Roadmap for scaling up thermophilic CO2 bioreduction to acetate: shedding light on using surplus renewable energy and industrial off-gases
- Autores: Laura Rovira
- Directores de la Tesis: Sebastià Puig Broch (dir. tes.), M. Dolors Balaguer Condom (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Heleen De Wever (presid.), Eduard Borrás Camps (secret.), Marianna Villano (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología del Agua por la Universidad de Girona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
El dióxido de carbono (CO2) se emite en su mayor parte en la ignición de combustibles fósiles para el transporte, la generación de electricidad u otros procesos industriales. El CO2 es un compuesto inorgánico que se da de forma natural en la Tierra, pero su concentración ha aumentado exponencialmente desde la revolución industrial, provocando la aceleración del calentamiento global. Los sistemas bioelectroquímicos (BES) y, más concretamente, la plataforma de electrosíntesis microbiana (MES) es una de las varias tecnologías que se han propuesto para capturarlo y convertirlo. Lo que da valor añadido a la MES es el uso de microorganismos para catalizar la reducción del CO2 a compuestos útiles, sin necesidad de materiales caros ni escasos.
Sin embargo, todavía es necesario investigar más para su comercialización. En este sentido, esta tesis doctoral aborda los retos del escalado de la electrosíntesis microbiana de acetato (HA) a partir de CO2 en condiciones termófilas, utilizando un cultivo microbiano mixto, energías renovables y emisiones de gases industriales.
Teniendo en cuenta que el sector industrial emite CO2 a altas temperaturas, todos los experimentos se realizaron en condiciones termófilas (50 °C), lo que aumentó la cinética de las reacciones, así como la selectividad del producto final. Para abordar uno de los principales retos de la tecnología relacionado con la utilización de la electricidad como principal coste operativo, se consideró el uso de energía renovable, y se simuló el funcionamiento sólo con el excedente sin almacenamiento en baterías, dando lugar a un suministro de energía intermitente. Esto redujo en tres el consumo de energía y promovió la combinación de procesos bioelectroquímicos y de fermentación microbiana, logrando una producción continua de HA (43 g m-2 d -1 ) y unas tasas de conversión de carbono prometedoras (2.2 kg CO2 kg HA -1 ). En cuanto a la intensificación del proceso, se desarrolló un modelo termodinámico que permitió determinar las condiciones de operación más favorables en función del producto final deseado. El análisis de los resultados mostró que, en condiciones termófilas, la elongación de HA a carboxilatos de cadena más larga no era espontánea, por lo que su conversión en sucesivos pasos de fermentación anaeróbica en condiciones mesófilas resultó ser la opción más viable.
Para que la tecnología esté un paso más cerca de su aplicación comercial, los sistemas se probaron con gases industriales reales que contenían impurezas y un porcentaje menor de CO2 (del 100 al 14 %). La comunidad microbiana demostró ser lo suficientemente robusta como para mantener productividades similares a la operación con gas sintético (2.5 % de diferencia) y adaptarse a las nuevas condiciones, desarrollando sinergias para mitigar los impactos derivados del uso de gas real con presencia de un 12 % de oxígeno. Por último, se diseñó, construyó y puso xvi en marcha la primera planta piloto de electrosíntesis microbiana a partir de CO2 con monitorización y control digital de las principales variables operativas. Esto permitió definir rangos de control con diferentes niveles de variabilidad y obtener acciones de señal-respuesta inmediatas para el correcto uso y aprovechamiento de los recursos, logrando la mejor relación producto/energía obtenida hasta la fecha (483 g HA kWh-1 ).
Esta tesis doctoral contribuye al desarrollo de una tecnología que convierte un residuo nocivo en un producto útil aprovechando al máximo los recursos disponibles. Sin embargo, para escalar la tecnología aún quedan muchas incógnitas por resolver, como encontrar electrodos con materiales biocompatibles, baratos y eficientes, junto con las restricciones que limitan las tasas de producción.
