[ca] La digestió anaeròbia (DA) consisteix en una cascada d'interaccions sintròfiques entre diferents grups de microorganismes que tenen com a principal finalitat la degradació de la matèria orgànica per obtenir biogàs, una barreja de CH4 i CO2 pot ser de gran valor en el camp de les energies renovables. El procés de la DA ha sigut dissenyat per una ampli espectre de residus, (per exemple, restes d'escorxadors) per obtenir un major rendiment de biogàs. No obstant, el procés de la DA es podria veure obstaculitzat per l'efecte inhibitori dels àcids grassos de cadena llarga, la hidròlisi de les proteïnes o els compostos sulfurats. L'objectiu principal d'aquesta tesis es desenvolupar tècniques i mètodes innovadors per la degradació de les proteïnes, principalment. Com es descriu al llarg de les pròximes secciones, aquests compostos son potencialment inhibidores del procés de la DAa, i en conseqüències, de la producció de CH4. Està descrit a la literatura que sota aquestes condicions desfavorables el principal grup de microorganismes productors de CH4 (arquees metanogèniques) es troba total o parcialment inhibit. No obstant, dins d'aquesta gran comunitat de microorganismes existeixen reductes que son capaços de mantenir la activitat metanogènica tot i trobar-se sota aquestes condicions d'inhibició, mitjançant la ruta metanogènica hidrogenotròfica. Aquesta població doncs, ha obert noves possibles vies per la obtenció de biogàs partint d'aquests productes altament inhibitoris. Una d'aquestes opcions, consisteix en incrementar aquelles poblacions que son capaces d'oxidat l'acetat per aconseguir establir una sintròfia amb les poblacions hidrogenotrofiques, evitant així, la inhibició causada per NH3. A més, en moltes ocasions aquest tipus de residus porten associats altes càrregues de compostos sulfurats, el que podria portar posteriorment a una reducció d'aquests compostos a la formació d'àcid sulfhídric (H2S). Aquesta molècula, és tòxica, corrosiva i olorosa, que a més provoca problemes dins del propi procés i és altament perjudicial per les instal·lacions. Aquesta molècula es forma principalment de manera biològica, portada a terme pels bacteris coneguts com sulfato reductors (SRB). Aquestes comunitats, SRB, tenen la capacitat d'acoblar l'oxidació de la matèria orgànica amb la reducció dels compostos sulfurats, competint directament pels substrats comuns amb els arquees hidrogenotrofics i els bacteris homoacetogenics, inhibint així la producció de CH4. Amb la finalitat de desenvolupar aquesta tesis doctoral, s'han portat a terme dos grans blocs experimentals (enginyeria i microbiologia) que a mesura que el treball avançava s'han integrat progressivament l'un amb l'altre. Dins del bloc de la microbiologia, el primer objectiu va ser l'estudi i l'anàlisi de les evidencies de la ruta sintròfica oxidadora d'acetat acoblada a la metanogenesis hidrogenotrofica, estudiant les interaccions entre aquestes dues grans comunitats. Es van quantificar mitjançant anàlisis de qPCR els dos grups majoritaris bastant-nos en els gens de referencia, 16SrRNA per bacteris i mcrA per arquees metanogèniques combinat amb un estudi de marcatge isotòpic. Complementàriament, el ràpid avenç de les tecnologies moleculars d'alt impacte com la seqüenciació shotgun i les eines bioinformàtiques, han permès desenvolupar estudis centrats en el genoma i poder generar bases de dades més accessibles i amplies relacionades amb la complexitat del microbioma ambiental. En segon lloc, un dels principals objectius del segon bloc era mitjançant els correctes paràmetres d'operació dels reactors aconseguir l'aparició i estabilitat de les sintròfies comentades anteriorment. Va ser fonamental també, establir protocols i marcar els paràmetres relacionals amb la configuració dels reactors, per aquest motiu, es va basar el disseny d'aquests digestors en els resultats obtinguts dels experiments discontinus previs. Seguint en aquesta línia, es van analitzar minuciosament paràmetres com el temps de retenció hidràulic, velocitat de càrrega orgànica, rangs de temperatura i configuració del reactor. Finalment, un dels punts crítics pel bon funcionament del projecte va ser l'elecció i disseny dels reactors. Es coneix, que el disseny i l'operació dels digestors es de vital importància per un desenvolupament òptim dels procés, per això es van provar diferents configuracions.

[en] The anaerobic digestion (AD) consists of a cascade of syntrophic interactions between several microbial groups that result in the breakdown of biodegradable organic matter in the absence of oxygen, resulting in the production of biogas, a CH4 and CO2-rich mixture that can be valorised as renewable energy. The anaerobic digestion process has been engineered for a wide range of applications and current technology developments are aimed towards the so-called co-digestion, the treatment of complex mixtures of organic materials (e.g. slaughterhouse wastes) for an increased biogas yield. Nevertheless, the AD process might be hampered by the inhibitory effect of long chain fatty acids, ammonia and sulphate arising from the hydrolysis of proteins. The main objective of this thesis is to develop innovative techniques and methodologies to degrade protein. As described throughout the following sections, these compounds are potentially inhibitors of AD process, and consequently the production of CH4 and other value-added compounds. These wastes with high concentration of proteins emit high concentrations of NH3 when are degraded. It is reported that in this situation, the main population of methanogenic archaea are inhibited. However, the populations with the ability to carry out the hydrogenotrophic methanogenesis are active in this kind of environments. Therefore, increasing acetate oxidising bacteria populations (SAOB) is possible to achieve a syntrophy relation with some hydrogenotrophic archaea (HMA) populations, in this way is possible to avoid the inhibition caused by the NH3 concentration. Furthermore, sometimes these kind of wastes are associated with rich SO42- compounds that could be easily reduced to sulphide (H2S), molecule that is toxic, corrosive and odorous, producing several problems in the AD process and industrial facilities. The biological reaction that produced these compounds is performed by sulphate-reducing bacteria (SRB). These microbial communities, SRB, have the ability to couple the oxidation of organic matter to the reduction of SO42- outcompeting directly with methane producing archaea (MPA) and homoacetogenic bacteria for common substrates, and inhibiting the CH4 production. In order to carry out this doctoral thesis, two blocks (engineering and microbiological) have been developed that have been integrated as the work progressed. Firstly, different batch-scale studies were carried out in order to monitor the physical-chemical parameters and also the evolution of the microbial communities. In microbiology field, the main objective was to explore the evidence of acetate oxidation via syntrophic interaction between SAOB-HMA. To this end, the abundances of majorities groups were quantified using qPCR analysis based on the 16S rRNA and mcrA genes combined with isotopic compounds. Furthermore, the rapid advancement of high-throughput molecular techniques, as shotgun metagenomics sequencing and binning of scaffolds, have been allowed the implementation of genome-centric approaches that generate comprehensive databases from complex environmental samples, which includes complete or nearly-complete microbial genomes. Secondly, it was necessary that the reactors operated with the appropriate parameters to stablish this syntrophic interaction. As well as, it was also to establish protocols and different parameters concerning the configuration of the reactor based on literature and results obtained from the first set of experiments. Within this block, the hydraulic retention time (HRT), temperature ranges, organic loading rate, reactor configuration was treated. Finally, within this block, the most important point was to found the optimal reactor configuration. As it is known, the structure and the various units that make up a reactor, affect directly the efficiency and optimization of the same. Along this thesis different configurations was tested.