Coupling bio/electrochemistry and fermentation for the production of 3-Hydroxypropionic acid

Abstract

Captura i utilització de carboni (CCU) ofereixen una via sostenible per convertir les emissions de CO₂ en productes de valor afegit. Aquesta tesi presenta un enfocament integrat que combina la recuperació d’amoni (NH₄⁺) d’aigües residuals i l’electroreducció de CO₂ a format (eCO₂RR), ambdós utilitzats com a substrats per a la fermentació microbiana orientada a la producció d’àcid 3-hidroxipropanoic (3-HP). El NH₄⁺ es va recuperar mitjançant un sistema bioelectroquímic (BES) operat en una configuració de tres cambres amb aigua residual sintètica. A 75 mA i 3 g L⁻¹ de NH₄⁺, es va assolir una taxa de recuperació de 55 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹ i una eliminació del 97%. Es van provar diferents configuracions de càtode, amb la recuperació (17 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) i eliminació (21 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) més altes utilitzant acer inoxidable a 1,4 V. Experiments posteriors van mostrar que concentracions elevades de NH₄⁺ (≥2 g L⁻¹) reduïen la densitat de corrent a causa de la inhibició del biofilm. L’eficiència energètica òptima (3,6 kWh kgN⁻¹) es va aconseguir a 0,5 g L⁻¹ de NH₄⁺. L’electroreducció de CO₂ es va dur a terme en una cel·la sense membrana amb un càtode de grafit recobert d’indi, produint format a una taxa de 146 mg L⁻¹ h⁻¹ amb una eficiència faradaica del 72%. Aquest format biocompatible es va utilitzar en la fermentació amb K. phaffii modificada genèticament, capaç de co-metabolitzar metanol i format per produir 3-HP. L’alimentació conjunta va millorar la captació de metanol i l’equilibri redox, augmentant el rendiment de 3-HP un 20% respecte a les cultures amb només metanol. A escala d’1 L, es van obtenir 4,5 g L⁻¹ de 3-HP amb un rendiment de 0,12 g g⁻¹ de metanol. Es va avaluar la integració del format derivat d’eCO₂RR i l’NH₄⁺ recuperat del BES en fermentacions sota quatre condicions. En comparació amb un control (6,84 g L⁻¹), l’NH₄⁺ del BES va augmentar la producción de 3-HP un 6,4%, el format d’eCO₂RR un 16,4%, i la combinació d’ambdós un 18% (8,16 g L⁻¹). El rendiment més alt de 3-HP (0,26 g g⁻¹ de metanol) es va aconseguir amb la configuració completament integrada. També es va provar un procés en dues etapes combinant l’eCO₂RR i la fermentació en un mateix reactor, que va requerir una optimització del medi per assegurar la compatibilitat. Aquesta tesi demostra la viabilitat d’integrar la recuperació de CO₂ i nutrients amb la bioproducció microbiana, promovent estratègies eficients en recursos per a una biomanufactura circular.

La captura y utilización de carbono (CCU) ofrece una vía sostenible para convertir las emisiones de CO₂ en productos de valor añadido. Esta tesis presenta un enfoque integrado que combina la recuperación de amonio (NH₄⁺) de aguas residuales y la electroreducción de CO₂ a formato (eCO₂RR), ambos utilizados como sustratos en fermentaciones microbianas para la producción de ácido 3-hidroxipropanoico (3-HP). El NH₄⁺ se recuperó mediante un sistema bioelectroquímico (BES) operado en una configuración de tres cámaras con agua residual sintética. A 75 mA y 3 g L⁻¹ de NH₄⁺, se logró una tasa de recuperación de 55 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹ y una eliminación del 97%. Se probaron diferentes configuraciones de cátodo, obteniéndose la mayor recuperación (17 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) y eliminación (21 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) con acero inoxidable a 1,4 V. Experimentos posteriores mostraron que concentraciones elevadas de NH₄⁺ (≥2 g L⁻¹) reducían la densidad de corriente debido a la inhibición del biofilm. La eficiencia energética óptima (3,6 kWh kgN⁻¹) se obtuvo a 0,5 g L⁻¹ de NH₄⁺. La electroreducción de CO₂ se llevó a cabo en una celda sin membrana, con un cátodo de grafito recubierto de indio, produciendo formato a una tasa de 146 mg L⁻¹ h⁻¹ con una eficiencia faradaica del 72%. Este formato biocompatible se utilizó en fermentaciones con K. phaffii modificada genéticamente, capaz de co-metabolizar metanol y formato para producir 3-HP. La co-alimentación mejoró la asimilación de metanol y el equilibrio redox, aumentando el rendimiento de 3-HP en un 20% en comparación con cultivos con solo metanol. A escala de 1 L, se obtuvieron 4,5 g L⁻¹ de 3-HP con un rendimiento de 0,12 g g⁻¹ de metanol. Se evaluó la integración del formato derivado de eCO₂RR y del NH₄⁺ recuperado del BES en fermentaciones bajo cuatro condiciones. En comparación con un control (6,84 g L⁻¹), el NH₄⁺ procedente del BES incrementó la producción de 3-HP un 6,4%, el formato de eCO₂RR un 16,4%, y su combinación un 18% (8,16 g L⁻¹). El mayor rendimiento de 3-HP (0,26 g g⁻¹ de metanol) se logró en la configuración completamente integrada. También se ensayó un proceso en dos etapas, combinando eCO₂RR y fermentación en un mismo reactor, que requirió una optimización del medio para garantizar la compatibilidad. Esta tesis demuestra la viabilidad de integrar la recuperación de CO₂ y nutrientes con la bioproducción microbiana, impulsando estrategias eficientes en recursos para una biomanufactura circular.

Carbon capture and utilization (CCU) offers a sustainable route to convert CO₂ emissions into value-added products. This thesis presents an integrated approach combining ammonium (NH₄⁺) recovery from wastewater and CO₂ electroreduction to formate (eCO₂RR), both used as inputs for microbial fermentation to produce 3-hydroxypropionic acid (3-HP). NH₄⁺ was recovered using a bioelectrochemical system (BES) operated in a three-chamber configuration with synthetic wastewater. At 75 mA and 3 g L⁻¹ NH₄⁺, a recovery rate of 55 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹ and 97% removal were achieved. Different cathode setups were tested, with the highest recovery (17 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) and removal (21 gN-NH₄⁺ m⁻² d⁻¹) obtained using stainless steel at 1.4 V. Further tests showed that high NH₄⁺ levels (≥ 2 g L⁻¹) reduced current density due to biofilm inhibition. Optimal energy efficiency (3.6 kWh kgN⁻¹) was found at 0.5 g L⁻¹ NH₄⁺. CO₂ electroreduction was performed in a single-chamber, membrane-free cell with an indium-coated graphite cathode, producing formate at 146 mg L⁻¹ h⁻¹ with 72% faradaic efficiency. This biocompatible formate was used in fermentation by engineered K. phaffii, which co-metabolized methanol and formate to produce 3-HP. Co-feeding improved methanol uptake and redox balance, increasing 3-HP yield by 20% compared to methanol-only cultures. At 1 L scale, 4.5 g L⁻¹ of 3-HP was obtained with a yield of 0.12 g g⁻¹ methanol. Integration of eCO₂RR-derived formate and BES-recovered NH₄⁺ was evaluated in fermentation under four conditions. Compared to a control (6.84 g L⁻¹), BES-derived NH₄⁺ increased 3-hp titers by 6.4%, eCO₂RR-formate by 16.4%, and their combination by 18% (8.16 g L⁻¹). The highest 3-HP yield (0.26 g g⁻¹ methanol) was achieved in the fully integrated setup. A two-step process combining eCO₂RR and fermentation in a shared reactor was also tested, requiring medium optimization for compatibility. This thesis demonstrates the feasibility of integrating CO₂ and nutrient recovery with microbial bioproduction, advancing resource-efficient strategies for circular biomanufacturing.