Approcci nanobiotecnologici per incrementare la produzione di bioidrogeno da biomasse lignocellulosiche

I combustibili fossili sono la principale fonte di energia a livello globale e il loro sfruttamento eccessivo, per soddisfare richieste sempre crescenti, porterà al loro esaurimento. Secondo l’EIA (Energy Information Administration) la produzione di elettricità aumenterà del 50% nei paesi in via di sviluppo entro il 2050. La combustione di combustibili fossili libera numerosi inquinanti gassosi, prevalentemente gas serra, responsabili del riscaldamento globale. L’aumento della domanda di energia e l’esaurimento dei combustibili fossili richiedono fonti di energia alternative che siano ecocompatibili, sostenibili, rinnovabili e in grado di soddisfare il futuro fabbisogno energetico. I biocarburanti, come il biodiesel, il bioidrogeno e il biometano, sono considerati un’opzione di energia rinnovabile potenziale, efficiente ed economica, la cui produzione non comporta un elevato rischio per l’ambiente e la salute umana. Tra i biocarburanti, il bioidrogeno ha ricevuto maggiore attenzione a causa di numerosi vantaggi, come la produzione di un sottoprodotto non inquinante, il vapore acqueo, un alto contenuto energetico (120 KJ/g di biomassa), la possibilità di utilizzare diverse materie prime e batteri per la sua produzione e condizioni di reazione facilmente riproducibili. Il bioidrogeno può essere combinato con biogas per migliorare il processo di combustione e ridurre le emissioni di anidride carbonica. Inoltre, circa due terzi della produzione mondiale di idrogeno vengono utilizzati nel processo Haber-Bosch per la sintesi dell’ammoniaca. L’idrogeno viene anche utilizzato nelle raffinerie, dove avvengono numerose reazioni chimiche come hydrocracking, hydrotreating e desolforazione. Esistono altre sue applicazioni, tra cui la produzione di metanolo, l’impiego nell’industria metallurgica, del vetro e dei semiconduttori. Tra i diversi processi biologici con cui è possibile ottenere bioidrogeno, la fermentazione oscura rappresenta una delle vie più promettenti, dati i suoi numerosi vantaggi. La fermentazione al buio permette, a partire da sostanze organiche ricche di carboidrati, di ottenere in assenza di luce diversi prodotti come idrogeno molecolare, acidi grassi volatili e alcoli, grazie all’azione di batteri anaerobi. Durante la fermentazione oscura, l’enzima chiave coinvolto per la produzione di H2 è l’idrogenasi, che catalizza la riduzione reversibile dello ione idrogeno (H+) in idrogeno molecolare (H2). L’attività delle idrogenasi può essere potenziata dall’aggiunta di nanoparticelle, in particolare ferro e nichel, che svolgono un ruolo significativo agendo come cofattori sul sito attivo degli enzimi idrogenasi e migliorano la cinetica della reazione e le rese di produzione stimolando il trasferimento di elettroni. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per aumentare la produttività del processo e consentirne uno sviluppo futuro su scala industriale.