Estrategias de control de las comunidades microbianas durante la fermentación oscura

Abstract

"La fermentación oscura es la alternativa más factible para la producción biológica de hidrógeno (H2). Este bioproceso depende de la capacidad metabólica de microorganismos anaerobios que utilizan sustratos orgánicos y producen una mezcla de ácidos carboxílicos e H2 como subproductos. En procesos continuos, la fermentación oscura ha mostrado ser estable y con altas productividades, especialmente en reactores de biomasa suspendida. Sin embargo, los rendimientos molares de H2 reportados en la literatura se mantienen alejados de los valores teóricos (4 mol H2/mol hexose). Recientemente, la homoacetogénesis y la fermentación ácido láctica han sido identificadas como causas probables de los desempeños subóptimos de la producción de H2. En este trabajo se evaluaron diferentes parámetros de operación con el objetivo de identificar y entender las condiciones que desencadenan la homoacetogénesis y la fermentación ácidoláctica durante la producción de H2 en reactores continuous de tanque agitado. Se demostró que el tiempo de retención hidráulico (TRH) es un factor crítico que controla la composición de las comunidades microbianas de la fermentación oscura. Valores de TRH entre 6 y 12 h favorecen el surgimiento de una comunidad microbiana dominada por las familias Clostridiaceae-LachnospiraceaeEnterobacteriaceae, las cuales llevan a cabo metabolismos asociados con la producción de H2. En dichas condiciones, se obtuvo una velocidad volumétrica de producción de H2 (VVPH) de 2 L H2/L-d. En contraste, valores de TRH entre 18 y 24 h derivaron en el establecimiento de una comunidad microbiana de Sporolactobacillaceae-Streptococcaceae, que llevó a cabo la fermentación ácido láctica y desplazó a las bacterias productoras de H2. Asimismo, la VVPH disminuyó hasta un mínimo de 0.6 L H2/L-d. Posteriormente, bajo condiciones fijas de TRH (6 h), se encontró que la operación a velocidades de carga orgánica (VCO) bajas (14.7– 44.1 g lactosa/L-d) estuvo asociada con el dominio de Clostridium spp. Dichas condiciones favorecieron las rutas metabólicas del ácido acético y butírico, con un rendimiento molar de H2 de 2.14 mol H2/mol hexosa y una VVPH entre 3.2 y 11.6 L H2/L-d. En contraste, VCO relativamente altas (58.8 y 88.2 g lactosa/L-d) favorecieron la aparición de Streptococcus spp. como bacteria co-dominante en la comunidad microbiana, cuya presencia derivó en la producción de ácido láctico. Bajo estas condiciones, la producción de ácido fórmico también se favoreció, sirviendo posiblemente como estrategia para disponer el exceso de moléculas reducidas (e.g. NADH). En este escenario, la VVPH incrementó (13.7–14.5 L H2/L-d), pero el rendimiento molar de H2 disminuyó hasta 0.74 mol H2/mol hexosa. Después de analizar los resultados previos, se sugirió que la diversificación de las comunidades microbianas y de las rutas metabólicas estaba posiblemente asociada con un fenómeno de inhibición causado por la acumulación de ácidos carboxílicos ó H2. Por lo tanto, se evaluó el impacto de las condiciones de transferencia de H2 mediante la operación de reactores bajo distintos coeficientes de transferencia de masa (kLa). Se mostró que la VVPH y el rendimiento molar incrementaron 74 y 78%, respectivamente, como resultado de la mejora en las condiciones de transferencia de H2 hacia la fase gas. Este desempeño fue impulsado por una disminución de 53% en la concentración de H2 disuelto. Además, el análisis de 16S-DGGE reveló que la abundancia de Clostridium sp incrementó a valores de kLa ≥ 2.72 1/h (300 y 400 rpm) como respuesta a las menores concentraciones de H2 disuelto. Esta respuesta fue acompañada por un incremento de los rendimientos de ácidos acético y butírico. En general, TRH y cargas orgánicas bajas (6 h y ≤ 44.1 g lactose/L-d), así como coeficientes de transferencia de masa mayores a 2.72 1/h fueron identificadas como las condiciones más favorables para la producción eficiente de H2, evitando una diversificación de las comunidades microbianas y controlando las velocidades de consumo de H2 y de la fermentación ácido láctica."

"Dark fermentation is the most feasible alternative for biological hydrogen (H2) production. Such bioprocess depends on the metabolic capacity of anaerobic microorganisms that use organic substrates and produce a mixture of short-chain carboxylic acids and H2 as byproducts. In continuous processes, dark fermentative hydrogen production has demonstrated to be stable and highly productive, especially in suspended-growth reactors. Nevertheless, the reported H2 yields remain far from theoretical values. In recent years, homoacetogenesis and lactic acid fermentation have been identified as possible causes of suboptimal performance of dark fermentation. In this regard, different operational parameters were evaluated with the aim to identify and understand the conditions that trigger homoacetogenesis and lactic acid fermentation during H2 production in continuous stirred tank reactors (CSTR). It was demonstrated that the hydraulic retention time (HRT) is a critical factor that shapes the microbial community of dark fermentation. It was shown that low values of HRT (6-12 h) favored the emergence of a microbial community dominated by Clostridiaceae-Lachnospiraceae-Enterobacteriaceae, which performed metabolic pathways co-producing H2. At these conditions, a maximum volumetric H2 production rate (VHPR) of 2 L H2/L-d was obtained. In contrast, large values of HRT (18-24 h) led to the establishment of a microbial community composed of Sporolactobacillaceae-Streptococcaceae that performed lactic acid fermentation and outcompeted H2-producing bacteria. At this stage, the VHPR dropped to a minimum of 0.6 L H2/L-d. Afterward, at fixed HRT conditions of 6 h, it was found that the operation at low organic loading rates (OLR) (14.7– 44.1 g lactose/L-d) was associated with the dominance of Clostridium spp. At such conditions, the acetate and butyrate metabolic pathways were mostly favored, with an associated H2 yield of 2.14 mol H2/mol hexose and VHPR between 3.2 and 11.6 L H2/L-d. In contrast, relatively high OLR (58.8 and 88.2 g lactose/L-d) favored the appearance of Streptococcus spp. as co-dominant bacteria leading to lactate production. The production of formate was also stimulated, possibly serving as a strategy to dispose the surplus of reduced molecules (e.g. NADH). In such scenario, VHPR was enhanced (13.7–14.5 L H2/L-d) but the H2 yield dropped to a minimum of 0.74 mol H2/mol hexose. In the light of these findings, it was suggested that the diversification of the microbial communities and the metabolic pathways were possibly associated with an inhibition phenomenon due to either the carboxylic acids or H2 accumulation. In this regard, the impact of the H2 mass transfer conditions was evaluated using a series of continuous stirred-tank reactors operated at H2 mass transfer coefficients (kLa) ranging from 1.04 to 4.23 1/h. It was demonstrated that the VHPR and H2 yield increased 74 and 78%, respectively, as a result of enhanced mass transfer conditions. This behavior was driven by a 53% decrease in the dissolved H2 concentration. Moreover, the 16S-DGGE analysis and sequencing revealed that Clostridium sp increased its occurrence at kLa ≥ 2.72 1/h (300 and 400 rpm) as response to lower dissolved H2 concentration. This was accompanied by an increase of acetate and butyrate yields. Overall, short HRT (6 h), low OLR (≤ 44.1 g lactose/L-d), and mass transfer coefficient above 2.72 1/h were identified as the most suitable conditions for efficient H2 production, avoiding excessive diversification of microbial communities and controlling the rates of H2 consumption by homoacetogenesis and lactic-acid fermentation."