Estrategias para optimizar la producción de hidrógeno y metano a partir de biomasa microalgal

Abstract

"Actualmente, los biocombustibles derivados de microalgas son tecnologías en desarrollo y su comercialización aún no ha sido establecida. Por otro lado, la producción de biogás mediante la digestión anaerobia es una tecnología bien establecida y disponible comercialmente, la cual podría coadyuvar la producción de biohidrógeno y biogás, a partir de microalgas. El objetivo de esta tesis fue encontrar estrategias para el mejoramiento de la producción de H2 y CH4 a partir de biomasa microalgal. La primera estrategia fue incrementar la liberación de carbohidratos y otras formas de materia orgánica contenidas en la biomasa microalgal. Un diseño de experimentos factorial permitió encontrar las condiciones óptimas para la solubilización de carbohidratos y DQO a través de un pretratamiento termoquímico. Este hidrolizado presentó un potencial bioquímico de H2 y CH4 de 48 NmL/g SV y 296 NmL/g SV, respectivamente; siendo 1.7 y 1.3 veces mayores que el rendimiento de H2 y CH4 obtenido con biomasa microalgal sin pretratar. Posteriormente, se evaluó la producción continua de H2 a partir de biomasa microalgal pretratada térmicamente. Un reactor de tanque agitado continuo se alimentó inicialmente con suero de leche para activar el inóculo y prepararlo para degradar un sustrato más complejo: hidrolizado de microalga. Sin embargo, la producción de H2 no se detectó en las etapas que se alimentó el hidrolizado de microalga, probablemente debido al cambio drástico de la alta carga de suero de leche (84.4 g DQOT/L-d) a una baja carga de hidrolizado de microalga (0.54 g DQOT/L-d). Por lo tanto, la producción de H2 no fue soportada debido a las bajas cargas de hidrolizado de microalga evaluadas. Posteriormente, se estudió la producción continua de CH4 en un reactor discontinuo secuencial alimentado con biomasa microalgal pretratada termoquímicamente en codigestión con suero de leche. Además, se investigó el incremento gradual de la carga orgánica volumétrica (COV) en la producción de biogás. El reactor se operó a pH alcalino como estrategia para enriquecer el contenido de CH4 en el biogás. La codigestión de hidrolizado de microalga y suero de leche produjo cerca de 230 NmL CH4/g DQOT, siendo 1.8 veces mayor que la monodigestión de hidrolizado de microalga. El contenido de CH4 en el biogás fue alrededor de 90% a pH alcalino, mientras que a pH neutro estuvo alrededor de 50%. El rendimiento de CH4 no mejoró con el incremento gradual de la COV. Sin embargo, la velocidad de producción de CH4 en estas etapas fue aproximadamente el doble que las etapas que no tuvieron un incremento en la COV. Además, se demostró que la digestión anaerobia de biomasa microalgal se puede lograr con tiempos de residencia hidráulica menores a 15 días, siempre y cuando sea codigerida con un sustrato rico en carbohidratos. En general, los biocombustibles derivados de microalgas son una gran promesa, pero estas tecnologías necesitan más esfuerzos en investigación y desarrollo para lograr su comercialización."

"Nowadays, microalgae-derived biofuels are technologies in development and their commercialization has not yet been established. Nevertheless, biogas production from anaerobic digestion is an established technology and commercially available that could boost biohydrogen and biogas production from microalgal biomass. The aim of this thesis was to develop strategies for the improvement of H2 and CH4 production from microalgal biomass. The first strategy was to increase the release of carbohydrates and other organic forms contained in the microalgal biomass. A factorial design of experiments allowed found the optimum conditions for solubilization of carbohydrates and chemical oxygen demand (COD) through a thermochemical pretreatment. The biochemical H2 and CH4 potentials from hydrolysate were 48 NmL/g VS and 296 NmL/g VS, respectively, being 1.7- and 1.3-fold higher than H2 and CH4 yields obtained from untreated microalgal biomass. Then, continuous dark fermentative H2 production from microalgal biomass thermally pretreated was evaluated. A continuous stirred-tank reactor was initially fed with cheese whey as a strategy to activate the inoculum and preparing it to degrade a complex substrate: microalgal hydrolysate. However, H2 production was not detected on stages fed with microalgal hydrolysate, probably due to the drastic change of a high cheese whey load (84.4 g TCOD/L-d) to a low microalgal hydrolysate load (0.54 g TCOD/L-d). Therefore, the low microalgal hydrolysate organic loads applied did not suppor the production of H2. Thereafter, the continuous biogas production was studied on an anaerobic sequencing batch reactor fed with thermochemically pretreated microalgal biomass co-digested with cheese whey. Besides, the stepwise increase of OLR was investigated in the biogas production. Furthermore, the reactor was operated at alkaline pH as a strategy to enrich the CH4 content on biogas. The co-digestion of microalgal hydrolysate and cheese whey produced ca. 230 NmL CH4/g TCOD, being 1.8-fold higher than mono-digestion of microalgal hydrolysate. Regarding CH4 content on biogas, this was around 90% at alkaline pH, while it was around 50% at neutral pH. The CH4 yield did not improve with the OLR stepwise increase. Nevertheless, the CH4 production rate on these stages was about twice than the stages that did not have an OLR increased. Furthermore, it was demonstrated that anaerobic digestion of microalgae can be achieved with hydraulic retention time below 15 days when it is co-digested with a carbohydrate-rich substrate. Overall, the microalgal- derived biofuels are a great promise, but these technologies need more efforts on research and development to achieve their commercialization."