Producción de biohidrógeno a partir de hidrolizados de biomasa lignocelulósica: evaluación en sistemas en lote, semi-continuo y continuo

Abstract

"Hydrogen is considered as the fuel of the future because of its high energy content (122 kJ/g) and because water is the only byproduct of its use. Moreover, the production of hydrogen via fermentation of organic wastes is carbon neutral. In this regard, lignocellulosic biomass has been recognized as a potentially attractive feedstock for the fermentative hydrogen production, since it is abundant and rich in carbohydrates. However, up to now, most of the reported studies on hydrogen production from lignocellulosic biomass have been carried out on batch mode; therefore, studies on semi-continuous and continuous systems are required in order to improve the understanding and further development of the process. This thesis studied the effect of lignocellulosic biomass hydrolysates over the hydrogen production on batch, semi-continuous and continuous systems. Oat straw was used as a lignocellulosic biomass model. Firstly, it was found that a sequential acid-enzymatic hydrolysis resulted effective to solubilize sugars from the hemicellulose and cellulose fractions of the oat straw. Then, the feasibility to produce hydrogen from acid and enzymatic oat straw hydrolysates was demonstrated in batch assays. Nonetheless, lower hydrogen molar yield (HMY) was obtained with the acid hydrolysate (1.1 mol H2/mol reducing sugars) as compared to the enzymatic hydrolysate (2.4 mol H2/mol reducing sugars). Lower performance of the acid hydrolysate was found partially due to a lower HMY from arabinose, whereas the better performance of the enzymatic hydrolysate was found partially due to fermentation of the commercial enzymatic preparation (Celluclast 1.5L), which contributed to the hydrogen production. Afterwards, the feasibility to produce hydrogen from both hydrolysates was also demonstrated in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR). However, it was observed that the initial feeding with model substrates (glucose/xylose) promoted high HMY (2 mol H2/mol sugar consumed) and high hydrogen production rate (HPR, 278 mL H2/L-h); whereas the gradual substitution of the model substrates by hydrolysates led to lower HMY and HPR, 0.8 mol H2/mol sugar consumed and 29.6 mL H2/L-h, respectively. Furthermore, PCR-DGGE analysis showed that Clostridium pasteurianum (99% of similarity) was the most abundant specie when model substrates were fed and that microbial population became more diverse when hydrolysates were fed."

"El hidrógeno es considerado el combustible del futuro debido a su alto contenido energético (122 kJ/g) y a que el único subproducto de su uso es el agua. Aunado a estas características, la producción de hidrógeno mediante fermentación de residuos orgánicos es carbono neutral. En este sentido, la biomasa lignocelulósica es reconocida como una materia prima potencialmente atractiva para la producción fermentativa de hidrógeno, ya que es abundante y rica en carbohidratos. No obstante, a la fecha, la mayoría de los estudios publicados sobre la producción de hidrógeno a partir de biomasa lignocelulósica han sido llevados a cabo en sistemas por lote, por lo cual, estudios en sistemas semi-continuos y continuos son necesarios para mejorar el entendimiento y futuro desarrollo del proceso. Por lo anterior, esta tesis se enfocó en estudiar el efecto de los hidrolizados lignocelulósicos sobre la producción de hidrógeno en sistemas en lote, semi-continuo y continuo. En el presente estudio, la paja de avena se utilizó como un modelo de biomasa lignocelulósica. Primeramente, se encontró que una hidrólisis secuencial ácida-enzimática es eficaz para solubilizar los azúcares de las fracciones de hemicelulosa y celulosa de la paja de avena. Además, se demostró la factibilidad de producir hidrógeno a partir de los hidrolizados ácidos y enzimáticos en ensayos por lote. Sin embargo, el hidrolizado ácido obtuvo menor rendimiento molar de hidrógeno (RMH) que el hidrolizado enzimático, 1,1 mol H2/mol de azúcar y 2,4 mol de H2/mol de azúcar, respectivamente. El menor RMH del hidrolizado ácido se debió parcialmente a un bajo RMH de la arabinosa, mientras que el mejor rendimiento del hidrolizado enzimático se debió parcialmente a la fermentación de la preparación comercial enzimática (Celluclast 1.5L), lo cual contribuyó a la producción de hidrógeno. Posteriormente, se demostró la viabilidad de producir hidrógeno a partir de ambos hidrolizados en un reactor anaerobio en lote secuencial (ASBR). No obstante, se observó que la alimentación inicial con sustratos modelo (glucosa/xilosa) facilitó la obtención de valores altos de RMH (2 mol H2/mol azúcar) y de velocidad de producción de hidrógeno (VPH, 278 ml H2/L-h); mientras que la sustitución gradual de estos sustratos modelo por hidrolizados, llevó a la obtención de valores de RMH y VPH menores, 0,8 mol H2/mol azúcar y 29,6 ml H2/L-h, respectivamente."