Anaerobic digestion of slaughterhouse waste. Impact of the LCFA inhibition

Abstract

Els residus carnis, o subproductes animals, són interessants per al procés de digestió<br/>anaeròbia i producció de biogàs, donat el seu elevat potencial energètic i l'actual marc legislatiu que prima la producció d'energia renovable. Tot i així, l'elevat contingut en lípids i proteïnes d'aquests residus pot limitar el seu tractament en introduir fenòmens d'inhibició, dels quals el més important és el produït pels àcids grassos de cadena llarga (AGCL), resultants de la hidròlisi dels lípids. L'objectiu de la present tesis és aprofundir en el coneixement d'aquest procés d'inhibició, en la capacitat d'adaptació dels microorganismes i en la recuperació o prevenció dels fenòmens d'inhibició. En una primera aproximació a la problemàtica, es caracteritzen residus orgànics d'escorxador, s'estudia la seva biodegradabilitat anaeròbia amb diferents relacions lípids/proteïnes i es realitzen assaigs discontinus seqüencials incrementant la concentració de substrat mitjançant pulsos consecutius. Es comprova que la hidròlisi i acidogènesi de proteïnes és molt ràpida i que la degradació dels lípids i AGCL limita la velocitat global del procés. Malgrat aquesta limitació, el sistema es recupera després dels pulsos aplicats, tot augmentant la taxa màxima de producció de metà. Per tal d'estudiar el fenòmen de recuperació, s'estudien i desenvolupen diferents estratègies en reactors sotmesos a processos d'inhibició per AGCL. L'increment dels ratis biomassa/AGCL o l'adició d'additius com la bentonita, per tal de reduir la biodisponibilitat o l'adsorció dels AGCL sobre la biomassa activa, es mostren com estratègies funcionals d'utilitat en l'operació de plantes industrials. Els resultats obtinguts reforcen la hipòtesi de que la inhibició és deguda a adsorció d'AGCL sobre la membrana cel·lular i que la recuperació es pot mesurar mitjançant un augment de l'activitat dels microorganismes. Per tal de dilucidar sobre la natura del augment de l'activitat en els processos de recuperació es caracteritza la inhibició-recuperació mitjançant tres tècniques: 1) estudi de les activitats dels microorganismes a diferents substrats 2) utilització de tècniques de biologia molecular per caracteritzar les poblacions, i 3) desenvolupant expressions cinètiques del procés d'inhibició, basades en l'adsorció, en el marc del model matemàtic ADM1 de la International Water Association. Mitjançant aquestes metodologies es comprova que els fenòmens d'inhibició i adaptació es poden explicar mitjançant un creixement poblacional específic i la inclusió dels fenòmens físic d'adsorció en el procés d'inhibició metabòlica. Finalment, s'avalua de forma més detallada el procés d'adsorció-inhibició mitjançant la determinació de les isotermes d'adsorció i monitoritzant mitjançant assaigs amb biomassa granular i tècniques de microscòpia de fluorescència. Aquesta caracterització ha permès obtenir estratègies de prevenció de la inhibició per AGCL, mitjançant competència amb adsorbents sintètics, i concloure que l'àcid palmític és el limitant en el procés de -oxidació<br/>dels AGCL. Els resultats obtinguts constitueixen una base per al millor coneixement de les possibilitats de tractament anaerobi del residus carnis i dels processos d'inhibició per AGCL i adaptació de la biomassa. El procés físic d'adsorció ha estat directament relacionat amb el fenòmen d'inhibició metabòlica, obtenint-se una descripció matemàtica del mateix. Els resultats han permès plantejar estratègies operacionals, sent una eina a disposició d'operadors de plantes de biogàs per optimitzar la producció d'energia d'aquests residus >mitjançant la seva digestió anaeròbia.

Los residuos cárnicos, o subproductos animales, son interesantes para el proceso de digestión anaerobia y producción de biogás, dado su elevado potencial energético y el actual marco legal que prima la producción de energía renovable. A pesar de esto, el elevado contenido en lípidos y proteínas puede limitar su tratamiento, al introducir fenómenos de inhibición, de los cuales el más importante es el producido por ácidos grasos de cadena larga (AGCL), resultado de la hidrólisis de los lípidos. El objetivo de la presente tesis es profundizar en el conocimiento de este proceso de inhibición, en la capacidad de adaptación de los microorganismos t en la recuperación de sistemas inhibidos. En una primera aproximación a la problemática, se caracterizan los residuos orgánicos de matadero, se estudia su biodegradabilidad anaerobia con diferentes relaciones lípido/proteína y se realizan ensayos discontinuos secuenciales incrementando la concentración de substrato mediante pulsos consecutivos. Se comprueba que la hidrólisis y acidogénesis de las proteínas es muy rápido y que la degradación de lípidos y AGCL limita la velocidad global del proceso. A pesar de esta limitación, el sistema se recupera después de los pulsos aplicados aumentando la tasa máxima de producción de metano. A fin de estudiar el fenómeno de recuperación, se estudian y desarrollan diferentes estrategias en reactores inhibidos por AGCL. El incremento de los ratios biomasa/AGCL o la adición de aditivos como la bentonita, a fin de reducir la biodisponibilidad o la adsorción de los AGCL sobre la biomasa activa, se muestran estrategias funcionales de utilidad en la operación de plantas industriales. Los resultados obtenidos refuerzan la hipótesis de que la inhibición es debida a adsorción de AGCL sobre la membrana celular y que la recuperación se puede medir mediante un aumento de la actividad de los microorganismos. A fin de dilucidar sobre la naturaleza del aumento de la actividad en los procesos de recuperación se caracteriza la inhibición mediante tres técnicas: 1) estudio de las actividades de los microorganismos a diferentes substratos, 2) utilización de técnicas de biología molecular para caracterizar las poblaciones, y 3) desarrollando expresiones cinéticas del proceso de inhibición, basado en la adsorbió, en el marco del modelo ADM1 de la International Water Association. Mediante estas metodologías se comprueba que los fenómenos de inhibición y adaptación se pueden explicar mediante un crecimiento poblacional específico y la inclusión de la adsorción en el proceso de inhibición metabólica. Finalmente, se evalúa de forma detallada el proceso de adsorción-inhibición mediante la determinación de las isotermas de adsorción y monitorizando estos procesos mediante ensayos discontinuos con biomasa granular y técnicas de microscopia de fluorescencia. Esta caracterización ha permitido obtener estrategias de prevención de la inhibición por AGCL, mediante competencia con adsorbentes sintéticos, y concluir que el ácido palmítico es el limitante en el proceso de mutante -oxidación de los AGCL. Los resultados obtenidos constituyen una base para el mejor conocimiento de las posibilidades de tratamiento anaerobio de residuos cárnicos y de los procesos de inhibición por AGCL y adaptación de la biomasa. El proceso físico de adsorción se ha relacionado directamente con el fenómeno de inhibición metabólica, obteniéndose una descripción matemática del mismo. Los resultados han permitido plantear estrategias operacionales, siendo una herramienta a disposición de operadores de plantas de biogás para optimizar la producción de energía de estos residuos mediante su digestión anaerobia.

Slaughterhouse wastes are interesting for the anaerobic digestion process regarding its high biogas production potential and because the current legal scenario promotes renewable energy production. The high lipid and protein content of those residues limit its treatment due to inhibitory processes, in particular the inhibition caused by long chain fatty acids (LCFA). The objective of the present disertation is to obtain a deeper insight on the LCFA inhibition process, the microorganism adaptation ability and the prevention/recovery of inhibitory phenomena. In a preliminary approach, organic wastes generated in slaughterhouses are characterized, by studying the anaerobic biodegradability of waste mixtures containing diferents lipid/proteins concentrations. Anaerobic batch tests are performed at increasing substrate concentrations by sequential pulse feeding. From those experiments, the fast hydrolysis-acidogenesis of proteins is verified, being the lipids and LCFA degradation the main limiting step of the overall anaerobic process. Despite this limitation, the system is able to recover up to a higher methane production rate after each applied pulse. In order to elucidate on the mechanisms of the recovery process, several strategies to recover LCFA inhibited reactors are tested. The increase of the biomass/LCFA ratio and the adition of bentonite to reduce the biodisponibility or the adsorption of LCFA over microbial cell walls, are found to be effective approaches in the operation of fullscale biogas plants. The obtained results reinforce the hypothesis of the adsorptive nature of the LCFA inhibition, and that the recovery process can be followed as an increase in the microbial activity. The nature of the reported microbial activity improvement after subsequent sytem inhibition is characterized by three different techniques: 1) the study of specific microbial activities on different model substrates, 2) the application of molecular biology tools to monitor the microbial population structure and, 3) the development of kinetic expressions of the LCFA inhibition phenomena, based on the adsorption process, within the framework of ADM1 model of the International Water Association. The combined analysis of those confirmed that inhibition and adaptation phenomena are explained by a specific microbial growth, including adsorption in the metabolic LCFA inhibition process. The adsorption-inhibition process is evaluated in detail by determining LCFA adsorption isotherms on granular sludge, LCFA toxicity test, and fluorescence microscopy techniques. This multidisciplinary approach results in the definition of an inhibition preventing strategy based on the introduction of competitive adsorbents, and on stating the importance of<br/>palmitate during ß-oxidation of LCFA. This study contributes to the understanding of slaughterhouse wastes anaerobic treatment, the LCFA inhibition process, and the biomass adaptation phenomena. The physical adsorption process has been directly related with the LCFA metabolic inhibition, and a new mathematical kinetic expression is proposed. New strategies guiding the operation of anaerobic reactors are suggested in order to obtain high renewable energy yields from slaughterhouse wastes digestion.