Resumen de Steering co2 bio-electrorecycling into valuable compounds through inline monitoring of key operational parameters
El CO2 emitido por las actividades humanas basadas en la quema de combustibles fósiles es el causante, en gran medida, del calentamiento global del planeta. Las consecuencias de este calentamiento son imprevisibles, pero llegados a este punto crítico, y junto con los compromisos acordados por los países que más emiten, es acuciante desarrollar tecnologías eficientes para mitigar el efecto del CO2 sobre el calentamiento global y producir combustibles renovables de forma sostenible.
Actualmente, existen nuevas tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (p.ej. inyección en depósitos geológicos). Sin embargo, esta tecnología todavía no está completamente desarrollada y, paralelamente, se investigan diferentes tecnologías de transformación de CO2 basadas en procesos químicos, fotoquímicos, electroquímicos, biológicos o inorgánicos. En este sentido, las tecnologías electroquímicas microbianas (MET; siglas en inglés) representan un enfoque novedoso y prometedor en la absorción y reducción del CO2 in-situ utilizando energía eléctrica renovable mediante un proceso conocido como electrosíntesis microbiana (MES; siglas en inglés). Esta tecnología se basa en la utilización de microorganismos cultivados en electrodos en condiciones autotróficas en las cuales utilizan el CO2 como aceptor de electrones y un electrodo que les proporciona los electrones en forma de electricidad. Durante este proceso, los microorganismos producen diferentes compuestos dependiendo de las posibilidades metabólicas de los mismos. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo utilizar un cultivo enriquecido de microorganismos electroactivos para evaluar e identificar los parámetros clave que permitan dirigir la transformación de CO2 en compuestos diana de alto valor agregado. De esta manera, se pretende avanzar en el conocimiento sobre cómo mejorar la maniobrabilidad de esta tecnología para dirigir los procesos biológicos implicados.
En esta tesis se han estudiado diferentes parámetros de operación que a través de un monitoreo exhaustivo durante la transformación del CO2 mediante reactores MET. Se utilizaron dos diseños de reactor diferentes (tubular y plano) de sistemas bioelectroquímico (BES; siglas en inglés) que fueron inocularon con un cultivo enriquecido con una cepa carboxidotrófica electroactiva y se operaron hasta logar una electro-conversión estable del CO2 en ácido acético, etanol y pequeñas cantidades de ácido butírico.
El BES tubular logró una producción concomitante de etanol y acetato, que es considerada clave para desencadenar la producción de carboxilatos y alcoholes de cadena de carbono más largas y complejas en fermentadores acoplados. Por otro lado, el BES de placa plana mostró una producción constante de acetato, así como una alta resiliencia ante episodios operativos inesperados. Además, tanto las eficiencias culómbicas como las tasas de producción generales fueron más altas en el diseño de placa plana. Esto sugiere la necesidad de mejorar su maniobrabilidad identificando los valores umbral de parámetros clave que actúan de interruptores para activar/inactivar las rutas metabólicas de interés. Además, un diseño de reactor más óptimo y una alta madurez de la comunidad electroactiva deben considerarse como aspectos cruciales para obtener compuestos más reducidos y con más valor de mercado a partir de CO2 y electricidad.
El monitoreo en línea de los parámetros clave (pH, CO2 disuelto y presión parcial de hidrógeno) reveló variaciones en la señal de demanda de corriente y valores de pH correlacionados con el agotamiento de CO2 y la transición entre rutas productoras de ácido acético a otras que resultan en la producción de etanol. Además, se desarrollaron nuevas estrategias de inoculación y alimentación del reactor, basadas en el enriquecimiento previo de electrodos con un biofilm electroactivo y evitando períodos con baja disponibilidad de poder reductor, que mostraron resultados prometedores y que deberían abordarse en futuras investigaciones sobre la conversión bioelectroquímica de CO2.
Esta tesis destaca la importancia del monitoreo en línea del pH y consumo electrónico como variables operativas significativas para seleccionar entre la producción de carboxilatos y alcoholes, lo que abre la puerta para desarrollar nuevos enfoques que faciliten el control de las tecnologías electroquímicas microbianas durante la conversión bioelectroquímica de CO2 en biocombustibles.
