Propionic acid production through anaerobic fermentation of food waste

Das Streben nach der Minimierung von Abfällen in Verbindung mit der Rückgewinnung von Ressourcen hat die Aufmerksamkeit auf die Verwendung von Lebensmittelabfällen als Ausgangsstoffe für die Herstellung hochwertiger Produkte gelenkt. Weltweit fallen jährlich rund 1,3 Milliarden Tonnen Lebensmittelabfälle an. Diese Abfälle werden immer noch auf Deponien abgeladen oder verbrannt, was zu Treibhausgasemissionen führt. Die biologische Umwandlung von Lebensmittelabfällen in Mehrwertprodukte wie Propionsäure (PA) ist daher ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft und die Verringerung der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren fossilen Ressourcen. ... mehrZiel der vorliegenden Dissertation war es, die Propionsäureproduktion aus Lebensmittelabfällen durch anaerobe Fermentation zu verbessern. Dementsprechend wurden verschiedene Batch- und halbkontinuierliche Fermentationsexperimente bei mesophiler Temperatur (30 ° C) durchgeführt.
Batch-Fermentationstests im Labormaßstab wurden durchgeführt, um den Einfluss des Inokulums, des pH-Werts und der thermischen Vorbehandlung des Substrats zu untersuchen. Als Substrat wurde veganes Hundefutter als Modell für Küchenabfälle verwendet. Die ausgewählten Inokula umfassten eine gemischte Bakterienkultur, die über 24 Monate für das Wachstum auf Cellulose ausgewählt wurde, Milch und Ziegenweichkäse. Die Batchtests wurden bei pH 4, pH 6 und pH 8 sowohl für unbehandeltes als auch für vorbehandeltes Hundefutter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktion von Propionsäure und anderen flüchtigen Fettsäuren deutlich vom gewählten Inokulum und dem eingestellten pH-Wert abhängt. Die maximale Propionsäure produktionsraten und Ausbeuten wurden für das Käse-Inokulum bei pH 6 unter Verwendung von unbehandeltem und vorbehandeltem Hundefutter bestimmt. Die Propionsäure Konzentration erreichte 10 g L-1 bzw. 26,5 g L-1. Die höchste Konzentration an flüchtigen Fettsäuren von ungefähr 60 g L-1 wurde erhalten, wenn Milchinokulum verwendet wurde, um vorbehandeltes Hundefutter bei pH 8 zu fermentieren.
Die Verbesserung der PA-Produktion aus Hundefutter und Futterabfällen wurde auch in einem halbkontinuierlichen anaeroben 12 L-Hydrolysereaktor untersucht. Drei Betriebsläufe wurden bei einem pH-Wert von 6,0 ± 0,1 jeweils für mehr als 3 Monaten durchgeführt. Dabei wurden zwei der auch in den Batchtests untersuchten Inokula verglichen, die gemischte mikrobielle Kultur und die in Ziegenkäse enthaltene Kultur. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Ziegenkäse-Inokulum für die Propionsäure Produktion effizienter war, was zu einer Erhöhung um 50 % führte. Die höchste Propionsäurekonzentration wurde mit 139 mmol L-1 unter Verwendung von Hundefutter und mit 105 mmol L-1 unter Verwendung von Küchenabfällen erreicht. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Propionsäure Produktion durch eine Kombination einer relativ hohen hydraulischen Retentionszeit (HRT) mit einer relativ niedrigen organischen Beladungsrate (OLR) erhöht wurde, da dies eine ausreichende Zeit für die vollständige Verarbeitung der komplexen organischen Substrate sicherstellt.
Weiterhin wurde die Vorbehandlung der Fermentationsbrühen von fermentiertem Hundefutter und Küchenabfällen als erster Schritt im Propionsäurerückgewinnungsprozess untersucht. Hierbei wurden zunächst unter Verwendung einer Trenneinheit große Partikel aus der Fermentationsbrühe entfernt, in der Folge wurden die übrigen suspendierten Partikel durch ein getauchtes Mikrofiltrationsmembransystem abgetrennt. Es wurde gezeigt, dass die Trenneinheit ein effizientes Vorbehandlungsverfahren für den Mikrofiltrationsprozess ist. Die Einheit konnte mehr als 86 % der gesamten suspendierten Feststoffe aus der Fermentationsbrühe entfernen. Die Mikrofiltrationsmembran wurde erfolgreich zur Abtrennung von Partikeln im Hydrolysat eingesetzt. Die Verwendung der Mikrofiltrationsmembran mit einer Porengröße von 0,1 µm, 0,45 µm und 0,8 µm führte zur Passage ca. 90 % der flüchtigen Fettsäuren einem. Darüber hinaus entfernte die Membran mehr als 85 % der gesamten suspendierten Feststoffe (TSS). Der höchste kritische Fluss von ungefähr 14 L m-2 h-1 wurde unter Verwendung des Küchenabfallhydrolysats, der Membran mit einer Porengröße von 0,45 µm und einer Begasung von 80 m3 m-2 h-1 beobachtet.

The quest for minimization of waste coupled with resource recovery has focused attention on the use of food wastes as feedstocks for production of high-value products. About 1.3 billion tons of food waste are generated annually worldwide. These wastes are still dumped in landfill or incinerated leading to green-house gas emissions. Thus, bioconversion of food waste into value-added products such as propionic acid (PA) is a promising approach for developing a bio-based economy and reducing the dependence on non-renewable fossil resources. The aim of the present dissertation was to enhance propionic acid production from food waste through anaerobic fermentation. ... mehrAccordingly, different batch and semi-continuous fermentation experiments were conducted at mesophilic temperature (30 °C).
Lab-scale batch fermentation tests were carried out to examine the influence of inoculum type, pH-value, and thermal pre-treatment of substrate. Vegan dog food as model of food waste was used as substrate. The selected inocula comprised a mixed bacterial culture selected over 24 months for growth on cellulose, milk, and soft goat cheese. The batch tests were performed at pH 4, pH 6, and pH 8 for both, untreated and pre-treated dog food. Results show that the production of PA and volatile fatty acids (VFAs) in general were clearly dependent on the chosen inoculum and adjusted pH value. The maximum PA production rates and yields were determined for the cheese inoculum at pH 6 using untreated and pre-treated dog food. PA concentration reached 10 g L-1 and 26.5 g L-1, respectively. However, the highest VFA concentration of approximately 60 g L-1 was obtained when milk inoculum was used to ferment pre-treated dog food at pH 8.
The enhancement of PA production from dog food and food waste were also investigated in a 12 L semi-continuous anaerobic hydrolysis reactor. Three operational runs were carried out at a pH value of 6.0 ± 0.1 over more than 3 months each. Two of the three different types of inocula used for the batch tests, the mixed microbial culture and the culture contained in goat cheese were compared. The results showed that the goat cheese inoculum was more efficient for propionic acid production, resulting in an increase by about 50 %. The highest propionic acid concentration achieved amounted to 139 mmol L-1 and 105 mmol L-1 using dog food and food waste, respectively. Furthermore, it was observed that propionic acid production was enhanced by a combination of rather high hydraulic retention time (HRT) with rather low organic loading rate (OLR), ensuring sufficient time for complete processing of the complex organic substrates.
The pre-treatment of fermented dog food and food waste broths as a primary step in propionic acid recovery was evaluated. Two main procedures were involved: removal of large particles from the fermentation broth by using a separation unit followed by removal of the other suspended particles by a submerged microfiltration membrane system with continuous gas bubbling. The separation unit was able to remove more than 86 % of the total suspended solids from the fermentation broth. The microfiltration membrane was successfully employed for separation of particles in the hydrolysate. It has been demonstrated that using the microfiltration membrane with a pore size of 0.1 µm, 0.45 µm, and 0.8 µm allowed about 90 % VFA to pass through the membrane. Moreover, the membrane removed more than 85 % of the total suspended solids (TSS). The highest critical flux of approximately 14 L m-2 h-1 was observed for food waste broth with a pore size of 0.45 µm and a gas bubbling of 80 m3 m-2 h-1.