Biological phosphorus removal during high-rate, low-temperature, anaerobic digestion of wastewater.

We report, for the first time, extensive biologically-mediated phosphate removal from wastewater during high-rate anaerobic digestion (AD). A hybrid sludge bed/fixed-film (packed pumice stone) reactor was employed for low-temperature (12°C) anaerobic treatment of synthetic sewage wastewater. Successful phosphate removal from the wastewater (up to 78% of influent phosphate) was observed, mediated by biofilms in the reactor. Scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis revealed the accumulation of elemental phosphorus (~2%) within the sludge bed and fixed-film biofilms. 4’, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) staining indicated phosphorus accumulation was biological in nature and mediated through the formation of intracellular inorganic polyphosphate (polyP) granules within these biofilms. DAPI staining further indicated that polyP accumulation was rarely associated with free cells. Efficient and consistent chemical oxygen demand (COD) removal was recorded, throughout the 732-day trial, at applied organic loading rates between 0.4-1.5 kg COD m-3 d-1 and hydraulic retention times of 8-24 hours, while phosphate removal efficiency ranged from 28-78% on average per phase. Analysis of protein hydrolysis kinetics and the methanogenic activity profiles of the biomass revealed the development, at 12˚C, of active hydrolytic and methanogenic populations. Temporal microbial changes were monitored using Illumina Miseq analysis of bacterial and archaeal 16S rRNA gene sequences. The dominant bacterial phyla present in the biomass at the conclusion of the trial were the Proteobacteria and Firmicutes and the dominant archaeal genus was Methanosaeta. Trichococcus and Flavobacterium populations, previously associated with low temperature protein degradation, developed in the reactor biomass. The presence of previously characterised polyphosphate accumulating organisms (PAOs) such as Rhodocyclus, Chromatiales, Actinobacter and Acinetobacter was recorded at low numbers. However, it is unknown as yet if these were responsible for the luxury polyP uptake observed in this system. The possibility of efficient phosphate removal and recovery from wastewater during AD would represent a major advance in the scope for widespread application of anaerobic wastewater treatment technologies.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Enhanced bio-decolourisation of acid orange 7 by Shewanella oneidensis through co-metabolism in a microbial fuel cell

The decolourisation of acid orange 7 (AO7) (C.I.15510) through co-metabolism in a microbial fuel cell by Shewanella oneidensis strain 14063 was investigated with respect to the kinetics of decolourisation, extent of degradation and toxicity of biotransformation products. Rapid decolourisation of AO7 (>98% within 30 h) was achieved at all tested dye concentrations with concomitant power production. The aromatic amine degradation products were recalcitrant under tested conditions. The first-order kinetic constant of decolourisation (k) decreased from 0.709 ± 0.05 h−1 to 0.05 ± 0.01 h−1 (co-substrate – pyruvate) when the dye concentration was raised from 35 mg l−1 to 350 mg l−1. The use of unrefined co-substrates such as rapeseed cake, corn-steep liquor and molasses also indicated comparable or better AO7 decolourisation kinetic constant values. The fully decolourised solutions indicated increased toxicity as the initial AO7 concentration was increased. This work highlights the possibility of using microbial fuel cells to achieve high kinetic rates of AO7 decolourisation through co-metabolism with concomitant electricity production and could potentially be utilised as the initial step of a two stage anaerobic/aerobic process for azo dye biotreatment.

Food waste valorization through the production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Production of bacterial biopolymers from industrial fat-containing wastes

Dissertation presented in partial fulfilment of the Requirements for the Degree of Master in Biotechnology

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Spatial and Temporal Variation of Microbial Community Structure In Surficial Sediments of Cochin Estuary

This thesis entitled spatial and temporal variarion of microbial community structure in surficial sediments of cochin estuary.In the estuarine and coastal systems, organic matter (OM) is derived not only from autochthonous primary production, but also from allochthonous (terrestrial) organic matter (OM) delivered by river discharge and runoff. A significant portion of the OM sinks through the water column and is ultimately stored in carbon pool in the sediments.Analysis of spatial and temporal variation in benthic microbial community of a tropical estuary was conducted for the first time using non selective measures that affirms that PLFA approach is a sensitive and reliable method in determining microbial community structures of surficial sediments of estuary.The close relationship between the concentrations of the microbial fatty acids and total biomass indicates that bacteria could account for the largest proportion of the biomass in the sediments.This is first study that has documented the changes in microbial community composition linkage to biotic and abiotic variables in benthic estuarine ecosystem. This contemporaneous community will be the backdrop for understanding the response of autochthonous community to increasing anthropogenic stress.

Microbial flora of selected species o crustaceans

The thesis deals with the bacterial flora of the Cochin backwaters. Sediment and the prawns caught from these backwaters in quantitative and qualitative terms, their growth in relation to temperature, their susceptibility to various antibiotics, their role in terms of food for juvenile prawns and the presence of bacteria of public health significance. According to the researcher such a comprehensive study would be of some relevance to shell-fish processing industries apart from its academic value. The effect of antibiotics on the bacteria and the utility of bacteria as food for the juvenile prawns are studied and presented in different chapters.

Studies on the microbial pathogens salmonella and vibrio parahfamolyticus in selected marine products

This thesis deals initially with a literature reference survey ,taxonomy, their incidence in selected food fishes and shellfishes, and their incidence and distribution, their survival during different types of processing, their heat survival at temperatures of 50 ,55 and 60 degree centigrade their growth initiation at different low levels of pHs(4.0 to 10) ,and their developmental resistance to various chemical agents. The trials for the study were collected from various landing centre at cochin and the retail outlets. Based on these data collections the researcher was able to obtain more knowledge of the processing technology and the survival of pathogens like salmonella and vibrio parahaemolyticus.

Microbial enzyme production utilizing banana wastes

A critical survey of the fruits and vegetable markets of the towns and cities in South India reveals that banana fruit stalk wastes share a dominant proportion among the solid wastes generated. In the light of the review of literature presented in the foregoing section, few reports are available on the utilisation of banana waste for the production of alcoholic beverages, biogas, and single cell protein. However, it is not yet tried for the production of industrial enzymes. Moreover, preliminary fermentation studies conducted under uncontrolled conditions revealed that banana fruit stalk could be aptly utilised as solid substrate? for the industrial production of microbial amylases and cellulases at a cheaper cost. Therefore, it was proposed to conduct a detailed study towards the development of a suitable fermentation process for the production of industrial enzymes using banana fruit stalk wastes, which is rich in carbohydrate, as solid substrate, employing bacteria, under SSF.

“Studies on glucose tolerant β-glucosidases from a novel Byssochlamys fulva and their applications in biomass to ethanol conversion”

Beta-glucosidases are critical enzymes in biomass hydrolysis process and is important in creating highly efficient enzyme cocktails for the bio-ethanol industry. Among the two strategies proposed for overcoming the glucose inhibition of commercial cellulases, one is to use heavy dose of BGL in the enzyme blends and the second is to do simultaneous saccharification and fermentation where glucose is converted to alcohol as soon as it is being generated. While the former needs extremely high quantities of enzyme, the latter is inefficient since the conditions for hydrolysis and fermentation are different. This makes the process technically challenging and also in this case, the alcohol generation is lesser, making its recovery difficult. A third option is to use glucose tolerant β-glucosidases which can work at elevated glucose concentrations. However, there are very few reports on such enzymes from microbial sources especially filamentous fungi which can be cultivated on cheap biomass as raw material. There has been very less number of studies directed at this, though there is every possibility that filamentous fungi that are efficient degraders of biomass may harbor such enzymes. The study therefore aimed at isolating a fungus capable of secreting glucose tolerant β- glucosidase enzyme. Production, characterization of β-glucosidases and application of BGL for bioethanol production were attempted.