Acidogenic fermentation for the production of volatile fatty acids from cassava sour starch extraction process wastewater
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Resumen en inglés
Cassava and its processed products, such as sour starch, form the economic backbone of various communities in Colombia. However, their production generates effluents with high organic loads, cyanide concentrations, and acidic pH levels, leading to significant deterioration of receiving wáter sources. If these discharges are not properly treated beforehand, bodies of water may become unsuitable for human consumption, fishing, or recreation. Previous research indicates that this type of wastewater can be treated through anaerobic digestion, yielding methane as the primary product. However, studies also suggest that the volatile fatty acids produced during the acidogenic phase of anaerobic digestion, known as acidogenic fermentation, have valuable applications in various chemical and biological processes. This doctoral thesis begins with an introduction to the environmental issues caused by effluents from sour starch extraction from cassava, along with an analysis of previous research and emerging trends in its treatment. It also outlines the challenges that motivated this study and led to the establishment of three specific objectives (Chapter 1). Next, acidogenic fermentation and volatile fatty acid production are examined as alternatives for wastewater treatment through a bibliometric análisis of existing scientific literature (Chapter 2). This analysis identified key operational variables, which were evaluated at the laboratory scale for the substrate of interest. The individual and interactive effects of fermentation time and pH (Chapter 3), as well as the substrate-microorganism relationship and temperature (Chapter 4), were examined. Additionally, recognizing the importance of modeling in complementing experimental trials and enhancing the understanding of biological processes, a kinetic study was conducted on the acidogenic fermentation of wastewater from cassava processing. This study identified the models that best fit soluble organic matter consumption and volatile fatty acid production (Chapter 5). Finally, this thesis synthesizes the results and outlines perspectives for future research in the field (Chapter 6).
Resumen en español
La yuca y los productos derivados de su procesamiento, como el almidón agrio, se han convertido en la base de la economía de diversas poblaciones en Colombia. Sin embargo, su producción genera efluentes potencialmente contaminantes debido a la elevada carga orgánica, las concentraciones de cianuro y el pH ácido, lo que provoca un deterioro significativo de las fuentes hídricas receptoras. Si estos vertimientos no reciben un tratamiento previo, los cuerpos de agua pueden quedar inhabilitados para otros usos, como el consumo humano, la pesca o la recreación. Investigaciones previas han demostrado que este tipo de agua residual puede tratarse mediante digestión anaerobia, obteniéndose metano como principal producto. No obstante, otros estudios han evidenciado que los ácidos grasos volátiles generados en la fase acidogénica de la digestión anaerobia, conocida como fermentación acidogénica, pueden tener aplicaciones valiosas en diversos procesos químicos y biológicos. Esta tesis doctoral inicia con una introducción a la problemática ambiental generada por los efluentes de la extracción de almidón agrio a partir de la yuca, así como un análisis de antecedentes y nuevas tendencias en su tratamiento. Además, se presentan los desafíos que justificaron el desarrollo de este trabajo y permitieron el planteamiento de tres objetivos específicos (Capítulo 1). Posteriormente, se explora la fermentación acidogénica y la producción de ácidos grasos volátiles como alternativa para el tratamiento del agua residual, a través de un análisis bibliométrico de la literatura científica existente (Capítulo 2). Como resultado de este análisis, se identificaron variables operacionales clave del proceso, las cuales fueron evaluadas a escala de laboratorio para el sustrato de interés. En este contexto, se analizaron los efectos individuales e interactivos del tiempo de fermentación y el pH (Capítulo 3), así como la relación sustrato-microorganismo y la temperatura (Capítulo 4). Adicionalmente, considerando la importancia de la modelación para complementar los ensayos experimentales y mejorar la comprensión de los procesos biológicos, se realizó un estudio cinético de la fermentación acidogénica del agua residual generada en el procesamiento de la yuca. En este estudio, se identificaron los modelos que mejor se ajustan al consumo de materia orgánica soluble y a la producción de ácidos grasos volátiles (Capítulo 5). Finalmente, esta tesis presenta una síntesis de los resultados obtenidos y plantea algunas perspectivas para futuras investigaciones en este campo (Capítulo 6).