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Lo scienziato ancora in lotta per il carburante pulito che il mondo ha dimenticato
Un decennio di investimenti in biocarburanti avanzati non ha portato da nessuna parte, ma Jay Keasling rimane imperterrito. 10 maggio 2018
Nelle ultime settimane del 2008, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha invitato i politici e la stampa a una cerimonia di inaugurazione per il Joint BioEnergy Institute di Emeryville, in California. Il laboratorio all'avanguardia, sostenuto da 125 milioni di dollari di finanziamenti federali, ha riempito l'ultimo piano di un edificio per uffici di vetro scintillante che rifletteva le grandi speranze per i biocarburanti avanzati.
Riunire le persone migliori in un unico luogo per lavorare su quella che potrebbe essere una delle sfide più significative del nostro tempo, disse Jay Keasling, biologo sintetico presso l'Università della California, Berkeley, e amministratore delegato dell'istituto di ricerca.
La missione di JBEI (pronunciato jay-bay) era produrre biocarburanti economici da fonti cellulosiche, ovvero le foglie e gli steli di piante come il panico verga piuttosto che i chicchi di colture alimentari come il mais. Il laboratorio mirava ad andare oltre l'etanolo, cercando di creare combustibili a emissioni zero che potessero riempire i serbatoi di auto, aerei, navi e camion standard. In caso di successo, ha promesso di ridurre drasticamente le emissioni di gas serra e la dipendenza degli Stati Uniti dal petrolio (vedi Il prezzo dei biocarburanti).
JBEI sta sviluppando tipi di panico verga e sorgo che producono molti più zuccheri e molta meno lignina.
Keasling ha fatto tanto quanto qualsiasi singolo individuo per far avanzare il campo e vendere la promessa di tali combustibili. Oltre a gestire JBEI, ha cofondato diverse startup ben finanziate, tra cui LS9 e Amyris Biotechnologies, per trasformare quella visione in realtà.
Ma un decennio dopo, il campo è allo sbando. JBEI e altri laboratori di bioenergia finanziati dal governo federale sopravvivono ancora, ma la maggior parte delle società avanzate di biocarburanti, inclusa quella di Keasling, hanno rinunciato al sogno.
Le aziende americane stanno producendo solo una piccola parte dei combustibili cellulosici richiesti dagli standard sui combustibili rinnovabili messi in atto alla fine dell'ultima amministrazione Bush, e gran parte di questo è etanolo derivato da avanzi agricoli come i gambi di mais. Data questa carenza, l'Agenzia per la protezione ambientale emette semplicemente esenzioni ogni anno per i biocarburanti avanzati, consentendo all'industria di continuare in gran parte le attività come al solito.
Il prossimo obiettivo di JBEI è sviluppare impianti che possano eventualmente produrre biocarburanti avanzati per meno di 3 dollari al gallone.
JBEI ha fatto progressi scientifici, ma se le colture, le tecniche e gli insetti dell'istituto venissero lanciati oggi su scala commerciale, un gallone del carburante risultante costerebbe 14 volte quello che paghiamo alla pompa.
La produzione di biocarburanti avanzati a basso costo ha semplicemente finito per essere un problema molto più difficile del previsto. Probabilmente l'abbiamo sottovalutato e probabilmente anche venduto in eccesso, ha riconosciuto Keasling il mese scorso, durante un'intervista nel suo ufficio alla JBEI.
Tuttavia, Keasling, per esempio, non ha rinunciato alla speranza di un futuro in cui i biocarburanti siano un valido sostituto di benzina, diesel e carburante per aerei.
Lavato durante la notte
Keasling è cresciuto in una piccola città del Nebraska, in una fattoria di mais che appartiene alla sua famiglia da cinque generazioni. Durante gli studi universitari in ingegneria chimica presso l'Università del Michigan, è rimasto affascinato dal potenziale dell'ingegneria genetica per risolvere grandi problemi. Ha continuato a fare ricerca post-dottorato sul campo a Stanford prima di diventare professore alla UC Berkeley all'età di 28 anni.
Fu lì che intraprese un lavoro pionieristico nella biologia sintetica, trasformando lieviti e batteri in minuscole fabbriche in grado di sputare isoprenoidi, una classe di composti usati per produrre gomma, antibiotici e profumi. In particolare, lui e i suoi collaboratori hanno sviluppato un processo per produrre un precursore sintetico dell'artemisinina, uno dei pochi trattamenti efficaci per la malaria, inserendo il DNA di diversi organismi in E. coli e lievito. È considerata una delle prime vere scoperte della biologia sintetica.
Passare dall'artemisinina, un idrocarburo molecolarmente simile al petrolio, ai biocarburanti non ha fatto un grande salto di immaginazione. Nelle interviste precedenti, Keasling descritto si tratta semplicemente di rimuovere alcuni geni e aggiungerne un altro.
All'inizio del 2008, la sua startup Amyris strombazzato prevede di produrre un miliardo di galloni all'anno di biodiesel a base di canna da zucchero dai suoi microrganismi bioingegnerizzati, per un minimo di $ 60 al barile e tutto entro pochi anni (vedi Alla ricerca del punto debole dei biocarburanti).
Keasling mostra i laboratori all'avanguardia del JBEI, a Emeryville, in California.
Ma quando la recessione economica del 2008 ha preso piede, i prezzi del petrolio sono crollati da un picco vicino a $ 150 al barile a pochi dollari meno di $ 30 entro la fine dell'anno. L'economia rinnovabile è una cosa difficile da entusiasmare quando si ha a che fare con un barile di petrolio da 30 dollari, afferma David Berry, socio accomandatario della società di venture capital Flagship Pioneering, che ha cofondato LS9 con Keasling nel 2005. Debito e mercati azionari lavato durante la notte.
E hanno portato con sé molte delle startup. La maggior parte dei sopravvissuti si è spostata in altre linee di business. LS9 si è concentrato sulla produzione di sostanze chimiche speciali e alla fine è stato acquisito da Renewable Energy Group (vedi Perché la promessa di un carburante economico da Super Bugs Fell Short).
Amyris, che è diventato pubblico nel 2010, non ha mai prodotto il suo diesel rinnovabile su scala commerciale. Ora si concentra su nutraceutici, cura della pelle e aromi e profumi artificiali. Un portavoce ha rifiutato di dichiarare quale prezzo l'azienda è stata in grado di raggiungere per il carburante, ma Keasling lo ha messo a $ 1,75 al litro, o circa $ 6,63 al gallone.
Nonostante tutto l'entusiasmo di un decennio fa, la produzione di biocarburanti avanzati a prezzi accessibili è sempre stata un'idea audace.
Per cominciare, devi piantare, raccogliere, essiccare e spedire enormi volumi di raccolti, nel modo più pulito e sostenibile possibile. E poi inizia la parte difficile.
Eliminare i combustibili da steli e foglie richiede la separazione dei carboidrati ricchi di energia nelle pareti cellulari della pianta dalle molecole legnose di lignina che si legano strettamente attorno a loro, in genere utilizzando acidi, pressione e calore. Quindi hai bisogno di microbi in grado di consumare quei carboidrati, principalmente cellulosa, e di eliminare i combustibili. Ma nessun bug presente in natura è noto per produrre il tipo che può riempire direttamente il serbatoio delle auto esistenti, quindi gli scienziati devono progettare geneticamente quelli che possono.
Nonostante tutti gli sforzi e i finanziamenti, alcuni sul campo ritengono che non siano stati fatti molti progressi reali su queste sfide negli ultimi dieci anni circa.
L'opinione generale è che non è cambiato molto, afferma Gregory Stephanopoulos, professore di ingegneria chimica al MIT. Il percorso dalla cellulosa agli zuccheri al carburante non sembra essere più promettente oggi.
Arrivare a $ 3 galloni
Keasling non è d'accordo, sostenendo che JBEI e altri laboratori hanno fatto progressi scientifici significativi. I ricercatori del California Institute, che funge da fulcro di una collaborazione tra sei laboratori di ricerca e università, hanno pubblicato quasi 700 articoli sottoposti a revisione paritaria, ottenuto quasi 30 brevetti e lanciato sei startup.
I ricercatori di JBEI hanno modificato geneticamente tipi di panico verga e sorgo in modo che producano molti più zuccheri e molta meno lignina rispetto alle piante standard. Hanno anche sviluppato un processo per convertire la lignina in liquidi ionici, che sono sali che scompongono la biomassa, trasformando un prodotto di scarto in uno strumento efficace per la demolizione degli impianti.
Infine, gli scienziati hanno progettato microbi in grado di produrre diversi tipi di combustibili drop-in da queste piante, tra cui pinene , un precursore del carburante per jet; isopentenolo , che potrebbe funzionare come sostituto della benzina; e bisaboline , che produce un diesel dannatamente buono, dice Keasling.
Questi progressi collettivi hanno ridotto il costo di un gallone di biocarburante di nuova generazione da circa $ 300.000 quando hanno iniziato a circa $ 35, almeno se fossero prodotti su scala commerciale, afferma Keasling.
Ma ovviamente, nessuno aumenterebbe la produzione di un carburante da $ 35 per gallone quando il gallone medio di gas costa $ 2,50. Quindi ora il laboratorio si sta spostando in una nuova fase di ricerca, con l'obiettivo specifico di ridurre tale divario. Lo scorso luglio, JBEI e altri centri di ricerca federali sulla bioenergia si sono assicurati finanziamenti federali rinnovati per 25 milioni di dollari all'anno, lo stesso livello che l'istituto ha ricevuto dall'inizio.
JBEI sta sviluppando tipi di panico verga e sorgo che producono molti più zuccheri e molta meno lignina.
L'obiettivo dichiarato nella domanda di finanziamento di JBEI era quello di sviluppare biocarburanti che potessero essere prodotti per meno di 3 dollari al gallone nei prossimi cinque anni, ha affermato Keasling.
Non so se ci arriveremo tra cinque anni, dice. Starei bene se lo ottenessimo in 10 anni, francamente.
Keasling crede che la chiave di gran parte di questo miglioramento risieda nella lignina, che regge considerevole carbonio ma vi si aggrappa ostinatamente. I ricercatori di JBEI dovranno alterare le piante in modo che i collegamenti della lignina vengano interrotti più facilmente. Quindi devono alterare le ligninasi, una classe poco conosciuta di enzimi noti per abbattere la lignina, per estrarre più carbonio. Infine, devono sviluppare nuovi gruppi di microbi in grado di convertire i restanti composti in combustibili.
L'ultimo pezzo del piano per superare la soglia di $ 3 è sviluppare modi per convertire alcune parti dell'impianto in prodotti di valore superiore che potrebbero sovvenzionare il costo dei biocarburanti, come ritardanti di fiamma o materiali per la stampa 3D.
Richieste concorrenti
Affinché il mondo abbia buone possibilità di impedire che le temperature globali salgano di oltre 2 °C, la bioenergia dovrebbe fornire il 17% della domanda totale di energia entro il 2060, rispetto al 4,5% nel 2015, secondo un'analisi dell'Agenzia internazionale per l'energia . Ma finora, i guadagni di produzione sono ben al di sotto del ritmo richiesto per raggiungere tali obiettivi. Tra l'altro, la fornitura di biocarburanti per i trasporti dovrà aumentare di dieci volte nei prossimi decenni.
Le stime di quanta terra sarebbe necessaria variano ampiamente, ma affinché i biocarburanti soddisfino quasi il 30% delle esigenze di trasporto entro la metà del secolo, 100 milioni di ettari dovrebbero essere dedicati alla coltivazione delle materie prime, ha concluso l'IEA in un 2011 rapporto . Si tratta di circa un nono dell'area dedicata all'agricoltura negli Stati Uniti.
Abbiamo un numero enorme di richieste di terreni in competizione e l'idea di poter liberare grandi quantità per produrre energia da biomassa è molto probabile che incontri dei vincoli, afferma Chris Field, direttore dello Stanford Woods Institute.
Una seria sfida correlata è l'aumento graduale dei biocarburanti avanzati in un modo che riduca significativamente le emissioni totali di gas serra, che è il punto centrale. Ogni passaggio dalla semina alla produzione è di per sé ad alta intensità energetica, quindi i dettagli di come è stato fatto contano molto. In particolare, i ricercatori temono che se il mercato dovesse decollare, potrebbe creare incentivi perversi, come incoraggiare gli agricoltori a radere al suolo le foreste, che sono enormi pozzi di carbonio, per far posto a questo tipo di colture.
Sogna vivo
Ma nonostante queste sfide, ci sono chiare ragioni per cui molti credono da tempo che i biocarburanti svolgeranno un ruolo importante nella riduzione delle emissioni di gas serra. Negli Stati Uniti, più della metà di questo inquinamento proviene da usi di trasporto come automobili, autotrasporti, spedizioni e aerei. Nonostante alcuni notevoli guadagni nei veicoli elettrici alimentati a batteria, gran parte di questo settore può ancora essere alimentato solo con combustibili fossili.
Uno degli oltre 160 ricercatori di JBEI al lavoro in laboratorio.
Quando si tratta di stoccaggio di energia mobile e denso, i combustibili liquidi sono semplicemente molto difficili da battere, soprattutto perché gran parte delle infrastrutture energetiche del mondo è costruita attorno a loro, afferma Hanna Breetz, politologo specializzato in combustibili e veicoli alternativi presso l'Arizona State University .
I combustibili liquidi continueranno a essere una parte importante del sistema energetico in futuro, specialmente nei trasporti, e mi aspetto che i combustibili a base biologica faranno parte di quel settore, dice.
Anche se i laboratori dovessero fare progressi sorprendenti nei prossimi anni, potrebbero volerci decenni prima che questi combustibili conquistino quote di mercato reali in un settore con miliardi di dollari investiti nelle attività quotidiane di estrazione e raffinazione del petrolio. L'accelerazione di tale transizione richiederà molto più sostegno del governo, incluso potenzialmente un prezzo sul carbonio, standard più elevati per i combustibili rinnovabili, limiti di emissione e altro, afferma Keasling.
Potrebbe sembrare chiedere molto a qualcuno il cui laboratorio ha ricevuto centinaia di milioni di fondi governativi e le cui startup sono andate a fuoco simili di livelli di investimento di venture capital. Ma Keasling afferma che è semplicemente ciò che servirà per rivedere un'industria radicata alla scala e alla velocità necessarie per contrastare i crescenti pericoli climatici.
Ciò che lo preoccupa è che le prospettive di tali politiche si sono solo offuscate negli ultimi anni. Ma nonostante i fallimenti politici e scientifici che hanno afflitto la ricerca di biocarburanti avanzati a basso costo, rimane convinto del loro potenziale per ridurre le emissioni.
Quando il nostro governo deciderà che è ora di dare la priorità, dice Keasling, penso che i biocarburanti potrebbero svolgere un ruolo importante.