Evaluación del desempeño del proceso de Electro-fermentación en la producción de compuestos multicarbono

Abstract

RESUMEN : La electro-fermentación es una estrategia tecnológica que puede modificar el metabolismo fermentativo de los microorganismos mediante la imposición de un potencial redox externo a la célula por medio de un sistema de electrodos y una fuente de voltaje. El logro de la modificación puede estar en el redireccionamiento de los flujos de carbono y electrones desde una fuente que provee carbono y electrones, en el redireccionamiento de los flujos de carbono y electrones, adicionando electrones exógenos al producto o desbalanceando el sistema de equivalentes reductores catabólico como el NADH y suministrando electrones que con fuente que solo provee carbono le permite al microorganismo la síntesis de moléculas multicarbono. Este último se ha denominado bioelectrosíntesis. El proyecto se enfocó en el efecto de la electro-fermentación en la formación de moléculas energéticas producidas por las cepas homofermentativas S. cerevisiae, P. stipitis, Z. mobilis con formación de etanol, la cepa heterofermentativa E. coli con formación de acetona, ácido láctico y etanol y la cepa C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 con fermentación ABE (Acetona, Butanol y Etanol). A la cepa C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 se evaluó la capacidad de fijar CO2 formulando el medio con bicarbonato. En concordancia con los resultados de la electro-fermentación del C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 se utilizó el estudio in silico para identificar cómo el flujo de electrones exógenos influyo en las vías metabólicas y síntesis de los metabolitos de importancia. La electro-fermentación en los cultivos microbianos fue aplicado a través de una fuente directa de corriente -DC un voltaje de 0,5V y 2,2V y un tratamiento en circuito abierto (0,0V) en un reactor tipo-H de 250ml. Para las cepas homofermentativas la evaluación de los parámetros cinéticos del modelo de Monod mostró una reducción de valor de Ks en el cultivo de Z. mobilis con el potencial aplicado, 30 g/L para 0,0V, 10g/L para 0,5V y 13g/L para 2,2V. Mientras que no se observaron diferencias significativas en la velocidad específica de crecimiento. Además, el rendimiento en producción de etanol se incrementó en un 10% (0,5 V) y 26 % (2,2 V) en comparación con la fermentación en circuito abierto (0,41g etanol/g glucosa), La ganancia de electrones de Z. mobilis a 2,2V fue de -1,5x10-3 mmol/gDW y el rendimiento de etanol fue de 1,21 mol de electrones por mol de glucosa consumida. Con la electro-fermentación en E. coli se investigó el efecto de la electro-fermentación en el consumo de glucosa y electrones, el crecimiento, la producción de acetato, etanol y lactato. La constante de saturación de Monod Ks fue de 3,2 g/L para 2,2 V y de 4,39 g/L para 0,5 V, que fueron inferiores en comparación con el cultivo en circuito abierto (7,05 g/L). La electro-fermentación 2,2V aumento la biomasa un 26,7% y el consumo de glucosa un 31%. Este resultado sugiere que la electro-fermentación aumentó la afinidad por la glucosa. El acetato y el etanol mejoraron un 18% y un 20% respectivamente, mientras que el lactato fue un 9% menos en comparación con el cultivo en circuito abierto en términos de la concentración. El rendimiento de ganancia de electrones por unidad de biomasa fue de -5x10-4 mmol/gDW para 0.5 V y de 2,8x10-1 mmol/g DW para 2,2 V. Los 292 μmol electrones ganados en 2,2V representan el 0.5% del total de electrones en los productos. Este estudio muestra que la electro-fermentación funciona a un potencial de 2,2V para impulsar el metabolismo de E. coli hacia un mayor consumo de glucosa y producción de etanol. C. saccharoperbutylacetonicum es una cepa de referencia industrial para producir acetona-butanol-etanol a través de una fermentación bifásica por acidogénesis y solventogénesis. La electro-fermentación en el cultivo con C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 se evaluó con y sin modificación del potencial redox intracelular mediante la adición del mediador reducido NADH en el biocatódo. Se lograron mayores cantidades de butanol en la electro-fermentación (5,81 g/L) en comparación con el tratamiento asistido con NADH (4,93 g/L) o con el cultivo a circuito abierto (3,91 g/L). La producción de solventes ABE y las mediciones electroquímicas realizadas permitieron no solo evidenciar la electroactividad de C. sacaroperbutilacetonicum N1-4, sino también ilustrar la utilidad de los sistemas bio-electroquímicos para mejorar los procesos fermentativos convencionales. La capacidad de C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 para fijar CO2 en el sistema bioelectrosintetico (BES) se realizó a través de un protocolo de aclimatación a un potencial de -600mVAg/AgCl, pasando de un cultivo en electro-fermentación con glucosa a uno bioelectrosintetico con bicarbonato como fuente de carbono. La eficiencia de recuperación de carbono en producto fue del 19% y el BES con NADH adicionado fue del 11%. En el cultivo cronoamperométrico a -600mVAg/AgCl la eficiencia del consumo de corriente microbiana fue del 0,22% y la del bicarbonato consumido fue del 75±0,01% después de 24h. En el cultivo BES en reactor tipo H, la ganancia de electrones por unidad de biomasa fue de -11 mol/g DW y la eficiencia del consumo de corriente microbiana (η_e) fue de -0,1% mol de etanol/mol de electrones. Los resultados demuestran que un entorno que proporciona electrones exógenos promueve la capacidad de C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 para fijar CO2. Los datos In vivo de la electro-fermentación de C. sacaroperbutylacetonicum N1-4 para la tasa de crecimiento, flujo de consumo de glucosa, de acetona, butanol y etanol se utilizaron para restringir las reacciones en el modelo del análisis in silico para identificar cómo el flujo de electrones exógenos influye en las vías de metabolitos de C. saccharoperbutylacetonicum N1-4. Se utilizo el modelo iCM925 de C. beijerinckii con y sin reacciones adicionadas de ganancia de electrones y se realizó un análisis de balance de flujo, robustez, doble robustez y análisis de variabilidad de flujo se llevaron a cabo. Los resultados del análisis in silico sugieren que los flujos de electrones exógenos influyen en las rutas metabólicas aumentando la energía y flujos de reductores equivalentes, independientemente de los objetivos maximizados. La mayor disponibilidad de NADH por la ganancia de electrones induce al metabolismo a aumentar la utilización de la ruta solventogénica debido a la demanda de regeneración de NAD+. La ganancia de electrones exige una mayor afluencia de protones, lo que es una limitación y debe analizarse la adaptación microbiana a niveles altos de equivalentes reductores de NADH para que la electro-fermentación incremente los rendimientos de solventes. El hallazgo más importante incluye el cultivo catódico del microorganismo C. saccharoperbutylacetonicum N1-4 que mostro electroactividad y el efecto se observo en la produccion de etanol, butanol y acetona en la lectrofermentacion, y en el sistema de bioelectrosintesis con su capacidad para crecer y producir etanol a partir de bicarbonato como fuente de carbono.