Produzione Biologica di Idrogeno
Prof. Giorgio Mario Giacometti, Università di Padova
" ...Io credo che l'acqua sarà un giorno usata come
combustibile poichè l'idrogeno e l'ossigeno che la
costitiuiscono, usati separatamente o insieme,
forniranno un inesauribile sorgente di calore e
luce......."
Jules Verne: L'Isola Misteriosa
Un sogno ?
Energia pulita, rinnovabile, a basso costo:
E' soltanto un sogno della fervida
fantasia dello scrittore o una geniale
intuizione della sua provata capacità
anticipatoria?
Da dove estraiamo oggi l’energia?
Milioni di barili di petrolio al giorno (equivalenti)
300
200
100
0
1860
1900
1940
1980
2020
2060
2100
Source: John F. Bookout (President of Shell USA) ,“Two Centuries of Fossil Fuel Energy”
International Geological Congress, Washington DC; July 10,1985.
Episodes, vol 12, 257-262 (1989).
Pollution
Variazioni nella composizione dell’atmosfera
340
320
300
280
260
1200
1400
1600
1800
310
290
270
1000
1200
1400
1600
1800
Source: IPCC Third Assessment Report (2001)
250
2000
1500
1250
1000
750
1000
2000
Atmospheric concentration N2O (pbb)
1000
1750
1200
1400
1600
1800
2000
Atmospheric concentration CH4 (ppb)
360
Atmospheric concentration CO2 (ppm)
CO2, CH4, e N20 – Mille anni di storia
I Ministeri: dell’Economia e delle Finanze
dell’Istruzione, Università e Ricerca
dell’Ambiente della Tutela del Territorio
delle Politiche Agricole e Forestali
Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca (FISR)
PROGETTO ESECUTIVO
PROGRAMMA STRATEGICO: “NUOVI SISTEMI DI
PRODUZIONE E GESTIONE DELL’ENERGIA”
Progetto-Obiettivo:
Vettore Idrogeno
Titolo del Progetto:
Metodologie Innovative per la
Produzione di Idrogeno da Processi Biologici
Partners:
Università degli Studi di Padova
Dipartimento di Biologia
Dipartimento di Chimica
CRIBI (Centro Interdipartimentale per la
Biotecnologie Innovative)
Università degli Studi di Firenze
Dipartimento di Biotecnologie agrarie
ENEA
Centro Ricerche Casaccia
CNR
ICB (Istituto di Chimica Biomolecolare, Napoli)
ICTP (Istituto di Chimica e Tecnologia dei Polimeri,
Napoli)
ISE (Istituto per lo Studio degli Ecosistemi,
Firenze)
Idrogeno da fonti rinnovabili
eolico
Energia
Energia solare
solare
idroelettrico
Biomassa
Biomassa
Calore
Calore
Energia
Energia meccanica
meccanica
Elettricità
Elettricità
Termolisi
Termolisi
Elettrolisi
Elettrolisi
Idrogeno
Idrogeno
Conversione
Conversione
Fotolisi
Fotolisi
Linee del Progetto
Linea 1 Identificazione in natura e dimostrazione su
scala pilota di processi microbici ibridi per la
produzione di idrogeno.
Linea 2 Produzione di idrogeno dall'acqua mediante
micro-organismi fotosintetici.
Linea 3 Sviluppo di fotobioreattori ad alta efficienza per
la produzione d' idrogeno
Impianto integrato per la produzione di H2
CO2
O2
separatore
di gas
Acqua
Bioreattore
generatore
H2
Alghe
Bioreattore
generatore
H2
Batteri
Biomassa
H2
Acque di
scarico
Prodotti
utili
Thermotoga Neapolitana:
una nuova promessa per la produzione di
idrogeno da bio-massa?
Chlamydomonas reinhrdtii
Produzione fotosintetica di H2 da H2O
Le alghe verdi unicellulari coltivate in carenza
di zolfo sviluppano idrogeno stabilmente ed in
quantità notevole
10 µm
Recenti dati sperimentali mostrano che 10 litri
di coltura algale possono produrre 1-2 litri di
H2/giorno sostanzialmente puro
La velocità di evoluzione di H2 aumenta di dieci
volte se alla coltura si aggiunge un donatore di
elettroni artificiale come il metilviologeno
ridotto.
Ciò dimostra la potenzialità di
questo sistema
Photosynthetic Pathways
Sun
Chl
antenna
H+
STROMA
membrane
PS II
e-
2H2O
H+
H+
PQ-pool e
H+
H+
starch
H2
Fd
Cyt b6/f
O2
LUMEN
Chl
antenna
CO2
e
H2ase
ADP + P
ATPase
H+
PS I
H+
H+
H+
ATP
H+
Carenza di zolfo
Si tratta di un metodo per deprimere
l'attività del PSII , e minimizzare
l'evoluzione di ossigeno.
In queste condizioni la coltura raggiunge una
sostanziale anaerobiosi, si ha rapida
induzione di Hasi e evoluzione sostenuta di
H2
Melis (2002) IJHE 27,1217
Problemi che si possono affrontare per
migliorare l’efficienza del sistema
1. Metodi per separare nel tempo la produzione di
ossigeno e idrogeno (alternativi alla carenza di
zolfo)
2. Metodi per massimizzare l’efficienza
fotosintetica (riduzione dell’antenna)
3. Metodi per ridurre la sensibilità della H2asi
all’ossigeno (ingegnerizzazione dell’enzima)
4. Metodi per aumentare la concentrazione di H2asi
nello stroma cellulare (sovraespressione)
5. Approfondimento della conoscenza delle vie del
metabolismo energetico dell’organismo
(clororespirazione, ossidasi alternative)
Qual è il meccanismo attraverso cui la carenza di zolfo
limita l'attività del PS 2?
16 integral subunits
3 lumenal subunits
36 Chlorophyll a
7 all trans carotenoids
1 heme b, 1heme c
1 non-heme iron
2 phephytins
2 bicarbonates
Alla luce, la proteina D1 del PS2 necessita di sintesi
continua per essere rimpiazzata nei centri di reazione
dove viene continuamente degradata dalla
fotoinibizione.
In carenza di zolfo, la sintesi proteica è inibita in larga misura ed è
possibile solo utilizzando zolfo endogeno.
La deprivazione di zolfo è un metodo drastico per inibire il PS2,
e dopo 3-4 giorni è necessario rivitalizzare le cellule.
Nel periodo ditempo dal raggiungimento
dell'anaerobiosi alla fine del ciclo, la
produzione di H2 inizia gagliarda ma va
decrescendo nel tempo fino a circa zero
dopo 90-100 ore.
Osservazione:
Non è necessario inibire in modo generale la
sintesi proteica per ottenere l’inibizione del PS2.
Possibile soluzione:
Ingegnerizzare C.reinhardtii in modo che l'attività del PS2
possa essere regolata a piacere mediante un segnale esterno
(es. luce infrarossa )
Strategia utilizzata:
Selezione di un mutante PS2-incompetente per l'assenza di
un fattore nucleare X la cui espressione è posta sotto il
controllo di un promotore attivabile da un segnale esterno
(es. luce infrarossa).
Il segnale (luce infrarossa) funziona come un
interruttore che modula a piacere e specificamente
l'attività del PS2
In queste condizioni, l'organismo non subisce alcuno stress e, in
anaerobiosi, la produzione di H2 dovrebbe sostenersi al massimo
livello per periodi significativamente più lunghi.
Problemi che si possono affrontare per
migliorare l’efficienza del sistema
1. Metodi per separare nel tempo la produzione di
ossigeno e idrogeno (alternativi alla carenza di
zolfo)
2. Metodi per massimizzare l’efficienza
fotosintetica (riduzione dell’antenna)
3. Metodi per ridurre la sensibilità all’ossigeno della
H2asi (ingegnerizzazione dell’enzima)
4. Metodi per aumentare la concentrazione di H2asi
nello stroma cellulare (sovraespressione)
5. Approfondimento della conoscenza delle vie del
metabolismo energetico dell’organismo
(clororespirazione, ossidasi alternative)
Il gradiente di luce nel bioreattore diminuisce l’efficienza di
conversione della luce: le cellule degli strati esterni fanno
ombra a quelle più interne
Luce
Luce
Ecesso di luce
dissipato in
calore: bassa
efficienza di
conversione
Bassa luce limita il
metabolismo e la
produzione di
idrogeno
Possibile solutione:
CP26
ridurre le dimensioni dell’antenna
LHCII LHCII
CP29
CP24
RC
¾Ceppi che non esprimono LHCII sono diponibili. La luce viene
assorbita meno dagli strati esterni e penetra più in profondità
aumentando l’efficienza di conversione
Tuttavia, c’è un problema
CP26
LHCII LHCII
CP29
CP24
RC
¾ Il sistema delle antenne non serve solo a catturare l’energia luminosa e
trasmetterla al centro di reazione, ma fornisce anche un sistema di protezione
contro l’eccesso di luce (dissipandone l’energia in calore)
¾In assenza di esso il fotosistema non sopravvive che per tempi molto limitati !
La dimensione dell’antenna deve essere ridotta senza limitare
la sua funzione di fotoprotezione
CP26
LHCII LHCII
CP29
CP24
RC
Per questo è necessario scegliere quali componenti
dell’antenna eliminare
Duplice ruolo dei complessi antenna: Cattura della luce
e fotoprotezione
I diversi membri della famiglia multigenica hanno funzioni
specializzate. Possono essere più efficienti come antenna o
nella fotoprotezione
E’ quindi possibile:
¾Identificare e studiare in Chlamydomonas i geni
specializzati nella cattura della luce e quelli specializzati nella
fotoprotezione ….
¾.. E usare questa informazione per ottimizzare la crescita e
l’efficienza di conversione nei foto-bioreattori
Problemi che si possono affrontare per
migliorare l’efficienza del sistema
1. Metodi per separare nel tempo la produzione di
ossigeno e idrogeno (alternativi alla carenza di
zolfo)
2. Metodi per massimizzare l’efficienza
fotosintetica (riduzione dell’antenna)
3. Metodi per ridurre la sensibilità all’ossigeno della
H2asi (ingegnerizzazione dell’enzima)
4. Metodi per aumentare la concentrazione di H2asi
nello stroma cellulare (sovraespressione)
5. Approfondimento della conoscenza delle vie del
metabolismo energetico dell’organismo
(clororespirazione, ossidasi alternative)
Mechanism of H2 Production
Respiration
Mitochondrial
Starch and protein degradation
ee- (20%)
O2
NAD(P)H-PQ
oxidoreductase
PS II
2H2O
H2
H2ase
e(80%)
PQ-pool
regulation
e-
PS I
Chlororespiration?
PQ-oxidase (O2)
CO2
Fd
Benson-Calvin
Cycle
Ingegnerizzazione dell'enzima
Sono stati ottenuti mutanti di C.reinhardtii
selezionati per la produzione di idrogeno sotto
pressione crescente di ossigeno. I fenotipi
parzialmente resistenti all'ossigeno sembrano
dovuti mutazioni puntuali nel gene dell'Hasi.
Ciò suggerisce che dovrebbe essere possibile
ottenere un enzima almeno parzialmente
tollerante l'ossigeno mediante mutagenesi sito
specifica.
Conclusione:
La realizzazione di un sistema per la produzione
continuata di idrogeno, basato su un organismo
fotosintetico eucariote, è teoricamente possibile, a
portata dei mezzi e delle competenze impegnate nella
ricerca e soddisfa contemporaneamente due requisiti
fondamentali:
Estrazione diretta dell'idrogeno dall'acqua a
spese dell'energia solare, quindi con la
massima efficienza teorica
Produzione di H2 puro senza nessun tipo di
contaminante o altro prodotto pericoloso per
l'ambiente.
Sulla base delle considerazioni esposte, quali
sono le prospettive per un' applicazione
pratica del " bio-idrogeno" nel futuro?
1. I problemi dell'effetto serra e l'inquinamento dell'aria nelle città rendono
non più derogabile l'impiego di energie alternative, non inquinanti, come
l'idrogeno
2. Un aumento considerevole della richiesta di idrogeno che si
aggiunga a quella attuale di 6.4x109 GJ/anno renderebbe importante,
anche da un punto di vista economico, prendere in seria
considerazione l'opzione biotecnologica, per la quale tuttavia è
necessario attrezzarsi col dovuto anticipo
3. Un vantaggio economico può provenire dal fatto che gli stessi
impianti per la produzione del bio-idrogeno potranno fornire, come
produzione laterale, composti ad alto valore aggiunto quali
astaxantina, β-carotene, clorofilla, acidi grassi ω-3, ficocianine,
proteine, vitamine.
4. L’aumento di conoscenze sui meccanismi catalitici dell’ Hasi aiuterà
inoltre a produrre catalazzatori inorganici efficienti per la fotolisi
diretta dell’acqua
grazie per
l'attenzione
CO2
O2
separatore
di gas
Acqua
Bioreattore
generatore
H2
Alghe
Bioreattore
generatore
H2
Batteri
Biomassa
H2
Acque di
scarico
Prodotti
utili
