Critical factors to increase hydrogen production in continuous dark fermentation reactors

Abstract

"Actualmente la fermentación oscura es el método biológico más investigado para la producción de gas hidrógeno (H2). Este proceso lo realizan microorganismos anaerobios y facultativos que catalizan sustratos con alto contenido de carbohidratos en H2, CO2 y ácidos carboxílicos. En procesos continuos, la fermentación oscura es estable y con altas productividades, particularmente en reactores de biomasa suspendida. Sin embargo, los rendimientos de H2 reportados en la literatura son lejanos a los valores teóricos (4 mol H2/mol hexosa). Recientemente, el tipo y concentración de sustrato, la concentración de biomasa y las condiciones de transferencia de masa han sido identificados como los parámetros operacionales clave para controlar y mejorar los rendimientos de la fermentación oscura en reactores de biomasa suspendida. Por lo tanto, en esta tesis se estudió el efecto de dichos parámetros operacionales en las comunidades microbianas, las vías metabólicas y el rendimiento general de la fermentación oscura. Se demostró que la carga orgánica volumétrica (COV) en reactores continuos de tanque agitado alimentados con suero de leche, se relaciona directamente con la producción de H2 a valores  138 g azúcares totales (AT)/L-d, y a su vez controla la composición de las comunidades microbianas de la fermentación oscura. Con COV < 90 g AT/L-d las bacterias productoras de H2 del género Clostridium dominaron la comunidad microbiana en los reactores. Por otro lado a COV  138 g AT/L-d las bacterias ácido lácticas (LAB) surgieron como un género co-dominante con una relación máxima de abundancia de aproximadamente el 50%. En el mismo sentido, el análisis de secuenciación de seis reactores alimentados con diferentes hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave a COV entre 10 a 65 g AT/L-d revelaron que los sistemas de producción de H2 de alto y medio rendimiento estaban co-dominados por los géneros Clostridium y LAB (Sporolactobacillus). Una de las limitaciones de los sistemas de biomasa suspendida es la dificultad de mantener una alta concentración de biomasa con un tiempo de retención hidráulico bajo (6 h) y una COV alta. En esta tesis, el aumento discontinuo de la concentración de biomasa mejoró con éxito la producción de H2 y de ácidos carboxílicos a COV entre 90 y 160 g AT/L-d. En particular, se alcanzó una máxima producción de 30.8 L H2/L-d en la COV de 138 g AT/L-d con una concentración de biomasa de 15 g de sólidos suspendidos volátiles/L. Finalmente, se evaluaron reactores de partición bifásica utilizando aceite de silicona como fase orgánica extractiva, con el objetivo de reducir la concentración de H2 y CO2 en el medio de fermentación. Los resultados demostraron que la adición del aceite de silicona mejora la productividad del H2 y de los ácidos carboxílicos en COV de 60 a 160 g AT/L-d. De estos resultados, se sugiere que la fase orgánica extractiva aumenta el área de transferencia de masa global en el reactor, causando una reducción dramática en la concentración de H2 y CO2 en el medio de fermentación, mejorando las vías metabólicas con mayor rendimiento de la fermentación oscura. El análisis metatranscriptómico confirmó que la adición de aceite de silicona en las COV de 138 y 160 g AT/L-d mejora la cantidad y abundancia de transcritos de los genes relacionados con la producción de H2, acetato y butirato. En general, se demostró que el incremento de biomasa y el uso de reactores bifásicos son estrategias efectivas y novedosas para aumentar el rendimiento de los sistemas de fermentación oscura operados a altas COV."

"The dark fermentation is currently the biological method most investigated for hydrogen (H2) gas production, it is carried out by strict-anaerobes and facultative microorganisms that catabolize carbohydrate-rich substrates into H2, CO2 and carboxylic acids. In continuous processes, dark fermentative H2 production has demonstrated to be steady and favorably productive, especially in suspended-growth reactors. Nevertheless, the reported H2 yields stay distant from theoretical values. Recently, substrate type and concentration, biomass concentration and mass transfer conditions have been identified as key operational parameters to control and improve dark fermentation performances in suspended-growth reactors. Therefore, the aim of this thesis was to study the effect of these operational parameters on microbial communities, metabolic pathways and overall dark fermentation performance. It was demonstrated that the organic loading (OLR). in systems fed with cheese whey powder, was directly linked to the H2 productivity at  OLR 138 g total carbohydrates (TC)/L-d and in turn performs a selection pressure upon the microbial community. At OLR < 90 g TC/L-d, H2-producing bacteria from the genera Clostridium clearly dominates the microbial community in the systems. In contrast, at the OLR  138 g TC/L-d lactic acid bacteria (LAB) arose as a co-dominant genus with a maximum relative of abundance of approximately 50%. Similarly, the high-throughput sequencing analysis of six reactors fed with different enzymatic hydrolysates of agave bagasse at OLR between 10 and 65 g TC/L-d, revealed that high-performance and medium-performance H2-producing systems were both co-dominated by Clostridium and LAB (Sporolactobacillus) genera. One of the limitations in the suspended-growth reactors is the difficult to maintain high biomass concentration at low hydraulic retention times (6 h) and high OLR. In this thesis, the discontinuous increase of biomass concentration successfully enhanced the production of H2 and carboxylic acids at OLR ranging from 90 to 160 g TC/L-d. In particular, a maximum H2 production rate of 30.8 L H2/L-d was reached at an OLR of 138 g TC/L-d with a biomass concentration of 15 g volatile suspended solids/L. Two-phase partitioning reactors using silicone oil as an organic extractive phase, were assessed with the objective to reduce the concentration of H2 and CO2 in the fermentation broth. The results demonstrated that the addition of the silicone oil improves the H2 and carboxylic acids productivity at OLR (from 60 to 160 g TC/L-d). It was hypothesized, that the organic extractive phase increases the global mass transfer area in the reactor, causing a dramatic reduction in the concentration of H2 and CO2 in the fermentation broth, enhancing the metabolic pathways with highest dark fermentation performance. The meta-transcriptomic analysis indeed confirms that the addition of silicone oil at both OLR of 138 and 160 g TC/L-d improves the quantity and transcripts abundance of genes related to the production of H2, acetate and butyrate. Overall, this thesis demonstrated that biomass augmentation and the use of two-phase partitioning reactors are effective and novel strategies to increase the performance of dark fermentation systems operated at high OLRs."