Biocatalytic Reduction of CO₂ into High-Value Compounds
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 d...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:324965 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/324965 |
| Access Level: | acceso embargado |
| Palabra clave: | 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 |
| Sumario: | 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. |
|---|