Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería

[Ide@s CONCYTEG 6(71): Mayo, 2011] ISSN: 2007-2716 Cómo citar: Escamilla-Alvarado, C., H. Poggi-Varaldo, M. T. Ponce-Noyola (2011), “Producción de hi

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[Ide@s CONCYTEG 6(71): Mayo, 2011] ISSN: 2007-2716

Cómo citar: Escamilla-Alvarado, C., H. Poggi-Varaldo, M. T. Ponce-Noyola (2011), “Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería”, Ide@s CONCYTEG, 6 (71), pp. 526-539.

Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería Carlos Escamilla-Alvarado1 Héctor Poggi-Varaldo2 M. Teresa Ponce-Noyola3 Resumen La implementación de procesos de obtención de diferentes productos a partir de la biomasa, emulando los procesos de refinación del petróleo, ha demostrado ser posible y está retomando fuerza. Los principales productos obtenidos de procesos en serie bajo el esquema de biorrefinería, han sido principalmente los biocombustibles, como el biohidrógeno, metano, bioetanol, entre otros. La fracción orgánica de residuos sólidos municipales es un sustrato que cumple las características para considerarse una alternativa sustentable para la producción de biocombustibles: es renovable, de producción continua y bajo costo. En este trabajo se presenta la producción en serie de hidrógeno y metano utilizando como sustrato la fracción orgánica de residuos sólidos municipales. Palabras clave: biomasa, biorrefinería, digestión anaerobia, hidrógeno, metano.

Summary The implementation process to obtain different products from biomass is similar as the process to refine petroleum. This has been proven to be possible and is getting more popular. Such products known as biofuels by a biorefinery process are: biohydrogen, methane, bioethanol among others. Some organic waste found in landfills is a sustainable alternative to produce biofuels; because it’s renewable, cheap and mass produced. In this article we present the mass production of hydrogen and methane from organic waste found in landfills. Keywords: biomass, biorefinery, anaerobic digestion, hydrogen and methane.

                                                             1

Candidato a Doctor en Ciencias en Biotecnología en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, en el área de Biotecnología Ambiental y Energías Renovables. [email protected] 2 Doctor en Ciencias por Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Profesor-Investigador Titular 3C, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Departamento de Biotecnología y Bioingeniería. Miembro del SIN nivel II. [email protected] 3 Doctora en Ciencias por la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del IPN. Investigador Titular 3C del Departamento de Biotecnología del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN. Miembro del SIN nivel II. Email: [email protected] 

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Introducción omúnmente la mayoría de los

C

está llevando a su agotamiento. Semejante

procesos biotecnológicos se llevan

dependencia

a cabo bajo la perspectiva de

utilizando energías alternativas como el

obtener un sólo producto. Sin embargo existe

etanol, el biodisel, el gas natural, el metano y

la necesidad de desarrollar e implementar una

el

tecnología versátil que permita la obtención

biohidrógeno (Dellomonaco et al., 2010).

hidrógeno

puede

de

ser

origen

amortiguada

biológico

o

de diferentes productos en serie. Esto hace necesario un cambio de enfoque en la

El

hidrógeno

y

el

metano

como

biotecnología hacia las biorrefinerías (Kamm

biocombustibles tienen una serie de ventajas

y Kamm, 2004), las cuales se basan en la

que los hacen atractivos. El hidrógeno resalta

obtención de diferentes productos a partir de

por su alto poder calorífico tres veces

la biomasa, de forma análoga a como se

superior al de la gasolina, su combustión es

obtienen la gran variedad de derivados del

limpia pues no genera dióxido de carbono y

petróleo en los procesos de refinación

sólo produce agua. Además el hidrógeno es

(Zeikus, 1980; Ng et al., 1983).

muy importante como precursor en la industria química (Lee et al., 2010). El

El uso indiscriminado de los combustibles

metano posee características muy similares al

fósiles (petróleo, gas natural y carbón

gas natural (>90% metano), por lo que su

principalmente) ha traído consigo una serie

aplicación a escala industrial no requiere de

de problemas que afectan a todo el planeta y a

una infraestructura diferente a la de su símil

los seres humanos, como contaminación,

(gasoductos, plantas de ciclo combinado,

crisis económicas e incluso guerras. Los

etc.).

combustibles fósiles son considerados como el motor del mundo actual pues cerca del

El biohidrógeno puede ser producido por

80% de la demanda mundial de energía se

microorganismos a través de cualquiera de

cubre a partir de éstos (Das y Veziroglu,

los siguientes bioprocesos (Das y Veziroglu,

2001; Kalinci et al., 2009). Para nuestro país,

2001): i) fermentación oscura, ii) biofotólisis

los

una

del agua por algas verdes o verde-azules, iii)

participación en la generación de energía del

fotodescomposición de compuestos orgánicos

90.3% (SENER, 2008). Es necesario recalcar

por

que estos recursos son finitos y que la

hidrogenogénesis fermentativa es un proceso

sobreexplotación a la que se están sometiendo

biotecnológico que nos permite degradar

hidrocarburos

han

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registrado

bacterias

fotosintéticas.

La

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Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería Carlos Escamilla-Alvarado, Héctor Poggi-Varaldo y M. Teresa Ponce-Noyola

anaeróbicamente casi cualquier tipo de

entre sí por medio de enlaces covalentes,

materia orgánica. Sin embargo este proceso

puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der

no tiene una remoción significativa de sólidos

Waals. La lignina es resistente al ataque de

volátiles en la materia que se le alimenta,

microorganismos y su función es proteger las

pues ésta permanece en forma de ácidos

cadenas de celulosa y hemicelulosa que

orgánicos y solventes. En cambio, con la

confieren resistencia y rigidez a la pared de

digestión

una

las células vegetales (Bastawde, 1992; Uffen,

eficiencia de remoción de sólidos volátiles

1997). Esta configuración estructural y sus

mayor que en la hidrogenogénica (Han y

enlaces,

Shin, 2004). Es por esto que se han

recalcitrancia

desarrollado sistemas en serie para la

microorganismos.

producción de hidrógeno y metano en etapas

orgánica puede ser degradada por hongos y

separadas. El biohidrógeno y el metano

bacterias a través de complejos enzimáticos

pueden obtenerse en procesos en serie

extracelulares que rompen el biopolímero en

(Robledo-Narváez et al., 2008) a partir de la

segmentos

misma materia prima: la biomasa vegetal. Por

monosacáridos (pentosas y hexosas)

lo tanto, el objetivo de este trabajo será

puedan ser asimiladas por la célula para sus

mostrar el enfoque de la biorrefinería

funciones metabólicas (Robson y Chambliss,

aplicado a la producción en serie de

1989; Beg et al., 2001; Lynd et al., 2002;

hidrógeno y metano por fermentación oscura.

Rojas-Rejón et al., 2010). En la naturaleza y

metanogénica

se

logra

en

los

confieren

cierta

al

resistencia

ataque Aún

hasta

procesos

así,

obtener

de la

y los

materia

oligo-di-

biotecnológicos,

y que

la

degradación de la biomasa vegetal está limitada por la especificidad de las enzimas

Biomasa aplicada a la producción de bioenergía

liberadas por los microorganismos del medio, por la accesibilidad a los enlaces de la

La

biomasa

encuentra

celulosa y hemicelulosa, y por el grado de

celulosa,

cristalinidad de estos enlaces (Kirk et al.,

hemicelulosa y lignina (Bridgewater, 2006).

2002). Bajo el enfoque de la biorrefinería esta

Estos biopolímeros se organizan a partir de

aparente desventaja es aprovechada. Al unir

sus monómeros (hexosas y pentosas) en

diferentes

procesos

largas cadenas unidas por enlaces covalentes

diferentes

condiciones

(Sunna y Antranikian, 1997; Lynd et al.,

diferentes

microorganismos se

2002). A su vez las cadenas de celulosa,

aprovechamiento de la biomasa vegetal

principalmente

vegetal compuesta

se por

biotecnológicos de

operación logra

con y el

hemicelulosa y lignina se encuentran unidas

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obteniendo diferentes productos de interés

componente son los residuos orgánicos en

para la sociedad (Kamm y Kamm, 2004).

proporciones de 50 - 60 % (INEGI, 2008). Para

atender

el

problema,

se

busca

transformar estos residuos en energía y a la La bioenergía es aquella que se deriva de la biomasa, es decir, de fuentes biológicas como

vez reducir sus volúmenes mediante procesos anaerobios y/o físico-químicos.

los residuos orgánicos, madera, granos, etc.; y por lo tanto es considerada como una energía renovable que puede reemplazar a los combustibles fósiles al mismo tiempo de reducir la emisión de gases de efecto

Producción de hidrógeno por fermentación oscura

invernadero (Islas et al., 2007). Uno de los principales problemas en el uso de energías

El proceso microbiológico anaerobio de

alternativas es la disponibilidad de los

descomposición de la materia orgánica, o

recursos (materias primas) para generarlas.

fermentación oscura, puede ser dividido en

Este problema puede ser atendido mediante la

cuatro fases (Madigan et al., 1997): i)

utilización

en

hidrólisis o conversión de material orgánico

cantidades suficientes, de bajo costo y que no

no soluble a compuestos orgánicos solubles;

compitan con los alimentos por la tierra de

ii) acidogénesis o conversión de compuestos

cultivo (Saxena et al., 2009). Tal es el caso de

solubles

los residuos orgánicos municipales y los

volátiles y CO2; iii) acetogénesis o conversión

residuos agrícolas. Los residuos orgánicos

de los ácidos orgánicos volátiles a acetato e

son un tipo de biomasa cuya utilización

hidrógeno; iv) metanogénesis o conversión de

implica la reducción de volúmenes de

acetato, CO2 e hidrógeno a metano.

de

biomasa

disponible

orgánicos

a

ácidos

orgánicos

desecho y el uso adecuado y sostenible de los recursos naturales (Poggi-Varaldo et al.,

Para lograr la producción constante de

1997b; Hartmann y Ahring, 2006). Los

hidrógeno en un biorreactor hidrogenogénico,

residuos orgánicos municipales constituyen

es necesario evitar que suceda el cuarto paso

actualmente un problema para las grandes

biológico (metanogénesis). Esto se logra

ciudades debido a las enormes cantidades que

mediante la inhibición de la población de

se generan y a la falta de aplicaciones de que

arqueas metanogénicas ya sea manteniendo

pueden ser objeto. En México se producen

un pH bajo (5.5-6.5), por la adición de

102,000

sólidos

acetileno (Sprott et al., 1982), bromoetano

municipales (DSM), de los cuales su mayor

sulfonato (BES) (Sparling y Daniels, 1987),

ton/día

de

desechos

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choque térmico (Han y Shin, 2004; Kyazze et

C6H12O6 + 2H2O → 4 H2 + 2 CH3COOH + 2 CO2

al., 2006; Mohan et al., 2008) o control

C6H12O6 → 2H2 + C3H7COOH + 2CO2

biocinético

(Valdez-Vazquez

y

(2)

PoggiLa producción fermentativa de H2 puede ser

Varaldo, 2009).

llevada a cabo por una gran variedad de por

los

microorganismos mesofílicos y termofílicos

forma

de

en condiciones anóxicas. Los principales

mantener el equilibrio redox durante la

grupos de microorganismos conocidos como

fermentación. La mayoría del hidrógeno en el

generadores de hidrógeno son Enterobacter,

biogás se obtiene a través del metabolismo

Bacillus y Clostridium (Levin et al., 2004).

El

hidrógeno

microorganismos

es

producido

como

una

anaerobio del piruvato, formado durante el catabolismo de varios sustratos (Hallenbeck y

Entre los microorganismos reconocidos como

Beneman, 2002). El piruvato, generado

mayores

mediante la glicólisis, es usado en ausencia

encuentran los del género Clostridia, como C.

de oxígeno para producir acetil-CoA del cual

pasteurianum, C. butyricum y C. beijerinkii

se genera adenosin trifosfato (ATP), también

(Kapdan y Kargi, 2006). La producción de H2

ferredoxina reducida, de donde se pueden

por estas bacterias es altamente dependiente

generar las moléculas de H2. Las bacterias

de diversas condiciones como pH, tiempo de

entéricas derivan H2 de formato y los

incubación (sistemas en lote) y tiempo de

anaerobios estrictos de ferredoxina reducida

retención hidráulica (sistemas continuos),

(Cammack et al., 2001). Es evidente que la

presión parcial de hidrógeno, los cuales

producción de H2 siempre va acompañada de

afectan el balance metabólico. Además se ha

otros

fermentación,

reportado que las altas concentraciones de

principalmente los ácidos acético y butírico.

ácido láctico son perjudiciales para la

De acuerdo a la estequiometría de la reacción

hidrogenogénesis, pues por un lado su

bioquímica típica de algunos géneros de

producción consume iones de hidrógeno y

Clostridia, la bioconversión de 1 mol de

además los microorganismos productores

hexosa en acetato produce 4 mol H2 (Ec. 1),

ácido

pero sólo 2 mol H2/mol de hexosa son

Enterococcus sp., y Bifidobacterium spp.,

formados cuando el butirato es el producto

producen también bacteriocinas, compuestos

final (Ec. 2) (Kapdan y Kargi, 2006).

tóxicos para los microorganismos del género

productos

de

la

productores

láctico,

como

de

hidrógeno

Lactobacillus

se

sp.,

Clostridia (Noike et al., 2002; Muñoz-Páez et al., 2011; Escamilla-Alvarado et al., 2010a).

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(1)

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Los

organismos

del

género

Clostridia

En la actualidad la fermentación oscura se ha

producen gas hidrógeno durante su fase de

llevado a cabo principalmente en sistemas de

crecimiento exponencial. Cuando se alcanza

cultivo sumergido (Liu et al., 2006; Ueno et

la fase estacionaria su metabolismo cambia a

al., 2007). Este tipo de procesos tiene como

solventogénesis. Se ha identificado que

inconveniente la utilización de grandes

alrededor del 64% de los microorganismos

volúmenes

presentes en un proceso mesofílico de lodos

fermentación en sustrato sólido tiene como

pertenecen a éste género (Fang et al., 2002).

principales

Debido a que tienen la capacidad de esporular

agitación

a altas temperaturas, es posible obtener un

residuales de proceso y volúmenes más

cultivo dominante de este género mediante un

reducidos de reactor (Cannel y Moo-Young,

tratamiento térmico.

1980; Poggi-Varaldo et al., 1997b). La

de

agua.

ventajas continua,

En

que

contraste,

no

ausencia

la

requieren de

aguas

aplicación de fermentación en sustrato sólido Se ha reportado que el intervalo óptimo de

hidrogenogénica, en contraste puede necesitar

pH para la producción de hidrógeno se

un control más complejo si se requiere una

encuentra entre 5.0 y 6.0 (Han y Shin, 2004;

homogeneidad

Gómez et al., 2006; Kyazze et al., 2006).

(Cannel y Moo-Young, 1980).

completa

en

el

sistema

Adicionalmente, para poder obtener buenos rendimientos de producción de hidrógeno es necesario

inhibir

metanogénicos,

ya

a que

los

organismos

pueden

Producción de metano

utilizar

hidrógeno en su metabolismo. Existen otros

En la naturaleza el metano es el compuesto

factores aparte de los biológicos que pueden

orgánico con la energía libre más baja por

inhibir

el

electrón después del dióxido de carbono. En

incremento de la presión en el espacio

un sistema termodinámicamente cerrado, los

gaseoso de los digestores que tiende a inhibir

sustratos se convertirán eventualmente a

la producción de hidrógeno. El venteo y el

metano y dióxido de carbono. Sin embargo

barrido con un gas inerte ha demostrado ser

durante la fermentación oscura de la materia

útil, duplicando la producción de hidrógeno al

orgánica, una gran cantidad de compuestos,

barrer el espacio gaseoso con metano. De

como solventes, ácidos orgánicos, hidrógeno,

forma similar el venteo intermitente mejoró la

entre otros, son producidos además del

producción de hidrógeno (Valdez-Vázquez et

metano y del dióxido de carbono (Angenent

al., 2006).

et al., 2004).

la

hidrogenogénesis,

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como

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Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería Carlos Escamilla-Alvarado, Héctor Poggi-Varaldo y M. Teresa Ponce-Noyola

La digestión metanogénica es una tecnología

estos valores la producción de metano se ve

ampliamente utilizada en el tratamiento de

seriamente afectada (Reith et al., 2003).

desechos y aguas residuales. Los productos finales son una mezcla de metano (55-75%) y

La producción biológica de metano es llevada

dióxido

Las

cabo por arqueas metanogénicas, entre los

bajos

que se incluyen los géneros Methanosarcina,

de

instalaciones requerimientos

carbono son

(22-45%).

simples

energéticos

con y

espaciales

Methanococcus,

Methanosaeta,

(Reith et al., 2003). Puede ser llevada a cabo

Methanobacterium (Oremland, 1988) que

a

temperatura:

actúan en una asociación sintrófica con otros

psicrofílico (10-20ºC), mesofílico (20-40ºC),

microorganismos en la fermentación oscura

termofílico (50-70ºC) e hipertermofílicos (70-

(Madigan et al., 1997). Estas se pueden

90ºC) (Hartmann y Ahring, 2005; das Neves

clasificar

et al., 2009). Se puede generalizar que la

hidrogenoclastas,

conversión biológica del sustrato es menor a

metabolismo

bajas temperaturas, y superior a altas,

hidrógeno. Se sabe que sólo los géneros

teniendo la mayoría de los metanógenos una

Methanosarcina y Methanococcus tienen

temperatura óptima de 35ºC (Oremland,

especies capaces de crecer con acetato como

1988).

única fuente de carbono y energía (Oremland,

diferentes

intervalos

de

como

acetoclastas dependiendo

consume

ácido

o

si

su

acético

o

1988). Muchos compuestos tienen un efecto tóxico sobre la producción de metano cuando se

El metano es producto de una serie de

encuentran en grandes concentraciones, como

reacciones de oxido-reducción a través de las

los ácidos orgánicos volátiles (AOV), el

cuales la célula busca obtener moléculas de

amoníaco (Poggi-Varaldo et al., 1997a),

ATP y acetil-Co-A para la biosíntesis. La vía

cationes como Na+, K+ y Ca2+, metales

de la acetilCo-A, o de Ljungdahl-Wood, es un

pesados, sulfuros y xenobióticos (Chen et al.,

mecanismo de autotrofía en las bacterias

2008).

excesiva

homoacetogénicas, reductoras de sulfato y

acumulación de AOV traería consigo la

arqueas metanogénicas (Madigan et al.,

disminución del pH del medio por abajo del

1997). Estas utilizan H2 para reducir CO2 y

límite permitido para metanogénesis, con lo

formar metilo unido a la enzima corrinoide.

que ésta se inhibiría y los ácidos orgánicos

Finalmente ésta se combina con CO mediante

continuarían acumulándose. El intervalo de

la CO deshidrogenasa y que en presencia de

pH necesario para mantener la metanogénesis

coenzima A cataliza la formación del

se ubica de 7.0 – 8.0. En los extremos de

acetilCo-A. El acetilCo-A sintetizado se

Por

ejemplo,

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una

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puede

de

etapa predecesora (Liu et al., 2006; Robledo-

crecimiento celular, o bien para la producción

Narváez et al., 2008, Escamilla-Alvarado,

de ATP mediante la formación de una

2009).

molécula de metano. Este proceso se lleva a

hidrogenogénico-metanogénico. La primera

través de la CO deshidrogenasa que sirve

etapa consiste en la hidrólisis de la materia

como intermediaria, sustrayendo el grupo

orgánica con el objeto de producir hidrógeno

acetilo de la coenzima A, para trasladar el

además de los ácidos orgánicos inherentes del

metilo a la enzima corrinoide y por otro lado

proceso, en tanto que en la segunda etapa

oxidar a CO2 el CO que se encontraba todavía

ocurre la conversión de los ácidos orgánicos

unido a la CO deshidrogenasa tras su

en metano (Demirel y Yenigün, 2002;

desmetilación. La enzima corrinoide traslada

Robledo-Narváez et al., 2008; Escamilla-

el grupo metilo a la coenzima M que logra la

Alvarado et al., 2010a). La figura 1 muestra

reducción final del metilo al metano usando

el diagrama de flujo del proceso.

los

utilizar

protones

para

los

producidos

procesos

por

la

Tal

es

el

caso

del

proceso

Fig. 1 Diagrama de flujo del proceso hidrogenogénico-metanogénico

descarboxilación de la CO deshidrogenasa. Como donadores de electrones para la reducción de CO2 a CH4, además del H2, se tiene también al piruvato, alcoholes y acetato, que pueden ser utilizados para la biosíntesis (Vogels et al., 1988; Madigan et al., 1997).

Proceso en serie para producción de hidrógeno y metano Fuente: Elaboración propia.

Como se mencionó anteriormente, durante el mecanismo de fermentación de la materia orgánica, una gran variedad de productos intermediarios y metabolitos son formados. Con la implementación de procesos en serie se busca la obtención de un producto diferente en cada etapa, utilizando los

En general, una hidrogenogénesis estable necesita de condiciones particulares para su desarrollo, un ambiente reductor alrededor de pH

5.5,

ausencia

hidrogenotróficos

de

microorganismos

(e.g.

arqueas

metanogénicas) o sin contribución a la

subproductos o metabolitos generados en la

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Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería Carlos Escamilla-Alvarado, Héctor Poggi-Varaldo y M. Teresa Ponce-Noyola

producción de H2 (e.g. microorganismos

et al., 2006; Wang y Zhao, 2009; Escamilla-

solventogénicos y bacterias del ácido láctico),

Alvarado et al., 2010a).

altas

cargas

orgánicas,

temperaturas

mesofílicas, termofílicas o hipertermofílicas,

Diferentes grupos de investigadores han

entre otras. Controlando el pH y manteniendo

usado desechos orgánicos para la producción

una carga orgánica alta se favorecerá la

de biohidrógeno (Zhang et al., 2007; Mohan

producción de hidrógeno y ácidos orgánicos

et al., 2008), desechos de comida (Liu et al.,

(Valdez-Vázquez y Poggi-Varaldo, 2009). El

2006;

hidrógeno en fase gaseosa escapa del medio

(Siriwongrungson et al., 2007; Karlsson et

de cultivo, y los sólidos fermentados junto

al., 2008), y fracción orgánica de residuos

con

solventes

sólidos urbanos (Valdez-Vázquez et al. 2006;

producidos pueden ser entonces alimentados

Escamilla-Alvarado et al., 2010a; Muñoz-

al proceso metanogénico para continuar su

Páez et al., 2011).

los

ácidos

orgánicos

y

Ueno

et

al.,

2007),

excreta

conversión a CH4 y CO2 (Escamilla-Alvarado et al., 2010a).

En procesos en serie existe cierto predominio de

las

temperaturas

mesofílicas,

las

A su vez, las arqueas metanogénicas se ven

termofílicas son poco estudiadas y no se

favorecidas en ambientes con pH 7.5–8, bajas

encontró ningún estudio sobre condiciones

cargas orgánicas y temperaturas mesofílicas o

hipertermofílicas.

termofílicas (Hartmann y Ahring, 2006). Si el

trabajaron

biorreactor se trabaja en estas condiciones y

metanogénesis a 60 y 55ºC respectivamente,

además cuenta con un consorcio bien

con productividades de 2.4 LH2/L/d y 4.4

establecido que continúa hidrolizando la

LCH4/L/d. Los sustratos más fácilmente

materia

asimilables

orgánica

la

tienen

et

al.

(2007)

hidrogenogénesis

productividades

y

de

reduciendo

los

entonces

el

hidrógeno superiores, pero inferiores de

acoplamiento hidrogenogénico-metanogénico

metano. Tal es el caso de Kyazze et al.

resulta exitoso. Además en un proceso en

(2006),

serie, es posible incrementar la producción de

obtuvieron una productividad de hidrógeno

metano comparado con un proceso sólo

de 6.7 L/L/d, y de 2.3 L/L/d para el metano.

metanogénico por efecto de la hidrólisis del

Sin embargo, utilizar este tipo de sustratos

sustrato ocurrida en la etapa hidrogenogénica.

incrementa los costos de operación. Por el

Esto a su vez se traduce en menores tiempos

contrario, utilizar materiales de desecho

de residencia en la etapa metanogénica (Liu

permite disminuir estos costos y resolver

compuestos

y

Ueno

orgánicos,

quienes

utilizaron

sacarosa

y

problemas ambientales, manteniendo aún

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muy buenas productividades (Hartmann y

que presenta algunas ventajas con respecto a

Ahring, 2006). Mohan et al. (2008) utilizaron

la fermentación en cultivo sumergido, como

agua residual sintética con un contenido de

el ahorro de agua de dilución, escasa

compuestos como NH4Cl, MgCl2, FeCl3,

agitación

NiSO4, CoCl2 y glucosa como fuente de

Escamilla-Alvarado et al. (2010b), operando

carbono. Observaron que fue posible producir

biorreactores en sustrato sólido al 35% ST,

hidrógeno y metano a partir de esta agua

incrementaron la producción energética bruta

contaminada y reportaron rendimientos de

(hidrógeno más metano) hasta en un 76%

hidrógeno y metano equivalentes a 0.19 y

debido al proceso en serie comparado con un

0.18 L/L/d respectivamente. Se atribuye que

proceso sólo metanogénico. Atribuyeron este

la producción de hidrógeno y metano estuvo

rendimiento a una producción de metano

limitada por la baja carga orgánica con que

mejorada debido a que la separación de la

fueron

de

etapa hidrogenogénica tuvo un efecto en la

biopelícula. Liu et al. (2006), operaron

hidrólisis del sustrato, produciendo ácidos

digestores fermentativos por alrededor de tres

orgánicos y haciéndolo más fácilmente

meses usando desecho sólidos urbanos al

digerible

10% de sólidos totales (ST) como sustrato.

presente en la etapa metanogénica. Además

Ellos reportaron que el hidrógeno se producía

reportaron que la temperatura mesofílica dio

a partir del día 1 (640 mL/d) en reactores de

mejores resultados para la producción de

agitación continua con 0.4 L de volumen de

hidrógeno, mientras que en la metanogénesis

trabajo. El acetato (53%) y el butirato (20%)

el régimen termofílico tuvo un mejor

fueron los principales ácidos grasos volátiles

desempeño.

alimentados

sus

reactores

y

simplicidad

para

el

del

consorcio

proceso.

microbiano

encontrados. El escalamiento de los procesos en serie En general, los procesos en serie mejoraron la

hidrogenogénicos-metanogénicos

producción de metano (Han y Shin, 2004;

planta piloto hasta el momento ha sido escaso

Ueno et al., 2007). En el caso de Liu et al.

en contraste con los existentes para la

(2006), la producción de metano se elevó al

hidrógenogénesis o metanogénesis como

21% comparado con un proceso de una sola

tecnologías separadas. Ueno et al. (2007)

etapa. La mayoría de los procesos de

desarrollaron un proceso continuo en dos

producción de hidrógeno y metano operaron

etapas a escala piloto, compuesto por un

con un contenido muy bajo de ST, por lo

tanque agitado (volumen de trabajo = 110 L)

general inferior al 10%. La producción de

para la producción de hidrógeno en serie con

bioenergía en sustrato sólido es atractiva ya

un

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reactor

empacado

con

a

nivel

recirculación

535

Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el esquema de biorrefinería Carlos Escamilla-Alvarado, Héctor Poggi-Varaldo y M. Teresa Ponce-Noyola

interna (volumen de trabajo = 340 L) para la

todo el potencial hidrogenogénico de la

etapa metanogénica. Wang y Zhao (2010) por

materia orgánica, el proceso en sí presenta la

su parte, también desarrollaron un proceso a

ventaja de incrementar el potencial energético

escala piloto alimentando residuos de comida

bruto del sustrato significativamente con

de restaurante con un contenido mayor de ST

respecto a un proceso metanogénico de una

(17%). Utilizaron un tambor rotatorio de 200

sola etapa.

L y un tanque agitado de 800 L para las etapas

hidrogenogénica

y

metanogénica

respectivamente. Ellos alcanzaron el 61 y 57% de la productividad hidrogenogénica y metanogénica reportada por Ueno et al.

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Conclusiones Los procesos en serie proponen una forma integrada de aprovechar dos bioprocesos para la

obtención

de

productos

de

interés

comercial: el hidrógeno y el metano. Al formar parte de la misma ruta de degradación

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anaerobia de la materia orgánica, ambas etapas

son

perfectamente

acoplables

y

complementarias. En la primera etapa se hidroliza la materia orgánica y se obtienen hidrógeno y ácidos orgánicos. Esto representa dos ventajas para el proceso en conjunto. El hidrógeno producido puede ser convertido en energía, y la materia hidrolizada y ácidos orgánicos producidos son más rápidamente aprovechados y convertidos a metano. Aún cuando

los

procesos

hidrogenogénicos-

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