Análisis de pirosecuanciación de un consorcio bacteriano para el diseño de un proceso de

producción de biohidrógeno en continuo por co-digestión anaerobia

Jacob Gómez Romero

Sede Regional Centro

Octubre, 2015

Contenido

Introducción Por que biohidrógeno? Digestión anaerobia Co-digestion anaerobia Sistema CSTR Objetivos Metodología Resultados Análisis de pirosecuenciación Co-digestion en continuo Conclusiones 2

Por que biohidrógeno?

• Amplia variedad de m.o. lo producen bajo condiciones anaerobias

• Biohidrógeno puede ser producido de residuos orgánicos de bajo costo “Biomasa”.

• La producción de biohidrógeno por vía fermentativa tiene un gran potencial a escala industrial

(Kapdan et al., 2006; Rocha et al., 2011) 3

Digestión anaerobia

(Kapdan et al., 2006; Rocha et al., 2011)

Polímeros Proteínas, polisacáridos, lípidos

Monómeros y oligomeros Aminoácidos, azúcares, ác grasos

Intermediario Propionato, Butirato, alcoholes

Acetogénesis

Metanogénesis CH4 + CO2

H2 + CO2 Acetato

4

Co-digestión anaerobia “Diferentes residuos son mezclados y tratados”

Ventajas •Mejora rendimientos- Biogás, H2

•Capacidad buffer-Intrínseca

•Efecto sinérgico- alta conversión,

•Dilución de compuestos tóxicos (amonio, ác.

grasos)

•Incremento de biodegradabilidad

•Ajuste- Balance de nutrientes (ratio C/N)

(Khalid et al., 2011; Gómez-Romero et al., 2014b) 5

Sistema en continuo

TRH •TRH Critico < 0.5h • Dinámica poblaciones m.o H2/CH4 • Lavado de biomasa • VVPH2, RH2, %R/Disminución

• VCO crit(Overload)>154 g L-1d-1

• VVPH2 ,incremento • VVPH2 , RH2, %R, Disminución • HPr, incremento

VCO

Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR)

Tiempo de residencia hidráulico (TRH) velocidad de carga orgánica (VCO) Estabilidad

6

Importancia del estudio de comunidades bacterianas

( Wang et al. 2013)

7

Factores • Medio ambientales (pH, temperatura, presión

parcial de H2, etc.) • Pre-tratamientos de inóculo • Condiciones de operación (TRH, VCO) • Co-sustratos (Yang et al., 2007; Kim et al., 2006).

“Entender y dilucidar los mecanismos de las bacterias puede permitir incrementar la

producción de biohidrógeno”

Comunidades bacterianas

Clostridium tyrobutiricum

Klebsiella

Lactobacillus

Sustratos

Objetivo Desarrollar un sistema de producción de biohidrógeno en

continuo a partir de un análisis de pirosecuanciación de la

estructura de la cumunidad bacteriana, utilizando lactosuero y

residuos sólidos orgánicos. Asimismo, evaluar diferentes

tiempos de retención hidraulico (TRH) y velocidades de carga

orgánica (VCO) sobre la velocidad volumétrica de producción

de hidrógeno y rendimiento en el sistema en continuo.

8

Metodología

9

Análisis de pirosecuenciación

10

Extraction DNA Inóculo adaptado

FLX-Titanium System Genome Sequencer Research and Testing Laboratory (Lubbock, TX, USA)

DNA purificado

454-Pirosecuenciación

Bacterial tag-encoded FLX amplicon pyrosequencing

Lactosa, 30 g/L Protocolos Titanium (Lubbock, TX, USA)

CTAB-Protocolo

• %H2

• %CH4

Carbohidratos totales Proteína -biomasa Demanda química de oxígeno (DQO)

Cromatografía de gases Análisis de muestras

TCD Silica

Sistema Hach

11

Fase lote 1 2 3 4 5 6 7 8

TRH (h)

60 48 38 28 18.7 15 10 17

VCO (g DQO -1L*-1d)

21.9 29.2 41.1 54.0 76.4 97.6 155.8 80.2

Tanque de efluentes Tanque de alimentación Bioreactor

35°C pH, 5.5

Sistema dedesplazamiento Salida de biogas

Puerto de maestro de gas

Puerto de muestreo

líquido

Sistema de co-digestion continuo

Resultados

12

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

0

2000

4000

6000

8000

10000 C:N-7 C:N-17 C:N-21 C:N-31 C:N-46

Biohid

rógen

o acu

mulad

o (mL

)

Tiempo (h)

13

Dos-etapas en co-digestion lote… porque?

Hidrolítica Bacterias No productoras de H2

Hidrogenica Bacterias productoras de H

Microorganismos ?

14

Análisis de pirosecuenciación: estructura bacteriana

Gomez-Romero, J., Gonzalez-Garcia, A., Chairez, I., Torres, L. García-Peña. (2014). Selective adaptation of an anaerobic microbial community: Biohydrogen production by co-digestion of cheese whey and vegetables fruit wastes. Int. J. Hydrogen Energy. 39; 12541-50.

Re

su

lta

do

s C

o-d

ige

sti

ón

: lo

te

Klebsiella 9.1%

Bifidobacterium 85.4%

Citrobacter 0.21%

Enterobacter 0.27%

Lactobacillus 0.97%

Escherichia 0.70%

Actinomyces 1.89%

Acinetobacter 0.05% Shigella 0.70% Clostridium 0.16% Brevundimonas

0.05%

Acetobacter 0.16%

Gluconobacter 0.10%

Rhodopseudomonas 0.05%

Fig. 1. Inóculo adaptado a lactosa (comienzo del proceso de co-digestión).

Bifidobacterium sp. inicialmente hidroliza el almidón en pequeñas moléculas que después son metabolizados por especies de Clostridium durante la producción de biohidrógeno (Cheng et al., 2008).

15

Sistema continuo: Fase hidrolítica

Parámetro Valores promedio

Inicio Final Carbohidratos totales (g/L) 30.44 ±5.6 0.03±0.06

Lactato (g/L 0.14±0.02 3.15±0.31

Acetato (g/L) ND 2.89±0.34

Amonio (mg/L) 184.40±18.5 239.58±35.75

Biogás (mL) 0 2,965.91±517

Metano (%,v/v) ND* ND*

Hidrógeno (%, v/v) ND* ND*

Cuadro 1. Resumen de resultados promedio iniciales y finales de carbohidratos totales, lactato, acetato, producción de biogás y composición (CH4 y H2).

99.34%

Inhibición por amonio 0.8 g/L Salermo et al., (2008)

Sistema continuo: fase hidrogénica

Tratamiento TRH (h)

VCO (g L-1 d-1)

1 60 21.91

2 48 29.26

3 38 41.19

4 28 54.01

5 18.7 76.41

6 15 97.67

7 10 155.87

8 17.5 80.20

Cuadro 2. Condiciones de tiempo de residencia hidráulico (TRH) y velocidad de carga orgánica (VCO) en el sistema en continuo.

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

50

60

70

Con

teni

do d

e Bi

oH2

(H2,%

v/v

)

Tiempo (d)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

2

4

6

8

10

12

VVP

H2

(mm

ol H

2 L-1 h

-1

10

20

30

40

50

60

TRH

(h)

Efecto del TRH, VCO sobre VVPH2 y % bioH2

17

2.1 2.8

3.5 3.8 5.6

7.7 8.6

5.9

17.5

Re

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do

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ige

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ón

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on

tin

uo

Valores promedio VVPH2 Valor promedio más alto VVPH2

De 50 a 60%

TRH, 15 y 10 h

TRH de 28 a 15 h

< 50%

Gómez-Romero, J; Gonzalez-Garcia, A.; Chairez, I; Torres, L; García-Peña, E.I. 2015. Two-phase co-digestion process for bio-hydrogen production continuous from agro-industrial wastes. Submmitted to International Journal of Hydrogen Energy

10 20 30 40 50 600

200

400

600

800

Ren

dim

ient

o (m

L H

2 g

DQ

O-1)

HRT (h)

20 40 60 80 100 120 140 1600

200

400

600

800

VCO (g DQO L-1d-1)

18

Efecto del TRH y VCO sobre rendimiento BioH2

TRH, 17 h

VCO, 80 g L-1 d-1

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tin

uo

Máximo rendimiento de BioH2: 800 mL H2/g DQO

Sobrecarga: inhibición por sustrato a altas VCO. Altas VCOs disminuyen RH2 (Van Ginkel y Logan, 2005)

Lavado de bacterias productoras de BioH2 a muy cortos TRH (Santos et al.,, 2014a)

Gómez-Romero, J; Gonzalez-Garcia, A.; Chairez, I; Torres, L; García-Peña, E.I. 2015. Two-phase co-digestion process for bio-hydrogen production continuous from agro-industrial wastes. Submmitted to International Journal of Hydrogen Energy

Conclusiones Los resultados mostraron la importancia y la utilidad del conocimiento sobre la

estructura de la comunidad microbiana para la planeación de un proceso continuo

biohidrógeno . Este conocimiento ayudado a desarrollar un proceso de producción

biohidrógeno más eficiente y estable en dos etapas . En la etapa de hidrólisis se

hidroliza los carbohidratos complejos a sustratos solubles y más simples, lo cual permitió

un mejor desempeño durante la etapa hidrogénesis . En la etapa hidrogénesis fueron

obtenidos valores máximo de rendimiento biohidrógeno y VVPH2 de 800 ml de H2/g

DQO y 8,6 mmol H2/L h bajo parámetros óptimos de la TRH y OLR de 17,5 h y 80.200

gDQO / L, respectivamente.

19

Muchas gracias

por su atención

20

Contacto: Jacob Gómez Romero, PhD Elvia Inés García Peña, PhD

Departamento de bioprocesos. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología-IPN, México, 07340. E-mail: bocaj23@hotmail.com