Biological hydrogen production through Dark and Photo Fermentation and its applications for CO2 bio-methanation

L’idrogeno è riconosciuto come un promettente vettore energetico utile ad affrontare i problemi del riscaldamento globale, offrendo un’alternativa sostenibile ai combustibili fossili tradizionali. Tuttavia, la produzione di idrogeno ad oggi è quasi interamente basata sulla conversione di combustibili fossili, ed è associata a significative emissioni di carbonio in atmosfera. Reimmaginare lo scenario di produzione ed utilizzo dell’idrogeno è essenziale affinché questo possa diventare una valida fonte di energia pulita per una società a zero emissioni. Tra i metodi sostenibili di produzione di idrogeno, i processi biologici stanno guadagnando molto interesse negli ultimi anni, in quanto permettono la conversione di rifiuti organici ad idrogeno, in condizioni operative energeticamente favorevoli e con minime emissioni nette di gas serra. L’obiettivo della tesi è i) valutare la produzione di idrogeno da rifiuti alimentari e fanghi di supero tramite accoppiamento dei processi di Dark Fermentation e Photo Fermentation, valutandone la scalabilità da scala di laboratorio a quella pilota, e ii) sfruttare l’idrogeno prodotto per la produzione di e-fuel tramite metanazione biologica. Nella Dark Fermentation, i migliori risultati sono stati ottenuti in semicontinuo su scala da laboratorio, mentre lo scale-up a pilota ha evidenziato una diminuzione delle rese e della stabilità del processo. L’accoppiamento con la Photo Fermentation è risultato praticabile grazie all’uso di ceppi batterici mutati più tolleranti all’azoto ammoniacale. Nella bio-metanazione della CO2, è stata evidenziata la fattibilità del processo, pur con rese di conversione non ancora ottimali.

Hydrogen has been widely recognized as a promising energy vector to address global warming problems, offering a carbon-free and environmentally friendly alternative to fossil fuels. However, hydrogen production is nowadays almost entirely fossil-based and associated with intense carbon emissions. Reconceptualizing hydrogen production and utilization in an environmentally sustainable manner is imperative for it to become a viable clean energy source in a zero-carbon society. Among sustainable hydrogen production methods, biological processes have gained a lot of interest in recent years, allowing the conversion of organic waste into hydrogen under mild operative conditions and with minimal net greenhouse emissions. The objective of the thesis is i) to evaluate hydrogen production from food wastes and waste activated sludge by coupling Dark and Photo fermentation, and to assess its scalability from laboratory to pilot scale, and ii) to exploit hydrogen for e-fuel production through biological methanation. In Dark Fermentation, the best results were obtained under semi-continuous laboratory scale, while at pilot scale the process resulted in lower stability and yields. The coupling of the process with Photo Fermentation resulted feasible when mutated strains of bacteria, more tolerant to ammonia concentration, were involved. The CO2 bio-methanation tests demonstrated the feasibility of the process, although satisfactory conversion yields were unattained.