Pretreatments to enhancing biomethanisation of polylactic acid (PLA) in an anaerobic digester of a wastewater treatment plant

[EN] Poly (lactic acid) (PLA) is one of the most widely used bioplastics in the industry due to its renewable origin and biodegradability. However, its end-of-life management remains still a challenge.

Anaerobic codigestion of bioplastics with sludge from wastewater treatment plants (WWTP) allows not only the controlled disposal of these wastes, but also the production of valuable byproducts such as methane, which acts as a renewable energy carrier, and a stabilised digestate, which can be used in agricultural applications.

However, PLA has low biodegradability rates under mesophilic anaerobic conditions, which makes its valorisation in an anaerobic digester of a WWTP difficult. Several studies have shown that the application of chemical, physical, biological, or thermal pretreatments prior to anaerobic digestion favours the biodegradability of PLA.

The main objective of this master's thesis is to evaluate at laboratory scale the effectiveness of different pretreatments to achieve PLA biomethanisation. After selecting the most effective pretreatment, a continuous anaerobic digester has been operated for 156 days to co-digest WWTP sludge with the pretreated PLA. This study aims to propose anaerobic codigestion as a sustainable alternative to PLA waste management . The results revealed that chemical pretreatment was the most effective method, enabling the complete hydrolysis of PLA. A NaOH concentration of 0.6M is enough to hydrolysed 40 g/L of PLA, that means, the ratio NaOH:PLA is 1:1. Temperature and NaOH concentration significantly affect the hydrolysis kinetics of PLA. At elevated temperatures (90 °C), complete hydrolysis is achieved within 24 hours, whereas at lower temperatures (30 °C) such a process requires approximately 48 hours. Additionally, a mathematical model was employed to evaluate the effect of temperature and NaOH concentration on the PLA hydrolysed. It consisted in a first order equation based on the NaOH and PLA concentration, along with a velocity rate constant.

In the lab-scale digester, the complete degradation of PLA was confirmed by two main indicators: the increase in biogas production and the absence of lactate in the digestate. These results demonstrate the effective conversion of the PLA during the anaerobic digestion process due to microorganism adaptation. When the pretreated PLA was introduced into the anaerobic digester, biogas production increased by 54%, demonstrating the positive impact of PLA on the anaerobic digestion process.

[ES] El ácido poliláctico (PLA) es el bioplástico más relevante en el sector del plástico y, por tanto, representa una de las principales fracciones de residuos bioplásticos en las plantas de gestión de residuos.

La codigestión anaeróbica de bioplásticos con lodos procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) permite no sólo la eliminación controlada de estos residuos, sino también la obtención de subproductos valiosos como el metano, que actúa como portador de energía renovable, y un digestato estabilizado, que puede utilizarse en aplicaciones agrícolas. Sin embargo, el PLA tiene bajas tasas de biodegradabilidad en condiciones anaerobias mesófilas, lo que dificulta su valorización en un digestor anaerobio de una EDAR. Diversos estudios han demostrado que la aplicación de pretratamientos químicos, físicos, biológicos o térmicos previos a la digestión anaerobia favorece la degradabilidad del PLA.

El objetivo principal de este trabajo fin de máster es evaluar a escala de laboratorio la eficacia de diferentes pretratamientos para conseguir la biometanización del PLA. Tras seleccionar el pretratamiento más efectivo, se ha operado un digestor anaerobio continuo durante 156 días para codigerir lodos de EDAR con el PLA pretratado. Este estudio pretende proponer la codigestión anaerobia como alternativa sostenible a la gestión de residuos de PLA.

Los resultados revelaron que el pretratamiento químico era el método más eficaz, ya que permitía la hidrólisis completa del PLA. Una concentración de NaOH de 0,6M es suficiente para hidrolizar 40 g/L de PLA, es decir, la relación NaOH:PLA es de 1:1. La temperatura y la concentración de NaOH afectan significativamente a la cinética de hidrólisis del PLA. A temperaturas elevadas (90 °C), la hidrólisis completa se consigue en 24 horas, mientras que a temperaturas más bajas (30 °C) dicho proceso requiere aproximadamente 48 horas. Además, se empleó un modelo matemático para evaluar el efecto de la temperatura y la concentración de NaOH sobre el PLA hidrolizado. Consistía en una ecuación de primer orden basada en la concentración de NaOH y PLA, junto con una constante de velocidad.

En el digestor a escala de laboratorio, la degradación completa del PLA se confirmó mediante dos indicadores principales: el aumento de la producción de biogás y la ausencia de lactato en el digestato. Estos resultados demuestran la conversión efectiva del PLA durante el proceso de digestión anaerobia debido a la adaptación de los microorganismos. Cuando el PLA pretratado se introdujo en el digestor anaerobio, la producción de biogás aumentó un 54%, lo que demuestra el impacto positivo del PLA en el proceso de digestión anaerobia