The main goal of this Ph.D. thesis is to optimize H2 production by investigating and evaluating the effect of operating conditions and reactor configurations on fermentative H2 enhancement. Anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) have recently gained attention in dark fermentative bio-H2 production because the possibility to operate at high solid retention time (SRT). However, high SRT might favor the growth of hydrogen competing and consuming microorganisms resulting in low hydrogen yield. Chemico-physical pretreatment of the inoculum and/or the feedstock could avoid the contamination of these undesired microbes in hydrogen producing system. Herewith, in Chapter 2, dark fermentative hydrogen production from deproteinized cheese whey (DP-CW) in an AnMBR reactor was conducted. The scope of this work is to understand whether thermal treatment of the inoculum and the feed could enhance the efficiency and hydrogen production in a lab-scale hydrogen producing AnMBR with SRT of 6 days. However, the result demonstrated that the thermal treatment of inoculum and the feed could not prevent the growth of antagonistic microorganisms. It was therefore decided to operate at a much shorter SRT, to prevent the growth of antagonistic microorganisms. As an An-MBR was not a suitable configuration to operate at such low SRT, thus a CSTR bioreactor was selected, bypassing the membrane. Herewith, in Chapter 3, continuous fermentative hydrogen production was carried out in a CSTR with operating SRT of 24 hours. And the scope of the study is to evaluate the stability of continuous fermentative hydrogen production in a long-term operation (180 days). Results showed that a steady state condition was never achieved. Biochemical pathways shifted from hydrogen producing to non-hydrogen producing pathways: lactic acid producing and ethanol producing pathways and hydrogen consuming pathway (homoacetogenesis) were responsible for the process instability. On the other hand, the observed hydrogen molar yield was still low compared to the theoretical value. On basis of literature study, hydraulic retention time (HRT) affects hydrogen production greatly and better hydrogen production can be found at HRT lower than 24 hours in CSTR fed with cheese whey. Herewith, in Chapter 4, a CSTR reactor was operated at different HRTs (6, 9 and 12 h) to investigate the effect of HRTs on H2 production. The results demonstrated that the HRT has significant effect on bio-hydrogen production. HRT of 9 h is recommended for achieving better hydrogen production. Organic loading rate (OLR) is a critical operating parameter, which affects significantly fermentative hydrogen production. In Chapter 5, the effect of OLR on hydrogen was investigated in a CSTR reactor at a fixed HRT of 9 h. Three different organic loading rates (i.e. 80, 53.33 and 26.67 g COD/L/d) were applied to the reactor successively. The effect of the OLR on hydrogen production under the presence of suspended-sludge and granule-sludge in the mixed-liquor were compared and discussed.

L'obiettivo principale di questo Ph.D. La tesi è quella di ottimizzare la produzione di H2 indagando e valutando l'effetto delle condizioni operative e delle configurazioni del reattore sul miglioramento fermentativo H2. I bioreattori a membrana anaerobica (AnMBRs) hanno recentemente guadagnato l'attenzione nella produzione di bio-H2 fermentanti scuri, perché la possibilità di operare ad un elevato tempo di ritenzione solido (SRT). Tuttavia, l'elevata SRT potrebbe favorire la crescita di idrogeno che competono e consumano microrganismi, con conseguente bassa resa dell'idrogeno. Il pretrattamento chimico-fisico dell'inoculo e / o della materia prima potrebbe evitare la contaminazione di questi microbi indesiderati nel sistema di produzione di idrogeno. Con questo, nel capitolo 2, è stata condotta una produzione di idrogeno fermentativo scuro da siero di proteina deproteinizzato (DP-CW) in un reattore AnMBR. Lo scopo di questo lavoro è quello di capire se il trattamento termico dell'inoculo e del mangime potrebbe migliorare l'efficienza e la produzione di idrogeno in un laboratorio di produzione di idrogeno che produce AnMBR con SRT di 6 giorni. Tuttavia, il risultato ha dimostrato che il trattamento termico dell'inoculo e del mangime non poteva impedire la crescita di microrganismi antagonisti. È stato quindi deciso di operare in un SRT molto più corto, per evitare la crescita di microrganismi antagonisti. Poiché un An-MBR non era una configurazione adatta per operare a tale bassa SRT, è stato selezionato un bioreattore CSTR, per bypassare la membrana. Con questo, nel Capitolo 3, la produzione continua di idrogeno fermentativo è stata effettuata in un CSTR con SRT operativo di 24 ore. E lo scopo dello studio è quello di valutare la stabilità della produzione continua di idrogenazione fermentativa in un'operazione a lungo termine (180 giorni). I risultati hanno mostrato che una condizione di stato stazionario non è mai stata raggiunta. I percorsi biochimici sono stati spostati dalla produzione di idrogeno a percorsi produttivi non idrogeno: i percorsi produttori dell'acido lattico e l'etanolo e il percorso di consumo di idrogeno (homoacetogenesi) sono responsabili dell'instabilità del processo. D'altra parte, il rendimento molare dell'idrogeno osservato era ancora basso rispetto al valore teorico.  Sulla base dello studio della letteratura, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) influenza notevolmente la produzione di idrogeno e una migliore produzione di idrogeno può essere trovata a HRT inferiore a 24 ore in CSTR alimentata con il siero di formaggio. Con questo, nel capitolo 4, un reattore CSTR è stato operato a diversi HRT (6, 9 e 12 h) per indagare l'effetto delle HRT sulla produzione H2. I risultati hanno dimostrato che la HRT ha un effetto significativo sulla produzione di bio-idrogeno. È consigliato HRT di 9 h per ottenere una migliore produzione di idrogeno. Il tasso di caricamento biologico (OLR) è un parametro operativo critico, che influenza in modo significativo la produzione di idrogeno fermentativo. Nel capitolo 5, l'effetto dell'OLR sull'idrogeno è stato studiato in un reattore CSTR ad una HRT fissa di 9 h. Tre differenti velocità di carico organico (cioè 80, 53,33 e 26,67 g COD / L / d) sono state applicate successivamente al reattore. L'effetto dell'OLR sulla produzione di idrogeno sotto la presenza di fanghi sospesi e fanghi di granuli nel liquore misto è stato confrontato e discusso.

Biohydrogen production from cheese whey by dark fermentation

YUAN, TUGUI

Abstract

The main goal of this Ph.D. thesis is to optimize H2 production by investigating and evaluating the effect of operating conditions and reactor configurations on fermentative H2 enhancement. Anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) have recently gained attention in dark fermentative bio-H2 production because the possibility to operate at high solid retention time (SRT). However, high SRT might favor the growth of hydrogen competing and consuming microorganisms resulting in low hydrogen yield. Chemico-physical pretreatment of the inoculum and/or the feedstock could avoid the contamination of these undesired microbes in hydrogen producing system. Herewith, in Chapter 2, dark fermentative hydrogen production from deproteinized cheese whey (DP-CW) in an AnMBR reactor was conducted. The scope of this work is to understand whether thermal treatment of the inoculum and the feed could enhance the efficiency and hydrogen production in a lab-scale hydrogen producing AnMBR with SRT of 6 days. However, the result demonstrated that the thermal treatment of inoculum and the feed could not prevent the growth of antagonistic microorganisms. It was therefore decided to operate at a much shorter SRT, to prevent the growth of antagonistic microorganisms. As an An-MBR was not a suitable configuration to operate at such low SRT, thus a CSTR bioreactor was selected, bypassing the membrane. Herewith, in Chapter 3, continuous fermentative hydrogen production was carried out in a CSTR with operating SRT of 24 hours. And the scope of the study is to evaluate the stability of continuous fermentative hydrogen production in a long-term operation (180 days). Results showed that a steady state condition was never achieved. Biochemical pathways shifted from hydrogen producing to non-hydrogen producing pathways: lactic acid producing and ethanol producing pathways and hydrogen consuming pathway (homoacetogenesis) were responsible for the process instability. On the other hand, the observed hydrogen molar yield was still low compared to the theoretical value. On basis of literature study, hydraulic retention time (HRT) affects hydrogen production greatly and better hydrogen production can be found at HRT lower than 24 hours in CSTR fed with cheese whey. Herewith, in Chapter 4, a CSTR reactor was operated at different HRTs (6, 9 and 12 h) to investigate the effect of HRTs on H2 production. The results demonstrated that the HRT has significant effect on bio-hydrogen production. HRT of 9 h is recommended for achieving better hydrogen production. Organic loading rate (OLR) is a critical operating parameter, which affects significantly fermentative hydrogen production. In Chapter 5, the effect of OLR on hydrogen was investigated in a CSTR reactor at a fixed HRT of 9 h. Three different organic loading rates (i.e. 80, 53.33 and 26.67 g COD/L/d) were applied to the reactor successively. The effect of the OLR on hydrogen production under the presence of suspended-sludge and granule-sludge in the mixed-liquor were compared and discussed.
GUADAGNINI, ALBERTO
CANZIANI, ROBERTO
20-lug-2017
L'obiettivo principale di questo Ph.D. La tesi è quella di ottimizzare la produzione di H2 indagando e valutando l'effetto delle condizioni operative e delle configurazioni del reattore sul miglioramento fermentativo H2. I bioreattori a membrana anaerobica (AnMBRs) hanno recentemente guadagnato l'attenzione nella produzione di bio-H2 fermentanti scuri, perché la possibilità di operare ad un elevato tempo di ritenzione solido (SRT). Tuttavia, l'elevata SRT potrebbe favorire la crescita di idrogeno che competono e consumano microrganismi, con conseguente bassa resa dell'idrogeno. Il pretrattamento chimico-fisico dell'inoculo e / o della materia prima potrebbe evitare la contaminazione di questi microbi indesiderati nel sistema di produzione di idrogeno. Con questo, nel capitolo 2, è stata condotta una produzione di idrogeno fermentativo scuro da siero di proteina deproteinizzato (DP-CW) in un reattore AnMBR. Lo scopo di questo lavoro è quello di capire se il trattamento termico dell'inoculo e del mangime potrebbe migliorare l'efficienza e la produzione di idrogeno in un laboratorio di produzione di idrogeno che produce AnMBR con SRT di 6 giorni. Tuttavia, il risultato ha dimostrato che il trattamento termico dell'inoculo e del mangime non poteva impedire la crescita di microrganismi antagonisti. È stato quindi deciso di operare in un SRT molto più corto, per evitare la crescita di microrganismi antagonisti. Poiché un An-MBR non era una configurazione adatta per operare a tale bassa SRT, è stato selezionato un bioreattore CSTR, per bypassare la membrana. Con questo, nel Capitolo 3, la produzione continua di idrogeno fermentativo è stata effettuata in un CSTR con SRT operativo di 24 ore. E lo scopo dello studio è quello di valutare la stabilità della produzione continua di idrogenazione fermentativa in un'operazione a lungo termine (180 giorni). I risultati hanno mostrato che una condizione di stato stazionario non è mai stata raggiunta. I percorsi biochimici sono stati spostati dalla produzione di idrogeno a percorsi produttivi non idrogeno: i percorsi produttori dell'acido lattico e l'etanolo e il percorso di consumo di idrogeno (homoacetogenesi) sono responsabili dell'instabilità del processo. D'altra parte, il rendimento molare dell'idrogeno osservato era ancora basso rispetto al valore teorico.  Sulla base dello studio della letteratura, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) influenza notevolmente la produzione di idrogeno e una migliore produzione di idrogeno può essere trovata a HRT inferiore a 24 ore in CSTR alimentata con il siero di formaggio. Con questo, nel capitolo 4, un reattore CSTR è stato operato a diversi HRT (6, 9 e 12 h) per indagare l'effetto delle HRT sulla produzione H2. I risultati hanno dimostrato che la HRT ha un effetto significativo sulla produzione di bio-idrogeno. È consigliato HRT di 9 h per ottenere una migliore produzione di idrogeno. Il tasso di caricamento biologico (OLR) è un parametro operativo critico, che influenza in modo significativo la produzione di idrogeno fermentativo. Nel capitolo 5, l'effetto dell'OLR sull'idrogeno è stato studiato in un reattore CSTR ad una HRT fissa di 9 h. Tre differenti velocità di carico organico (cioè 80, 53,33 e 26,67 g COD / L / d) sono state applicate successivamente al reattore. L'effetto dell'OLR sulla produzione di idrogeno sotto la presenza di fanghi sospesi e fanghi di granuli nel liquore misto è stato confrontato e discusso.
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