BIOHYDROGEN PRODUCTION FROM ORGANIC WASTE VIA DARK FERMENTATION: INTEGRATING GENOME-SCALE MODELING AND PROCESS OPTIMIZATION

LA TRANSIZIONE VERSO SISTEMI ENERGETICI SOSTENIBILI RICHIEDE TECNOLOGIE IN GRADO DI PRODURRE COMBUSTIBILI A EMISSIONI ZERO, AFFRONTANDO AL CONTEMPO LE SFIDE LEGATE ALLA GESTIONE DEI RIFIUTI ORGANICI. LA PRESENTE TESI DI DOTTORATO INDAGA LA PRODUZIONE BIOLOGICA DI IDROGENO DA MATRICI DI RIFIUTI ORGANICI ATTRAVERSO IL PROCESSO DI DARK FERMENTATION, ADOTTANDO UN APPROCCIO INTEGRATO CHE COMBINA L'OTTIMIZZAZIONE SPERIMENTALE DEI PROCESSI, LA MODELLIZZAZIONE METABOLICA BASATA SUI VINCOLI E LA VALORIZZAZIONE A VALLE DEI SOTTOPRODOTTI DELLA FERMENTAZIONE. UNA REVISIONE SISTEMATICA DELLA LETTERATURA CHE APPLICA LA METODOLOGIA PRISMA HA ANALIZZATO 34 STUDI SOTTOPOSTI A REVISIONE PARITARIA PER IDENTIFICARE STRATEGIE DI PRETRATTAMENTO EFFICACI PER MIGLIORARE LE RESE DI BIOIDROGENO. IL PRETRATTAMENTO TERMICO È EMERSO COME L'INTERVENTO SINGOLO PIÙ EFFICACE, AUMENTANDO LA DOMANDA CHIMICA DI OSSIGENO SOLUBILE DEL 40-60% E RIDUCENDO LA FASE DI LATENZA DELLA FERMENTAZIONE DI CIRCA IL 40%. PER I MATERIALI LIGNOCELLULOSICI RECALCITRANTI, GLI APPROCCI FISICO-CHIMICI INTEGRATI HANNO OTTENUTO PRESTAZIONI SUPERIORI RISPETTO AI TRATTAMENTI INDIVIDUALI. SULLA BASE DI QUESTI RISULTATI, È STATO SVILUPPATO UN INNOVATIVO SISTEMA DI FERMENTAZIONE AL BUIO IN DUE FASI GUIDATO DAL LATTATO (LD-DF) PER CONVERTIRE I FONDI DI CAFFÈ ESAUSTI E IL SIERO DI LATTE IN BIOIDROGENO. LA SEPARAZIONE SPAZIALE TRA LA PRODUZIONE DI LATTATO (PH 4,5 - 5,0) E LA GENERAZIONE DI IDROGENO (PH 6,0 - 6,5) HA CONSENTITO DI OTTENERE RESE DI IDROGENO SUPERIORI DEL 35 - 45% RISPETTO AL FUNZIONAMENTO CONVENZIONALE A STADIO SINGOLO, MANTENENDO AL CONTEMPO UN'ECCEZIONALE STABILITÀ DI PROCESSO (INDICE DI STABILITÀ DELLA PRODUZIONE DI IDROGENO < 0,12) NEL CORSO DI CICLI OPERATIVI DI 60-90 GIORNI. IN CONDIZIONI TERMOFILE OTTIMIZZATE (55 °C), I TASSI VOLUMETRICI DI PRODUZIONE DI IDROGENO HANNO RAGGIUNTO 4,4 ± 0,5 L H₂/L·D. L'AGGIUNTA DI NANOPARTICELLE DI MAGNETITE (50 - 200 MG/L) HA ULTERIORMENTE AUMENTATO LA PRODUZIONE DEL 25 - 35%. LA MODELLIZZAZIONE METABOLICA BASATA SUI VINCOLI, UTILIZZANDO L'ANALISI DEL BILANCIO DEI FLUSSI, HA FORNITO UN QUADRO COMPUTAZIONALE PER PREVEDERE I LIMITI BIOLOGICI CHE REGOLANO LA PRODUZIONE DI IDROGENO. LE SIMULAZIONI CONDOTTE UTILIZZANDO SIA LA PIATTAFORMA PYTHON/COBRAPY CHE QUELLA KBASE HANNO DIMOSTRATO UNA RAGIONEVOLE CONCORDANZA PER GLI SCENARI BASATI SULL’UTILIZZO DI CLOSTRIDIUM (SCOSTAMENTI DELL'8 - 17%), RIVELANDO AL CONTEMPO DIFFERENZE DIPENDENTI DAL SUBSTRATO NELLE DISTRIBUZIONI PREVISTE DEI FLUSSI METABOLICI. L'ANALISI DEL PREZZO OMBRA HA CORRETTAMENTE IDENTIFICATO LA DISPONIBILITÀ DI FERRO COME FATTORE LIMITANTE, FORNENDO UNA GIUSTIFICAZIONE COMPUTAZIONALE PER LA STRATEGIA SPERIMENTALE DI INTEGRAZIONE CON NANOPARTICELLE. LA COMPONENTE DI VALORIZZAZIONE DEL DIGESTATO HA SVILUPPATO UNA TECNOLOGIA A CONTATTORE A MEMBRANA PER IL RECUPERO SIMULTANEO DI AMMONIACA E ACIDI GRASSI VOLATILI DAGLI EFFLUENTI DELLA FERMENTAZIONE OSCURA. IN CONDIZIONI OTTIMIZZATE (PH 5,5, AGENTE ESTRAENTE NAOH 2 M, RICIRCOLO A 500 ML/MIN), IL SISTEMA HA RAGGIUNTO UN RECUPERO DI AMMONIACA DEL 24,5% E UN RECUPERO COMPRESO TRA IL 42% E IL 53% DEI SINGOLI ACIDI GRASSI VOLATILI DA UN BRODO DI FERMENTAZIONE SINTETICO. L'APPLICAZIONE A EFFLUENTI REALI DI RIFIUTI ALIMENTARI HA DIMOSTRATO UN RECUPERO DI AMMONIACA DEL 22,7% E UN RECUPERO DI VALERATO FINO AL 67,9%, CONFERMANDO L'APPLICABILITÀ PRATICA. QUESTO LAVORO RAPPRESENTA LA PRIMA APPLICAZIONE DOCUMENTATA DI LIQUIDI IONICI PER IL RECUPERO DELL'AMMONIACA IN CONTATTORI A MEMBRANA. L'INTEGRAZIONE DEI RISULTATI SPERIMENTALI CON LE PREVISIONI COMPUTAZIONALI STABILISCE UN QUADRO COMPLETO PER LO SVILUPPO DI PROCESSI DI BIOIDROGENO. QUESTA RICERCA DIMOSTRA PERCORSI PRATICI PER CONVERTIRE I FLUSSI DI RIFIUTI ORGANICI IN VETTORI DI ENERGIA RINNOVABILE E PRODOTTI CHIMICI DI BASE ALL'INTERNO DI UN PARADIGMA DI ECONOMIA CIRCOLARE, IDENTIFICANDO SIA LE OPPORTUNITÀ CHE I VINCOLI CHE REGOLANO L'IMPLEMENTAZIONE INDUSTRIALE.

THE TRANSITION TOWARD SUSTAINABLE ENERGY SYSTEMS REQUIRES TECHNOLOGIES CAPABLE OF PRODUCING CARBON-NEUTRAL FUELS WHILE SIMULTANEOUSLY ADDRESSING ORGANIC WASTE MANAGEMENT CHALLENGES. THIS DOCTORAL THESIS INVESTIGATES THE BIOLOGICAL PRODUCTION OF HYDROGEN FROM ORGANIC WASTE MATRICES THROUGH DARK FERMENTATION, EMPLOYING AN INTEGRATED APPROACH THAT COMBINES EXPERIMENTAL PROCESS OPTIMIZATION, CONSTRAINT-BASED METABOLIC MODELING, AND DOWNSTREAM VALORIZATION OF FERMENTATION BY-PRODUCTS. A SYSTEMATIC LITERATURE REVIEW APPLYING PRISMA METHODOLOGY ANALYZED 34 PEER-REVIEWED STUDIES TO IDENTIFY EFFECTIVE PRETREATMENT STRATEGIES FOR ENHANCING BIOHYDROGEN YIELDS. THERMAL PRETREATMENT EMERGED AS THE MOST EFFECTIVE SINGLE INTERVENTION, INCREASING SOLUBLE CHEMICAL OXYGEN DEMAND BY 40 - 60% AND REDUCING FERMENTATION LAG PHASE BY APPROXIMATELY 40%. FOR RECALCITRANT LIGNOCELLULOSIC MATERIALS, INTEGRATED PHYSICAL-CHEMICAL APPROACHES ACHIEVED SUPERIOR PERFORMANCE COMPARED TO INDIVIDUAL TREATMENTS. BUILDING UPON THESE FINDINGS, AN INNOVATIVE TWO-STAGE LACTATE-DRIVEN DARK FERMENTATION (LD-DF) SYSTEM WAS DEVELOPED FOR CONVERTING SPENT COFFEE GROUNDS AND CHEESE WHEY INTO BIOHYDROGEN. THE SPATIAL SEPARATION OF LACTATE PRODUCTION (PH 4.5 - 5.0) FROM HYDROGEN EVOLUTION (PH 6.0 - 6.5) ACHIEVED HYDROGEN YIELDS 35 - 45% HIGHER THAN CONVENTIONAL SINGLE-STAGE OPERATION WHILE MAINTAINING EXCEPTIONAL PROCESS STABILITY (HYDROGEN PRODUCTION STABILITY INDEX < 0.12) OVER 60 - 90-DAY OPERATIONAL CAMPAIGNS. UNDER OPTIMIZED THERMOPHILIC CONDITIONS (55°C), VOLUMETRIC HYDROGEN PRODUCTION RATES REACHED 4.4 ± 0.5 L H₂/L·D. SUPPLEMENTATION WITH MAGNETITE NANOPARTICLES (50 - 200 MG/L) FURTHER ENHANCED PRODUCTION BY 25 - 35%. CONSTRAINT-BASED METABOLIC MODELING USING FLUX BALANCE ANALYSIS PROVIDED A COMPUTATIONAL FRAMEWORK FOR PREDICTING THE BIOLOGICAL LIMITATIONS GOVERNING HYDROGEN PRODUCTION. SIMULATIONS CONDUCTED USING BOTH PYTHON/COBRAPY AND KBASE PLATFORMS DEMONSTRATED REASONABLE AGREEMENT FOR CLOSTRIDIUM-BASED SCENARIOS (DEVIATIONS OF 8 - 17%), WHILE REVEALING SUBSTRATE-DEPENDENT DIFFERENCES IN PREDICTED METABOLIC FLUX DISTRIBUTIONS. SHADOW PRICE ANALYSIS CORRECTLY IDENTIFIED IRON AVAILABILITY AS A LIMITING FACTOR, PROVIDING COMPUTATIONAL JUSTIFICATION FOR THE EXPERIMENTAL NANOPARTICLE SUPPLEMENTATION STRATEGY. THE DIGESTATE VALORIZATION COMPONENT DEVELOPED MEMBRANE CONTACTOR TECHNOLOGY FOR SIMULTANEOUS RECOVERY OF AMMONIA AND VOLATILE FATTY ACIDS FROM DARK FERMENTATION EFFLUENTS. UNDER OPTIMIZED CONDITIONS (PH 5.5, 2M NAOH EXTRACTANT, 500 ML/MIN RECIRCULATION), THE SYSTEM ACHIEVED 24.5% AMMONIA RECOVERY AND 42 - 53% RECOVERY OF INDIVIDUAL VOLATILE FATTY ACIDS FROM SYNTHETIC FERMENTATION BROTH. APPLICATION TO REAL FOOD WASTE EFFLUENT DEMONSTRATED 22.7% AMMONIA RECOVERY AND UP TO 67.9% VALERATE RECOVERY, CONFIRMING PRACTICAL APPLICABILITY. THIS WORK REPRESENTS THE FIRST REPORTED APPLICATION OF IONIC LIQUIDS FOR AMMONIA RECOVERY IN MEMBRANE CONTACTORS. THE INTEGRATION OF EXPERIMENTAL FINDINGS WITH COMPUTATIONAL PREDICTIONS ESTABLISHES A COMPREHENSIVE FRAMEWORK FOR BIOHYDROGEN PROCESS DEVELOPMENT. THIS RESEARCH DEMONSTRATES PRACTICAL PATHWAYS FOR CONVERTING ORGANIC WASTE STREAMS INTO RENEWABLE ENERGY CARRIERS AND PLATFORM CHEMICALS WITHIN A CIRCULAR ECONOMY PARADIGM, IDENTIFYING BOTH THE OPPORTUNITIES AND CONSTRAINTS GOVERNING INDUSTRIAL IMPLEMENTATION.