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WHISPER | Valorization of cheese Whey by Hydrogen productIon in bio-electrochemical Systems catalyzed with PurplE bacteRia

 

 

Referente scientifico

Alessandra Adessi

Gruppo di lavoro

Alessandra Adessi, Matteo Daghio, Carlo Viti, Lisa Granchi, Luca Bernabò, Chiara Capelli

Partner del progetto

IRSA-CNR, Roma

Principali obiettivi

L’obiettivo principale di WHISPER è sviluppare tecnologie innovative per la produzione bioelettrochimica di H2 dal siero di latte (CW), per favorire la gestione energetica sostenibile della catena di produzione del formaggio. Questo obiettivo verrà raggiunto attraverso 8 obiettivi specifici:

1. Identificare le condizioni fermentazione più efficaci e le particelle elettricamente conduttrici più efficaci per migliorare il processo di fermentazione del refluo caseario (CW-DF)
2. Identificare le condizioni operative ottimali di CW-DF, per favorire e guidare la conversione anaerobica cooperativa/sintrofica del CW in acidi grassi volatili (VFA)
3. Identificare l'effetto dei parametri chiave del processo sulla cinetica del siero di latte fermentato (FCW), sull'efficienza di rimozione del COD e sulla generazione di corrente elettrica
4. Identificare le condizioni ottimali per il trattamento anodico di FCW per l'impostazione e il funzionamento del processo integrato
5. Comprendere i parametri operativi ottimali per la produzione catodica di H2 definendo il potenziale dell'elettrodo e la necessità di mediatori redox esogeni
6. Identificare il percorso per l'assorbimento degli elettroni e la produzione di H2 nel sistema di studio
7. Costruire un prototipo per l'ulteriore integrazione e aumento di scala
8. Comunicare in modo efficace alle parti interessate i risultati raggiunti e il potenziale della produzione bioelettrochimica di idrogeno durante il trattamento dei sottoprodotti agroindustriali come il refluo caseario.

Abstract

L’obiettivo principale di WHISPER è sviluppare tecnologie innovative per la produzione bioelettrochimica di idrogeno dal siero di latte (CW), per favorire la gestione energetica sostenibile della catena di produzione del formaggio.I costi energetici nei caseifici stanno riducendo la competitività, ma potrebbero trarre vantaggio dalle tecnologie per la produzione di energia in situ utilizzando combustibili alternativi. CW è il residuo che rimane dopo il recupero della cagliata dalla coagulazione del latte.

È un sottoprodotto generato in grandi quantità durante la produzione del formaggio. La produzione annuale di formaggio è di circa 24,7 milioni di tonnellate in tutto il mondo e la produzione nell'UE-27 è di 10,1 milioni di tonnellate.A causa della sua composizione (ad esempio, contenuto di COD fino a 102 g/L e contenuto di lattosio intorno a 50 g/L) il CW è difficile da trattare e rappresenta un grosso problema per gli impianti di trattamento delle acque reflue che trattano altri effluenti, necessitando quindi di pratiche di gestione adeguate.

Negli ultimi anni sono state effettuate ricerche sull'utilizzo di questo residuo per produrre composti chimici per settori industriali come quello farmaceutico, cosmetico e bioenergetico. WHISPER svilupperà una tecnologia multistadio per rimuovere il COD dal CW con produzione simultanea di idrogeno. Il CW verrà fermentato, producendo idrogeno e acidi grassi volatili (VFA), che costituiranno il substrato per i microrganismi che crescono nel compartimento anodico di un reattore bioelettrochimico.

Gli elettroni derivati ​​dall'ossidazione anodica dei VFA verranno utilizzati per la produzione aggiuntiva di idrogeno in un biofotocatodo, adsorbendo anche la CO2 emessa nelle prime fasi.L'ambiziosa strategia alla base del progetto WHISPER per il riutilizzo di CW come fonte di energia, verso l’obiettivo “emissioni zero”, comprende progressi della conoscenza e innovazioni tecnologiche:

1. comprensione delle reti metaboliche legate al bilancio elettronico e ai potenziali redox per la sintesi di idrogeno;
2. la definizione dei principali colli di bottiglia metabolici e la loro risoluzione mediante l'ottimizzazione dei parametri di coltura;
3. uso di mediatori per un trasferimento di elettroni più efficiente;
4. progettazione, costruzione e validazione di un prototipo di laboratorio del sistema integrato.WHISPER riunisce DAGRI (Università di Firenze) e IRSA (Consiglio Nazionale delle Ricerche), partner con competenze trasversali e complementari provenienti da diversi ambiti scientifici.

Azioni progettuali

(in grassetto quelle coordinate da DAGRI-UNIFI)

• Coordinamento e gestione del progetto
• Pretrattamenti per la fermentazione del refluo caseario e caratterizzazione della comunità microbica
• Trattamento anodico del refluo caseario fermentato
• Produzione catodica di idrogeno
• Integrazione completa del processo e caratterizzazione degli effluenti
• Disseminazione e comunicazione dei risultati

Principali risultati conseguiti

Pubblicazione scientifica sulla rivista internazionale Journal of Environmental Chemical Engineering.

Titolo della pubblicazione: Supplementation with electrically conductive materials unlocks lactic acid conversion into volatile fatty acids during cheese whey fermentation

Autori: Cecilia Petitta, Matteo Tucci, Matteo Daghio, Chiara Capelli, Carlo Viti, Alessandra Adessi, Luca di Palma, Carolina Cruz Viggi, Federico Aulenta

Link all’articolo scientifico: https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.117197

Durata

Inizio: 30/11/2023

Conclusione: 30/11/2025

Proroga: 28/02/2026

Ente finanziatore bando

Ministero dell’Università e della Ricerca - Progetti PRIN 2022_PNRR

Collegamenti