La presente proposta di ricerca si pone nel contesto della valorizzazione dei residui organici a mezzo di processi fermentativi orientati alla produzione di vettori energetici a ridotto impatto ambientale, nello specifico di H2. La dark fermentation è uno dei processi biochimici ritenuti promettenti in tale ambito, grazie alla capacità dei microorganismi coinvolti di produrre H2 in maniera continuativa e all'ampia gamma di substrati di scarto idonei ad essere valorizzati con tale trattamento; presenta infatti buone probabilità di applicazione a scala reale. Tuttavia, ad oggi, vi sono ancora alcuni aspetti che necessitano di ulteriori approfondimenti. Tra questi è rilevante lo studio di schemi di processo che prevedono l¿integrazione con ulteriori fasi di trattamento, finalizzate all'ottenimento di un maggior recupero del substrato di partenza. La dark fermentation, infatti, presenta limiti connessi alla natura biochimica del processo stesso, che non consentono di raggiungere rese di H2 prossime a quelle prevedibili su base teorica.
Il presente progetto di ricerca sperimentale si propone di affrontare le limitazioni di natura biochimica con un approccio innovativo, che prevede l'integrazione del processo fermentativo con uno elettrochimico. Il sistema integrato bio-elettrochimico ha la caratteristica di produrre una corrente elettrica che porta alla formazione di ulteriore H2, che si aggiunge dunque a quello ottenuto per via biochimica, attraverso la trasformazione dei protoni derivanti dalla dissociazione degli acidi organici volatili prodotti durante il processo fermentativo.
L'attività sperimentale sarà condotta in un sistema bio-elettrochimico in scala di laboratorio, impiegando substrati organici di scarto (residui dell¿industria alimentare), con l'obiettivo di fornire una valutazione delle potenzialità di valorizzazione di residui organici offerte dal suddetto sistema integrato.
La dark fermentation è stata oggetto di un crescente interesse da parte della comunità tecnico-scientifica nell¿ultimo decennio per merito della possibilità di produrre un vettore energetico non inquinante, perseguendo contestualmente la valorizzazione di materiali di scarto ad elevato contenuto organico. Tuttavia, ad oggi è noto che il potenziale contenuto energetico del substrato non possa essere sfruttato completamente, in quanto parte di esso, a seguito del processo fermentativo, permane nel digestato in forma di metaboliti. Secondo i più recenti studi, perciò, le prospettive di applicazione della dark fermentation prevedono la sua integrazione in sistemi più ampi, all¿interno dei quali essa svolgerebbe il ruolo di una fase iniziale finalizzata all¿idrolisi delle matrici organiche complesse e al recupero di H2 tramite il processo fermentativo, che potrebbe essere seguito da altri processi allo scopo di ottenere un adeguato grado di stabilizzazione della sostanza organica nonché il recupero di prodotti ad elevato valore aggiunto. Tra i processi proposti e idonei ad essere applicati come post-trattamento della dark fermentation vi sono anche trattamenti di tipo bio-elettrochimico. Un esempio è l¿impiego dell¿effluente della dark fermentation come substrato di una microbial electrolysis cell (MEC) che prevede l¿ulteriore degradazione della sostanza organica residua in una cella di elettrolisi dotata di batteri elettrochimicamente attivi. Il metabolismo dei batteri elettrogenici può basarsi sulla ossidazione di acetato, glucosio, lattato, acido propionico e butirrico ad anidride carbonica, utilizzando come accettore finale di elettroni un materiale solido, ad esempio un elettrodo. La degradazione del substrato, in questo sistema, dà luogo a CO2 e H+, i quali sono successivamente avviati alla trasformazione in H2 per effetto di una corrente elettrica. Seppur in misura minore rispetto alla convenzionale elettrolisi dell¿acqua, tale processo richiede comunque una corrente elettrica fornita dall¿esterno del sistema, poiché il solo potenziale generato naturalmente dai microorganismi non è sufficiente a ridurre H+ in H2. Un altro trattamento di tipo bio-elettrochimico che può seguire la dark fermentation è la produzione di corrente elettrica tramite una microbial fuel cell (MFC). Allo stesso modo di una MEC, anche in questa tipologia di celle i microrganismi catalizzano l¿ossidazione degli acidi organici, generando CO2 e H+; in questo caso, però, il comparto nel quale avviene la reazione di riduzione è mantenuto in condizioni aerobiche, pertanto gli ioni H+ reagiscono con gli elettroni e l¿ossigeno, producendo acqua ed energia elettrica. In questa seconda tipologia di sistema bio-elettrochimico, perciò, il vantaggio apportato è la produzione di corrente elettrica e l¿ulteriore degradazione della sostanza organica, ma senza formazione di H2 aggiuntivo rispetto a quello prodotto durante la fase di dark fermentation.
Il sistema bio-elettrochimico oggetto di studio del presente progetto di ricerca, a differenza dei sistemi bio-elettrochimici esistenti, affronta le limitazioni della dark fermentation con un approccio innovativo, proponendo un sistema che può essere integrato direttamente nel processo fermentativo, e non esclude la possibilità di proseguire la stabilizzazione della sostanza organica residua con ulteriori fasi come quelle descritte. Facendo riferimento alla dissociazione dell¿acido acetico (CH3COOH¿CH3COO- + H+) è infatti interessante notare che i sistemi bio-elettrochimici descritti agiscono ossidando ulteriormente l¿acetato (CH3COO-), mentre il sistema proposto opera la trasformazione degli H+ già presenti nel reattore in forma dissociata durante lo svolgimento del processo fermentativo. Il sistema proposto, pertanto, genera una quantità di idrogeno prodotta per via elettrochimica che va a sommarsi alla produzione di tipo biochimico, senza che sia necessario fornire alcuna corrente elettrica al sistema, poiché essa si genera spontaneamente attraverso la reazione di ossidoriduzione che ha luogo nel sistema integrato reattore fermentativo/cella elettrochimica. Un ulteriore vantaggio dell¿integrazione, inoltre, è rappresentato dalla possibilità di ridurre la quantità di agenti chimici periodicamente utilizzati per contenere l¿acidificazione dei sistemi fermentativi, poiché la sottrazione dei protoni presenti nel sistema contribuisce a tamponare il pH. Gli obiettivi dell¿attività sperimentale presentata, infine, contribuiscono ad ampliare le conoscenze relative al comportamento dei microorganismi coinvolti nel processo fermentativo e all¿effetto generato dalle diverse condizioni ambientali, incluse le interazioni che potrebbero verificarsi con i processi di natura elettrochimica.