Enzymatic hydrolysis of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste: Valorization of the exhausted solid for biopesticide production by solid-state fermentation

Abstract

La legislació europea recent requereix la recollida selectiva i la gestió adequada de la fracció orgànica del residu sòlid municipal (FORM) En el marc del projecte europeu SCALIBUR (Horizon 2020, grant agreement No 817788), aquesta tesi avalua la valorització de la FORM en un escenari tipus biorefineria basat en l’ús de la hidròlisi enzimàtica per obtenir components químics essencials que puguin ser utilitzats en processos fermentatius. En concret, l’estudi es centra en l’ús de la fermentació en estat sòlid (FES) com una tecnologia per produir biopesticides a partir de la fracció sòlida resultant d’una hidròlisi enzimàtica de la FORM per produir sucres reductors de baix pes molecular. En primer lloc, es va estudiar la hidròlisi enzimàtica utilitzant FORM de gran qualitat (baix contingut d’impropis). Es van optimitzar els paràmetres clau del procés utilitzant un còctel enzimàtic comercial y es va comparar amb un còctel enzimàtic produit dins el projecte SCALIBUR específic per a la FORM. A continuació, es va desenvolupar el procés de FES a escala laboratori (0,5 L) per produir Bacillus thuringiensis (Bt) a partir de l’hidrolitzat sòlid. Es van avaluar mètodes per controlar el pH, identificat com un paràmetre clau per al el desenvolupament del Bt. L’ús d’altres residus urbans com a cosubstrats va resultar una estratègia eficient per mantenir els valors de pH. L’efecte de l’ús de cosubstrats no estèrils en la temperatura del procés es va avaluar en bioreactors de 1.6 L. Les barreges que utilitzaven major quantitat de cosubstrats van mantenir més estable el pH i promoure el creixement del Bt, tot i que van assolir temperatures majors. Després, es va utilitzar un prototip (22 L) per validar l’estratègia utilitzant digestat de llots de depuradora i de FORM com a cosubstrats. A aquesta escala, la producció d’espores, associades a la activitat biopesticida, es va veure reduïda, però mantenint-se competitiva si es compara amb resultats publicats anteriorment. Per altra part, es va avaluar l’estratègia desenvolupada per al cas de l’hidrolitzat sòlid del projecte SCALIBUR en un reactor de 100 L i es van trobar dificultats causades per l’acumulació de calor i la contaminació microbiana. Per últim, es va dur a terme una avaluació preliminar de la proposta de biorefineria en termes econòmics per avaluar la seva viabilitat. Tot i produir bioproductes d’alt valor afegit, el cost dels enzims és un factor limitant. Es proposen configuracions alternatives per reduir el seu impacte, com la producció dels enzims a partir de residus. Aquesta tesi presenta un enfocament nou per a la valorització de la FORM, més enllà del compostatge i digestió anaeròbia, per tenir més alternatives tecnològiques per assolir el principi de sostenibilitat d’assegurat els recursos per a futures generacions.

La reciente legislación europea requiere la recogida selectiva y gestión adecuada de la fracción orgánica del residuo sólido urbano (FORSU). En el marco del proyecto europeo SCALIBUR (Horizon 2020, grant agreement No 817788), esta tesis evalúa la valorización de la FORSU en un escenario tipo biorrefinería basado en el uso de la hidrólisis enzimática para la obtención de componentes químicos esenciales que puedan ser posteriormente usados en procesos fermentativos. En concreto, el trabajo se centra en el uso de la fermentación en estado sólido (FES) como una tecnología para producir biopesticidas a partir de la fracción sólida obtenida después de una hidrólisis enzimática para producir azúcares reductores de bajo peso molecular de la FORSU. Primero, se estudió la hidrólisis enzimática usando una FORSU de gran calidad (bajo contenido de impropios). Fue optimizada para parámetros clave usando un cóctel enzimático comercial, que se comparó con uno desarrollado para la FORSU en el proyecto SCALIBUR. A continuación, se desarrolló el proceso de FES para producir Bacillus thuringiensis (Bt) a partir del hidrolizado sólido en escala laboratorio (0.5 L). Se evaluaron métodos para controlar el pH, identificado como un parámetro clave para el desarrollo del Bt. El uso de otros residuos urbanos como cosustratos emergió como una estrategia eficiente para mantener los valores de pH cercanos a la neutralidad. El efecto del uso de cosustratos no estériles en la temperatura del proceso fue evaluado en reactores de 1.6 L. A pesar de la mayor temperatura, las mezclas con más cosustratos fueron mejores para mantener estable el pH y promover el crecimiento del Bt. Después, se utilizó un reactor prototipo (22 L) para validar la estrategia usando digestato de lodos de depuradora y de FORSU como cosustratos. La producción de esporas, asociadas con la actividad biopesticida, se vio ligeramente reducida, pero se mantuvo competitiva en comparación con resultados publicados anteriormente. Por otra parte, se evaluó la estrategia para el hidrolizado sólido proveniente del proyecto SCALIBUR en un reactor de 100 L donde aparecieron dificultades por la acumulación de calor y contaminación microbiana. Por último, se llevó a cabo una evaluación preliminar de la propuesta de biorrefinería en términos económicos para evaluar su viabilidad. A pesar de producir bioproductos de alto valor añadido, el coste de las enzimas fue un factor limitante. Se proponen configuraciones alternativas para reducir su impacto, como la producción de las mismas a partir de residuos. Esta tesis presenta un enfoque novedoso para la valorización de la FORSU más allá del compostaje y la digestión anaerobia, para tener más alternativas tecnológicas para alcanzar el principio de sostenibilidad de asegurar los recursos para las generaciones futuras.

Recent European legislation requires the separate collection and the proper management of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). In the framework of the EU project SCALIBUR (Horizon 2020, grant agreement No 817788), this thesis evaluates the valorization of the OFMSW in a biorefinery-like scenario based on the use of enzymatic hydrolysis to obtain building chemicals that can be further used in fermentative processes. In particular, this work focuses on the use of solid-state fermentation (SSF) as a technology for the production of biopesticides from the solid fraction obtained after an enzymatic hydrolysis of the OFMSW to obtain low molecular weight reducing sugars. First, the enzymatic hydrolysis was studied using a high-quality OFMSW (low content of impurities). The process was optimized for key operational parameters using a commercial enzymatic cocktail and compared with a tailor-made cocktail from the SCALIBUR project. Then, the SSF process for the production of Bacillus thuringiensis (Bt) biopesticides from the obtained solid enzymatic hydrolysate was developed at a laboratory scale (0.5 L). Different approaches to control pH, which was identified as a key parameter for the growth of Bt, were tested. The use of urban waste materials as cosubstrates appeared as an efficient and simple strategy to maintain pH near neutrality. 1.6 L scale bioreactors were used to evaluate the effects of non-sterile cosubstrates on process temperature. Despite the higher temperatures reached, the cosubstrate mixtures were more robust in terms of pH stability and steady growth of Bt than the solid hydrolysate. A prototype reactor (22 L) was used to validate the strategy for two cosubstrates: anaerobically digested sewage sludge and anaerobically digested OFMSW. At this scale, the final production of Bt spores, which are associated with biopesticide activity, was slightly reduced but the process remained competitive in comparison to previously published results. Moreover, the strategy was evaluated for the enzymatic hydrolysate of the SCALIBUR project at a 100 L scale although difficulties related to heat accumulation and microbial competition appeared. Finally, preliminary mass balance and economic evaluation were performed to evaluate the viability of the proposed biorefinery scheme. Despite the high-value bioproducts produced, enzyme cost was a limiting factor. Therefore, alternative biorefinery configurations to reduce this cost are discussed, such as the production of enzymatic cocktails from organic waste. This thesis presents a novel approach for the valorization of the OFMSW beyond composting and anaerobic digestion, to have a wider number of technological alternatives to reach the sustainability principle of securing resources for future generations.