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C’è fermento per il carburante del futuro

In una delle tante ricerche pionieristiche svolte dall’Università di Princeton, il professore José Avalos spiega il motivo per cui il carburante che alimenta i nostri veicoli potrebbe presto provenire da un tino piuttosto che da un foro scavato nel terreno

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C’è fermento per il carburante del futuro

Quando si parla di carburanti...il petrolio, si sa,  è un osso duro da combattere. È economico, disponibile ovunque e la sua densità energetica assicura un risultato migliore in termini economici rispetto ad altre alternative.

C'è fermento per il carburante del futuro

Tuttavia, c'è chi sta tentando di migliorarlo, riducendone le cause delle emissioni di CO2, le problematiche relative alla fornitura, il danno ambientale causato dalla sua estrazione e dal suo utilizzo, in particolar modo in riferimento ai cambiamenti climatici mondiali a cui contribuisce. Tra questi studiosic’è il professore José Avalos, che lavora sia alla facoltà di ingegneria chimica e biologica dell'Università di Princeton sia presso l'Andlinger Center for Energy and the Environment.

Avalos è studioso di quei biocarburanti che provengono da fonti biologiche o geologiche. Sono quindi tutti rinnovabili e alcuni, come ad esempio il biodiesel, sono ricavati dagli oli di colture quali la colza.

Vi sono poi altri biocarburanti “fermentati”, e sono questi che interessano maggiormente Avalos. Ad oggi, il biocarburante maggiormente utilizzato è l'etanolo, ossia l'alcol generato da numerosi lieviti durante la fermentazione.

“L'etanolo è il naturale prodotto dei lieviti,” spiega Avalos. “Una buona parte del loro metabolismo favorisce la produzione di etanolo.”

Impegno concentrato
Oltre a essere facilmente producibile in grandi quantità, l'etanolo può essere miscelato con il petrolio ed essere utilizzato nei motori tradizionali. Nonostante ciò l'etanolo presenta alcuni inconvenienti che impediscono al mercato di utilizzarlo in percentuale superiore al 15 percento del regime dei motori a combustione interna alimentati a benzina.

Prima di tutto l'etanolo è corrosivo e assorbe naturalmente l'acqua dall'atmosfera circostante. Entrambi questi aspetti sono chiaramente problematici per il trasporto e lo stoccaggio di un carburante e per la sua ignizione. Ad un certo punto è probabile che si verifichi un'esplosione.

Altri validi sostitutivi dell'etanolo sono gli alcol dai nomi originali quali l’ isobutanolo e l’isopentanolo. Questi alcol si prestano bene a questo utilizzo poiché la loro densità è simile a quella del petrolio. Tuttavia, il vero vantaggio risiede nella loro maggiore compatibilità con l'infrastruttura rispetto all'etanolo in modo tale che possano essere utilizzati in quantità più elevate insieme alla benzina. Ciò significa che questi alcol pesanti potrebbero permettere la sostituzione di una percentuale maggiore di benzina nei biocarburanti esistenti, senza alcuna modifica delle infrastrutture o dei motori attuali.

Tuttavia, prosegue Avalos, la produzione in grandi quantità risulta difficoltosa poiché il lievito tende a generare etanolo.

“Dobbiamo riuscire a "ingannare" la cellula e portarla a generare qualcosa che non sia etanolo” spiega Avalos, senza dimenticare che il metodo per raggiungere questo obiettivo comporta l'adozione di due tecniche alleate: ingegneria metabolica e evoluzione mirata.

L'ingegneria metabolica implica la manipolazione dei processi chimici della cellula e dei geni che li comandano per portarla a produrre una quantità maggiore di una determinata sostanza rispetto a quanta ne produrrebbe normalmente. Il lievito è un organismo egregiamente manipolabile, spiega Avalos, non solo perché è studiato attentamente da decenni e perché abbiamo a disposizione numerosi strumenti genetici con cui manipolarlo, ma anche perché è un eccezionale strumento industriale, molto più tollerante alla tossicità degli alcol rispetto ad altre sostanze ospiti per uso industriale e costituisce la base della gran parte dell'attuale industria del bioetanolo. 

Amanti della cultura
Armati delle conoscenze sui metaboliti ad ogni stadio e sugli enzimi che controllano le reazioni per produrre nuove molecole, oltre che in possesso degli strumenti per modificarle, Avalos ed il suo team di ricerca sono riusciti a manipolare le cascate cellulari delle reazioni enzimatiche in ciò che è chiamata “ingegneria metabolica”.

“Cerchiamo di modificare geneticamente i ceppi in modo tale che diano origine ad una sovrapproduzione di enzimi che si trovano lungo le vie metaboliche di nostro interesse, interrompendo la produzione degli enzimi che generano l'etanolo” spiega Avalos.

Con la fermentazione costante di nuovi ceppi di lievito tramite l'ingegneria metabolica, è possibile creare lentamente una versione in grado di produrre meno etanolo e più alcol pesanti, esattamente ciò che desideriamo. Ciò significa aggiungere, cancellare e modificare geni in modo tale che il lievito sia portato, in diverse fasi, a fare ciò che i ricercatori di Princeton desiderano, piuttosto che comportarsi come farebbe naturalmente. Intervenire in numerose e diverse fasi nel lungo processo chimico chiamato via metabolica implica che i piccoli incrementi nella produzione di isobutanolo o isopentanolo sono moltiplicati mano a mano che le reazioni si verificano. Ad un certo punto, non essendo più possibile produrre etanolo, ed avendo incrementato invece quella di alcol pesanti, il lievito potrebbe iniziare ad apprezzare la produzione di questi ultimi attraverso l'evoluzione mirata, con mutazioni ed adattamenti casuali, arrivando addirittura - forse - a fare sì che la produzione di alcol pesanti diventi essenziale per la propria sopravvivenza.

E’ ancora prematuro, per Avalos, comunicare i progressi realizzati insieme al suo team nella creazione di un lievito che sia in grado di generare alcol pesanti invece di etanolo. Il lavoro procede comunque bene e che il team inizierà presto a pubblicare i propri risultati su riviste specializzate.

La fase successiva consiste nello sviluppo di ceppi e di metodi per la produzione di alcol pesanti dalle parti non commestibili delle piante, al fine di incrementarne la sostenibilità, e riuscire a implementare questa attività su larga scala. Avalos aggiunge che questa fase deve però essere sufficientemente economica e avere costi sostenibili per potere avere seguito.

Da quel momento poi troveremo l'isobutanolo e l'isopentanolo nelle pompe del carburante e nelle stazioni di servizio. Avalos ritiene che il passaggio potrebbe avvenire in tempi relativamente brevi poiché il maggiore utilizzo di etanolo, pur con gli inconvenienti annessi, ha posto in atto infrastrutture nella supply chain del petrolio che agevoleranno il passaggio ad un biocarburante migliore.

“L'etanolo è un biocarburante imperfetto, ma ci è di aiuto poiché quando saranno lanciati biocarburanti di qualità migliore, questi potranno contare su un'industria esistente, che sarà praticamente pronta ad accoglierli” spiega Avalos.

Nel 2014 Pirelli ha avviato una partnership di cinque anni con l'Università di Princeton nell'ambito di materie umanistiche e mass media. Quella con Princeton è una delle 14 collaborazioni universitarie volute da Pirelli per promuovere la ricerca scientifica e culturale.

Nel corso degli ultimi anni il problema dell'inquinamento provocato dai combustibili fossili, e in particolare dal petrolio, ha spinto le varie nazioni del mondo a emanare regolamentazioni sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni dei veicoli a due e quattro ruote.

Per far fronte al problema sempre più grave dell'inquinamento molte imprese operanti nel settore dei motori hanno intensificato gli studi volti alla ricerca di un combustibile alternativo al diesel e allo sviluppo di un motore di nuova generazione che possa funzionare sfruttando diversi tipi di combustibile, come l'idrogeno o i bio combustibili, che consentano di ridurre al minimo le emissioni di CO2.

Il mercato delle auto ibride, ossia quelle vetture che sfruttano combustibili alternativi al diesel come il metano, nel corso degli utlimi dieci anni ha visto un deciso incremento in Europa e negli Stati Uniti, mentre risulta ancora stentare nei paesi di origine asiatica come la Cina. Il metano offre numerosi vantaggi rispetto al diesel: riduce i consumi di CO2 e garantisce un risparmio considerevole in termini di costi rispetto alla benzina. A fronte di questi vantaggi le auto a metano prodotte finora risultano meno performanti rispetto alle controparti a benzina, tanto che a conquistare una considerevole fetta di mercato sono state finora quelle vetture che incorporano sia la modalità a benzina che quella a metano e che consentono al guidatore di scegliere quale utilizzare.

Per risolvere il problema delle emissioni di CO2 sono due i binari di ricerca al momento seguiti: da un lato vi è un filone di ricerche volte a sfruttare l'utilizzo della fermentazione di biocarburanti come l'etanolo che, miscelati con il petrolio, possono essere utilizzati per produrre carburanti meno inquinanti da utilizzare sui motori tradizionali; dall'altro, vi è il filone di ricerche che, sfruttando le ultime novità e tecnologie, mira alla realizzazione di auto elettriche che possano soppiantare i modelli a benzina.

Questa seconda opzione al momento presenta costi notevoli e dei problemi logistici che non hanno ancora trovato soluzione. Le auto elettriche necessitano infatti di una rete capillare di impianti di ricarica sparsi sul territorio e di una soluzione che consenta di dismettere le vecchie batterie in maniera ecologica.

La strada è ancora lunga, ma con il supporto delle aziende operanti nel settore impegnate nel finanziamento e nella collaborazione con università e istituti di ricerca, come Pirelli, in un futuro non troppo lontano l'utilizzo dei combustibili fossili potrà essere messo da parte a favore di un'alternativa più conveniente ed ecologica.

 

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