|
|
|
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://www.facebook.com/PNRROficial/
“Conținutul acestui material nu
reprezintă în mod obligatoriu poziția oficială a Uniunii
Europene sau a Guvernului României“