Produzione continua di idrogeno tramite dark fermentation di siero di latte. Indagine sperimentale per l'ottimizzazione del processo

This thesis focused on biological hydrogen production by dark fermentation of cheese whey. The aim was gained insights into the factors that optimize the whole process and the hydrogen production rate. The fermentative process was carried out in a CSTR reactor, at 36°C, pH 5,5 and HRT of 9 h. Three main research activities were conducted. The first two experiments, nitrogen sparging and inhibition of acids added in the feeding medium, assessed the influence of an external perturbation on the process performance and biological hydrogen production. Nitrogen sparging of 85 NmL/min resulted to enhance the hydrogen production of 40,5%. Acetic acid inhibited the fermentation process by decreasing the hydrogen production of 72% when the total acid concentration (sum of acetic and butyric) was equal to 17,68 mM undissociated; the butyric acid instead decreased the hydrogen production of 59% with a total acid concentration (sum of acetic and butyric) of 18,40 mM undissociated. Relative activity was reduced by 50% for 8,8 mM undissociated of acetic acid added and for 8,2 mM undissociated of butyric acid added. The last part of the study aimed at assessing the influence of different type of cheese whey on the reactor performance and hydrogen production. For The hydrogen production was about 0,05 NL/h when ultrafiltrated CW was used, while it increased to 0,22 NL /h with the permeate and concentrated CW as influent.

Lo scopo di questa tesi è lo studio del processo biologico di dark fermentation per la produzione di idrogeno da siero di latte con l'obiettivo generale rivolto all'ottimizzazione complessiva della conduzione del processo e della resa di produzione. Il processo biologico è stato condotto su un impianto pilota a scala di laboratorio in un reattore completamente miscelato (CSTR) ad una temperatura di 36°C, pH 5,5 e HRT pari a 9 ore. La sperimentazione è stata condotta attraverso tre attività. I primi due esperimenti, sparging di azoto e inibizione da acidi organici indissociati (acetico e butirrico) aggiunti separatamente in continuo in alimento, hanno avuto lo scopo di indagare l’effetto di un disturbo esterno sull’efficienza del processo e la produzione di idrogeno. Lo sparging ha comportato un aumento della produzione di idrogeno del 40,5% con una portata di azoto di 85 NmL/min. L’aggiunta di acido acetico ha ridotto la produzione di idrogeno del 72% con un valore di acidi totali indissociati (acetico e butirrico) all’interno del reattore di 17,68 mM; l’aggiunta di acido butirrico ha ridotto la produzione di idrogeno del 59% con un valore di acidi totali indissociati (acetico e butirrico) all’interno del reattore di 18,40 mM. L’attività relativa è stata inibita del 50% per concentrazioni di 8,8 mM indissociate di acido acetico aggiunto e per concentrazioni di 8,2 mM indissociate di acido butirrico aggiunto. L’ultima parte della sperimentazione è stata rivolta al monitoraggio delle performance del reattore e della produzione di idrogeno al variare del tipo di siero alimentato. Per il siero ultrafiltrato si sono riscontrati livelli di produzione di idrogeno pari a 0,05 NL/h. Utilizzando il siero di latte permeato concentrato e riavviando il reattore facendo acclimatare la biomassa indigena il valore di produzione medio ottenuto è stato pari a 0,22 NL/h.