Complutense University of Madrid. Madrid (Spain)
May 14th, 2010
Original summary:
En este trabajo se estudia la desulfuración de dibenzotiofeno (DBT) en fase acuosa mediante la acción catalítica de células del microorganismo modificado genéticamente Pseudomonas putida CECT5279, siguiendo distintas formas de operación.
Se expone que la alta dependencia de los combustibles fósiles provoca emisiones significativas de óxidos de azufre, con efectos nocivos sobre la salud, los ecosistemas y los materiales. Aunque la tecnología de hidrodesulfuración (HDS) es la más usada para reducir el contenido de azufre en combustibles derivados del petróleo, exige condiciones intensas de operación, elevados costes, emisiones de CO2 y posibles pérdidas de calidad del producto.
El trabajo propone un sistema biológico de desulfuración como etapa complementaria a una HDS moderada, con el objetivo de eliminar eficientemente compuestos azufrados en fracciones ligeras del petróleo, reduciendo la inversión energética y manteniendo las propiedades del combustible.
La investigación utiliza Pseudomonas putida CECT5279 siguiendo procedimientos desarrollados previamente para conservar y obtener células con actividad desulfurante reproducible, así como para realizar ensayos normalizados de evaluación. Se desarrollan métodos para medir la actividad de las enzimas de la ruta 4S, responsables de convertir DBT en el compuesto libre de azufre HBP, y para cuantificar la enzima DszB a lo largo de la edad celular. Además, se optimiza el análisis de los compuestos intermedios de la ruta metabólica.
El estudio de las actividades de las enzimas DszA, DszB y DszC a lo largo de la edad celular permite seleccionar células especialmente eficientes para catalizar la ruta 4S. A partir de ello, se proponen varias formas de operación: emplear células en crecimiento, células en reposo de edades seleccionadas o combinaciones secuenciales o simultáneas de células de diferentes edades en condiciones de resting cells.
Para cada operación se definen criterios de comparación basados en la eliminación de sustrato, la producción de HBP y la biomasa utilizada, buscando la máxima conversión de DBT en el mínimo tiempo y con la menor cantidad de células.
Finalmente, se desarrolla un modelo cinético que describe la evolución de los cinco compuestos de la ruta 4S (DBT, DBTO, DBTO2, HBPS y HBP) utilizando células de distintas edades. Este modelo permite simular la desulfuración con combinaciones de biocatalizadores y predecir su comportamiento de manera aceptable.
English summary:
This doctoral thesis studies the desulfurization of dibenzothiophene (DBT) in aqueous phase using the catalytic action of genetically modified Pseudomonas putida CECT5279 cells under different operational approaches.
It explains that society's heavy dependence on fossil fuels results in significant emissions of sulfur oxides, which negatively affect human health, ecosystems, and materials. Although hydrodesulfurization (HDS) is the most widely used method for reducing sulfur in petroleum-derived fuels, it requires intense operating conditions, high economic investment, CO2 emissions, and may cause quality loss in the final product.
The work proposes a biological desulfurization system as a complementary stage to moderate HDS, aiming to efficiently remove sulfur compounds from light petroleum fractions while reducing energy consumption and preserving fuel properties.
The study uses Pseudomonas putida CECT5279 following standardized procedures to preserve and obtain cells with reproducible desulfurizing activity, and to conduct normalized evaluation assays. Methods are developed to measure the activity of enzymes in the 4S pathway—responsible for converting DBT into the sulfur-free compound HBP—and to quantify the production of the DszB enzyme throughout the cell age. Additionally, analytical methods for monitoring metabolic intermediates are improved.
The analysis of DszA, DszB, and DszC enzyme activities during cell growth enables the selection of cells particularly efficient at catalyzing the 4S pathway. Based on this, several operation modes are proposed: using growing cells, resting cells of selected ages, or combinations of cells of different ages applied either sequentially or simultaneously under resting-cell conditions.
For each operational mode, comparison criteria are defined, focusing on substrate removal, HBP production efficiency, and required biomass, with the goal of achieving the highest DBT conversion in the shortest possible time using minimal cell concentration.
Finally, a kinetic model is developed to describe the evolution of the five main compounds in the 4S pathway (DBT, DBTO, DBTO2, HBPS, and HBP) using cells of characteristic ages. The model is then used to simulate desulfurization experiments involving combinations of biocatalysts and to reasonably predict their performance.
Descriptors: Chemical technology and engineering
Keywords: Biodesulfuración microbiana; Pseudomonas putida CECT5279; Ruta metabólica 4S; Dibenzotiofeno (DBT); Modelización cinética de procesos biocatalíticos; Microbial biodesulfurization; Pseudomonas putida CECT5279; 4S metabolic pathway; Dibenzothiophene (DBT); Kinetic modeling of biocatalytic processes
Citation:
J. Calzada-Funes, "Desulfuración de dibenzotiofeno con "pseudomonas putida" CECT5279 : formas de operación", PhD. dissertation, Complutense University of Madrid, Madrid, Spain, 2010.
