Anaerobic digestion of microalgae biomass for volatile fatty acids production

Abstract

The carboxylate platform arises as a potential technology to produce bio-based chemicals from renewable resources. Anaerobic digestion (AD), traditionally employed for biogas production, can be shortened to the fermentative stages (anaerobic fermentation AF, acidogenesis and acetogenesis) to produce volatile fatty acids (VFAs) or carboxylates. In this manner organic acids namely acetic, propionic, (iso)butyric, (iso)valeric and caproic acids are produced. The main interest of these compounds, currently obtained petro-chemically, lies in their added value with respect to biogas and the wide range of applications in the chemical industry. Concurrently, the use of microalgae to treat wastewater can decrease the energy cost associated to aeration in traditional systems. The biomass grown constitutes a potential residue to valorize via AF. Notwithstanding, this biomass requires pretreatments prior digestion due to the hard cell wall of certain strains (Publication I). Even though this biomass has been lately studied for biogas production, the operational conditions and anaerobic microbiome remains unknown when it comes to VFAs production. The novelty of this work, including the use of microalgae biomass as feedstock for VFAs production, is the operational conditions optimization focusing on methanogenic inhibition to avoid VFAs consumption (Publication II and III). Archaea inhibition is of outmost importance since these species contribute to VFAs degradation. The main objective was to evaluate microalgae biomass (Chlorella sp.) as feedstock for VFAs production via AF. The employed proteolytic pretreatment responded to the high protein content of the microalgae as well as to avoid any hydrolytic barrier and fully focus on the acidogenic stage. Two approaches were followed, namely shaping the inoculum via pretreatments and tuning operational parameters in order to maximize VFAs production by decreasing archaea activity...

La plataforma de los carboxilatos es una alternativa prometedora para la obtención de bioproductos a partir de recursos renovables. La digestión anaerobia (DA), tradicionalmente empleada para la producción de biogás, puede reducirse tras las etapas fermentativas (fermentación anaerobia (FA), acidogénesis y acetogénesis) para producir ácidos grasos volátiles (AGVs). De este modo, se obtienen ácido acético, propiónico, (iso)butírico, (iso)valérico y caproico. El principal interés de estos compuestos, actualmente obtenidos petroquímicamente, radica en su valor añadido con respecto al biogás y la amplia gama de aplicaciones en la industria química. Las microalgas para el tratamiento de aguas residuales suponen una alternativa para disminuir los costes energéticos asociados a los sistemas de tratamiento más tradicionales. Esta biomasa, revalorizable mediante FA, a menudo requiere pretratamientos debido a la pared celular presente en ciertas cepas (Publicación I). Aunque las microalgas han sido ampliamente estudiadas para producir biogás, las condiciones operacionales y el microbioma anaerobio para obtener AGVs son aún desconocidos. La novedad de este trabajo, que incluye el uso de biomasa de microalgas para la producción de AGVs, es la optimización de las condiciones operacionales centrándose en la inhibición metanogénica (arqueas) debido a que estas especies contribuyen a la degradación de los AGVs durante la metanogénesis (Publicación II y III). El objetivo principal fue la evaluación de biomasa de la microalga Chlorella sp. como sustrato para producir AGVs por FA. El pretratamiento proteolítico empleado respondió al alto contenido de proteínas de las microalgas, evitando cualquier barrera hidrolítica y centrando así la investigación en la acidogénesis. Se siguieron dos estrategias; acondicionar el fango anaerobio mediante pretratamientos y optimizar las condiciones operacionales. Ambas tuvieron como fin maximizar la producción de AGVs e inhibir las arqueas...