Production and recovery of valuable bioproducts through anerobic fermentation of organic waste.
Keywords: 
Bioproducts.
Organic waste.
Anaerobic fermentation.
Issue Date: 
2019
Defense Date: 
14-Jun-2019
Publisher: 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
Citation: 
GARCÍA AGUIRRE, J. "Production and recovery of valuable bioproducts through anerobic fermentation of organic waste."Aymerich, E. y Esteban, M. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, 2019
Abstract
This thesis explored controlled anaerobic fermentation processes to gain insights into the feasibility of treating different sources of organic waste to obtain valuable fermentation bioproducts, such as volatile fatty acid (VFA) and additional bioproducts. Anaerobic fermentation will constitute an innovative approach to recover value from organic waste in future biorefineries and contribute to the Circular Economy. The VFA production was assessed by performing laboratory-scale experiments where the acidogenic potential of different agro-industrial and urban waste was evaluated. These tests provided a valuable methodology to understand the process chemistry, where the impact of process variables, i.e. temperature and pH, was evaluated. Besides, these tests provided valuable information for subsequent up-scaling. Mixed culture VFA production tests were up-scaled in a pilot-scale platform, where the results of laboratory-scale tests could be reproduced. Herein, co-fermentation of substrates of complementary nature showed potential benefits to enhance the acidogenic fermentation process. The VFA production process was evaluated in a continuous mode of operation at pilot-scale. Herein, different process variables were optimised, i.e. the pH and the hydraulic retention time. Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) showed potential benefits as co-substrate, which enabled to boost the VFA productivity and enrich the fermentation composition. Continuous acidogenic fermentation was a feasible alternative, where stable VFA processes could be obtained. Additionally, ultrafiltration technology was adequate to recover a VFA rich permeate. During the last phase of the thesis, the downstream of fermentation bioproducts was evaluated by assessing the performance of a novel membrane-based technology, namely forward osmosis (FO). During the downstream process, other value-added fermentation bioproducts beyond VFA were evaluated, such as succinic acid, lactic acid and ethanol. These consist of valuable bioproducts that can be obtained from controlled anaerobic fermentation processes, for example using pure bacterial strains and different sources of organic waste, such as third generation biomass. The performance of different types of FO membranes, i.e. cellulose triacetate flat sheet membranes and thin film composite hollow fibre membranes showed the potential of FO technology as a downstream technology to up-concentrate the fermentation bioproducts, enabling high rates of water removal and high solute concentration factors. The application of FO with synthetic binary mixtures of target chemicals enabled to obtain low volume and high concentrated solutions, which might constitute an essential step for the final downstream step and bioproduct recovery. The application of FO membranes was validated with real fermentation mixtures obtained from pure culture fermentation tests, which were performed with the OFMSW and macroalgae substrates. The application of FO with the real fermenttiaon broths, confirmed the potential of the technology as a novel application to upgrade target chemicals. This may raise the interest of the private sector by becoming a core technology of future downstream processes in the biorefinery context and by opening new market opportunities. Overall, this thesis covered the whole picture of fermentation processes that could be performed in future biorefineries, from laboratory scale experiments to pilot-scale, by treating different sources of organic waste and exploring a potential downstream technology.
El objetivo de la presente tesis ha sido explorar la tecnología de fermentación anaerobia para la obtención de productos de valor añadido, tales como los ácidos grasos volátiles (AGV) a partir de diferentes corrientes de residuos orgánicos. La producción de AGV mediante fermentaciones anaerobias controladas podría constituir una solución innovadora para recuperar compuestos de valor añadido a partir de residuos orgánicos, los cuales constituyen un problema ambiental y de gestión, y contribuir de este modo al modelo de Economía Circular. En primer lugar, se evaluó el potencial acidogenico de diferentes corrientes de residuos de origen agro-industrial y urbano. Estos ensayos proporcionaron una metodología valida para el posterior escalado en planta piloto. A su vez, se analizó el efecto de las principales variables de proceso, como el pH y la temperatura, tanto en el rendimiento de la fermentación como en la bioquímica del proceso. A continuación, se realizó el escalado de la producción de AGV, a partir de cultivos mixtos, en una planta piloto automatizada. Durante los ensayos en modo batch, se pudieron reproducir los principales valores obtenidos en los ensayos acidogenicos previos. La co-fermentación de residuos de naturaleza complementaria se identificó como un aspecto clave para establecer sinergias y mejorar el proceso fermentativo. En tercer lugar, se evaluó el proceso de producción de AGV en modo continuo de operación en planta piloto. Durante los ensayos, se testearon diferentes condiciones de pH y tiempo de retención hidraúlico para optmizar el proceso fermentativo. Mediante la adición de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos durante la fermentación de lodo de depuradora, se consiguió mejorar la productividad del proceso y obtener mezclas de mayor riqueza en composición de AGV. A su vez, la tecnología de ultrafiltración se identificó como una alternativa adecuada para obtener fracciones líquidas enriquecidas en AGV. Finalmente, en la última parte de la tesis, se ahondó en el proceso de separación de las mezclas obtenidas mediante fermentación anaerobia, con el fin de facilitar la obtención de los bioproductos con aplicación en el mercado. Para ello, se analizó la viabilidad de una técnica avanzada de separación de membrana, como la osmosis directa. Durante este periodo, se analizaron otros productos de interés más allá de los AGV, que pueden ser obtenidos a partir de fermentaciones anaerobias controladas, como el ácido láctico, el ácido succinico y el etanol. Estos consituyen productos de alto valor añadido y se han identificado como “platform chemicas” por ejemplo en el caso del ácido succínico y el ácido láctico. Estos bioproductos pueden ser obtenidos a partir de corrientes residuals alternativas, como la biomasa de tercera generación (e.g. macroalgas). Se realizaron ensayos de osmosis directa con membranas planas de triacetato de celulosa y tubulares poliméricas con proteinas biomiméticas integradas, donde se testearon mezclas binarias sintéticas de los compuestos mencionados. Los resultados evidenciaron el elevado potencial de la tecnología de osmosis directa para concentrar los compuestos objetivo del studio, donde se pudieron eliminar cantidades elevadas de agua. Esto permitió obtener mezclas de volumen reducido y con factores de concentración elevados de soluto. De acuerdo a los resultados obtenidos, la tecnología de osmosis directa prodría convertirse en un paso clave en la purificación de compuestos obtenidos mediante fermentación anaerobia en biorefinería. Los resultados obtenidos con las mezclas sintéticas de los compuestos objetivo de estudio, fueron validados con mezclas de fermentación reales donde se obtuvieron ácido succinico, ácido láctico y etanol a partir de la fermentación realizada con cultivos microbianos puros, y donde se emplearon FORSU y macroalgas como residuos. Se confirmó el potencial de la tecnología de ósmosis directa como una applicación innovadora de las membranas para concentrar compuestos obtenidos en procesos de fermentación anaerobios. De acuerdo a los resultados obtenidos, se prevé que esta solución tecnológica podría despertar La presente tesis, permitió cubrir el proceso integro de fermentación anaerobia, desde un enfoque de biorefinería. Con un carácter experimental, se realizaron ensayos fermentativos a pequeña escala y en planta piloto, y se dieron los primeros pasos para procesar y separar las mezclas fermentadas obtenidas mediante la aplicación de una tecnología innovadora de separación por membrana.

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