Bioconversion of Carbon Dioxide and Polluting Gases into Products with High Added Value

Abstract

[Resumo] O uso de gases contaminantes o de efecto invernadoiro como o dióxido de carbono e o monóxido de carbono como substratos para producir produtos químicos é unha posibilidade para pechar os ciclos do carbono e establecer unha economía circular. A fermentación do gas de síntese é o proceso no que estes gases son convertidos en produtos químicos como etanol, ácido acético e butanol por bacterias acetóxenas. O primeiro obxectivo desta tese foi mostrar a capacidade de produción de etanol duna bacteria acetóxenica, Clostridium aceticum. No primeiro paso determináronse individualmente os valores óptimos de pH para a produción de ácidos e disolventes e no segundo incrementouse a produción de etanol aplicando diferentes estratexias de regulación do pH. Tras este achado, investigouse a influencia das fontes de carbono co propósito de mellorar a produción de etanol. Tamén se mostrou o patrón de formación do produto desta cepa mentres crece co diferentes fontes de carbono, frutosa e CO. En última instancia, a produción de acetona que non é un produto nativo de Acetobacterium woodii foi analizada en catro cepas de A.woodii diferentes, modificadas xenéticamente. Revelouse a viabilidade dun deseño de proceso de fermentación continuo con retención total de células.

[Resumen] El uso de gases contaminantes o de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el monóxido de carbono como sustratos para producir productos químicos es una posibilidad para cerrar los ciclos del carbono y establecer una economía circular. La fermentación de gas de síntesis es un proceso en el que estos gases se convierten en productos químicos como etanol, ácido acético y butanol por bacterias acetogénicas. El primer objetivo de esta tesis fue mostrar la capacidad de producción de etanol de una bacteria acetógenica, Clostridium aceticum. En el primer paso, se determinaron los valores de pH óptimos individualmente para la producción de ácido y de disolvente y, en el segundo paso, se mejoró la producción de etanol mediante la aplicación de diferentes estrategias de regulación del pH. Tras este hallazgo, se investigó la influencia de las fuentes de carbono con el fin de mejorar la producción de etanol. También se mostró el patrón de formación de productos con esta cepa al crecer con diferentes fuentes de carbono, fructosa y CO. Finalmente, la producción de acetona, que no es un producto nativo de Acetobacterium woodii, se analizó en cuatro cepas de A.woodii modificadas genéticamente. Se comprobó la viabilidad de un proceso de fermentación continua con retención celular completa.

[Abstract] Using polluting or greenhouse gases such as carbon dioxide and carbon monoxide as substrates to produce bulk chemicals is one possibility to close carbon cycles and to establish a circular economy. Syngas fermentation is the process in which these gases are converted into chemicals like ethanol, acetic acid and butanol by acetogenic bacteria. The first aim of this thesis was to show the ethanol production capability of an acetogen, Clostridium aceticum. In the first step optimum pH values for acid and solvent productions were determined individually and in the second step ethanol production was enhanced by applying different pH-regulating strategies. Following this finding, the influence of carbon sources was investigated with the purpose of enhancing ethanol production. The product formation pattern of this strain, while growing on different carbon sources, fructose and CO, was also showed. Ultimately, acetone production, which is not a native product of Acetobacterium woodii, was screened in four different metabolically engineered strains. Feasibility of a continuous fermentation process with full cell retention was demonstrated.