Application of an anaerobic packed-bed bioreactor for the production of hydrogen and organic acids

This study investigates the feasibility of an anaerobic bioreactor for treating low contents of organic matter to generate organic acids and hydrogen. The device employed for this purpose was a horizontal packed-bed bioreactor fed with glucose-based synthetic wastewater and operated with hydraulic retention times from 0.5 to 2 h. A microbial biofilm was developed without previous inoculation, using expanded clay beads (4.8-6.3 mm) as support material. Alkalinity was found to be the main parameter affecting the production of hydrogen and organic acids, and the system produced optimal output when operating without a buffer agent. The average hydrogen production was 2.48, 2.15 and 1.81 molH(2) mol(-1) of glucose for NaHCO3 influent concentrations of 0, 1000 and 2000 mg L-1, respectively. The operational regime of the bioreactor, the support material and the controlled alkalinity were effective in selecting and immobilizing microbial fermenting biofilms, which successfully produced hydrogen and organic acids throughout the operating period. Exploratory assays indicated the feasibility of organic acid extraction using an anionic polymeric resin. (C) 2007 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Long-term stability of hydrogen and organic acids production in an anaerobic fluidized-bed reactor using heat treated anaerobic sludge inoculum

This study evaluates the stability of hydrogen and organic acids production in an anaerobic fluidized-bed reactor (AFBR) that contains expanded clay (2.8-3.35 mm in diameter) as a support medium and is operated on a long-term basis. The reactor was inoculated with thermally pre-treated anaerobic sludge and operated with decreasing hydraulic retention time (HRT), from 8 h to 1 h, at a controlled temperature of 30 degrees C and a pH of about 3.8. Glucose (2000 mg L(-1)) was used as the substrate, generating conversion rates of 92-98%. Decreasing the HRT from 8 h to 1 h led to an increase in average hydrogen-production rates, with a maximum value of 1.28 L h(-1) L(-1) for an HRT of 1 h. In general, hydrogen yield production increased as HRT decreased, reaching 2.29 mol of H(2)/mol glucose at an HRT of 2 h and yielding a maximum hydrogen content of 37% in the biogas. No methane was detected in the biogas throughout the period of operation. The main soluble metabolites (SMP) were acetic acid (46.94-53.84% of SMP) and butyric acid (34.51-42.16% of SMP), with less than 15.49% ethanol. The steady performance of the AFBR may be attributed to adequate thermal treatment of the inoculum, the selection of a suitable support medium for microbial adhesion, and the choice of satisfactory environmental conditions imposed on the system. The results show that stable hydrogen production and organic acids production were maintained in the AFBR over a period of 178 days. (C) 2009 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Potential and costs for the production of electrolytic hydrogen in alcohol and sugar cane plants in the central and south regions of Brazil

This project verified the potential for the production of hydrogen via water electrolysis by using the exceeding electrical energy resultant from alcohol and sugar plants that use sugar cane bagasse as fuel. The studies were carried out in cogeneration plants authorized by the Electrical Energy National Agency (ANEEL). The processing history of sugar cane considered was based on the 2006/2007 harvests. The total bagasse produced, electrical energy generated and exceeding electrical energy in a year were calculated. It was obtained an average energy consumption value of 5.2 kWh Nm(-3) and the hydrogen production costs regarding the amount of sugar cane processed that ranged from US$ 0.50 to US$ 0.75 Nm(-3). The results pointed that the costs for the production of hydrogen via the bagasse exceeding energy are close to the production costs that use other sources of energy. As the energy generated from the bagasse is a renewable one, this alternative for the production of hydrogen is economical and environmentally viable. (C) 2008 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen from coal: Production and utilisation technologies

Error condition detected Although coal may be viewed as a dirty fuel due to its high greenhouse emissions when combusted, a strong case can be made for coal to be a major world source of clean H-2 energy. Apart from the fact that resources of coal will outlast oil and natural gas by centuries, there is a shift towards developing environmentally benign coal technologies, which can lead to high energy conversion efficiencies and low air pollution emissions as compared to conventional coal fired power generation plant. There are currently several world research and industrial development projects in the areas of Integrated Gasification Combined Cycles (IGCC) and Integrated Gasification Fuel Cell (IGFC) systems. In such systems, there is a need to integrate complex unit operations including gasifiers, gas separation and cleaning units, water gas shift reactors, turbines, heat exchangers, steam generators and fuel cells. IGFC systems tested in the USA, Europe and Japan employing gasifiers (Texaco, Lurgi and Eagle) and fuel cells have resulted in energy conversions at efficiency of 47.5% (HHV) which is much higher than the 30-35% efficiency of conventional coal fired power generation. Solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC) are the front runners in energy production from coal gases. These fuel cells can operate at high temperatures and are robust to gas poisoning impurities. IGCC and IGFC technologies are expensive and currently economically uncompetitive as compared to established and mature power generation technology. However, further efficiency and technology improvements coupled with world pressures on limitation of greenhouse gases and other gaseous pollutants could make IGCC/IGFC technically and economically viable for hydrogen production and utilisation in clean and environmentally benign energy systems. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Performance evaluation and phylogenetic characterization of anaerobic fluidized bed reactors using ground tire and pet as support materials for biohydrogen production

This study evaluated two different support materials (ground tire and polyethylene terephthalate [PET]) for biohydrogen production in an anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) treating synthetic wastewater containing glucose (4000 mg L(-1)). The AFBR, which contained either ground tire (R1) or PET (R2) as support materials, were inoculated with thermally pretreated anaerobic sludge and operated at a temperature of 30 degrees C. The AFBR were operated with a range of hydraulic retention times (HRT) between 1 and 8 h. The reactor R1 operating with a HRT of 2 h showed better performance than reactor R2, reaching a maximum hydrogen yield of 2.25 mol H(2) mol(-1) glucose with 1.3 mg of biomass (as the total volatile solids) attached to each gram of ground tire. Subsequent 16S rRNA gene sequencing and phylogenetic analysis of particle samples revealed that reactor R1 favored the presence of hydrogen-producing bacteria such as Clostridium, Bacillus, and Enterobacter. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Biohydrogen production in anaerobic fluidized bed reactors: Effect of support material and hydraulic retention time

This study evaluated two different support materials (polystyrene and expanded clay) for biohydrogen production in an anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) treating synthetic wastewater containing glucose (4000 mg L(-1)). The AFBRs contained either polystyrene (R1) or expanded clay (R2) as support materials were inoculated with thermally pre-treated anaerobic sludge and operated at a temperature of 30 degrees C and a pH of approximately 5.5. The AFBRs were operated with a range of hydraulic retention times (HRTs) between 1 and 8 h. For R1 with an HRT of 2 h, the maximum hydrogen yield (HY) was 1.90 mol H(2) mol(-1) glucose, with 0.805 mg of biomass (as total volatile solids, or TVS) attached to each g of polystyrene. For R2 operated at an HRT of 2 h, the maximum HY was 2.59 mol H(2) moll glucose, with 1.100 mg of attached biomass (as TVS) g(-1) expanded clay. The highest hydrogen production rates (HPR) were 0.95 and 1.21 L h(-1) L(-1) for R1 and R2, respectively, using an HRT of 1 h. The H(2) content increased from 16-47% for R1 and from 22-51% for R2. No methane was detected in the biogas produced throughout the period of AFBR operation. These results show that the values of HY, HPR, H(2) content, and g of attached biomass g(-1) support material were all higher for AFBRs containing expanded clay than for reactors containing polystyrene. (C) 2010 Professor T. Nejat Veziroglu. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen evolution and consumption in AOT–isooctane reverse micelles by Desulfovibrio gigas hydrogenase

The enzyme hydrogenase isolated from the sulphate reducing anaerobic bacterium Desulfovibrio gigas was encapsulated in reverse micelles of AOT–water–isooctane. The enzyme ability to consume molecular hydrogen was studied as a function of the micelle size (given by Wo = [H2O]/[organic solvent]). A peak of catalytic activity was obtained for Wo = 18, a micelle size theoretically fitting the heterodimeric hydrogenase molecule. At this Wo value, the recorded catalytic activity was slightly higher than in a buffer system(Kcat = 169.43 s−1 against the buffer value of 151 s−1). The optimal buffer used to encapsulate the enzyme was found to be imidazole 50 mM, pH 9.0. The molecular hydrogen production activity was also tested in this reverse micelle medium.

Production of medium-chain fatty acids and higher alcohols by a synthetic co-culture grown on carbon monoxide or syngas

Synthesis gas, a mixture of CO, H2, and CO2, is a promising renewable feedstock for bio-based production of organic chemicals. Production of medium-chain fatty acids can be performed via chain elongation, utilizing acetate and ethanol as main substrates. Acetate and ethanol are main products of syngas fermentation by acetogens. Therefore, syngas can be indirectly used as a substrate for the chain elongation process.

The role of marine anaerobic bacteria and archaea in bioenergy production

The development of products from marine bioresources is gaining importance in the biotechnology sector. The global market for Marine Biotechnology products and processes was, in 2010, estimated at 2.8 billion with a cumulative annual growth rate of 510% (Børresen et al., Marine biotechnology: a new vision and strategy for Europe. Marine Board Position Paper 15. Beernem: Marine Board-ESF, 2010). Marine Biotechnology has the potential to make significant contributions towards the sustainable supply of food and energy, the solution of climate change and environmental degradation issues, and the human health. Besides the creation of jobs and wealth, it will contribute to the development of a greener economy. Thus, huge expectations anticipate the global development of marine biotechnology. The marine environment represents more than 70% of the Earths surface and includes the largest ranges of temperature, light and pressure encountered by life. These diverse marine environments still remain largely unexplored, in comparison with terrestrial habitats. Notwithstanding, efforts are being done by the scientific community to widespread the knowledge on oceans microbial life. For example, the J. Craig Venter Institute, in collaboration with the University of California, San Diego (UCSD), and Scripps Institution of Oceanography have built a state-of-the-art computational resource along with software tools to catalogue and interpret microbial life in the worlds oceans. The potential application of the marine biotechnology in the bioenergy sector is wide and, certainly, will evolve far beyond the current interest in marine algae. This chapter revises the current knowledge on marine anaerobic bacteria and archaea with a role in bio-hydrogen production, syngas fermentation and bio-electrochemical processes, three examples of bioenergy production routes.

Production of biohydrogen from dark fermentation of organic wastes

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Thogoto virus infection induces sustained type I interferon responses that depend on RIG-I-like helicase signaling of conventional dendritic cells.

Type I interferon (IFN-α/β) induction upon viral infection contributes to the early antiviral host defense and ensures survival until the onset of adaptive immunity. Many viral infections lead to an acute, transient IFN expression which peaks a few hours after infection and reverts to initial levels after 24 to 36 h. Robust IFN expression often is conferred by specialized plasmacytoid dendritic cells (pDC) and may depend on positive-feedback amplification via the type I IFN receptor (IFNAR). Here, we show that mice infected with Thogoto virus (THOV), which is an influenza virus-like orthomyxovirus transmitted by ticks, mounted sustained IFN responses that persisted up to 72 h after infection. For this purpose, we used a variant of THOV lacking its IFN-antagonistic protein ML, an elongated version of the matrix (M) protein [THOV(ΔML)]. Of note, large amounts of type I IFN were also found in the serum of mice lacking the IFNAR. Early IFN-α expression seemed to depend on Toll-like receptor (TLR) signaling, whereas prolonged IFN-α responses strictly depended on RIG-I-like helicase (RLH) signaling. Unexpectedly, THOV(ΔML)-infected bone marrow-derived pDC (BM-pDC) produced only moderate IFN levels, whereas myeloid DC (BM-mDC) showed massive IFN induction that was IPS-1-dependent, suggesting that BM-mDC are involved in the massive, sustained IFN production in THOV(ΔML)-infected animals. Thus, our data are compatible with the model that THOV(ΔML) infection is sensed in the acute phase via TLR and RLH systems, whereas at later time points only RLH signaling is responsible for the induction of sustained IFN responses.

Electrochemical and physical characterization of Ni-Cu-Fe alloy for chlor-alkali hydrogen cathodes

This work describes the development of an alternative acetate bath for the electrochemical codeposition of Ni-Cu-Fe electrodes at low pH that is stable for several weeks and produces electrodes with good performance for chlor-alkali electrolysis. Physical characterization of the electrode surface was made using X ray absorption spectroscopy (XAS), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive analysis (EDX). The evaluation of the material as electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (her) was carried out in brine solution (160 g L-1 NaCl + 150 g L-1 NaOH) at different temperatures through steady-state polarization curves. The Ni-Cu-Fe electrodes obtained with this bath have shown low overpotentials for the her, around 0.150 V at 353 K, and good stability under continuous long-term operation for 260 hours. One positive aspect of this cathode is that the polarization behavior of the material shows only one Tafel slope over the temperature range of 298 - 353 K.

Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.

Augmentation de la production d'hydrogène par l'expression hétérologue d'hydrogénase et la production d’hydrogène à partir de résidus organiques

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.