Optimization of hydrogen production through immobilization of Rhodopseudomonas palustris in polymeric matrices.

The growing demand for sustainable energy has driven the development of biotechnological processes for producing hydrogen, which is a clean and efficient energy carrier. This thesis analyses Rhodopseudomonas palustris, an anoxygenic photosynthetic bacterium (PSNB), in terms of its potential for the biological production of H₂ through photofermentation. The study tests the effectiveness of defined substrates (malic acid, lactic acid and acetic acid) and a fermentation effluent rich in volatile fatty acids (VFAs). This research forms part of the ASI project, 'BioMOON – Low Gravity Biorefinery Platform', which aims to develop robust and scalable microbial systems in unconventional environmental conditions. Batch experiments were conducted to evaluate growth, biomass yield and H₂ production, comparing free-cell and calcium alginate-immobilised systems. Biomass was monitored using optical density and dry weight measurements, while hydrogen production was correlated with the type of substrate used and the cultivation mode employed. The results showed that R. palustris grows effectively on all substrates and can metabolise complex mixtures of VFAs. However, H₂ production in immobilised systems did not reach the levels observed in free-cell systems, likely due to suboptimal operating parameters. Nevertheless, this study highlights the species' potential in the valorisation of organic waste and provides guidance on optimising sustainable biological hydrogen production processes.

La crescente domanda di energie sostenibili ha stimolato lo sviluppo di processi biotecnologici per la produzione di idrogeno, un vettore energetico pulito ed efficiente. Questa tesi analizza Rhodopseudomonas palustris, batterio fotosintetico anossigenico (PNSB), per la produzione biologica di H₂ tramite fotofermentazione, testando substrati definiti (acido malico 4,0 g L⁻¹, lattico 3,7 g L⁻¹, acetico 3,8 g L⁻¹) e un effluente fermentativo ricco di acidi grassi volatili (VFAs). La ricerca rientra nel progetto ASI “BioMOON – Low Gravity Biorefinery Platform”, mirato allo sviluppo di sistemi microbici robusti e scalabili in condizioni ambientali non convenzionali. Gli esperimenti in batch hanno valutato crescita, resa in biomassa e produzione di H₂, confrontando sistemi a cellule libere e immobilizzate in alginato di calcio. La biomassa è stata monitorata tramite densità ottica e peso secco, mentre la produzione di idrogeno è stata correlata a substrato e modalità di coltivazione. I risultati hanno mostrato che R. palustris cresce efficacemente su tutti i substrati e metabolizza mix complessi di VFAs. Tuttavia, nei sistemi immobilizzati la produzione di H₂ non ha raggiunto i livelli dei sistemi a cellule libere, probabilmente a causa di parametri operativi non ottimali. Lo studio evidenzia comunque il potenziale della specie nella valorizzazione di scarti organici e fornisce indicazioni per ottimizzare processi sostenibili di produzione biologica di idrogeno.