Una tesis del LEQUIA permite avanzar hacia la conversión del CO2 en biocombustibles

El calentamiento global está causa en mayor medida por CO₂ emitido en actividades humanas basadas en la quema de combustibles fósiles. Para luchar contra sus efectos, los grandes países emisores han acordado 1) reducir sus emisiones de CO₂ y 2) desarrollar tecnologías neutras en carbono para producir biocombustibles y otros productos. Así, se están realizando grandes esfuerzos para investigar tanto la captura y almacenaje de CO₂ como su conversión por medio de procesos químicos, electroquímicos, biológicos e inorgánicos.

Las tecnologías microbianas electroquímicas (METs) son una alternativa prometedora para capturar y reducir in situ el CO₂ a través del uso de electricidad renovable. Microorganismos cultivados en condiciones autotróficas usan CO₂ como aceptor de electrones y un electrodo aporta electrones en forma de electricidad. En este proceso, conocido como electrosíntesis microbiana (MES), se producen distintos compuestos en función de las posibilidades metabólicas de los microorganismos presentes en el sistema. El potencial es alto: un cultivo enriquecido de microorganismos electroactivos seleccionados para hacer posible la transformación del CO₂ en compuestos de alto valor añadido. Sin embargo, aún existen importantes lagunas de conocimiento.

La tesis doctoral “Steering CO₂ bio-electrorecycling into valuable compounds through inline monitoring of key operational parameters” investigó procedimientos operacionales fiables para monitorizar el rendimiento de las METS en la producción de sustratos para aplicaciones económicament viables. Se inocularon los cátodos de dos diseños distintos de sistemas bioelectroquímicos (BES), tubular y de placa llana, con un cultivo enriquecido de una cepa carboxidotrófica y se operó hasta la conversión estable del CO₂ en acetato, etanol y pequeñas cantidades de butirato.

Los resultados obtenidos están publicados en revistas científicas internacionales (Green Chemistry, 21, Issue 3, 2019, 684-691) y son muy valiosos para el desarrollo de las METs:

• El BES tubular logró una producción concomitante de etanol y acetato, clave para desencadenar la producción de carboxilatos y alcoholes de cadena de carbono más largas y complejas en fermentadores acoplados. El BES de placa plana mostró una producción constante de acetato, así como una alta resiliencia ante episodios operativos inesperados.

• 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 son 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.

• El monitoreo en línea del pH y consumo electrónico son variables operativas relevantes 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.

Ramiro Blasco realizó su tesis doctoral en el grupo de investigación LEQUIA de la Universidad de Girona bajo la supervisión Dr. Jesús Colprim, la Dra. Maria Dolors Balaguer y el Dr. Sebastià Puig. La defensa tendrá lugar el miércoles 22 de julio a las 9:30h y se puede seguir por videoconferencia. Los asistentes deben enviar un E-Mail a comissio.doctorat@udg.edu para obtener el enlace correspondiente.