoltori ma un danno per la biodiversità. La ricerca utilizza anche gli X OMICS: un analisi su larga scala di materiale genetico che permette di esplorare la diversità biologica del nostro pianeta in nuovi modi. Molti ricercatori stanno cercando di mappare la biodiversità, e un esempio è Craig Venter che prendendo campioni di acqua degli oceani ha determinato l ordine delle basi nucleotidiche in molti campioni di DNA. Le ultime tecnologie riescono a leggere un miliardo di basi in due ore e permettono di individuare velocemente sequenze di batteri come E. coli (4,6 milioni di basi). Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 5

6 Esempio di Bioraffineria: la Canapa Industriale Un esempio di come le bioraffinerie funzionino è il progetto VeLiCa, una collaborazione del CNR e dell Italian Biocatalysis Center per rendere remunerativa la coltivazione della canapa. Sono state individuate le varietà di canapa che avevano le caratteristiche adatte alle trasformazioni e alla coltivazione sul suolo italiano, e si è notato che le varietà dioiche erano le migliori per la produzione di biomassa. 1. Oli per biodiesel, lubrificanti, schiume vegetali L olio di canapa era molto usato nella produzione di oleochemicals, ma causava problemi per l elevata insaturazione (contenuto di Omega 3 e Omega 6). Il CNR ha trovato un processo a basso impatto ambientale che rende l olio di canapa adatto all utilizzo come combustibile e come prodotto intermedio di oleochemicals. Quest olio è indicato anche per la preparazione di lubrificanti biodegradabili ad elevato punto di fiamma, e di polipoli per la sintesi di poliuretani da fonte rinnovabile. Un ultima applicazione studiata dell olio di canapa è stata nell uso di schiume poliuretaniche, vantaggiose per la loro biodegradabilità e caratteristiche tecniche. 2. Materiali da Imballaggio Dalla canapa sono stati prodotti poliesteri di sintesi, importantissimi per produrre materiali d imballaggio e manufatti partendo da fonti rinnovabili, biocompatibili e biodegradabili. 3. Semi arricchiti I semi di canapa sono stati arricchiti con componenti dell acido linoleico e acido alfa linoleico mediante biotrasformazioni selettive. 4. Nuovo materiale composito Le ricerche svolte dall ISMAC di Biella hanno portato al brevetto di nuovi materiali compositi costituiti da fibra di canapa e lana di scarto, un prodotto inquinante e difficile da smaltire, per la produzione di pannelli isolanti autoportanti con elevate proprietà di porosità, conduzione termica e spessore. 5. Additivi alimentari Per uno sfruttamento completo della pianta si è studiato come usare il panello, il residuo della spremitura dei semi, che contiene un elevata quantità di proteine ed è adatto alla zootecnica. Ma per quanto riguarda il campo degli additivi alimentari, i ricercatori hanno notato che i semi di canapa contengono una grande quantità di acido glutammico che contribuisce ad aumentare il gusto dei cibi esaltandone la sapidità. 6. Biomassa lignocellulosica e lignina Un altro scarto della canapa è la biomassa lignocellulosica che rimane dopo la stigliatura della fibra e che costituisce il 70 80% della biomassa totale. Da questo scarto si possono separare i componenti principali come la lignina, la cellulosa e emicellulosa. L utilizzo intero della canapa può salvaguardare la sostenibilità dell ambiente in tutte le trasformazioni, e questo deve essere un incentivo in più per riprendere la produzione della canapa in Italia. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 6

7 Bioraffinerie di I generazione Le bioraffinerie di I generazione nascono negli anni 90 per far fronte alla diminuzione di molte fonti primarie come il petrolio. Si cominciano a cercare vie alternative per la produzione di composti del più comune uso nella società e a riconsiderare il valore di alcuni scarti industriali. Tali eventi si sono aggiunti all emergenza per il forte impatto ambientale che i prodotti petrolchimici hanno avuto sull ecologia mondiale. La prima generazione utilizza un unico Feedstock (biomassa) per ricavare un unico output che ha una scarsa flessibilità nelle trasformazioni. Un tipico esempio è il Bioetanolo ricavato utilizzando come feedstock cereali o canna da zucchero, provenienti da colture dedicate o dai residui dell industria agricola. Grazie alle sue proprietà chimico fisiche il bioetanolo è in grado di sostituire la benzina nei motori. Il biocarburante evidenzia una capacità antidetonante e una volatilità maggiore della benzina, e ciò ne consegue una miscelazione con l aria più veloce e omogenea nel corso della carburazione. Il problema del bioetanolo è la sua densità energetica: per sostituire un chilogrammo di benzina sono necessari 1,67 chilogrammi di bioetanolo. La filiera della produzione di etanolo è costituita da: - Estrazione degli zuccheri, ad esempio dalla radice della barbabietola - Essiccazione della polpa e seguente utilizzo nell alimentazione zootecnica - Macinazione della granella per massimizzare la resa - Idrolisi delle catene di amido da parte di enzimi attraverso la liquefazione (α amilasi) e saccarificazione (liberazione di glucosio) - Fermentazione alcolica - Distillazione Oltre ai problemi chimico fisici riscontrati nell utilizzo di bioetanolo, sono state sollevate molte critiche sull uso di terreni coltivabili: nel 2000 si stimò che per la produzione di biocarburanti, dovevano essere utilizzati buona parte degli ettari coltivabili dei 0.11 ettari pro capite dislocati sul territorio italiano. Inoltre un tale uso delle risorse agricole provoca l uscita dal mercato alimentare di buona parte dei beni prodotti, e ciò causa un aumento dei prezzi sia dei prodotti che dei terreni coltivabili. Gran parte dell opinione pubblica considera la produzione di biocarburanti causa di povertà e fame nel mondo, perché se gli agricoltori sono incentivati anche dallo Stato e dall Unione Europea alla produzione di biocarburanti, la parte di risorse e macchinari destinati all alimentazione diminuiscono radicalmente. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 7

8 Bioraffinerie di II generazione Le bioraffinerie di II generazione subentrano dopo il fallimento della I generazione. Da un unico feedstock si possono ricavare più output. Due sottoprodotti poveri come la paglia del riso o la canna gentile sono preziosi per la biomassa lignocellulosica convertibile in etanolo attraverso un raffinato processo di idrolisi. Quest innovazione non sottrae coltivazioni a prodotti alimentari ed alla nutrizione sia umana che animale. Per arrivare a risultati efficienti le imprese devono: - Considerare le risorse naturali come fonti di creazioni di valore e dare spazio alle ricerche di tecnologie che moltiplicano le produttività delle risorse naturali. - Inserirsi rapidamente nella migrazione dei processi produttivi dai sistemi lineari a sistemi circolari, flessibili e collegati ai metabolismi dei territori autonomi sul piano energetico. - Considerare la terra come scarsa e destinata all alimentazione umana. Ciò implica la ricerca di soluzioni che non usano i terreni nella produzione di biocarburanti. La Bio Chemtex, una società di ingegneria e ricerca si è posta come obiettivo il superamento dei limiti dei biocarburanti di prima generazione. Il risultato dovrebbe essere sostenibile per la filiera agricola poiché implicherebbe: - L uso di terreni marginali - L impiego di sottoprodotti dell agricoltura - Un basso impiego di fertilizzanti - Una produzione competitiva sul piano del prezzo finale. Su queste premesse è nata nel 2013 la proposta di creare una bioraffineria tra Torino e Milano che sfrutta la vocazione agricola del territorio limitrofo, rifornendosi delle materie necessarie che vanno dalla paglia di riso alla canna gentile. Questo stabilimento è studiato per essere autosufficiente dal punto di vista energetico e sarà in grado di produrre annualmente 75 milioni di litri di etanolo di seconda generazione con ridotte emissioni di gas e costi competitivi rispetto alle fonti fossili. Lo stabilimento si trova a Crescentino (Vercelli) e appartiene alla Beta Renewables, una joint venture della Bio Chemtex. L aspetto rivoluzionario della bioraffineria risiede nella piattaforma tecnologica impiegata per ottenere il bioetanolo. La tecnologia PROESA combinata con enzimi prodotti dalla Novozymes produce biocarburanti che assicurano una riduzione delle emissioni di gas serra fino al 90% rispetto ai combustibili fossili, notevolmente superiore alla riduzione raggiunta dai biocarburanti di prima generazione. La Bioraffineria di II Generazione a Crescentino. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 8

9 Bioraffinerie di III generazione Per le bioraffinerie di terza generazione la ricerca svolge un ruolo cruciale. Si cerca di sviluppare un sistema che partendo da numerosi feedstock e con l utilizzo di tecnologie all avanguardia si possano ottenere una grande varietà di output. Già da tempo si comincia ad investire su microrganismi geneticamente modificati, come nel caso della DuPont negli USA che ha investito 100 milioni per la produzione della Sorona, una fibra artificiale utilizzata in molti ambiti industriali. Inoltre molti progressi sono stati fatti al di fuori dell UE (che limita le colture di OGM) nella ricerca di piante geneticamente modificate. Un esempio sono le Colture Pharma, cioè colture geneticamente modificate per produrre sostanze farmaceutiche. Dagli anni 2000 si cercò di integrare queste piante che potevano produrre vaccini, proteine terapeutiche o enzimi industriali, ma il futuro di queste colture rimane incerto. Un ultimo ma non meno importante sviluppo è avvenuto nel campo energetico, in cui i ricercatori hanno cercato di creare sistemi biologici artificialmente ingegnerizzati in grado di convertire la luce solare direttamente in elettricità ed idrogeno. Negli Usa i ricercatori della University of Arizona hanno sviluppato delle foglie artificiali: celle solari flessibili a base di proteine vegetali che imitano la fotosintesi. Novamont In Italia la Novamont ha avviato, tramite la piattaforma biotecnologica Materbiotech e in join venture con la statunitense Genomatica, la conversione di un vecchio impianto di fermentazione di una bioraffineria che sarà la prima del suo genere e sarà dedicata alla produzione di bio BDO, un intermedio chimico che finora era stato ottenuto solo con i carburanti fossili, e che è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni. Si prospetta che nel prossimo futuro l impianto sarà in grado di produrre 20 mila tonnellate di bio BDO all anno. La strategia della Novamont si basa sul concetto di bioraffineria di terza generazione, completamente integrata nel territorio e dedicata alla produzione di bioplastiche e chemicals da fonti rinnovabili. Le bioraffinerie di terza generazione: Sono dedicate alla produzione di prodotti ad alto valore aggiunto; Utilizzano diverse materie prime locali; Adottano un approccio a cascata nell uso della biomassa; Integrano un ampia gamma di tecnologie ed impianti; Offrono un opportunità per utilizzare aree marginali e rilanciare siti deindustrializzati; Producono energia da scarti grazie a tecnologie a basso impatto ambientale. La Novamont segue molte ricerche grazie anche alla collaborazione con altre società in Europa e nel mondo. Una di queste è la ricerca sui biolubrificanti: quelli impiegati attualmente sono a base di olio minerale non rinnovabile, e quasi il 95% di quelli utilizzati finisce nell ambiente attraverso applicazioni o perdita totali. I biolubrificanti potrebbero sostituire quasi completamente quelli non rinnovali riscontando anche un guadagno economico e ambientale. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/2015 9

10 Un altra join venture tra Novamont e Eni Versalis ha riconvertito il sito petrolchimico di Porto Torres in una bioraffineria di terza generazione. Quest impianto è in grado di: - Avere una catena di fornitura agricola integrata, utilizza materie prime e scarti vegetale e identifica colture a basso impatto. - Avere una produzione ampia di prodotti da risorse rinnovabili come biochemicals, biointermediates, basi per biolubrificanti e bioadditivi per gomme. - Utilizzare acido dicarbossilico e monocarbossilico sia come base per la produzione di bioplastiche sia per applicazioni in ambito farmaceutico, fitosanitario e cosmetico. Un esempio delle innovative produzioni dello stabilimento è il processo produttivo Matrìca. Questo processo implica la scissione ossidativa di oli vegetali senza ozono per la produzione di acido azelaico. Questo prodotto si presenta come una polvere cristallina bianca ed è una base delle plastiche rinnovabili e compatibili oltre ad essere importante nella sintesi di esteri complessi presenti nei biolubrificanti. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/

11 Microalghe nel settore dei Biocombustibili Un settore molto in crescita nella ricerca dei biocombustibile sono le microalghe, organismi che potrebbero essere utilizzati in ambito energetico. Le microalghe sono organismi unicellulari che vivono in acque dolci e salate, e la loro attività fotosintetica è fondamentale per la vita sulla Terra perché producono il 30 50% dell ossigeno atmosferico. La comunità scientifica ritiene che la continua emissione di CO 2 prodotta stia cambiando l intero ecosistema della Terra. Per questo motivo si è presa in considerazione la possibilità di utilizzare le microalghe, in grado di produrre in modo sostenibile energia maggiore rispetto a quella ottenuta da mais o dalla soia. Sono coltivabili in terreni marginali, in climi caldi, in acqua salata e dolce, e assorbono anidride carbonica insufflata nella coltura per trasformarla in materia organica. Sarebbero capaci di produrre 30 volte l equivalente in olio rispetto alla stessa area coltivata con specie terrestri convenzionali. Il limite teorico di produttività, calcolato sulla base di considerazioni relative alla luce, indica valori di 280 tonnellate di biomassa secca per ettaro all anno per paesi con la latitudine della Spagna. Si ipotizza che dalla coltivazione delle microalghe si possa ricavare biodiesel, oli combustibili, biogas, ma anche idrogeno tramite la Chlamydomonas. Tuttavia esistono ancora dei punti critici nelle produzioni energetiche dalle microalghe che necessitano di ricerca per sviluppare tali dati teorici. Dalla ricerca di attendono risultati consolidati sull ampiamento di queste teorie su scala produttiva industriale, anche in termini di definizione dei prodotti energetici maggiormente convenienti. Conclusioni L innovazione tecnologica sta creando nuove opportunità per la bioraffineria, in particolare nel campo biochimico e biotecnologico. In futuro la bioeconomia sostenibile sarà in grado di rendere più efficiente la biomassa e di fare un uso ottimale dei sottoprodotti agricoli e industriali. In tutto il mondo gli investimenti e l innovazione tecnologica si stanno concentrando sulle applicazioni della biomassa nella piramide di biovalore. Tuttavia gli investimenti in futuro devono essere sempre maggiori per garantire alle future generazioni una vita migliore. Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/

12 Bibliografia Lotte Asveld, Rinie Van Est & Dirk Stemerding. Getting to the core of the bio economy: a perspective on the susteinable promise of biomass. Rathenau Instituut Carlo Alberto Rinolfi. I mercati paralleli della nutrizione: biocarburanti di seconda generazione, Fabio Barbato, Carlo Alberto Campiotti, Germina Giagnacovo, Vito Pignatelli, Dario Tumminelli, Corinna Viola. Sfruttamento delle microalghe: tra realtà e prospettive. Aprile Sitografia Sara Donato I Anno Biotecnologie A.A. 2014/