Carboxylic platform for the integrated anaerobic / aerobic bioconversion of C02-containing gases into lipids and carotenoids

Abstract

[Abstract] The present doctoral thesis introduces an integrated biotechnological framework for the bioconversion of Ct-gases (CO, CO2) into high-value products, specifically microbial oils and β carotene. Utilizing acetogenic bacteria such as Acetobacterium troodii, Clostridium carboxidivorans and Clostridium ace/(cum, the research demonstrates the bioconversion of Ci- gases into acetic acid via the Wood-Ljiingdahl pathway. This acetic acid serves as a substrate for oleaginous yeasts like Rhodosporidium toruloides and engineered Yarrotria lipolytica strains, which accumulate lipids and β-carotene. The work encompasses a comprehensive analysis of bioreactor configurations, substrate toxicity, and metabolic pathways, revealing optimal conditions for lipid and β-carotene production. The lipid profile predominantly consists of C18:1, C16:0, and C18:2 fatty acids, suitable for biodiesel applications. The research also delves into substrate-dependent variations in metabolite production, emphasizing the role of acetic acid as a cost-effective and sustainable substrate. The study culminates in the optimization of bioprocess configuration, achieving a lipid content peak of 46.9% in the continuous system and a β-carotene concentration of 1357.6 mg/L in the semi-continuous system. This research offers a promising avenue for the sustainable production of biofuels and nutraceuticals from greenhouse gases, thereby contributing to climate change mitigation.

[Resumen] La presente tesis doctoral introduce un marco biotecnológico integrado para la bioconversión de gases C1(CO, CO2) en productos de alto valor, específicamente lípidosy ß-caroteno. Utilizando bacterias acetogénicas como Acetobacterium woodii, Clostridium carboxidivoransy Clostridium aceticum, se logra la bioconversión de gases C1en ácido acético a través de la vía metabólica de Wood-Ljungdahl. Este ácido sirve como sustrato para levaduras oleaginosas como Rhodosporidium toruloidesy Yarrowia lipolyticagenéticamentemodificada, que acumulan lípidos y ß-caroteno. El trabajo abarca un análisis exhaustivo de configuraciones de biorreactores, toxicidad de sustratos y vías metabólicas, revelando condiciones óptimas para la producción de lípidos y ß-caroteno. El perfil lipídico, adecuado para biodiesel, consiste principalmenteen ácidos grasos C18:1, C16:0 y C18:2. La investigación también profundiza en variaciones en la producción de metabolitos dependientes del sustrato, enfatizando el papel del ácido acético como un sustrato rentable y sostenible. El estudio culmina en la optimización de configuracióndelbioproceso, logrando un pico lipídico del 46.9% en un sistema continuo y una concentración de ß-caroteno de 1357.6 mg/L en un sistema semicontinuo. Esta investigación contribuye a la mitigación del cambio climático, ofreciendo una vía sostenible para producir biocombustibles y nutracéuticos a partir de gases de efecto invernadero.

[Resumo] A presente tese doutoral introduce un marco biotecnolóxico integrado para a bioconversión de gases C1 (CO, CO2) en produtos de alto valor, especificamente lípidos e ß-caroteno. Empregando bacterias acetoxénicas como Acetobacterium woodii, Clostridium carboxidivoranse Clostridium aceticum, lógrase a bioconversión de gases C1en ácido acético a través da vía metabólica de Wood-Ljungdahl. Este ácido serve como substrato para levaduras oleaxinosas como Rhodosporidium toruloides e Yarrowia lipolyticaxeneticamente modificada, que acumulan lípidos e ß-caroteno. O traballo abarca unha análise exhaustiva de configuracións de biorreactores, toxicidade de substratos e vías metabólicas, revelando condicións óptimas para a produción de lípidos e ß-caroteno. O perfil lipídico, adecuado para biodiesel, consiste principalmente en ácidos graxos C18:1, C16:0 e C18:2. A investigación tamén profunda en variacións na produción de metabolitos dependentes do substrato, destacando o papel do ácido acético como un substrato rendible e sostible. O estudo culmina na optimización de configuración do bioproceso, logrando un pico lipídico do 46.9% nun sistema continuo e unha concentración de ß-caroteno de 1357.6 mg/L nun sistema semicontinuo. Esta investigación contribúe ámitigación do cambio climático, ofrecendo unha vía sostible para producir biocombustibles e nutracéuticos a partir de gases de efecto invernadoiro.