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Biotecnologie per la bioenergia

Biotecnologie e produzione sostenibile di energia

A fronte di una richiesta energetica globale in continuo aumento, dei cambiamenti climatici e alle problematiche di sicurezza energetica, una delle principali sfide globali per l’umanità è sicuramente legata alla produzione sostenibile di energia.

Il notevole aumento della domanda globale di energia è legato ad una serie di fattori interconnessi a livello socio-economico:

  1. Esplosione demografica
  2. Urbanizzazione
  3. Rapida industrializzazione globale
  4. Riduzione della povertà e aumento della domanda di beni e servizi

Le politiche di molti paesi si sono orientate verso la crescita delle energie rinnovabili in alternativa alle fonti fossili, in tale contesto un contributo determinante proviene dalle biomasse, fonte di bioenergia.

Ad oggi, a livello globale la bionergia rappresenta già la fonte più importante tra le rinnovabili, ma possiede un potenziale di espansione estremamente significativo sia per la produzione di elettricità, sia di calore, sia per i trasporti.

 

Cosa significa bioenergia?

La bioenergia è la produzione di energia rinnovabile dalle biomasse, sia in forma di produzione diretta, sia sotto forma di produzione di combustibili solidi, liquidi e gassosi.

Tra le tecnologie che possono essere applicate alla produzione energetica da biomassa, il ruolo delle biotecnologie è critico:

  • Le applicazioni biotecnologiche alle produzioni vegetali consentono di aumentare le rese produttive, riducendo le perdite legate a stress ambientali ed agenti patogeni, riducendo pertanto il consumo del suolo.
  • Possono migliorare la qualità delle colture, poichè consentono di produrre piante a maggior contenuto oleoso o maggior quantitativo di carboidrati fermentabili.
  • Consentono lo screening e l’individuazione delle specie e varietà più idonee alla coltivazione locale, su base dello specifico ambiente.
  • Consentono la produzione di enzimi e microorganismi per la conversione efficiente di cellulose in zuccheri, poi convertiti in biocarburanti.

 

La politica energetica dell’ Unione Europea

A partire dagli anni ottanta la UE ha appoggiato il suo sostegno alle nuove tecnologie nel settore delle rinnovabili.

Nel 2008 ha adottato una politica di lungo periodo, con una serie di obiettivi da raggiungere entro il 2050, al fine di rendere l’economia europea:

  • competitiva e sostenibile
  • a basse emissioni di carbonio
  • rispettosa dell’ambiente
  • efficiente nei consumi energetici
  • sicura dal punto di vista degli approvvigionamenti energetici

Sono stati dunque fissati obiettivi intermedi al 2020, 2030, 2050.

La Direttiva 2009/28/CE enuclea le strategie chiave per il conseguimento dell’autosufficienza energetica e della mitigazione degli impatti ambientali:

  • utilizzo dell’energia rinnovabile
  • efficienza energetica migliorata

La norma individua altresì degli obiettivi minimi (noti come “venti-venti-venti”) da raggiungere entro il 2020:

  • riduzione del 20% delle emissioni dei gas a effetto serra
  • miglioramento del 20% dell’efficienza energetica
  • soddisfare il 20% del fabbisogno energetico da fonti rinnovabili (10% nel settore trasporti)

 

La Biomassa

  • Qualunque sostanza di origine organica (animale o vegetale)
  • che non abbia subito fossilizzazione
  • che possa essere utilizzata a fini energetici

Questa sofisticata forma di accumulo di energia solare costituisce la definizione di biomassa, in cui l’energia radiante (solare) viene convertita in energia chimica e poi accumulata nelle molecole organiche (fotosintesi).

L’uso di biomassa non incrementa la quantità di CO2 presente in atmosfera, perchè la quantità emessa corrisponde a quella che gli organismi fotosintetici hanno fissato durante la crescita.

Vi sono due macrocategorie di processi di conversione energetica delle biomasse, quelli termochimici e quelli chimici/biochimici.

 

Processi Termochimici

  • Combustione, tramite aria in eccesso (energia termica, energia elettrica)
  • Gassificazione, tramite aria in difetto (Syngas, gas di sintesi)
  • Pirolisi, senza aria (Char –solido-, Bio olio –liquido- , Syngas –gassoso-)

 

Processi Chimici e Biochimici

  • Fermentazione alcolica (Bioetanolo)
  • Digestione Anaerobica (Biogas -metano-, idrogeno)
  • Transesterificazione (Biodiesel)

 

I Biocarburanti: diverse generazioni tecnologiche

Andremo ora a soffermarci sui Biocarburanti, i quali vengono classificati in quattro generazioni di tecnologia, sulla base della natura della biomassa utilizzata per la loro produzione.

Le materie prime utilizzate per produrre i biocarburanti di prima generazione sono colture ricche in zuccheri ed amido (bioetanolo) e semi oleosi (biodiesel).

Problemi: i biocarburanti di prima generazione impattano la sicurezza dell’approvvigionamento alimentare e i prezzi delle derrate alimentari.

Ad esempio, in Messico si è verificata la” guerra delle tortillas”, vale a dire che a causa dell’utilizzo del mais per produrre bioetanolo, il prezzo dell’alimento base del paese è raddoppiato in meno di un anno.

Tra gli impatti ambientali vanno segnalati l’aumento delle zone coltivate che causa la perdita di habitat e calo della biodiversità, nonché l’aumento delle emissioni a causa della attività legata al trasporto delle biomasse agli impianti di conversione.

I biocarburanti di seconda generazione sono prodotti da materie organiche non destinate ad uso alimentare, quindi riducendo l’impatto sul mercato agroalimentare, inoltre le colture-fonte devono essere in grado di crescere su terreni a basso valore agricolo.

Abbiamo pertanto biodiesel da oli non edibili, bioetanolo da scarti agricoli (residui agricoli e forestali), rifiuti municipali e rifiuti industriali.

Problemi: i principali problemi che si riscontrano nei processi di produzione di biocarburanti di seconda generazione sono la difficoltà (processi trifasici), il costo elevato e l’impatto ambientale della fase di pretrattamento dei materiali.

Per poter rendere i biocarburanti di seconda generazione una valida alternativa alle fonti energetiche fossili, è fondamentale l’utilizzo di programmi mirati al miglioramento genetico, in quanto molte delle colture energetiche sono piante di recente utilizzo non sottoposte al processo di domesticazione.

Al fine di accelerare il miglioramento dei tratti di interesse nelle colture energetiche, al miglioramento genetico si possono affiancare anche le moderne tecniche di ingegneria genetica.

Oltre alle sfide tecnologiche, le biotecnologie applicate alla produzione di biocarburanti dovranno fare i conti con eventuali possibili ostacoli derivanti dall’aspetto legislativo e dalla percezione dell’opinione pubblica.

È comunque possibile che le colture energetiche, poiché si presentano come non destinate alla alimentazione umana e con evidenti benefici ambientali ed economici, possano ottenere livelli di opposizione notevolmente inferiori, soprattutto in Europa.

La terza generazione di biocarburanti cercano di risolvere il problema comune alle precedenti, quello dell’utilizzo del suolo.

Basata sull’utilizzo delle microalghe, la terza generazione di biocarburanti si serve dunque di organismi fotosintetici che vivono in ambiente acquatico.

Le alghe, in particolare le microalghe, da decenni sono oggetto di notevole interesse per il potenziale utilizzo come materia prima da biocarburante, specialmente biodiesel.

Le macroalghe invece hanno un basso contenuto in oli e producono zuccheri e carboidrati, quindi sono usate spesso per il biogas.

Vantaggi delle alghe rispetto alle piante terrestri:

  • Fotosintesi più efficiente (efficienza fotosintetica da 3 a 8 volte superiore)
  • Riduzione gas serra in atmosfera: grande capacità di fissazione di anidride carbonica
  • Velocità di crescita molto alta e maggiore produttività
  • Coltivabili tutto l’anno e non soggette a cicli naturali
  • Non consumano suolo, nè acqua dolce
  • Non compete con le applicazioni agro-alimentari
  • Ridotto consumo idrico
  • Depurazione delle acque refluee
  • Grande adattabilità alle condizioni climatiche

Non potendoci soffermare in questa sede sui processi di produzione, si consideri che le microalghe sono una material prima estremamente versatile e consentono la produzione di svariati biocombustibili: biodiesel, biogas, bioetanolo e idrogeno.

Gli scarti possono essere dunque fermentati per produrre altri biocombustibili (biometano, bioetanolo) oppure bruciati per cogenerazione di energia.

Altro utilizzo efficiente e sostenibile, in ottica di bioeconomia circolare (fusione della bioeconomia con i principi di economia circolare), le microalghe possono essere impiegate per la produzione di sottoprodotti ad elevato valore economico nel settore farmaceutico, cosmetico, nutraceutico (pigmenti, polisaccaridi, antiossidanti, vitamine) ed industriale (bioplastiche etc.).

Pertanto le alghe consentono di applicare il concetto di bioraffineria, affiancando alla produzione primaria di biocarburante una produzione integrata di altri sottoprodotti destinati al mercato dei biocombustibili e industrie adiacenti, ammortizzando così gli elevati costi di produzione del biodiesel da alghe.

Anche in questa terza generazione di biocarburanti, il ruolo dell’ ingegneria genetica è di importanza critica nel miglioramento di efficienza e resa produttiva dei biocarburanti algali.

Grazie ad un numero crescente di interi genomi sequenziati da un lato e di strumenti molecolari di trasformazione dall’altro (ricombinazione, silenziamento, editing genomico), sono possibili:

  • miglioramento della fotosintesi
  • miglioramento del contenuto lipidico

Veniamo alla quarta generazione –ed ultima- dei biocarburanti.

L’obiettivo è quello di sfruttare la tecnologia di frontiera offerta dalla Biologia Sintetica (della quale abbiamo discusso qui) per ottenere organismi fotosintetici che -partendo da materie prime basiche quali acqua e CO2– siano in grado di produrre e secernere biocarburanti o altre sostanze utili per l’uomo.

L’obiettivo rivoluzionario dell’ultima generazione di biocarburanti è dunque quello di creare organismi il cui sfruttamento si fonda su una risorsa naturale ed economica illimitata, la luce.

Per concludere, ad oggi i limiti alla scalabilità dell’industria dei biocombustibili sono individuabili negli alti costi di trasformazione.

Saranno dunque fondamentali tre fattori concorrenti per consentire una svolta epocale di innovazione sostenibile:

  1. Il ruolo delle biotecnologie e del loro potenziale immenso per il miglioramento dei microorganismi e degli enzimi, nonchè per la produzione di biomasse più facilmente convertibili
  2. L’impegno della politica nell’investimento continuo in economia verde
  3. L’approvazione (meglio ancora la preferibilità) da parte dell’ opinione pubblica, sull’utilizzo di specie geneticamente modificate per la produzione di energia pulita.
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