Integral Valorisation of Food Waste through the Recovery of Biohydrogen & Methane

Abstract

The increasing generation of fruit and vegetable waste (FVW) poses a significant environmental, economic, and social challenge due to its high biodegradability and tendency to uncontrolled acidification. Despite being rich in organic matter, FVW is often underutilized, commonly ending up in landfills or incinerators, contributing to pollutant emissions and resource loss. In alignment with the Circular Bioeconomy Strategy and the 2030 Sustainable Development Goals, its valorization for renewable bioenergy production is a strategic priority.

In this context, dark fermentation (DF) and anaerobic digestion (AD) emerge as key biotechnological processes for converting FVW into hydrogen (H2) and methane (CH4), respectively. However, DF faces several limitations, such as the accumulation of lactic acid (HLac), operational instability, and low reproducibility—especially under continuous operation. A promising alternative is lactate-driven dark fermentation (LDDF), which utilizes HLac as a fermentable intermediate rather than an inhibitor, allowing for more efficient and stable H2 production. Nevertheless, the effects of operational parameters such as pH, total solids (TS), biomass concentration, hydraulic retention time (HRT), and organic loading rate (OLR) on LDDF performance remain insufficiently understood.

This thesis addresses these gaps by systematically evaluating these parameters in LDDF systems operated in both batch and continuous modes using FVW as substrate. Under mesophilic conditions, batch experiments showed that optimal H2 production was achieved at neutral pH (7.0), low TS (5%), and high inoculum concentration (1800 mg VSS/L), reaching a yield of 49.5 NmL H2/g VSFED and a maximum productivity of 976.4 mL H2/L-h. These conditions reduced HLac accumulation and favored the co-production of acetate and butyrate, highlighting a delicate balance among metabolic pathways and the importance of precise control of operating conditions.

In continuous systems, progressive reduction of HRT from 24 to 6 hours (OLR of 47–188 g VS/L-d) revealed an optimal HRT of 9 hours, achieving an unprecedented H2 production rate of 11.8 NL H2/L-d and a yield of 95.6 NmL/g VSFED. These results underscore the critical role of residence time and confirm HLac as a key driver in DF performance.

To further enhance energy recovery, conventional single-stage AD was compared with a two-stage system including a preliminary HLac-producing acidogenic phase. The two-stage configuration outperformed the single-stage system, with a 32% increase in CH4 productivity (959 NmL CH4/L-d) and a 36% increase in CH4 yield (398 NmL/g VSFED). Although both systems produced similar CH4 content and stability, the two-stage system achieved more efficient substrate conversion and greater microbial specialization, with Lactobacillus dominating the acidogenic phase and Methanobacterium and Methanothrix prevailing during methanogenesis.

Reproducibility, a key factor for process scalability, was also addressed by operating parallel reactors under identical conditions through six experimental phases. A consistent H2 productivity of 6.7 ± 0.7 NL H2/L-d and stable profiles of organic acids were achieved, validating the robustness of LDDF under controlled conditions. Strategies such as bioaugmentation and nutrient supplementation led only to temporary improvements, indicating the need for long-term adaptive optimization approaches to mitigate biological variability.

Overall, this research provides valuable scientific and technological insights for the optimization and integration of DF and AD in FVW valorization. The results demonstrate that, with proper adjustment, LDDF can serve as a reliable platform for H2 production, and that HLac-based two-stage AD offers a superior alternative for CH4 generation. From a comprehensive perspective, combining LDDF and AD enables the conversion of organic waste into two high-value biofuels— H2 and CH4—promoting resource recovery, circular economy principles, and climate change mitigation. The findings lay the groundwork for designing robust, scalable, and sustainable biorefineries capable of addressing current environmental and energy challenges through the efficient use of organic waste.

La creciente generación de residuos de frutas y verduras (RFV) representa un desafío ambiental, económico y social, debido a su alta biodegradabilidad y tendencia a la acidificación incontrolada. A pesar de su riqueza en materia orgánica, estos residuos suelen ser infrautilizados, lo que contribuye a emisiones contaminantes y a la pérdida de recursos. En línea con la Estrategia de Bioeconomía Circular y los Objetivos de Desarrollo Sostenible, su valorización para la obtención de bioenergía renovable adquiere una importancia estratégica.

En este contexto, la fermentación oscura (FO) y la digestión anaerobia (DA) destacan como procesos clave para convertir RFV en hidrógeno (H2) y metano (CH4), respectivamente. Sin embargo, la FO enfrenta limitaciones como la acumulación de ácido láctico (HLac), la inestabilidad operativa y baja reproducibilidad, especialmente bajo condiciones de operación continua. Una alternativa prometedora es la FO impulsada por lactato (FOIL), que aprovecha el HLac como sustrato fermentable, favoreciendo una producción de H2 más eficiente y estable. A pesar de su potencial, los efectos de parámetros operativos como pH, sólidos totales (ST), concentración de biomasa, tiempo de retención hidráulica (TRH) y carga orgánica (CO) en FOIL no han sido suficientemente explorados.

Esta tesis aborda estas brechas mediante una evaluación sistemática de dichos parámetros en sistemas FOIL operados en modo discontinuo y continuo, utilizando RFV como sustrato. En condiciones mesófilas, los ensayos discontinuos mostraron que el rendimiento óptimo de H2 se logra a pH 7,0, con bajos ST (5%) y alta concentración de inóculo (1800 mg VSS/L), alcanzando 49,5 NmL H2/g VSalimentado y una productividad máxima de 976,4 mL H2/L-h. Estas condiciones limitaron la acumulación de HLac y favorecieron la producción de acetato y butirato, reflejando un equilibrio entre rutas metabólicas y la importancia del control de condiciones operativas.

En sistemas continuos, la reducción del TRH de 24 a 6 horas (CO de 47–188 g VS/L-d) permitió identificar un TRH óptimo de 9 horas, logrando una tasa récord de producción de 11,8 NL H2/L-d y un rendimiento de 95,6 NmL/g VSalimentado. Estos resultados consolidan el papel del HLac como impulsor clave de la FO y subrayan la influencia crítica del TRH.

Para maximizar la valorización energética, se compararon la DA convencional en una etapa y un sistema de dos etapas con una fase acidogénica previa centrada en la producción de HLac. Esta última configuración mejoró un 32% la productividad de CH4 (959 NmL CH4/L-d) y un 36% su rendimiento (398 NmL/g VSalimentado). Aunque ambos sistemas presentaron contenidos similares de CH4, el sistema en dos etapas logró una conversión más eficiente del sustrato y una especialización microbiana favorable, con Lactobacillus dominando la fase acidogénica y Methanobacterium y Methanothrix en la metanogénica.

Además, se abordó la reproducibilidad de FOIL mediante operación paralela de reactores idénticos en seis fases experimentales. Se obtuvo una productividad constante de 6,7 ± 0,7 NL H2/L-d y perfiles estables de ácidos orgánicos, validando la viabilidad del proceso. Estrategias como la bioaumentación y la suplementación de nutrientes solo ofrecieron mejoras temporales, destacando la necesidad de enfoques de optimización adaptativa.

En conjunto, esta investigación proporciona fundamentos científicos y tecnológicos para optimizar e integrar FO y DA en la valorización de RFV. Se demuestra que la FOIL es una plataforma robusta para la producción de H2, y que la DA en dos etapas basada en HLac mejora significativamente la producción de CH4. Esta combinación permite transformar residuos orgánicos en biocombustibles valiosos, promoviendo la economía circular, la recuperación de recursos y la mitigación del cambio climático, sentando así las bases para futuras biorrefinerías sostenibles.