Anaerobic digestion of animal by-products : pre-treatments and co-digestion

Abstract

The meat sector is one of the most important industrial sectors in Europe and it is associated with the generation of large quantities of animal by-products not intended for human consumption (ABPs). The increasing demand of renewable energy sources and reuse of wastes require good technological solutions for energy production such as anaerobic digestion (AD), which is included in the current European regulation as one of the allowed methods to valorize ABPs. Due to their composition, with high fat and protein content, ABPs can be considered good substrates for the AD process, according to the high potential methane yield. Although, slow hydrolysis rates and inhibitory process have been reported, with a suitable pre-treatment to improve particulate materials solubility and/or co-digestion process of several complementary materials the anaerobic digestion can be improved. Hence, the aim of this thesis was to evaluate the feasibility of different ABPs for anaerobic digestion. Emphasis was placed on the effect of pre-treatments on the organic matter, methane yield and methane production rate. Within this scope, thermal (pasteurization and sterilization) and high pressure pre-treatments (200, 400 and 600 MPa) were applied. Thermogravimetric and spectroscopy techniques (DTG-MS and FTIR), where used to determine the effects on the organic matter. The effects on the methane yield and methane production rates, including the disintegration parameters, were obtained by means of batch test with different inoculum to substrate ratios (ISR). The suitability of ABP for anaerobic digestion was confirmed with samples from different origin (poultry and piggery slaughterhouses) but the results showed that methane yield depends on the substrate composition (amount of proteins, fats and carbohydrates), especially when a thermal pre-treatment is applied. The thermal pre-treatment produced some inhibitory nitrogen-related compounds when there was a high carbohydrate and protein concentration and also affected the methane potential rate. On the other hand, thermal pre-treatments (pasteurization and sterilization) increased the methane production rate and methane production yield in the case of a waste with high protein and fat concentration. The results of the disintegration kinetics determination underline these positive effects on the methane production rate being increased in the after pasteurization. The high pressure pre-treatments were tested with piggery ABP without obtaining any effect on the methane production or methane production rate. The study and optimization of the co-digestion of pasteurized ABP with pig slurry was reported, including the glycerin addition. It showed to be feasible and glycerin addition resulted in an improvement of the methane production. Changes in the microbial composition were followed by means of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and it was demonstrated that the microbial community of the Eubacteria domain was more sensitive to operational changes than the Archaea domain. In conclusion, this study contributes to the understanding of the anaerobic process of ABP mainly related to the effect of the thermal pre-treatments and the optimization of the co-digestion process.

El sector cárnico lleva asociada la generación de grandes cantidades de subproductos animales no destinados al consumo humano (SANDACH). La demanda de fuentes de energía renovables y la reutilización de los residuos requieren soluciones tecnológicas tales como la digestión anaerobia (DA), proceso incluido en el reglamento europeo actual como uno de los métodos permitidos para valorizar estos subproductos. Debido a su composición rica en grasa y proteína, los SANDACH son considerados buenos sustratos para la DA, dado su elevado rendimiento teórico de producción de metano, aunque se han notificado tasas de hidrólisis lentas y procesos inhibitorios. Con un pretratamiento adecuado, que mejore la solubilidad de los materiales particulados, y/o un proceso de codigestión con residuos complementarios, la DA se podría mejorar. El objetivo de la presente tesis es evaluar la viabilidad de diferentes SANDACH para la DA, centrándose principalmente en el efecto de los pretratamientos sobre la materia orgánica, el rendimiento y la tasa de producción de metano. Para ello se emplearon pretratamientos térmicos (pasteurización y esterilización) y de altas presiones (200, 400 y 600 MPa). Posteriormente, se utilizaron técnicas termogravimétricas y de espectroscopía (DTG-MS y FTIR), además de una caracterización clásica, para determinar los efectos sobre la materia orgánica, mientras que los efectos sobre la producción de metano, incluyendo los parámetros de desintegración, se obtuvieron por medio de ensayos discontinuos con diferentes ratios inoculo/sustrato. La idoneidad de los SANDACH para la DA fue confirmada con residuos de mataderos avícola y porcino, pero los resultados mostraron que el rendimiento de metano dependía de la composición relativa (proteínas, grasas e hidratos de carbono) de cada sustrato, especialmente en el caso de los pretratamientos térmicos. Se observó que cuando el residuo contenía una elevada concentración de hidratos de carbono y proteínas, se generaban compuestos nitrogenados recalcitrantes durante el pretratamiento térmico que afectaban negativamente a la tasa de producción de metano. Por el contrario, cuando el residuo tenía una concentración elevada de proteína y grasa, tanto la tasa de producción como el rendimiento de metano aumentaron tras la pasteurización y esterilización. Estos resultados fueron confirmados mediante el estudio de la cinética de desintegración. En último lugar, el pretratamiento a altas presiones, aplicadas a residuo de matadero de cerdo, no modificó la biodegradabilidad ni el rendimiento de metano del residuo. En paralelo, se estudió la codigestión en continuo de SANDACH pasteurizado con purín porcino y glicerina, optimizándose la producción de biogás mediante el control de la composición de la mezcla de residuos a tratar. Se observaron cambios en las poblaciones microbianas (monitorizados mediante DGGE) y se comprobó que las eubacterias fueron la comunidad dominante, aunque también más sensible a los cambios operacionales que las arqueas. En conclusión, la producción de biogás a partir de SANDACH se ha mostrado factible, mejorando su DA mediante codigestión con otros residuos que permitan equilibrar su composición y un pretratamiento térmico, siendo la eficacia de este muy dependiente de la composición en proteínas e hidratos de carbono.