Una tesis del LEQUIA mejora la conversión de CO2 en etanol, ácido butírico y ácido caproico
El objetivo es aumentar las tasas de producción, reducir el consumo energético y mejorar la selectividad de los productos mediante la optimización de las condiciones operativas
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Una tesis del LEQUIA optimiza la conversión del CO2 en etanol, ácido butírico y ácido caproico con sistemas bioelectroquímicos y fermentación anaeróbica
Convertir dióxido de carbono (CO2) en recursos valiosos contribuye a la descarbonización de la industria y a la promoción de la economía circular. Los principales procesos biológicos de conversión del CO2 son la electro-síntesis microbiana (en inglés, microbial electrosynthesis o MES) y la fermentación anaeróbica (en inglés, anaerobic fermentation o AF). La MES es particularmente prometedora, ya que no consume reactivos químicos y proporciona energía reductora in situ, que se puede obtener de fuentes renovables.
Hasta la fecha, los estudios de MES se han centrado mayoritariamente en la conversión del CO2 a ácido acético o metano. Esta tesis doctoral da un paso adelante y apunta a compuestos más valiosos como el etanol y ácidos carboxílicos de cadena más larga (ácidos butírico y caproico). Además, estudia por primera vez el acoplamiento de la electro-síntesis microbiana con procesos de fermentación anaeróbica y la implementación de un sistema basado en membranas. El objetivo es incrementar las ratios de producción, reducir el consumo de energía y mejorar la selectividad de los productos mediante la optimización de las condiciones operacionales.
El etanol se utiliza como combustible y disolvente químico, y en la síntesis de varios compuestos orgánicos, entre otras aplicaciones. Esta tesis se centró en la producción bioquímica de etanol a partir de CO2 vía solventogénesis (con especies Clostridium). La Meritxell Romans investigó a escala laboratorio nuevos materiales para la celda (acero inoxidable), configuraciones optimizadas de reactores (celdas eléctricamente eficientes apilades, con una corta distancia entre electrodos) y nuevas estrategias operacionales. Además, implementó un sistema de control automático. Ello permitió definir los parámetros operacionales óptimos para favorecer la producción de etanol: bajo pH (< 5.0), bajas presiones parciales de CO2 (pCO2 < 0.1 atm), altas presiones parciales de hidrógeno (pH2 > 2.0 atm) y concentraciones de ácido acético superiores a 6.0 g L-1. Aplicando estos conocimientos, la investigadora consiguió una producción continua de etanol de 777,7 mg por litro de celda y día (mg L-1 d-1) y una selectividad de producción del 60%.
Los ácidos butírico y caproico se utilizan para producir numerosos compuestos para la industria química, energética y farmacéutica. De forma análoga al etanol, Meritxell Romans investigó el uso de celdas de distancia corta entre electrodos para producir ácido butírico a partir de CO2 y alcanzó una selectividad del 78% con una demanda de energía de 34.6 kWh kg-1, un valor dos veces inferior al que se había requerido con anterioridad. Por otro lado, la investigadora diseño y desarrolló un nuevo sistema integrado en dos etapas en el cual el etanol y el ácido acético que se producen en una celda de electro-síntesis microbiana actúan como substrato en un proceso de fermentación anaeróbica para elongar a ácidos butírico y caproico. Esta configuración permite obtener ácido caproico a una ratio de 0.74 g L-1 d-1. Finalmente, diseñó un sistema innovador de membrana sumergida en un fermentador para dosificar el etanol y el ácido acético con membranas no porosas, consiguiendo una selectividad del 94% y ratios de producción de 3.1 g L-1 d-1. La invención ha sido patentada.
Estos resultados tan notables contribuirán a escalar y comercializar las tecnologías de electro-síntesis microbiana y su integración con procesos de fermentación para convertir el CO2 en compuestos valiosos. El impacto de este enfoque circular es alto, tanto con relación a la descarbonización de la industria cómo con la reducción de la dependencia de los recursos fósiles. La tesis ha sido dirigida por el Dr. Sebastià Puig y la Dra. Maria Dolors Balaguer del grupo de investigación LEQUIA (Universidad de Girona) y por el Dr. Paolo Dessì (Universidad de Nápoles Federico II). La defensa, que está abierta al público, tendrá lugar el viernes 22 de noviembre en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Girona.
