Assessing the effect of pretreatments on different tropical non-edible photosynthetic feedstock for biogas production

Abstract

With petroleum reserves estimated to scarce in less than 55 years, scientists had been emphatic in the search for alternative fuels. Biogas is considered a potential substitute fuel due to its high calorific value, renewability and zero emissions capacity. This gas is easily obtained through a biological process called anaerobic digestion in which a community of fermentative bacteria degrades organic matter into acetate, CO2 and H+ and subsequently methanogenic Archaea convert these products in to CH4. One of the mayor challenges for large scale biogas production using plants as feedstock is the land space needed to grow this biomass. To overcome this problem, we proposed the use of marine biomass that can be grown in the ocean, eliminating the requirement of land space, and climbing vines which can grow vertically, reducing horizontal land space. Previous research in our laboratory assessed the feedstock potential of these biomasses for biogas production and observed that not all the biomass was degraded at the time that methane production ceased. This lead us to hypothesized that some components of our feedstock’s are recalcitrant under our condition, therefore biomass pretreatments are needed to increase methane productivity in the reactors. To test this hypothesis, we started by submitting 10 different biomasses: 2 seagrasses (Syringodium sp and Thalassia sp), 4 marine algae (Sargassum sp, Dictyota sp, Cladophora sp and Acanthophora sp) and 4 climbing vines (Epipremnum sp, Dioscorea sp, Cissus sp and Jasminum sp), to a simple liquid extraction treatment where we separate the water soluble and the non-soluble fraction and test them as individual feedstock for biogas production. Two replicas of this experiment were performed and results showed that climbing vines were in general the most productive feedstock and that more methane was obtained from the untreated biomass than the solid fraction. A prokaryotic diversity analysis using DGGE showed that more methanogens are present in climbing vines reactors. The acetoclastic methanogen M. barkeri was detected in all reactors of both replicas. In the case of bacteria, similar diversity was noticed in all reactors. A further analysis showed that some of the bacterial species present in our reactors are identical to microbial communities in reactors enriched with short chain fatty acids. To determine if more complex pretreatment can enhance methanogenesis in our reactors, we selected two biomasses of each type (climbing vine, seagrasses and algae) and submit them to an oxidative, hot water, and biological enzymatic treatment. Climbing vines still produced more methane than marine biomasses with the exception of Acanthophora sp that was the third most productive feedstock in the hot water treatment experiment, surpassed only by untreated and hot water treated Epipremnum sp. Because of the little difference on methane productivity between treated and untreated feedstock, using non-treated biomass seem to be more cost effective. Our data also showed that each treatment have a different effect on each biomass suggesting that generalization of the effect of a specific treatment is scientifically unsound. Difference in methane production is apparently caused by the chemical composition of each biomass and not due to the prokaryotic diversity that is present in the reactors. An energetic analysis of the methane productivity of climbing vines, our best feedstock, in relationship with their relative growth rate and growth characteristic suggests that Epipremnum sp is the best feedstock for high scale biogas production with the capacity of sustaining the energetic yearly consumption of average refrigeration by digesting less than 7,200 fully developed plants, under our reactor conditions.

Con reservas de petróleo estimadas a escasearse en menos de 55 años, los científicos han sido enfáticos en la búsqueda de combustibles alternativos. El biogás se considera un combustible sustituto de gran potencial debido a su alto valor calorífico, por su capacidad de renovación y cero emisiones. Este gas se obtiene fácilmente a través de un proceso biológico llamado digestión anaeróbica en el que una comunidad de bacterias fermentadoras degrada la materia orgánica formando acetato, CO2 y H + y posteriormente bacterias metanogénicas convierten estos productos en CH4. Uno de los mayores desafíos para la producción de biogás a gran escala utilizando plantas como materia prima es el espacio de tierra necesario para cultivar esta biomasa. Para superar este problema, se sugirió el uso de la biomasa marina que se puede cultivar en el océano, eliminando el requisito del uso de espacio de tierra, y el uso de enredaderas que pueden crecer verticalmente, reduciendo a su vez el espacio horizontal de la tierra. Investigaciones previas en nuestro laboratorio evaluaron el potencial de materia prima de estas biomasas para la producción de biogás y observaron que no toda la biomasa se degradó en el momento en que cesó la producción de metano. Esto nos lleva a la hipótesis de que algunos componentes de nuestras materias primas son recalcitrantes bajo nuestro tratamiento, por lo tanto, los pretratamientos de biomasa son necesarios para aumentar la productividad del metano en los reactores. Para probar esta hipótesis,comenzamos colocando 10 diferentes biomasas: 2 hiervas marinas (Syringodium sp y Thalassia sp), 4 algas marinas (Sargassum sp, Dictyota sp, Cladophora sp y Acanthophora sp) y 4 enredaderas (Epipremnum sp, Dioscorea sp, Cissus sp y Jasminum sp), a un tratamiento de extracción líquida simple donde separamos la fracción soluble y la fracción no soluble y las probamos como materia prima individual para la producción de biogás. Se realizaron dos réplicas de este experimento y los resultados mostraron que las enredaderas eran en general la materia prima más productiva y que se obtuvo más metano a partir de la biomasa no tratada y la fracción sólida. Un análisis de diversidad procariota utilizando “Denaturant Gradient Gel Electrophoresis” (DGGE) mostró que hay más metanógenos presentes en los reactores de las enredaderas. El metanógeno acetoclástico M. barkeri se detectó en todos los reactores de ambas réplicas. En el caso de las bacterias, se observó una diversidad similar en todos los reactores. Otro análisis mostró que algunas de las especies bacterianas presentes en nuestros reactores son identicas a algunas encontradas en comunidades microbianas de reactores enriquecidos con ácidos grasos de cadena corta. Para determinar si otros pretratamientos más complejos podian mejorar la metanogénesis en nuestros reactores, se seleccionaron dos biomasas de cada tipo (enredaderas, yerbas marinas y algas marinas) y se sometieron a tratamiento oxidativo, de agua caliente y tratamiento biológico enzimático. Las enredaderas aún produjeron más metano que las biomasas marinas, con excepción de Acanthophora sp, que era la tercera materia prima más productiva con el tratamiento de agua caliente, superada sólo por Epipremnum sp no tratado y tratado con agua caliente. Debido a la escasa diferencia en la productividad de metano entre materia prima tratada y no tratada, el uso de biomasa no tratada resultó ser más rentable. Nuestros datos también mostraron que cada tratamiento tiene un efecto diferente en cada biomasa, lo que sugiere que la generalización del efecto de un tratamiento específico es científicamente incorrecto. La diferencia en la producción de metano es aparentemente causada por la composición química de cada biomasa y no por la diversidad procariótica que se encuentra en los reactores. Un análisis energético de la producción del metano de las enredaderas, nuestra materia prima más eficiente, tomando en cuenta su tasa de crecimiento relativa y características de crecimiento, sugiere que Epipremnum sp es la mejor materia prima para la producción de biogás a gran escala con la capacidad de mantener el consumo energético anual de una refrigeración promedio degradando menos de 7,200 plantas completamente desarrolladas, bajo nuestras condiciones.