L¿attività di ricerca proposta prevede lo studio di un processo innovativo bio-elettrochimico per la produzione contestuale di H2 ed energia elettrica da scarti organici biodegradabili. A tale scopo sarà eseguita una campagna sperimentale di dark fermentation per la produzione biologica di H2, integrata con un processo elettrochimico che consentirà la contestuale produzione elettrochimica di H2 ed energia elettrica dalla riduzione dei protoni derivanti dalla dissociazione degli acidi organici volatili prodotti.
Nella prima fase della ricerca saranno condotte in parallelo due indagini: a) approfondimento del processo di dark fermentation allo scopo di indirizzare i percorsi metabolici verso la produzione di H2 e massimizzare le rese ottenibili per via fermentativa; b) studio delle rese di conversione degli acidi organici volatili in H2 per via elettrochimica in celle galvaniche. In seguito, i due processi saranno combinati in un sistema batch integrato allo scopo di studiare l¿interazione tra le reazioni di natura elettrochimica e quelle di tipo biochimico coinvolte nella produzione di H2 ed energia elettrica. L¿obiettivo finale che si intende perseguire è la valutazione delle rese del processo integrato bio-elettrochimico dal punto di vista biochimico e termodinamico, ai fini di un suo trasferimento in piena scala. A tal scopo sarà condotta un¿attività sperimentale su substrati organici biodegradabili (siero caseario e/o altri residui organici biodegradabili), con l¿ausilio di reattori anaerobici strumentati e dotati di controllo automatico, che consentirà di individuare le condizioni operative del processo necessarie a garantire la massimizzazione delle rese di conversione in H2 e di produzione di energia elettrica, nonché a mantenere la stabilità del processo bio-elettrochimico nel tempo.
Lo sviluppo di un sistema integrato bio-elettrochimico per la produzione di H2 può consentire di affrontare le limitazioni connesse alla natura biologica del processo di dark fermentation, con un approccio finora mai sperimentato. I vantaggi apportati dal sistema descritto sono molteplici: alle rese di produzione di H2 ottenibili per via biochimica tramite dark fermentation si somma la produzione di H2 per altra via (elettrochimica) all¿interno dello stesso reattore di fermentazione; a differenza degli esistenti processi bio-elettrochimici di post-trattamento, non deve essere fornita alcuna corrente elettrica al sistema, in quanto essa si genera spontaneamente tramite la reazione di ossidoriduzione che ha luogo nel sistema combinato reattore-cella galvanica. La sottrazione dei protoni presenti nel reattore, inoltre, ha un effetto positivo anche sulla progressiva acidificazione del sistema di fermentazione, poiché contribuisce a tamponare il pH e di conseguenza rende possibile ridurre le quantità di agenti chimici che è necessario impiegare per il controllo del pH.
La ricerca proposta, inoltre, si pone l¿obiettivo di ottenere un approfondimento della conoscenza generale del processo fermentativo di produzione di H2. Ad oggi infatti, nonostante le dimostrate potenzialità della dark fermentation e la fattibilità tecnica, non è stato ancora possibile realizzare impianti a scala reale. Le condizioni di processo influenzano notevolmente lo svolgimento dei percorsi metabolici e spesso i risultati ottenuti in studi che adottano approcci diversi portano a conclusioni contrastanti. Tra i principali parametri identificati come governatori del processo si annoverano il pH, la temperatura, la configurazione del reattore, il tipo di inoculo e il pretrattamento adottato, il substrato e la presenza di co-substrati, le condizioni operative adottate soprattutto in termini di tempo di residenza idraulica e carico organico. La forte influenza provocata singolarmente da tali fattori si combina, inoltre, ad una loro interazione sinergica, portando nel complesso a variazioni delle rese di produzione differenti anche di tre ordini di grandezza a seguito della variazione anche di uno solo dei parametri indicati. Gli studi scientifici sull¿argomento attualmente disponibili in letteratura non consentono ancora di dare una previsione adeguata del comportamento del processo in piena scala, a causa dell¿incertezza relativa all¿influenza dei singoli fattori coinvolti e delle loro interazioni.
L¿attività di ricerca proposta, pertanto, si pone anche l¿obiettivo di approfondire la conoscenza dell¿influenza dei diversi fattori presentati, attraverso un sistema sperimentale di produzione fermentativa di H2 da substrati organici di scarto quali rifiuti agro-industriali e/o scarti alimentari, nel quale saranno adottate diverse condizioni operative. Lo scopo della sperimentazione sarà individuare le combinazioni operative che consentono di orientare i processi metabolici verso una maggiore produzione di H2, contribuendo a fornire ulteriori risultati sperimentali relativi a tale tematica per chiarire gli aspetti ancora oscuri del processo nella prospettiva di un¿applicazione a scala reale.