Analisi tecnica di processi fermentativi per la produzione di idrogeno e metano da scarti agroindustriali = Technical analysis of fermentation processes for the production of hydrogen and methane from agro-industrial waste

L’aumento della produzione dei rifiuti organici, associato alla crescente domanda energetica e alla dipendenza dei combustibili fossili, rappresenta una delle principali sfide ambientali del nostro tempo. Le pratiche di gestione tradizionali dei rifiuti, come conferimento in discarica, incenerimento e compostaggio, risultano sempre più impattanti a causa delle elevate emissioni di gas serra, costi di trattamento e scarsa efficienza nel recupero di energia. È pertanto necessario sviluppare soluzioni capaci di coniugare il trattamento dei rifiuti con la produzione di energia rinnovabile. In questo contesto, il bioidrogeno rappresenta un vettore energetico strategico, grazie al suo alto potere calorifico (142 kJ/g) e all’assenza di emissioni di CO2 durante la combustione. La sua produzione mediante dark fermentation (DF) consente di convertire le biomasse e gli scarti organici in energia pulita. Rispetto ad altri processi biologici, la DF presenta numerosi vantaggi: utilizza substrati a basso costo, non richiede sterilità né inoculi coltivati su substrati ad hoc e produce un digestato ricco in acidi grassi volatili a catena corta, valorizzabile in processi successivi di digestione anaerobica (AD). Scopo della tesi è quello di produrre bioidrogeno attraverso DF, ottimizzando le condizioni operative e sperimentando l’integrazione del processo con la AD in una configurazione a doppio stadio (TSAD), per massimizzare la produzione di metano e il recupero energetico complessivo. Le prove sperimentali sono state condotte in reattori batch in condizioni mesofile (35 °C) e termofile (55 °C), utilizzando come substrati scarti ortofrutticoli (FVW), costituiti da bucce di mela e minestrone commerciale, e acque reflue dalla produzione di marmellata (JWW). L’inoculo impiegato proviene da digestato agricolo mesofilo ed è stato sottoposto a diversi pretrattamenti termici con lo scopo di inibire i microrganismi metanigeni in DF, mentre il substrato è stato sottoposto a trattamento termico e ultrasuoni. Inoltre, è stato studiato l’effetto dell’aggiunta di biochar in DF e AD, al fine di valutare il suo ruolo come materiale poroso in grado di migliorare la stabilità e la resa del processo. La condizione più efficace in DF mesofila è stata quella con inoculo pretrattato a 80 °C, substrato e biochar, con una resa massima di idrogeno pari a 67,4 NmL/gvs, mentre in termofilia la resa ha raggiunto 128 NmL/gvs. Il digestato derivante dalla DF è stato poi alimentato alla TSAD, ottenendo una produzione massima di 235 NmL/gvs e un biogas con un contenuto di metano pari al 90% nella prova sperimentale in cui il biochar è stato aggiunto nel secondo stadio. I risultati complessivi dimostrano l’efficacia della DF in termini di produzione di H2 da rifiuti organici, garantendo tempi di processi brevi e un elevato grado di valorizzazione della frazione organica facilmente biodegradabile. L’integrazione con la TSAD consente di massimizzare il recupero energetico, la stabilità del sistema e ottenere biogas ad alto tenore di metano. Dunque, questo approccio rappresenta una possibile soluzione scalabile per la gestione dei rifiuti organici e la produzione di bioenergia rinnovabile, in linea con gli obiettivi dell’economia circolare e della decarbonizzazione.