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Publicação
N2sporomusa: How does the presence of nitrogen gas affect the bioelectrochemical acetate production of Sporomusa ovata?
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.52 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
In order to avoid the most damaging effects of anthropogenic climate change, new systems must
be adopted which focus on developing a more sustainable and circular economy. Microbial
electrosynthesis (MES) is a type of bioelectrochemical system (BES), which utilizes electroactive
microorganisms, capable of catalyzing the electrochemical reduction of CO2, utilizing the
electrode in the cathodic compartment as the electron donor. MES has the capacity to be
implemented within manufacturing plants, which can be applied as a carbon capture and
utilization (CCU) systems, reducing greenhouse gas (GHG) emissions from these facilities.
Acetate is by far the most prevalent chemical product of MES, having 75% of all currently
published literature focus on acetate bioproduction. Sporomusa ovata has been identified
amongst its acetogenic peers, as exhibiting the highest reported chemical production rates of
acetate in MES bioreactors. Acetate is a type of organic acid, more commonly utilized as a C2
platform chemical, as a precursor for the production of acetic anhydride, ethyl acetate and vinyl
acetate. The chemicals are used in a variety of industrial processes and industries for the
production of solvents, resins, and polymers. Recent publications, suggest a possible role
nitrogen and nitrogenases may play in the extracellular electron uptake pathways utilized by
microorganisms within MES.
The main objective of this study was to develop and optimize MES bioreactors, using pure culture
of S. ovata strain DSMZ 2662 to catalyze the bioelectrochemical reduction of CO2 into acetate
and deduce the extent to which nitrogen can affect this process. Different nutrient (nitrogen and
carbon) concentrations, as well as nitrogen substrates were tested, in order to carry out
subsequent analysis of operational parameters such as chemical production rates, current uptake
density rates and columbic efficiency ratios.
Whilst this study, was not able to demonstrate a direct relationship between nitrogen metabolism
and acetate bioproduction in S. ovata MES bioreactors, significant data on S. ovata performance
in MES was gathered. S. ovata was shown to uptake electrons from an untreated carbon felt
cathode, for the bioelectrochemical reduction of CO2 as a carbon source, for the bioproduction of
acetate. Maximum acetate production rates of 289 ± 42 mmol/m2/d with a coulombic efficiency
ratio of 71.31 ± 14.82 % were reported for MES bioreactors inoculated with pure cultures of S.
ovata. Despite this, maximum current uptake density of 17.56 mA/m2 at a fixed potential of -0.69V
vs SHE, was observed with MES bioreactors operated with dead S. ovata cells. NMR
spectroscopy analysis revealed alcohol presence after 7 days of incubation, highlighting
significant biosynthesis pathways during an extended incubation period.
A fim de evitar os efeitos mais negativos das alterações climáticas, novos sistemas devem ser adotados que se centram no desenvolvimento de uma economia mais sustentável e circular. A eletrossíntese microbiana (MES) é um tipo de sistema bio eletroquímico (BES), que utiliza microrganismos electro ativos, capazes de catalisar a redução eletroquímica de CO2, utilizando o elétrodo como doador de eletrões. O acetato é de longe o produto químico mais produzido em MES, com 75% da literatura publicada focada na produção de acetato. MES tem a capacidade de ser implementado em unidades industriais, sendo aplicado como sistema de captura e utilização de carbono (CCU), reduzindo as emissões de gases de efeito estufa (GEE). Sporomusa ovata foi identificada entre os seus pares, como exibindo as maiores taxas de produção química de acetato reportadas em bio-reactores MES. O acetato é um tipo de ácido orgânico, utilizado como produto químico C2 como precursor para a produção de anidrido acético, acetato de etila e acetato de vinilo. Estes produtos químicos são usados em diversos processos industriais para a produção de solventes, resinas e polímeros. Publicações recentes sugerem um possível papel que o nitrogênio e as nitrogenases podem desempenhar nas vias de transferência de eletrões utilizadas por microrganismos dentro do MES. O principal objetivo deste estudo foi desenvolver e otimizar Biorreatores MES, utilizando culturas puras de S. ovata estripe DSMZ 2662 para a redução bio eletroquímica de CO2 em acetato, e deduzir até que ponto o nitrogênio pode afetar esse processo. Para este efeito, foram testadas diferentes concentrações de nutrientes (nitrogênio e carbono), bem como substratos de nitrogênio, para análise de parâmetros operacionais como taxas de produção química e densidade de consumo de corrente. Embora este estudo não tenha sido capaz de demonstrar uma relação direta entre o metabolismo do nitrogênio e a bio produção de acetato em biorreatores MES de S. ovata, foram coletados dados significativos sobre o desempenho de S. ovata em MES. Foi demonstrado que S. ovata capta eletrões de um cátodo de feltro de carbono não tratado, para a redução bio eletroquímica de CO2 como fonte de carbono, para a bio produção de acetato. Taxas máximas de produção de acetato de 289 ± 42 mmol/m2/d1 com uma taxa de eficiência coulombic de 71,31 ± 14,82 % foram relatadas para Bio-reactores MES inoculados com culturas puras de S. ovata. Apesar disso, a densidade máxima de captação de corrente de 17,56 mA/m2 a um potencial fixo de -0,69V vs SHE, foi observada com Bio-reactores MES operados com células mortas de S. ovata. A análise de espectroscopia de RMN revelou a presença de álcool após 7 dias de operações, destacando vias de biossíntese durante um período prolongado de incubação.
A fim de evitar os efeitos mais negativos das alterações climáticas, novos sistemas devem ser adotados que se centram no desenvolvimento de uma economia mais sustentável e circular. A eletrossíntese microbiana (MES) é um tipo de sistema bio eletroquímico (BES), que utiliza microrganismos electro ativos, capazes de catalisar a redução eletroquímica de CO2, utilizando o elétrodo como doador de eletrões. O acetato é de longe o produto químico mais produzido em MES, com 75% da literatura publicada focada na produção de acetato. MES tem a capacidade de ser implementado em unidades industriais, sendo aplicado como sistema de captura e utilização de carbono (CCU), reduzindo as emissões de gases de efeito estufa (GEE). Sporomusa ovata foi identificada entre os seus pares, como exibindo as maiores taxas de produção química de acetato reportadas em bio-reactores MES. O acetato é um tipo de ácido orgânico, utilizado como produto químico C2 como precursor para a produção de anidrido acético, acetato de etila e acetato de vinilo. Estes produtos químicos são usados em diversos processos industriais para a produção de solventes, resinas e polímeros. Publicações recentes sugerem um possível papel que o nitrogênio e as nitrogenases podem desempenhar nas vias de transferência de eletrões utilizadas por microrganismos dentro do MES. O principal objetivo deste estudo foi desenvolver e otimizar Biorreatores MES, utilizando culturas puras de S. ovata estripe DSMZ 2662 para a redução bio eletroquímica de CO2 em acetato, e deduzir até que ponto o nitrogênio pode afetar esse processo. Para este efeito, foram testadas diferentes concentrações de nutrientes (nitrogênio e carbono), bem como substratos de nitrogênio, para análise de parâmetros operacionais como taxas de produção química e densidade de consumo de corrente. Embora este estudo não tenha sido capaz de demonstrar uma relação direta entre o metabolismo do nitrogênio e a bio produção de acetato em biorreatores MES de S. ovata, foram coletados dados significativos sobre o desempenho de S. ovata em MES. Foi demonstrado que S. ovata capta eletrões de um cátodo de feltro de carbono não tratado, para a redução bio eletroquímica de CO2 como fonte de carbono, para a bio produção de acetato. Taxas máximas de produção de acetato de 289 ± 42 mmol/m2/d1 com uma taxa de eficiência coulombic de 71,31 ± 14,82 % foram relatadas para Bio-reactores MES inoculados com culturas puras de S. ovata. Apesar disso, a densidade máxima de captação de corrente de 17,56 mA/m2 a um potencial fixo de -0,69V vs SHE, foi observada com Bio-reactores MES operados com células mortas de S. ovata. A análise de espectroscopia de RMN revelou a presença de álcool após 7 dias de operações, destacando vias de biossíntese durante um período prolongado de incubação.
Descrição
Palavras-chave
Sporomusa ovata Microbial electrosynthesis Bioelectrochemical systems Carbon capture and utilization Acetate Electrochemical reduction