Post on 16-May-2020
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)
Polímeros Proteínas, polisacáridos, lípidos
Monómeros y oligomeros Aminoácidos, azúcares, ác grasos
Intermediario Propionato, Butirato, alcoholes
Acetogénesis
Metanogénesis CH4 + CO2
H2 + CO2 Acetato
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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
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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.
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Metodología
9
Análisis de pirosecuenciación
10
Extraction DNA Inóculo adaptado
FLX-Titanium System Genome Sequencer Research and Testing Laboratory (Lubbock, TX, USA)
DNA purificado
454-Pirosecuenciación
Bacterial tag-encoded FLX amplicon pyrosequencing
Lactosa, 30 g/L Protocolos Titanium (Lubbock, TX, USA)
CTAB-Protocolo
• %H2
• %CH4
Carbohidratos totales Proteína -biomasa Demanda química de oxígeno (DQO)
Cromatografía de gases Análisis de muestras
TCD Silica
Sistema Hach
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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 efluentes Tanque de alimentación Bioreactor
35°C pH, 5.5
Sistema dedesplazamiento Salida 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
Biohid
rógen
o acu
mulad
o (mL
)
Tiempo (h)
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Dos-etapas en co-digestion lote… porque?
Hidrolítica Bacterias No productoras de H2
Hidrogenica Bacterias productoras de H
Microorganismos ?
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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.
Re
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do
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sti
ón
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te
Klebsiella 9.1%
Bifidobacterium 85.4%
Citrobacter 0.21%
Enterobacter 0.27%
Lactobacillus 0.97%
Escherichia 0.70%
Actinomyces 1.89%
Acinetobacter 0.05% Shigella 0.70% Clostridium 0.16% Brevundimonas
0.05%
Acetobacter 0.16%
Gluconobacter 0.10%
Rhodopseudomonas 0.05%
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).
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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/L Salermo 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.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
Con
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(H2,%
v/v
)
Tiempo (d)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
2
4
6
8
10
12
VVP
H2
(mm
ol H
2 L-1 h
-1
10
20
30
40
50
60
TRH
(h)
Efecto del TRH, VCO sobre VVPH2 y % bioH2
17
2.1 2.8
3.5 3.8 5.6
7.7 8.6
5.9
17.5
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uo
Valores promedio VVPH2 Valor 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
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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)
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Efecto del TRH y VCO sobre rendimiento BioH2
TRH, 17 h
VCO, 80 g L-1 d-1
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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.
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Muchas gracias
por su atención
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Contacto: Jacob Gómez Romero, PhD Elvia Inés García Peña, PhD
Departamento de bioprocesos. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología-IPN, México, 07340. E-mail: bocaj23@hotmail.com