Produzione continua di idrogeno da siero di latte ultrafiltrato in reattore MBR

This study focuses on the possible energy exploitation, by means of hydrogen production, of cheese whey, which is the main of the main wastewater of the dairy industry. Hydrogen was obtained by feeding the cheese whey to an MBR pilot plant developed at laboratory scale, operating in mesophilic anaerobic conditions, with pH equal to 5.5 and SRT of 6 days and having as inoculum pure microbial consortium of Clostridium strain. The feede concentrations of COD and nitrogen were varied progressively from 12.5 to 50 g COD L-1 and between 93.8 and 375 mg L-1 respectively, while maintaining a constant N / COD ratio and equal to 7.5 mg g -1. The plant worked for 107 days, and in this period periodic analyses both for the biogas produced and for the mixed liquor were carried out; in particular COD, nitrogen content, biomass concentration and its produced metabolites were investigated. The driving of the continuous process has allowed to obtain a stable production of biogas composed only by carbon dioxide and hydrogen, the latter present in percentages ranging between 8 and 38 %. The pure microbial consortium used was sensitive against phenomena of contamination by other bacteria, which influenced the yield of hydrogen production, resulted on average equal to 0.81 ± 0.38 mol H2 mol-1 lactose. Batch tests were conducted in parallel with continuous experimentation and they showed that, after successful contamination of the reactor, the use of a thermally pretreated anaerobic digestate allows to obtain best yields. The hydraulic performance of the membrane have always mantained at good levels, in terms of applied TMP, as a result of the low content of suspended solids and the phases of relaxation set for the maintenance of adequate values of SRT. The results obtained suggest that a configuration MBR can be used for the production of hydrogen from whey, however, the use of a pure microbial consortium brings significant management process that could not be sustainable at a scale greater than that of the laboratory.

Il presente elaborato ha come oggetto di studio la possibile valorizzazione energetica, mediante produzione idrogeno, del principale refluo di processo dell’industria casearia, il siero di latte, ottenuta alimentando quest’ultimo a un impianto pilota MBR sviluppato a scala di laboratorio, operante in condizioni anaerobiche mesofile, con pH pari a 5.5 e SRT di 6 giorni e avendo come biomassa di inoculo un consorzio microbico puro selezionato in laboratorio. Le concentrazioni di COD e azoto alimentate sono state variate progressivamente da 12.5 a 50 g COD L-1 e tra 93.8 e 375 mg N L-1, mantenendo un rapporto N/COD costante e pari a 7.5 mg g-1. Nei 107 giorni di funzionamento dell’impianto si sono eseguite analisi periodiche atte a caratterizzare sia il biogas prodotto che l’ambiente di reazione, di cui sono stati monitorati in particolare il COD, l’azoto presente, la concentrazione di biomassa e i metaboliti da essa prodotti. La conduzione del processo in continuo ha permesso di ottenere una produzione stabile di biogas composto unicamente da anidride carbonica e idrogeno, quest’ultimo presente in percentuali comprese tra l’8 e il 38 %. Il consorzio microbico puro utilizzato si è dimostrato sensibile nei confronti di fenomeni di contaminazione da parte di altri batteri, che ne hanno influenzato la resa di produzione di idrogeno, risultata mediamente pari a 0.81 ± 0.38 mol H2 mol-1 lattosio. Prove in batch condotte parallelamente all’attività in continuo hanno mostrato che, a seguito dell’avvenuta contaminazione del reattore, l’utilizzo di un digestato anaerobico pretrattato termicamente consente di ottenere migliori rese produttive. Le prestazioni idrauliche della membrana si sono sempre mantenute su buoni livelli, in termini di TMP applicate, in conseguenza del basso tenore di solidi sospesi e delle fasi di relaxation impostate per il mantenimento di adeguati valori di SRT. I risultati ottenuti suggeriscono che una configurazione MBR può essere utilizzata per la produzione di idrogeno da siero di latte, tuttavia l’utilizzo di un consorzio microbico puro porta complicazioni gestionali del processo che possono non essere sostenibili ad una scala maggiore di quella di laboratorio.