L’attività di R&D ha riguardato lo sviluppo di un concept di impianto end-of-waste che consenta di accelerare la bio-degradazione e la stabilizzazione, al fine di raggiungere nel più breve tempo possibile una qualità finale dello stoccaggio (FSQ), tale da consentire il rilascio del sito in condizioni di sicurezza.

Lo studio, sviluppato in collaborazione con i partners, ha riguardato la predisposizione di uno stato dell’arte che ha confermato l’indisponibilità in letteratura scientifica di modelli quantitativi di un bioreattore adatti o adattabili all’uso ingegneristico.

E’ stato sviluppato un modello digitale (digital twin) realizzato mediante bilanci dinamici di materia ed energia. E’ stata verificata la controllabilità del processo mediante misure su parametri esterni al reattore stesso. Il numero limitato di equazioni e parametri, unitamente ad una struttura gerarchica della modellazione, consente l’utilizzo del modello a scopo ingegneristico e di controllo industriale.

La modellistica del reattore ha evidenziato la coesistenza di operazioni multiple sia a scala micro che macro. Si realizzano infatti processi unitari di filtrazione, lisciviazione, degradazione aerobica ed anaerobica, secondo meccanismi adattivi ed evolutivi complessi. Lo studio ha evidenziato che i processi, le transizioni tra micro-stati sono tipiche dei sistemi naturali-complessi e risultano caratterizzati da auto-adattamento, auto-organizzazione, comportamenti emergenti. La dinamica overall del sistema è caratterizzata dalla presenza di un attrattore finale rappresentato da uno stato di equilibrio bio-geo-chimico con l’ambiente esterno. Il sistema risulta quindi “naturalmente stabile”, autoadattante ed evolutivo verso un punto di equilibrio con l’ambiente esterno e compatibile con esso.

Lo studio ha evidenziato inoltre la presenza di stati multipli di equilibrio, stati meta-stabili determinati dai valori sub-ottimali dei parametri di processo. Tali stati meta-stabili possono permanere all’infinito impedendo il raggiungimento dello stato finale di equilibrio con l’ambiente.

Con tali presupposti, “l’apprendimento del sistema” e dei suoi parametri di tuning, assolve a finalità predittive-ottimizzanti e non già costituenti-specificative. Si tratta cioè, come per la maggior parte dei sistemi naturali, di accompagnarli (curarli) e non già di specificarli-determinarli ingegneristicamente.

I principali risultati dello studio sono:

• Controllabilità: i processi naturali esistenti nel reattore sono stabili e controllabili. La dinamica del reattore è caratterizzata dall’esistenza di un attrattore stabile costituito dallo stato di equilibrio con l’ambiente esterno. Sono presenti degli stati meta-stabili che possono perdurare per un tempo indefinito e che dipendono dalle modalità con cui il processo viene gestito. Le modalità attuali di gestione del processo imposte dalla normativa determinano il raggiungimento di uno di tali stati meta-stabili, con blocco dei processi e che può perdurare indefinitamente.
• Normativa: l’attuale framework normativo è il principale vincolo al raggiungimento degli obiettivi di circolarità (principio back to earth).
• Vincoli di Processo: per poter indirizzare le dinamiche del processo verso uno stato finale di equilibrio con l’ambiente è necessario garantire apporti netti di acque di reintegro che possono provenire da integrazioni con reflui esterni.

La ricerca ha evidenziato l’esistenza di una frontiera tecnologica di settore. Il reattore è infatti caratterizzato da dinamiche molto lunghe (anni) e rapidi transitori di shut-off dei processi in presenza di condizioni non ottimali. Risulta pertanto necessario disporre di modelli digitali predittivi avanzati, unitamente a strumentazione di controllo di nuova generazione. E’ stata valutata la possibilità di superare tale frontiera tecnologica mediante l’utilizzo delle Key enabling technology. Dallo spin-off dell’attività di ricerca è stata costituita la startup Hymos Dynamics che sta curando lo sviluppo e l’ingegnerizzazione di un sistema predittivo per la regolazione e controllo di impianto.