Rispetto ai biocarburanti di prima generazione prodotti da colture alimentari, la produzione di biocarburanti di seconda generazione per l'uso quotidiano è un problema urgente. In questo studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo zwitterion liquido di tipo carbossilato come solvente della biomassa, che potrebbe dissolvere la cellulosa con una tossicità molto bassa per i microrganismi. L'uso di questo nuovo solvente consente una significativa riduzione dei costi energetici per la produzione di etanolo da biomasse non alimentari. Così, la produzione di etanolo da biocarburante di seconda generazione è in vista di un'attuazione pratica.

L'etanolo è prodotto da colture alimentari come il mais, e quindi rappresenta una minaccia per l'approvvigionamento alimentare. È quindi necessario produrre etanolo da biomasse non alimentari come le erbacce, sprecare carta, ecc. I solventi necessari per la produzione di etanolo da biocarburante di seconda generazione sono altamente tossici per i microrganismi. Sono necessari processi complicati per rimuovere tali solventi altamente tossici, come lavarsi con acqua, separazione per centrifugazione e compressione. Di conseguenza, l'energia recuperata in questo etanolo è inferiore a quella necessaria per produrlo, cioè., si ha un bilancio energetico negativo e un carico maggiore sull'ambiente. Si riteneva impossibile risolvere questo problema, poiché era necessario un solvente aggressivo per abbattere materiali vegetali recalcitranti come la cellulosa, mentre un solvente così aggressivo ucciderebbe i microrganismi che svolgono ruoli essenziali nella fermentazione necessaria per la produzione di etanolo.

In questo studio, ricercatori dell'Università di Kanazawa, Giappone, è riuscito a ridurre la tossicità per i microrganismi sviluppando un nuovo solvente, uno zwitterion liquido di tipo carbossilato per dissolvere la cellulosa della biomassa (Figura 1). L'EC50, la concentrazione di una sostanza che riduce la crescita di Escherichia coli al 50 percento, è risultato essere 158 g/L per lo zwitterion liquido di tipo carbossilato di nuova concezione, considerando che l'EC50 del liquido ionico, uno dei solventi convenzionali della cellulosa, era di 9 g/l. Ciò indica che il nuovo zwitterion liquido di tipo carbossilato mostra una tossicità 17 volte inferiore rispetto al liquido ionico.

Con Escherichia coli che può produrre etanolo, la capacità di fermentazione era quasi massima nello zwitterion liquido di tipo carbossilato 0,5 mol/L con una concentrazione finale di etanolo di 21 g/L. D'altra parte, lo stesso esperimento con il liquido ionico ha prodotto solo 1 g/L di etanolo. Così, la fermentazione in presenza dello zwitterion liquido di tipo carbossilato produceva 21 volte più etanolo di quello che utilizzava il liquido ionico.

In un altro esperimento, la bagassa è stata utilizzata come biomassa vegetale di partenza per la produzione di etanolo senza processi di lavaggio/separazione. La fermentazione in presenza dello zwitterion liquido di tipo carbossilato ha prodotto 1,4 g/L di etanolo, mentre non è stato ottenuto etanolo con il liquido ionico a causa della sua elevata tossicità (Figura 2).

Con questi risultati sperimentali, è dimostrato che utilizzando lo zwitterion liquido di tipo carbossilato, la biomassa vegetale potrebbe essere convertita in etanolo in un unico vaso di reazione senza processi di lavaggio/separazione. Questo rappresenta un grande passo avanti nella produzione e nell'uso dell'etanolo da biocarburante di seconda generazione attraverso la riduzione di grandi quantità di input di energia.

Oltre al biocarburante etanolo di prima e seconda generazione, un biocarburante di terza generazione, una specie di olio, può essere costituito da alcune specie di alghe. Per ottenere un tale biocarburante di terza generazione dalle alghe, polisaccaridi come la cellulosa, quali sono i componenti principali delle pareti cellulari, devono essere sciolti. L'efficienza energetica sarebbe molto aumentata se i polisaccaridi disciolti potessero essere convertiti in etanolo. Un ulteriore sviluppo del nostro studio attuale contribuirebbe in modo significativo alla produzione di etanolo da biocarburante non solo di seconda generazione ma anche di terza generazione.