Biotecnologie per l’energia e la chimica
Di:
Roberto Avella
Giovanni Giuliano
Vito Pignatelli
Produzione antropica di CO2 nel 2002
tC/anno
Mondo
USA
Cina
Russia
India
Giappone
Europa Occidentale
Germania
Regno Unito
Italia
Francia
Spagna
Totali
6.975.000.000
1.592.382.000
957.249.000
390.439.000
332.677.000
327.939.000
694.633.000
219.270.000
148.129.000
117.989.000
100.358.000
82.998.000
Fonte: http://cdiac.ornl.gov/
%
100,00%
22,83%
13,72%
5,60%
4,77%
4,70%
9,96%
3,14%
2,12%
1,69%
1,44%
1,19%
Pro capite
1,12
5,52
0,74
2,69
0,32
2,57
2,05
2,66
2,50
2,05
1,69
2,03
Consumi energetici proiettati (per tipo di fonte energetica)
Fonte: http://www.eia.doe.gov/
Il ciclo della CO2
La fissazione biologica della CO2
Come avviene
Come potrebbe cambiare
Dove avviene
Occorre definire strategie per…
•
Fissare attivamente la CO2 prodotta dal nostro sistema produttivo
•
Rendere i combustibili di origine biologica (CO2-neutri)
economicamente competitivi e non residuali per il nostro bilancio
energetico (>20%).
•
Favorire, a lunga scadenza, la transizione a vettori energetici
diversi dal carbonio
•
Favorire la nascita di un’industria nazionale
Come farlo?
I biocarburanti: bilanci energetici e “life cycle studies”
Bilancio energetico del biodiesel da soia: >300%
(Fonte: http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24089.pdf)
Bioetanolo da mais: 110-130%
(Fonte: Farrell et al., 2006 Science 311: 506)
Nella UE:
Bioetanolo da frumento: 120%;
Bioetanolo da barbabietola: 130-150%;
Biodiesel da colza: 250%
(Fonte: http://www.inra.fr/esr/publications/iss/pdf/iss05-2.pdf)
Biodiesel da oleaginose
Pro:
•Bilancio energetico >2,5 (colza, soia)
•Filiera industriale consolidata
•Motore diesel più efficiente del motore a benzina
•Emissioni di PM10 inferiori a quelle del diesel normale
Contro:
•Competizione con produzioni alimentari
•Costo competitivo con petrolio >80$/barile
•Assenza di una produzione primaria nazionale
•(problemi: bassa resa, deiscenza del colza, uso dei coprodotti non ottimizzato).
•Produzione bassa: (40 Mha necessari per coprire le esigenze dell’autotrasporto)
Interventi di ricerca proposti:
Ingegneria genetica per migliorare il contenuto e la qualità di olio, eliminare la deiscenza,
migliorare la resistenza alle avversità (stress idrico e da temperatura, malattie), migliorare
l’uso dei coprodotti (panello proteico per mangimistica per Brassicacee diverse dal colza).
Obiettivi:
•Avviare una produzione primaria nazionale
•Stabilizzare la resa su 1,3-1,5 T/ha
•Rendere il costo competitivo con petrolio ≈ 60 $/barile
•Ottimizzare l’uso dei coprodotti
Tempi: Entro il 2015
Costi: 10 M€
Rese delle colture energetiche
Resa media = 200 Gj / ha / anno = 4,71 Tep /ha /anno =
= 0,38% dell’energia solare incidente
Fabbisogno energetico italiano = 190 Mtep = 39 Mha =
= 130% del territorio nazionale
Dove guardare?
L’ “Aquatic Species Program” del DOE
•Fu attivo dal 1978 al 1996 ad un costo di 25 M$
•Portò all’isolamento di oltre 300 specie di microalghe. Attualmente la
collezione è custodita presso l’Università delle Hawaii
•Dimostrò produttività in biomassa di > 180 T/ ha/ anno
(efficienza fotosintetica >5%), di cui il 30% in trigliceridi
•Mise a punto tecniche di trasformazione genetica e coltura massale di microalghe
•Proiezioni di costo per il biodiesel da microalghe: competitivo con il petrolio a 39-69 $/barile
(con ceppi non ottimizzati geneticamente). Prezzo del petrolio nel 1996: 19 $/barile.
•Proiezioni di costo di fissazione della CO2: 9-77 $/T (fissazione geologica: 3 - 10 $/T).
•Proiezioni di costo degli impianti: 70.000 $/ha.
La coltura massale di microalghe
Specie usate:
Dunaliella, Haematococcus,
Chlorella (Alghe verdi)
Spirulina (Cianobatteri)
Modello di “Algal fuel farm”
Bioplastiche
CO2
Biodiesel
En. solare
Biomassa algale
Reflui agricoli o urbani
Silicio per nanotecnologie
Biodiesel da microalghe
Pro:
•Rese teoriche altissime (>60 T/ha).
•Capacità di fissare CO2 concentrata (>120T/ha)
•Costo competitivo con petrolio >60 $/barile.
•Uso delle superfici acquatiche e dei terreni marginali
•Crescono in acqua salata
•Trattamento dei reflui urbani ed agricoli
•Molte generazioni in poco tempo.
•Nessuna contiguità con il mercato dei prodotti alimentari
Contro:
•Ceppi non ottimizzati (vasche poco profonde, instabilità
dei ceppi, composizione dell’olio non ottimale)
•Mancanza di un mercato per il coprodotto (biomassa algale)
•Dove? (terreni marginali, lagune costiere, mare aperto?)
Interventi di ricerca proposti:
Ingegneria genetica per :
•migliorare il contenuto e la qualità di olio
•aumentare la efficienza fotosintetica (modificazione delle antenne fotosintetiche),
•ottimizzare il trattamento dei reflui urbani e agricoli
•ottimizzare l’uso dei coprodotti (fermentazione a metano o idrogeno, industria delle bioplastiche).
Obiettivi:
•Sviluppare ceppi ottimizzati per la produzione di biodiesel e il trattamento dei reflui.
•Stabilizzare la resa di olio a 30-40 T/ha (1 Mha coprirebbe il fabbisogno di carburanti per autotrazione)
•Fissare >100 T/ha di CO2, ad un costo <20 €/T (1 Mha fisserebbe 85% della CO2 antropica italiana)
•Rendere il costo competitivo con petrolio ≈ 50 $/barile
•Sviluppare un ciclo efficiente di fermentazione della biomassa prodotta.
•Sostituire il petrolio come materia prima per l’industria.
Tempi: Entro il 2020
Costi: 50 M€
…e l’idrogeno?
Bioidrogeno da fermentazione
6CO2 + 12 H2
Thermotoga
Aquifex
C6H12O6 + 6 H2O
WP1 del progetto “Idrobio”: Obiettivi di resa dopo ottimizzazione genetica e
di processo: 10 molecole H2 / molecola glucosio.
Residui agroforestali disponibili = ca. 3,8 MT eq. Glucosio = 1,1 MTep
idrogeno.
Servono nuove fonti di biomassa fermentabile
Bioidrogeno da fotobiolisi
Fotobiolisi indiretta
CO2 + H2O
CO2 + H2
O2 + C6 H12O6
Glicolisi
Ciclo di Calvin
Efficienza osservata con ceppi ottimizzati: 0,35%
Fotobiolisi diretta
Alcune alghe verdi
(Chlamydomonas)
sono in grado di
fermentare gli
zuccheri
accumulati tramite la
fotosintesi, con
produzione di H2
H2O
O2 + H+ + e-
Fotosistema II
Efficienza teorica: 40%
H2
Idrogenasi
Come risalire ai geni chiave
che controllano i processi metabolici?
La biodiversità microbica
•I batteri vivono in comunità complesse, in cui
ogni specie ha un compito diverso
•I batteri ambientali sono un’enorme fonte di
nuovi processi e nuovi prodotti
•Il 99.5% dei batteri ambientali non è coltivabile
in laboratorio
•Possono essere studiati tramite la
metagenomica (sequenziamento diretto di DNA
ambientale)
•Tramite il sequenziamento diretto di DNA estratto dal
Mar dei Sargassi, sono state scoperte oltre 1.800
nuove specie batteriche e oltre 1.2 milioni di geni non
descritti in precedenza. (Venter et al, Science 2004,
304:66).
L’idea della “Environmental Systems Biochemistry”
Test funzionale
Cl
C
Cl
C
Cl
C
Tricloroetilene
H
Cl
Cl
C
H
O
Cl C C
Cl
OH
Gene A
Metagenomica
Cl
Metachimica
Reazione A
Batterio A
Batterio B
Enzima A
Espressione
Cl
Gene B
Reazione B
Enzima B
HCl + CO2
HCl + CO2
Campione ambientale
Ricerca di geni guidata
Roadmap 2006-2015
2008:
•“Life cycle studies” su biocombustibili e biocarburanti, cogenerazione da biomasse,
riduzione emissioni CO2.
•Modelli sugli effetti della evoluzione del clima sulla produzione primaria di biomassa in
Italia.
•Individuazione di aree marginali e di colture da destinare alla produzione di biomasse
agroforestali.
•Individuazione di varietà di oleaginose da biodiesel adatte all’ambiente italiano.
2010:
•Piattaforma per la “Environmental Systems Biochemistry” attiva.
•Individuazione di una/due microalghe da biodiesel su cui puntare.
•Idrogeno da processi fermentativi (resa > 10 moli idrogeno/mole eq. di glucosio).
2015:
•>3% del fabbisogno energetico: combustibili di origine agroforestale economicamente
competitivi.
•>6% del carburante per autotrazione: biodiesel nazionale (produttività >1,3 T/ha, resa
energetica >2,5, competitività con petrolio a 60 $/barile)
•Impianti pilota per la cogenerazione accoppiata con la biofissazione di CO2, trattamento dei
reflui agroindustriali/urbani, produzione di biodiesel
•Nuovi geni/processi per la bioremediation e la ingegneria metabolica di microalghe
•Idrogeno da fotobiolisi con resa >2%
Roadmap 2016-2030
2020:
•Cogenerazione da biomasse residuali e coltivate economicamente competitiva (>10% del
fabbisogno energetico nazionale)
•Fissazione della CO2 e trattamento di reflui urbani/agricoli con produzione di biomassa e
biodiesel da microalghe (30% del fabbisogno di carburante, competitivo col petrolio a 50
$/barile, resa >30 T/ha, resa energetica >3)
•Uso della biomassa algale come materiale di partenza per l’industria chimica o per la
produzione di idrogeno.
•Idrogeno da fotobiolisi con resa >10%
2030:
•Coltivazione di microalghe contenuta in mare aperto.
•>60% del carburante per autotrazione = biodiesel da microalghe
•>30% del petrolio per l’industria chimica sostituito da prodotti di origine algale.
•>20% del carburante per autotrazione = idrogeno da biomassa algale e da fotobiolisi.
•Abbattimento delle emissioni di CO2 al 50% di quelle attuali.
Grazie
Hanno collaborato:
Annamaria Bevivino
Luigi Chiarini
Nicola Colonna
Claudia Dalmastri
Rosella Franconi
Giulio Izzo
Luigi Rossi
Silvia Tabacchioni
Il posizionamento BIOTEC
Entrate programmatiche BIOTEC, 2001-2010
Biotecnologie per l’Energia, ecologia microbica: 1,5 M€
Genomica e ingegneria metabolica: 5 M€
Prodotti CIVR ‘01-’03:
Ingegneria metabolica: 8
Ingegneria proteica: 3
Microbiologia ambientale: 5
Grandi infrastrutture:
Centro Agrobiopolis (Trisaia)
Laboratori di genomica, proteomica ed ecologia microbica
(Casaccia,Trisaia)
