http://hdl.handle.net/10498/19485 Thu, 05 Nov 2026 14:29:10 GMT 2026-11-05T14:29:10Z http://hdl.handle.net/10498/39361 Application of physicochemical and biological pretreatments to enhance volatile fatty acids production via Dark Fermentation from agri-food waste ROUABHIA, AMER In the field known as the Green Economy, one of the most important pillars for developing a future, more sustainable production model is the incorporation of sustainable production processes as substitutes for conventional ones. In this regard, Volatile Fatty Acids (VFAs) constitute the so-called carboxylate platform, which plays a central role in biorefinery processes. The benchmark bioprocess for VFA production is Dark Fermentation (DF), a mode of anaerobic digestion in which the methanogenic phase is inhibited. This approach is framed within the biorefinery concept, where residual biomass is processed comprehensively and sustainably to obtain multiple value-added products, thereby promoting a circular economy model and reducing the environmental impact of agro-industrial waste management. The use of residual biomass as raw material contributes to lowering the production costs of these processes. However, it necessitates the application of costly pretreatments to ensure adequate solubilization of the organic matter present in the biomass. Residual biomass is a cheap carbon source with high volume availability and decentralized geographical distribution, but its use requires the optimization of applicable pretreatments. Waste and byproducts from the agro-food sector -which is immensely important both nationally and in the autonomous community of Andalusia- already represent one of the main sources of renewable residual biomass. They can be valorized through bioprocesses to obtain high value-added compounds. This Doctoral Thesis aimed to collect a significant sample of the principal types of agro-food biomass generated in the Andalusian autonomous community, also considering their diverse physicochemical characteristics. The following substrates were selected for this study: - Rice Husks (RH) - Sugar Beet Pulp (SBP) - Brewers' Spent Grain (BSG) - Orange Peel (OP) The goal is to optimize the valorization of agro-food substrates by applying different pretreatment strategies, including physical (ultrasonic sonication and microwave), biological, and chemical (hydrothermal) pretreatments, using only water as a solvent. These pretreatments will allow for improved solubilization of organic compounds in the biomass and the extraction of bioproducts of interest, such as reducing sugars, proteins, and polyphenols, which have high potential for application in the biotechnology industry. Following pretreatment, the substrates will be subjected to Dark Fermentation, an acidogenic anaerobic digestion process aimed at the production of Volatile Fatty Acids (VFAs) and a biogas with a high hydrogen content. Additionally, although not originally planned in the Doctoral Thesis project, the application of Enzyme Hydrolysis (EH) was also tested to enhance the valorization strategy. So, the general objective can be expressed as: "To develop and optimize physicochemical and biological pretreatments applied to agro-food residual biomass to favor the solubilization of organic matter with the purpose of maximizing the production of volatile fatty acids through a dark fermentation process and to evaluate the different alternatives." And the Specific objectives were: 1. Evaluate and determine the most suitable pretreatment (hydrothermal, microwave, ultrasonic sonication, and biological) for solubilizing and hydrolyzing the organic matter present in four agro-food sector substrates (rice husks, sugar beet pulp, brewers' spent grain, and orange peel) in terms of organic matter solubilization. 2. Evaluate the Volatile Fatty Acid production capacity of a dark fermentation process using the pretreated substrates. 3. Select the most favorable overall alternative for the generation of volatile fatty acids. The development of these partial objectives was carried out sequentially and coordinated with the experimental stages of the Doctoral Thesis work plan. As a result of the work conducted, four scientific articles corresponding to the contents of the Doctoral Thesis have been published in JCR® indexed journals. The DOIs for these publications are listed below: - Article 1: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118332 - Article 2: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c03953 - Article 3: https://doi.org/10.3390/app15158736 - Article 4: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.108634 The investigation began with the (Article 1) of a passively aerated biological pretreatment applied to all four residues to evaluate its capability for initial organic matter solubilization. This low-energy approach proved highly effective for biomasses with specific fiber profiles, with OP achieving the highest solubilization yield (sCOD 58.6%) under optimized conditions. These findings confirmed the feasibility of a biological pre-hydrolysis stage to enrich substrate quality and reduce the severity of subsequent processes. The second research axis involved a direct comparison between Microwave-assisted (MW) and Hydrothermal Reactor (HTR) pretreatments (Article 2) to quantify the recovery of Total Reducing Sugars (TRS), proteins (PR), and VFAs. MW pretreatment emerged as the most energy-efficient technique for rapidly solubilizing accessible biomasses such as OP and SBP. Conversely, HTR generated significantly higher extraction yields of TRS and VFAs for more complex substrates (RH, BSG), underscoring that pretreatment effectiveness depends not only on energy input but also on target compounds and biomass structural characteristics. The final phase investigated the integration of Ultrasound (US) and Hydrothermal Pretreatment (HTP) to optimize the sequential production of biohydrogen (H2) and (VFA) within a biorefinery framework, as detailed in Article 3 and Article 4. pretreatment effectively enhanced the solubilization of organic matter, serving as a crucial first-stage intensification method prior to (DF). Specifically, the integrated strategy combining (US) pretreatment, dark fermentation, and enzyme hydrolysis was developed to maximize the output of (H2), (VFA), and Total Reducing Sugars (TRS) from the four feedstocks. Optimized HTP conditions were critically assessed to determine the optimal reaction time necessary to maximize (H2)production from the lignocellulosic feedstocks. This research conclusively demonstrated that combining these tailored physicochemical strategies maximizes the overall biohydrogen and VFA yields, underscoring the necessity of multi-step pretreatment designs for achieving high-efficiency bioconversion. The main conclusions of the work have been: *Effective pretreatment strategies for the valorization of agro-industrial biomasses depend on a careful balance between structural disruption of the biomass, precursor release, and process energy cost. *Pretreatment optimization based on substrate: Method selection must be based on the intrinsic complexity of the biomass. Microwave is preferable for simple substrates (OP, SBP) due to its speed and lower energy consumption (40.1 kJ/g). Hydrothermal pretreatment is necessary to maximize the solubilization of recalcitrant biomasses (BSG, RH) and achieve high VFA yields, although it requires higher energy (70.85 kJ/g). *Decoupling organic matter solubilization and biohydrogen production pretreatment must avoid excessive release of proteins, as this diverts dark fermentation metabolism and limits H2 production. Moderately pretreated SBP (HTP for 20 min) is superior to OP for biohydrogen production. *US pretreatment as the best option for sequential processes: Integration of ultrasound with enzyme hydrolysis of the solid phase of the pretreated effluent is an effective biorefinery strategy. Ultrasound pretreatment reduces recalcitrance (although it uses green solvents with less delignification capacity), allowing subsequent enzyme hydrolysis to significantly increase TRS yield, especially for SBP (4.5-fold increase). *Lignin as the main problem: RH was shown to be consistently resistant to all pretreatments, underlining that its high lignin content (14.0%) and low enzymatic accessibility limit its use as an efficient substrate for dark fermentation without more severe chemical treatments. *The integration of pretreatment, dark fermentation, and enzyme hydrolysis is demonstrated to be an effective strategy for the sustainable conversion of agro-industrial residues into biofuels and value-added biochemicals. Thu, 29 Jan 2026 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/39361 2026-01-29T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/38195 Estudio a escala piloto de la desulfuración anóxica de biogás empleando un efluente nitrificado a partir de lixiviados de vertedero Torres Herrera, Sandra Biogas generated in landfills is a valuable source of renewable energy, the use of which is hindered by the presence of compounds that affect its quality, primarily hydrogen sulfide (H2S). This compound is corrosive and toxic, and its combustion generates sulfur oxides, necessitating its reduction or removal for most applications. Biological technologies offer a sustainable alternative to physicochemical methods, among which is anoxic desulfurization. However, this technology relies on electron acceptors such as nitrate/nitrite, which, if sourced from chemical reagents, increase process costs. Therefore, this Doctoral Thesis addresses this challenge from a circular economy perspective by proposing and validating a pilot-scale integrated system that couples two waste treatment processes: biogas purification and landfill leachate treatment. The study proposes using the nitrified effluent from ammonium-rich leachate as a low-cost source of nitrate/nitrite for anoxic biogas desulfurization, thereby reducing operational costs and facilitating the management of this complex waste stream. A key byproduct of the anoxic desulfurization process is elemental sulfur. This sulfur can be recovered from suspended-growth bioreactors for use as a fertilizer or as a raw material in the chemical industry. To optimize both the bioprocess and byproduct recovery, an analytical method was first developed and validated for the quantification of biogenic sulfur (S0) using gas chromatography with a pulsed flame photometric detector (GC-PFPD), combined with a simple sample preparation based on filtration and toluene extraction. This method exhibited an error of less than 5% when applied to samples from a laboratory-scale stirred-tank anoxic desulfurization bioreactor. Additionally, a recovery method for biogenic sulfur was optimized via coagulation-flocculation, achieving removal efficiencies exceeding 97% with a cationic flocculant at a dosage of 0.82 mg/L (0.5 mg flocculant per g S0) at a stirring speed of 30 rpm and a pH of 8.0. In subsequent tests with biogenic sulfur from biological samples with high solids and organic matter content, the required flocculant dosage increased 40 times (to 20 mg flocculant per g S0). To generate the low-cost electron acceptor, the nitrification of real landfill leachate was studied at a pilot scale in a 1 m3 sequencing batch reactor (SBR). Over the 61-week operational period, a total volume of 8,950 L of landfill leachate was treated, with an average ammonium concentration of 1,410±362 mg N-NH4+/L. The system demonstrated high robustness and resilience, with the reactor stably generating nitrate and removing over 83.9% of the ammonium under controlled pH (7.4±7.7) and temperature (25±27°C) conditions. A maximum ammonium elimination capacity o161 g N-NH4+/(m3·d) (at 99.9% efficiency) and a nitrate production rate of up to 95.4 g N-NO3-/(m3·d) were achieved. High leachate salinity was identified as a critical factor requiring control via dilution to prevent process inhibition. To assess the biomass's sensitivity to increasing leachate concentrations, its activity was evaluated through respirometric tests, and the data were fitted to a Haldane-type inhibition model. The maximum substrate oxidation rates obtained in these laboratory-scale tests were 8.89 mg N/(gVSS·h) for ammonium and 5.91 mg N/(gVSS·h) for nitrite. Finally, the integration of both processes was evaluated through the long-term operation of a pilot-scale (1 m3) anoxic bioscrubber system fed with real landfill biogas (total volume: 264,812 m3) and the nitrified effluent (total volume: 2.4 m3). The system demonstrated high stability, achieving H2S removal efficiencies exceeding 85% (with a maximum of 97%) under optimal conditions (pH 7.5±8.0 and T > 22°C). The system's operational limits were determined, reaching a maximum elimination capacity of 50.8 g S-H2S/(m3·h) with an elemental sulfur yield of 60%. Microbial community analysis revealed a predominance of the genus Thioalkalispira-Sulfurivermis as the primary driver of desulfurization in the bioreactor. The system proved resilient to operational disturbances, such as recirculation pump failures and fluctuations in the biogas flow rate. This study provides valuable insights into the practical application of anoxic bioscrubbers for landfill biogas biodesulfurization, highlighting key control factors and offering a foundation for enhancing the efficiency and sustainability of biogas purification technologies under real-world constraints. Tue, 11 Nov 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/38195 2025-11-11T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/38190 Efectos del cambio ambiental global sobre el acoplamiento biogeoquímico y los ciclos elementales en ecosistemas terrestres: un estudio multiescala en suelo, plantas y hojarasca Caetano Sánchez, Cristina Esta tesis examina los efectos de tres impulsores clave del cambio ambiental global (la deposición de nitrógeno, la eutrofización y la defaunación inducida por el ser humano) sobre la dinámica y la distribución espacial de los elementos químicos en distintos compartimentos ecosistémicos (planta, suelo y hojarasca) en diversos tipos de ecosistemas. Para ello, se emplea el concepto de acoplamiento biogeoquímico, basado en el coeficiente promedio de correlaciones de Spearman (en valor absoluto) entre pares de elementos, lo que permite evaluar el grado de asociación espacial entre múltiples elementos en el suelo y en los tejidos vegetales bajo condiciones experimentales. Los capítulos I y II presentan, respectivamente, el marco conceptual y los objetivos generales y específicos de esta investigación. En el capítulo III se analiza el impacto de cuatro años de deposición simulada de nitrógeno mediante un tratamiento de fertilización con nitrato de amonio (NHNO) en cuatro niveles (0, 10, 20 y 50 kg N·ha¹·año¹) sobre el acoplamiento biogeoquímico de 10 elementos en los suelos de un matorral mediterráneo semiárido en España central. El capítulo IV se centra en los efectos de cinco años de defaunación progresiva y selectiva de vertebrados e invertebrados sobre la concentración de macro y micronutrientes en el suelo y en los tejidos vegetales de dos tipos de vegetación subalpina, caracterizadas por diferente historial de pastoreo y productividad en el Parque Nacional Suizo. Además, se evalúa el impacto de la defaunación sobre la co-ocurrencia espacial de elementos en plantas y suelos (acoplamiento biogeoquímico), así como la relación entre el acoplamiento de elementos químicos individuales en las plantas y en el suelo. Dado que se encuentra entre las prácticas comunes en ecosistemas de pastizales manejados, el capítulo V examina el impacto de la fertilización con múltiples nutrientes sobre el contenido elemental de dos tipos de sustratos de hojarasca estandarizada con diferente capacidad de descomposición (té verde como material lábil y rooibos como recalcitrante) en 18 pastizales distribuidos globalmente. Asimismo, se investiga la transferencia bidireccional de elementos durante el proceso de descomposición mediante un enfoque de balance de masas, con el objetivo de evaluar la translocación de elementos químicos durante este proceso. Adicionalmente, se calcula el grado de acoplamiento elemental global de ambos sustratos, así como el acoplamiento de elementos individuales para cada nivel de tratamiento y tipo de sustrato. Para evaluar la generalidad del acoplamiento de los elementos en los tejidos vegetales en función del sustrato, también se analiza la relación entre el acoplamiento de elementos químicos individuales en el té verde y en el rooibos. Finalmente, en el capítulo VI se presentan las consideraciones generales de la tesis doctoral y se discuten las conclusiones, tanto de manera global como de forma específica, para los capítulos III, IV y V. Fri, 19 Sep 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/38190 2025-09-19T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10498/38185 Efectos de la forestación sobre la artropofauna de hábitats naturales no forestalesel brezal mediterráneo como caso de estudio Pérez Gómez, Álvaro La plantación de árboles es una estrategia ampliamente utilizada en la conservación ambiental a nivel global. Cuando se lleva a cabo con un enfoque ecológico y científico, puede contribuir de manera positiva a la restauración de ecosistemas, a la protección de la biodiversidad y a la captura de carbono, ayudando así a mitigar dos de las principales crisis ambientales actuales: la pérdida de biodiversidad y el cambio climático. Sin embargo, una planificación inadecuada puede generar efectos adversos. Por ejemplo, la plantación de árboles en ecosistemas naturalmente desprovistos de ellos, como praderas o brezales, puede alterar su equilibrio ecológico y poner en riesgo la biodiversidad adaptada a sus condiciones naturales. Un ejemplo de este problema lo constituye la forestación del brezal Mediterráneo o herriza, un hábitat característico del extremo occidental de la región Mediterránea y frecuente en el área del estrecho de Gibraltar, donde alberga sus mayores niveles de riqueza botánica y endemismo. La herriza posee una floración abundante y extendida a lo largo del año, particularmente en otoño y finales del invierno, cuando apenas hay flores en otros hábitats Mediterráneos, lo que la hace especialmente atractiva para los polinizadores silvestres. A pesar de ello, la herriza ha sido sistemáticamente ignorada debido a su baja fertilidad edáfica y, sobre todo, a su característica ausencia de estrato arbóreo. Como consecuencia, a mediados del siglo XX fue objeto de programas de forestación extensiva, principalmente con pinos (Pinus pinea y P. pinaster en su gran mayoría) y, hasta fechas muy recientes, quedó al margen de políticas de conservación. Aprovechando dicho proceso de forestación, esta tesis doctoral tiene como objetivo profundizar en el conocimiento de la artropofauna de la herriza y analizar el impacto de las plantaciones de pino, centrándose en los polinizadores y los artrópodos epigeos como grupos focales. Para ello, se seleccionaron cinco sitios en el parque natural Los Alcornocales (Cádiz), cada uno consistente en una zona de herriza abierta (no forestada) y otra zona adyacente de herriza forestada con pinos. Para estudiar los efectos sobre los polinizadores, se establecieron cuatro transectos lineales de 25 metros en cada zona, que se muestrearon cinco veces al año (invierno, primavera temprana, primavera tardía, verano y otoño), durante dos años consecutivos (2020-2021, 2021-2022). En el caso de los artrópodos epigeos, aquellos que viven en la superficie del suelo, se colocaron cuatro trampas de caída (pitfalls) en cada uno de los transectos anteriormente descritos, teniendo, por tanto, ocho pitfalls en cada sitio. Estas fueron activadas por periodos de diez días en cada uno de los cinco momentos estacionales anteriormente descritos durante un año. Además de mostrar el patrón de las plantaciones forestales a escala global y sus impactos sobre el medio natural, el capítulo 1 o Introducción General de esta tesis presenta el brezal mediterráneo o herriza como el hábitat objeto de estudio. Además, describe brevemente su diversidad florística y faunística, poniendo un mayor énfasis en su artropofauna. El capítulo 2 muestra cómo la plantación de árboles en la herriza reduce tanto la diversidad como la abundancia de flores e insectos polinizadores, además de alterar su composición taxonómica a lo largo de prácticamente todas las estaciones del año. Ciertamente, se observa una fuerte relación positiva entre la apertura del dosel arbóreo y la diversidad y abundancia de flores. O, dicho de otro modo, a medida que aumenta la cobertura arbórea en la herriza forestada, su diversidad y abundancia de flores disminuye. Este patrón se ve más acentuado en plantas leñosas, que son las más relevantes para los polinizadores. Esto, a su vez, tiene consecuencias directas sobre la diversidad y abundancia de polinizadores y las redes de interacción planta-polinizador, las cuales muestran una reducción en su estabilidad (capítulo 3) . En cuanto al conjunto de artrópodos epigeos de la herriza (capítulo 4), los efectos de la forestación con pinos parecen diferentes. No hay cambios significativos en la diversidad alfa (riqueza taxonómica) ni en la abundancia de artrópodos entre la herriza natural y la herriza forestada. Sin embargo, sí se detectaron diferencias significativas en la composición taxonómica (diversidad beta) tanto al nivel de familia, para el conjunto de artrópodos, como al de especie, usando las arañas como grupo bioindicador. También se analizaron los patrones de diversidad alfa y beta en los rasgos funcionales de las arañas y, pese a haber altos valores de diversidad beta, no se detectaron cambios significativos para la diversidad funcional alfa. La tesis incluye un último capítulo (capítulo 5) antes de la discusión general (capítulo 6) que incluye una revisión científica sobre la pérdida de diversidad de insectos polinizadores asociada a las plantaciones de árboles a escala global. Dicha revisión no sólo sugiere qué aspectos de la ecología de los insectos se ven afectados por la forestación y amenazan su persistencia en el hábitat, sino que propone medidas para compatibilizar la existencia de plantaciones forestales con la conservación de los insectos polinizadores. Fri, 03 Oct 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10498/38185 2025-10-03T00:00:00Z