Progettazione e sviluppo sperimentale di un processo combinato di Digestione Anaerobica e Reforming al Plasma per la conversione del biogas da rifiuti alimentari.

Abstract

Il presente lavoro di tesi analizza la progettazione e lo sviluppo sperimentale di un processo integrato per la valorizzazione del biogas da scarti alimentari (food waste), combinando la Digestione Anaerobica (AD) e il Reforming a Plasma Non Termico (NTP). L'obiettivo è dimostrare la fattibilità di un sistema circolare per produrre gas di sintesi (syngas), miscela di H2 e CO, partendo da rifiuti organici. L’attività si è articolata in due fasi. Nella prima, è stato gestito un digestore mesofilo (35°C) CSTR alimentato con scarti domestici. Oltre a monitorare la produzione di biogas (circa 1,2 L/d), è stato progettato un reattore in PVC pressurizzato per alimentare direttamente la sezione di reforming. È stata inoltre validata la transizione verso la Dark Fermentation, confermata dal calo del pH a 4,42 e dall'accumulo di acidi grassi volatili. La seconda fase ha riguardato il Dry Reforming del biogas reale tramite un reattore a scarica a barriera dielettrica (DBD) a 32W. Sono stati confrontati tre catalizzatori su allumina: Pd (5 wt%), Rh (5 wt%) e Pt-Rh (0,25 wt%-0,25 wt%). Il Palladio ha mostrato le performance migliori, con conversioni iniziali del 75,2% per il CH4 e dell'83,6% per la CO2, selettività al CO del 99,8% e bassi costi energetici (4-5 MJ/mol). I sistemi al Rodio hanno invece favorito la formazione di idrocarburi leggeri e mostrato un maggior deposito di carbonio (coke), rilevato tramite TGA (4,5% wt contro il 2% wt del Pd).In conclusione, la ricerca ha validato il setup AD-PR utilizzando biogas reale. Nonostante i fenomeni di disattivazione catalitica, il sistema rappresenta un percorso sostenibile per la produzione decentralizzata di idrogeno e la decarbonizzazione dei processi energetici.

This thesis investigates the design and experimental development of an integrated process for food waste biogas valorization, combining Anaerobic Digestion (AD) and Non-Thermal Plasma (NTP) Reforming. The goal is to demonstrate the technical feasibility of a circular system to produce synthesis gas (syngas), a mixture of H2 and CO, from organic waste.The research was conducted in two phases. In the first phase, at the University of Aberdeen, a mesophilic (35°C) CSTR digester was operated using domestic food waste. Besides monitoring biogas production (approx. 1.2 L/d), a novel pressurized PVC reactor was designed to directly feed the reforming section. The transition toward Dark Fermentation was also validated, confirmed by a pH drop to 4.42 and the accumulation of volatile fatty acids.The second phase focused on Dry Reforming of the real biogas using a Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor at 32W. Three alumina-supported catalysts were compared: Pd (5 wt%), Rh (5 wt%), and Pt-Rh (0.25 wt%-0.25 wt%). Palladium exhibited the best performance, with initial conversions of 75.2% for CH4 and 83.6% for CO2, a CO selectivity of 99.8%, and low energy costs (4-5 MJ/mol). Rhodium-based systems favored light hydrocarbon formation and showed higher carbon deposition (coke), detected via TGA (4.5 wt% vs. 2 wt% for Pd). In conclusion, the study validated the AD-PR setup using real biogas. Despite the observed catalytic deactivation, the system represents a sustainable pathway for decentralized hydrogen production and the decarbonization of energy processes.