Effects of a Hyperthermophilic Pre- Treatment applying Thermotoga Lepl 10 in Biological Waste for Anaerobic Digestion

Abstract

Anaerob nedbryting av biologisk avfall har blitt en utbredt teknologi for produksjon av den fornybare energikilden biogass. Forbehandling av avfallet er vanlig for å utføre lovpålagt hygienisering, og å hydrolysere for å oppnå økt effektivitet av fermenteringen. HyperthermicsTM AS har utviklet en forbehandlingsteknologi som utnytter de hyperther- mofile og H2-produserende egenskapene til bakterien Thermotoga Lepl 10. I laborator- ieskala er arter av Thermotoga nøye studert i fermentering av komplekse karbohydrater, men lite er kjent om prosessene i fullskala. I dette prosjektet ble det første pilotanlegget til HyperthermicsTM studert, og pilotanlegget er installert og koblet til biogassanlegget til Lindum AS i Drammen. Prøver av biologisk avfall ble tatt før og etter forbehandlingen og testet som substrat i lab-skala biogassproduksjon, for å studere effekten på metan- produksjon (CH4) og biorest. I tillegg ble det tatt prøver fra pilotanlegget for å studere ulike fermenteringsprodukter. Dette ble gjort ved hjelp av spektrofotometriske analyser (Hach Lange) og høypresisjonsvæskekromatografi (HPLC). I tillegg ble kvantitativ real- time PCR (qPCR) gjennomført i et forsøk på å kvantifisere T. Lepl 10 og sammenligne med totalt antall bakterier i prøvene. Den hyperthermofile forbehandlingen viste ingen effekt på produksjon av CH4 eller biorest. Forbehandlingen viste noe større diversitet i fermenteringsprodukter sammenlignet med biologisk avfall som kun var hygienisert. Dette prosjektet har understreket mange av utfordringene ved å oppskalere fra lab-skala til industriell produksjon. I tillegg viser det antydning til at videre optimalisering av prosessen er nødvendig for å forbedre vekstforholdene til T. Lepl 10.

Anaerobic digestion (AD) of biological waste has become a widely used technology in the production of the renewable energy source, biogas. Introducing a pre-treatment to the waste is common to hygienise and hydrolyse to increase the efficiency of AD. A pre-treatment technology has been developed by Hyperthermics TM AS, utilising the hy- drolysing and H2-producing properties of the hyperthermophilic bacterium Thermotoga Lepl 10. In laboratory-scale, Thermotoga spp. is well studied in fermentation of complex carbohydrates, but little is known on full-scale industrial operation. In this thesis, a study was performed on the first HyperthermicsTM pilot-plant, installed and connected to the biogas plant at Lindum AS in Drammen. Biowaste was sampled before and after the pre-treatment and used as feedstock in lab-scale AD to study the effect on methane gas (CH4) production and digestate. Samples were also taken from the pilot-plant to analyse the fermentation products, applying spectrophotometric analyses (Hach Lange) and High-performance liquid chromatography (HPLC). In addition, quantitative real-time PCR (qPCR) was conducted on samples to study the amount of T. Lepl 10 compared to the total amount of bacteria. The hyperthermophilic pre-treatment did not show any improvement in the production of CH4, and no Thermotoga spp. could be detected. Still, a slightly higher diversity in the fermentation products was observed compared to waste that was only hygienised. This project has emphasised some of the challenges of up-scaling to industrial production. Also, it is indicating a need for further optimising of the process in order to improve growth conditions for the bacterium.