Optimización de las condiciones de fermentación para la producción de hidrógeno en cultivos en lote y continuo

Abstract

"El hidrógeno (H2) es considerado como el vector energético del futuro. Esto porque comparado con los hidrocarburos, contiene gravimétricamente 2.75 veces más energía, además de que su combustión solo genera vapor de agua como subproducto. El H2 también puede ser utilizado para la producción de energía eléctrica mediante celdas de combustible, sin la generación de gases de efecto invernadero. Alrededor del 95% del H2 utilizado en la industria se produce a partir de hidrocarburos, lo que lo convierte en un proceso no sustentable. Por el contrario, el bio-hidrógeno (Bio-H2) generado a partir de biomasa, es una alternativa energética sustentable y neutra en emisiones de gases de efecto invernadero. Algunos microorganismos son capaces de producir Bio-H2 bajo condiciones anaerobias, a partir de un amplio rango de sustratos orgánicos. En esta tesis se estudió la producción de Bio-H2 en experimentos en lote y continuo utilizando sustratos tales como la glucosa y lactosa, además de lactosuero (LS), y lodo anaerobio granular tratado térmicamente como inoculo. En los experimentos en lote se estudió el efecto del pH inicial y de la concentración inicial de sustrato sobre el rendimiento molar (RMH) y la velocidad volumétrica de producción de Bio-H2 (VVPH). El RMH y la VVPH obtenidas en los experimentos en lote para los tres sustratos, se encontraron a pH iniciales superiores a los óptimos comúnmente reportados en la literatura. Posteriormente, por ser un subproducto industrial y mostrar valores altos tanto de RMH y VVPH, se seleccionó al LS como sustrato, para evaluar la producción de hidrógeno utilizando dos medios minerales diferentes (A y B). El análisis de la comunidad microbiana mostró diferencias en los microorganismos presentes utilizando ambos medios, predominando para el medio B la presencia de especies de Clostridium Enterobacter, mientras que en los experimentos con medio A solo se identificó a una proteobacteria. Consecuentemente, el uso de medio mineral B produjo alrededor del doble de la VVPH que fue lograda con el medio A, aunque el RMH tuvo solo un ligero incremento con la utilización del medio B. Finalmente, se operó un tanque agitado continuo durante 65.6 días utilizando LS como sustrato, suplementado con medio mineral B. Se probaron tres tiempos de residencia hidráulico (TRH: 10, 6 y 4h) obteniendo la VVPH más alta con 6h. Además, se probaron cuatro cargas orgánicas (CO) incrementales a un TRH fijo de 6h. La VVPH más alta, 46.61 mmol H2/l/h y el RMH de 2.8 mol H2/mol lactosa se obtuvieron a una CO de 138.6 g lactosa/l/d. Las especies bacterianas dominantes a TRH de 10 y 6 h fueron las del género Clostridium. La VVPH obtenida en este estudio, en experimentos en continuo, es la más alta reportada para un sistema de tanque agitado inoculado con lodo anaerobio granular utilizando LS como sustrato. El aumento en los valores tanto de RMH como de la VVPH es crítico para determinar la aplicabilidad a mayor escala de estos procesos fermentativos, considerados potenciales generadores primarios de energía sustentable en el futuro cercano."

"Hydrogen (H2) is seen as a future energy carrier. Because compared to hydrocarbons, it contains 2.75-times more energy by weight, besides the fact that its combustion only generates steam as by-product. H2 can be also used for electricity generation with the aid of fuel cells, without the production of greenhouse gases. Around the 95% of the H2 used in industry is now produced from hydrocarbons, which makes this process unsustainable. On the other hand, biohydrogen (Bio-H2) generated from biomass, is a sustainable energetic alternative which is also neutral in greenhouse gases emission. Some microorganisms are capable of produce Bio-H2 under anaerobic conditions, from a wide range of organic substrates. In this thesis, the production of Bio-H2 was studied with glucose, lactose and cheese whey (CW) as substrates, in batch and continuous experiments and heat-treated anaerobic granular sludge as inoculum. The effect of initial pH and initial substrate concentration on both the hydrogen molar yield (HMY) and volumetric Bio-H2 production rate (VHPR) was studied for the three substrates in batch experiments. Both, higher HMY and VHPR obtained in batch experiments were found at higher initial pH than commonly reported as optima in the literature. Furthermore, CW was selected to assess Bio-H2 production with two different media (A and B) due to the high HMY and VHPR obtained, and because CW is an industrial by-product. The microbial community analysis showed differences in the microorganisms present for the experiments with each medium. Clostridium and Enterobacter species dominated with the use of medium B, while experiments with medium A only showed the presence of a proteobacterium. Consequently, the use of mineral medium B yielded around twice the VHPR than the obtained with medium A, while HMY had a slight increase with the use of medium B. Finally, a continuous stirred tank reactor was operated for 65.6 days using CW as substrate, supplemented with mineral medium B. Three hydraulic retention times (HRT:10, 6 and 4h) were tested attaining the highest VHPR at 6h. Moreover, four organic loading rates (OLR) were evaluated at a fixed HRT of 6h. The highest VHPR, 46.61 mmol H2/l/h and HMY of 2.8 mol H2/mol lactose were attained at an OLR of 138.6 g lactose/l/d. The dominant bacterial species at HRT of 10 and 6h belonged to the Clostridium genus."