Producción continua de hidrógeno y metano en dos etapas a partir de la fermentación de suero de leche.

Abstract

"La mayor parte de la energía que se consume en el mundo proviene de los combustibles fósiles, los cuales son recursos no renovables. El hidrógeno (H2) es una prominente alternativa a los combustibles fósiles. Cuando el H2 es producido por medios biológicos, a partir de sustratos provenientes de biomasa o subproductos, como el suero de leche, se le considera una fuente de energía renovable y sustentable. En la producción biológica de H2 por la vía fermentativa, la mayor parte del sustrato alimentado al sistema es transformado en ácidos grasos volátiles (AGVs) y/o solventes, lo cual hace necesaria la aplicación de un proceso complementario para su eliminación. Puesto que los AGVs son compuestos precursores de la metanogénesis, resulta conveniente acoplar la producción de metano (CH4) a la de H2. En el presente trabajo se estudió la factibilidad de integrar la producción biológica de H2 y CH4, en un sistema de dos etapas, utilizando cultivos mixtos y suero de leche en polvo (SLP) como sustrato. Se evaluó el efecto de la carga orgánica y el tiempo de retención hidráulico (TRH) sobre la velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (VVPH) y de metano (VVPM), además se comparó la producción de H2 usando SLP y lactosa como sustrato. La VVPH más alta fue de 1046 mmol H2/L/d (31.6 L H2/L/d), obtenida en un reactor continuo de tanque agitado a condiciones estables de operación, con un TRH de 6 h y carga orgánica volumétrica de 142.2 g lactosa/L/d. Adicionalmente, se logro producir H2 (539 mmol H2/L/d ≈ 16.3 L H2/L/d) aún a TRH de 3.5 h y carga orgánica de 162.5 g lactosa/L/d, sin embargo, la operación del reactor no fue estable. La producción de hidrógeno en la operación con SLP, resultó ser 2.57 veces más alta que en la operación con lactosa. En cuanto a la producción CH4 en un reactor UASB, el efluente acidificado proveniente de la etapa de producción de hidrógeno, permitió la aplicación de cargas orgánicas de 20 g DQO/L/d a un TRH de 6 h, obteniendo una eficiencia de remoción de DQO superior al 90%. El TRH global de las etapas de fermentación y metanogénesis fue de 15 horas. Para el tratamiento continuo de la totalidad del efluente generado en el reactor productor de H2, se requiere un reactor metanogénico 5 veces mayor al volumen del reactor de hidrógeno, en las condiciones evaluadas. En este estudio se demostró que la producción de CH4 puede ser eficientemente acoplada a la producción de H2 y que el SLP es un sustrato adecuado para los procesos de producción de biocombustibles gaseosos."

"A high percentage of the energy consumed worldwide is obtained from non-renewable fossil fuels. Hydrogen (H2) is feasible alternative for the future, mainly when is produced by biological means using biomass or agricultural by-products, such as cheese whey. During hydrogen producing dark fermentation the organic substrate is biotransformed into mainly volatile fatty acids (VAFs), making necessary the application of an additional process for the stabilization of the organic matter. As VFAs are the natural substrates for methanogens, it is convenient coupling the methane (CH4) production to the hydrogen production. The objective of this work was to study the feasibility of integrating the biological H2 and CH4 production in a two-stage process using mixed cultures and cheese whey powder (CWP) as substrate. The effect of operational parameters such as hydraulic retention time (HRT) and organic loading rate (OLR) on the volumetric hydrogen (VHPR) and methane (VMPR) production rate was assessed. Additionally, the VHPR using CWP and pure lactose as substrates was compared. The highest VHPR was 1046 mmol H2/L/d (31.6 L H2/L/d), obtained during stable operation in a continuous stirred tank reactor at HRT and OLR of 6 h and 142.2 g lactose/L/d, respectively. Moreover, H2 (539 mmol H2/L/d ≈ 16.3 L H2/L/d) was produced even at HRT as low as 3.5 h and OLR of 162.5 g lactose/L/d, nonetheless, the reactor operation was not stable. Noteworthy, VHPR with CWP was 2.57 times higher when using pure lactose as substrate. Regarding methane production in an UASB reactor, the acidified effluent coming from the hydrogen production was efficiently treated obtaining COD removal above 90% at OLR and HRT of 20 g COD/L/d and 6h, respectively. The global HRT for the fermentation and methanogenesis stages was 15 h. In order to treat the whole effluent produced during hydrogen production, the methanogenic reactor should be al least 5 times the volume of the fermenting reactor under the conditions here applied. This study has demonstrated that H2 production can be efficiently coupled to CH4 production in a two-stage system and that CWP is an adequate substrate for energy production."