Nuevo diseño de reactor mejora la conversión de CO2 microbiano

La electrosíntesis microbiana (MES) es un proceso donde pequeños organismos vivos, conocidos como microorganismos, se usan para convertir dióxido de carbono (CO2) en productos útiles. Este método puede ayudar a satisfacer la creciente necesidad de productos que no dependen de combustibles fósiles, especialmente a medida que nos volvemos más dependientes de la electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables. Los microorganismos tienen una habilidad única para crecer y adaptarse, lo que los convierte en una buena opción para aplicaciones industriales duraderas en comparación con los métodos químicos tradicionales que son limitados en su efectividad.

A diferencia de los métodos convencionales que dependen de catalizadores no vivos que solo pueden funcionar por un corto tiempo, los sistemas MES pueden trabajar de manera continua durante varios años. Estos sistemas biológicos pueden producir varios productos a base de carbono de manera eficiente. Un área clave de enfoque es la producción de ácidos carboxílicos de cadena media (MCCAs) como los ácidos butírico y caproico, que son valiosos en varias industrias, incluyendo combustibles, químicos y producción de alimentos. Sin embargo, investigaciones existentes muestran que los métodos actuales para producir estos ácidos usando microorganismos no son tan efectivos en comparación con otras técnicas de fermentación.

#Avances en la Electrosíntesis Microbiana

Desde la demostración inicial de la producción de compuestos orgánicos a partir de CO2 usando MES, los investigadores se han centrado en mejorar los microbios utilizados, los materiales para los electrodos y la comprensión fundamental de cómo funcionan estos sistemas. Estos esfuerzos han llevado a mejoras en indicadores clave de rendimiento, como la productividad y la eficiencia. Sin embargo, los resultados aún no han hecho que estos sistemas sean económicamente viables a gran escala.

Al buscar implementar tecnologías MES en industrias que dependen de la electricidad, el diseño de los reactores se convierte en un factor significativo que necesita atención. La mayoría de los reactores actuales diseñados para producir ácidos más grandes que C2 usan Biofilms-capas de microorganismos-adheridos a superficies. Estos sistemas han mostrado mejor rendimiento que los que utilizan microorganismos en estado libre. Sin embargo, los biofilms pueden enfrentar desafíos relacionados con la transferencia de nutrientes y productos, lo que puede limitar su efectividad.

Si bien ha habido un enfoque considerable en los diseños de reactores para sistemas que utilizan microorganismos suspendidos, se han realizado menos estudios sobre la mejora de los reactores impulsados por biofilm. Algunas innovaciones recientes han introducido nuevos diseños, como columnas de burbujas y biorreactores agitados modificados, que han mostrado promesas en la producción de compuestos orgánicos valiosos a partir de CO2.

#Nuevo Diseño de Reactor: Reactor Bioelectroquímico de Flujo Direccionado

Proponemos un nuevo tipo de reactor llamado reactor bioelectroquímico de flujo dirigido (DFBR), que utiliza un diseño de flujo en forma de serpentina. Esta estructura permite que un líquido saturado de CO2 fluya a través de un canal continuo lleno de un electrodo de carbono especializado, facilitando la reducción biológica del CO2 en ácidos carboxílicos de cadena media. A diferencia de los sistemas anteriores, el DFBR no tiene líquido fluyendo libremente dentro del área del cátodo, lo que permite un intercambio más rápido de sustratos y productos en la superficie del biofilm.

El patrón de flujo único en este diseño promueve tiempos de interacción más largos con el CO2, lo que podría mejorar la eficiencia de conversión de carbono y electrones en productos valiosos. El reactor también está diseñado para ser fácilmente escalable, lo que lo hace más versátil para diversas aplicaciones.

#Resultados: Evaluando el Rendimiento del DFBR

En nuestro estudio, observamos de cerca cómo funcionó este nuevo diseño de reactor para producir MCCAs durante 248 días, evaluando aspectos como el crecimiento microbiano, la colonización de electrodos, la actividad metabólica y la eficiencia general. Al usar métodos de secuenciación avanzados, identificamos las principales especies microbianas responsables de los procesos de conversión.

Nuestros resultados muestran que el DFBR puede lograr un rendimiento a escala de reactor similar a tecnologías alternativas bien establecidas. El diseño permitió una mayor concentración de biofilms en los electrodos, lo cual es esencial para impulsar las reacciones deseadas.

#Crecimiento de Biomasa y Dinámicas Microbianas

Monitoreamos la tasa de crecimiento de los microorganismos y descubrimos que, aunque el DFBR no aceleró el crecimiento de biofilms en comparación con otros sistemas, logró una densidad de biomasa mucho más alta en los electrodos. Los sistemas tradicionales tenían densidades de biofilm alrededor de 5.0 unidades, mientras que el DFBR alcanzó densidades más de tres veces esa cantidad. Este aumento significa que más microorganismos están disponibles para llevar a cabo las reacciones necesarias para convertir CO2 en productos valiosos.

El diseño también facilitó una mejor transferencia de masa, lo cual es crucial para la actividad microbiana. Al asegurar que toda la superficie del electrodo sea accesible para el crecimiento del biofilm, el DFBR minimiza problemas que se ven en sistemas tradicionales, como zonas muertas donde la actividad microbiana es limitada.

#Densidad de corriente y Tasas de Producción

A través de nuestros experimentos, rastreamos la densidad de corriente, que indica el flujo de electrones a medida que los microorganismos convierten CO2. Este parámetro es clave para medir la eficiencia del proceso. Encontramos que el DFBR superó consistentemente a los sistemas existentes, mostrando el doble de la densidad de corriente y cinco veces el volumen de productividad en comparación con tecnologías más antiguas.

Al optimizar el diseño del electrodo, logramos tasas de producción significativas de varios ácidos, incluyendo acetato, butirato y caproato. Notablemente, lograr una alta eficiencia faradaica-qué tan efectivamente se utilizan los electrones en los procesos de producción-es esencial para hacer que la tecnología sea económicamente viable. Nuestro diseño de DFBR permitió un notable aumento en la eficiencia, alineándose con las necesidades de aplicaciones industriales.

#Selectividad Hacia Productos Valiosos

El estudio también mostró que usar este diseño de reactor llevó a una mayor selectividad hacia la producción de productos de mayor valor, específicamente ácidos C4 y C6. Esto es importante porque estos compuestos valen más en el mercado que productos más simples como el acetato. Una mayor selectividad significa que más del carbono utilizado por los microorganismos se convierte en estos compuestos valiosos.

#Análisis de la Comunidad Microbiana

Observamos de cerca las comunidades microbianas dentro del reactor, utilizando técnicas avanzadas de secuenciación para identificar las diversas especies presentes en diferentes puntos a lo largo del canal de flujo. Este análisis reveló especies clave que desempeñan roles significativos en los procesos de conversión.

Notablemente, las especies identificadas incluyeron Eubacterium limosum y Clostridium luticellarii, ambas conocidas por convertir efectivamente fuentes de carbono en ácidos carboxílicos valiosos. Su presencia constante en las muestras indica su importancia en mantener la productividad en el DFBR.

#El Papel de la Diversidad Microbiana

Los hallazgos enfatizan la necesidad de comunidades microbianas diversas. La presencia de múltiples especies puede ayudar a garantizar que el sistema se mantenga estable y eficiente en la conversión de CO2. Al entender qué microorganismos prosperan en el DFBR, podemos mejorar el diseño del reactor y su rendimiento.

#Comparaciones con Otras Tecnologías

Al evaluar el rendimiento del DFBR, lo comparamos con otros métodos establecidos, como la fermentación de gas de síntesis, que es un proceso bien conocido para convertir mezclas gaseosas en productos químicos útiles. Aunque MES ha estado históricamente rezagada en términos de eficiencia y tasas de producción, las mejoras observadas en el DFBR muestran un potencial prometedor para un rendimiento competitivo.

Encontramos que, aunque las tasas de producción específicas de biomasa en MES eran más bajas que las de la fermentación de gas de síntesis, la productividad volumétrica general de nuestro sistema era comparable al tener en cuenta el diseño de los reactores. Esto sugiere que MES podría estar a punto de convertirse en una alternativa competitiva para las tecnologías de conversión de CO2.

#Direcciones Futuras

De cara al futuro, el desarrollo y la mejora del DFBR podrían llevar a eficiencias y productividades aún mayores. Los investigadores pueden centrarse en optimizar la dinámica de fluidos dentro del reactor, mejorando aún más las propiedades de transferencia de masa y las tasas de crecimiento del biofilm. Además, integrar sistemas de monitoreo y control más avanzados podría ayudar a mantener condiciones ideales para la actividad microbiana, llevando a un rendimiento sostenible de alto nivel.

En conclusión, nuestro trabajo demuestra que la electrosíntesis microbiana, particularmente usando el reactor bioelectroquímico de flujo dirigido, representa un paso significativo hacia la producción química sostenible a partir de CO2. A medida que continuamos refinando estas tecnologías, el potencial para escalarlas e implementarlas en diversas industrias se vuelve cada vez más viable. Los hallazgos subrayan la importancia de seguir investigando en el desarrollo de enfoques innovadores para abordar los desafíos de la conversión de CO2 y reducir la dependencia de combustibles fósiles.

#Conclusión

El diseño del reactor bioelectroquímico de flujo dirigido introduce una nueva vía para la electrosíntesis microbiana, mostrando un rendimiento mejorado en términos de densidad de biomasa, densidad de corriente y selectividad de producto. Al aprovechar las capacidades únicas de los microorganismos para convertir CO2 en productos químicos valiosos, esta tecnología tiene un gran potencial para la producción sostenible en varios sectores. La investigación continua y la optimización allanarán el camino para aplicaciones industriales efectivas, contribuyendo al esfuerzo global para reducir las emisiones de carbono y avanzar hacia una economía más verde.