Producción de hidrógeno en reactores de biomasa fija, implicaciones de microorganismos hidrogenotróficos.

Abstract

"El hidrógeno es considerado el combustible del futuro por su mayor contenido energético comparándolo con cualquier otro combustible. Su producción por vía biológica permite valorizar residuos o aguas residuales, como el suero de leche, pudiendo producirlo de manera renovable además de ser carbono neutral. En la producción fermentativa de hidrógeno, las bacterias anaerobias utilizan los compuestos orgánicos para producir energía metabólica y componentes estructurales, produciendo H2 y una mezcla de ácidos grasos de cadena corta, así como algunos alcoholes. El uso de suero de leche como sustrato para la producción de hidrógeno ha sido estudiado en reactores de biomasa suspendida, obteniendo velocidades de producción muy promisorias. Con el objetivo de aumentar dicha producción, favorecida por una mayor concentración de biomasa, en el presente trabajo se exploró el uso de reactores de biomasa fija (UASB y lecho empacado). Una limitante de los sistemas granulares como los reactores UASB es el largo tiempo de arranque necesario para establecer una comunidad productora de hidrógeno. En este sentido se evaluaron diferentes estrategias de arranque y estructuras del inóculo. Una disminución gradual del tiempo de residencia hidráulica desde 24 a 6 horas, con una velocidad de carga orgánica (VCO) constante de 20 g DQO/L-d fue la estrategia que produjo una biomasa hidrogenogénica mas activa. La producción inesperada de metano a la par del hidrógeno llevó a la evaluación de diferentes estrategias para controlar la metanogénesis. Un aumento en la VCO de 20 a 30 g DQO/L-d incrementó hasta 172% la producción de hidrógeno, disminuyendo la producción de metano en 75%. La única estrategia que inhibió completamente la metanogénesis fue aplicar un segundo tratamiento térmico a la biomasa. Sin embargo, esta última estrategia también seleccionó a consumidores de hidrógeno, como los homoacetogénicos. El análisis de las comunidades en los reactores UASB con técnicas moleculares como PCR-DGGE y clonación mostraron una proliferación de organismos relacionados con los productores de hidrógeno Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii y Enterobacter aerogenes, así como los homoacetogénicos Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes y Clostridium ljungdahlii. Mientras que los responsables de la producción de metano fueron hidrogenótrofos de los géneros Methanobrevibacter y Methanobacterium."

"Hydrogen is considered the fuel of the future due to the highest energy content compared with any fuel. The biological hydrogen production allows valorizing waste or wastewaters, like the cheese whey, being a renewable and carbon neutral fuel. In the fermentative hydrogen production, anaerobic bacteria use organic substrates to generate metabolic energy and structural components, producing H2 and a mix of short chain fatty acids and alcohols. The cheese whey has been used largely to produce hydrogen in suspended biomass reactors, achieving promising rates. The present work explored the use of biomass fixed reactors (UASB and packed-bed) with the of aim increasing the production rate, favored by the higher biomass concentration. A limitation in granular systems, like the UASB is the long time required to develope a hydrogen producing community. In this sense, different start-up strategies and inoculum structures were evaluated. A gradual decrease of the hydraulic retention time from 24 to 6 hours, with a constant organic loading rate (OLR) of 20 g COD/L-d, produced the more active biomass. The unexpected methane production addressed the evaluation of operational strategies to control the methanogens. An increment of the OLR from 20 to 30 g COD/L-d increased the hydrogen production rate 172%, whereas the methane production was reduced 75%. The only strategy that completely inhibited the methane production was a second heat treatment to the biomass. However, the latter strategy also selected homoacetogens, which are hydrogen consuming organisms. The community analysis of the biomass withdrawn from UASB reactors with molecular techniques, such as PCR-DGGE and cloning, showed a proliferation of organisms related to hydrogen producers such as Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii and Enterobacter aerogenes, as well as the homoacetogens Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes and Clostridium ljungdahlii. The archaeal community analysis showed that methane was produced by hydrogenotrophs from genera Methanobrevibacter and Methanobacterium."