A step towards biowaste digestate valorization: process development for bt-derived biopesticides production through ssf and performace at demonstration scale

Abstract

Dins el marc del projecte europeu DECISIVE (grant agreement No 689229) aquesta tesi es centra en la valorització del digestat obtingut de la gestió descentralitzada de la fracció orgànica dels residus municipals (FORM) mitjançant la tecnologia de fermentació en estat sòlid (FES). Treballs anteriors enfocats a la prova de concepte van destacar la viabilitat de produir biopesticides derivats de Bacillus thuringiensis (Bt) utilitzant digestat com a principal substrat.

Partint d’;aquests resultats, es van realitzar una sèrie de dissenys d’;experiments a escala laboratori (0.5-L) per determinar els paràmetres amb més rellevància en la fermentació. La temperatura i l’;addició de FORM com a co-substrat es van identificar com a paràmetres clau del procés. Aquest efecte es va estudiar a una escala superior (1.6-L), confirmant la necessitat d’;afegir co-substrat per tal de millorar els rendiments de producció. En aquest punt, també es va identificar i destacar la importància dels nivells d’;oxigen durant les primeres hores de procés. Com a resultant, es va desenvolupar una estratègia d’;aeració per tal de maximitzar la producció d’;espores.

Aquesta estratègia va ser validada a un reactor prototip (22-L), utilitzant dos soques diferents: Bt var. kurstaki i Bt var. israelensis. Els resultats van ser molt prometedors quan el procediment es realitzava en batch, però la producció final es veia reduïda significativament quan es treballava en fed-batch o batchs seqüencials.

Finalment, aquesta estratègia de producció es va implementar al reactor pilot de 290-L, intentant aconseguir l’;ambient favorable per incrementar el creixement i esporulació de Bt. La qualitat del material fermentat va ser analitzada en termes de concentració d’;espores, maduresa del sòlid, i identificació i quantificació de microplàstics.

Aquest projecte ha rebut finançament del programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea segons el Grant Agreement No 689229.

Dentro del marco del proyecto europeo DECISIVE (grant agreement No 689229) esta tesis se centra en la valorización del digestato obtenido de la gestión descentralizada de la fracción orgánica de los residuos municipales (FORM) mediante la tecnología de fermentación en estado sólido (FES). Trabajos anteriores enfocados a la prueba de concepto destacaron la viabilidad de producir biopesticidas derivados de Bacillus thuringiensis (Bt) utilizando digestato como principal sustrato.

A partir de estos resultados, se realizaron una serie de diseños de experimentos a escala laboratorio (0.5-L) con el objetivo de determinar los parámetros con más relevancia en la fermentación. La temperatura y la adición de FORM como co-sustrato se identificarion como parámetros clave del proceso. Su efecto se estudió a escala superior (1.6-L), confirmando la necesidad de añadir co-sustrato para mejorar los rendimientos de producción. En este punto, también se identificó y destacó la importancia de los niveles de oxígeno durante las primeras horas de proceso. Como resultado, se desarrolló una estrategia de aeración para maximizar la producción de esporas.

Esta estrategia se validó en un reactor prototipo (22-L), utilizando dos cepas diferentes: Bt var. kurstaki y Bt var. israelensis. Los resultados fueron muy prometedores cuando el proceso operaba en bach, pero la producción final disminuía significativamente cuando se operaba en fed-batch o batch secuencial.

Finalmente, esta estrategia de producción se implementó en el reactor piloto de 290-L, intentado lograr en ambiente favorable para incrementar el crecimiento y esporulación de Bt. Se estudió la calidad del sólido fermentado en referencia a la concentración de esporas, madurez del sólido, e identificación y cuantificación de microplásticos.

Este proyecto ha recibido fondos del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea según el Grant Agreement No 689229.

In the framework of the European project DECISIVE (grant agreement No 689229) the present thesis is focused on the valorization of digestate from the decentralized management of the organic fraction of the municipal solid waste through the solid-state fermentation (SSF) technology. Previous work focused on the proof of concept of the idea highlighted the viability of producing Bacillus thuringiensis-derived biopesticides using digestate as a principal substrate.

From these results, a first assessment at a laboratory scale (0.5-L) using the design of experiments’ methodology was performed for determining the more relevant parameters in the fermentation. Temperature and the use of biowaste as co-substrate were identified as key parameters for the process. This effect was studied at 1.6-L, confirming the need of adding co-substrate for increasing the production yields. At that point, the relevance of oxygen levels in the firsts hours of fermentation was identified and highlighted. As a result, an aeration strategy was developed with the aim of maximizing the spore production.

This strategy was validated at a prototype reactor (22-L) using two different strains: Bt var. kurstaki and Bt var. israelensis. Promising results were observed when the process was performed on batch mode. However, the final production was significantly reduced when working on fed-batch or sequential batch mode.

Lastly, the developed operation strategy was implemented at the 290-L pilot reactor, trying to achieve an adequate environment for boosting Bt growth and sporulation. The quality of the fermented material was assessed in terms of spore concentration, solid maturity, and microplastics identification and quantification.

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 689229.