Abstract
La materia organica contenuta nei rifiuti liquidi provenienti dai servizi igienici è virtualmente enorme (solo nell'Unione Europea, più di 6 Mt/anno misurati in termini di domanda chimica di ossigeno, DCO) ed è disponibile come substrato per la produzione di prodotti bio-based. Il progetto RECHEWS mira a migliorare il processo precedentemente sviluppato al fine di produrre prodotti chimici compatibili attraverso un approccio privo di solventi basato sulla distillazione termolitica di materiali ricchi in poliidrossialcanoati (PHA) per la produzione di acido crotonico ad alta purezza e altri prodotti chimici compatibili rilevanti. Il progetto RECHEWS aprirà una via di conversione completamente nuova da "rifiuti liquidi dei servizi igienici a prodotti chimici", convertendo gli atomi di carbonio nei rifiuti liquidi dei servizi igienici in acido crotonico e altri prodotti chimici compatibili, senza utilizzare nuove risorse/materie prime e contemporaneamente diminuendo il volume di rifiuti liquidi dei servizi igienici da smaltire. L'acido crotonico, attualmente di origine fossile al 100%, trova applicazione. Per investigare la fattibilità tecnica delle vie di conversione da rifiuti liquidi dei servizi igienici a prodotti chimici, il progetto sfrutterà le strutture B-PLAS DEMO precedentemente costruite nell'ambito del progetto dimostrativo EIT-Climate KIC e attualmente situate presso le strutture di CAVIRO EXTRA. La demo plant precedentemente sviluppata sarà migliorata e aggiornata per produrre acido crotonico ad alta purezza, che verrà sottoposto a conversione catalitica tramite un approccio di chimica in flusso presso l'Università di Venezia (UNIVE).
Risultati raggiunti
Il progetto RECHEWS (Resource Recovery and Chemical Production from Wastewater Treatment Sludge) ha sviluppato e dimostrato una nuova filiera di valorizzazione dei fanghi di depurazione finalizzata alla produzione di intermedi chimici rinnovabili in grado di sostituire prodotti di origine fossile. L'obiettivo principale era dimostrare la fattibilità tecnica della conversione dei fanghi in acido crotonico e successivamente in diversi “drop-in chemicals”, creando una nuova piattaforma chimica basata sul recupero di carbonio da rifiuti e reflui. Il progetto è stato realizzato con la collaborazione tra l'Università di Bologna (UNIBO) e l'Università Ca' Foscari Venezia (UNIVE). UNIBO ha sviluppato e validato i primi tre passaggi della filiera: produzione di acidi grassi volatili (VFA), conversione biologica dei VFA in biomassa batterica ricca di poliidrossialcanoati (PHA) e trasformazione dei PHA in acido crotonico. UNIVE ha invece studiato la valorizzazione chimica dell'acido crotonico in nuove molecole ad elevato valore aggiunto. Uno dei risultati più rilevanti è stato lo sviluppo di un innovativo processo di fermentazione acidogenica estrattiva assistita dal vuoto, capace di produrre correnti di VFA ad elevata purezza a partire da matrici organiche di scarto. Tale approccio consente di superare i limiti tipici della fermentazione convenzionale, riducendo l'inibizione da prodotto e permettendo il recupero diretto dei VFA. I test sperimentali hanno dimostrato rese fino al 74% nella conversione del carbonio organico in VFA, aprendo prospettive significative per la valorizzazione di rifiuti organici e fanghi. Per la conversione dei VFA in PHA è stato progettato, costruito e gestito un impianto dimostrativo in scala pilota (TRL 4) basato su colture microbiche miste e su un innovativo sistema “feast and famine by space”, oggetto di domanda brevettuale internazionale. L'impianto, operato in continuo per circa sei mesi, ha dimostrato la stabilità del processo e la capacità di selezionare popolazioni microbiche accumulatrici di PHA. Sono state raggiunte concentrazioni di PHA fino al 57% del peso secco cellulare, con valori stabili compresi tra il 25 e il 40% durante il funzionamento continuativo. Complessivamente sono stati prodotti circa 5 kg di biomassa arricchita in PHA e raccolti circa 54 kg di biomassa umida destinata alle successive trasformazioni termochimiche. Un ulteriore risultato di rilievo riguarda la conversione della biomassa ricca di PHA in acido crotonico rinnovabile mediante distillazione termolitica. Sono stati definiti e ottimizzati i parametri di essiccamento, termolisi e purificazione, consentendo la produzione di circa 1 kg di acido crotonico con purezza media del 95%. Il processo ha mostrato elevate rese di conversione, confermando la possibilità di ottenere un building block chimico strategico partendo da risorse di scarto. Le attività hanno inoltre consentito di comprendere i principali meccanismi di formazione delle impurità e i limiti tecnologici associati a purificazioni superiori al 98%. Le attività svolte da UNIVE hanno dimostrato la versatilità dell'acido crotonico come piattaforma molecolare per la sintesi di nuovi prodotti bio-based. Sono stati sviluppati protocolli sostenibili per la sintesi di crotonati, bis-crotonati e altri derivati ottenuti tramite processi catalitici e approcci di chimica verde, inclusi sistemi in flusso continuo. In particolare sono state raggiunte elevate rese nella sintesi di bis-crotonati (fino al 94%) utilizzando solventi e catalizzatori a basso impatto ambientale. Sono stati inoltre ottenuti risultati promettenti nella preparazione di derivati chirali attraverso reazioni di Michael assistite da microonde. Dal punto di vista scientifico il progetto ha prodotto nuove conoscenze sulla fermentazione estrattiva, sui processi microbiologici di accumulo dei PHA e sulla valorizzazione chimica dell'acido crotonico. I risultati hanno già portato alla pubblicazione di un articolo su Chemical Engineering Journal e alla presentazione di contributi scientifici in conferenze nazionali e internazionali. Ulteriori pubblicazioni sono attualmente in preparazione e riguarderanno sia l'intera filiera RECHEWS sia nuovi monomeri bio-based derivati dall'acido crotonico. Sotto il profilo ambientale il progetto ha dimostrato la fattibilità di un modello di economia circolare che trasforma fanghi di depurazione e rifiuti organici in prodotti chimici rinnovabili, riducendo la dipendenza dalle fonti fossili e rispettando i principi DNSH (Do No Significant Harm) e gli obiettivi del Green Deal europeo. Complessivamente, RECHEWS ha validato una nuova catena del valore capace di convertire residui organici in piattaforme molecolari innovative, ponendo le basi per future attività di scale-up industriale e per la creazione di una nuova “chemical tree” basata sul carbonio recuperato dai rifiuti.Project details
Unibo Team Leader: Cristian Torri
Unibo involved Department/s:
Dipartimento di Chimica "Giacomo Ciamician"
Coordinator:
ALMA MATER STUDIORUM - Università di Bologna(Italy)
Total Eu Contribution: Euro (EUR) 197.024,00
Total Unibo Contribution: Euro (EUR) 106.390,00
Project Duration in months: 24
Start Date:
28/09/2023
End Date:
28/09/2025
