Effect of inoculum pretreatment on hydrogen production in high cellular density reactors and evaluation of interactions between their microbial functional groups

Abstract

"Se considera que el hidrógeno tendrá una gran relevancia como combustible en el futuro próximo, llegando incluso a hablarse de una economía basada en el hidrógeno, ya que además de ser usado de manera directa es posible usarlo como acarreador intermediario de energía. Sin embargo, aunque la tecnología para su aprovechamiento tiene ya varias décadas de desarrollo, su producción aún depende en gran medida de los combustibles fósiles a los que tendría que suplantar. Uno de los métodos más prometedores es la fermentación oscura, por medio de la cual se aprovechan las características fisiológicas de bacterias creciendo en condiciones anaerobias. Hay una gran variedad de parámetros que influyen en la producción de biohidrógeno por fermentación oscura, como el tiempo de residencia hidráulica, la velocidad de carga orgánica, pH, tipo de sustrato y características del inóculo. La mayoría de estos parámetros han sido ya estudiados y descritos en la literatura. Sin embargo, poco se ha logrado esclarecer acerca de la interdependencia y demás interacciones entre los distintos componentes de la comunidad microbiana anaerobia que permitn altas producciones de hidrógeno. Estas comunidades existen naturalmente en los lodos anaerobios de las plantas de tratamiento y se intercalan con las productoras de metano. Por esto, las fuentes más comunes de obtención de inóculo para producción de metano son las naturales y/o de plantas de tratamiento, a las que es necesario dar un tratamiento previo para inhibir toda actividad metanogénica. En esta tesis se evaluaron dos diferentes pretratamientos como estrategias de enriquecimiento para obtener comunidades hidrogenogénicas, el choque térmico y el lavado celular. Los reactores de biomasa inmovilizada tienen la capacidad de alcanzar mayores concentraciones de biomasa microbiana, permitiendo mayor eficiencia en la producción de biohidrógeno. Usando reactores granulares de lecho expandido (EGSB), los máximos rendimientos molares (0.92 mol H2/mol de hexosa) y de velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (4.23 L H2/L-d), con una carga orgánica de 36 g de glucosa/L-d a un tiempo de retención de 10 h con lodo tratado por lavado celular. En reactores anaerobios de lecho fluidificado (AFB), el lodo tratado por lavado celular produjo valores máximos de volumen de producción y rendimiento molar de 7 L H2/L-d y 3.5 mol H2/mol hexosa, respectivamente a una carga de 60 g de glucosa y 6 h de tiempo de retención. En ambos casos el lavado celular produjo mejores rendimientos y desempeño en general del reactor que lo obtenido usando inóculo tratado térmicamente, a pesar de ser este último el más ampliamente reportado. Ambos reactores mostraron alta abundancia de miembros de los taxa Clostridia, Enterobacteriaceae y bacterias ácido lácticas. En reactores EGSB, miembros de la familia Enterobacteriaceae en conjunto tuvieron una abundancia relativa mayor, pero los aumentos en la producción de hidrógeno estaban relacionados con el aumento en la presencia de miembros del género Clostridium. En el caso de reactores AFB, Clostridium fue el principal componente de la comunidad. Las bacterias ácido lácticas, principalmente de los géneros Lactobacillus, Sporolactobacillus y Lactococcus estuvieron presentes durante la operación de ambos tipos de reactores, estando relacionados en ambos casos con disminuciones en la producción de hidrógeno. En general, los reactores AFB mostraron mayor abundancia de Clostridia en comparación con EGSB, indicando una selección positiva por parte del carbón activado granular usado como soporte inerte y el régimen hidrodinámico obtenido por la configuración del reactor. El papel de los diferentes grupos funcionales ecológicos en la producción de hidrógeno también fue estudiado, observando que aunque Clostridium es el principal productor de hidrógeno, otros géneros como Megasphaera pueden también participar activamente aún cuando el sustrato principal se ha consumido, aumentando la producción y mejorando el desempeño. Aunque la configuración del reactor tiene un efecto directo e inmediato en el rendimiento del hidrógeno, es la estructura y composición de la microbiota que constituye la biomasa que determina el potencial para la producción de hidrógeno en condiciones adecuadas."

"It is considered that hydrogen will have great relevance as a fuel in the near future, even going so far as to speak of a hydrogen-based economy, since besides of being used directly it is possible to use it as an energy intermediary carrier. However, although the technology for its use has already several decades of development, its production still depends to a great extent on the fossil fuels. One of the most promising methods is the dark fermentation, by means of which the physiological characteristics of bacteria growing in anaerobic conditions are exploited. There are a variety of parameters that influence biohydrogen production by dark fermentation, such as hydraulic residence time, organic loading rate, pH, type of substrate and characteristics of the inoculum. Most of these parameters have already been studied and described in the literature. However, little has been achieved to clarify the interdependence and other interactions between the different components of the anaerobic microbial community that allows high rates in hydrogen production. These communities exist naturally, and are intercalated with methane producers. For this reason, the most common source of inoculum for the production of methane are natural ones and / or treatment plants, which need to be pre-treated to inhibit all methanogenic activity. In this thesis two different pretreatments were evaluated as enrichment strategies to obtain hydrogenogenic communities, thermal shock and cell washout. The immobilized biomass reactors have the capacity to reach higher concentrations of microbial biomass, allowing greater efficiency in the production of biohydrogen. Using expanded granular sludge bed (EGSB) reactors, maximum molar yield (0.92 mol H2 / mol hexose) and volumetric hydrogen production rate (4.23 L H2/L-d) with an organic loading rates of 36 g glucose/L-d at HRT of 10 h with cell wash-out pretreated sludge. In anaerobic fluidized bed (AFB) reactors, sludge that was pretreated with cell wash-out produced maximum volumetric and molar yield values of 7 L H2/L-d and 3.5 mol H2/mol hexose, respectively, at 60 g glucose/L-d and HRT of 6 h. In both cases cell wash-out produced better yields and overall performance of reactor than that obtained using thermally treated inoculum, despite being the latter the most widely reported in the literature. Both reactors showed abundance mainly in members of Clostridia, Enterobacteriaceae and lactic acid bacteria taxa."