Technical-environmental assessment of the potential of polyhydroxyalkanoates production from mixed microbial cultures and waste feedstocks

Abstract

The scope of this work was to contribute to the assessment of PHA production process from mixed microbial cultures and complex waste streams by process simulation and prospective life cycle assessment to support the scale-up of the process. Therefore, three scenarios were constructed based on the valorisation of waste streams available in Bogotá, Colombia. The scenario development methodology involves the definition of goal and scope as stated in the life cycle assessment methodology: ISO 14040: 2006 and 14044: 2006. Experimental data from literature was used to define process parameters and yields. A three-stage configuration was identified as the most common ensemble for the unit operations and unit procedures required to transform waste into PHA. Operational conditions and operational parameters were defined to construct process flow diagrams for each scenario. The scenarios pursued the evaluation of the valorisation of sewage sludge (Scenario 1, S1), organic fraction of solid waste (Scenario 2, S2), and the mixture of the residues (Scenario 3, S3). Each scenario was evaluated from a technical and environmental perspective, and the functional unit for the evaluation was 1,7 kg CODPHA (1 kg of PHA). The process simulation was performed in SuperPRO Designer, while the prospective life cycle assessment was completed in SimaPro. The average overall yields obtained during the simulation were: S1 30.80, S2 7.80, S3 12.52 kg VS per kg of PHA; the scenario with the highest yield was Scenario 2. The result was a prospective environmental assessment that made possible the identification and reduction of gaps in terms of carbon source production, biomass production, PHA production, and cross-cutting aspects for technology transfer.

El objetivo de este trabajo contribuir a la evaluación del proceso de producción de PHA a partir cultivos mixtos y sustratos de origen residual, a partir de la simulación de procesos y el análisis de ciclo de vida para soportar el escalado del proceso. Para lo cual, se construyeron tres escenarios basados en la valorización de corrientes de residuos disponibles en Bogotá, Colombia. La metodología para la construcción de escenarios incluyó la definición objetivo y el alcance, tal como se establece en la metodología de análisis de ciclo de vida: ISO 14040: 2006 y 14044: 2006. Mientras que los datos experimentales tomados de literatura vigente fueron empleados para la definición de parámetros y rendimientos de proceso. Se identificó una configuración de tres etapas como el conjunto más común de operaciones y procedimientos unitarios necesarios para la transformación de sustratos residuales en PHA. Se definieron condiciones y parámetros operativos para construir diagramas de flujo para cada uno de los escenarios. Los escenarios tienen por objeto la evaluación de la valorización de lodos de PTAR (Escenario 1, S1), fracción orgánica de residuos sólidos (Escenario 2, S2), y una mezcla de ambos residuos (Escenario 3, S3). Cada escenario se evaluó desde una perspectiva técnica y ambiental, y la unidad funcional para la evaluación fue 1,7 kg de CODPHA (1 kg de PHA). La simulación del proceso se realizó en SuperPRO Designer, mientras que la evaluación prospectiva del ciclo de vida se completó en SimaPro. Los rendimientos globales medios obtenidos durante la simulación fueron: S1 30,80, S2 7,80, S3 12,82 kg VS por kg de PHA; siendo el Escenario 2 el que presentó un mayor rendimiento. El resultado fue un análisis de ciclo de vida prospectivo que permitió la identificación y reducción de brechas en términos de producción de fuente de carbono, producción de biomasa, producción de PHA y aspectos transversales para la transferencia de tecnología (Texto tomado de la fuente).