Steering CO2 bio-electrorecycling into valuable compounds through inline monitoring of key operational parameters

L’escalfament global està causat en un grau considerable per CO₂ emès en activitats humanes basades en la crema de combustibles fòssils. Per lluitar contra els seus efectes, els grans països emissors han acordat 1) reduir les seves emissions de CO₂ i 2) desenvolupar tecnologies neutres en carboni per produir biocombustibles i altres productes. S’estan, doncs, fent grans esforços per investigar tant la captura i emmagatzematge de CO₂ com la seva conversió per mitjà de processos químics, electroquímics, biològics o inorgànics.

Les tecnologies microbianes electroquímiques (METs) són una alternativa prometedora per capturar i reduir in situ el CO₂ a través de l’ús d’electricitat renovable. Microorganismes cultivats en condicions autotròfiques usen CO₂ com a acceptor d’electrons i un elèctrode aporta electrons en forma d’electricitat. En aquest procés, conegut com a electrosíntesi microbiana (MES), es produeixen diferents compostos en funció de les possibilitats metabòliques dels microorganismes presents al sistema. El potencial d’aquesta via és alt: un cultiu enriquit de microorganismes electroactius seleccionats pot fer possible la transformació del CO₂ en compostos d’alt valor afegit. Tanmateix, encara ens manquen coneixements.

Aquesta tesis doctoral va investigar procediments operacionals fiables per monitoritzar el rendiment de les METs en la producció de substrats per aplicacions econòmicament viables. Es van inocular els càtodes de dos dissenys diferents de sistemes bioelectroquímics (BES), tubular i de placa plana, amb un cultiu enriquit d’una soca carboxidotròfica i es va operar fins a la conversió estable del CO₂ en acetat, etanol i petites quantitats de butirat.

Els resultats obtinguts estan publicats en revistes científiques internacionals (Green Chemistry, 21, Issue 3, 2019, 684-691) i són molt valuosos pel desenvolupament de les METs:

• El BES tubular va aconseguir una producció concomitant d’etanol i acetat, que és clau per desencadenar la producció de carboxilats i alcohols de cadena de carboni més llargues i complexes en fermentadors acoplats. El BES de placa plana va mostrar una producció constant d’acetat, així com una alta resiliència davant d’episodis operatius inesperats.
• Les eficiències culòmbiques i les taxes de producció generals van ser més altes en el disseny de placa plana. Això suggereix la necessitat de millorar la seva maniobrabilitat identificant els valors llindar de paràmetres clau que actuen d’interruptors per activar / inactivar les rutes metabòliques d’interès.
• Un disseny de reactor més òptim i una alta maduresa de la comunitat electroactiva són claus per obtenir compostos més reduïts i valuosos a partir de CO₂ i electricitat.
• El monitoratge en línia dels paràmetres clau (pH, CO₂ dissolt i pressió parcial d’hidrogen) va revelar variacions en el senyal de demanda de corrent i valors de pH correlacionats amb l’esgotament de CO₂ i la transició entre rutes productores d’àcid acètic a d’altres que resulten en la producció d’etanol. A més, es van desenvolupar noves estratègies d’inoculació i alimentació del reactor basades en l’enriquiment previ d’elèctrodes amb un biofilm electroactiu i evitant períodes amb baixa disponibilitat de poder reductor, que van mostrar resultats prometedors i que s’haurien d’abordar en futures investigacions sobre la conversió bioelectroquímica de CO₂.
• La monitorització en línia de l’pH i el consum electrònic són variables operatives rellevants per seleccionar de la producció de carboxilats i alcohols, el que obre la porta per desenvolupar nous enfocaments que facilitin el control de les tecnologies electroquímiques microbianes durant la conversió bioelectroquímica de CO₂ en biocombustibles.

Ramiro Blasco va desenvolupar la seva tesi doctoral al grup de recerca LEQUIA de la Universitat de Girona sota la supervisió del Dr. Jesús Colprim, la Dra. Maria Dolors Balaguer i el Dr. Sebastià Puig. La defensa va tenir lloc el dimecres 22 de juliol a les 9:30h