Biogas is a source of renewable energy and is produced at anaerobic conditions. The gas consists mainly of methane (55-70 %) and carbon dioxide (30-45 %). Biogas can be used as vehicle fuel after the gas has been upgraded to a methane content of approximately 97 %. There are several companies in Sweden producing biogas. Svensk biogas AB in Linköping is one of the largest. The company has two biogas production plants; one in Linköping and one in Norrköping. To meet the surge demand for biogas it is not only important to increase the volumetric capacity of the digesters, but also to optimize the process at the existing production plants in different ways. Zeolites, a clay mineral, have earlier been shown to have a positive effect on anaerobic digestion of certain substrates. The aim of this master’s thesis was to investigate if the organic loading rate could be increased and/or if the hydraulic retention time could be reduced by addition of zeolites to a reactor treating slaughterhouse waste as a substrate. The aim was further to investigate which substance/substances that zeolites possibly could affect. Addition of the zeolite clinoptilolite in a continuously stirred lab tank reactor showed a significantly lower accumulation of volatile fatty acids compared to that in a control reactor without zeolites added, when the hydraulic retention time was kept low (30 days) and the organic loading rate was high (4.8 kg VS/ (m3 × day)). The same results were observed upon zeolite addition in a batch experiment, which also showed a decreased lag phase. Neither the specific gas production nor the methane concentration was significantly affected by addition of zeolites. Furthermore, addition of a possible inhibitor, long-chain fatty acids (LCFA), increased the lag phase further when slaughterhouse waste was used as a substrate. The conclusion from the observed results is that a metabolite or metabolites produced during the anaerobic degradation is/are the reason to inhibition and an increased lag phase.

Slaughterhouse waste (SB) has high potential to be utilized in anaerobic digestion due to its high protein and lipid content. However, these are also the limiting factors of system stability. Thus, co-digestion of slaughterhouse waste with other agro-industrial residues (manure (M), various crops (VC) and municipal solid waste (MSW)) was introduced in this study to overcome this problem. The main objective of the work was to determine the operating parameters and the methane yield in semi-continuous co-digestion of slaughterhouse waste with other agro-industrial waste streams. Four continuously stirring tank reactors (CSTRs) with different substrates and mixtures (SB, SB:M, SB:VC and SB:VC:MSW) were started up operating with hydraulic retention time (HRT) of 25 days in thermophilic conditions. The highest organic loading rates which could be achieved were 0.9 g VS/L·d in digestion of SB and 1.5 g VS/L·d for the co-digestion mixtures. In these cases, average methane yields of 300, 510, 587 and 426 ml/g VS were obtained from the digestion of SB, and the co-digestion of SB:M, SB:VC and SB:VC: MSW, respectively, with methane contents in the biogas of 60-85%. The highest average methane yield of 587 ml/g VS was found in co-digestion of SB:VC, which was in accordance with the value of 592 ml/g VS detected during the batch digestion of the same mixture. Moreover, batch assays with different substrates as well as 11 different mixtures of those were also set up to investigate the methane potential and the effect of second feeding. The results showed that the co-digestion of SB:VC, SB:VC:MSW and SB:M could provide high methane potentials, where the highest methane yields of 592, 522 and 521 ml/g VS, respectively were obtained. Moreover, increasing, similar or decreasing methane yields were determined from the second feeding depending on the substrates and substrate mixtures used. / Program: MSc in Resource Recovery - Sustainable Engineering

Els residus carnis, o subproductes animals, són interessants per al procés de digestióanaeròbia 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 -oxidaciódels 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 ofpalmitate 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.

Tesis por compendio / [ES] El acceso a fuentes de energía moderna en las áreas rurales de la región andina es uno de los factores principales para disminuir la pobreza ya que su acceso proporcionaría beneficios ambientales, económicos y sociales. Pese a los esfuerzos de buscar fuentes alternativas para subsanar el déficit energético, aún existen millones de personas que sufren la falta de accesibilidad a fuentes de energía moderna, situación que se debe a los altos niveles de pobreza bajo los cuales se encuentran inmersos. Junto a este inconveniente se suma el enorme incremento de residuos agrícolas en las comunidades andinas. Residuos que provienen de las actividades agrícolas, y que podrían ser perjudiciales para el medio ambiente si no se toman medidas adecuadas. Lamentablemente, en muchos países en desarrollo donde se generan grandes cantidades de estos residuos, se sabe poco sobre sus posibles riesgos y beneficios si no se gestionan adecuadamente. Uno de los enfoques más interesantes para abordar esta problemática, es el desarrollo de la gestión sostenible de los residuos orgánicos agrícolas de la región, transformándolos en recursos para la generación de energía renovable (biogás) y fertilizantes orgánicos (digestato). Esta solución permitiría dar una valorización energética a los residuos de la agricultura de la zona, sobre la cual basan su economía, y a la vez contribuiría a una mayor gestión de los residuos evitando el incremento de la contaminación ambiental. Con la finalidad de contribuir al desarrollo energético y mejorar el paradigma de la gestión de residuos en el área andina de Guaranda (Ecuador), la presente Tesis Doctoral aborda la evaluación del potencial bioquímico de metano (BMP) de los residuos orgánicos agrícolas de la región. Se realiza una cuantificación sistemática de la producción de biogás mediante la transformación bioquímica de residuos orgánicos agrícolas, que comprenden: sustratos principales (residuos de estiércol de vicuña, llama y cuy, y residuos de matadero de ganado vacuno) y cosustratos (residuos de paja de amaranto, quinua y trigo). El objetivo general de esta investigación de doctorado se ha llevado a cabo en cuatro fases: (I) Caracterización de la materia prima mediante el análisis elemental y proximal a través de los cuáles se estimó el rendimiento teórico y la biodegradabilidad de los sustratos y cosustratos, (II) Rendimiento de la codigestión de residuos orgánicos agrícolas con mezclas de lodos de aguas residuales en biodigestores batch, (III) Análisis de los efectos sinérgicos y antagónicos durante la monodigestión y codigestión de las materias primas y (IV) Evaluación de la cinética microbiana de la digestión anaerobia mediante los modelos de Gompertz modificado, transferencia, ecuación logística, modelo del cono y Richards modificado. En la caracterización fisicoquímica se determinó que las relaciones SV/ST de los sustratos y cosustratos oscilaron entre 58 y 77% con una relación C/N entre 12 y 102, lo que indicó que estos residuos son materias primas adecuadas para la producción de metano. En todos los ensayos un aumento de la cantidad de inóculo mejoró la biodegradabilidad de los sustratos y por consiguiente la producción metano; así, en la monodigestión se tuvo incrementos de hasta 90% y en la codigestión incrementos del 71%. Todas las mezclas produjeron efectos sinérgicos, donde los mayores porcentajes de metano se dieron cuando las mezclas de residuos de amaranto, quinua y trigo fueron del 50 y 75% de sólidos volátiles. Independientemente de la SIR1:1 y la SIR 1:2 se mejoró la producción de metano de la codigestión al incrementar el porcentaje de cosustrato especialmente de residuos de amaranto y quinua. Los mejores resultados de todos los ensayos realizados se obtuvieron en los biodigestores compuestos por residuos de matadero y residuos de quinua, donde se obtuvieron producciones de metano entre 581 y 555 ml / [CA] L'accés a fonts d'energia moderna en les àrees rurals de la regió andina és un dels factors principals per a disminuir la pobresa ja que el seu accés proporcionaria beneficis ambientals, econòmics i socials. Malgrat els esforços de buscar fonts alternatives per a esmenar el dèficit energètic, encara existeixen milions de persones que pateixen la falta d'accessibilitat a fonts d'energia moderna, situació que es deu als alts nivells de pobresa sota els quals es troben immersos. Al costat d'aquest inconvenient se suma l'enorme increment de residus agrícoles en les comunitats andines. Residus que provenen de les activitats agrícoles, i que podrien ser perjudicials per al medi ambient si no es prenen mesures adequades. Lamentablement, en molts països en desenvolupament on es generen grans quantitats d'aquests residus, se sap poc sobre els seus possibles riscos i beneficis si no es gestionen adequadament. Un dels enfocaments més interessants per a abordar aquesta problemàtica, és el desenvolupament de la gestió sostenible dels residus orgànics agrícoles de la regió, transformant-los en recursos per a la generació d'energia renovable (biogàs) i fertilitzants orgànics (digestato). Aquesta solució permetria donar una valorització energètica als residus de l'agricultura de la zona, sobre la qual basen la seua economia, i alhora contribuiria a una major gestió dels residus evitant l'increment de la contaminació ambiental. Amb la finalitat de contribuir al desenvolupament energètic i millorar el paradigma de la gestió de residus en l'àrea andina de Guaranda (l'Equador), la present Tesi Doctoral aborda l'avaluació del potencial bioquímic de metà (BMP) dels residus orgànics agrícoles de la regió. Es realitza una quantificació sistemàtica de la producció de biogàs mitjançant la transformació bioquímica de residus orgànics agrícoles que comprenen: substrats principals (residus de fem de vicunya, flama i cuy, i residus d'escorxador de bestiar boví), *cosustratos (residus de palla d'amarant, quinua i blat). L'objectiu general d'aquesta investigació de doctorat s'ha dut a terme en quatre fases: (I) caracterització de la matèria primera mitjançant l'anàlisi elemental i proximal a través dels quals es va estimar el rendiment teòric i la biodegradabilitat dels substrats i cosustratos, (II) Rendiment de la codigestión de residus orgànics agrícoles amb mescles de llots d'aigües residuals en biodigestores batch, (III) Anàlisis dels efectes sinèrgics i antagònics durant la monodigestión i codigestión de les matèries primeres i (IV) Avaluació de la cinètica microbiana de la digestió anaeròbia mitjançant els models de Gompertz modificat, transferència, equació logística, model del con i Richards modificat. En la caracterització fisicoquímica es va determinar que les relacions SV/ST dels substrats i cosustratos van oscil·lar entre 58 i 77% amb una relació C/N entre 12 i 102, la qual cosa va indicar que aquests residus són matèries primeres adequades per a la producció de metà. En tots els assajos un augment de la quantitat d'inòcul va millorar la biodegradabilitat dels substrats i per consegüent la producció metà; així, en la monodigestión es va tindre increments de fins a 90% i en la codigestión increments del 71%. Totes les mescles van produir efectes sinèrgics, on els majors percentatges de metà es van donar quan les mescles de residus d'amarant, quinua i blat van ser del 50 i 75% de sòlids volàtils. Independentment de la SIR1:1 i la SIR 1:2 es va millorar la producció de metà de la codigestión en incrementar el percentatge de cosustrato especialment de residus d'amarant i quinua. Els millors resultats de tots els assajos realitzats es van obtindre en els biodigestores compostos per residus d'escorxador i residus de quinua, on es van obtindre produccions de metà entre 581 i 555 ml/g VS. / [EN] Access to modern energy sources in rural areas of the Andean region is one of the main factors to reduce poverty, since its access would provide environmental, economic and social benefits. Despite efforts to find alternative sources to correct the energy deficit, there are still millions of people who suffer from the lack of accessibility to modern energy sources, a situation that is due to the high levels of poverty under which they are immersed. Along with this inconvenience is added the enormous increase in agricultural residues in the Andean communities. Waste that comes from agricultural activities, and that could be harmful to the environment if adequate measures are not taken. Unfortunately, in many developing countries where large amounts of these wastes are generated, little is known about their potential risks and benefits if not managed properly. One of the most interesting approaches to address this problem is the development of sustainable management of agricultural organic waste in the region, transforming it into resources for the generation of renewable energy (biogas) and organic fertilizers (digestate). This solution would allow to give an energetic recovery to the agricultural residues of the area, on which they base their economy, and at the same time would contribute to a better management of the residues avoiding the increase of environmental pollution. To contribute to energy development and improve the paradigm of waste management in the Andean area of Guaranda (Ecuador), this Doctoral Thesis addresses the evaluation of the biochemical potential of methane (BPM) of agricultural organic waste in the region. A systematic quantification of biogas production is carried out through the biochemical transformation of agricultural organic waste that includes main substrates (vicuña, llama and guinea pig manure residues, and cattle slaughterhouse residues) and co-substrates (amaranth straw residues), quinoa and wheat). The general objective of this doctoral research has been carried out in four phases: (I) characterization of the raw material through elemental and proximal analysis through which the theoretical performance and biodegradability of substrates and co-substrates were estimated, (II) Performance of the co-digestion of agricultural organic waste with mixtures of sewage sludge in batch biodigesters, (III) Analysis of synergistic and antagonistic effects during monodigestion and co-digestion of raw materials and (IV) Evaluation of microbial kinetics of anaerobic digestion using modified Gompertz models, transfer, logistic equation, cone model and modified Richards. In the physicochemical characterization it was determined that the VS/TS ratios of the substrates and co-substrates ranged between 58 and 77% with a C/N ratio between 12 and 102, which indicated that these wastes are suitable raw materials to produce methane. In all the tests an increase in the amount of inoculum improved the biodegradability of the substrates and consequently the methane production; thus, in monodigestion there were increases of up to 90% and in co-digestion increases of 71%. All the mixtures produced synergistic effects, where the highest percentages of methane occurred when the mixtures of amaranth, quinoa and wheat residues were 50 and 75% volatile solids. Regardless of SIR1:1 and SIR 1:2, the production of methane from co-digestion was improved by increasing the percentage of co-substrate, especially amaranth and quinoa residues. The best results of all the tests carried out were obtained in the biodigesters composed of slaughterhouse waste and quinoa waste, where methane productions between 581 and 555 ml/g VS were obtained. Regarding the kinetic modelling of the anaerobic digestion process, it was found that all the models fit the experimental values quite well with the predicted ones. In the monodigestion, in all the logistic models, the calculated asymptotes were adjusted very precisely for the specific yield (Me / This work has been carried out within the framework of the project “Analysis of the implementation of biomass exploitation chains in rural communities in the province of Bolívar (Ecuador)” of the ADSIEO-COOPERATION program of the Universitat Politècnica de València (UPV). The Ecuadorian Energy Exploitation Research Network of Biomass (ECUMASA) and the IBEROMASA Network (719RT0586) of the IberoAmerican Program of Science and Technology for Development (CYTED) have participated in this program / Meneses Quelal, WO. (2021). Optimization of Anaerobic Codigestion Processes of Lignocellulosic Materials of Difficult Degradation with Residues from Andean Livestock [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171722 / TESIS / Compendio