fermentación oscura

 FERMENTACION
OSCURA
1.‐ Definición La fermentación oscura consiste en la obtención de hidrógeno a partir de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos en ausencia de luz por la acción combinada de un grupo de bacterias anaeróbicas. 2.‐ Proceso de producción La generación de biohidrógeno a través de la fermentación oscura es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos microbianos que crecen en oscuridad, principalmente del género Enterobacter, Bacillus y Clostridium, los cuáles actúan de manera coordinada y secuencial, para descomponer la materia orgánica, en ausencia de oxigeno libre. Los monosacáridos son la principal fuente de carbono particularmente la glucosa seguida de la xilosa, el almidón, la celulosa y otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos. En ambientes anóxicos, los protones pueden actuar como un aceptor de electrones en presencia de la enzima hidrogenasa. En estas condiciones las bacterias anaerobias sin requerimientos de energía lumínica fermentan sustratos ricos en carbohidratos. En este proceso interactúan diversas clases de microorganismos, los cuales convierten la materia orgánica en otros compuestos, incluido el hidrógeno, y en nuevas células bacterianas. El proceso se divide en varias rutas metabólicas con la participación de diferentes grupos microbianos, cada uno con un comportamiento fisiológico distinto. La formación de hidrógeno comienza con la hidrólisis, primer paso necesario para la degradación anaerobia de los sustratos orgánicos complejos, ya que éstos no pueden ser utilizados directamente por los microorganismos; en ella la materia orgánica polimérica se convierte en compuestos solubles que pueden atravesar la membrana celular. La hidrólisis es llevada a cabo por enzimas extracelulares excretadas por bacterias celulolíticas, bacterias hidrolíticas y bacterias acidogénicas, que permiten la ruptura de los polímeros orgánicos hasta subunidades más pequeñas fácilmente transportadas al interior celular (Vavilin et al, 2001). En la fase ácida o fermentación acidogénica, etapa posterior a la hidrólisis, las bacterias acidificantes transforman la materia orgánica disuelta en una gran variedad de productos de fermentación. Los productos finales son ácidos grasos volátiles. En la acetogénesis los componentes más reducidos de la etapa anterior son oxidados a ácido acético, dióxido de carbono e hidrógeno, que sirven de sustrato a bacterias metanogénicas. Esta oxidación es llevada a cabo por bacterias facultativas que viven en estrecha colaboración con las bacterias metanogénicas, son bacterias sintróficas denominadas “acetógenas” u “organismos protón‐reductores obligados” (McCarty et al., 1981). 1 Dentro de las consideraciones prácticas del proceso el pH y la presión parcial de los gases son algunos de los parámetros más críticos. El pH influye tanto en la cantidad de hidrógeno producido (máximo con pH 5‐6) como en los productos de fermentación: con valores de pH entre 4 y 6 se produce más butirato que acetato mientras que si se eleva el pH hasta 6,5‐7 la proporción de butirato y acetato son semejantes. La presión parcial de hidrógeno es otro parámetro crítico. Cuando la concentración de hidrógeno en el medio aumenta, las rutas metabólicas se reorientan para producir sustratos más reducidos como lactato, etanol, acetona, butanol o alanina, lo que provoca una disminución en la producción de hidrógeno. La presencia de microorganismos consumidores de H2 (metanógenos y acetógenos) disminuye el rendimiento del sistema. Para evitarlo se realiza un choque térmico antes del proceso. El ajuste del tiempo de retención hidráulico (HRT, Hydraulic Retention Time) y evitar la acumulación excesiva de H2 también evita el desarrollo de los consumidores de hidrógeno, así como mantener valores de pH por debajo de 6,5 (inhibe el crecimiento de metanógenos). 3.‐ Productos/ Subproductos Obtenidos El producto obtenido con la fermentación oscura es biogás que contiene: H2, CO2, CO, H2S y, en algunos casos CH4; es necesaria la separación del hidrógeno de esta mezcla de gases para que sea apto para ser utilizado directamente. Para la separación y purificación del hidrógeno el proceso más usado es la separación de gas, donde se maneja una presión conducida por 2 membranas pudiendo separarse la mezcla de gases con membranas porosas o no porosas, basándose en la permeabilidad y selectividad de los gases. 4.‐ Idoneidad de Subproductos Los subproductos que se pueden utilizar para la generación de biohidrógeno son residuos agrarios, cultivos energéticos, aguas residuales de industrias alimentarios, en general, residuos ricos en hidratos de carbono. Dichos sustratos al poseer estructuras moleculares complejas son difíciles de asimilar por los microorganismos, por ello es necesario emplear un pretratamiento para que puedan ser fácilmente asimilados por las bacterias productoras de H2. Los pretratamientos más conocidos son la ultrasonificación, acidificación, la congelación y descongelación, esterilización y las microondas. 5.‐ Ventajas e Inconvenientes Ventajas de la fermentación oscura  Las tasas de producción pueden ser órdenes de magnitud mayores que otros sistemas de obtención de hidrógeno.  Pueden producir hidrógeno de forma constante.  Gran posibilidad de escalado y aplicación industrial a corto plazo.(Levin et al., 2004)  No depende de fuentes de luz externa por lo que no requiere transparencia en el licor en el que están presentes los microorganismos. (Vijayaraghavan y Soom, 2006).  Construcción relativamente simple, la operación demanda poca energía.  Los sistemas de digestión anaerobia en los que actualmente se cuenta con una fase de acidificación podrían reconvertirse para obtener en esta primera fase hidrógeno y de este modo aumentar la rentabilidad de dichos procesos. Inconvenientes de la fermentación oscura  Los sistemas de producción de hidrógeno son más complejos que aquellos destinados a la producción de metano, debiéndose dicha complejidad en parte a la misma termodinámica de las reacciones.  Bajo rendimiento.  El producto líquido precisa tratamiento posterior debido a su alto contenido en ácidos grasos volátiles.  Falta de tecnología para cosechar el H2 tan pronto se produzca. 3