Valorisation of olive mill solid waste through the production of volatile fatty acids within a biorefinery approach

Abstract

El objetivo de esta tesis es la valorización del alperujo mediante fermentación con cultivos mixtos para producir y recuperar ácidos grasos volátiles (AGVs). Los métodos actuales de gestión del alperujo no cumplen con los requisitos de sostenibilidad ambiental y económica que el sector del aceite de oliva exige. Por lo tanto, se ha evaluado la fermentación con cultivos mixtos del alperujo para maximizar la producción y acumulación de AGVs y su posterior recuperación utilizando un sistema de extracción electroquímica. En primer lugar, se determinó la influencia del pH operacional en la acumulación y en el perfil de AGVs obtenidos utilizando reactores alimentados por lotes. La hidrólisis del alperujo a pH neutro fue efectiva, alcanzando una biodegradación de hasta el 80 %, pero no se observó acumulación de AGVs por su transformación en biogás. En condiciones a pH ácido y alcalino se obtuvieron valores de la relación sDQO/tDQO (DQO, demanda química de oxígeno) del 20 % y el 50 %, respectivamente, con concentraciones de AGV inferiores a 3 g·L⁻¹. Por lo tanto, aunque la metanogénesis se inhibió con éxito mediante el control del pH, la hidrólisis y la generación de AGVs fueron limitadas. Posteriormente, se compararon en modo semicontinuo dos métodos de inhibición de la metanogénesis: uno utilizando 2-bromoetanosulfonato (BES) a pH neutro para verificar si la hidrólisis del alperujo se mantenía a pH 7, y otro operando a pH 5. Los resultados mostraron que la biodegradación anaeróbica del alperujo fue limitada a pH neutro, aunque la solubilización fue un 25 % mayor que a pH 5. Esta limitación sería consecuencia de una inhibición por producto (acumulación de AGVs), cuya toxicidad es mayor a pH ácido que a pH neutro debido a una mayor disociación de los AGVs. La variación del tiempo de residencia hidráulico (TRH) en modo semicontinuo se estudió bajo condiciones de pH ácidas y alcalinas, pH 5 y 9, respectivamente. Esto permitió determinar si la hidrólisis del alperujo se vería favorecida por la adaptación de los microorganismos y, en consecuencia, obtener una mejor acumulación de AGVs. El aumento del TRH de 7 a 14 días mejoró la hidrólisis, alcanzando a un TRH de 14 días un porcentaje de alrededor del 32 % y 53 % para pH 5 y pH 9, respectivamente. A un TRH de 21 días, los AGV aumentaron hasta niveles que llevaron a la desestabilización del sistema (superando los 10 g DQO-AGV·L⁻¹ en ambos pH evaluados). Esto sugiere que, entre los TRH evaluados, el TRH de 14 días puede considerarse el más adecuado para la actividad microbiana. El perfil de AGV en condiciones alcalinas (pH 9) fue menos diverso que en condiciones ácidas, siendo alrededor del 80 % ácido acético. Esto podría estar relacionado con las condiciones específicas generadas a pH 9, que llevaron a una significativa presión selectiva, resultando en la selección y enriquecimiento destacado de la especie Virgibacillus halodenitrificans. Se ha descrito que esta especie tiene una vía para la conversión directa de azúcares simples en ácido acético. Por otro lado, a pH 5, el perfil de AGVs fue muy diverso, obteniéndose al final del tiempo experimental una composición de: 41 % de ácido acético, 32 % de ácido propiónico, 19 % de ácido butírico y 8 % de ácido valérico. Esto podría estar relacionado con una mayor diversidad y una menor dominancia de microorganismos con respecto al pH 9. Debido al impacto de la inhibición por producto (acumulación de AGV), se desarrolló un sistema de electrodiálisis para recuperar los AGVs generados. La electrodiálisis recuperó los AGVs de un fermento de alperujo en una matriz limpia, con una eficiencia de alrededor del 60 %. Al comparar esta recuperación con una mezcla sintética de AGVs, se pudo concluir que el efecto matriz tuvo un impacto insignificante en los porcentajes de recuperación de AGVs, aunque desaceleró ligeramente el proceso. Finalmente, debido al largo tiempo requerido en el análisis de AGV individuales mediante cromatografía de gases, se evaluó la tecnología de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) para una detección más rápida y sencilla de estos compuestos. Los resultados obtenidos se utilizaron para construir modelos de predicción de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR) adecuados para una matriz compleja como los efluentes fermentados de alperujo. Sin embargo, el uso del NIR para una rápida determinación de los AGVs presentó dificultades en la cuantificación individual de los AGVs. Esto se debe a que las longitudes de onda de los AGVs fueron mayormente iguales, y estas bandas de absorción superpuestas pueden causar interferencia, pero dan resultados más precisos para la concentración total de AGVs.

The objective of this thesis is the valorisation of olive mill solid waste (OMSW) by mixed culture fermentation to produce and recover volatile fatty acids (VFAs). OMSW current management methods do not match the environmental and economic sustainability requirements of the olive oil sector. Mixed culture fermentation of OMSW has been evaluated under different conditions to maximize the production and accumulation of VFAs and their subsequent recovery using an electrochemical extraction system. Firstly, the influence of operational pH on VFA accumulation and profile was determined using fed-batch reactors. The OMSW hydrolysis at neutral pH was very effective, reaching a biodegradation of up to 80%, but no accumulation of VFAs was observed due to their bioconversion into biogas. Meanwhile, acidic and alkaline pH conditions presented values of the sCOD/tCOD ratio (COD, chemical oxygen demand) of 20% and 50%, respectively, and VFA concentrations lower than 3 g·L⁻¹. Thus, although methanogenesis was successfully inhibited by pH control, hydrolysis and VFA generation were limited. Subsequently, two methods of methanogenesis inhibition—one using 2-bromoethanesulfonate (BES) at neutral pH to test whether OMSW hydrolysis is maintained at pH 7 and another operating at pH 5—were comparatively tested in semi-continuous mode. The results showed that the anaerobic biodegradation of OMSW was limited at neutral operational pH with BES, although solubilisation was 25% higher than at pH 5. This observed limitation is most likely due to product inhibition (VFA accumulation), whose toxicity was higher at acidic pH than at neutral pH due to a higher dissociation of VFAs. Variation of the hydraulic retention time (HRT) in semi-continuous mode was studied under acidic and alkaline pH conditions, i.e., pH 5 and pH 9, respectively. This allowed determination of whether OMSW hydrolysis would be favoured by microbial adaptation and, consequently, improve VFA accumulation. Prolonging the HRT from 7 to 14 days increased hydrolysis, reaching percentages of around 32% and 53% for pH 5 and pH 9, respectively, at a 14-day HRT. At a 21-day HRT, VFAs increased to levels that led to system destabilisation (exceeding 10 g COD-VFA·L⁻¹ at both evaluated pH values). This suggests that, among the evaluated HRTs, a 14-day HRT was the most adequate for microbial organic matter hydrolysis and VFA production. The VFA profile under alkaline conditions (pH 9) was less diverse than under acidic conditions, i.e., around 80% acetic acid. This could be related to the specific conditions generated at pH 9, which led to significant selective pressure, resulting in the selection and enrichment of the species Virgibacillus halodenitrificans. This species has been described as having a pathway for the direct conversion of simple sugars into acetic acid. At pH 5, the VFA profile was very diverse, obtaining at the end of the experimental time a composition of 41% acetic acid, 32% propionic acid, 19% butyric acid, and 8% valeric acid. This could be related to higher microbial diversity and lower dominance compared to pH 9. Because product inhibition (VFA accumulation) was still not mitigated, an electrodialysis system was developed to recover the generated VFAs. Electrodialysis recovered the VFAs from the OMSW ferment into a clean matrix with an efficiency of around 60%. Comparing this recovery with that of a synthetic VFA mixture, it could be concluded that the matrix effect had a negligible impact on VFA recovery percentages, although it slightly decelerated the recovery process. Finally, due to the long time required for analysis