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Biofuel: un’alternativa ecosostenibile.

COS’È IL BIOFUEL?

Bioetanolo, biodiesel, biobutanolo e biogas: ecco i carburanti eco-sostenibili che potranno sostituire il petrolio. Scopri quali sono le caratteristiche e le limitazioni del biofuel.

Verso il rinnovabile… E oltre!

Il settore delle energie rinnovabili è sicuramente in grande espansione. Da più di un decennio ormai l’Europa, così come il resto del mondo, sta investendo in questo campo con l’obiettivo di creare un’economia eco-sostenibile basata non più sui carbon-fossili, bensì sui biocarburanti. Dalla chimica del petrolio, infatti, derivano tantissimi prodotti (energia, plastiche, carburanti), che però hanno il grande difetto di non essere biodegradabili. Inoltre, i loro processi di produzione emettono enormi quantità di gas serra che causano danni irreparabili al clima del nostro pianeta. D’altronde, anche tralasciando questi aspetti ambientalistici, si sa già da tempo ormai che molto presto il petrolio finirà, per cui la necessità di trovare una nuova fonte di energia è assolutamente prioritaria.

La soluzione a questo problema potrebbe derivare dalle cosiddette biomasse, che sono degli scarti delle lavorazioni agricole e delle attività industriali e municipali. Questi “rifiuti”, se sapientemente usati, possono fungere da materia prima per la produzione di una nuova generazione di carburanti attraverso dei processi che non solo emettono minori quantità di gas serra, ma consentono anche di riciclare e di dare una nuova vita a questi materiali di scarto. In questo modo si potrebbero creare delle nuove realtà produttive, in cui da una parte si producono i beni più svariati e dall’altra si riciclano gli scarti per generare biocarburanti ed energia pulita. Grazie allo sviluppo di queste bioraffinerie potrebbe avvenire anche l’integrazione di diverse figure lavorative (dal contadino all’allevatore e dall’ingegnere al biotecnologo), con un conseguente aumento dei posti di lavoro.

È con questo progetto nella mente che l’Europa nel 2009 ha emanato la Direttiva sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili (Direttiva 2009/28/CE), in cui si stabilisce che entro il 2020 i Paesi dell’Unione dovranno:

  1. ridurre del 20% le emissioni di gas serra rispetto ai livelli del 1990.
  2. ridurre del 20% il consumo di energia rispetto alle proiezioni sul consumo energetico per il 2020.
  3. produrre il 20% dell’energia da fonti rinnovabili, raggiungendo la quota del 10% nell’ambito dei trasporti.
Quali sono i biofuel?

A proposito di trasporti, vediamo allora quali sono questi famosi biocarburanti e le loro principali caratteristiche.

Bioetanolo.

Chimicamente parlando, il bioetanolo non è altro che l’alcol etilico, lo stesso che viene usato nelle bevande alcoliche, nei cosmetici o nei disinfettanti. In campo energetico, viene impiegato come additivo della benzina, in una percentuale che varia da Paese a Paese. La miscela più comune è la E85, che contiene l’85% di bioetanolo e il 15% di benzina.

Il bioetanolo viene prodotto attraverso la fermentazione alcolica, il processo grazie al quale i lieviti (ad esempio Saccharomyces cerevisiae) in natura trasformano gli zuccheri in etanolo, ricavando così energia per la loro crescita. Le prime biomasse ad essere utilizzate sono state, infatti, le melasse e il “corn steep liquor”, che sono delle acque di scarto ricche di zuccheri, derivate dalla lavorazione della canna (o della barbabietola) da zucchero e del mais. Al termine della fermentazione, il bioetanolo viene recuperato dalla miscela di reazione mediante distillazione, mentre gli scarti delle biomasse fermentate vengono essiccati ed usati come mangimi animali.

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Nonostante la semplicità di tale processo, queste biomasse di prima generazione hanno suscitato grosse polemiche, poiché l’ipotesi di sfruttare la canna da zucchero o il mais sia per la produzione di bioetanolo sia per il sostentamento umano a lungo andare diventerebbe insostenibile.

Per cui l’attenzione si è spostata da tempo sulle biomasse di seconda generazione, che consistono in piante non adatte alla nutrizione umana, come il sorgo da fibra e la canna comune. In particolare, l’obiettivo è di cercare di sfruttare la lignocellulosa, un polimero naturale costituito in parte da catene complesse di zuccheri e in parte da lignina, che l’uomo non è in grado di digerire.

L’utilizzo di questo materiale comporta, però, una serie di difficoltà:

  1. le catene zuccherine della lignocellulosa hanno una struttura talmente complessa che per poter essere utilizzate da lievito devono subire dei trattamenti chimici ed enzimatici assai costosi.
  2. Durante questi trattamenti si producono dei composti che infastidiscono il lievito durante la fermentazione, abbassando così le rese di bioetanolo.
  3. Non tutti questi zuccheri semplificati possono essere poi fermentati da lievito, poiché per natura non dispone di tutti gli enzimi necessari.

Per tutte queste ragioni, la lignocellulosa risulta essere una biomassa assai recalcitrante per la produzione di bioetanolo. Tuttavia, è anche vero che la sua abbondanza e il suo basso costo la rendono il materiale di scarto più promettente per tale scopo.

Ad oggi, una delle più grosse sfide per il futuro consiste appunto nel rendere il biofuel di seconda generazione più competitivo sul mercato. Le strategie per farlo sono molteplici: da una parte si sta cercando di perfezionare le tecniche di pre-trattamento della lignocellulosa, in modo da diminuire i costi di produzione, dall’altra si sta tentando di creare in laboratorio nuovi ceppi di lievito, in grado di digerire tutti i tipi di zuccheri contenuti nella lignocellulosa. Insomma, work in progress.

Biodiesel.

Per definizione, il biodiesel è un carburante liquido prodotto con oli vegetali, che si distingue nettamente dal diesel classico, prodotto invece con oli derivati dalla raffinazione del petrolio. Può essere utilizzato in tutti i motori diesel odierni, puro al 100% o miscelato al gasolio in percentuali variabili.

Gli oli vegetali contengono svariate sostanze, ma per la produzione del biodiesel sono necessari esclusivamente i trigliceridi, che sono dei lipidi costituiti da uno scheletro di glicerolo a cui sono legate 3 lunghe catene di acidi grassi. I trigliceridi vengono convertiti in biodiesel grazie ad un processo chimico che prende il nome di transesterificazione, a seguito del quale si ottiene una miscela che contiene principalmente glicerolo libero e delle molecole chiamate metilesteri di acidi grassi che costituiscono di fatto il biodiesel. Ovviamente il glicerolo libero, una volta separato dalla miscela, non viene gettato via: può essere impiegato come conservante o emulsionante alimentare, o venire adoperato dall’industria farmaceutica e cosmetica.

Gli oli vegetali più usati per la produzione del biodiesel sono quelli di colza, di soia, di palma e di girasole, poiché conferiscono alla miscela le migliori proprietà chimiche. Tuttavia, da tempo, si è ormai capito che dovranno essere sostituiti con altri tipi di olio, poiché utilizzare a scopo energetico prodotti commestibili come la soia e destinare vasti terreni agricoli per la coltivazione della colza intacca pesantemente i costi della filiera alimentare. Perciò da diversi anni si stanno studiando biomasse alternative, come gli oli di scarto delle fritture, gli oli dei fondi di caffè, gli oli derivati dalla lavorazione del legno e i grassi animali.

Solo alcune, però, hanno già trovato un’applicazione reale e si tratta delle biomasse impiegate per il biofuel di seconda e di terza generazione. Nel primo caso, si tratta di un biodiesel prodotto con oli derivati da piante non destinate all’alimentazione umana, in grado di crescere anche su terreni marginali e non coltivabili. L’esempio più eclatante è quello della Jatropha curcas (più comunemente detta “fagiola d’India”), che costituisce attualmente la punta di diamante della produzione di biodiesel in India.

Il biodiesel di terza generazione, invece, deriva dalle microalghe, che sono delle alghe unicellulari in grado di accumulare grandi quantità di olio durante la fotosintesi. Per coltivarle, bastano pochi ingredienti: acqua, luce, CO2, sali minerali e temperature miti (20-30°C). Infatti, i metodi più utilizzati per la coltivazione delle microalghe prevedono o l’allestimento di grandi vasche all’aperto chiamate “raceway ponds, o l’allestimento di reattori con pareti trasparenti (in modo da far passare la luce) chiamati fotobioreattori. Tuttavia, le microalghe hanno un bisogno costante di luce per crescere e sono molto suscettibili agli sbalzi di temperatura.

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Per questo, durante la notte, almeno il 25% di microalghe prodotte durante il giorno viene perso. Per far fronte a questo problema, si dovrebbe sfruttare la luce artificiale durante la notte ed utilizzare dei sistemi di controllo della temperatura, il che comporterebbe un aumento dei costi di produzione. Di conseguenza, l’utilizzo delle microalghe per la produzione di biofuel è una tecnologia che attualmente viene sfruttata da quei Paesi in cui sole e temperature miti sono all’ordine del giorno (dal vicino sud Italia alla lontana Australia).

Al momento si stanno ancora studiando delle strategie con cui rendere il biodiesel di terza generazione più competitivo sul mercato. Una via percorribile consiste nella creazione in laboratorio di ceppi di microalghe più tolleranti agli sbalzi di temperatura, più efficienti nella crescita e più produttivi nelle rese di olio. Anche in questo caso, quindi, work in progress.

Biobutanolo.

Chimicamente il butanolo è un alcol molto simile all’etanolo, dato che è costituito da 4 atomi di carbonio, mentre l’etanolo ne possiede solo 2. Data questa somiglianza, è facile intuire che anche il biobutanolo viene impiegato come additivo della benzina, in una percentuale che fino all’85% consente di utilizzarlo nei motori odierni, senza apportar loro alcuna modifica. In realtà, il butanolo possiede delle proprietà uniche che lo rendono più promettente dell’etanolo: infatti, ha un potere energetico più elevato, ha una corrosività minore ed è meno volatile.

In natura il butanolo viene prodotto attraverso un tipo di fermentazione che prende il nome di A.B.E. process, dove A sta per acetone, B sta per butanolo e E sta per etanolo. Durante questo processo vengono prodotti tantissimi composti, ma il butanolo, l’acetone e l’etanolo sono sicuramente i più importanti. Questa fermentazione viene effettuata dai Clostridi, che sono dei batteri anaerobi obbligati, ossia in grado di vivere esclusivamente in assenza di ossigeno. I Clostridi, a differenza dei lieviti, possono digerire mediante la fermentazione una grande varietà di composti. Ciò fa sì che le biomasse più usate per la produzione di biobutanolo siano quelle di prima e di seconda generazione, ossia le melasse, il corn steep liquor e piante ricche di lignocellulosa. Come nel caso dell’etanolo, una volta completata la fermentazione, il butanolo viene separato da tutti gli altri composti mediante distillazione, mentre i resti delle biomasse vengono essiccati ed utilizzati come mangimi animali. Inoltre, l’acetone e l’etanolo possono essere recuperati e impiegati come solventi. Tuttavia, bisogna tenere presente che anche il butanolo è un solvente e in quanto tale diventa enormemente tossico per le cellule se raggiunge elevate concentrazioni. Pertanto, uno dei problemi cardini di questo processo di produzione è che le rese di biobutanolo sono inevitabilmente molto basse.

Per questa ed altre ragioni, il processo di produzione del biobutanolo è attualmente in fase di studio, con l’obiettivo di renderlo più competitivo sul mercato. Anche in questo caso le strategie sono molteplici: da una parte si sta cercando di sviluppare dei processi fermentativi associati a delle tecniche per la rimozione continua del butanolo, dall’altra si sta tentando di creare in laboratorio dei ceppi di Clostridi più resistenti alla tossicità del butanolo. Quindi, ancora una volta, work in progress.

Biogas.

Con il termine biogas s’intende un biofuel costituito da una miscela di gas, composta principalmente da metano e CO2, pertanto, quando si parla di biogas, si sta parlando di fatto di un tipo di metano che deriva non dalla raffinazione del petrolio, bensì dalle biomasse.

Immagine 3

Oltre agli scarti delle lavorazioni agricole, per la produzione di biogas vengono utilizzati i residui delle attività industriali e municipali, in altre parole i liquami, le acque reflue e i gas di scarico. Il processo mediante il quale viene prodotto il biogas prende il nome di digestione anaerobica, che consiste in un insieme di reazioni effettuate da dei microrganismi in assenza di ossigeno.

Queste reazioni sono essenzialmente 3 e vengono condotte da 3 gruppi diversi di microrganismi:

  1. idrolisi acidogenica: consiste nella scissione di composti complessi (come amido, proteine, lipidi, cellulosa) in molecole più semplici, come acidi organici (acido propionico, acido butirrico, acido lattico, acido acetico), alcoli, idrogeno e CO2. Questa fase viene effettuata da batteri anaerobi come i Clostridi, gli enterobatteri e gli streptococchi.
  2. acidogenesi sintrofica: consiste nella conversione degli acidi organici e degli alcoli in acido acetico, idrogeno e CO2. Questa fase viene effettuata da dei Clostridi particolari, definiti “sintrofi”.
  3. metanogenesi: consiste nella conversione di tutto l’acido acetico e dell’idrogeno in metano e CO2. Questa fase viene effettuata da dei microrganismi diversi dai Batteri, che prendono il nome di Archea.

La digestione anaerobica viene eseguita all’interno di grossi reattori chiamati biodigestori, dove i “fanghi” utilizzati come biomasse vengono introdotti attraverso delle apposite tubature, in modo da fare entrare meno ossigeno possibile. Una volta completata la digestione, il metano e la CO2 si separano automaticamente dalla miscela di reazione, poiché – in quanto gas – tendono a non rimanere disciolti in un liquido e vanno quindi a raccogliersi nella sommità del reattore. Per questo motivo, i costi della separazione del biogas dagli scarti della fermentazione sono praticamente nulli. Infine, i resti delle biomasse fermentate possono essere essiccati ed utilizzati come mangimi animali oppure essere impiegati come concime.

In generale, il processo di produzione di biogas è uno dei più maturi e sviluppati nel campo dei biofuel. In Italia, ad esempio, la IES BIOGAS, una delle aziende leader del settore, ha già installato più di 150 impianti, che hanno un rendimento medio del 98.6%.

Tirando le somme.

I biocarburanti possono essere una valida soluzione all’inquinamento provocato dai carbon-fossili e in loro sono riposte grandi speranze. Attualmente ci sono svariati tipi di biofuel in commercio, ma hanno ancora una serie di difetti: primo fra tutti, l’impatto sulla filiera alimentare causato dall’impiego di biomasse commestibili e dall’uso di vasti appezzamenti di terra coltivabile.

Un potenziale rimedio consiste nell’utilizzo di materiali non edibili come la lignocellulosa o le microalghe, ma anche in questi casi si incontrano delle difficoltà tecniche che si sta ancora cercando di superare. Quel che è certo è che i biofuel sono una potenzialità su cui vale la pena scommettere. Perciò se vogliamo davvero che un giorno riescano a sostituire completamente il petrolio, dobbiamo avere fiducia nella ricerca e sostenerla fino in fondo. La natura ci ha già dato tutto quello che serve: una miriade di microrganismi in grado di trasformare i nostri rifiuti in fonti d’energia rinnovabile e pulita. Sta a noi imparare ad usarli con criterio e lungimiranza.

Consigli della redazione. Leggi anche Biocemento: come costruire edifici in grado di autoripararsi.” “Dna fingerprinting: come la scienza scova i criminali.” E “Come spiegare a tua nonna che studi biotecnologie!

BIBLIOGRAFIA

A cura di Chiara Biasoni. Revisionato da Giulia Ciceri

 

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About the Author : Chiara Biasoni

Biotecnologa industriale. Fanatica delle fermentazioni. Perfezionista patentata. Carina e coccolosa.

2 Comments
  1. […] quale evolverà rapidamente nei prossimi 10 anni. Così come i LED hanno cambiato completamente il consumo energetico, la bioluminescenza potrebbe aprire nuove […]

  2. […] versatile, difatti è contenuto non solo nei cibi, ma si trova anche in prodotti cosmetici, nel settore energetico e nella produzione di […]

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