Bio-electro CO2 recycling into added value compounds: insights, routes, strategies and performance improvements

Abstract

ENG- In recent years, the decarbonization of industry has emerged as a key strategy for fostering a sustainable and eco-friendly economy. One promising approach is the conversion of CO2, a major contributor to climate change, into valuable products such as organic compounds. Among the various processes explored, microbial electrosynthesis (MES) and anaerobic fermentation have shown great potential. MES uses microorganisms to transform CO2 into useful chemicals, powered by renewable energy, while anaerobic fermentation further converts simple organic compounds into more complex, valuable molecules, enhancing process efficiency. While most research has focused on converting CO2 into simpler compounds like acetic acid or methane, this PhD research aims to optimize MES for producing higher-value products such as ethanol and longer-chain carboxylic acids. Extensive experimentation identified optimal conditions for ethanol production, including low pH, high hydrogen partial pressure, and acetic acid concentrations above 6.0 g L-1. Under these conditions, continuous ethanol production rates of up to 10.95 g m-2 d-1 were achieved, with final concentrations reaching 5.28 g L-1. Advancements in low-gap reactor designs improved the ethanol-to-acetic acid molar ratio to 2.11, enhancing efficiency and reducing energy consumption, bringing MES technology closer to commercial viability. Additionally, the production of butyric and caproic acids was explored using low-gap MES cells. Butyric acid was produced with 78% selectivity, at a power requirement of 34.6 kWh kg-1 —half of what was previously reported. A two-step system integrating MES with anaerobic fermentation was developed, producing caproic acid at 0.74 g L-1 d-1 with over 90 % selectivity. An innovative membrane-submerged fermenter system allowed to further increase selectivity to 94 %, with production rates of 3.1 g L-1 d-1. This research demonstrates the viability of MES and anaerobic fermentation for transforming waste CO2 into valuable chemicals. By optimizing conditions and integrating advanced reactor designs, this work contributes significantly to the development of technologies for large-scale industrial applications, paving the way for a more sustainable future

CAT- En els últims anys, la descarbonització de la indústria ha esdevingut una estratègia clau per fomentar una economia sostenible i respectuosa amb el medi ambient. Una aproximació prometedora és la conversió de CO2, un dels principals contribuents al canvi climàtic, en productes valuosos com compostos orgànics. Entre els diversos processos explorats, l’electrosíntesi microbiana (MES) i la fermentació anaeròbica han demostrat un gran potencial. La MES utilitza microorganismes per transformar el CO2 en productes químics útils, impulsada per energia renovable, mentre que la fermentació anaeròbica converteix els compostos orgànics simples en molècules més complexes i valuoses, millorant l'eficiència del procés. Mentre que la major part de la recerca s’ha centrat en la conversió de CO2 en compostos més simples com l’àcid acètic o el metà, aquesta tesi doctoral té com a objectiu optimitzar la MES per produir productes de major valor com l'etanol i els àcids carboxílics de cadena llarga. Mitjançant una extensa experimentació, es van identificar les condicions òptimes per a la producció d'etanol, incloent-hi un pH baix, una alta pressió parcial d’hidrogen i concentracions d’àcid acètic superiors a 6.0 g L-1. Sota aquestes condicions, es van aconseguir taxes de producció d’etanol contínua de fins a 10,95 g m-2 d-1, amb concentracions finals de 5,28 g L-1. Els avenços en els dissenys de reactors de baix espai lliure van millorar la relació molar d'etanol a àcid acètic fins a 2,11, augmentant l'eficiència i reduint el consum energètic, acostant la tecnologia MES a la viabilitat comercial. A més, es va explorar la producció d’àcids butíric i caproic utilitzant cèl·lules MES de baix espai lliure. L’àcid butíric es va produir amb una selectivitat del 78% i un consum d’energia de 34,6 kWh kg-1, la meitat del que s'havia informat anteriorment. Es va desenvolupar un sistema en dos passos que integrava la MES amb la fermentació anaeròbica, produint àcid caproic a 0,74 g L-1 d-1 amb més del 90 % de selectivitat. Un innovador sistema de fermentació amb membranes submergides va permetre augmentar la selectivitat fins al 94 %, amb taxes de producció de 3,1 g L-1 d-1. Aquesta recerca demostra la viabilitat de la MES i la fermentació anaeròbica per transformar el CO2 residual en productes químics valuosos. Optimitzant les condicions i integrant dissenys avançats de reactors, aquest treball contribueix significativament al desenvolupament de tecnologies per a aplicacions industrials a gran escala, obrint el camí cap a un futur més sostenible