Research Projects for PNRR I8, contract 760271/2024

Project code: C9-I8-C39

Project title: Selective resource recovery from kitchen waste by integrated Dark Fermentation-Microbial electrolysis cell and ion substitution electrodialysis

Total Funding: 5.224.812,69 Ron (1.051.629,87 Eur)

Project duration: 28 months

Project Leader: Prof. Makarand M. Ghangrekar

Contact: incemc@incemc.ro

Financing Authority: European Union, Ministry of  Research, Innovation and Digitization, PNRR

Host Institution: National Institute for Research and Development in Electrochemistry and Condensed Matter Timisoara - INCEMC

 

Project Abstract

In recent years, environment friendly and sustainable biohydrogen (H2) and volatile fatty acid (VFA) production methods, such as dark fermentation (DF) and microbial electrolysis cells (MEC), have been developed. These technologies have an upper hand over conventional petro-based production methods of H2, due to their ability to utilize biomass (i.e., food waste) as substrate, which is generated in large quantities in Romania. Hydrolysis-acidification systems during DF are suitable for recovering renewable resources such as carboxylic acids, including short-chain fatty acids (SCFA), medium-chain fatty acids (MCFA), and H2. However, the key barriers to large-scale H2 and VFA generation using DF are low H2 production, bioprocess instability, and low VFA yields due to formation of other byproducts. Improving process metrics (yield, production capacity) of DF requires a profound knowledge of microorganisms present in mixed culture and their possible interactions with each other, utilization of appropriate substrates, and coupling of DF with other biological processes like MEC. Previous research has focused on improving H2 production, however no research has been conducted to extract carboxylic acids to enhance the overall bioresource recovery. Hence, present investigation aims to develop an efficient integrated DF-MEC-Ion substitution electrodialysis based H2 and carboxylic acids recovery system for extracting VFA and H2 from kitchen waste.

In current project, technological constraints, such as pre-treatment requirement of kitchen waste, inoculum preparation, and low H2 generation efficiency will be addressed. Further, VFA recovery from fermentation media during acidogenesis and process optimization for a cost-effective zero discharge technology implementation will be carried out. Finally, the project aims to demonstrate H2 production and VFA recovery from kitchen waste over a pilot scale (100 L) reactor.

 

Project objectives

O1 Biochemical characterization and development of an integrated pre-treatment system for the suppression of  HCB and enhanced sugar recovery in kitchen waste;

O2 Develop protocols for establishing enriched inoculum for DF and MEC;

O3 Process optimization for DF-based hydrogen and VFA production using enriched inoculum;

O4 Dark fermentation effluent treatment in MEC for H2 production and recovery of highly selected VFA by integrated MEC-Ion substitution electrodialysis;

O5 Process optimization of integrated DF-MEC-ED in hydrochar based zero discharge model;

O6 Economic and environment sustainability for H2 and VFA recovery from kitchen waste.

 

Project team:

Prof. Makarand M. Ghangrekar  - Project director

PhD Debkumar Chakraborty - Team member

PhD Gorakhanath Jadhav - PostDoc

PhD Anil Dhanda - Team member

PhD Ionel Balcu - Team member

PhD Narcis Duțeanu - Team member

PhD Paula Sfîrloagă - Team member

PhD Corina Macarie - PostDoc

PhD Doru Buzatu - PostDoc

PhD Paula Svera Ianăși - PostDoc

PhD Nicoleta Nemeș - Team member

 

WP1. Optimizarea strategiilor integrate de pretratare a deșeurilor de bucătărie (Lunile 1-6)

T1.2: Optimizarea strategiilor integrate de pretratare a deșeurilor de bucătărie

 

 

Tabelul 1. Prepararea deșeurilor de bucătărie

S. Nr.

Tipul de deșeu

Compoziție

1

Deșeu de bucătărie (După masă) - DpM

35% amidon (de ex., pâine), 30 - 35% proteine (de ex., carne), 25 – 30 % legume (de ex., varză, salată, cartofi)

2

Deșeu vegetal (Crud) - DvC

cartofi (28 %), varză (20 %), morcov (15 %), fasole (10 %), roșii (10 %), salată (7 %), ceapă (4 %), dovlecei (3 %), vinete (3 %),

 

 

Probe de deșeu de bucătărie pregătite pentru realizarea procesului de tratament termic

 

Tabelul 2. Condițiile de pre-tratare termică a deșeurilor de bucătărie

Nr.

crt.

Tipul de deșeu

de bucătărie

Temperatura

de pretratare [°C]

Timpul

de pretratare [min]

1

DpM

80

30

60

120

2

DpM

100

30

60

120

3

DpM

120

30

60

120

4

DvC

80

30

60

120

5

DvC

100

30

60

120

6

DvC

120

30

60

120

 

Rezultate:

 

a) DpM

b) DvC

Dependența consumului chimic de oxigen solubilizat funcție de timpul de tratare, pentru o temperatură de pretratare de 120°C.

 

Analizând datele prezentate în figura anterioara se poate observa că prin creșterea valorii pH – ului se produce o creștere a gradului de solubilizare a materiei existente în deșeurile de bucătărie. Din acest motiv este de dorit ca procesul de pretratare a deșeurilor de bucătărie să se realizeze la un pH cât mai mare.

 

Prezentarea comparativă a variației dependenței consumului de oxigen chimic solubilizat în funcție de temperatură.

 

De asemenea, din datele prezentate în figura anterioară se poate observa că prin creșterea temperaturii, indiferent de valoare pH-ului la care se lucrează se produce o creștere a gradul de solubilizare a deșeurilor rezultate din procesul de preparare a hranei.

 

WP2. Dezvoltarea unui inoculum superior pentru procesele DF și MEC

Un rol important în procesul de producere a bio-hidrogenului este dat de utilizarea unor microorganisme specializate care sunt folosite pentru a realiza procesul de digestie anaerobă în bio-reactoare specializate. După cum este demonstrat, deșeurile rezultate din procesul de preparare a hranei reprezintă o sursă complexă de materie organică, deci pentru a se realiza transformarea acestei surse în hidrogen este necesară utilizarea unui inoculum specializat. Acest lucru este de dorit deoarece este bine știut faptul că marea majoritate a microorganismelor sunt capabile să proceseze numai anumite surse de carbon.

 

Rezultatele obținute

În vederea dezvoltării inoculului necesar pentru producerea de bio-hidrogen a fost folosit ca inocul sursă atât nămol din procesele de tratare anaerobă a apelor reziduale ale orașului Timișoara (Inocul 1), cât și nămolul concentrat (Inocul 2) provenit din etapa de concentrare a nămolului în vedere deshidratării și depozitării ulterioare.

 

Pre-tratamentele termice aplicate inoculului

Nr. crt.

Tipul inoculului

Temperatura de pretratare

Timpul de pretratare

1

Inocul 1

70°C

10 min

12 min

15 min

2

Inocul 1

80°C

10 min

12 min

15 min

3

Inocul 1

100°C

10 min

12 min

15 min

4

Inocul 2

70°C

10 min

12 min

15 min

5

Inocul 2

80°C

10 min

12 min

15 min

6

Inocul 2

100°C

10 min

12 min

15 min

 

 

 

 

 

 

Inoculul obținut după realizarea procesului de pre-tratare termică a nămolului prelevat din stația de epurare a apelor reziduale.

 

În prima lună din perioada de implementare a acestui pachet de lucru a fost realizată o analiză detaliată a cerințelor care trebuie îndeplinite de către bioreactorul ce urmează a fi folosit pentru producerea de bio-hidrogen. Dintre aceste cerințe menționăm:

            - capacitatea utilă a bio-reactorului – am optat pentru dezvoltarea unui reactor cu o capacitate cuprinsă între 5 și 10 L;

            - posibilitatea unei umpleri și respectiv goliri ușoare a reactorului considerat;

            - includerea unui sistem de agitare;

            - posibilitatea monitorizării diferiților parametri – temperatura, pH – ul;

            - posibilitatea prelevării de probe în condiții de maximă siguranță;

            - posibilitatea alimentării ușoare a reactorului cu maceratul din deșeurile de bucătărie;

            Pe baza tuturor acestor considerente a fost realizată o schemă de principiu a bio-reactorului, schemă care este prezentată în figura următoare.

Schema de principiu a bio-reactorului.

 

 

 

PNRR. Finanțat de Uniunea Europeană – UrmătoareaGenerațieUE

 

https://mfe.gov.ro/pnrr/

https://www.facebook.com/PNRROficial/

 

“Conținutul acestui material nu reprezintă în mod obligatoriu poziția oficială a Uniunii Europene sau a Guvernului României“