Syngas fermentation using pressurized systems

Abstract

One of the major drawbacks of syngas fermentation is the limited gas-liquid mass transfer that generally limits productivities. Most research has been focusing in increasing the kLa (volumetric gas-liquid mass transfer coefficient), investigating different reactor typologies and gas dispersion devices. However, the driving force for mass transfer can also be increased, for instance, by operating at increased pressure. This thesis aims to explore the effect of increased pressure in syngas fermentation to improve the gas solubility, evaluating the effect on the biocatalysts and on the process itself. The starting point of this work was to use an adapted culture (from a syngas converting reactor) as inoculum. This culture was able to mainly produce methane and acetate from syngas. Methane was not produced directly from CO, but via the conversion of acetate and H2 by the bacteria present in the mixed culture (Acetobacterium and Sporomusa species). Later on, this culture was subsequentially transferred with syngas, originating an enriched culture mainly composed by Acetobacterium and Methanospirillum species that, besides acetate and methane, was able to produce propionate from syngas. From that highly enriched culture a new strain of Acetobacterium wieringae, strain JM, was isolated and characterized. This highly enriched culture was tested in an axial agitation reactor (AAR) with different initial syngas (CO, H2 and CO2 (60:30:10 %, v/v)) pressures, from 100 kPa to 600 kPa. No substrate inhibition was observed, even at the highest pressure and an increase of 45 % in titres (of acetate and propionate) were obtained. Moreover, the increase of pressure resulted in a shift in the metabolic pathways from acetate towards propionate, which is an uncommon product of syngas fermentation. The effect of pressure on the conversion of syngas by anaerobic mixed sludge was then studied using two different reactor typologies, AAR and GLR (gas-lift reactor). Initial syngas pressures of 100 kPa, 300 kPa and 500 kPa were tested. Overall, the GLR showed better performance in terms of CO consumption rates and product titres. The main product obtained was methane and the results showed, for the first time, that methanogenic activity was not inhibited with initial syngas pressures up to 500 kPa, achieving methane yields of 75 % for the GLR, and 92 % for the AAR. At 300 kPa and 500 kPa, volatile fatty acids were also produced, namely acetate, proprionate and n-butyrate. Propionate was the most abundant acid produced, reaching 4.4 mM at 300 kPa and 4.8 mM at 500 kPa in the AAR. Overall, the use of moderate pressures in syngas fermentation was shown beneficial, as it resulted in better productivities and titres without having significant detrimental effects on cell growth. The increase of pressure also did not inhibit methanogenesis. Moreover, higher pressures seem to induce the production of different chemicals, broadening the product spectrum of syngas fermentation. In this way, these findings could be the basis of new developments in the industrialization of syngas fermentation to produce platform chemicals and/or for biomethanation processes.

Um dos principais desafios da fermentação do gás de síntese é a limitação na transferência de massa gás-líquido que geralmente limita a produtividade. A maioria das pesquisas têm-se concentrado no aumento do kLa (coeficiente de transferência de massa gás-líquido volumétrico), investigando diferentes tipologias de reatores e dispositivos de dispersão de gás. No entanto, a força motriz para a transferência de massa também pode ser aumentada, por exemplo, operando sistemas pressurizados. Esta tese tem como objetivo explorar o efeito do aumento da pressão na fermentação de gás de síntese para melhorar a solubilidade do gás, avaliando o efeito nos biocatalisadores e no próprio processo. O ponto de partida deste trabalho foi a utilização de uma cultura adaptada (de um reator de conversão de gás de síntese) como inóculo. Essa cultura foi capaz de produzir principalmente metano e acetato a partir do gás de síntese. O metano não foi produzido diretamente do CO, mas através da conversão de acetato e H2 pelas bactérias presentes na cultura mista (espécies dos géneros Acetobacterium e Sporomusa). Essa cultura foi consecutivamente transferida usando gás de síntese como substrato, originando uma cultura enriquecida composta principalmente por espécies de Acetobacterium e de Methanospirillum que, além de acetato e metano, foi capaz de produzir propionato a partir de gás de síntese. A partir dessa cultura altamente enriquecida, uma nova strain de Acetobacterium wieringae, strain JM, foi isolada e caracterizada. Esta cultura altamente enriquecida foi testada num reator de agitação axial (AAR) com diferentes pressões de gás de síntese (CO, H2 e CO2 (60:30:10%, v/v)), de 100 kPa a 600 kPa. Não foi observada qualquer inibição pelo substrato, mesmo na pressão mais elevada e obteve-se um aumento de 45 % na produção final de acetato e propionato. Além disso, o aumento da pressão originou um desvio metabólico de acetato para propionato, que é um produto incomum da fermentação do gás de síntese. O efeito da pressão na conversão de gás de síntese utilizando biomassa anaeróbia foi também estudado usando duas tipologias de reatores diferentes, AAR e GLR (reator gas-lift). Foram testadas as seguintes pressões iniciais de gás de síntese: 100 kPa, 300 kPa e 500 kPa. O GLR apresentou melhor desempenho em termos de taxas de consumo de CO e de concentração final de produtos. O principal produto obtido foi o metano e os resultados mostraram, pela primeira vez, que a atividade metalogénica não foi inibida com pressões iniciais de syngas de até 500 kPa, atingindo rendimentos de metano de 75 % para o GLR e 92 % para o AAR. A 300 kPa e 500 kPa, também foram produzidos ácidos gordos voláteis, nomeadamente, acetato, propionato e n-butirato. O propionato foi o ácido mais abundante produzido, atingindo 4,4 mM a 300 kPa e 4,8 mM a 500 kPa no AAR. No geral, o uso de pressões moderadas na fermentação do gás de síntese mostrou-se benéfico, pois resultou em melhores produtividades e concentrações finais de produto sem ter efeitos prejudiciais significativos no crescimento celular. O aumento da pressão também não inibiu a metanogénese. Além disso, pressões mais altas parecem induzir a produção de diferentes produtos químicos, ampliando o espectro de produtos da fermentação do gás de síntese. Desta forma, estas descobertas podem ser a base de novos desenvolvimentos na industrialização da fermentação do gás de síntese para a produção de produtos químicos e/ou para processos de biometanação.