New insights into anaerobic digestion: hybridization, bioproducts and microparticles

Abstract

The anaerobic digestion process has been studied for years, leading to numerous applications. Research in this technology has been focused on improvement through various scientific approaches: the most fundamental study of the process, the kinetics of the stages, the final use of the products and by-products obtained as well as pretreatments for process optimization, among other aspects.

This biological process presents a significant opportunity for renewable energy generation and its integration into the energy mix. Furthermore, its implementation could lead to savings in greenhouse gas emissions and the mitigation of fossil fuel use associated with population growth. Emissions captured through controlled anaerobic digestion have enormous potential when dealing with agricultural organic substrates or residues from the anthropogenic activity since, these emissions account for 40% of methane released into the atmosphere spontaneously. Therefore, it is imperative to focus efforts on mitigating this effect through a better management of this agricultural activity within the primary sector. This involves a double approach to transform the sector by enhancing its profitability through the management of generated by-products and by mitigating its impact as a source of greenhouse gases, ultimately making it a much more sustainable process.

In this context, livestock waste, by-products from basic cereal crops, or the agricultural product industry can significantly contribute to bioenergy generation in the primary sector. However, the biological transformation within the anaerobic digestion process will vary for each type of substrate due to their distinct chemical composition and physical properties. Thoroughly studying the different available by-products for management through anaerobic fermentation is critical to maximise their transformation. In this way, technological development in the anaerobic digestion process applied to the agricultural sector is fundamental for a biogas production implementation and a more efficient operation of the installations. This not only ensures environmental improvement but ultimately makes it profitable for the end user.

The aim of this thesis is to investigate, at a laboratory scale, the emerging technologies in the anaerobic digestion process using organic substrates from agricultural activities. Additionally, the study includes their integration on a larger, real scale through a simulation projection based on experimental data. Specifically, the aim is to enhance the anaerobic digestion process by controlling and monitoring operating parameters through (i) microbiological analysis of the medium, (ii) the generation of high-value by-products during the process, (iii) the efficient use of microparticles addition to accelerate the biological transformation, (iv) the application of pretreatments on lignocellulosic wastes, and (v) the feasibility of integrating anaerobic digestion with other renewable energy sources. The results obtained confirm the potential of the anaerobic digestion process in the management of agricultural wastes and other by-products as an efficient, clean, and sustainable technology that favors the circular economy. The necessary transformation of the sector relies on such alternatives, which must also prove profitable for investment. Technological advancements in the process are essential to enhance its performance and encourage its widespread implementation.

El proceso de digestión anaerobia se ha estudiado desde hace años resultando en una gran cantidad de aplicaciones. Las investigaciones dentro de esta tecnología se han orientado hacia la mejora con diferentes enfoques científicos: el estudio más fundamental del proceso, la cinética de las etapas, el uso final de los productos y subproductos obtenidos, o los pretratamientos para la optimización del proceso, entre otros.

Este proceso biológico puede suponer una gran oportunidad para la generación de energía renovable y su integración dentro del mix energético, además de que su implementación conllevaría un ahorro en emisiones de gases de efecto invernadero y la mitigación del uso de combustibles fósiles derivado del crecimiento de la población. Las emisiones captadas por la digestión anaerobia controlada tienen un potencial enorme cuando se trabaja con sustratos o residuos orgánicos agrícolas (de origen antropogénico) ya que, de manera espontánea, suponen actualmente el 40 % de las emisiones de metano a la atmósfera. Es, por tanto, imprescindible centrar parte de los esfuerzos en mitigar este efecto con una mejor gestión de esta actividad agrícola dentro del sector primario con un doble enfoque para convertir al sector mejorando su rentabilidad, por la gestión de los subproductos generados, así como atenuando su efecto como fuente de gases de efecto invernadero y, en suma, transformarlo en un proceso mucho más sostenible.

En este contexto, los desechos ganaderos, subproductos de las plantaciones de cereales básicos o de la industria de productos agrícolas, pueden contribuir notablemente a la generación de bioenergía en el sector primario. No obstante, la transformación biológica dentro del proceso de digestión anaerobia va a ser diferente para cada tipo de sustrato por su diferente composición química y propiedades físicas y es imprescindible estudiar a fondo los diferentes subproductos disponibles para su gestión a partir de la fermentación anaeróbica con el objeto de maximizar su transformación. De este modo, el desarrollo tecnológico del proceso de digestión anaerobia aplicado al sector agrícola es básico para la implementación de la producción de biogás y una operación más eficiente de las instalaciones, permitiendo que sea, más respetuoso con el medio ambiente y rentable para el usuario final.

El objetivo de esta tesis es el estudio a escala de laboratorio de tecnologías incipientes en el proceso de la digestión anaerobia aplicada a sustratos orgánicos procedentes de la actividad agrícola. Estos estudios se acompañan de un análisis de proyección para la integración a escala real a partir de simulaciones con datos experimentales. Específicamente, se busca optimizar la digestión anaerobia mediante el control y seguimiento de los parámetros operativos gracias al (i) estudio microbiológico del medio, (ii) la generación de subproductos de alto valor durante el proceso, (iii) la eficiencia del uso de micropartículas para acelerar la transformación biológica, (iv) el uso de pretratamientos en residuos lignocelulósicos y (v) la viabilidad de combinar la digestión anaerobia con otras fuentes de energía renovable. Los resultados obtenidos confirman el potencial del proceso de digestión anaerobia en la gestión de los residuos y subproductos agrícolas como una tecnología eficiente, limpia y sostenible que favorece la economía circular. La necesaria transformación del sector pasa por este tipo de alternativas que además deben resultar rentables para su inversión. El desarrollo tecnológico del proceso se hace necesario para mejorar el rendimiento del proceso e incentivar su uso.