Date: 2024-11-22

PhD dissertation by Meritxell Romans Casas: "Bio-electro CO2 recycling into added value compounds: insights, routes, strategies and performance improvements"

Resum:

Publicacions principals:

Romans-Casas et al, Selective butyric acid production from CO2 and its upgrade to butanol in microbial electrosynthesis cells, Environmental Science and Ecotechnology, 17, 2024, 100303, https://doi.org/10.1016/j.ese.2023.100303.

Romans-Casas et al, Boosting ethanol production rates from carbon dioxide in MES cells under optimal solventogenic conditions, Science of The Total Environment, 56, 1, 2023, 159124, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159124.

Romans-Casas et al, Bio-electro CO2recycling platform based on two separated steps, Journal of Environmental Chemical Engineering, 9, 5, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105909.

 

Convertir diòxid de carboni (CO2) en recursos valuosos contribueix a la descarbonització de la indústria i a la promoció de l’economia circular.  Els processos biològics principals de conversió del CO2 són l’electro-síntesi microbiana (en anglès, microbial electrosynthesis o MES) i la fermentació anaeròbica (en anglès, anaerobic fermentation o AF). La MES és particularment prometedora, ja que no consumeix reactius químics i proporciona energia reductora in situ, que es pot obtenir de fonts renovables. Fins ara, els estudis de MES s’han centrat majoritàriament en la conversió del CO2 a àcid acètic o metà. Aquesta tesi doctoral fa un pas endavant i apunta a compostos més valuosos com l’etanol i àcids carboxílics de cadena més llarga (àcid butíric i caproic). A més, estudia per primer cop l’acoblament de l’electro-síntesi microbiana amb processos de fermentació anaeròbica i la implementació d’un sistema basat en membranes. L’objectiu és incrementar els ratis de producció, reduir el consum d’energia i millorar la selectivitat dels productes mitjançant l’optimització de les condicions operacionals.

L’etanol s’utilitza com a combustible i dissolvent químic, i en la síntesi de diversos compostos orgànics, entre altres aplicacions. Aquesta tesi es va centrar en la producció bioquímica d’etanol a partir de CO2 via solventogènesi (amb espècies Clostridium). La Meritxell Romans va investigar a escala laboratori nous materials per la cel·la (acer inoxidable), configuracions optimitzades de reactors (cel·les elèctricament eficients apilades, amb distància curta entre elèctrodes) i noves estratègies operacionals. A més a més, va implementar un sistema de control automàtic. Això va permetre definir els paràmetres operacionals òptims per afavorir la producció d’etanol: pH baix (< 5.0), pressions parcials de CO2 baixes (pCO2 < 0.1 atm), pressions parcials d’hidrogen altes (pH2 > 2.0 atm) i concentracions d’àcid acètic superiors a 6.0 g L-1. Aplicant aquests coneixements, la investigadora va assolir una producció contínua d’etanol de 777,7 mg per litre de cel·la i dia (mg L-1 d-1) i una selectivitat de producció del 60%.

Els àcids butíric i caproic s’utilitzen per produir nombrosos compostos per la indústria química, energètica i farmacèutica. De manera anàloga a l’etanol, Meritxell Romans va investigar l’ús de cel·les de distància curta entre elèctrodes per produir àcid butíric a partir de CO2 i va assolir una selectivitat del 78% amb una demanda d’energia de 34.6 kWh kg-1, un valor dos cops inferior al que s’havia requerit amb anterioritat. D’altra banda, la investigadora va dissenyar i desenvolupar un nou sistema integrat de dues etapes en el qual l’etanol i l’àcid acètic que es produeixen en una cel·la d’electro-síntesi microbiana actuen com a substrat en un procés de fermentació anaeròbica per elongar a àcids butíric i caproic. Aquesta configuració permet obtenir àcid caproic a un rati de 0.74 g L-1 d-1. Finalment, va dissenyar un sistema innovador de membrana submergida en un fermentador per dosificar l’etanol i l’àcid acètic amb membranes no poroses, assolint una selectivitat del 94% i ratis de producció de 3.1 g L-1 d-1. La invenció ha estat patentada.

Aquests resultats tan notables contribuiran a escalar i comercialitzar les tecnologies d’electro-síntesi microbiana i la seva integració amb processos de fermentació per convertir el CO2 en compostos valuosos. L’impacte d’aquest enfocament circular és alt, tant en relació a la descarbonització de la indústria com a la reducció de la dependència dels recursos fòssils. La tesi ha estat dirigida pel Dr. Sebastià Puig i la Dra. Maria Dolors Balaguer del grup de recerca LEQUIA (Universitat de Girona) i pel Dr. Paolo Dessì (Universitat de Nàpols Federico II).

Data: 22-11-2024
Adreça: Aula Magna “Rosalind Franklin” de la Facultat de Ciències, carrer Maria Aurèlia Capmany 69, Girona
Hora: 10:00h