Bioethanol Production from Two-Stage Hydrothermally Pretreated Sugarcane Bagasse: Enzymatic Saccharification, Fermentation Optimization and Mass Balance Analysis

La fame di energia del mondo sta superando l'offerta di combustibili fossili, i resti antichi e finiti di piante e animali che hanno alimentato la civiltà per secoli. La combustione di questi combustibili rilascia anidride carbonica che è rimasta intrappolata sottoterra per ere, accelerando il cambiamento climatico e riscaldando il pianeta. Gli scienziati cercano urgentemente un tipo diverso di combustibile, uno che provenga da esseri viventi e che ricicli il carbonio nell'atmosfera senza aggiungere al carico totale. Questa è la promessa dei biocarburanti. La fonte più abbondante di tale combustibile non è costituita da colture alimentari come il mais o il succo di canna da zucchero, ma dai residui fibrosi e legnosi lasciati dopo il loro raccolto. Questo materiale, noto come biomassa lignocellulosica, è duro e resistente per progettazione; è lo scheletro strutturale delle piante, costruito per resistere agli elementi. Per trasformare questa fibra dura in combustibile liquido, i ricercatori devono prima scomporla in zuccheri semplici che il lievito possa mangiare, un processo che storicamente ha richiesto sostanze chimiche aggressive o enormi quantità di energia.

In uno studio recente, un team di ricercatori in India ha affrontato questa sfida utilizzando la bagassa di canna da zucchero, il residuo secco e polposo che rimane dopo la spremitura della canna per fare il succo. Questo materiale viene generato in enormi quantità, eppure gran parte di esso viene bruciato o scartato. I ricercatori miravano a convertire questo scarto in bioetanolo, un combustibile alcolico a combustione pulita, utilizzando un metodo che evita completamente le sostanze chimiche tossiche. Si sono concentrati su un processo fisico in due fasi per sbloccare gli zuccheri nascosti all'interno delle fibre vegetali. Per prima cosa, hanno sottoposto la bagassa a un intenso calore e pressione in un trattamento idrotermale, essenzialmente cuocendola nell'acqua per ammorbidirne la struttura. Immediatamente dopo, senza lavare o neutralizzare il materiale, lo hanno fatto passare attraverso un tritatore meccanico. Questa combinazione di calore e forza fisica ha rimosso più della metà della lignina, il polimero appiccicoso e simile a una colla che tiene insieme le fibre vegetali e blocca l'accesso agli zuccheri. Il risultato è stato una biomassa significativamente più ricca di carboidrati fermentabili necessari per il combustibile, il tutto senza generare i flussi di rifiuti chimici tipici di altri metodi.

Con il guscio esterno duro della pianta scomposto, il team si è rivolto agli strumenti della natura per finire il lavoro: gli enzimi. Invece di acquistare costosi enzimi commerciali, li hanno coltivati nel laboratorio usando crusca di frumento come fonte di cibo per tipi specifici di funghi. Hanno coltivato due ceppi, Trichoderma viride e Trichoderma harzianum, che producono naturalmente enzimi capaci di digerire le pareti cellulari delle piante. Dopo alcuni giorni di crescita, hanno raccolto il liquido contenente questi enzimi e li hanno purificati leggermente per concentrarne la potenza. Quando hanno applicato questi enzimi fungini alla bagassa pretrattata, gli enzimi hanno agito come forbici biologiche, tagliando le lunghe catene di cellulosa ed emicellulosa in singole molecole di zucchero. Il processo è stato altamente efficace; entro quaranta ore, gli enzimi hanno rilasciato una enorme quantità di zucchero dal materiale vegetale. Il team ha scoperto che gli enzimi di Trichoderma viride erano particolarmente potenti, convertendo quasi i due terzi dei carboidrati disponibili in zuccheri. Quando hanno mescolato gli enzimi di entrambi i ceppi fungini, la combinazione ha performato ancora meglio, rilasciando leggermente più zucchero grazie ai modi complementari in cui i due enzimi attaccano la struttura vegetale.

L'ultimo passaggio è stato trasformare questi liquidi ricchi di zucchero in combustibile. I ricercatori hanno introdotto un comune lievito, Saccharomyces, nella soluzione di zucchero. Questo microrganismo consuma naturalmente lo zucchero ed espelle etanolo come sottoprodotto. In un ambiente controllato, il lievito ha lavorato efficientemente, consumando quasi tutto lo zucchero disponibile in un giorno. Il risultato è stato un liquido limpido contenente bioetanolo a una concentrazione di 6,39 grammi per litro. Fondamentalmente, i ricercatori hanno confermato che questa resa non era solo una possibilità teorica, ma una realtà misurata, raggiungendo l'86 percento della quantità massima di combustibile che potrebbe essere prodotta da quella specifica quantità di zucchero. Poiché il pretrattamento iniziale ha evitato sostanze chimiche aggressive, la soluzione di zucchero non conteneva i sottoprodotti tossici che spesso uccidono il lievito o interrompono la fermentazione in altri processi, permettendo al lievito di lavorare alla massima efficienza.

Per capire cosa significhi questo per il mondo reale, i ricercatori hanno calcolato la produzione potenziale su larga scala. Hanno stimato che per ogni ettaro di canna da zucchero coltivata in India, la bagassa prodotta potrebbe essere convertita in circa 3.263 litri di bioetanolo. Questa cifra suggerisce che il processo non è solo una curiosità di laboratorio, ma una via percorribile verso la produzione su scala industriale. Lo studio dimostra che è possibile creare una pipeline completa ed ecologica per la produzione di combustibile: partendo dagli scarti agricoli, usando il calore e la forza meccanica per aprire le fibre vegetali, impiegando funghi coltivati su economici sottoprodotti dei cereali per rilasciare gli zuccheri e, infine, usando il lievito per fermentare quegli zuccheri in combustibile. Dimostrando che un approccio privo di prodotti chimici può raggiungere alte rese, la ricerca offre un modello convincente per una bioeconomia circolare, dove gli scarti agricoli vengono trasformati in una fonte di energia sostenibile senza il costo ambientale della lavorazione chimica.