Search

The fate of four nitroaromatic compounds (5-nitrosalicylate, 5NSA; 4-nitrobenzoate, 4NBc; 2,4-dinitrotoluene, 2,4DNT; nitrobenzene, NB) was studied in 160 mL laboratory-scale upward-flow anaerobic sludge bed reactors supplied with a mixture of volatile fatty acids and/or glucose as electron donors. All the nitroaromatics were transformed stoichiometrically to their corresponding aromatic amines. After prolonged reactor operation, 5NSA and 4NBc were completely mineralized to CH4 and CO2, whereas 2,4DNT was partially transformed to a nonidentified and nondegradable metabolite. Batch nitro-reduction experiments indicated that the position of the nitro group in relation to the other substituents in the aromatic ring plays a key role in the rate of the nitro-group reduction. The results obtained indicate that certain nitroaromatic compounds can be completely mineralized and serve as a carbon and energy source for anaerobic bacteria.

N-Substituted aromatic compounds are environmental contaminants associated with the production and use of dyes, explosives, pesticides and pharmaceuticals. In this article, we examine the potential of anaerobic granular sludge from anaerobic treatment systems towards the detoxification, transformation, and mineralization of nitroaromatic and azo compounds. Nitroaromatics and azo dyes with strong electron withdrawing are highly inhibitory to acetoclastic methanogenic bacteria. However, nitro and azo substituted aromatics are readily reductively detoxified in methanogenic consortia to their respective aromatic amines, which are several orders of magnitude less toxic. This reductive detoxification has allowed the successful operation of anaerobic reactors for the treatment of highly toxic aromatic compounds. In the course of the experiments it was discovered that some aromatic amines were mineralized. These results indicate that some N-substituted aromatic compounds can be completely mineralized and serve as a carbon and energy source for anaerobic bacteria.

The ability of bacteria from five different granular sludge sources to anaerobically biodegrade aromatic compounds was evaluated. The biodegradabilities of phenol, 4-cresol, 2-aminobenzoate (2-AB) and 5-aminosalicylate (5-ASA) were determined by measuring compound conversion to methane in batch serum bottles at 30°C under agitated conditions over a period of at least 100 days. Phenol and 4-cresol were completely mineralized by all the granular sludges tested. This observation indicates a universal capacity of granular sludge to degrade phenol and 4-cresol; which would be expected since these compounds are intermediates in the anaerobic degradation of the commonly occurring amino acid tyrosine. In contrast, 5-ASA and 2-AB were degraded by only one or two granular sludges. Previous acclimation to an N-substituted aromatic was a prerequisite for 5-ASA degradation.

The anaerobic transformation and degradation of nitrophenols by granular sludge was investigated in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors continuously fed with a volatile fatty acid (VFA) mixture as the primary substrate. During the start-up, subtoxic concentrations of 2-nitrophenol (2-NP), 4-nitrophenol (4-NP), and 2, 4-dinitrophenol (2, 4-DNP) were utilized. 4-NP and 2, 4-DNP were readily converted to the corresponding aromatic amine; whereas 2-NP was converted to nonaromatic products via intermediate formation of 2-aminophenol (2-AP). These conversions led to a dramatic detoxification of the mononitrophenols because the reactors treated the nitrophenolics at the concentrations which were over 25 times higher than those that caused severe inhibition. VFA removal efficiencies greater than 99% were achieved in both reactors at loading rates greater than 11.4 g COD per liter of reactor volume per day even at volumetric loading of mononitrophenols up to 910 mg/L . d.The sludges obtained from each of the reactors at the end of the continuous experiments were assayed for their specific nitrophenol reducing activity in the presence of different primary substrates. Reduction rates of 45 and 26 mg/g volatile suspended solids per day were observed for 2-NP and 4-NP, respectively, when utilizing the VFA mixture as primary substrate. Hydrogen, an interspecies-reduced compound, and substrates that provide interspecies-reducing equivalents-such as butyrate, propionate, and ethanol stimulated nitrophenol reduction, whereas acetate and methanol did not. Anaerobic batch biodegradability tests with the 2-NP-adapted sludge revealed that its corresponding aromatic amine, 2-AP, was degraded to methane at a specific rate of 14.5 mg/g VSS . d. Acetate was observed to be the major intermediate during 2-AP degradation in the presence of a specific methanogenic inhibitor 2-bromoethanesulfonate. The results of this study indicate that UASB reactors can be applied to rapidly detoxify and, under certain circumstances, degrade nitroaromatic compounds. (c) 1996 John Wiley & Sons, Inc.

The biodegradability of seventeen N-substituted aromatic and six alkylphenol compounds were evaluated under methanogenic conditions. Biodegradation was assessed in batch assays inoculated with unacclimated and predigested anaerobic granular sludge at 30°C under agitated conditions over a 150 day period. The compounds were supplied at sub-toxic concentrations in the assays in order to prevent inhibition to the methanogens. The biodegradability test was performed by the measurement of the methane composition in the headspace of the serum flasks. The methanogenic consortia completely mineralized 2-, 3-aminobenzoate, 2-aminophenol and 4-cresol; whereas, 4-aminobenzoate was only partially degraded. The other N-substituted compounds and the alkylphenols tested were not biodegradable under the experimental conditions employed. An additional biodegradability assay was conducted with sludge from an upward-flow anaerobic sludge bed reactor adapted to the degradation of 2-nitrophenol. This sludge mineralized 2-aminophenol without any lag phase while the unadapted sludge required 110 days of acclimation. The three aminobenzoate isomers were fully mineralized by the adapted sludge after similar lag periods observed in the unadapted sludge. The 2-nitrophenol adapted sludge cross-acclimatized to the mineralization of 5-aminosalicylate and 4-aminophenol. This constitutes the first report demonstrating the anaerobic mineralization of 5-aminosalicylate, which indicates that at least some azo dye cleavage products can be degraded in methanogenic consortia.

N-substituted aromatics are important priority pollutants entering the environment primarily through anthropogenic activities associated with the industrial production of dyes, explosives, pesticides, and pharmaceuticals. Anaerobic treatment of wastewaters discharged by these industries could potentially be problematical as a result of the high toxicity of N-substituted aromatics. The objective of this study was to examine the structure-toxicity relationships of N-substituted aromatic compounds to acetoclastic methanogenic bacteria. The toxicity was assayed in serum flasks by measuring methane production in granular sludge. Unacclimated cultures were used to minimize the biotransformation of the toxic organic chemicals during the test. The nature and the degree of the aromatic substitution were observed to have a profound effect on the toxicity of the test compound. Nitroaromatic compounds were, on the average, over 500-fold more toxic than their corresponding aromatic amines. Considering the facile reduction of nitro groups by anaerobic microorganisms, a dramatic detoxification of nitroaromatics towards methanogens can be expected to occur during anaerobic wastewater treatment. While the toxicity exerted by the N-substituted aromatic compounds was closely correlated with compound apolarity (log P), it was observed that at any given log P, N-substituted phenols had a toxicity that was 2 orders of magnitude higher than that of chlorophenols and alkylphenols. This indicates that toxicity due to the chemical reactivity of nitroaromatics is much more important than partitioning effects in bacterial membranes.

"Actualmente, los biocombustibles derivados de microalgas son tecnologías en desarrollo y su comercialización aún no ha sido establecida. Por otro lado, la producción de biogás mediante la digestión anaerobia es una tecnología bien establecida y disponible comercialmente, la cual podría coadyuvar la producción de biohidrógeno y biogás, a partir de microalgas. El objetivo de esta tesis fue encontrar estrategias para el mejoramiento de la producción de H2 y CH4 a partir de biomasa microalgal. La primera estrategia fue incrementar la liberación de carbohidratos y otras formas de materia orgánica contenidas en la biomasa microalgal. Un diseño de experimentos factorial permitió encontrar las condiciones óptimas para la solubilización de carbohidratos y DQO a través de un pretratamiento termoquímico. Este hidrolizado presentó un potencial bioquímico de H2 y CH4 de 48 NmL/g SV y 296 NmL/g SV, respectivamente; siendo 1.7 y 1.3 veces mayores que el rendimiento de H2 y CH4 obtenido con biomasa microalgal sin pretratar. Posteriormente, se evaluó la producción continua de H2 a partir de biomasa microalgal pretratada térmicamente. Un reactor de tanque agitado continuo se alimentó inicialmente con suero de leche para activar el inóculo y prepararlo para degradar un sustrato más complejo: hidrolizado de microalga. Sin embargo, la producción de H2 no se detectó en las etapas que se alimentó el hidrolizado de microalga, probablemente debido al cambio drástico de la alta carga de suero de leche (84.4 g DQOT/L-d) a una baja carga de hidrolizado de microalga (0.54 g DQOT/L-d). Por lo tanto, la producción de H2 no fue soportada debido a las bajas cargas de hidrolizado de microalga evaluadas. Posteriormente, se estudió la producción continua de CH4 en un reactor discontinuo secuencial alimentado con biomasa microalgal pretratada termoquímicamente en codigestión con suero de leche. Además, se investigó el incremento gradual de la carga orgánica volumétrica (COV) en la producción de biogás. El reactor se operó a pH alcalino como estrategia para enriquecer el contenido de CH4 en el biogás. La codigestión de hidrolizado de microalga y suero de leche produjo cerca de 230 NmL CH4/g DQOT, siendo 1.8 veces mayor que la monodigestión de hidrolizado de microalga. El contenido de CH4 en el biogás fue alrededor de 90% a pH alcalino, mientras que a pH neutro estuvo alrededor de 50%." "Nowadays, microalgae-derived biofuels are technologies in development and their commercialization has not yet been established. Nevertheless, biogas production from anaerobic digestion is an established technology and commercially available that could boost biohydrogen and biogas production from microalgal biomass. The aim of this thesis was to develop strategies for the improvement of H2 and CH4 production from microalgal biomass. The first strategy was to increase the release of carbohydrates and other organic forms contained in the microalgal biomass. A factorial design of experiments allowed found the optimum conditions for solubilization of carbohydrates and chemical oxygen demand (COD) through a thermochemical pretreatment. The biochemical H2 and CH4 potentials from hydrolysate were 48 NmL/g VS and 296 NmL/g VS, respectively, being 1.7- and 1.3-fold higher than H2 and CH4 yields obtained from untreated microalgal biomass. Then, continuous dark fermentative H2 production from microalgal biomass thermally pretreated was evaluated. A continuous stirred-tank reactor was initially fed with cheese whey as a strategy to activate the inoculum and preparing it to degrade a complex substrate: microalgal hydrolysate. However, H2 production was not detected on stages fed with microalgal hydrolysate, probably due to the drastic change of a high cheese whey load (84.4 g TCOD/L-d) to a low microalgal hydrolysate load (0.54 g TCOD/L-d). Therefore, the low microalgal hydrolysate organic loads applied did not suppor the production of H2. Thereafter, the continuous biogas production was studied on an anaerobic sequencing batch reactor fed with thermochemically pretreated microalgal biomass co-digested with cheese whey. Besides, the stepwise increase of OLR was investigated in the biogas production. Furthermore, the reactor was operated at alkaline pH as a strategy to enrich the CH4 content on biogas. The co-digestion of microalgal hydrolysate and cheese whey produced ca. 230 NmL CH4/g TCOD, being 1.8-fold higher than mono-digestion of microalgal hydrolysate. Regarding CH4 content on biogas, this was around 90% at alkaline pH, while it was around 50% at neutral pH. The CH4 yield did not improve with the OLR stepwise increase. Nevertheless, the CH4 production rate on these stages was about twice than the stages that did not have an OLR increased."

"El bagazo de agave es un residuo lignocelulósico que puede ser utilizado como sustrato para la producción de hidrógeno (H2). Sin embargo, debido a su estructura compleja, es necesario someterlo a un proceso de sacarificación para incrementar la disponibilidad de los carbohidratos. Esto es posible por medio de hidrólisis enzimática. Una amplia variedad de enzimas comerciales ha sido evaluada en la sacarificación de bagazo de agave y otros residuos lignocelulósicos, principalmente enzimas de importación, lo cual puede incidir en el costo de producción de H2. En este trabajo se investigó la viabilidad de la producción de H2 en un reactor continuo de tanque agitado (CSTR por sus siglas en inglés) usando como sustrato hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave obtenidos con la enzima nacional Celullase 50 XL de manera individual y en mezcla binaria con la enzima de importación Viscozyme L. En el experimento 1 del trabajo se evaluó la producción de H2 a partir de hidrolizados preparados con la enzima Cellulase 50 XL de manera individual, obteniéndose una velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (VVPH) máxima de 9.9 ± 0.03 L H2/L-d, a una carga orgánica volumétrica (COV) de 100 g DQO/L-d. Dicho valor es similar a la VVPH más alta reportada a la fecha para la producción de H2 en continuo a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave. Mientras que el rendimiento específico de hidrógeno (REH) máximo fue de 32.5 ± 0.1 L H2/kg bagazo también a la COV de 100 g DQO/L-d. Por otro lado, en el experimento 2 se evaluó la producción de H2 a partir de dos tipos de hidrolizados preparados con una mezcla binaria de Cellulase 50 XL y Viscozyme L a diferentes condiciones de hidrólisis (Mezcla 1 y Mezcla 2), obteniéndose una VVPH de 4.6 ± 0.04 L H2/L-d a una COV de 60 g DQO/L-d con un REH de 32.9 ± 0.3 L H2/kg bagazo, y de 4.1 ± 0.03 L H2/L-d a una COV de 70 g DQO/L-d con un REH de 22.5 ± 0.1 L H2/kg bagazo para la Mezcla 1 y Mezcla 2, respectivamente. En conclusión, los resultados mostraron que la utilización de los hidrolizados obtenidos con la enzima de manera individual son la mejor alternativa en la sacarificación de bagazo de agave para la producción de H2 frente a las mezclas enzimáticas probadas." "Agave bagasse is a lignocellulosic residue that can be used as substrate to produce hydrogen (H2). However, due to its complex structure, it needs to undergo a saccharification process to increase the availability of carbohydrates. Enzymatic hydrolysis is what makes this possible. A wide diversity of commercial enzymes has been used in the saccharification of agave bagasse and other lignocellulosic residues, mainly imported enzymes, which can affect the cost of H2 production. In this work, the feasibility of H2 production in a continuous stirred tank reactor (CSTR) was investigated using enzymatic hydrolysates of agave bagasse as substrate, obtained with the national enzyme Celullase 50 XL both individually and in combination with the imported enzyme Viscozyme L. In the stage 1 of this work, H2 production was evaluated from hydrolysates prepared with Cellulase 50XL alone, obtaining a maximum volumetric H2 production rate (VHPR) of 9.9 ± 0.03 L H2/L-d at an organic loading rate (OLR) of 100 g COD/L-d. Such value was quite similar to the highest VHPR reported for continuous H2 production from enzymatic hydrolysates of agave bagasse up to date. On the other hand, a maximum specific hydrogen yield (SHY) of 32.5 ± 0.10 L H2/kg bagasse was obtained also at the OLR of 100 g COD/L-d. In contrast, in stage 2, H2 production was evaluated using two types of hydrolysates prepared with a binary mixture of Cellulase 50XL and Viscozyme L at different hydrolysis conditions (Mixture 1 and Mixture 2), obtaining a VHPR of 4.6 ± 0.04 L H2/L-d at an OLR of 60 g COD/L-d with a SHY of 32.9 ± 0.3 L H2/kg bagasse, and a VHPR of 4.1 ± 0.03 L H2/L-d at an OLR of 70 g COD/L-d with a SHY of 22.5 ± 0.1 L H2/kg bagasse, for Mixture 1 and Mixture 2, respectively. In conclusion, the results showed that the use of hydrolysates obtained with the individual enzyme were a better alternative in the saccharification of agave bagasse for H2 production compared to the enzymatic mixtures tested."

"La biomasa microalgal es un sustrato idóneo para la producción de biocombustibles carbono neutrales, que representan una alternativa al uso de combustibles fósiles, entre ellos se encuentra el biogás. El biogás es una mezcla de 55-75% (CH4) y 45-25% (CO2) y se obtiene por medio de un proceso denominado digestión anaerobia. En el caso de la biomasa microalgal, es necesaria la aplicación de un pretratamiento a dicha biomasa para liberar los compuestos orgánicos susceptibles de convertirse en biocombustible, y así favorecer el proceso de digestión anaerobia. Cuando la digestión anaerobia se realiza en condiciones alcalinas el porcentaje de CH4 en el biogás será mayor que el obtenido a pH neutro, debido al equilibrio de fases a pH alcalino entre el CO2 producido por la DA y su disolución como bicarbonato en el líquido. Por tanto, resultaría conveniente aplicar un pretratamiento alcalino a la biomasa microalgal y posteriormente realizar la producción de metano en condiciones alcalinas, y evitar el uso de reactivos para neutralizar el pH de la biomasa pretratada. Además el acoplamiento de la digestión anaerobia con el cultivo de biomasa microalgal presenta la capacidad de secuestrar CO2 ya sea atmosférico, del propio biogás o del generado durante su combustión, así como de reciclar nutrientes (N y P). El presente trabajo tuvo como objetivo determinar la factibilidad de utilizar biomasa microalgal pretratada en condiciones alcalinas como sustrato para la producción de biogás. Se evaluaron diferentes pretratamientos termoalcalinos con distintos álcalis y condiciones de temperatura (NaOH y CaO); además se usó peróxido de hidrógeno alcalino (PHA). Los pretratamientos se realizaron sobre 2 lotes diferentes de biomasa microalgal de Scenedesmus obtusiusculus. Después de aplicar los diferentes pretratamientos termoalcalinos, se observó un aumento en la solubilización de materia orgánica de 10.8 a 19.5% con los diferentes pretratamientos. La digestión anaerobia en condiciones alcalinas requirió la aclimatación gradual de un lodo a pH 9, la cual se llevó a cabo en un reactor UASB de 1.25 L con un TRH 27.2 h. Las pruebas de potencial de metano se realizaron con un pH inicial de 9 en donde el rendimiento de producción más alto se obtuvo con PHA 1.5% a 50°C por 1.5 h para el Lote 1 y con NaOH 4 M a 120°C por 20 min tanto para el Lote 2 de biomasa microalgal (320.6 mL CH4/g SV y 227.1 mL CH4/g SV respectivamente). En cuanto a la velocidad de producción de metano no se encontraron diferencias significativas (p>0.5) entre la biomasa pretratada y sin pretratar en el Lote 1, para el Lote 2 la velocidad de producción más alta se obtuvo con NaOH 4M (28.8 mL/g SV·d). El porcentaje de metano presente en los ensayos de potencial de metano estuvo entre 78 a 100% a pH 9 y no fue necesaria la neutralización del hidrolizado ya que se contaba con lodo aclimatado a condiciones alcalinas." "Microalgal biomass is an ideal substrate for the production of neutral carbon biofuels, such as biogas, which represents an alternative to the use of fossil fuels. Biogas is a mixture of 55-75% (CH4) and 45-25% (CO2) and is obtained by anaerobic digestion. In order to digest the microalgal biomass it is necessary to apply a pretreatment to release the organic compounds susceptible to be transformed into biofuel, and thus favor the anaerobic digestion process. If the anaerobic digestion is carried out under alkaline conditions, the CH4 content in the biogas will be higher than that obtained at neutral pH, due to the phase equilibrium reached between the CO2 produce by the anaerobic digestion and its dissolution as bicarbonate in the liquid phase. Therefore, it would be convenient to apply an alkaline pretreatment to the microalgal biomass and subsequently to produce methane under alkaline conditions, and avoid the use of reagents to neutralize the pH of the pre-treated biomass. Besides the coupling of anaerobic digestion with microalgal biomass culture has the ability to sequester atmospheric CO2 and CO2 from the combustion process, as well as recycling nutrients (N and P). The aim of this work was to determine the feasibility of using pre-treated microalgal biomass as a substrate for the production of biogas under alkaline conditions. Therefore, different thermoalkaline pretreatments were evaluated with different conditions of temperature and alkalis NaOH and CaO; alkaline hydrogen peroxide (PHA) was also used for alkaline pretreatment. After applying the different thermoalkaline pretreatments to two lots of the microalgae Scenedesmus obtusiusculus (1 and 2), an increase in the solubilization of organic matter was observed from 10.8 to 19.5% with the different pretreatments. Anaerobic digestion under alkaline conditions required the gradual acclimatization of the anaerobic sludge at pH 9, which was carried out in a UASB reactor of 1.25 L with a HRT of 27.2 h. The methane potential tests were performed with an initial pH of 9 where the highest production yield was obtained with PHA 1.5% at 50 °C for 1.5 h for Lot 1 and with the pretreatment 4 M NaOH at 120 ° C for 20 min for Lot 2 (320.6 mL CH4 / g SV and 227.1 mL CH4 / g SV respectively). Regarding the rate of methane production, no significant differences were found (p> 0.5) between pretreated and untreated biomass in Lot 1, for Lot 2 the highest production rate was obtained with 4M NaOH (28.8 mL/g SV·d). The percentage of methane present in the methane potential tests varied from 78 to 100% at pH 9 and the neutralization of the hydrolysate was not necessary because an acclimated inoculum to alkaline pH was used."

"La producción de hidrógeno por métodos biológicos a partir de fuentes renovables, como la fermentación oscura de biomasa, resulta una alternativa prometedora para reducir la dependencia a los combustibles fósiles ya que el biohidrógeno es un combustible libre de carbono que sólo genera agua cuando se quema. El bagazo de Agave tequilana Weber es uno de los principales residuos lignocelulósicos generados por la industria del tequila en México. Este bagazo tiene un gran potencial para la producción de H2 debido a su alto contenido de azúcares, que pueden liberarse a través de una hidrólisis enzimática. Actualmente, se ha demostrado que mezclas enzimáticas (celulasas y hemicelulasas) mejoran significativamente la liberación de los azúcares, sin embargo, son costosas. En este trabajo se evaluó el potencial de producción de hidrógeno en un reactor CSTR a partir de hidrolizados obtenidos con una mezcla enzimática importada (Celluclast 1.5L/Viscozyme) y una enzima comercial nacional (Stonezyme). El desempeño del CSTR alimentado con el hidrolizado obtenido con la mezcla enzimática fue excelente, alcanzando una velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (VVPH) máxima de 12.9 L H2/L-d que se logró a una carga orgánica volumétrica (COV) de 90 g DQO/L-d. Cuando se operó un segundo reactor CSTR con el hidrolizado obtenido a partir de una enzima comercial nacional se obtuvo una VVPH máxima de 2.2 L H2/L-d a una COV de 100 g DQO/L-d. La remoción de azúcares durante este ensayo fue de 83%, menor al obtenido con la mezcla enzimática que fue de 93%. En ambos ensayos se observó una relación directa entre la COV y la VVPH. Los distintos desempeños fueron atribuidos a que la producción de hidrógeno fue influenciada significativamente por la composición de los azúcares de los hidrolizados. El presente trabajo muestra que la alta VVPH obtenida con la mezcla enzimática da como resultado un menor costo en la producción por litro de H2, en comparación con la enzima comercial nacional." "Hydrogen production by biological methods from renewable sources, such as dark fermentation of biomass, is a promising alternative to reduce dependence on fossil fuels since biohydrogen it a carbon-free fuel that only generates water when it is burned. The Agave tequilana Weber bagasse is one of the main lignocellulosic residues generated by the tequila industry in Mexico. This bagasse has a great potential to produce H2 due to its high content of sugars, which can be released through an enzymatic hydrolysis. Currently, it has been shown that mixtures of cellulases and hemicellulases significantly improves the release of sugars, however, are very expensive. In this work the potential of hydrogen production in a CSTR reactor was evaluated from hydrolysates obtained with an imported enzymatic mixture and a national commercial enzyme. The performance of the CSTR fed with the hydrolysate obtained with the enzymatic mixture was excellent; reaching a maximum volumetric hydrogen production rate (VHPR) of 12.9 L H2/L-d achieved at an organic loading rate (OLR) of 90 g COD/L-d. In the second test when operating the CSTR with the hydrolysate obtained whit a single commercial enzyme preparation, a maximum VHPR of 2.2 L H2/L-d was obtained at an OLR of 100 g COD/L-d. The removal of sugars during this trial was 83%, lower than that obtained with the enzymatic mixture that was 93%. In both trials, a direct relationship was observed between OLR and VHPR. The different performances were attributed to the fact that the production of hydrogen was significantly influenced by the composition of the sugars of the hydrolysates. The present work shows that the high VHPR obtained with the enzymatic mixture results in a lower cost in the production per liter of H2, compared with the national commercial enzyme."

Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias Ambientales "La fermentación oscura es la alternativa más factible para la producción biológica de hidrógeno (H2). Este bioproceso depende de la capacidad metabólica de microorganismos anaerobios que utilizan sustratos orgánicos y producen una mezcla de ácidos carboxílicos e H2 como subproductos. En procesos continuos, la fermentación oscura ha mostrado ser estable y con altas productividades, especialmente en reactores de biomasa suspendida. Sin embargo, los rendimientos molares de H2 reportados en la literatura se mantienen alejados de los valores teóricos (4 mol H2/mol hexose). Recientemente, la homoacetogénesis y la fermentación ácido láctica han sido identificadas como causas probables de los desempeños subóptimos de la producción de H2. En este trabajo se evaluaron diferentes parámetros de operación con el objetivo de identificar y entender las condiciones que desencadenan la homoacetogénesis y la fermentación ácidoláctica durante la producción de H2 en reactores continuous de tanque agitado. Se demostró que el tiempo de retención hidráulico (TRH) es un factor crítico que controla la composición de las comunidades microbianas de la fermentación oscura. Valores de TRH entre 6 y 12 h favorecen el surgimiento de una comunidad microbiana dominada por las familias Clostridiaceae-LachnospiraceaeEnterobacteriaceae, las cuales llevan a cabo metabolismos asociados con la producción de H2. En dichas condiciones, se obtuvo una velocidad volumétrica de producción de H2 (VVPH) de 2 L H2/L-d. En contraste, valores de TRH entre 18 y 24 h derivaron en el establecimiento de una comunidad microbiana de Sporolactobacillaceae-Streptococcaceae, que llevó a cabo la fermentación ácido láctica y desplazó a las bacterias productoras de H2. Asimismo, la VVPH disminuyó hasta un mínimo de 0.6 L H2/L-d. Posteriormente, bajo condiciones fijas de TRH (6 h), se encontró que la operación a velocidades de carga orgánica (VCO) bajas (14.7– 44.1 g lactosa/L-d) estuvo asociada con el dominio de Clostridium spp. Dichas condiciones favorecieron las rutas metabólicas del ácido acético y butírico, con un rendimiento molar de H2 de 2.14 mol H2/mol hexosa y una VVPH entre 3.2 y 11.6 L H2/L-d. En contraste, VCO relativamente altas (58.8 y 88.2 g lactosa/L-d) favorecieron la aparición de Streptococcus spp. como bacteria co-dominante en la comunidad microbiana, cuya presencia derivó en la producción de ácido láctico. Bajo estas condiciones, la producción de ácido fórmico también se favoreció, sirviendo posiblemente como estrategia para disponer el exceso de moléculas reducidas (e.g. NADH). En este escenario, la VVPH incrementó (13.7–14.5 L H2/L-d), pero el rendimiento molar de H2 disminuyó hasta 0.74 mol H2/mol hexosa. Después de analizar los resultados previos, se sugirió que la diversificación de las comunidades microbianas y de las rutas metabólicas estaba posiblemente asociada con un fenómeno de inhibición causado por la acumulación de ácidos carboxílicos ó H2. Por lo tanto, se evaluó el impacto de las condiciones de transferencia de H2 mediante la operación de reactores bajo distintos coeficientes de transferencia de masa (kLa). Se mostró que la VVPH y el rendimiento molar incrementaron 74 y 78%, respectivamente, como resultado de la mejora en las condiciones de transferencia de H2 hacia la fase gas. Este desempeño fue impulsado por una disminución de 53% en la concentración de H2 disuelto. Además, el análisis de 16S-DGGE reveló que la abundancia de Clostridium sp incrementó a valores de kLa ≥ 2.72 1/h (300 y 400 rpm) como respuesta a las menores concentraciones de H2 disuelto. Esta respuesta fue acompañada por un incremento de los rendimientos de ácidos acético y butírico. En general, TRH y cargas orgánicas bajas (6 h y ≤ 44.1 g lactose/L-d), así como coeficientes de transferencia de masa mayores a 2.72 1/h fueron identificadas como las condiciones más favorables para la producción eficiente de H2, evitando una diversificación de las comunidades microbianas y controlando las velocidades de consumo de H2 y de la fermentación ácido láctica." "Dark fermentation is the most feasible alternative for biological hydrogen (H2) production. Such bioprocess depends on the metabolic capacity of anaerobic microorganisms that use organic substrates and produce a mixture of short-chain carboxylic acids and H2 as byproducts. In continuous processes, dark fermentative hydrogen production has demonstrated to be stable and highly productive, especially in suspended-growth reactors. Nevertheless, the reported H2 yields remain far from theoretical values. In recent years, homoacetogenesis and lactic acid fermentation have been identified as possible causes of suboptimal performance of dark fermentation. In this regard, different operational parameters were evaluated with the aim to identify and understand the conditions that trigger homoacetogenesis and lactic acid fermentation during H2 production in continuous stirred tank reactors (CSTR). It was demonstrated that the hydraulic retention time (HRT) is a critical factor that shapes the microbial community of dark fermentation. It was shown that low values of HRT (6-12 h) favored the emergence of a microbial community dominated by Clostridiaceae-Lachnospiraceae-Enterobacteriaceae, which performed metabolic pathways co-producing H2. At these conditions, a maximum volumetric H2 production rate (VHPR) of 2 L H2/L-d was obtained. In contrast, large values of HRT (18-24 h) led to the establishment of a microbial community composed of Sporolactobacillaceae-Streptococcaceae that performed lactic acid fermentation and outcompeted H2-producing bacteria. At this stage, the VHPR dropped to a minimum of 0.6 L H2/L-d. Afterward, at fixed HRT conditions of 6 h, it was found that the operation at low organic loading rates (OLR) (14.7– 44.1 g lactose/L-d) was associated with the dominance of Clostridium spp. At such conditions, the acetate and butyrate metabolic pathways were mostly favored, with an associated H2 yield of 2.14 mol H2/mol hexose and VHPR between 3.2 and 11.6 L H2/L-d. In contrast, relatively high OLR (58.8 and 88.2 g lactose/L-d) favored the appearance of Streptococcus spp. as co-dominant bacteria leading to lactate production. The production of formate was also stimulated, possibly serving as a strategy to dispose the surplus of reduced molecules (e.g. NADH). In such scenario, VHPR was enhanced (13.7–14.5 L H2/L-d) but the H2 yield dropped to a minimum of 0.74 mol H2/mol hexose. In the light of these findings, it was suggested that the diversification of the microbial communities and the metabolic pathways were possibly associated with an inhibition phenomenon due to either the carboxylic acids or H2 accumulation. In this regard, the impact of the H2 mass transfer conditions was evaluated using a series of continuous stirred-tank reactors operated at H2 mass transfer coefficients (kLa) ranging from 1.04 to 4.23 1/h. It was demonstrated that the VHPR and H2 yield increased 74 and 78%, respectively, as a result of enhanced mass transfer conditions. This behavior was driven by a 53% decrease in the dissolved H2 concentration. Moreover, the 16S-DGGE analysis and sequencing revealed that Clostridium sp increased its occurrence at kLa ≥ 2.72 1/h (300 and 400 rpm) as response to lower dissolved H2 concentration. This was accompanied by an increase of acetate and butyrate yields. Overall, short HRT (6 h), low OLR (≤ 44.1 g lactose/L-d), and mass transfer coefficient above 2.72 1/h were identified as the most suitable conditions for efficient H2 production, avoiding excessive diversification of microbial communities and controlling the rates of H2 consumption by homoacetogenesis and lactic-acid fermentation." Esta tesis fue elaborada en los laboratorios de la División de Ciencias Ambientales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., bajo la dirección del Dr. Elías Razo-Flores. Durante la realización del trabajo, el autor recibió una beca académica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (262218). Como parte de este trabajo se realizó una estancia de investigación internacional con el apoyo de una Beca Mixta CONACYT en el Laboratoire de Biotechnologie de l’Environment perteneciente al Institute National de la Recherche Agronomique (INRA) en Narbonne, Francia, bajo la supervisión del Dr. Nicolas Bernet. Asimismo, se contó con el apoyo del proyecto BITA FP7-PEOPLE-2011-IRSES, proyecto 295170 “Bioprocess and Control Engineering for Wastewater Treatment”. El trabajo de investigación fue financiado por el Fondo SENER-CONACYT Sustentabilidad Energética, Clúster Biocombustibles Gaseosos, proyecto 247006

"El bagazo de agave es un residuo lignocelulósico generado durante la elaboración de tequila que puede ser empleado como materia prima para la producción de hidrógeno (H2), a través de procesos biológicos como la fermentación oscura. Sin embargo, debido a su estructura compleja, este material debe ser hidrolizado con el fin de liberar azúcares fácilmente fermentables para los microorganismos. En este estudio se investigó la viabilidad de la producción de H2 a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave. Se utilizaron enzimas comerciales que presentan actividades celulolíticas y hemicelulolíticas. Se realizaron dos diferentes hidrólisis enzimáticas, en la primera se empleó una mezcla de dos enzimas importadas (Celluclast 1.5L y Viscozyme L) y en la segunda se empleó una enzima nacional (Stonezyme). Se evaluó la producción continua de H2 de dichos hidrolizados en un reactor de filtro percolador (TBR, por sus siglas en inglés) variando la carga orgánica. El TBR para el hidrolizado con la mezcla enzimática y con la enzima individual fueron operados por 59 y 40 días, respectivamente, a cargas orgánicas volumétricas (COV) aplicadas con valores entre 34.6 y 81 g DQO/L·d. En ambos hidrolizados se encontró que la velocidad volumétrica de producción de H2 (VVPH) estaba directamente relacionada con la COV aplicada, donde las máximas VVPH alcanzadas con los hidrolizados de la mezcla enzimática y de la enzima individual fueron de 5.75 y 1.98 L H2/L·d, respectivamente, a una COV de 81 g DQO/L·d. Por otra parte, con los hidrolizados obtenidos con la mezcla enzimática, el rendimiento específico de H2 (REH) incrementó claramente en función de la COV, obteniendo un valor máximo de 73.21 L H2/kg de bagazo a la máxima COV aplicada; este valor es mayor a lo obtenido con el hidrolizado de la enzima individual donde se obtuvo un rendimiento de 16.15 L H2/kg de bagazo a la misma COV. En conclusión, los resultados muestran que los hidrolizados obtenidos con la mezcla enzimática pueden aumentar significativamente la producción de H2 a partir de bagazo de agave y ser una alternativa prometedora en el contexto de la transición energética." "Agave bagasse is a lignocellulosic residue generated during the tequila manufacturing that can be used as a feedstock for H2 production. Nevertheless, due to its complex structure, this material has to be hydrolysed in order to release easily fermentable sugars. In this study, it was investigated the feasibility of H2 production from enzymatic hydrolysates of agave bagasse. Commercial enzymes with cellulolytic and hemicellulolytic activities were used. Two different enzymatic hydrolysis of agave bagasse were performed, in the first one a mixture of two imported enzymes (Celluclast 1.5L and Viscozyme L) was used and in the second one a domestic enzyme (Stonezyme) was used. The continuous H2 production from both hydrolysates was evaluated in a trickling bed reactor (TBR) using different organic loading rates (OLR). TBR for hydrolysates with enzymatic mixture and with individual enzyme were successfully operated for 59 and 40 days, respectively, under OLR ranging from 43.2 to 81 g COD/L·d. In both hydrolysates, the volumetric H2 production rate (VHPR) was found to be directly linked to the OLR applied, where the maximum VHPR for the hydrolysates of the mixture and the individual enzyme were 5.75 and 1.98 L H2/L·d, respectively, at an OLR of 81 g COD/L·d. Moreover, for the hydrolysates obtained with the mixture of enzymes, the specific hydrogen yield clearly increased as function of OLR, reaching a maximum value of 73.21 L H2/kg bagasse at the maximum OLR, which is higher than that obtained with hydrolysates from the individual enzyme that reported a yield of 16.15 H2/kg bagasse at the same OLR. Overall, the results showed that the enzymatic mixture hydrolysate can substantially improve the H2 production from agave bagasse in comparison with the individual enzyme hydrolysate and therefore it becomes a promising alternative in the energy transition context."

"Actualmente, los procesos biotecnológicos para la captura de CO2 y la producción de biocombustibles representan una alternativa viable para disminuir los efectos negativos causados por la sobreexplotación de los combustibles fósiles. En particular, el biogás obtenido a partir de la digestión anaerobia de biomasa microalgal y el hidrógeno obtenido por fermentación obscura de los carbohidratos de la biomasa microalgal, son considerados biocombustibles gaseosos de tercera generación, lo cual representa ventajas importantes contra los biocombustibles de primera y segunda generación. En este trabajo se evaluó la producción de metano en sistemas en lote y semi-continuo a parir de biomasa microalgal seca de Scenedesmus obtusiusculus tratada térmicamente. En el caso de la producción en lote se observaron rendimientos entre 113 y 213 mL CH4/g DQOconsumida para concentraciones de biomasa microalgal de 2 y 10 g DQO/L, respectivamente. Por otro lado, en el sistema semi-contínuo se alcanzaron velocidades de 2 L CH4/L-d con rendimientos de hasta 370 mL CH4/g DQOconsumida para una velocidad de carga orgánica de 10 g DQO/L-d. El consumo de DQO en las mejores condiciones se encontró cerca de 70%. Estos resultados demuestran que la biomasa microalgal puede ser utilizada para la generación de biogás al realizar un tratamiento térmico para la liberación del contenido intracelular. Los resultados de producción de biogás en semi-continuo demuestran que no es necesario trabajar con tiempos de residencia hidráulica altos para obtener altos rendimientos y velocidades volumétricas de producción de metano, tal como se reporta en la literatura. La producción fermentativa de hidrógeno a partir de biomasa microalgal es viable. No obstante se debe estudiar a profundidad el desarrollo de pretratamientos eficientes para la solubilización de carbohidratos." "In recent times, biotechnological processes for CO2 sequestration and biofuel production represent a feasible alternative to reduce the negative effects caused by the overexploitation of fossil fuels. In particular, biogas generated from the anaerobic digestion of microalgae and hydrogen from dark fermentation are considered third generation biofuels alternative that shows important advantages in comparison to first- and second- generation biofuels. In this work, methane production from thermally treated microalgal biomass obtained from Scenedesmus obtusiusculus cultures was evaluated in systems operated under batch and semicontinuous mode. In batch experiments, methane production yield ranging from 113 to 213 mL CH4/ g CODconsumed was observed with microalgal biomass concentrations between 2 and 10 g COD/L, respectively. On the other hand, systems operated under semi-continuous mode reached volumetric methane production rates of 2 L CH4/L-d with methane yields of 370 mL CH4/g CODconsumed, for 10 g COD/L-d of organic loading rate. COD consumption, under optimal conditions was about 70%. These results showed that microalgal biomass could be used for biogas generation. Moreover, the performance and its potential can be increased when performing a thermal treatment of the biomass. Semi-continuous biogas production results demonstrated that is not necessary to operate on large hydraulic retention times to get high yields and volumetric production rates. Fermentative hydrogen production through microalgal biomass is feasible. However this processes should be studied in terms of pre-treatments for carbohydrate solubilization."