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Análisis de pirosecuanciación de un consorcio bacteriano para el
diseño de un proceso de producción de biohidrógeno en
continuo por co-digestión anaerobia
Jacob Gómez Romero
Sede Regional Centro
Octubre, 2015
Contenido
Introducción
Por que biohidrógeno?
Digestión anaerobia
Co-digestion anaerobia
Sistema CSTR
Objetivos
Metodología
Resultados
Análisis de pirosecuenciación
Co-digestion en continuo
Conclusiones
2
Por que biohidrógeno?
• Amplia variedad de m.o. lo producen bajo condiciones anaerobias
• Biohidrógeno puede ser producido de residuos orgánicos de bajo costo “Biomasa”.
• La producción de biohidrógeno por vía fermentativa tiene un gran potencial a escala industrial
(Kapdan et al., 2006; Rocha et al., 2011)3
Digestión anaerobia
(Kapdan et al., 2006; Rocha et al., 2011)
PolímerosProteínas, polisacáridos, lípidos
Monómeros y oligomerosAminoácidos, azúcares, ác grasos
IntermediarioPropionato, Butirato, alcoholes
Acetogénesis
Metanogénesis
CH4 + CO2
H2 + CO2 Acetato
4
Co-digestión anaerobia“Diferentes residuos son mezclados y tratados”
Ventajas
•Mejora rendimientos- Biogás, H2
•Capacidad buffer-Intrínseca
•Efecto sinérgico- alta conversión,
•Dilución de compuestos tóxicos (amonio, ác.
grasos)
•Incremento de biodegradabilidad
•Ajuste- Balance de nutrientes (ratio C/N)
(Khalid et al., 2011; Gómez-Romero et al., 2014b)5
Sistema en continuo
TRH•TRH Critico < 0.5h • Dinámica poblaciones m.o H2/CH4
• Lavado de biomasa• VVPH2, RH2, %R/Disminución
• VCO crit(Overload)>154 g L-1d-1
• VVPH2 ,incremento• VVPH2 , RH2, %R, Disminución• HPr, incremento
VCO
Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR)
Tiempo de residencia hidráulico (TRH)velocidad de carga orgánica (VCO) Estabilidad
6
Importancia del estudio de comunidades bacterianas
( Wang et al. 2013)
7
Factores • Medio ambientales (pH, temperatura, presión
parcial de H2, etc.)
• Pre-tratamientos de inóculo
• Condiciones de operación (TRH, VCO)
• Co-sustratos (Yang et al., 2007; Kim et al., 2006).
“Entender y dilucidar los mecanismos de las bacterias puede permitir incrementar la
producción de biohidrógeno”
Comunidades bacterianas
Clostridium tyrobutiricum
Klebsiella
Lactobacillus
Sustratos
Objetivo Desarrollar un sistema de producción de biohidrógeno en continuo a
partir de un análisis de pirosecuanciación de la estructura de la
cumunidad bacteriana, utilizando lactosuero y residuos sólidos
orgánicos. Asimismo, evaluar diferentes tiempos de retención
hidraulico (TRH) y velocidades de carga orgánica (VCO) sobre la
velocidad volumétrica de producción de hidrógeno y rendimiento en el
sistema en continuo.
8
Metodología
9
Análisis de pirosecuenciación
10
Extraction DNAInóculo adaptado
FLX-Titanium System Genome SequencerResearch and Testing Laboratory (Lubbock, TX, USA)
DNA purificado
454-Pirosecuenciación
Bacterial tag-encoded FLX amplicon pyrosequencing
Lactosa, 30 g/LProtocolos Titanium (Lubbock, TX, USA)
CTAB-Protocolo
• %H2
• %CH4Carbohidratos totales Proteína -biomasaDemanda química de oxígeno (DQO)
Cromatografía de gases Análisis de muestras
TCDSilica
Sistema Hach
11
Fase lote 1 2 3 4 5 6 7 8
TRH(h)
60 48 38 28 18.7 15 10 17
VCO(g DQO -1L*-1d)
21.9 29.2 41.1 54.0 76.4 97.6 155.8 80.2
Tanque de efluentesTanque de alimentación Bioreactor
35°CpH, 5.5
Sistema dedesplazamientoSalida de biogas
Puerto de maestro de gas
Puerto de muestreo líquido
Sistema de co-digestion continuo
Resultados
12
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
0
2000
4000
6000
8000
10000 C:N-7 C:N-17 C:N-21 C:N-31 C:N-46
Bio
hid
róg
en
o a
cu
mu
lad
o (
mL
)
Tiempo (h)
13
Dos-etapas en co-digestion lote… porque?
HidrolíticaBacterias No productoras de H2
HidrogenicaBacterias productoras de H2
Microorganismos ??
14
Análisis de pirosecuenciación: estructura bacteriana
Gomez-Romero, J., Gonzalez-Garcia, A., Chairez, I., Torres, L. García-Peña. (2014). Selective adaptation of an anaerobic microbial community: Biohydrogen production by co-digestion of cheese whey and vegetables fruit wastes. Int. J. Hydrogen Energy. 39; 12541-50.
Fig. 1. Inóculo adaptado a lactosa (comienzo del proceso de co-digestión).
Bifidobacterium sp. inicialmente hidroliza el almidón en pequeñas moléculas que después son metabolizados por especies de Clostridium durante la producción de biohidrógeno (Cheng et al., 2008).
15
Sistema continuo: Fase hidrolítica
Parámetro Valores promedio
Inicio Final
Carbohidratos totales (g/L) 30.44 ±5.6 0.03±0.06
Lactato (g/L 0.14±0.02 3.15±0.31
Acetato (g/L) ND 2.89±0.34
Amonio (mg/L) 184.40±18.5 239.58±35.75
Biogás (mL) 0 2,965.91±517
Metano (%,v/v) ND* ND*
Hidrógeno (%, v/v) ND* ND*
Cuadro 1. Resumen de resultados promedio iniciales y finales de carbohidratos totales, lactato, acetato, producción de biogás y composición (CH4 y H2).
99.34%
Inhibición por amonio 0.8 g/LSalermo et al., (2008)
Sistema continuo: fase hidrogénica
Tratamiento TRH (h)
VCO(g L-1 d-1)
1 60 21.91
2 48 29.26
3 38 41.19
4 28 54.01
5 18.7 76.41
6 15 97.67
7 10 155.87
8 17.5 80.20
Cuadro 2. Condiciones de tiempo de residencia hidráulico (TRH) y velocidad de carga orgánica (VCO) en el sistema en continuo.
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
Co
nte
nid
o d
e B
ioH
2(H
2,%
v/v
)
Tiempo (d)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
2
4
6
8
10
12
VV
PH
2
(m
mo
l H2 L
-1 h
-1
10
20
30
40
50
60
TR
H (
h)
Efecto del TRH, VCO sobre VVPH2 y % bioH2
17
2.12.8
3.53.8 5.6
7.78.6
5.9
17.5
Valores promedio VVPH2Valor promedio más alto VVPH2
De 50 a 60%
TRH, 15 y 10 h
TRH de 28 a 15 h
50%
Gómez-Romero, J; Gonzalez-Garcia, A.; Chairez, I; Torres, L; García-Peña, E.I. 2015. Two-phase co-digestion process for bio-hydrogen production continuous from agro-industrial wastes. Submmitted to International Journal of Hydrogen Energy
10 20 30 40 50 600
200
400
600
800
Ren
dim
ient
o (m
L H
2 g
DQ
O
-1)
HRT (h)
20 40 60 80 100 120 140 1600
200
400
600
800
VCO (g DQO
L-1d-1)
18
Efecto del TRH y VCO sobre rendimiento BioH2
TRH, 17 h
VCO, 80 g L-1 d-1
Máximo rendimiento de BioH2: 800 mL H2/g DQO
Sobrecarga: inhibición por sustrato a altas VCO. Altas VCOs disminuyen RH2 (Van
Ginkel y Logan, 2005)
Lavado de bacterias productoras de BioH2 a muy cortos TRH (Santos et al.,, 2014a)
Gómez-Romero, J; Gonzalez-Garcia, A.; Chairez, I; Torres, L; García-Peña, E.I. 2015. Two-phase co-digestion process for bio-hydrogen production continuous from agro-industrial wastes. Submmitted to International Journal of Hydrogen Energy
Conclusiones
Los resultados mostraron la importancia y la utilidad del conocimiento sobre la
estructura de la comunidad microbiana para la planeación de un proceso continuo
biohidrógeno . Este conocimiento ayudado a desarrollar un proceso de producción
biohidrógeno más eficiente y estable en dos etapas . En la etapa de hidrólisis se
hidroliza los carbohidratos complejos a sustratos solubles y más simples, lo cual permitió
un mejor desempeño durante la etapa hidrogénesis . En la etapa hidrogénesis fueron
obtenidos valores máximo de rendimiento biohidrógeno y VVPH2 de 800 ml de H2/g
DQO y 8,6 mmol H2/L h bajo parámetros óptimos de la TRH y OLR de 17,5 h y 80.200
gDQO / L, respectivamente.
19
Muchas gracias
por su atención
20
Contacto:Jacob Gómez Romero, PhDElvia Inés García Peña, PhD
Departamento de bioprocesos. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología-IPN, México, 07340. E-mail: [email protected]