Producción de hidrógeno y metano como biocombustibles bajo el

[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. cea_escamilla@yahoo.com.mx
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. hectorpoggi2001@gmail.com
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:
tponce@cinvestav.mx ISBN 978-607-8164-02-8
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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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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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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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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
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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
ISBN 978-607-8164-02-8
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
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