Anaerobic bioconversion of C1-gases into medium-chain fatty acids in bioreactors

Abstract

[Abstract]: The expected scarcity of fossil fuels and their association with environmental problems highlight the urgency to look for more sustainable energy options. This doctoral thesis focuses on the bioconversion of C1 gases and other soluble substrates into high value-added products. Syngas can be metabolized by acetogenic bacteria to produce acetate and ethanol. These compounds can be revalorized by elongating their hydrocarbon chain through a cyclic process based on the reverse β-oxidation pathway, generating medium-chain fatty acids (MCFAs), such as n-caproate and n-caprylate.Furthermore, the effects of various experimental conditions on the anaerobic production of MCFAs using pure bacterial cultures in bioreactors were investigated. First, syngas fermentation and chain elongation technologies were combined in a single bioreactor with a co-culture of Clostridium aceticum and Clostridium kluyveri. Next, the study focused on the chain elongation process, evaluating parameters such as fermentation pH, operational mode, substrate ratio and biocatalyst (Clostridium kluyveri and/or Megasphaera hexanoica). Finally, the abiotic liquid-liquid extraction of n-caproic acid with different organic solvents was examined.Therefore, this thesis contributes to the knowledge of the behavior of chain elongating microorganisms.

[Resumen]: La escasez prevista de los combustibles fósiles y su asociación con problemas medioambientales resaltan la urgencia de buscar opciones energéticas más sostenibles. Esta tesis doctoral se centra en la bioconversión de gases C1 y otros sustratos solubles en productos de alto valor añadido. El syngas puede ser metabolizado por bacterias acetogénicas para producir acetato y etanol. Estos compuestos pueden revalorizarse al elongar su cadena hidrocarbonada mediante un proceso cíclico basado en la ruta de la β-oxidación inversa, generando ácidos grasos de cadena media (MCFAs), como el n-caproato y el n-caprilato.Asimismo, se investigaron los efectos de diversas condiciones experimentales en la producción anaerobia de MCFAs mediante cultivos bacterianos puros en biorreactores. Primero, se combinaron las tecnologías de fermentación de syngas y elongación de cadena en un solo biorreactor con un co-cultivo de Clostridium aceticum y Clostridium kluyveri. Seguidamente, se centró el estudio en el proceso de elongación de cadena, evaluando parámetros como el pH de fermentación, el modo operacional, la proporción de sustrato y el biocatalizador (Clostridium kluyveri y/o Megasphaera hexanoica). Finalmente, se examinó la extracción líquido-líquido abiótica del ácido n-caproico con diferentes disolventes orgánicos.Por tanto, esta tesis contribuye al conocimiento del comportamiento de los microorganismos elongadores de cadena.

[Resumo]:A escaseza prevista dos combustibles fósiles e a súa asociación con problemas medioambientais resaltan a urxencia de buscar opcións enerxéticas máis sostibles. Esta tese doutoral céntrase na bioconversión de gases C1 e outros substratos solubles en produtos de alto valor engadido. O syngas pode ser metabolizado por bacterias acetoxénicas para producir acetato e etanol. Estes compostos poden revalorizarse ao elongar a súa cadea hidrocarbonada mediante un proceso cíclico baseado na ruta da β-oxidación inversa, xerando ácidos graxos de cadea media (MCFAs), como o n-caproato e o n-caprilato.Así mesmo, investigáronse os efectos de diversas condicións experimentais na produción anaerobia de MCFAs mediante cultivos bacterianos puros en biorreactores. Primeiro, combináronse as tecnoloxías de fermentación de syngas e elongación de cadea nun só biorreactor cun co-cultivo de Clostridium aceticum e Clostridium kluyveri. Seguidamente, centrouse o estudo no proceso de elongación de cadea, avaliando parámetros como o pH de fermentación, o modo operacional, a proporción de substrato e o biocatalizador (Clostridium kluyveri e/ou Megasphaera hexanoica). Finalmente, examinouse a extracción líquido-líquido abiótica do ácido n-caproico con diferentes disolventes orgánicos.Por tanto, esta tese contribúe ao coñecemento do comportamento dos microorganismos elongadores de cadea.