UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Scuola Politecnica e elle Scienze i Base Dipartimento i Ingegneria Civile, Eile e Ambientale CORSO DI STUDIO MAGISTRALE IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE E IL TERRITORIO CLASSE DELLE LAUREE MAGISTRALI IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE E IL TERRITORIO (CLASSE LM35) TESI DI LAUREA ANALISI SPERIMENTALE DELLE CONDIZIONI OTTIMALI DI FUNZIONAMENTO DI REATTORI DI PHOTOFERMENTATION IN VISTA DELL INGEGNERIZZAZIONE DEL PROCESSO. Relatore Ch.mo Prof. Ing. Massimiliano Fabbricino Caniata Lucia Cozzolino matricola M67/79 Correlatore Ing. Vincenzo Luongo Anno Accaemico 24 25

2 Abstract Jeremy Rifkin, nel suo saggio Economia all irogeno, asserisce: Il passaggio all irogeno sarà la terza grane rivoluzione inustriale ell epoca moerna. Secono il grane economista americano, unque, opo il turno el vapore e el petrolio si avvicina quello ell irogeno, in virtù non solo ell ormai consoliata certezza ell esaurimento imminente ei combustibili fossili, ma anche ell assente impatto ambientale attribuibile all utilizzo i tale nuovo vettore energetico. I motivi per cui l irogeno è consierato tra i più promettenti combustibili i nuova generazione sono connessi, in primo luogo, alla sua abbonante presenza, in ifferenti forme, in natura (esso costituisce il preominante elemento costitutivo ell universo), all elevato potere calorifico inferiore (pari a 9.9 MJ/Kg, più el oppio i quello ella benzina, 4 45 MJ/kg, e el metano, 5 MJ/kg) e, infine, alla sua combustione pulita, ovvero alla totale assenza i gas serra nei prootti i combustione. Inoltre, esso può essere utilizzato nelle celle a combustibile per prourre energia elettrica. La prouzione i irogeno per via biologica ha ricevuto, negli ultimi anni, particolare attenzione a parte ella comunità scientifica: essa, iversamente ai metoi traizionali, consente i svincolarsi all utilizzo i irocarburi affianosi esclusivamente a fonti i energia rinnovabili tra cui la biomassa e la luce solare. Tra i processi biologici capaci i prourre, etto quini bio-irogeno, i più noti sono: biofotolisi ell acqua, conotta a alcune microalghe e cianobatteri; fermentazione i composti organici a opera i batteri chemioeterotrofi e termofili, etta fermentazione al buio (Dark Fermentation); fermentazione i composti organici conotta a batteri fotosintetici anaerobici, in particolare i batteri rossi non sulfurei (PNSB - Purple Non-Sulfur Bacteria), etta fotofermentazione (Photofermentation). Recentemente, iversi stui hanno imostrato che i PNSB possono utilizzare, quali substrati organici utili a esplicare il proprio metabolismo, gli acii grassi a catena corta resiuanti a processi i Dark Fermentation; tali composti volatili possono essere agevolmente utilizzati come onatori i elettroni per la prouzione i bio-irogeno, con renimenti teorici notevolmente superiori rispetto a molti altri sistemi i prouzione ella stessa categoria (2 mol /mol glucosio).

3 Figura Patway metabolico preferenziale ei PNSB In tale contesto si colloca il presente lavoro i tesi, incentrato sul processo fotosintetico i prouzione i bioirogeno e, in particolare, sul monitoraggio i specifici parametri operativi (flussaggio con argon, conizioni i purezza elle colture biologiche, utilizzo colture miste e effetto ella sterilizzazione ei substrati) che affettano e conizionano la sostenibilità el processo e la sua iffusione in larga scala. La sperimentazione, conotta presso il Laboratorio i Analisi e Ricerche Ambientali (L.A.R.A) el Dipartimento i Ingegneria Civile, Eile e Ambientale (D.I.C.E.A), afferente all Università egli Stui i Napoli Feerico II, ha previsto l utilizzo sia i una coltura batterica mista arricchita i specifici PNSB, enominati Rhoobacter Sphaeroies, e sia i una coltura spontanea, ancora una volta mista, cresciuta grazie al conizionamento elle caratteristiche ell ambiente i reazione i un reattore contenente igestato, fango i risulta che si ottiene a un impianto in scala reale i Digestione Anaerobica. Per entrambi gli inoculi, testati in ifferenti conizioni operative, sono stati monitorati tutti i parametri collegati alla prouzione i bioirogeno e al consumo i acii grassi volatili (VFAs - Volatile Fatty Acis); nello specifico è stato confrontato il renimento ottenibile alimentano i PNSB con substrati sintetici con quello, invece, erivante all alimentazione con effluenti provenienti a reattori i Dark Fermentation (DFE - Dark Fermentation Effluent). Nella prima fase ella sperimentazione è stato utilizzato un substrato artificiale, caratterizzato a concentrazioni i acii organici volatili simili a quelle meie egli effluenti i reattori i Dark Fermentation alimentati con F.O.R.S.U. (Frazione Organica ei Rifiuti Solii Urbani). 2

4 La sterilizzazione ei substrati, non realizzabile in scala reale, è stata evitata così come l eliminazione ell aria presente nello spazio i testa ei reattori, otteneno, con la coltura mista ricca i Rhoobacter Sphaeroies, prouzioni moeste a causa ell elevata presenza i N 2, inibitore ell enzima nitrogenasi che risulta fonamentale nel processo i fotofermentazione. 4. Prouzione Cumulata e Concentrazione Biomassa (reattore Sint -) H2[ml] [g/l] Figura 2 - Prouzione cumulativa i irogeno e curva i crescita ei microrganismi (Coltura mista) Sono stati conotti successivi esperimenti (Figura 2) flussano argon all interno ei reattori per intervalli temporali ifferenti (così a eliminare prima parzialmente e poi totalmente l azoto allo spazio i testa), otteneno, in conclusione, che l eliminazione totale ell azoto presente in qualunque unità reattoristica volta alla prouzione fotosintetica i bioirogeno necessita la totale assenza i azoto molecolare. Prouzione Cumulata e concentrazione biomassa (reattore Sint-3) [g/l] Figura. 3 - Prouzione cumulativa i irogeno e curva i crescita ei microrganismi (Coltura mista) La secona parte ello stuio è stata conotta utilizzano esclusivamente effluenti i Dark Fermentation: in particolare è stato aoperato quale substrato un DFE i un reattore a regime 3

5 (ph pari a 5, rapporto tra acio butirrico e acio acetico maggiore i ) non sterilizzato e si è provveuto al flussaggio ei reattori con argon per almeno 2 minuti Prouzione Cumlata e Concentrazione Biomassa (reattore RBP-3) [g/l] Figura 4 - Prouzione cumulativa i irogeno e curva i crescita ei microrganismi (Coltura mista) Prouzione Cumulata e Concentrazione Biomassa (reattore RBPSP-3) [g/l] Figura 5 - Prouzione cumulativa i irogeno e curva i crescita ei microrganismi (Coltura spontanea) I risultati mostrati nelle Figure 3 e 4 hanno consentito, unque, i evienziare ue aspetti fonamentali in grao i conizionare la prouzione i bio-irogeno per via fotosintetica in qualunque unità reattoristica applicabile in scala reale: l eliminazione ell aria resiua nella fase inziale i start-up i tali fasi biologiche risulta essere inispensabile al fine i non conizionare in maniera irreversibile la formazione ella biomassa batterica in grao i attuare la prouzione i biogas a elevato tenore i irogeno; l utilizzo i culture pure e l attuazione i conizioni asettiche sono risultate non inispensabili al fine i ottenere rese i prouzione i bio-irogeno che renano il processo sostenibile. 4