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Material utilization of organic waste

  • As modern society progresses, waste treatment becomes a pressing issue. Not only are global waste amounts increasing, but there is also an unmet demand for sustainable materials (e.g. bioplastics). By identifying and developing processes, which efficiently treat waste while simultaneously generating sustainable materials, potentially both these issues might be alleviated. Following this line of thought, this dissertation focuses on procedures for treatment of the organic fraction of waste. Organic waste is a suitable starting material for microbial fermentation, where carbohydrates are converted to smaller molecules, such as ethanol, acetic acid, and lactic acid. Being the monomer of the thermoplastic poly-lactic acid, lactic acid is of particular interest with regard to bioplastics production and was selected as target compound for this dissertation. Organic waste acted as substrate for non-sterile batch and continuous fermentations. Fermentations were initiated with inoculum of Streptococcus sp. or with indigenous consortium alone. During batch mode, concentration, yield, and productivity reached maximum values of 50 g L−1, 63%, and 2.93 g L−1 h −1. During continuous operation at a dilution rate of 0.44 d−1, concentration and yield were increased to 69 g L−1 and 86%, respectively, while productivity was lowered to 1.27 g L−1 h −1 . To fully exploit the nutrients present in organic waste, phosphate recovery was analyzed using seashells as adsorbent. Furthermore, the pattern of the indigenous consortium was monitored. Evidently, a very efficient Enterococcus strain tended to dominate the indigenous consortium during fermentation. The isolation and cultivation of this consortium gave a very potent inoculum. In comparison to the non-inoculated fermentation of a different organic waste batch, addition of this inoculum lead to an improved fermentation performance. Lactic acid yield, concentration, and molar selectivity could be increased from 38% to 51%, 49 g L−1 to 65 g L−1, and 46% to 86%, respectively. Eventually, fermentation process data was used to perform techno-economic analysis proposing a waste treatment plant with different catchment area sizes ranging from 50,000 to 1,000,000 people. Economically profitable scenarios for both batch and continuous operation could be identified for a community with as few as 100,000 inhabitants. With the experimental data, as well as techno-economic calculations presented in this dissertation, a profound contribution to sustainable waste treatment and material production was made.
  • Wir leben in einer Welt mit begrenzten Rohstoffen. Die Erde als solche definiert den materiellen Rahmen all unserer Tätigkeiten. Der Massenerhaltungssatz fasst das zusammen: Materie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Materie kann nur umgewandelt werden. Die große Menge einer endlichen Ressource – wie Erdöl – maskiert diesen Fakt der Begrenztheit manchmal. Auch nach dem Ende des Erdöls wird es weiter Bedarf an Materialien geben. Eine alternative Rohstoffgrundlage stellen organische Reststoffe dar. Sie stehen in keiner Konkurrenz zu der Nahrungsmittelherstellung und gehören zur Kategorie nachwachsender Rohstoffe. Mit Hilfe mikrobieller Fermentation können organische Reststoffe in Moleküle wie Ethanol, Essigsäure oder Milchsäure umgewandelt werden. Milchsäure ist Monomer des thermoplastischen Kunststoffs Polymilchsäure (PLA) und ist daher von besonderem Interesse im Hinblick auf die stoffliche Nutzung organischer Reststoffe. Daher wurde Milchsäure als Zielmolekül für diese Dissertation zu Grunde gelegt. Batch, als auch kontinuierliche nicht-sterile Milchsäurefermentationen wurden mit und ohne Inokulierung mit Streptococcus sp. durchgeführt. Im Batch-Prozess wurden Konzentrationen von 50 g L-1, Ausbeuten von 63% und Produktivitäten von 2.93 g L-1 h-1 erreicht. Bei einer Verdünnungsrate von 0.44 d-1 stiegen die Konzentrationen und Ausbeute auf 69 g L−1 und 86%, während die Produktivität auf 1.27 g L-1 h-1 sank. Mikrobielle Analysen ergaben, dass das mikrobielle Konsortium von einem Enterococcus sp. Stamm dominiert wurde. Durch Inokulierung mit diesem Stamm konnte die Fermentation eines anderen Ansatzes von organischen Reststoffen deutlich verbessert werden. Milchsäureausbeute, -konzentration und molare Selektivität stiegen von, 38% auf 51%, 49 g L-1 auf 65 g L-1 und 46% auf 86%. In einer techno-ökonomischen Analyse wurde schließlich die Wirtschaftlichkeit einer simulierten Verwertungsanalage untersucht. Mit mindestens 100,000 Personen im Einzugsbereich einer solchen Anlage konnten wirtschaftliche Szenarien identifiziert werden. Um einen größeren Teil des stofflichen Potentials der organischen Reststoffe zu nutzen, wurde in einem weiteren Schritt die Phosphatrückgewinnung aus Fermentationsbrühe mit Hilfe von zermahlenen Muschelschalen untersucht. Die geringe Beladung des Pulvers mit Phosphat macht eine großtechnische Anwendung jedoch nicht erstrebenswert. Durch diese Forschung konnte ein substanzieller Beitrag zu nachhaltiger Abfallverwertung und der Produktion erneuerbar basierter Materialien geleistet werden.

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Metadaten
Author:Jan Christoph Peinemann
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-10536
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1053
Advisor:Daniel Pleissner (Apl. Prof. Dr.)
Referee:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.), Aidong Yang (Associate Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of Publication (online):2020/09/22
Date of first Publication:2020/09/22
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2020/09/15
Release Date:2020/09/22
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie (INUC)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 547 Organische Chemie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht