Modelli metabolici per la produzione di H2 mediante dark fermentation di substrati organici biodegradabili

Hydrogen is one of the most promising candidates for replacing fossil fuels in the context of the energy transition. However, the production processes currently used involve fossil fuels and massive energy inputs, while biological processes, including fermentation, represent a promising alternative approach for hydrogen’s sustainable production. Fermentation is an extremely complex biological process, influenced by numerous factors having a great impact on final yield and rate. Hence, understanding the biochemical mechanisms is fundamental to improve the performance of the process and make it suitable for the production of hydrogen for energy purposes. The research aimed at contributing to the knowledge improvement of the complex dark fermentation metabolic process, with particular regard to the production of hydrogen from lactose-rich organic substrates. It was decided to adopt the Flux Balance Analysis (FBA), a constrained-based modeling approach based on the assumption of the quasi-steady state. FBA allows to describe the metabolic behaviour by reducing the complexity of kinetic mathematical models. Starting from the data available in the literature, two new metabolic networks have been developed, based on the principle of “universal bacterium”. These networks were first validated using series of experimental data, identified through a bibliographic search, then used to improve the level of understanding of whey fermentation process by indigenous biomass, in different pH conditions. Finally, a simulation was carried out to identify the optimal conditions to maximize the hydrogen production rate during two different stages of the process.

L’idrogeno è identificato come uno dei più promettenti candidati per la sostituzione dei carburanti fossili nel contesto del processo della transizione energetica. Tuttavia, i processi produttivi attualmente utilizzati prevede l’utilizzo a monte di combustibili fossili e massicci input energetici, mentre i processi biologici, tra cui la fermentazione, rappresentano un promettente approccio alternativi per la produzione sostenibile di idrogeno. La fermentazione è un processo biologico estremamente complesso, influenzato da numerosi fattori che hanno un grande impatto sulla resa finale e sulle velocità di produzione. Per tale motivo, la comprensione dei meccanismi biochimici è di fondamentale importanza per migliorare le performance del processo e renderlo idoneo alla produzione di idrogeno a fini energetici. Il lavoro di ricerca ha avuto come obiettivo quello di contribuire al miglioramento della conoscenza del complesso processo metabolico della dark fermentation, con particolare riguardo alla produzione di idrogeno da substrati organici, ricchi in lattosio. In particolare, si è optato per adottare la Flux Balance Analysis (FBA), approccio modellistico di tipo constrained-based basato sull’assunzione dello stato quasi-stazionario all’interno della biomassa, e che consente di descrivere il comportamento metabolico riducendo la complessità dei modelli matematici cinetici. A partire dai dati disponibili in letteratura, sono stati elaborati due nuovi network metabolici, sulla base del principio di “batterio universale”. Tali network sono stati prima validati utilizzando delle serie di dati sperimentali selezionati a valle di una ricerca bibliografica, e successivamente utilizzati per migliorare il livello di comprensione dei processi di fermentazione del siero di latte ad opera della biomassa indigena, in diverse condizioni di pH. Infine, è stata operata una simulazione per individuare le condizioni ottimali per massimizzare la velocità di produzione dell’idrogeno in due diverse fasi del processo.