Studio del processo di produzione biologica d’idrogeno mediante Dark fermentation

Abstract

I problemi dell’energia, delle risorse e dell’ambiente sono strettamente connessi con lo sviluppo crescente delle attività umane, responsabili dei cambiamenti nei sistemi naturali. L’eccessiva abbondanza dei materiali di scarico e la loro distribuzione disomogenea nei comparti geologici di ciascun ciclo modificano la velocità di flusso e i tempi di turnover con cui gli elementi fondamentali circolano, alterando i cicli biogeochimici e provocando il fenomeno dell’inquinamento. La fermentazione anaerobica delle biomasse di scarto costituisce un processo molto promettente di produzione di bioidrogeno, vettore energetico ecologicamente sostenibile rispetto ai combustibili fossili, offrendo la possibilità di contenere i costi di smaltimento dei rifiuti, trasformandoli in risorsa e di massimizzare il riciclo dei materiali che, se non opportunamente trattati, costituirebbero un macroscopico fattore d’impatto ambientale. Lo scopo di questo studio sperimentale è stato l’ottimizzazione del processo di produzione di idrogeno per fermentazione anaerobica di biomasse residuali provenienti dagli scarti delle lavorazioni agro-industriali e zootecniche (scotta, glicerolo, letame, liquame ed insilato di sorgo). Inoltre, essendo la produzione di idrogeno parte integrante della digestione anaerobica per la produzione di metano, lo studio è stato anche finalizzato a valutare il ruolo di tale processo e quello di una comunità di idrogeno produttori sull’efficienza della metanogenesi. Il consorzio microbico idrogeno produttore, utilizzato per l’ottimizzazione del processo, è stato isolato da sedimenti marini costieri utilizzando il glucosio come substrato. La resa ottenuta (1,68 mol H2/mol glucosio) è risultata paragonabile alle 2 moli teoriche massime ottenibili nelle stesse condizioni sperimentali. Lo studio ha inoltre evidenziato che le diverse biomasse di scarto, utilizzate separatamente e in codigestione tra loro, sono substrati idonei alla produzione biologica di idrogeno attraverso dark fermentation. Un incremento delle rese di produzione di 2-3 volte sui substrati singoli è stato ottenuto in seguito al pretrattamento di sterilizzazione delle biomasse, che, probabilmente, ha favorito l’eliminazione dei batteri non sporigeni idrogeno consumatori presenti come flora indigena nei substrati, in particolare negli scarti zootecnici. Il pathway metabolico dominante è risultato essere quello di una fermentazione acido-mista compatibile con la presenza delle comunità dei microrganismi idrogeno-produttori (Enterobacter e Clostridium) individuati dalla caratterizzazione molecolare dell’inoculo. Dai risultati di questo studio è stato inoltre dimostrato e confermato che tramite l’aggiunta della comunità batterica idrogeno produttrice al naturale consorzio di produzione di biogas, si ottiene un incremento della produzione di metano compresa tra il 31% e il 48%. Ciò conferma il ruolo chiave dei batteri idrogeno-produttori nel processo di digestione anaerobica.

The environmental impact of energy and reserves depends on increasing human-related activities. Waste material accumulation causes irregular allocation modifying biogeochemical cycle flow and creating pollution. Hydrogen is considered one of the most promising candidates as a substitute for fossil fuel, because it is clean, renewable and has a high energy yield. Furthermore the use of biomass waste to produce bio-hydrogen can fulfill the goal of waste reduction by avoiding the impact of its disposal into the environment. The aim of the present study was to investigate the feasibility of bio-hydrogen production by dark fermentation using agro-industrial wastes (cheese whey, manure, glycerol and silage sorgum). Furthermore considering dark fermentation as integral part of anaerobic digestion the aim was also to improve the overall methane yield during the final anaerobic digestion phase. The microbial hydrogen-producing consortium isolated from marine lake sediment has been identified as suitable microbial pool able to produce high hydrogen yield (1,68 mol H2/mol glu) as compared to literature (2 mole maximum theorethical yield) under the same experimental conditions. The present survey also investigated different type of wastes deriving from agro-industrial and zootechnical farms. Through this study, wastes were evaluated individually and by codigestion biomasses; all discard products were able of producing hydrogen through dark fermentation. Furthermore sterilization treatment increased of two/three time production yield probably avoiding non sporogenic hydrogen consuming bacteria present as indigenous flora in the biomasses. Hydrogen-producing mixed acid pathway has been investigated as the dominant pathway, that resulted consistent with hydrogen-producing bacteria identified during this research (Enterobacter e Clostridium). This study confirmed and further demonstrated that by adding hydrogen production bacteria to the natural methane production consortium it is possible to obtain a methane production improvement between 31 and 48%. This confirms the hydrogen production key-role even during anaerobic digestion process.