title: Potential of gradient monitoring, bioaugmentation and thinslurry recirculation for microbial plug-flow hydrolysis of lignocellulosic residues
Creators: name: Menzel, Theresa
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
subject: anaerobic digestion
subject: plug-flow reactor
subject: bioaugmentation
subject: recirculation
subject: gradient monitoring

description: Biomass plays a crucial role as a valuable resource for the production of bioenergy and bioproducts, however the application of residual biomass in anaerobic digestion (AD) is often impaired by its high recalcitrance for microbial hydrolysis. This thesis focuses on the use of two plug-flow reactors (PFRs) as a hydrolysis stage for the enhanced microbial digestion of maize silage and residual bedding straw. PFRs have high potential to support diverse hydrolytic cultures, and thus efficient microbial hydrolysis, due to gradient formation within the fermenter. However, plug-flow hydrolysis of lignocellulosic biomass is relatively unexplored, so this study investigated the effects of fermentation conditions and the bioaugmentation of hydrolytic bacteria on process efficiency regarding hydrolysis and acidogenesis. On-line gradient monitoring was employed to further improve process characterization and investigate options for real-time regulation. Three feedstock mixtures being pure maize silage (MS), 30 % bedding straw with MS (w/w) and 66 % bedding straw with MS (w/w) were digested at different hydraulic retention times (HRTs) of 7/ 14/ 21 d, without or with 10 or 20 % of thin-sludge recirculation. Furthermore, two hydrolytic species of Paenibacillus were added to the reactors to examine their impact. Process operation concerning the HRT and recirculation was found to majorly enhance the acidogenic conversion in the PFR, increasing the acid yield for all substrates. Both parameters showed a minor effect on the hydrolysis yield, although a shorter effective HRT could accelerate hydrolytic activity. Bioaugmentation with Paenibacillus spp. and the pH-value were found to improve the hydrolysis of lignocellulosic biomass. Paenibacillus addition resulted in significantly increased conversion of particulate hemicellulose and soluble polymers for up to 3 HRTs after addition, whereas low pH-values around 3.5 functioned as an acidic pretreatment enhancing the breakdown of lignocellulosic structures. Recirculation and bioaugmentation contributed to an overall enhanced culture vitality and stability. The plug-flow digestion featured gradient formation along the reactor length, thereby creating microenvironments for specialized microorganisms. These gradients could be verified using on-line gradient monitoring of the pH-value, the conductivity, and the oxidation-reduction potential (ORP) at three spots along the reactor (inlet, center, outlet). Metabolic phasing with hydrolytic activity at the in- and outlet, acidogenic conversion in the center and lactic acid fermentation preferably at the inlet was found. Two major fermentation patterns were observed in the PFR: I) butyric acid type fermentation correlated to a high acidification and acid yield and II) lactic acid type fermentation featured higher hydrolysis but low acidification. On-line monitoring helped to identify the ORP (inlet) and the pH-value (inlet/center) as essential parameters to detect metabolic changes in the culture. Moreover, several linear correlations could be determined between on-line monitoring and the process performance. Most importantly these were correlations of the ORP (inlet) to the butyric - / lactic acid concentration and the CO2 concentration; of the conductivity (outlet, feedstock-dependent) to total carboxylic acids; and of the pH-value (center) to butyric acid, H2 and CO2. The multi-linear regression of these relations allows the development of soft sensors for the prediction of the acid yield, carboxylic acid concentrations and the dominant acidogenic metabolism, thereby facilitating flexible operation in the large scale. As these correlations were found to be stable longterm under dynamic conditions, transfer to the industrial scale with flexible feedstock is feasible. The PFR hydrolysis stage was established suitable for converting untreated lignocellulosic residues into valuable carboxylic acids and pre-hydrolyzed feedstock for a second digestion stage. Integrating the PFR system into the existing AD infrastructure in Germany can potentially transform the currently distressed biogas plants into more profitable and sustainable multi-product biorefineries using residual feedstock.
description: Biomasse spielt eine entscheidende Rolle als wertvolle Ressource für die Erzeugung von Bioenergie und Bioprodukten. Der Einsatz von Restbiomasse in der anaeroben Vergärung wird jedoch häufig durch ihre schwer abbaubare Struktur beeinträchtigt. Um den Abbau und die Nutzung von lignocellulosehaltige Restbiomasse zu verbessern, konzentriert sich diese Arbeit auf den Einsatz von zwei Pfropfenstromreaktoren (PFR) als Hydrolysestufe. PFR haben aufgrund der Gradientenbildung innerhalb des Fermentervolumens ein hohes Potential, diverse hydrolytische Kulturen, und damit eine effiziente Hydrolyse zu unterstützen. Allerdings liegen bisher kaum Studien zum Einsatz von PFRs als Hydrolysestufe vor, weswegen in dieser Studie die Auswirkungen der Fermentationsbedingungen und der Bioaugmentation mit hydrolytischen Bakterien auf die Prozesseffizienz untersucht wurden. Zusätzlich wurde eine Online-Überwachung von Gradienten eingesetzt, um den Prozess besser zu charakterisieren und das Potenzial einer Echtzeitregelung zu erforschen. Drei verschiedene Biomassen bestehend aus reiner Maissilage, sowie deren Mischung mit 30 % und 66 % Stallstroh (w/w) wurden bei verschiedenen hydraulischen Retentionszeiten (HRT) von 7/ 14/ 21 d, entweder ohne oder mit 10 bzw. 20 % Dünnschlammrezirkulation fermentiert. Zudem wurden zwei hydrolytisch aktive Paenibacillus spp. zugegeben und ihr Einfluss auf die Prozesseffizienz untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Prozessführung mit längerer HRT und Rezirkulation den Säurebildungsprozess im PFR erheblich verbesserte und damit den Säureertrag für alle Substrate erhöhte. Diese Parameter hatten jedoch einen geringen Einfluss auf den Hydrolyseertrag, obwohl eine höhere Rate der hydrolytischen Aktivität bei kürzerer effektiver HRT beobachtet wurde. Die Bioaugmentation mit Paenibacillus spp. und ein stark saurer pH-Wert erhöhten die Hydrolyse von lignocellulosehaltige Biomasse. Die Paenibacillus spp. hydrolysierten verstärkt partikuläre Hemizellulose und lösliche Polymere für bis zu 3 HRTs nach Zugabe, während niedrige pH-Werte um 3,5 als saure Vorbehandlung wirkten, welche den Abbau von Lignocellulosestrukturen begünstigten. Sowohl die Rezirkulation als auch die Bioaugmentation trugen zu einer insgesamt verbesserten Vitalität und Stabilität der Kultur bei. Die Vergärung in den PFRs zeichnete sich durch die Bildung von Gradienten entlang der Reaktorlänge aus, wodurch Mikroumgebungen für spezialisierte Mikroorganismen geschaffen wurden. Diese Gradienten konnten mithilfe einer Online-Überwachung des pH-Wertes, der Leitfähigkeit und des Redoxpotentials (ORP) an drei Stellen (Einlass, Mitte, Auslass) verifiziert werden. Dabei wurde hydrolytische Aktivität vorzugsweise am Ein- und Auslass, acidogene Umsetzung im Zentrum der PFR und - die zum Teil auftretende - Milchsäuregärung am Einlass festgestellt. Es wurden zwei dominante säurebildende Stoffwechselwege beobachtet: I) die Buttersäure-Fermentation korrelierte mit einer hohen Versauerung und Säureausbeute und II) die Milchsäure-Fermentation wies eine höhere Hydrolyse, aber eine geringe Versauerung auf. Die Online-Überwachung identifizierte das ORP (Einlass) und den pH-Wert (Einlass/Mitte) als wesentliche Parameter zur Erkennung metabolischer Veränderungen in der Kultur. Darüber hinaus wurden mehrere lineare Korrelationen zwischen der Online-Überwachung und der Prozessleistung identifiziert. In erster Linie waren dies Korrelationen des ORP (Einlass) mit der Buttersäure-/Milchsäurekonzentration und der CO2- Konzentration; sowie der Leitfähigkeit (Auslass, substratabhängig) mit der Gesamtsäurekonzentration; und des pH-Wertes (Mitte) mit Buttersäure, H2 und CO2. Die multi-lineare Regression dieser Beziehungen ermöglicht die Entwicklung von Soft-Sensoren für die Vorhersage der Säureausbeute, -konzentration und des dominanten acidogenen Stoffwechsels, was einen flexibleren Anlagenbetrieb ermöglicht. Diese Korrelationen erwiesen sich unter dynamischen Bedingungen als verlässlich, sodass eine Übertragung auf den industriellen Maßstab mit flexiblen Biomassen möglich ist. Die PFR-Hydrolysestufe hat sich damit als geeignet erwiesen, um unbehandelte lignocellulosehaltige Reststoffe in wertvolle Carboxylsäuren und vorvergärtes Material für eine zweite Aufschlussstufe zu konvertieren. Durch die Integration des PFR-Systems in die bestehende Infrastruktur in Deutschland könnten die derzeitig problembehafteten Biogasanlagen in profitablere und nachhaltigere Bioraffinerien umgewandelt werden, welche Restbiomasse effizient nutzen.