| Fecha: |
2025 |
| Resumen: |
Descarbonitzar la indústria requereix un canvi dels processos basats en combustibles fòssils cap a tecnologies sostenibles que valoritzin el CO2 com un residu valuós. La biocatàlisi ofereix un enfocament prometedor per integrar tecnologies de Captura i Utilització de Carboni (CCU) amb la conversió de residus industrials en productes químics d'alt valor afegit. Mitjançant l'aplicació d'estratègies com la immobilització d'enzims, l'enginyeria de reactors i l'estudi de la transferència gas-líquid del CO2, és possible afrontar les exigents condicions dels entorns industrials i superar certes limitacions enzimàtiques, obrint el camí per al desenvolupament d'aplicacions CCU basades en biocatalitzadors escalables i robustos. La present tesi explora una plataforma CCU multienzimàtica industrialment rellevant per valoritzar CO2 i glicerol mitjançant la integració de les enzims format deshidrogenasa (FDH) i glicerol deshidrogenasa (GlyDH), que permeten la producció de compostos d'alt valor en un sistema amb regeneració in situ de NADH. Primer, es va dur a terme una prova de concepte utilitzant el sistema amb enzims lliures per definir les condicions òptimes de reacció i la proporció adequada d'ambdues enzims. Aquests resultats van facilitar l'escalat de la reacció cap a un sistema més robust, optimitzat i d'interès industrial. Posteriorment, es va optimitzar un biocatalitzador bifuncional -preparat amb FDH i GlyDH co-immobilitzades en Ni2+-ReliZyme com a suport- en termes d'activitat i estabilitat mitjançant una estratègia seqüencial de purificació i immobilització en un sol pas emprant lisats cel·lulars. Amb aquest biocatalitzador, el sistema multienzimàtic va demostrar la viabilitat de la conversió sostenible del CO2, assolint les majors concentracions de format reportades fins avui via catàlisi enzimàtica, 50. 4 ± 0. 3 mM (2. 3 g L-1). De manera similar, es va aconseguir la conversió del glicerol en DHA, 12. 2 ± 0. 4 mM (1. 1 g L-1), juntament amb carbonat de glicerol, 40. 7 ± 0. 2 mM (4. 8 g L-1), com a subproducte de la reacció entre CO2 i glicerol catalitzada per metalls presents al biocatalitzador. Per afrontar la bretxa entre els entorns industrials i els experiments a escala de laboratori, es va avaluar el rendiment del biocatalitzador bifuncional en condicions industrialment rellevants, utilitzant una mescla gasosa crua que simula les emissions de la indústria del ferro i de l'acer, així com glicerol cru derivat de la producció de biodièsel. Com a resultat, el biocatalitzador va mostrar una elevada robustesa en la valorització d'ambdós residus industrials, permetent així la intensificació d'aquest bioprocés CCU, amb alts rendiments de producte, major estabilitat i reutilització del biocatalitzador durant cinc cicles, i reducció de la inhibició per producte. Addicionalment, per avaluar la transferència gas-líquid del CO2 en la reacció, es van explorar dues estratègies. Primer, es va determinar el coeficient de transferència de massa del CO2 variant el cabal volumètric de la mescla amb 24% CO2. L'aplicació d'un cabal baix (0. 1 vvm) al sistema multienzimàtic va resultar en una major concentració de format, 66. 1 ± 1. 4 mM (3 g L-1), a causa d'una millora significativa en l'estabilitat del biocatalitzador, impulsada per la relació estreta entre el pH i la transferència de CO2. En conseqüència, es va aconseguir una notable eficiència de captura de CO2 del 93. 3 ± 2. 1%, juntament amb una alta selectivitat per a la seva completa conversió cap als productes objectiu, indicant una utilització eficient del carboni. En segon lloc, la incorporació d'anhidrasa carbònica en un biocatalitzador trifuncional va conduir a una millora significativa en la velocitat de reacció (4. 3 vegades) i en la productivitat de format (1. 8 vegades), a causa d'una major velocitat de transferència de massa del CO2 i d'un equilibri dinàmic més eficient entre les espècies CO2 i bicarbonat, la qual cosa al seu torn afavoreix la reducció de CO2 catalitzada per la FDH. |
| Resumen: |
Descarbonizar la industria requiere un cambio desde los procesos basados en combustibles fósiles hacia tecnologías sostenibles que valoricen el CO2 como un residuo valioso. La biocatálisis ofrece un enfoque prometedor para integrar tecnologías de Captura y Utilización de Carbono (CCU) con la conversión de residuos industriales en productos químicos de alto valor agregado. Mediante la aplicación de estrategias como la inmovilización de enzimas, la ingeniería de reactores y el estudio de la transferencia gas-líquido del CO2, es posible abordar las exigentes condiciones de los entornos industriales y superar ciertas limitaciones enzimáticas, abriendo el camino para el desarrollo de aplicaciones CCU basadas en biocatalizadores escalables y robustos. La presente tesis explora una plataforma CCU multi-enzimática industrialmente relevante para valorizar CO2 y glicerol mediante la integración de las enzimas formiato deshidrogenasa (FDH) y glicerol deshidrogenasa (GlyDH), que permiten la producción de compuestos de alto valor en un sistema con regeneración in situ del NADH. Primero, fue realizado una prueba de concepto utilizando el sistema con enzimas libres para definir las condiciones óptimas de reacción y la proporción adecuada de ambas enzimas. Estos hallazgos facilitaron el escalado de la reacción hacia un sistema más robusto, optimizado y de relevancia industrial. Posteriormente, fue optimizado un biocatalizador bifuncional -preparado con FDH y GlyDH co-inmovilizadas en Ni2+-ReliZyme como soporte- en términos de actividad y estabilidad mediante una estrategia secuencial de purificación e inmovilización en un solo paso utilizando lisados celulares. Aplicando este biocatalizador, el sistema multi-enzimático demostró la viabilidad de la conversión sostenible del CO2, alcanzando las mayores concentraciones de formiato reportadas hasta la fecha vía catálisis enzimática, 50. 4 ± 0. 3 mM (2. 3 g L-1). Similarmente, fue lograda la conversión del glicerol en DHA, 12. 2 ± 0. 4 mM (1. 1 g L-1), junto con carbonato de glicerol, 40. 7 ± 0. 2 mM (4. 8 g L-1), como subproducto de la reacción entre el CO2 y glicerol catalizada por metales presentes en el biocatalizador. Para abordar la brecha entre los entornos industriales y los experimentos a escala de laboratorio, el desempeño del biocatalizador bifuncional fue evaluado bajo condiciones industrialmente relevantes, utilizando una mezcla gaseosa cruda que simula las emisiones de la industria del hierro y el acero, así como glicerol crudo derivado de la producción de biodiésel. Como resultado, el biocatalizador mostró alta robustez en la valorización de ambos residuos industriales, permitiendo así la intensificación de este bioproceso CCU, con altos rendimientos de producto, mayor estabilidad y reusabilidad del biocatalizador durante cinco ciclos, y reducción de la inhibición por producto. Adicionalmente, para evaluar la transferencia gas-líquido del CO2 en la reacción, fueron exploradas dos estrategias. Primero, fue determinado el coeficiente de transferencia de masa del CO2 variando el caudal volumétrico de la mezcla 24% CO2. La aplicación de un bajo caudal (0. 1 vvm) a la reacción multi-enzimática resultó en una mayor concentración de formiato, 66. 1 ± 1. 4 mM (3 g L⁻¹), debido a una mejora significativa en la estabilidad del biocatalizador, impulsada por la estrecha relación entre el pH y la transferencia de CO2. Como consecuencia, fue alcanzada una notable eficiencia de captura de CO2 de 93. 3 ± 2. 1%, junto con una alta selectividad para su completa conversión hacia los productos objetivo, indicando una utilización eficiente del carbono. En segundo lugar, la incorporación de anhidrasa carbónica en un biocatalizador trifuncional condujo a una mejora significativa en la velocidad de reacción (4. 3 veces) y en la productividad de formiato (1. 8 veces), debido a una mayor velocidad de transferencia de masa del CO2 y a un equilibrio dinámico más eficiente entre las especies CO2 y bicarbonato, lo que a su vez favorece la reducción de CO2 catalizada por la FDH. Finalmente, fue implementado con éxito el proceso de downstream para la separación y purificación. |
| Resumen: |
Decarbonizing industry requires shifting from fossil-based processes to sustainable technologies that valorize CO2 as a valuable waste. Biocatalysis offers a promising approach for integrating Carbon Capture and Utilization (CCU) technologies with the conversion of industrial waste into value-added chemicals. By applying strategies such as enzyme immobilization, reactor engineering, and CO2 gas-liquid transfer studies, it becomes possible to tackle the demanding conditions of industrial environments and debottleneck some enzymatic limitations, paving the way for the development of scalable and robust bio-based CCU applications. The present thesis explores an industrially relevant multi-enzyme CCU platform to valorize CO2 and glycerol by integrating formate dehydrogenase (FDH) and glycerol dehydrogenase (GlyDH) enzymes to enable the production of high-value chemicals through a system with in situ NADH regeneration. First, a proof-of-concept was conducted using the free-enzyme system to define the optimal reaction conditions and the appropriate ratio of both enzymes. These findings facilitated the scale-up of the reaction in a more robust, optimized, and industrially relevant system. Subsequently, a bifunctional biocatalyst -prepared with co-immobilized FDH and GlyDH on Ni2+-ReliZyme as the carrier- was optimized in terms of activity and stability through a sequential one-step purification/co-immobilization strategy using cell lysates. By applying this biocatalyst, the multi-enzymatic system demonstrated the feasibility for sustainable CO2 conversion, achieving the highest formate concentrations reported to date via enzymatic catalysis, 50. 4 ± 0. 3 mM (2. 3 g L-1). Similarly, the conversion of glycerol into DHA was achieved, 12. 2 ± 0. 4 mM (1. 1 g L-1), along with glycerol carbonate, 40. 7 ± 0. 2 mM (4. 8 g L-1), as a byproduct between CO2 and glycerol catalyzed by metals present in the biocatalyst. To address the gap between industrial environments and bench-scale experiments, the bifunctional biocatalysis performance was assessed under industrially relevant conditions, using a crude gas mixture that mimics emissions from the iron and steel industry, as well as crude glycerol derived from biodiesel production. As a result, the biocatalyst exhibited high robustness in the valorization of both industrial residues, thus enabling the intensification of this CCU bioprocess, with high product yields, improved biocatalyst stability and reusability over five cycles, and reduced product inhibition. Additionally, to evaluate the gas-liquid transfer of CO2 in the reaction, two strategies were explored. First, the CO2 mass transfer coefficient was determined by varying the volumetric gas flow rate of the 24% CO2 mixture. Applying a low flow rate (0. 1 vvm) to the multi-enzymatic reaction resulted in a higher formate concentration, 66. 1 ± 1. 4 mM (3 g L-1), due to a significant improvement in biocatalyst stability, driven by the close interplay between pH and CO2 mass transfer. As a result, a remarkable CO2 capture efficiency of 93. 3 ± 2. 1% was achieved, along with high selectivity for its complete conversion into the target products, indicating efficient carbon utilization. Second, the incorporation of carbonic anhydrase into a tri-functional biocatalyst led to a significant improvement in the reaction rate (4. 3-fold) and formate productivity (1. 8-fold), due to the enhanced CO2 mass transfer rate and a more efficient dynamic equilibrium between CO2 and bicarbonate species, which in turn favors FDH-catalyzed CO2 reduction. Finally, downstream processing for the separation and purification of formate and DHA was successfully implemented through the selective adsorption of DHA onto an anion exchange resin, achieving recovery yield of 89. 4 ± 1. 4%, as well as the sustainable isolation of formate via liquid-liquid extraction using 2-methyltetrahydrofuran, recovering the 85. 9 ± 0. 9%. These results highlight a downstream strategy that integrates simple, selective, and cost-effective methodologies, capable of ensuring both the quality and stability of the final product. Therefore, the outstanding co-production of three high-value molecules in a one-pot system was achieved through an enzymatic CCU approach, opening the. |
| Resumen: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologia. |
| Derechos: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Lengua: |
Anglès |
| Colección: |
Programa de Doctorat en Biotecnologia |
| Documento: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Materia: |
Enzims ;
Enzymes ;
Enzimas ;
Reducció de CO2 ;
CO2 reduction ;
Reducción del CO2 ;
Captura i Utilització Carboni ;
Carbon Capture and Utilization ;
Captura y Utilizacion Carbono ;
Ciències Experimentals |
visitante ::
identificación
