Propionic acid production through anaerobic fermentation of food waste
Creators: name: Ali, Rowayda
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Das Streben nach der Minimierung von Abfällen in Verbindung mit der Rückgewinnung von Ressourcen hat die Aufmerksamkeit auf die Verwendung von Lebensmittelabfällen als Ausgangsstoffe für die Herstellung hochwertiger Produkte gelenkt. Weltweit fallen jährlich rund 1,3 Milliarden Tonnen Lebensmittelabfälle an. Diese Abfälle werden immer noch auf Deponien abgeladen oder verbrannt, was zu Treibhausgasemissionen führt. Die biologische Umwandlung von Lebensmittelabfällen in Mehrwertprodukte wie Propionsäure (PA) ist daher ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft und die Verringerung der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren fossilen Ressourcen. Ziel der vorliegenden Dissertation war es, die Propionsäureproduktion aus Lebensmittelabfällen durch anaerobe Fermentation zu verbessern. Dementsprechend wurden verschiedene Batch- und halbkontinuierliche Fermentationsexperimente bei mesophiler Temperatur (30 ° C) durchgeführt. Batch-Fermentationstests im Labormaßstab wurden durchgeführt, um den Einfluss des Inokulums, des pH-Werts und der thermischen Vorbehandlung des Substrats zu untersuchen. Als Substrat wurde veganes Hundefutter als Modell für Küchenabfälle verwendet. Die ausgewählten Inokula umfassten eine gemischte Bakterienkultur, die über 24 Monate für das Wachstum auf Cellulose ausgewählt wurde, Milch und Ziegenweichkäse. Die Batchtests wurden bei pH 4, pH 6 und pH 8 sowohl für unbehandeltes als auch für vorbehandeltes Hundefutter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktion von Propionsäure und anderen flüchtigen Fettsäuren deutlich vom gewählten Inokulum und dem eingestellten pH-Wert abhängt. Die maximale Propionsäure produktionsraten und Ausbeuten wurden für das Käse-Inokulum bei pH 6 unter Verwendung von unbehandeltem und vorbehandeltem Hundefutter bestimmt. Die Propionsäure Konzentration erreichte 10 g L-1 bzw. 26,5 g L-1. Die höchste Konzentration an flüchtigen Fettsäuren von ungefähr 60 g L-1 wurde erhalten, wenn Milchinokulum verwendet wurde, um vorbehandeltes Hundefutter bei pH 8 zu fermentieren. Die Verbesserung der PA-Produktion aus Hundefutter und Futterabfällen wurde auch in einem halbkontinuierlichen anaeroben 12 L-Hydrolysereaktor untersucht. Drei Betriebsläufe wurden bei einem pH-Wert von 6,0 ± 0,1 jeweils für mehr als 3 Monaten durchgeführt. Dabei wurden zwei der auch in den Batchtests untersuchten Inokula verglichen, die gemischte mikrobielle Kultur und die in Ziegenkäse enthaltene Kultur. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Ziegenkäse-Inokulum für die Propionsäure Produktion effizienter war, was zu einer Erhöhung um 50 % führte. Die höchste Propionsäurekonzentration wurde mit 139 mmol L-1 unter Verwendung von Hundefutter und mit 105 mmol L-1 unter Verwendung von Küchenabfällen erreicht. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Propionsäure Produktion durch eine Kombination einer relativ hohen hydraulischen Retentionszeit (HRT) mit einer relativ niedrigen organischen Beladungsrate (OLR) erhöht wurde, da dies eine ausreichende Zeit für die vollständige Verarbeitung der komplexen organischen Substrate sicherstellt. Weiterhin wurde die Vorbehandlung der Fermentationsbrühen von fermentiertem Hundefutter und Küchenabfällen als erster Schritt im Propionsäurerückgewinnungsprozess untersucht. Hierbei wurden zunächst unter Verwendung einer Trenneinheit große Partikel aus der Fermentationsbrühe entfernt, in der Folge wurden die übrigen suspendierten Partikel durch ein getauchtes Mikrofiltrationsmembransystem abgetrennt. Es wurde gezeigt, dass die Trenneinheit ein effizientes Vorbehandlungsverfahren für den Mikrofiltrationsprozess ist. Die Einheit konnte mehr als 86 % der gesamten suspendierten Feststoffe aus der Fermentationsbrühe entfernen. Die Mikrofiltrationsmembran wurde erfolgreich zur Abtrennung von Partikeln im Hydrolysat eingesetzt. Die Verwendung der Mikrofiltrationsmembran mit einer Porengröße von 0,1 µm, 0,45 µm und 0,8 µm führte zur Passage ca. 90 % der flüchtigen Fettsäuren einem. Darüber hinaus entfernte die Membran mehr als 85 % der gesamten suspendierten Feststoffe (TSS). Der höchste kritische Fluss von ungefähr 14 L m-2 h-1 wurde unter Verwendung des Küchenabfallhydrolysats, der Membran mit einer Porengröße von 0,45 µm und einer Begasung von 80 m3 m-2 h-1 beobachtet.