Bioconversion of food waste into volatile fatty acids via anaerobic fermentation: Insights on operational disturbances and process scalability

Abstract

The continuous growth of the global population and its social development have led to an increasing demand for food production. As a consequence, food waste (FW) generation has increased substantially, raising economic and environmental challenges. A proper valorization of these residues is essential for mitigating their negative environmental impacts and contributing to a circular economy. Among the potential technologies capable of treating and valorizing organic residues, anaerobic digestion (AD) is a sustainable bioprocess that has gained attention for converting organic matter into a biogas primarily composed of methane, given its high energy value. AD proceeds through several steps: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis, where organic matter is solubilized into volatile fatty acids (VFAs) that are intermediate metabolites to ultimately produce biogas. VFAs are carboxylic acids with high industrial value due to their versatility as chemical building blocks for applications in the chemical, pharmaceutical, and food sectors. Traditionally produced via petrochemical routes, VFAs can alternatively be obtained through anaerobic fermentation (AF), an unbalanced AD where the final methanogenesis step is inhibited. This suppression allows the accumulation of VFAs rather than their conversion into methane. Although methods such as inoculum pretreatment and chemical additives have been explored to inhibit methanogens, these approaches are economically or energetically expensive. As an alternative strategy, operational parameters such as temperature, pH, hydraulic retention time (HRT), and organic loading rate (OLR) can be manipulated to favour acidogenic bacteria over methanogenic archaea, thereby enhancing VFA production. Despite the extensive research on AD optimization, the effects of tuning the operational conditions on AF’s efficiency and stability remain less understood. This knowledge gap hinders the development of AF for VFAs production, where process robustness and product stability are crucial. Understanding how changes in operational conditions affect the microbial populations and the metabolite profiles is key to optimize this process, particularly under real scenarios where the feedstock composition and operational factors may vary. This Thesis investigated the use of AF for the bioconversion of FW into VFAs by selecting operational parameters to promote VFA accumulation, identifying the behaviour of the microbial communities, and understanding the AF’s performance upon operational perturbation, which are often unavoidable at larger scales. Particular attention is given to identifying warning indicators of AF instability and exploring strategies for system recovery. Furthermore, this Thesis addressed the scalability of AF by studying its performance and robustness of the process at chemical and biological level across a gradual increase in reactor volumes. Overall, this work contributes with insights for attaining a robust, viable, and environmentally sustainable AF technology for FW valorization. The findings align with global objectives for sustainable process and support the transition towards renewable bio-based chemical production within the framework of the circular economy.

El crecimiento continuo de la población mundial y su desarrollo social han provocado una creciente demanda de producción de alimentos. Como consecuencia, la generación de residuos alimentarios (RA) ha aumentado sustancialmente, planteando desafíos tanto económicos como medioambientales. Una valorización adecuada de estos residuos es esencial para mitigar sus impactos negativos y contribuir a una economía circular. Entre las potenciales tecnologías capaces de tratar y valorizar residuos orgánicos, la digestión anaerobia (DA) es un bioproceso sostenible que ha ganado atención por su capacidad para convertir la materia orgánica en un biogás compuesto principalmente por metano, lo que le confiere un alto valor energético. La DA se desarrolla a través de varias etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis, donde la materia orgánica presente en los residuos se solubiliza en forma de ácidos grasos volátiles (AGVs). Estos AGVs son metabolitos intermedios que son finalmente transformados en biogás. Dichos AGVs son ácidos carboxílicos con un alto valor industrial debido a su versatilidad como moléculas plataforma para distintas aplicaciones en los sectores químico, farmacéutico y alimentario. Tradicionalmente producidos mediante rutas petroquímicas, los AGVs también pueden obtenerse mediante fermentación anaerobia (FA), una DA desequilibrada en la que se inhibe la etapa final de la metanogénesis. Esta supresión permite la acumulación de AGVs en lugar de su conversión en metano. Aunque se han explorado métodos como el pretratamiento del inóculo y la adición de productos químicos para inhibir a los metanógenos, estas estrategias pueden resultar costosas a nivel económico o energético. Como estrategia alternativa, es posible manipular las condiciones operacionales como la temperatura, el pH, el tiempo de retención hidráulico (TRH) y la velocidad de carga orgánica (VCO) para favorecer a las bacterias acidogénicas frente a las arqueas metanogénicas, promoviendo así la producción de AGVs. A pesar de la extensa investigación sobre la optimización de la DA, los efectos de las condiciones operacionales sobre la eficiencia y estabilidad de la FA siguen siendo menos estudiados. Esta falta de conocimiento dificulta el desarrollo de la FA para la producción de AGVs, donde la robustez del proceso y la estabilidad de los productos obtenidos son cruciales. Comprender cómo afectan los cambios de las condiciones operacionales a las poblaciones microbianas y a los perfiles de metabolitos es clave para optimizar este proceso, especialmente en escenarios reales donde la composición del sustrato y otros factores operacionales pueden variar. Esta Tesis investiga la utilización de la FA para la bioconversión de RA en AGVs, explorando la selección de las condiciones operacionales para favorecer la producción de AGVs, identificando el comportamiento de las comunidades microbianas y comprendiendo el rendimiento de la FA ante perturbaciones operacionales, que a menudo son inevitables a mayor escala. Se prestó especial atención a la identificación de indicadores de inestabilidad del proceso y a la exploración de estrategias de recuperación del sistema. Además, en esta Tesis se abordó la escalabilidad de la FA mediante el estudio de su rendimiento y robustez a nivel químico y biológico a lo largo de un aumento gradual del volumen de reacción. En conjunto, este trabajo aporta conocimientos relevantes para obtener una FA robusta, viable y medioambientalmente sostenible para la valorización de RA. Los hallazgos se alinean con los objetivos globales de producción sostenible y apoyan la transición hacia una fabricación de productos químicos renovables y de base biológica en el marco de la economía circular.