Degradación de metano en reactores de partición de dos fases líquidas y acumulación de PHB (poli-β-hidroxibutirato) Pubblico Deposited
Las emisiones de gases que contribuyen al calentamiento global son un grave problema para los ecosistemas y la humanidad debido a sus implicaciones en el cambio climático. Durante las últimas décadas, el crecimiento demográfico y el desarrollo industrial han dado lugar a la acumulación de gases como el CO2, CH4 y N2O que contribuyen al efecto de invernadero. El metano tiene un potencial de calentamiento global (PCG), que es 21-25 veces mayor que el CO2. El metano es un gas de efecto invernadero, cuya concentración promedio en la atmósfera es de alrededor de 1760 ppbv. La degradación de metano ha sido estudiado principalmente en reactores de tanque agitado, biofiltros, biocubiertas y, recientemente, en reactores de partición de dos fases líquidas (TPPB), los cuales tienen como característica principal la adición de una fase no acuosa, como el aceite de silicón, la que aumenta la biodisponibilidad de CH4 mediante la mejora en los procesos de transferencia de masa del sustrato de la fase gaseosa hacia los microorganismos. En esta tesis, se estudió la degradación de CH4 por un consorcio y una cepa aislada del mismo empleando un STR (reactor de tanque agitado) y un TPPB. Al mismo tiempo, se estudió la capacidad de los microorganismos para acumular PHB (poli-β-hidroxibutirato), biopolímero intracelular, biodegradable y con propiedades plásticas similares a las del polipropileno. El PHB se acumula cuando hay limitación de algunos elementos como fósforo y nitrógeno. La primera etapa de la estrategia experimental consistió en aislar las cepas de un consorcio previamente adaptado al consumo de metano. 17 cepas con capacidad metanótrofa fueron aisladas y se mantuvieron en una atmósfera de CH4. El 75% de los aislados fueron Gram negativos. Las 10 cepas con mayor crecimiento sobre metano y metanol fueron elegidas. Los aislados seleccionados fueron sometidos a una prueba cualitativa de acumulación de PHB. La tinción de fluorescencia mostró que cuatro cepas fueron capaces de acumular PHB, se calcularon las tasas específicas de consumo de CH4 cuando las cepas no estaban limitadas por nitrógeno. Posteriormente, se hizo una comparación entre las cepas aisladas y una cepa de colección, Methylosinus trichosporium OB3b que tiene una alta capacidad de la degradación de CH4 (50 mg gX -1 h-1 ) y una acumulación de PHB de hasta 50% p p-1 . Bajo las mismas condiciones experimentales, utilizando una concentración del metano en el aire 1%, uno de los aislados (C2) mostraron una acumulación de PHB de 56% p p-1 en comparación con 24% p p-1 de Methylosinus trichosporium OB3b. En cuanto a las tasas de degradación específicas de metano, el C2 alcanzó una tasa específica de consumo de metano de 60 mg gX -1 h-1 y Methylosinus trichosporium OB3b 77 mg gX -1 h-1 , otra cepa estudiada, C147 presentó una acumulación de PHB 21% p p-1 y una tasa específica de consumo de 139 mg de CH4 gX -1 h-1 . La conclusión de este experimento fue que algunos aislados, tales como C2, fueron capaces de acumular alto contenido de PHB con valores incluso más altos que los reportados para otros metanótrofos y que algunos microorganismos como el C147 tienen la capacidad de alcanzar altas tasas de degradación de CH4. Los estudios continuaron a nivel reactor (STR y TPPB) utilizando el aislado C2 y el consorcio. Los resultados obtenidos mostraron un incremento de entre 33 a 45% en la capacidad de eliminación para el reactor operado con el consorcio y la cepa, respectivamente, debido a la presencia de una fase orgánica en el TPPB. Las tasas específicas para el consumo de metano fueron de 100 y 16.7 mg gX -1 h-1 para el aislado y el consorcio, respectivamente. Los resultados anteriores mostraron que la cepa C2 es más eficaz para el tratamiento de corrientes de gaseosas contaminadas con bajas concentraciones de CH4. El consorcio acumuló el 36% p p-1 de PHB, al principio de la acumulación de PHB hubo una disminución significativa en la producción de CO2, este fenómeno se observó en todos los experimentos con la limitación de nitrógeno y la acumulación de PHB. En el caso de la cepa C2, el efecto del aceite de silicón sobre la cantidad de PHB acumulado osciló entre 34 y 37% p p-1 para el experimento de STR y TPPB, respectivamente lo que indico que no había efecto en la acumulación de PHB. Durante estos experimentos la velocidad específica de consumo de metano aumentó el 12,5% debido al aceite de silicón, las tasas fueron de 30 mg gX -1 h-1 en el STR y 45 mg gX -1 h-1 en TPPB. Estos resultados son comparables y en algunos casos, superiores a los reportados en la literatura. La cepa C2 fue preliminarmente identificada por técnicas de biología molecular, como Methylobacterium organophilum. Estos experimentos demostraron que durante el tratamiento de CH4 es posible generar un producto con alto valor agregado, si el metabolismo celular se redirige a la producción de PHB y biomasa reduciendo de esta manera las emisiones de CO2.
The releases of gases that contribute to global warming are a serious problem to ecosystems and humanity for its implications for on the climate change. During the past decades, population growth and industrial development have resulted in accumulation of gases like CO2, CH4 and N2O emissions which contribute mainly to the greenhouse effect. The methane has a global warming potential (GWP) that is 21-25 times greater than CO2. Methane is a greenhouse gas, whose average concentration in the atmosphere is about 1760 ppbv. The methane degradation has been studied mainly in stirred tank reactors, biofilters biocovers and just recently in the two phases partitioning bioreactors (TPPB); its main characteristic is the addition of a non-aqueous phase, such as silicone oil, which increases the CH4 bioavailability to the microorganisms by improving the processes of mass transfer of substrate from the gas phase in to the microorganisms. In this thesis, the degradation of CH4, by a consortium and a strain isolated from it, was studied using a STR (stirred tank reactor) and a TPPB. At the same time, we studied the ability of microorganisms to accumulate PHB (poly-β-hydroxybutyrate), intracellular biopolymer, biodegradable and plastic properties similar to polypropylene. The PHB accumulates mainly when there is limitation of some elements like nitrogen o phosphorus.. The first stage of the experimental strategy was to isolate the strains from a consortium previously adapted to methane consumption. 17 strains with methanotrophic capacity were isolated and they were maintained in an atmosphere of CH4. 75% of the isolates were Gram negative and 10 strains with higher cell growth on methane or methanol were chosen. The isolates were qualitatively tested for the capability to accumulate PHB. The fluorescence staining showed that four strains were capable of accumulating PHB, also the specific consumption rates of CH4 were calculated for the isolates grown under non- nitrogen restricted mineral medium. Afterwards, a comparison was made between the isolates and a collection (ATCC) strain, Methylosinus trichosporium OB3b. It has a high capacity for CH4 degradation of (50 mg gx-1 h-1 ) and a PHB accumulation of up 50% w w-1 . At the same experimental conditions with a methane concentration of 1% in air, one of the isolates (C2) showed a PHB accumulation of 56% w w-1 compared to 24% w w-1 of Methylosinus trichosporium OB3b. Regarding to the specific degradation rates of methane, the C2 reached a specific rate of methane consumption 60 mg gx-1 h-1 and Methylosinus trichosporium OB3b 77 mg gx-1 h-1 , another studied strain, C147, has a PHB accumulation of 21% w w-1 and a specific consumption rate of 139 CH4 mg gx-1 h-1 . The conclusion of this experiment was that some isolated, such as C2, were able to accumulate high PHB content with values even higher than reported methanotrophs and some other have the ability to reach high CH4 degradation rates, such as C147. The studies continued at the 3-L reactor (STR and TPPB) using the C2 isolate and the consortium. The obtained results showed an increase between 33 - 45% on the elimination capacity for the reactor operated with the consortium and the strain, respectively due to the presence of an organic phase in the TPPB. Specific rates for methane consumption were 100 and 16.7 mg gx -1 h-1 for the isolate and the consortium, respectively. The above results showed that the isolate C2 is more efficient for the treatment of contaminated gas streams with low CH4 concentrations. The consortium accumulated 36% w w-1 of PHB and, at the beginning of PHB accumulation, there was a significant decrease on CO2 production, this phenomenon was observed in all experiments with nitrogen limitation and accumulation of PHB. In the case of the tested strain, the effect of silicone oil on the amount of accumulated PHB ranged between 34 and 37% w w1 for the experiment in STR and TPPB, respectively. During those experiments the specific methane consumption rate increased 12.5% due to silicone oil in which the result was 30 mg gx -1 h-1 in the STR and 45 mg gx -1 h-1 in TPPB. These results are comparable and, in some cases, higher than those reported in the literature. The isolate C2 was preliminarily identified by molecular biology techniques such as Methylobacterium organophilum. These experiments showed that during treatment of CH4 is possible to generate a product with high value, if cell metabolism is redirected to the production of PHB and biomass to reduce CO2 emissions.
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