Expanding grass-based biorefinery by valorizing residual streams after green protein production

Alternative proteins are proposed as a promising alternative food with less environmental impact than conventional protein sources. Nonetheless, to achieve a sustainable production, inexpensive carbon and nutrient sources are needed. In this thesis, the potential of a by-product liquid (brown juice, BJ) from grass protein extraction in a green biorefinery was investigated. The brown juice was anaerobically degraded to produce methane and digestate, respectively carbon and nutrient sources. Subsequently, batch tests were carried out to assess the feasibility of digestate as a source of nutrients for methane oxidising bacteria (MOB), to produce alternative microbial proteins (MP). The anaerobic digestion did not show any inhibition and achieved good results of methane production, in line with the literature and in a range between 429.8 - 461.1 NmlCH4/gVS. The results of the protein cultivation showed no significant differences when varying the copper concentrations, but revealed a progressive inhibitory phenomenon due to the lack of phosphorus in the medium. As a consequence, the protein content per dry weight of biomass, in the range of 24.6% - 27.4% w/wCDW depending on the copper concentration, was not particularly high. The subsequent addition of phosphorus demonstrated a doubling of yields on methane to 0.95 gCDW/gCH4 and a considerable increase in growth rates from 0.41 - 0.44 to 0.70 d-1, reducing inhibition and restoring the exponential character of the growth curve. Finally, the environmental and economic impacts of different scenarios of brown juice exploitation were analysed, using it for fertilization, energy recovery or MP production. The results, respectively -13.3, -10.9 and -74.1 kgCO2eq/ton brown juice, showed that all the developed concepts were environmentally friendly solutions for valorising this biowaste, in particular the production of MP. On the other hand, the cultivation of protein biomass was the most economically unfavourable, with a cost of 21.6 EUR/ton brown juice treated.

Le proteine alternative si propongono come una promettente alternativa alimentare con minore impatto ambientale rispetto alle fonti proteiche convenzionali. Tuttavia, per ottenere una produzione sostenibile, sono necessarie fonti di carbonio e nutrienti poco costose. In questa tesi, è stato studiato il potenziale di un sottoprodotto liquido (brown juice, BJ) generato dal processo di estrazione delle proteine in una bioraffineria verde. Il brown juice è stato degradato anaerobicamente per produrre metano e digestato, rispettivamente fonti di carbonio e nutrienti. Successivamente, sono stati effettuati dei test in batch per valutare l’utilizzo del digestato come fonte di nutrienti per i batteri metanotrofi (MOB), al fine di produrre proteine microbiche (MP) alternative. La digestione anaerobica non ha mostrato alcuna inibizione e ha ottenuto buoni risultati di produzione di metano, in linea con la letteratura e in un intervallo tra 429.8 – 461.1 NmlCH4/gVS. I risultati della coltivazione della biomassa proteica non hanno mostrato differenze significative al variare delle concentrazioni di rame, ma hanno rivelato un progressivo fenomeno inibitorio dovuto alla mancanza di fosforo nel mezzo. Di conseguenza, il contenuto proteico per peso secco della biomassa, nell'intervallo 24.6% - 27.4% w/wCDW a seconda della concentrazione di rame, non è risultato essere particolarmente elevato. La successiva aggiunta di fosforo ha mostrato un raddoppio dei rendimenti sul metano a 0.95 gCDW/gCH4 e un notevole aumento dei tassi di crescita da 0.41 – 0.44 a 0.70 d-1, riducendo l'inibizione e ripristinando il carattere esponenziale della curva di crescita. Infine, sono stati analizzati gli impatti ambientali ed economici di diversi scenari di sfruttamento del brown juice, utilizzandolo come fertilizzante, per recupero energetico o per la produzione di MP. I risultati, rispettivamente -13.3, -10.9 e -74.1 kgCO2eq/ton di brown juice, hanno evidenziato come tutti gli scenari sviluppati risultino essere soluzioni ecologiche al fine di valorizzare questo rifiuto biologico, in particolare la produzione di MP. Tuttavia, la coltivazione di biomassa proteica è risultata essere la più sfavorevole dal punto di vista economico, con un costo di 21.6 EUR/tonnellata di brown juice trattato.