Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Gamification e Machine Learning per migliorare l’esperienza di guida e diminuire i consumi in un veicolo elettrico

Questo progetto di tesi è parte di un programma più ampio chiamato TIME (Tecnologia Integrata per Mobilità Elettrica) sviluppato tra diversi gruppi di ricerca afferenti al settore meccanico, termofluidodinamico e informatico. TIME si pone l'obiettivo di migliorare la qualità dei componenti di un sistema powertrain presenti oggi sul mercato progettando un sistema general purpose adatto ad essere installato su veicoli di prima fornitura ma soprattutto su retrofit, quindi permettendo il ricondizionamento di veicoli con motore a combustione esistenti ma troppo datati. Lo studio svolto si pone l'obiettivo di identificare tutti gli aspetti di innovazione tecnologica che possono essere installati all'interno del sistema di interazione uomo-macchina. All'interno di questo progetto sarà effettuata una pianificazione di tutto il lavoro del gruppo di ricerca CIRI-ICT, partendo dallo studio normativo ed ergonomico delle interfacce dei veicoli analizzando tutti gli elementi di innovazione che potranno far parte del sistema TIME e quindi programmare tutte le attività previste al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati, documentando opportunamente tutto il processo. Nello specifico saranno analizzate e definite le tecniche da utilizzare per poi procedere alla progettazione e implementazione di un primo sistema sperimentale di Machine Learning e Gamification con lo scopo di predire lo stato della batteria in base allo stile di guida dell'utente e incentivare quest'ultimo tramite sistemi di Gamification installati sul cruscotto ad una guida più consapevole dei consumi. Questo sistema sarà testato su dati simulati con l'obiettivo di avere un prodotto configurabile da installare sul veicolo.

Produzione di diossido di carbonio ad uso alimentare

Nell'elaborato di tesi viene descritto il funzionamento di un impianto di quadri-generazione con la peculiarità del recupero di diossido di carbonio dai fumi di combustione utilizzato poi per l'imbottigliamento e la realizzazione di soft drink. Sono state valutate fonti alternative al gas naturale e una tecnica alternativa al recupero mediante solventi chimici.

Progettazione e realizzazione di un prototipo di stazione per il monitoraggio ambientale

La tesi analizza la problematica del monitoraggio ambientale a basso costo, cercando di approfondirne le caratteristiche e studiando le situazioni in cui questo vi si adatta bene. Lo studio ha permesso di realizzare due tipologie di stazioni di raccolta dati, una dedicata alla misurazione delle polveri sottili, e una dedicata alla misurazione dell’acidità delle piogge. Entrambe le stazioni condividono la logica di funzionamento, quindi il “core” rimane lo stesso pur lavorando con dati estremamente diversi, mentre si distinguono per i due sensori utilizzati. In fase di test i sensori si sono dimostrati sufficientemente precisi lasciando ben sperare per la realizzazione di applicazioni in contesti reali simili a quelli considerati durante l’analisi. Le stazioni sono in grado di fornire dati geo-localizzati consultabili attraverso un portale web, è possibile visualizzare ogni stazione su una mappa ricevendo aggiornamenti sulle ultime misurazioni, inoltre si possono modellare i dati e visualizzarli su una serie di grafici. Una delle caratteristiche fondamentali che ha guidato tutta la progettazione è stata l’estendibilità del modello, la logica di funzionamento della stazione può essere facilmente implementata su tecnologie hardware e software diverse.

Studio della sintesi di alcol furfurilico da furfurale mediante catalisi basica eterogenea

La messa a punto di processi in grado di utilizzare le biomasse lignocellulosiche per la produzione di molecole piattaforma, utilizzabili per la sintesi di intermedi per la chimica fine, l’industria polimerica ed i combustibili, è attualmente un argomento di ricerca di grande interesse. Tra le molecole più studiate vi è la furfurale (FU), che si può ottenere mediante disidratazione dei monosaccaridi pentosi contenuti nei materiali lignocellulosici. Il prodotto di riduzione della furfurale, l’alcol furfurilico (FAL), è commercialmente interessante perché trova applicazione nell’industria polimerica e viene utilizzato come intermedio nella produzione di lisina, vitamina C, lubrificanti e agenti dispersanti. In letteratura sono riportati numerosi processi che permettono di ottenere questo prodotto, utilizzando la riduzione catalitica con H2 in pressione, che però presentano problemi di selettività, costo, sostenibilità e tossicità del catalizzatore utilizzato. La possibilità di effettuare la riduzione selettiva della furfurale senza fare ricorso all’idrogeno molecolare, utilizzando un processo di H-transfer e catalizzatori eterogenei a base di ossidi misti, risulta quindi di estremo interesse perché permette di eliminare i suddetti problemi. Lo scopo di questa tesi è stato quello di ottimizzare il processo, confrontando catalizzatori basici, quali MgO, CaO e SrO ottenuti tramite calcinazione a diverse temperature dei rispettivi precursori. In particolare, è stata valutata l’influenza che la temperatura di calcinazione, il tempo e la temperatura di reazione hanno sulla reattività e la stabilità dei sistemi catalitici sintetizzati. La caratterizzazione dei catalizzatori tramite diffrazione ai raggi X (XRD), analisi termiche (TGA, DTA) e misure di area superficiale con tecnica BET ha permesso di correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali con la loro attività catalitica.

L'analisi del costo globale per il retrofit energetico applicata ad un caso di studio di edilizia residenziale.

Nell’ottica della pianificazione di interventi di Retrofit Energetico che possano migliorare l’efficienza energetica del comparto edilizio-residenziale, in relazione agli obiettivi della vigente normativa energetica di ispirazione comunitaria, obiettivo della tesi è la ricerca e validazione di strumenti economici che possano guidare le committenze nella scelta del migliore rapporto tra costi e benefici delle opere. La tesi affronta l’approccio dell’analisi del Costo Globale come previsto dalla normativa comunitaria formato dalla direttiva 2010/31/UE sulla prestazione energetica degli edifici, dal regolamento delegato UE n°244 del 16 gennaio 2012 e dalla norma EN 15459 del 2008. Obiettivo è la comparazione di tre interventi alternativi di retrofit energetico per un edificio ad uso misto sito nel centro di Bologna. Si tratta di interventi mirati all’efficientamento e all’abbattimento del fabbisogno energetico per la climatizzazione invernale dello stabile, con gradi successivi di approfondimento, come definiti dalla attuale normativa (ristrutturazione importante di primo livello, di secondo livello e riqualificazione energetica). Lo studio si sviluppa definendo le criticità dello stato attuale del costruito e i possibili interventi migliorativi necessari. Definiti i pacchetti tecnici delle soluzioni di intervento si è passato alla ricerca dei dati necessari comprendenti dati finanziari su tassi di sconto e di inflazione e sui costi di investimento iniziali, costi di gestione e manutenzione, costi di sostituzione e costi energetici relativi alle varie alternative di progetto. I risultati dell’analisi economica delle alternative progettuali, nel periodo di studio considerato, vengono poi confrontati con i dati relativi all’impatto energetico e delle emissioni di CO2 e con le relative classi energetiche.

Particelle di cellulosa come nuclei di ghiacciamento in nube

La formazione del ghiaccio nelle nubi avviene prevalentemente per nucleazione eterogenea, grazie alla presenza di nuclei di ghiacciamento (Ice Nucleating Particles, INP), ovvero particelle di aerosol (prevalentemente polveri minerali) in grado di favorire la solidificazione di una gocciolina o il passaggio diretto dalla fase vapore alla fase ghiaccio. Recentemente, l'interesse si è esteso anche all'aerosol di tipo biologico (funghi, spore, etc.), in grado di agire come INP a temperature più elevate rispetto all'aerosol minerale. Il lavoro sperimentale di questa tesi, svolto presso il laboratorio del gruppo Nubi e Precipitazioni dell’ISAC-CNR di Bologna, ha avuto come obiettivo lo studio della capacità della cellulosa di agire come INP. Esso si inserisce in un’attività di ricerca internazionale dedicata allo studio degli INP (progetto Ice NUclei research unIT, INUIT, Germania). Il lavoro sperimentale ha riguardato la messa a punto di due diversi sistemi di generazione dell'aerosol di cellulosa, la caratterizzazione dimensionale delle particelle, la loro osservazione al microscopio elettronico e la preparazione dei filtri per le misure di INP. I risultati ottenuti hanno evidenziato che le proprietà nucleanti della cellulosa sono inferiori rispetto alle polveri minerali ma paragonabili ad altri materiali, come la cenere vulcania e l'aerosol marino. Quindi, in aree ricche di vegetazione o dove le polveri minerali non sono abbondanti, la cellulosa potrebbe costituire un importante materiale per la formazione del ghiaccio nelle nubi miste. Misure preliminari hanno evidenziato come le particelle di cellulosa con dimensioni inferiori a 0,5μm risultano meno attive nella nucleazione del ghiaccio rispetto a quelle di dimensioni maggiori. I risultati ottenuti sono stati presentati al Congresso PM2016 (Roma, 17-19 maggio 2016) e saranno presentati in un poster alla prossima European Aerosol Conference (Tours, Francia, 4-6 settembre 2016).

Biomass, quality traits and methane production of extensive grassland: biodiversity effects and sensor approaches

Energy policies around the world are mandating for a progressive increase in renewable energy production. Extensive grassland areas with low productivity and land use limitations have become target areas for sustainable energy production to avoid competition with food production on the limited available arable land resources and minimize further conversion of grassland into intensively managed energy cropping systems or abandonment. However, the high spatio-temporal variability in botanical composition and biochemical parameters is detrimental to reliable assessment of biomass yield and quality regarding anaerobic digestion. In an approach to assess the performance for predicting biomass using a multi-sensor combination including NIRS, ultra-sonic distance measurements and LAI-2000, biweekly sensor measurements were taken on a pure stand of reed canary grass (Phalaris aruninacea), a legume grass mixture and a diversity mixture with thirty-six species in an experimental extensive two cut management system. Different combinations of the sensor response values were used in multiple regression analysis to improve biomass predictions compared to exclusive sensors. Wavelength bands for sensor specific NDVI-type vegetation indices were selected from the hyperspectral data and evaluated for the biomass prediction as exclusive indices and in combination with LAI and ultra-sonic distance measurements. Ultrasonic sward height was the best to predict biomass in single sensor approaches (R² 0.73 – 0.76). The addition of LAI-2000 improved the prediction performance by up to 30% while NIRS barely improved the prediction performance. In an approach to evaluate broad based prediction of biochemical parameters relevant for anaerobic digestion using hyperspectral NIRS, spectroscopic measurements were taken on biomass from the Jena-Experiment plots in 2008 and 2009. Measurements were conducted on different conditions of the biomass including standing sward, hay and silage and different spectroscopic devices to simulate different preparation and measurement conditions along the process chain for biogas production. Best prediction results were acquired for all constituents at laboratory measurement conditions with dried and ground samples on a bench-top NIRS system (RPD > 3) with a coefficient of determination R2 < 0.9. The same biomass was further used in batch fermentation to analyse the impact of species richness and functional group composition on methane yields using whole crop digestion and pressfluid derived by the Integrated generation of solid Fuel and Biogas from Biomass (IFBB) procedure. Although species richness and functional group composition were largely insignificant, the presence of grasses and legumes in the mixtures were most determining factors influencing methane yields in whole crop digestion. High lignocellulose content and a high C/N ratio in grasses may have reduced the digestibility in the first cut material, excess nitrogen may have inhibited methane production in second cut legumes, while batch experiments proved superior specific methane yields of IFBB press fluids and showed that detrimental effects of the parent material were reduced by the technical treatment

Factors and mechanisms controlling soil organic carbon turnover in subsoils of agricultural sites

Two-third of the terrestrial C is stored in soils, and more than 50% of soil organic C (SOC) is stored in subsoils from 30 – 100 cm. Hence, subsoil is important as a source or sink for CO2 in the global carbon cycle. Especially the stable organic carbon (OC) is stored in subsoil, as several studies have shown that subsoil OC is of a higher average age than topsoil OC. However, there is still a lack of knowledge regarding the mechanisms of C sequestration and C turnover in subsoil. Three main factors are discussed, which possibly reduce carbon turnover rates in subsoil: Resource limitation, changes in the microbial community, and changes in gas conditions. The experiments conducted in this study, which aimed to elucidate the importance of the mentioned factors, focused on two neighbouring arable sites, with depth profiles differing in SOC stocks: One Colluvic Cambisol (Cam) with high SOC contents (8-12 g kg-1) throughout the profile and one Haplic Luvisol (Luv) with low SOC contents (3-4 g kg-1) below 30 cm depth. The first experiment was designed to gain more knowledge regarding the microbial community and its influence on carbon sequestration in subsoil. Soil samples were taken at four different depths on the two sites. Microbial biomass C (MBC) was determined to identify depth gradients in relation to the natural C availability. Bacterial and fungal residues as well as ergosterol were determined to quantify changes in the in the microbial community composition. Multi-substrate-induced-respiration (MSIR) was used to identify shifts in functional diversity of the microbial community. The MSIR revealed that substrate use in subsoil differed significantly from that in topsoil and also differed highly between the two subsoils, indicating a strong influence of resource limitations on microbial substrate use. Amino sugar analysis and the ratio of ergosterol to microbial biomass C showed that fungal dominance decreased with depth. The results clearly demonstrated that microbial parameters changed with depth according to substrate availability. The second experiment was an incubation experiment using subsoil gas conditions with and without the addition of C4 plant residues. Soil samples were taken from topsoil and subsoil of the two sites. SOC losses during the incubation, were not influenced by the subsoil gas conditions. Plant-derived C losses were generally stronger in the Cam (7.5 mg g-1), especially at subsoil gas conditions, than in the Luv (7.0 mg g-1). Subsoil gas conditions had no general effects on microbial measures with and without plant residue addition. However, the contribution of plant-derived MBC to total MBC was significantly reduced at subsoil gas conditions. This lead to the conclusion that subsoil gas conditions alter the metabolism of microorganisms but not the degradation of added plant residues is general. The third experiment was a field experiment carried out for two years. Mesh bags containing original soil material and maize root residues (C4 plant) were buried at three different depths at the two sites. The recovery of the soilbags took place 12, 18, and 24 months after burial. We determined the effects of these treatments on SOC, density fractions, and MBC. The mean residence time for maize-derived C was similar at all depths and both sites (403 d). MBC increased to a similar extent (2.5 fold) from the initial value to maximum value. This increase relied largely on the added maize root residues. However, there were clear differences visible in terms of the substrate use efficiency, which decreased with depth and was lower in the Luv than in the Cam. Hence freshly added plant material is highly accessible to microorganisms in subsoil and therefore equally degraded at both sites and depths, but its metabolic use was determined by the legacy of soil properties. These findings provide strong evidence that resource availability from autochthonous SOM as well as from added plant residues have a strong influence on the microbial community and its use of different substrates. However, under all of the applied conditions there was no evidence that complex substrates, i.e. plant residues, were less degraded in subsoil than in topsoil.

Ecological effects of flow and temperature regimes on fish communities in temperate rivers

Les organismes aquatiques sont adaptés à une grande variabilité hydrique et thermique des rivières. Malgré ceci, la régulation des eaux suscite des changements aux débits qui peuvent provoquer des impacts négatifs sur la biodiversité et les processus écologiques en rivière. Celle-ci peut aussi causer des modifications au niveau des régimes thermiques et des caractéristiques de l’habitat du poisson. Des données environnementales et biologiques décrivant l’habitat du poisson existent, mais elles sont incomplètes pour plusieurs rivières au Canada et de faible qualité, limitant les relations quantitatives débit-température-poissons à un petit nombre de rivières ou à une région étudiée. La recherche menée dans le cadre de mon doctorat concerne les impacts de la génération d'hydroélectricité sur les rivières; soit les changements aux régimes hydriques et thermiques reliés à la régulation des eaux sur la variation des communautés ichtyologiques qui habitent les rivières régulées et naturelles au Canada. Suite à une comparaison d’échantillonnage de pêche, une méthode constante pour obtenir des bons estimés de poisson (richesse, densité et biomasse des espèces) a été établie pour évaluer la structure de la communauté de poissons pour l’ensemble des rivières ciblées par l’étude. Afin de mieux comprendre ces changements environnementaux, les principales composantes décrivant ces régimes ont été identifiées et l’altération des régimes hydriques pour certaines rivières régulées a été quantifiée. Ces résultats ont servi à établir la relation significative entre le degré de changement biotique et le degré de changement hydrique pour illustrer les différences entre les régimes de régulation. Pour faire un complément aux indices biotiques déjà calculés pour l’ensemble des communautés de poissons (diversité, densité et biomasse des espèces par rivière), les différences au niveau des guildes de poissons ont été quantifiées pour expliquer les divers effets écologiques dus aux changements de régimes hydriques et thermiques provenant de la gestion des barrages. Ces derniers résultats servent à prédire pour quels traits écologiques ou groupes d’espèces de poissons les composantes hydriques et thermiques sont importantes. De plus, ces derniers résultats ont servi à mettre en valeur les variables décrivant les régimes thermiques qui ne sont pas toujours inclues dans les études hydro-écologiques. L’ensemble des résultats de cette thèse ont des retombées importantes sur la gestion des rivières en évaluant, de façon cohérente, l’impact de la régulation des rivières sur les communautés de poissons et en développant des outils de prévision pour la restauration des écosystèmes riverains.

Analisi comparativa di soluzioni per la post-elaborazione di dati sperimentali

Durante l’esecuzione di prove al banco su motori a combustione interna vengono acquisiti dati contenenti le caratteristiche del motore testato al regime di funzionamento scelto, sotto l’azione di alcuni o numerosi parametri variabili in base ai risultati che si vogliono ottenere dalla prova stessa ed in determinate condizioni ambientali. Per questo motivo è di fondamentale importanza disporre di uno strumento che consenta una rapida, ma allo stesso tempo precisa e quanto più possibile completa visualizzazione ed elaborazione di tali dati. A tale scopo con questo elaborato si vogliono valutare diverse soluzioni, in termini di software, per l’analisi di dati sperimentali, con particolare attenzione rivolta agli ambienti NI LabVIEW, The MathWorks MATLAB e NI DIAdem, e ad alcuni strumenti attualmente in uso, cercando sempre il giusto compromesso tra necessità riscontrate in ambito visualizzazione ed analisi dati ed il contenimento dei costi. Vengono, in seguito, esposte le motivazioni che hanno portato alla scelta di DIAdem per implementare le procedure di post-elaborazione dei dati.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.