Scienziati di tutto il mondo stanno studiando un’ampia varietà di modi per migliorare la produzione di etanolo e di biodiesel. Gli obiettivi sono quelli di sviluppare coprodotti economicamente validi, abbassare le emissioni e i costi di produzione e rafforzare l’efficienza dei biocombustibili.

 Il Dipartimento Usa dell’Agricoltura ha preso l’iniziativa, nel 2002, di ordinare a tutte le sue sedi sul territorio nazionale di alimentare con etanolo o con miscele a biodiesel i veicoli e le apparecchiature, dovunque fosse possibile. I veicoli e le apparecchiature azionati a benzina usano una miscela con almeno un 10% di etanolo e il restante 90% di benzina convenzionale; i veicoli e gli apparecchi a gasolio biodiesel B20, una miscela col 20% di biodiesel e l’80% di gasolio normale. Il parco veicoli dell’Usda comprende più di 700 veicoli “flex-fuel” che usano una miscela con l’85% di etanolo e il 15% di benzina.

L’azione del Dipartimento riflette l’impegno del governo federale ad espandere il suo uso di biocombustibili e prodotti da biomasse per costituire un esempio per il settore privato. Il 2000 ha visto anche l'avvio di un Impianto Pilota di Ricerca Nazionale sull'Etanolo, di 20 milioni di dollari, ad Edwardsville (Illinois). Quando completato, nel 2003, sarà il più grande impianto pilota di etanolo del paese. L’ARS (Agricultural Research Service) sta gestendo il contributo del governo federale di 14 milioni di dollari sui 20 milioni previsti per la costruzione. L’industria considera l’impianto essenziale per raggiungere l’obiettivo di aumentare la produzione annuale di etanolo fino a 16 miliardi di galloni entro i prossimi 10 - 15 anni.
Il nuovo impianto è progettato per consentire ai ricercatori di sviluppare le tecnologie richieste per migliorare l’efficacia della produzione di etanolo. Più è efficiente la produzione, più i costi sono bassi - in termini sia di energia che di finanziamenti - e più l’etanolo diviene competitivo. Dal momento che ciascuna coltura ha un suo proprio mix del complesso zuccheri complessi e amidi, ognuna richiede le sue proprie tecniche per essere trasformata in etanolo nella maniera più economica. La sfida è progettare metodi che consentano a colture diverse di essere lavorate in uno stesso impianto.

In tutti gli Usa e in parecchi altri paesi nel mondo, gruppi di scienziati stanno ricercando un’ampia varietà di metodi per migliorare la produzione di etanolo. Tra questi ricercatori ci sono quelli del programma di ricerca nazionale dell’ARS “Bioenergy and Energy Alternatives”. In due centri di ricerca regionali dell’ARS - in Illinois e Pennsylvania - gli obiettivi sono quelli di migliorare la conversione di materiali vegetali agricoli in etanolo e in altri coprodotti economicamente vantaggiosi, di ottenere costi più bassi di produzione e più basse emissioni da combustione, e di rafforzare le prestazioni del biodiesel. Il Western Regional Research Center, in California, concentra sull’etanolo i suoi sforzi di ricerca sui biocombustibili. Nel 1999 il programma nazionale si è allargato fino a comprendere la riproduzione di colture energetiche migliorate.

Esempi concreti
L’USDA da sola ha usato l’anno scorso oltre 100.000 galloni di biodiesel e prevede di raddoppiare facilmente questa quantità nel 2003.
Il successo dei veicoli a biodiesel ha incoraggiato i parchi auto pubblici e privati ad adottare il biodiesel, particolarmente nel Maryland. Le città di Greenbelt, Takoma Park, e Ocean City hanno di recente adottato il biodiesel per i loro spazzaneve ed altri veicoli ed apparecchi di servizio pubblico. Greenbelt usa anche il biodiesel per i suoi bus, per il trasporto degli abitanti in viaggi brevi all’interno della città, colmando i gap nel sistema del trasporto pubblico nell’area metropolitana di Washington, D.C. Queste città hanno appreso dell’esperienza del biodiesel facendo partecipare i loro rappresentati agli incontri del BARC.

Vie più economiche per produrre Etanolo
Scienziati dell’Eastern Regional Research Center dell’ARS (ERRC), in Wyndmoor, Pennsylvania, stanno lavorando, per abbassare i prezzi dell’etanolo per gallone, su due fronti: lo sviluppo di coprodotti per sostenere spese e tecniche di produzione e materiali a costi più bassi. Hanno sviluppato un numero crescente di validi coprodotti del processo di lavorazione dei chicchi di granturco per etanolo, quali l'Amaizing Oil, un nuovo olio di mais che può abbassare il livello di colesterolo nel sangue, e un valido ingrediente alimentare chiamato Zeagen, una gomma di fibre di mais. Ambedue questi prodotti sono stati trovati nella parte fibrosa che forma lo strato più esterno del chicco, e ambedue sono prossimi ad avere il loro posto sul mercato.

Gl’ingegneri di ERRC hanno sviluppato un metodo radicalmente alternativo di produrre etanolo ad un prezzo che si prevede significativamente più basso di quello ottenuto con i metodi tradizionali. E' chiamato "fermentation with strips" Il sistema consiste nel rimuovere l’etanolo contenuto nel biossido di carbone, il quale fuoriesce e viene riciclato indietro verso il tino di fermentazione. Nel processo convenzionale, quando il livello dell’etanolo s’innalza troppo nel tino di fermentazione, si abbassa la capacità del fermento di produrre più etanolo. Il nuovo metodo rimuove continuamente etanolo dal brodo di fermentazione, consentendo al fermento di produrre altro etanolo.
Il team di ricerca ha anche sviluppato un nuovo procedimento, chiamato "pervaporazione", che impiega una membrana per filtrare etanolo dal brodo.
Afferma l’ingegnere Frank Taylor, “Stiamo puntando ora alle compagnie interessate ad adottare i nostri processo e a svilupparli ulteriormente ad uso commerciale”.
Andy McAloon è l’ingegnere fisso del team di ricerca economica. Egli ha sviluppato un modello di computer che può stimare il costo per gallone di etanolo se venisse impiegato un nuovo metodo per produrlo. “Questo è importante per la nostra ricerca, perché dà modo di non spendere molto tempo per processi che non realizzano prodotti competitivi”, dice Kevin Hicks, che guida il team etanolo dell’ERRC. “ E’ costoso analizzare un procedimento allo stadio d’impianto pilota, così questo modello potrebbe escludere processi che non hanno probabilità di essere pratici”.

Altri ricercatori dell’ERRC stanno studiando per ridurre il costo della produzione del biodiesel, producendo biodiesel da materiali di più bassa qualità, come il sapone di soia (vedi cap.3: "Il biocombustibile diventa meno costoso")

Enzimi per una maggiore efficienza
Al Western Regional Research Center dell’ARS, in Albany (California), alcuni scienziati stanno creando enzimi migliori che producono etanolo in modo più economico. “Circa il 10 -15% dell’energia richiesta per produrre etanolo fornisce calore per la cottura dell’amido”, afferma l’ingegnere chimico George Robertson. “Più energia ci vuole per produrre etanolo, meno utile esso è come combustibile alternativo. Così stiamo lavorando su enzimi che possono digerire l’amido e produrre etanolo in modo più efficiente. Ciò potrebbe aprire il mercato dell’etanolo ad altri cereali come il grano, dice Robertson. 
 Per costruire questi enzimi, il team di ricerca usa una tecnica sviluppata nell’industria farmaceutica chiamata “evoluzione diretta”. Usando le biotecnologie, essi smontano i geni chiave della pianta e li ricostruiscono, introducendo mutazioni.
 I geni mutanti sono poi inseriti negli organismi di fermentazione, dove iniziano a produrre, o esprimere, enzimi amido-digestivi. Gli scienziati allora separano le colonie di fermenti sulla base della capacità dell’enzima-produttivo e selezionano i migliori per un altro ciclo di mutazione genetica e selezione ulteriore. 
 “Possiamo fare varie cose per dirigere il corso evolutivo, accelerando lo sviluppo di enzimi con caratteristiche desiderate”, dice il chimico Dominic Wong.
 Nel laboratorio, a 98.6°F, i loro enzimi ad elevato potere fermentativo disgregano l’amido in modo 50 volte più rapido degli enzimi originari. E la tecnica promette di rendere ancora migliori questi enzimi. Il team si propone di usare simili approcci per sviluppare nuovi enzimi da usare nella conversione di biomasse.

Anche i microbi possono giocare un ruolo
Creare biocombustibili, come l’etanolo, in modo economico da un insieme di colture anziché da un solo cereale, è l’obiettivo di lungo raggio degli scienziati della Fermentation Biochemistry Research Unit’ presso il National Center for Agricoltural Utilitation Research dell’ARS di Peoria, Illinois.
 "Il nostro punto di partenza è la ricerca della fermentazione proprio nel chicco del mais,” riferisce Rodney J. Bothast microbiologo dell’ARS, che dirige il progetto. Attualmente, la fibra del chicco viene separata e usata come mangime poco costoso dei bovini, apprezzata per le sue proteine, non per le fibre. Se la tecnologia fosse sviluppata per disgregare i differenti polimeri della fibra del chicco e ridurli a zuccheri semplici, potrebbe essere prodotto un 10% circa in più di etanolo da ciascuno staio di mais ceroso.
 Bothast collabora con scienziati dell’ERRC e del Department of Wood Science dell’Università della British Columbia, Vancouver, in ricerche sul pretrattamento chimico e fisico delle fibre. Il pretrattamento libera la cellulosa da emicellulosa, amido e componenti della lignina.
 I frammenti della cellulosa sono più rapidamente convertiti in zuccheri che possono essere fermentati per produrre etanolo. La componente lignina non viene fermentata ma può essere bruciata per produrre energia.
 Finora, la via più efficace per disgregare la fibra è di pretrattarla con un acido debole e quindi con perossido d’idrogeno alcalino, dice Bothast.
 Le fibre pretrattate contengono zuccheri, in maggior parte arabinosio e xilosio e del glucosio. Normalmente i microbi etanolo-produttori mangiano per primo il glucosio, successivamente gli altri zuccheri. Nancy. N. Nichols, microbiologo, e Bruce S. Dien, ingegnere chimico, hanno sviluppato microrganismi geneticamente modificati che consumano gli zuccheri in quasi ugual misura.
 Questi ricercatori collaborano con altri, presso l’Università della British Columbia, la Purdue University, e il William Energy Service, a Pechino, Illinois - il secondo più grande produttore di etanolo del paese - per testare questi nuovi microbi su fibre di granella convertite in zuccheri mediante processi industriali.

 Prodotti con valore aggiunto
  Gli scienziati, poiché cercano vie nuove per incrementare l’efficienza della produzione di etanolo, hanno in mente coprodotti che potrebbero aiutare la creazione di colture per etanolo economicamente più vantaggiose. Ad esempio, altri microbi sviluppati da Nichols e Dien convertono gli zuccheri derivati da fibre di granella in acido lattico utilizzato dall'industria per produrre solventi e plastiche biodegradabili.
 Badal Saha, un chimico dell’ARS, e il microbiologo Timothy Leathers hanno sviluppato fermenti che convertono lo xilosio derivato da fibre di mais in xilitolo, un edulcorante a basse calorie. Lo xilitolo, che ha un sapore di menta-fredda, è usato in alcune mentine e gomme e viene venduto a circa 3 dollari alla libbra. Esso è fatto dal legno di betulla mediante un processo costoso e dispendioso in energia.
 Saha e Leathers hanno anche scoperto funghi che producono enzimi ben adatti in particolare a convertire fibre di mais in zuccheri. L’uso di enzimi diminuisce la quantità di acido richiesto per convertire le fibre di mais in zuccheri, e ciò consente la produzione di etanolo, un combustibile ambientalmente compatibile.

Un'altra fonte di etanolo
Invece di produrre etanolo da zuccheri e amidi, in impianti, Ken Vogel, con l’ARS di Lincoln, Nebraska, sta esperimentando l’uso della cellulosa e dell’emicellulosa proveniente da switchgrass (in italiano, erba di Guinea, in botanica Panicum virgatum) come altra fonte di etanolo. La speranza di Vogel è che gli agricoltori diventino capaci:di coltivare queste graminacee, originarie delle praterie, su suoli altamente erosivi - compresi quelli del "set aside" del Conservation Reserve Program dell’USDA -, di raccogliere le graminacee periodicamente per la produzione di etanolo, e incamerare così i benefici della conservazione, tipo la riduzione dell'erosione dei suoli e il rafforzamento dello stoccaggio del carbonio.
 Vogel e colleghi stanno coltivando nuove Switchgrass per impiegarle come biocombustibili; stanno migliorando geneticamente le graminacee per conversione in etanolo e stanno conducendo indagini nelle fattorie per ottenere informazioni economiche sui costi di produzione. Ron Follett, a Fort Collins, in Colorado, sta collaborando con Vogel e con scienziati dell’ARS a Mandam, North Dakota, per studiare lo stoccaggio del carbonio su terreno coltivato con colture per biocombustibili.
 I genetisti vegetali JoAnn Lamb e colleghi dell’Ars Plant Science Research Unit di St.Paul, Minnesota, puntano sull’alfalfa come un’altra fonte di cellulosa per produrre etanolo. Essi hanno ricevuto 288.000 dollari dai nuovi 2.4 milioni di dollari dell’ARS per il finanziamento dello sviluppo di colture energetiche.
Essi stanno coltivando una nuova varietà di alfalfa con la duplice caratteristica di mangimi di alta qualità per il bestiame e come biocombustibile. Incorporeranno geni provenienti da varietà dell’Europa meridionale per dare alla pianta un gambo più spesso, quasi ligneo.Qu.esto significa più cellulosa per produzione di etanolo.

 L’Est umido potrebbe preferire, come fonte di etanolo, l’alfalfa alla switchgrass , ma la switchgrass è teoricamente più valida per il West arido, perché le sono sufficienti scarse piogge per svilupparsi.
Sia alfalfa che switchgrass possono essere bruciate per produrre elettricità.

 Ci sono degli ostacoli da superare quando si voglia produrre etanolo da cellulosa in piante quali alfalfa o switchgrass, come trovare modi di convertire gli zuccheri complessi della cellulosa in zuccheri semplici che possono essere fermentati per produrre etanolo. Occorre costruire impianti per operare questa conversione. Apparecchiature per questo scopo potrebbero essere verificate nel nuovo impianto pilota di etanolo dell’Illinois quando sarà in funzione, come pure quelle per processo continuo di fermentazione con strippaggio.

Questo servizio è a cura di Don Comis, dell’ARS, e di Ben Hardin e Kathryn Barry Stelljes, due ex coòòaboratori di ARS.

La ricerca di riferimento è Quality and Utilization of Agricultural Products e bioenergy and Energy Alternatives, due programmi nazionali dell’ARS.

Rimanere bloccati in un ingorgo potrebbe essere più tollerabile se ci fosse nell’aria l’aroma di patatine appena fritte, piuttosto che il fetore dei gas di scappamento della combustione dei prodotti petroliferi.

 Quando scienziati dell’Eastern Regional Research Center (ERRC) hanno recentemente testato il biodiesel prodotto da saponi di soia - un abbondante ma poco utilizzato bioprodotto della raffinazione dell’olio vegetale - hanno trovato che la sua composizione, la sua prestazione nel motore e lesue emissioni sono comparabili a quelli del biodiesel, attualmente sul mercato, che viene prodotto da oli edibili altamente raffinati. L’aroma di patatine fritte, un altro tipico carattere dei nuovi biodiesel, sarebbe un valore aggiunto.

 Biodiesel è il termine dato ai combustibili per motore diesel prodotti da grassi e oli agricoli. C’è molto interesse in tutto il mondo all’uso di biodiesel in quanto esso proviene da fonti rinnovabili e riduce le emissioni inquinanti dell’atmosfera causate dai motori diesel.

  Il ricercatore chimico Michel J. Haas e la biologo Karen M. Scott, ambedue dell’ARS, si sono uniti al ricercatore Scott Bloomer, della Cargill, di Minneapolis (Minnesota), per sviluppare metodi chimici per convertire tutte le forme di acidi grassi trovati nei lipidi del sapone di soia, in esteri metilici. I ricercatori hanno fatto domanda di brevetto sul metodo.

 Haas, Thomas A. Foglia, e altri ricercatori dell’ARS con Hides, Lipids dell' ERRC, and Wool Research Unit di Wyndmoor (Pennsilvania) sono interessati all’impiego di lipidi di basso valore derivati da grassi animali, oli vegetali, e grassi usati riciclati, come materie prime per la produzione di biodiesel. Essi vogliono creare del biodiesel più conveniente economicamente, riducendo così l’uso di combustibili fossili importati e accrescendo l’uso di prodotti rinnovabili, provenienti dall’agricoltura.

 Molti biodiesel disponibili sul piano commerciale sono prodotti da olio di soia raffinato che viene poi aggiunto al normale diesel, secondo una percentuale tipica del 20% del volume di miscela. Secondo Haas, degli studi mostrano che il biodiesel, usato solo o in tali miscele, può fornire più lubrificazione necessaria ai sistemi combustibili riducendo nel contempo la produzione di emissioni inquinanti di gas di scappamento. Sulla base di questi benefici, Haas sostiene che c’è forte interesse nel suo paese e nel mondo a sviluppare metodi per produrre biodiesel da grassi e oli.

 All’inizio sono stati progettati metodi per produrre biodiesel da oli altamente raffinati. Ora Haas, Scott e Bloomer hanno modificato la tecnologia per consentire l’uso di lipidi di minor valore e meno puri, tipo i saponi di soia, come materiali di partenza. Ciò potrebbe accrescere la disponibilità di biodiesel insieme ad una diminuzione dei suoi costi.

  Il sapone di olio di soia è disponibile in grande quantità ed è un sottoprodotto della raffinazione di oli edibili poco costosi. Negli Usa se ne produce circa 100 milioni di libre ogni anno, e si può ottenere a un decimo o meno del costo dell’olio vegetale raffinato. Attualmente è usato principalmente come una fonte economica di grassi nell'alimentazione del bestiame. Tuttavia, con la realizzazione di processi tipo quelli sviluppati da Haas e Bloomer, i componenti dei saponi di soia potrebbero servire un giorno come fonte di più di 6 milioni di galloni all’anno di combustibili per motori diesel o di additivi ai combustibili e in altre applicazioni tipo agenti di pulizia e solventi organici.

 Altri scienziati dell’ARS hanno brevettato un altro metodo per sviluppare biodiesel e lubrificanti, nonché combustibili e additivi per lubrificanti. Questo metodo enzimatico, inventato dai ricercatori dell’ERRC, Foglia, William N. Marmer, e Lloyd A. Nelson, usa grassi animali, oli vegetali, grassi raffinati e grassi provenienti dalla ristorazione per produrre esteri di acidi grassi che possono essere usati come biodiesel e lubrificanti. Poiché la conversione dei grassi residui, in particolare, sarebbe veramente efficiente e poco costosa, il biodiesel derivato da questi grassi potrebbe essere usato in congiunzione con derivati dell’olio di soia per ridurre i costi..

  Questo servizio è a cura di Jim Core dell’ARS. La ricerca fa parte del Bioenergy and Energy Alternatives, un Programma Nazionale dell’ARS.