M2$, sintesi di prodotti a partire da biogas - II Parte

Nella I Parte abbiamo introdotto il business basato sul biogas (M2$) come materia prima di basso costo per la produzione di un ingrediente molto richiesto dall'industria chimica, il metanolo. Benché la produzione ecocompatibile del metanolo sia molto auspicabile, per l'elevato consumo energetico che essa comporta, si tratta comunque di una commodity di basso costo. Di conseguenza, le aziende biotecnologiche e i venture capital - svincolati dal settore militare Usa o dall'industria petrolchimica - puntano a sviluppare processi di biosintesi con il fine di produrre ingredienti con elevato valore aggiunto, quindi piccole quantità ma molto redditizie, destinate alle industrie alimentare e farmaceutica.

Proponiamo una rassegna degli ultimi concetti commerciali in voga nel settore delle aziende biotecnologiche, perlopiù in California.

M2F - Methane to Formaldehyde

La formaldeide è il secondo stadio di trasformazione biologica del metano. Come già spiegato nella I Parte, i batteri metanotrofi ossidando il metano, producono metanolo, deidrogenando poi quest'ultimo per generare formaldeide.

Elenchiamo di seguito i principali usi industriali della formaldeide, che danno una idea del suo potenziale commerciale:

• Conservante nell'industria alimentare. In ottemperanza al paragrafo G dell'allegato I alla direttiva 70/524/CEE, la formaldeide si può includere nella tabella dei conservanti autorizzati (codice conservante E 240) limitatamente al latte in polvere per l'alimentazione di suinetti (max. 600 mg/kg) e nella preparazione di insilati per alimentazione animale (senza limiti minimo o massimo).
• Negli allevamenti di bestiame, come disinfettante per combattere la salmonella.
• Colle per legno, utilizzate nella produzione di parquet, compensati, ecc.
• Inibitore dei virus, per la fabbricazione di vaccini.
• Deodoranti e creme antiacne, nelle quali la formaldeide ha la funzione di inattivare i microbi che vivono sulla pelle.
• Produzione di resine leggere per la fabbricazione di pannelli interni nell'industria automobilistica e aerospaziale. 

Benché la formaldeide sia un ingrediente con interessante potenziale commerciale, le limitazioni per la sua produzione mediante batteri metanotrofi sono le stesse che per la produzione di metanolo, già spiegate nella I Parte.

M2P - Methane to Protein 

L'allevamento di pesci e crostacei fornisce circa il 50% dei prodotti ittici destinati all'alimentazione umana (Contribution of fish farming to human nutrition, Sadasivam Kaushik, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Cahiers Agricultures 23(1):18-23, gennaio 2014DOI: 10.1684/agr.2014.0679). Il principale ostacolo all'incremento della produzione di pesce negli allevamenti risiede nel costo dei mangimi proteici, in particolare in quelli destinati alle specie maggiormente apprezzate nel mercato.

I processi M2M e M2F hanno una certa analogia con l'allevamento di galline ovaiole: si allevano esseri viventi per ricavare un prodotto del loro metabolismo. Con la stessa analogia, potremmo dire che il concetto M2P rassomiglia all'allevamento dei polli da ingrasso. In altri termini, questo ha lo scopo di produrre biogas con ogni genere di materia organica, non commestibile, e successivamente utilizzare il metano come "mangime" per "ingrassare" batteri metanotrofi.

La biomassa di batteri è sostanzialmente composta da proteine pure, facilmente liofilizzabili e sicure per il consumo animale (si pensi ad esempio allo yogurt). Il controllo delle concentrazioni di metanolo o formaldeide nel processo sopra illustrato non è necessario: i batteri metabolizzano il metano secondo il loro naturale ciclo biologico, producendo in definitiva CO₂ e accrescendo la propria biomassa.

Un gruppo di ricercatori del department of Energy's Pacific Northwest National laboratory (Pnnl) ha creato un sistema simbiontico nel quale un batterio metanotrofo, Methylomicrobium alcaliphilum 20Z, metabolizza il CH₄ e produce CO₂ accrescendo la propria biomassa. Assieme al batterio viene coltivato un cianobatterio, Synechococcus species 7002, il quale utilizza la CO₂ emessa dal primo e sfrutta la luce per accrescere la propria biomassa. In tale processo si produce l'O₂ necessario al metanotrofo per poter metabolizzare il CH₄.
Il risultato è una biomassa unicellulare ricca di proteine, aminoacidi e clorofilla, atta perfino per l'alimentazione di bovini. La bellezza di questo sistema è che può sfruttare anche il metano proveniente da fonti diffuse, come ad esempio quello dalle vasche scoperte di liquami o delle discariche di materia organica.

M2L Methane to Lactate

L'acido lattico ed il suo sale, lattato di sodio, sono ingredienti basilari nelle industrie farmaceutica e cosmetica, e per la produzione di plastiche biodegradabili adatte per contatto con gli alimenti. Due aziende statunitensi hanno investito 1 milione di dollari, e ricevuto finanziamenti dal Doe (department of Energy) per valore di due milioni e mezzo di dollari, per mettere a punto il processo e costruire un impianto pilota di 770 m².

M2S Methane to Succinate

Methylomonas sp. DH-1 è un nuovo metanotrofo di tipo I (Gammaproteobatteri), il quale è stato isolato dagli effluenti di un birrificio e presenta interessanti proprietà per il suo utilizzo come biocatalizzatore. Un ceppo geneticamente modificato di Methylomonas sp. DH-1 si è rivelato in grado di produrre succinato al posto del formiato. Il succinato è un ingrediente molto utilizzato nell'industria farmaceutica, per esempio nella fabbricazione di compresse effervescenti.

Biografene

Il grafene è promosso dalla stampa come il materiale del futuro per le sue innumerevoli applicazioni potenziali, alcune delle quali sembrano quasi fantascientifiche. Attualmente il grafene viene prodotto a partire da blocchi di grafite, un processo inefficiente poiché non genera fogli perfetti.

A tal proposito l'autore ha collaborato in un progetto di ricerca della Biogenera Renovables e l'Università di Vic, in Spagna, per sviluppare un sistema capace di purificare il biogas per ricavare fino al 99,99% di metano; una purezza necessaria per poter ottenere fogli regolari di grafene, ossia privi di difetti della struttura molecolare.
Il progetto ha portato alla fondazione della Biographene s.l. La tecnologia Biographene consiste in un sistema prefabbricato in un container, da installare in qualsiasi impianto di biogas, in grado di produrre 60 fogli di grafene in formato A4 al giorno. Se sembra poco, basti considerare che il prezzo di mercato attuale di un foglio di biografene è di ben 400 euro per ogni mq.

Conclusione

Ad eccezione del biografene, la cui produzione avviene con processi fisico-chimici, restano ancora molti problemi da risolvere per poter dimostrare la validità industriale del concetto M2$ biotecnologico.

Problemi in apparenza puramente meccanici, la cui soluzione richiederebbe raggirare le leggi della fisica:

• Sia il CH₄ che l'O₂ sono poco solubili nel medio acquoso nel quale vivono i batteri. Quindi, resta il problema di come nutrirli nel modo più efficiente. La bassa solubilità dei suddetti gas comporta che i reattori attuali necessitino di grandi portate per raggiungere una concentrazione uniforme di gas disciolti nel brodo di coltura. Inoltre, la solubilità dei gas diminuisce con la temperatura, ma aumenta con la pressione. Dall'altro canto, i batteri preferiscono temperature elevate, fra i 20 e i 50^°C. Di conseguenza, diventa necessario aumentare la pressione del reattore per solubilizzare una quantità di gas sufficiente a nutrire i batteri. Lo svantaggio conseguente è l'eccessivo costo di costruzione di bioreattori ad alta pressione, che vanifica in parte i vantaggi costruttivi tipici dei processi biologici (Si veda ad esempio La digestione anaerobica ad alta pressione).
• I batteri metanotrofi non producono metanolo o formaldeide per farci un piacere, ma come conseguenza del loro metabolismo: se vengono asportati in eccesso, i batteri muoiono di fame, se invece non vengono asportati alla velocità giusta, i batteri proseguiranno il loro naturale metabolismo producendo formiato e infine CO₂, abbassando così la resa complessiva del processo. Tali delicati equilibri sono già molto difficili da mantenere in laboratorio e, a maggior ragione, nei processi industriali.
• Anche nelle situazioni in cui i suddetti problemi vengono raggirati - ingegneria genetica, utilizzo di batteri ammonio-ossidanti - rimane un collo di bottiglia puramente economico: la concentrazione di prodotto extracellulare, tollerabile dai batteri presenti nel reattore, è estremamente bassa, pochi millilitri per litro di brodo di coltura. Altrimenti i batteri si inibiscono. L'energia necessaria per filtrare la biomassa unicellulare e poi distillare il liquido di coltura, per separare una così piccola quantità di prodotto, è maggiore di quella effettivamente contenuta nello stesso. Si deduce che è economicamente più conveniente puntare sulla produzione di ingredienti farmaceutici, come il succinato o il lattato, per i quali il bilancio energetico è irrilevante: solo conta il valore di mercato del prodotto.

Allo stato attuale della tecnologia, sembra improbabile che nel futuro immediato i nostri impianti di biogas agricolo diventino bioraffinerie.