Determinación de los flujos metabólicos en la producción de hidrógeno

Abstract

La producción de hidrógeno a partir de fuentes renovables es necesaria para usar al hidrógeno como fuente de energía viable y económica. Una manera de lograr esta meta es la producción de hidrógeno a partir de métodos biológicos. Sin embargo, los bajos rendimientos de hidrógeno alcanzados son una limitante. Los principales microorganismos reportados como buenos productores de hidrógeno son Escherichia coliy Clostridium sp. con rendimientos de 2 y 4 moles de H2/mol de glucosa respectivamente. Se espera obtener mayores rendimientos a través de la modificación genética de los microorganismos o por el establecimiento de las mejores condiciones ambientales en la fermentación. El análisis de flujos metabólicos (MFA) puede ser usado para analizar a priori el efecto de una modificación ambiental o genética en la fermentación sobre el rendimiento de hidrógeno. En este trabajo, dos modelos estequiométricos fueron propuestos para la evaluación de los flujos metabólicos en la producción de hidrógeno. Los experimentos fueron realizados a 35°C y 55°C con una concentración de glucosa de 10 g/L y 30 g/L. Los flujos metabólicos fueron analizados con los datos experimentales obtenidos durante la fermentación de glucosa con Escherichia coliy Clostridium sp. a 35°C y 10 g/L, estas fueron las mejores condiciones encontradas para la producción de hidrógeno en los dos microorganismos. Un rendimiento molar máximo de 2.014 mol de H2/mol de glucosa fue obtenido con Escherichia coliy de 2.12 mol de H2/mol de glucosa con Clostridium sp. El MFA en Escherichia colimostró que existen dos puntos importantes en la producción de hidrógeno por este microorganismos: fosfoenolpiruvato y piruvato mientras que en Clostridium sp. los puntos importantes son la glucosa-6-fosfato y el piruvato. Los modelos propuestos aquí se ajustan adecuadamente a los datos experimentales obtenidos en las fermentaciones, sin embargo, se sugiere el desarrollo de modelos que involucren balances de masa y energía basados en los modelos propuesto en este trabajo.

To use hydrogen as a viable and an economical source of energy, it is necessary to produce it from renewable sources. A potential way to achieve this goal is the hydrogen production from biological methods. However, the low yield of hydrogen is a constraint. The main microorganisms reported as good hydrogen producers are Escherichia coli and Clostridium sp. with yields of 2 and 4 molH2/molglucose respectively. Significant improvement in the hydrogen yield is expected through genetic modification of the microorganism or by the establishment of the better environmental conditions. Metabolic flux analysis (MFA) can be used to analyze the effect of an environmental or a genetic modification in the fermentaction on the hydrogen yield a priori. In this study, two stoichiometric models have been proposed for evaluation of metabolic fluxes in hydrogen production. Experiments were performed at 35°C and 55°C with a glucose concentration of 10 g/L and 30 g/L. MFA has been evaluated using the data obtained during experiments performed with Escherichia coli and Clostridium sp. on glucose. Flux analysis was carried out on experimental data based on glucose fermentation at 35°C and 10 g/L, these were the best conditions found in the fermentations in both microorganisms. A maximum molar hydrogen yield of 2.014 molH2 /molglucose was obtained with Escherichia coli and 2.12 molH2/molglucose with Clostridium sp. The MFA in E. coli showed that there are two principal points in the hydrogen production of the fermentation on glucose in this microorganism: phosphoenolpiruvate and piruvate while in Clostridium sp. the principal points are glucose-6-phosphate and piruvate. The models proposed here fitted well with the experimental data obtained in the fermentations nevertheless the develop of complex models involving mass and energy balances based on the models developed in this work is suggested