LA1.1.28 – Sviluppo di tecnologie di celle elettrolitiche microbiologiche per la produzione di idrogeno dalla conversione dei sottoprodotti della fermentazione in un processo a cascata

Obiettivo 1: Produzione di idrogeno verde e pulito

REFERENTE/I

Antonella Marone – ENEA

antonella.marone@enea.it

Attività

Le celle di elettrolisi microbica (MEC) sono una tecnologia innovativa che permette, con l’ausilio di un piccolo input di energia elettrica, di combinare la valorizzazione di matrici organiche di scarto con la produzione di idrogeno verde (bioH2). In particolare, le MEC offrono un approccio sinergico per recuperare energia dai metaboliti solubili sottoprodotti della Dark Fermentation (DF), secondo il concetto di bioraffineria.

In generale, le MEC sono costituite da due camere separate da una membrana a scambio ionico: l’anodo e il catodo. All’anodo della MEC, batteri, denominati esoelettrogeni, ossidano un substrato organico utilizzando l’ elettrodo come accettore finale di elettroni. Mediante l’applicazione di un potenziale elettrico è possibile utilizzare al catodo gli elettroni prodotti per la riduzione dei protoni ad H2. Grazie all’energia chimica contenuta nei substrati organici, una MEC consente di produrre idrogeno elettrolitico applicando una tensione teoricamente fino a 10 volte inferiore rispetto all’elettrolisi dell’acqua (+0.18 vs +1.23 V considerando l’ossidazione dell’ac. acetico).

Tale tecnologia permette il recupero di H2 verde puro nella camera catodica a partire dalla valorizzazione di matrici organiche di scarto nella camera anodica.

Figura 1

Cella di Elettrolisi microbica (MEC) alimentata con  sottoprodotti della Fermentazione

Risultati

  • – Allestimento della piattaforma sperimentale bioelettrochimica;
  • – Realizzazione su scala di laboratorio di un prototipo di MEC planare a doppia camera operata in continuo;
  • – Studio dell’arricchimento di comunità microbiche anodiche su un substrato modello, quale l’acetato;
  • – Selezione ed arricchimento di comunità microbiche anodiche sull’effluente della fermentazione (DF);
  • – Studio dell’effetto dei parametri sperimentali della MEC, quali il Carico Organico applicato (OLR), sulla produzione di bioH2 (Fig.2a)
  • – Valorizzazione dei sottoprodotti della DF tramite MEC in relazione alla composizione degli effluenti: Miscela sintetica di acidi organici carbossilici che mimma l’effluente di un processo DF; CW: siero di latte ed OPW: residuo di lavorazione dell’arancia
  • – Elevate capacità di rimozione dei sottoprodotti della DF, recuperati come bioH2 (Fig.2b)
  • – Elevata diversificazione della comunità microbica elettroattiva e sintrofica al bioanodo.
    – L’integrazione della della dark fermentation (DF) con una MEC incrementa nettamente la resa di produzione di H₂ per entrambe le matrici di scarto investigate (CW: siero di latte e OPW: residuo di lavorazione dell’arancia) (Fig. 2c)

Il sistema integrato DF-MEC consente di recuperare una quota significativa dell’energia ancora contenuta negli effluenti fermentati (MJ/kg), incrementando la resa complessiva del processo

Figura 2

Risultati

Figura 3

Celle Elettrolitiche

Team di ricerca

Antonella Marone (ENEA)
Roberto Ciccoli (ENEA)
Silvia Rosa (ENEA)
Giuseppe Lembo (ENEA)
Antonella Signorini (ENEA)
Eleonora De Santis (Dottoranda, Università Federico II, Napoli)
Elio Fantini (ENEA)
Loretta Daddiego (ENEA)
Loredana Lopez (ENEA)
Clara Marandola (Post-Doc, Sapienza)
Gaia Salvatori (Post-Doc, Sapienza)
Federico Scopetti (Assegnista di Ricerca, Sapienza)
Costanza Arvigo (Dottoranda, Sapienza)
Flavio Massera (Studente di Laurea Magistrale, Sapienza)Leonardo Di Filippo (Studente di Laurea Magistrale, Sapienza)
Marianna Villano (Sapienza)

In collaborazione con:

Dipartimento di Chimica, Sapienza Università di Roma (Prof.ssa Marianna Villano, Prof. Marco Petrangeli Papini, Dr. Marco Zeppilli)

Documenti

1.Clara Marandola, Gaia Salvatori, Costanza Arvigo, Federico Scopetti, Leonardo Di Filippo, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Giuseppe Lembo, Elio Fantini, Loretta Daddiego, Loredana Lopez, Roberto Ciccoli, Marianna Villano, Antonella Marone: “Development of a BioH₂-Biorefinery Through the Integration of Dark Fermentation and Microbial Electrolysis Cells”. EFCH2 2026 – European Fuel Cell and Hydrogen Piero Lunghi Conference 2026, Capri, Naples, Italy –September 15-17, 2026.

2.Costanza Arvigo, Clara Marandola, Gaia Salvatori, Elio Fantini, Loretta Daddiego, Loredana Lopez, Giuseppe Lembo, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Roberto Ciccoli, Luca Di Palma, Antonella Signorini, Marianna Villano, Antonella Marone: “Microbial community analysis of a granular graphite-packed anode in an H2 producing Microbial Electrolysis Cell”. EU-ISMET 2026 Toulouse, France, July 8-10, 2026

3.Costanza Arvigo, Leonardo Di Filippo, Clara Marandola, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Gaia Salvatori, Roberto Ciccoli, Luca Di Palma, Marianna Villano, Antonella Marone: “Assessment of Cheese Whey and Orange Waste Fermentation effluents as substrates in Microbial Electrolysis Cells”. EU-ISMET 2026 Toulouse, France, July 8-10, 2026

4.Costanza Arvigo, Leonardo Di Filippo, Clara Marandola, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Gaia Salvatori, Roberto Ciccoli, Luca Di Palma, Marianna Villano, Antonella Marone: “Green Hydrogen from Cheese Whey and Orange Waste via two-stage bioconversion process”. Annual Mee􀆟ng of The Bioelectrochemical Society -Bari, Italy, 21-25 June, 2026

5.Costanza Arvigo, Gaia Salvatori, Clara Marandola, Federico Scopetti, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Roberto Ciccoli, Luca Di Palma, Marianna Villano, Antonella Marone: “Maximizing Hydrogen Production from organic waste: Bioelectrochemical Valorization of Dark Fermentation Effluents”. 1°Italian Conference of Bioelectrochemical Systems, Milan, Italy – February 26 – 27 2026 –  BEST POSTER COMMUNICATION

6. Gaia Salvatori, Federico Scopetti, Eleonora De Santis, Clara Marandola, Silvia Rosa, Loretta Daddiego, Loredana Lopez, Elio Fantini, Roberto Ciccoli, Marianna Villano, Antonella Marone: “Boosting H2 production through Electro-Active anodic biofilm acclimatization in a cascade process integrating Dark Fermentation of cheese Whey with Microbial Electrolysis Cells”. ISMET9 – 2025 Global Conference of ISMET – Leipzig, Germany – Sept 16 – 19, 202L ISBN 978-3-944280-78-3 DOI https://doi.org/10.57699/h5ga-jq79

7. Costanza Arvigo, Federico Scopetti, Clara Marandola, Roberto Ciccoli, Luca Di PalmaMarianna Villano Antonella Marone: Anodic Biofilm Enrichment for the Oxidation of Slow-to-Degrade Carboxylic Acids: Towards an Integrated DF-MEC System”. ISMET9 – 2025 Global Conference of ISMET – Leipzig, Germany – Sept 16 – 19, 2025. ISBN 978-3-944280-78-3 DOI https://doi.org/10.57699/h5ga-jq79

8. Gaia Salvatori, Federico Scopetti, Eleonora De Santis, Silvia Rosa, Roberto Ciccoli, Marianna Villano, Antonella Marone*, “Two Stages Process For Bio-Hydrogen Production From Cheese Whey: Coupling Dark Fermentation And Microbial Electrolysis Cell”, European Biotechnology Congress, Istanbul, October 3-5, 2024.

9. Federico Scopetti, Igino De Bellis, Clara Marandola, Marco Zeppilli, Roberto Ciccoli, Antonella Signorini, Antonella Marone, Marianna Villano, “Hydrogen and methane production in a microbial electrolysis cell”, Symposium for Young Chemists: Innovation and Sustainability – (SYNC 2024), Rome, June 24-28, 2024.