Methane abatement biotechnologiesTargeting process microbiology, improyement of process perrformance and revalorization

  1. López Neila, Juan Carlos
Supervised by:
  1. Raúl Muñoz Torre Director
  2. Guillermo Quijano Govantes Director

Defence university: Universidad de Valladolid

Fecha de defensa: 15 January 2018

Committee:
  1. Sergio Revah Chair
  2. Francesc X. Prenafeta-Boldú Secretary
  3. Fernando Fernández-Polanco Committee member

Type: Thesis

Abstract

El cambio climático asociado al calentamiento global representa hoy en día uno de los mayores desafíos medioambientales a nivel mundial. El calentamiento global se ha atribuido inequívocamente a la cada vez más alta concentración atmosférica de gases de efecto invernadero (GEIs), que ha ido incrementándose ya desde la época preindustrial hasta nuestros días. Se estima que la situación se agrave en el presente siglo en base al aumento de la población mundial previsto y, por tanto, de la actividad industrial y de gestión de residuos asociada. Por ello, es necesario no solo un mayor grado de concienciación medioambiental por parte de la población, sino también el desarrollo de nuevos avances tecnológicos que prevengan y reduzcan activamente dichas emisiones, para cumplir con una legislación cada vez más estricta y dirigida a limitar el aumento de la temperatura del planeta a 2 ºC por encima de los niveles registrados en la época preindustrial. Dentro del inventario mundial de GEIs, el metano (CH4) es considerado un agente climático de acción a corto plazo con una alta prevalencia en la atmósfera, siendo su vida útil de 12.4 años. Las emisiones de este GEI son las segundas más abundantes después de las del CO2 a nivel mundial. El CH4 se produce de forma natural por descomposición anaerobia de materia orgánica, aunque más de la mitad de sus emisiones son antropogénicas, y se originan generalmente en instalaciones de tratamiento de residuos, ganaderas y de minería del carbón. Tecnologías de final de proceso tanto físico-químicas como biológicas se encuentran disponibles comercialmente para el tratamiento de emisiones de CH4, estando determinada la selección de la tecnología más apropiada para el tratamiento por la concentración y el flujo de la emisión de CH4 a tratar. Las biotecnologías de tratamiento del CH4, basadas en la actividad biocatalítica de las bacterias oxidantes del CH4, se han posicionado en las últimas décadas como una alternativa viable a las tecnologías físico-químicas, dado que son respetuosas con el medio ambiente, rentables y tienen potencial para crear valor añadido a través de la eliminación del CH4 mediante la producción de bioproductos (p. e. polihidroxialcanoatos, PHAs) o para favorecer otros procesos de tratamiento de la contaminación. Sin embargo, estas biotecnologías aún presentan ciertas limitaciones operacionales que limitan su implementación a gran escala. Por ello, se hace necesario ahondar en su investigación (tanto a nivel micro- como macroscópico) y superar las actuales limitaciones de las biotecnologías de tratamiento de CH4 con el fin de potenciar el escalado a nivel industrial de procesos biológicos de eliminación de CH4 mediante un concepto de biorefinería. De este modo, en esta tesis se exploraron las biotecnologías de eliminación de CH4 con el objeto de i) mejorar el rendimiento del proceso a largo plazo, ii) determinar el efecto de múltiples parámetros ambientales y operacionales sobre la estructura y las características de las comunidades metanotróficas y iii) crear valor añadido a partir de la degradación de CH4 con miras al desarrollo de una bioeconomía sostenible. La biofiltración es una de las biotecnologías más aplicadas para el tratamiento de CH4 a nivel mundial. Sin embargo, los tiempos de residencia del gas (GRTs) requeridos para garantizar eficacias de eliminación de contaminantes con baja solubilidad en agua como el CH4 son a día de hoy altos, incrementando así significativamente los costes de inversión. En este sentido, el uso de biopelículas fúngicas ha sido propuesto recientemente como alternativa al uso de biopelículas bacterianas como una vía más eficiente para el tratamiento de contaminantes hidrofóbicos, aunque su capacidad para degradar CH4 como única fuente de carbono y energía no ha sido aún comprobada experimentalmente. En el primer estudio, se investigó la capacidad y el papel de los hongos en la eliminación de CH4 en experimentos en botellas y en un biofiltro empacado con compost y tratando en continuo emisiones de CH4 diluidas. La cepa fúngica Graphium sp. fue capaz de degradar co-metabólicamente CH4 cuando se añadió metanol al cultivo como agente de poder reductor. El biofiltro mixto fúngico-bacteriano empleado durante el estudio alcanzó eficacias de eliminación altas y estables (90 %) con caídas de presión mínimas, aplicando una frecuencia óptima de irrigación y a un GRT de 20 minutos, que es significativamente más bajo que los empleados en trabajos previos de eliminación de CH4 en biofiltros bacterianos. Otra limitación operacional encontrada frecuentemente durante la biofiltración de gases es el excesivo crecimiento de biomasa en el lecho. Éste puede llegar a limitar el rendimiento de biodegradación del contaminante y aumentar la caída de presión en el sistema, como resultado de los fenómenos de canalización preferencial y colmatación, respectivamente. La estrategia basada en alternar fases de alimentación-hambruna fue propuesta en el segundo trabajo de la presente tesis como estrategia de bajo coste para el control de biomasa, permitiendo así solventar la limitación anteriormente citada en una operación a largo plazo. Así, el rendimiento de dos biofiltros alternos bajo esta estrategia operacional fue evaluado comparativamente con un biofiltro control sometido a alimentación continua, y utilizándose CH4 como contaminante gaseoso modelo a concentraciones diluidas. La estrategia operacional aquí evaluada permitió alcanzar capacidades de eliminación significativamente mayores en los biofiltros alternos que las registradas en el biofiltro control, especialmente durante las primeras etapas de operación. Los biofiltros sometidos a periodos alternos de alimentación-hambruna sufrieron caídas de presión inferiores como consecuencia de las menores concentraciones de biomasa presentes en estos lechos, lo que supondría en última instancia un aumento de la vida útil del material de relleno y una reducción de los costes de operación del proceso de biofiltración a escala industrial. Además, se evaluó la robustez de las comunidades microbianas enriquecidas frente al aumento de los periodos de hambruna (3:3 días -> 5:5 días), la reducción de la frecuencia de irrigación o la privación de aire durante la operación bajo esta estrategia. Los resultados obtenidos mostraron claramente que la actividad máxima de eliminación de CH4 fue alcanzada progresivamente en periodos de tiempo cada vez menores (de 72 a 1.5 h). Las comunidades metanotróficas involucradas en el proceso se vieron significativamente afectadas por el procedimiento operacional desarrollado, presentando las comunidades de las unidades alternas una mayor diversidad y un predominio de metanótrofos tipo I, con mayor afinidad por el CH4. El enriquecimiento de comunidades metanotróficas con alta afinidad y altas tasas específicas de biodegradación de CH4 durante estos procesos biológicos de tratamiento es deseable para garantizar cortos periodos de arranque y un rendimiento global efectivo. En este sentido, en esta tesis se evaluó la influencia de la concentración de CH4 sobre los parámetros cinéticos y la estructura de la población durante un proceso de enriquecimiento a largo plazo en reactores de tanque agitado. Además, los diferentes cultivos mixtos fueron sometidos durante el experimento a limitaciones secuenciales de nitrógeno con el fin de evaluar su capacidad para sintetizar PHAs. La concentración de CH4 influyó significativamente en la estructura de la población y el tipo de metanótrofos enriquecidos, que predominantemente fueron de tipo I. Las tasas de biodegradación específica de CH4 más altas fueron registradas en las primeras etapas del enriquecimiento para los consorcios expuestos a concentraciones de CH4 media y alta (2 and 20 g m-3, respectivamente), mientras que las mayores afinidades por CH4 fueron obtenidas para los consorcios a baja y alta concentración de CH4 (0.2 y 20 g m-3, respectivamente). Las máximas acumulaciones de PHAs (13 %) obtenidas en continuo fueron alcanzadas por el consorcio enriquecido a la concentración media de CH4, y fueron atribuidas a la presencia de metanótrofos tipo II pertenecientes al género Methylocystis. El biogás procedente de la digestión anaerobia de lodos en plantas de tratamiento de agua residual (EDARs) ha sido propuesto recientemente como una materia prima renovable para la acumulación metanotrófica de PHAs, con potencial para reducir los costes de producción de biopolímero y sustentar una bioeconomía basada en la mitigación de GEIs. En este aspecto, el cuarto capítulo de la presente tesis se centró en investigar la viabilidad del biogás mediante ensayos en botellas, con o sin H2S, para el crecimiento y la acumulación de PHAs en la cepa Methylocystis hirsuta, un metanótrofo tipo II. El efecto de la adición individual de ácidos grasos volátiles (AGVs), fácilmente disponibles durante el proceso de digestión anaerobia vía hidrólisis, fue también evaluado en términos de crecimiento y generación de PHAs de diferente composición. El experimento llevado a cabo reveló que ambos tipos de biogás, con y sin H2S, eran fuentes de CH4 aptas tanto para sustentar el crecimiento de la cepa bajo condiciones sin limitación de nutrientes, como para acumular PHAs en la forma de poli-3-hidroxibutirato (PHB) hasta valores del 45 % bajo condiciones de limitación de nitrógeno. La cepa además mostró capacidad para crecer en ácido acético, propiónico, butírico y valérico hasta concentraciones en torno a los 200 mg L-1, con o sin biogás. El uso combinado de biogás como sustrato principal y AGVs como cosustratos (representando un 10 % de carbono extra respecto al aportado por el CH4 del biogás) bajo condiciones de limitación de nitrógeno condujo a incrementos del 10-30 % del rendimiento máximo y del contenido de PHA sobre los valores basales obtenidos solo con biogás. Finalmente, la adición de ácido valérico en estos ensayos promovió la obtención de fracciones de hidroxivalerato en el biopolímero sintetizado hasta del 25 %, lo que conlleva la obtención de un bioplástico con propiedades físico-químicas significativamente mejoradas. Los prometedores resultados aquí obtenidos representan un paso más al frente en el desarrollo de una nueva generación de biorefinerías basadas en procesos de digestión anaerobia, pudiendo ser este estudio considerado como una prueba de concepto de una tecnología a implementar en reactores en continuo. Finalmente, se investigó el potencial del biogás como sustrato viable para la creación de valor añadido mediante la combinación de la oxidación anaerobia de CH4 con un proceso de desnitrificación (DAMO). Con este fin, se seleccionó un biofiltro percolador como mejor configuración de biorreactor para retener eficazmente la biomasa en el seno del lecho y asegurar un contacto efectivo entre el biogás y la biopelícula. Las emisiones de óxido nitroso correspondientes a una desnitrificación incompleta del nitrato se relacionaron con la concentración de nitrato aplicada en el sistema y se minimizaron sin comprometer la actividad de la comunidad DAMO, que representó en torno a un 60 % de la población tras sólo 4.5 meses de enriquecimiento. La adición de H2S como co-donador de electrones para la desnitrificación en la corriente de biogás alimentada al biofiltro percolador condujo a la formación de un consorcio microbiano mixto formado por la ya existente comunidad DAMO (13 %) y las bacterias reductoras de nitrato y oxidantes de sulfhídrico (NR-SOB) recientemente enriquecidas. El co-enriquecimiento con este último grupo de bacterias permitió un aumento significativo de las tasas de reducción de nitrato sin comprometer la biodegradación de CH4 y una desnitrificación completa, lo cual se confirmó posteriormente mediante análisis de qPCR de los genes de desnitrificación narG, nirK y nosZ. Estos hallazgos podrían incentivar el escalado a nivel industrial de biofiltros percoladores con comunidades mixtas DAMO/NR-SOB como plataforma para la eliminación de N a bajo coste en EDARs.