Fermentación extractiva como estrategia para incrementar la co-producción de H2 y ácidos carboxílicos en la fermentación oscura

Abstract

"Dentro de la fermentación oscura la inhibición por acumulación de productos (ácidos carboxílicos e hidrógeno) impide aproximarse a los rendimientos teóricos de producción de H2. Una potencial solución para este tipo de inhibición consiste en remover de manera continua los ácidos carboxílicos a la par que estos se generan, el proceso como tal es llamado fermentación extractiva. Reportes demuestran que es posible realizar la extracción de ácidos carboxílicos utilizando resinas de intercambio iónico, sin embargo, la aplicación de esta técnica en sistemas de fermentación extractiva ha sido poco estudiada. El objetivo del presente trabajo fue evaluar la fermentación extractiva como método para la mejora de la producción en lote de H2 y de ácidos carboxílicos por fermentación oscura, utilizando diferentes resinas de intercambio iónico. Los experimentos iniciales consistieron en disminuir la concentración de aniones provenientes del medio mineral de la fermentación oscura para mitigar la competencia por los sitios activos, una vez definida la dilución del medio mineral, se procedió a realizar ensayos de intercambio iónico en lote. Se probaron las resinas A110 (macroporosa, base débil, amina primaria), A845 (gel, base débil, amina terciaria) y PAD 950 (macroporosa, adsorbente), para la remoción de acetato, lactato y butirato de un efluente de fermentación oscura. Se seleccionó a la resina A110 como la adecuada para la remoción de ácidos carboxílicos al presentar la mayor capacidad de intercambio total (1.25 ± 0.12 mmol/g) y afinidad hacia butirato. En el resto de los experimentos se trabajó con la resina A110 acondicionada. También fue analizado el efecto de tener aniones Cl- en el proceso de intercambio iónico, la presencia de Cl- disminuyó en un 45.2% y 31.8% la capacidad de intercambio de acetato y butirato, respectivamente. Finalmente, el experimento de fermentación extractiva consistió en acoplar una columna empacada con la resina A110 a un reactor productor de H2 en lote, incrementando en un 15.2% el volumen de H2 generado en comparación con el experimento de control. Al mismo tiempo, los rendimientos molares de acetato y butirato aumentaron en un 62.7% y 71.3 %, respectivamente. El efecto positivo al implementar el sistema de fermentación extractiva se debe principalmente al amortiguamiento de los procesos de inhibición por producto y posiblemente a un cambio dentro del metabolismo de la fermentación oscura que favorece la producción de butirato e H2 a partir de lactato."

"Dark fermentation’s inhibition by accumulation of products (e.g., carboxylic acids and hydrogen) prevents approaching the theoretical yields of H2 production. A potential solution for this type of inhibition is to remove carboxylic acids while these are generated, a process known as extractive fermentation. Reports have showed the feasibility of the carboxylic acids’ extraction by using ion exchange resins. However, the use of ion exchange resins in extractive fermentation systems has been slightly studied. The aim of this work was to evaluate extractive fermentation as a method to improve the production of H2 and carboxylic acids by dark fermentation by testing three different ion exchange resins. The initial experiments consisted of moderating the competition for the resin’s active sites by reducing the anions concentration from the dark fermentation’s mineral medium. Once the dilution of the mineral medium was defined, batch ion exchange tests were performed. Resins A110 (macroporous, weak base, primary amine), A845 (gel, weak base, tertiary amine) and PAD 950 (macroporous, adsorbent) were tested for the removal of acetate, lactate, and butyrate from a dark fermentation effluent. The A110 resin was selected as suitable for the removal of carboxylic acids as presented the highest total exchange capacity (1.25 ± 0.12 mmol/g) and affinity towards butyrate. The rest of the experiments were conducted by utilizing the conditioned A110 resin. The effect of having Cl- anions in the ion exchange process was also evaluated. The presence of Cl- decreased by 45.2% and 31.8% the exchange capacity of acetate and butyrate, respectively. Finally, the extractive fermentation experiment was carried out by coupling a packed column with A110 resin to a batch H2 producing reactor. The essay achieved a 15.2% increment in the generated H2 volume, compared to the control experiment. In addition, the molar yields of acetate and butyrate were enhanced by 62.7% and 71.3%, respectively. The positive effect of employing an extractive fermentation system was mitigating product’s inhibition processes and possibly prompting to changes within the metabolism of the dark fermentation that promoted the production of butyrate and H2 from lactate."