Optimization of hydrogen production by the psychrophilic strain G088

Abstract

"Hydrogen (H2) is considered as one of the most promising energy carriers for the future, it has several unique characteristics, such as high energy yield, it is renewable, clean and its combustion is sustainable and environmentally friendly since it does not generate toxic byproducts. Among hydrogen production methods, dark fermentation is the biological method most widely used. However, most of the studies addressing fermentative hydrogen production operate at mesophilic, thermophilic and even hyperthermophilic temperatures and little information is available using psychrophilic microorganisms. These processes consume less energy for heating the reactors during the process. In this thesis, the biohydrogen production was studied using the psychrophilic strain G088 closely related to Polaromonas rhizosphaerae [EF127651] using xylose, glucose, fructose, galactose, lactose or sucrose as a carbon source at temperature of 20ºC. The results showed that G088 strain produced biohydrogen using all the evaluated substrates, ranging from 91.7 to 439.8 ml for lactose and glucose respectively. Nevertheless, glucose was the best substrate with maximum values of biohydrogen production rate and yield of 50.1 ml/l/h and 1.7 mol H2/ mol glucose respectively. In addition, dark fermentation is a complex process, and can be influenced by different factors; thus, the effect of temperature, pH and substrate concentration on biohydrogen production, biohydrogen production rate and yield was also studied using glucose. Response surface methodology with a Box-Behnken design was used to determine the optimal biohydrogen production conditions. According to the mathematical model, temperature 26.30ºC, pH 6.2 and glucose 25.31 g/l were the optimum conditions for a predicted biohydrogen production of 503.34 ml of H2, and a biohydrogen production rate and yield of 37.91 ml/l/h and 1.93 mol H2/ mol glucose, respectively. The linear effect of pH and the quadratic effect of temperature, pH and glucose concentration were the most significant terms affecting biohydrogen production. Otherwise, biohydrogen production rate was affected only by the quadratic effect of temperature and glucose concentration, while biohydrogen yield was affected by the lineal and quadratic effect of the three factors. The optimal production conditions were experimentally tested by triplicate corroborating the correspondence with the predicted value by the mathematical model."

"El hidrógeno (H2) es considerado como uno de los vectores energéticos más prometedores para el futuro, posee características únicas como un alto rendimiento energético, es renovable, limpio y su combustión es sustentable y amigable con el medio ambiente debido a que no genera subproductos tóxicos. De los métodos de producción de H2, la fermentación oscura es el método biológico más usado debido a las ventajas que presenta. Sin embargo, la mayoría de los estudios referentes a la producción fermentativa operan a temperaturas mesófilas, termófilas e incluso hipertermófilas, y poco se conoce de los procesos psicrófilos que tienen como ventaja requerir menor gasto de energía para calentar los reactores durante el proceso. En esta tesis se estudió la producción de biohidrógeno utilizando la cepa psicrófila G088 estrechamente relacionada a Polaromonas rhizosphaerae [EF127651] utilizando xilosa, glucosa, fructosa, galactosa, lactosa o sacarosa como fuente de carbono a una temperatura de 20ºC. Los resultados mostraron que la cepa G088 produjo biohidrógeno usando todos los sustratos evaluados, produciendo desde 91.7 hasta 439.8 ml para lactosa y glucosa respectivamente. Sin embargo, la glucosa fue el sustrato con el que se obtuvo la mayor velocidad de producción y rendimiento de 50.1 ml/l/h y 1.7 mol H2/mol glucosa, respectivamente. Adicionalmente, la fermentación oscura es un proceso complejo el cual puede ser influenciado por diferentes factores, por lo tanto, también se evaluó el efecto de la temperatura, el pH y la concentración de sustrato sobre la producción de biohidrógeno, la velocidad de producción y el rendimiento, empleando glucosa. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta con un diseño experimental Box-Behnken con el fin de determinar las condiciones óptimas de producción de biohidrógeno. De acuerdo al modelo matemático, las condiciones óptimas fueron temperatura de 26.3ºC, pH de 6.2 y concentración de glucosa de 25.31 g/l para una producción de biohidrógeno predicha de 503.34 ml de H2, una velocidad de producción de 37.91 ml/l/h y un rendimiento de 1.93 mol H2/mol glucosa. Se encontró que el efecto lineal del pH y el efecto cuadrático de la temperatura, pH y concentración de glucosa fueron los términos que afectaron a la producción de biohidrógeno. Por otra parte, la velocidad de producción fue afectada únicamente por el efecto cuadrático de la temperatura y concentración de glucosa, mientras que el efecto lineal y cuadrático de los tres factores afectó a la variable de rendimiento. Las condiciones óptimas fueron probadas experimentalmente por triplicado corroborando la correspondencia con el valor predicho por el modelo matemático. Los valores experimentales de la producción de biohidrógeno, velocidad y rendimiento bajo estas condiciones fueron 513±12.48 ml, 36.5±4.10 ml/l/h y 1.81±0.04 mol H2, respectivamente. Estos resultados demuestran que la cepa G088 tiene potencial para ser usada para el desarrollo de nuevos procesos biotecnológicos para la producción de biohidrógeno."