Produrre biometano dall’elettricità grazie ai microbi

Secondo gli scienziati di Stanford e della Pennsylvania State Universities, in un prossimo futuro il panorama delle fonti energetiche rinnovabili potrebbe cambiare sostanzialmente grazie all’impiego di microbi capaci di convertire l’elettricità in metano.

I ricercatori di entrambi i campus hanno infatti avviato un programma di ricerca su alcune specifiche colonie di microrganismi, chiamati metanogeni, che hanno la straordinaria capacità di trasformare l'energia elettrica in metano puro. L’obiettivo degli scienziati è quello di creare veri e propri impianti microbici di grandi dimensioni, in grado di trasformare l’energia elettrica (proveniente ad esempio da energia solare, eolica o nucleare) in metano combustibile e altri composti chimici preziosi per l'industria.

Secondo Alfred Spormann, professore di ingegneria chimica e di ingegneria civile e ambientale presso la Stanford University, l’approccio microbico eliminerebbe la necessità di utilizzare risorse fossili per produrre metano e altre importanti molecole organiche di impiego industriale. La maggior parte del metano attualmente utilizzato è infatti derivato dal gas naturale, che è un combustibile fossile, e la sua combustione accelera il riscaldamento globale attraverso il rilascio di anidride carbonica rimasta intrappolata sotto terra per millenni. L’intero processo di metanogenesi microbica previsto dagli scienziati è invece “carbon neutral", in quanto la CO₂ rilasciata durante la combustione deriva dall'atmosfera, e  l'energia elettrica utilizzata proviene da fonti rinnovabili o energia nucleare, che sono anch’esse CO₂-free. In più, dato che il metano stesso è un gas serra formidabile (20 volte più potente della CO₂), un impianto di produzione microbica presenterebbe l’ulteriore vantaggio di garantire una gestione del metano completamente sicura, minimizzando così la possibilità di dispersione incontrollata del gas nell'atmosfera.

Inoltre, i microbi che producono metano potrebbero contribuire a risolvere una delle maggiori sfide per la diffusione dell’energia rinnovabile su larga scala, ovvero il problema dello stoccaggio energetico. I metanogeni metabolizzano l'energia elettrica in energia chimica sotto forma di metano, che in questo caso svolgerebbe il ruolo di vettore energetico facilmente stoccabile, oltre che di combustibile. È da ricordare che l’abbinamento tra vettori energetici e fonti rinnovabili è considerato un fattore chiave per la diffusione delle energie pulite su larga scala, basti pensare alle famose pubblicazioni di J.Rifkin riguardanti l’impiego di idrogeno come vettore energetico. In questo caso, il vettore energetico metano, presenta anche il considerevole vantaggio di essere già dotato di propria una rete di distribuzione, oltre che di tecnologie di sfruttamento ben consolidate.

Metano 'Green'

Il team di Stanford e della Pennsylvania State Universities sta quindi adottando un approccio "verde" alla produzione di metano. Invece di estrarre il metano attraverso pompe e trivelle, gli scienziati prevedono di utilizzare grandi bioreattori pieni di metanogeni - organismi unicellulari che assomigliano a batteri ma appartengono a un gruppo geneticamente distinto di microbi chiamati archeobatteri.

La metanogenesi è una forma di respirazione anaerobica: le forme di vita metanogene non utilizzano infatti l'ossigeno, il quale risulta addirittura tossico per questi organismi. Al posto dell'ossigeno i metanobatteri usano come accettore finale di elettroni il carbonio molto ossidato presente in alcuni composti a basso peso molecolare, come ad esempio la CO₂. Gli elettroni provengono dall'ossidazione di idrogeno gassoso ottenuta grazie al passaggio di corrente elettrica, e vengono ceduti al carbonio presente su un opportuno substrato, riducendolo fino ad ottenere metano puro, che viene infine espulso nell’atmosfera.

Il metano prodotto con questo sistema potrebbe essere utilizzato per tutti gli usi energetici, compresi i trasporti. Nello scenario ideale, le culture metanogene potrebbero essere alimentate con un costante rifornimento di elettroni generati da fonti di energia prive di emissioni, come celle solari, turbine eoliche e reattori nucleari. I microbi utilizzerebbero questi elettroni puliti per metabolizzare l'anidride carbonica in metano, il quale potrebbe poi essere stoccato e distribuito secondo necessità attraverso gli impianti di gas naturale già esistenti.

Il ciclo del carbonio in questo caso sarebbe chiuso, in quanto l'anidride carbonica prodotta quando il metano microbico viene bruciato come combustibile, verrebbe riciclata nuovamente nell'atmosfera  da cui ha avuto origine - a differenza della convenzionale combustione del gas naturale, in cui la CO₂ contribuisce al riscaldamento globale. Infine, secondo i ricercatori di Stanford, il metano microbico è molto più “ecofriendly” dell’etanolo e di altri biocarburanti, la cui produzione richiede ettari di terreni agricoli, così come fertilizzanti, pesticidi, irrigazione e complessi impianti per la fermentazione.

Comunità microbiche e tecnologie catodiche avanzate

Affinché questa nuova tecnologia diventi commercialmente valida e applicabile su larga scala, è necessario affrontare una serie di sfide. Secondo Bruce Logan, professore di ingegneria civile e ambientale presso la Pennsylvania State Universities, è necessario innanzi tutto approfondire la conoscenza di base dei meccanismi attraverso i quali questi organismi convertono gli elettroni in energia chimica.

Nel 2009, il laboratorio di Logan è stato il primo a dimostrare come un ceppo di metanogeni noto come Methanobacterium palustre fosse in grado di convertire una corrente elettrica direttamente in metano. Per l'esperimento, Logan e i suoi colleghi della Pennsylvania State Universities hanno costruito una batteria reversibile con elettrodi positivi e negativi messi in un bicchiere contenente acqua arricchita di sostanze nutritive. I ricercatori hanno quindi diffuso un biofilm contenente una miscela di Methanobacterium palustre e altre specie microbiche sul catodo. Quando è stata applicata la corrente elettrica, il Methanobacterium palustre ha cominciato a produrre gas metano, con un’efficienza di circa l'80%.

Il tasso di produzione di metano si è mantenuto elevato finché la popolazione microbica mista è rimasta intatta, ma quando un ceppo precedentemente isolato di  Methanobacterium palustre puro è stato posto da solo sul catodo, il tasso è crollato, suggerendo che i batteri metanogeni separati da altre specie microbiche sono meno efficienti di quelli che vivono in una comunità naturale complessa. Per esempio, batteri che consumano ossigeno possono contribuire a stabilizzare la comunità, impedendo l'accumulo di ossigeno gassoso, che  i metanogeni non possono tollerare. Altri microbi invece competono con i metanogeni per gli elettroni.

Per ottimizzare la produzione di metano, il team di Stanford sta cercando di sviluppare colture di laboratorio costituite da ceppi misti di archeobatteri e batteri. Questo zoo microbico comprende specie batteriche in grado di competere con i metanogeni per l’anidride carbonica, che i batteri possono utilizzare per produrre acetato - un ingrediente importante per fabbricare aceto, prodotti tessili e una varietà di prodotti chimici industriali. D’altra parte, alla Pennsylvania State Universities, il laboratorio di Logan sta portando avanti la progettazione e la sperimentazione di tecnologie catodiche avanzate, in grado di favorire la crescita di metanogeni e massimizzare la produzione di metano. La squadra della Pennsylvania State Universities sta infatti studiando nuovi materiali per elettrodi, compreso un tessuto a trama di carbonio che potrebbe eliminare la necessità di platino e altri catalizzatori costituiti da metalli preziosi.

La ricerca di Stanford e della Penn State è finanziata da una sovvenzione triennale del Global Climate Energy Project a Stanford.

Fonte: Stanford University