Published July 20, 2012 | Version v1
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Biohydrogen production and metabolic pathways in dark fermentation related to the composition of organic solid waste

Description

This study aims to investigate the effect of solid substrates composition on hydrogen production performances, metabolic pathways and microbial community changes in batch reactor and their dynamics in continuous reactors (CSTR). Hydrogen is an ideal energy carrier which has gained scientific interest over the past decade. Biological H2, so-called biohydrogen, can especially be produced by dark fermentation processes concomitantly with value-added molecules (i.e. metabolic end-products), while organic waste is treated. However, the effect of solid organic waste composition on biohydrogen production in dark fermentation has not yet been clearly elucidated. In this study, a bibliographic review was made on hydrogen production from agricultural waste. This survey on literature showed that diverse performances were reported on hydrogen production due to the variability in substrate compositions and experimental conditions. After having optimized a protocol of biohydrogen potential test (BHP), a wide variety of organic solid substrates aiming to covering a large range of solid waste was tested to provide a comparable data analysis. The results of a PLS regression showed that only soluble carbohydrates or easily available carbohydrates correlated with hydrogen production. Furthermore, hydrogen yields correlated as well with butyrate H2-producing pathway which is consistent with the literature knowledge. A predictive model of hydrogen yield according to carbohydrate content was proposed. Then, experiments were carried out in CSTR with Jerusalem artichoke tubers as a case study. It was shown that low organic loading rate favored continuous hydrogen production while higher organic loading introduced hydrogen competition pathways and decreased the overall hydrogen yields. Moreover, 16S rRNA gene based CE-SSCP profiles showed that increasing OLR had a significant effect on the microbial diversity by favoring the implementation of microorganisms not producing hydrogen, i.e. lactic acid bacteria. (author)

Abstract (French)

Cette etude vise a etudier l'effet de la composition de substrats organiques solides sur les performances de production d'hydrogene, les voies metaboliques associees et les changements des communautes microbiennes dans un reacteur discontinu (CSTR). L'hydrogene est un vecteur energetique ideal qui a gagne en interet scientifique au cours de la derniere decennie. L'H2 produit par voie biologique, ou biohydrogene, peut etre produit par des procedes de fermentation sombre ou les dechets organiques sont traites et avec la production de molecules a haute valeur ajoutee. Cependant, l'effet de la composition des dechets organiques solides sur la production de biohydrogene dans la fermentation sombre n'a pas encore ete clairement elucide. Au cours de cette etude, une revue bibliographique a ete realisee sur la production d'hydrogene a partir de dechets agricoles. Cette revue montre qu'une large gamme de performances en hydrogene peut etre observee principalement en raison de la variabilite dans les compositions en meme type de substrats et des conditions experimentales appliquees. Apres avoir optimise un protocole de test de potentiel biohydrogene (BHP), une grande variete de substrats organiques solides visant a couvrir un grand panel de dechets a ete testee pour fournir des donnees comparables a analyser. Les resultats d'une regression PLS ont montre que seuls les sucres solubles ou facilement disponibles eteint correlaient avec la production d'hydrogene. En outre, les rendements d'hydrogene correlaient aussi bien avec l'accumulation de butyrate, principale voie productrice de bioH2. Un modele predictif du rendement en hydrogene en fonction de la teneur en sucres a ete propose. Ensuite, des experiences ont ete menees en reacteur continu (CSTR) avec le topinambour comme substrat solide. Il a ete montre qu'une faible charge organique favorisait une production continue d'hydrogene tandis que l'accroissement de la charge organique introduisait la presence de voies concurrentes a la production d'hydrogene. De plus, les profils des empreintes moleculaires basees sur l'ADNr 16s ont montre que l'augmentation de la charge organique avait un impact significatif sur la diversite microbienne en favorisant l'implantation de microorganismes ne produisant pas d'hydrogene tels que des bacteries lactiques. (auteur)

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Original title (English)
Lien entre production de biohydrogene et metabolites microbiens par voie fermentaire et la composition des dechets organiques solides

Publishing Information

Imprint Pagination
244 p.
Report number
FRNC-TH--12313

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Notes
[270 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses