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Volumen 20 N° 3, Septiembre - Diciembre 2012

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Producción de biohidrógeno a partir de residuos mediante fermentación oscura: una revisión crítica (1993-2011)

Sergio Andrés Blanco Londoño1 Tatiana Rodríguez Chaparro1

 

1Laboratorio de Saneamiento. Programa de Ingeniería Civil. Universidad Militar Nueva Granada. C.P.: 110111. Bogotá, Colombia. E-mail: sergio.blanco@unimilitar.edu.co; adela.rodriguez@unimilitar.edu.co


RESUMEN

El hidrógeno es una energía atractiva debido a su alto contenido energético y combustión amigable. Entre los diferentes mecanismos existentes para la producción de hidrógeno, la fermentación oscura es uno de los más interesantes debido a que se aprovechan residuos como materia prima. Actualmente, la investigación en hidrógeno se encuentra en desarrollo, sin embargo, los resultados no han sido concluyentes, existiendo aún un vacío en los factores que se deben tener en cuenta y sobre todo no se ha llegado al nivel máximo de producción. En este sentido, este trabajo pretende, por medio de una revisión crítica de estudios realizados en el periodo 1993-2011, mostrar los factores más estudiados, configuraciones más empleadas y los principales resultados en este tema. Con base en esto, se encontró no sólo la necesidad de optimizar los factores que influyen en la producción, sino también la necesidad de incrementar la realización de estudios en escala real y régimen continuo.

Palabras clave: Biohidrógeno, energía renovable, fermentación oscura, optimización, residuos.


ABSTRACT

Hydrogen is an attractive energy source due to its high energy content and friendly combustion. Among the various mechanisms for hydrogen production, dark fermentation is one of the most interesting, because it uses the wastes as feedstock. The research on hydrogen production is to date in study, but the results are not yet conclusive. In this sense, this paper aims to do a critical review between 1993 and 2011 to show the most studied factors, the configurations most employed and the main results on this topic. Our findings showed the need, not only to optimize the factors that influence the production, but also to do more studies on real scale and in continuous flow.

Keywords: Biohydrogen, renewable energy, dark fermentation, optimization, waste.


INTRODUCCIÓN

El hidrógeno es una alternativa prometedora para reemplazar los combustibles convencionales porque es renovable y limpio y produce durante su combustión únicamente vapor de agua y energía. Además, posee el mayor contenido energético por unidad de peso, 122-142 kJ/g, comparado con cualquier combustible conocido [1-2]. Sin embargo, el H2 no está disponible en forma natural como los combustibles fósiles, por lo tanto el mayor interés está dado en la forma de producirlo y especialmente a partir de materiales renovables tales como la biomasa o el agua.

Actualmente, el 40% del gas H2 se obtiene de la oxidación catalítica de gases naturales, el 30% de metales pesados y nafta, el 18% de carbón, el 4% de la electrólisis y cerca del 1% de biomasa [2]. Entre las formas de obtención de hidrógeno anteriormente mencionadas la producción biológica a partir
de biomasa presenta un mayor interés por ser potencialmente una forma de producción inagotable.

Los estudios en la producción de hidrógeno biológico se han enfocado principalmente en la biofotólisis del agua empleando algas y cianobacterias, la fotofermentación de compuestos orgánicos por bacterias fotosintéticas y la fermentación oscura de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos mediante bacterias anaerobias; en la Figura 1 se muestra una breve comparación de estos procesos.


Figura 1. Comparación de los diferentes procesos de producción de biohidrógeno.

La obtención de hidrógeno por procesos fermentativos o fermentación oscura aparenta ser la más favorable puesto que se puede generar de forma continua y a altas tasas de producción comparado con los otros procesos biológicos [3-4]. Además, si se utiliza materia orgánica de residuos es posible obtener un producto con valor agregado a partir del tratamiento de un desecho. Los estudios en relación con la producción de hidrógeno vía fermentación oscura no presentan resultados conclusivos.

De acuerdo con lo anterior, en este artículo se pretende realizar una revisión crítica de la producción de biohidrógeno mediante la fermentación oscura de residuos. Igualmente, se explica todo el proceso de obtención de este gas comenzado por la fermentación oscura, pasando por las rutas metabólicas hasta los factores que afectan la producción. Adicionalmente, se ha incluido una lista de diferentes estudios realizados y una discusión de estos para evidenciar cuáles han sido las condiciones experimentales más empleadas y qué resultados se han obtenido. Todo esto con el objetivo de presentar el estado del arte de la producción de biohidrógeno por fermentación oscura y con ello plantear retos y perspectivas futuras alrededor de este tema.

Fermentación oscura
La generación de biohidrógeno a través de la fermentación oscura se logra principalmente por bacterias estrictamente anaerobias o anaerobias facultativas. En general, son especies del género Clostridium formadoras de esporas, facultativas de los géneros Enterobacter y Bacillus [5-9], algunas bacterias termofílicas [10-12] y acidogénicas anaerobias provenientes de lodos [5,13].

Usualmente, los monosacáridos son la principal fuente de carbono donde se destaca particularmente la glucosa seguido de la xilosa, el almidón, la celulosa y otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos, por esta razón la reacción de biotransformación de la glucosa a ácido acético, H2 y CO2 (ecuación (1)), es la ecuación ampliamente aceptada como referencia para la estimación de la producción teórica del hidrógeno fermentativo [1,14].


(1)

De acuerdo con esta reacción la producción máxima teórica de biohidrógeno a partir de la fermentación de la glucosa es de 4 moles de H2 por mol de glucosa consumida cuando el ácido acético es el único ácido graso volátil (AGV) producido. En cuanto a la energía libre de Gibbs el valor negativo indica que en la reacción se forman productos espontáneamente sin necesidad de requerimientos energéticos externos.

La máxima producción teórica de hidrógeno también se puede lograr en un proceso de dos etapas mediante la fermentación de la glucosa a acetato y formiato de acuerdo con las reacciones 2a y 2b [15].

(2a)
(2b)

Sin embargo, en la práctica se obtienen bajas producciones de H2 debido a que parte de la glucosa es empleada por los microorganismos para su sustento y crecimiento microbiano. Adicionalmente, cuando la transformación genera como subproducto ácido butírico se producen 2 moles de H2 por mol de glucosa y si se genera ácido propiónico se produce un consumo de 1 mol de H2 por mol de ácido propiónico generado [1]. La fermentación de ácido láctico y etanol no genera consumo ni producción de H2. Si se produce ácido acético y butírico al mismo tiempo como subproducto en la fermentación se generan 2,5 moles H2 por mol de glucosa.

La presencia de consumidoras de H2 tales como las bacterias homoacetogénicas, metanogénicas [15] y reductoras de nitratos y sulfatos son otro factor que reduce la producción de hidrógeno. Otros factores importantes que afectan el desempeño de la fermentación oscura están relacionados con las condiciones de operación tales como pH, tiempo de retención hidráulico, nutrientes, temperatura, concentración del sustrato, inóculo y tipo de sustrato.

La cantidad de hidrógeno obtenido por procesos fermentativos se puede cuantificar en términos de rendimiento y tasa. El rendimiento se define como la cantidad de H2 producido por cantidad de

sustrato consumido y se expresa en unidades de mol H2/mol de glucosa. La tasa de producción de hidrógeno (TPH) se define como la cantidad de H2 (ml) producido por unidad de tiempo y por unidad de volumen de reactor (tasa volumétrica) o por unidad de biomasa (tasa específica) [1].

Es importante mencionar que es posible ajustar matemáticamente la producción de hidrógeno por fermentación oscura mediante la ecuación modificada de Gompertz (ecuación (3)), la cual es un modelo adaptado para describir el progreso acumulativo de producción de H2 en un experimento batch.

(3)

donde H corresponde a la producción acumulada de H2 (ml), Hmáx a la producción acumulada máxima de H2 en (ml), Rmáx la tasa de producción máxima de H2 en (ml/h), t el tiempo del cultivo en (h) y ? el tiempo de retardo en (h) requerido para comenzar la evolución del H2. Esta ecuación ha sido empleada por diferentes autores [10, 16-18] con muy buenos ajustes r2 > 0,90, donde se ha querido correlacionar resultados experimentales con un modelo matemático de tipo predictivo.

Rutas de producción de hidrógeno fermentativo
En ambientes anóxicos, los protones pueden actuar como un aceptor de electrones en presencia de la enzima hidrogenasa, la cual es clave en el proceso de catalización para la producción de H2 [1-2]. En estas condiciones las bacterias anaerobias sin requerimientos de energía lumínica fermentan sustratos ricos en carbohidratos. En este proceso interactúan diversas clases de microorganismos, las 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 de materiales particulados complejos en materiales disueltos más simples, entre ellos la glucosa, por bacterias fermentativas hidrolíticas. En este punto se desarrolla una serie de reacciones enzimáticas donde la glucosa es convertida a través de la vía metabólica de la glucólisis también conocida como vía Embden-Meyer-Parnas (EMP) al ácido pirúvico, ecuación (4), a través de la cual 2 moles de hidrógeno pueden ser generados durante la regeneración del NADH (NADH + H+ — NAD+ + H2) [14, 19].

(4)

A continuación, el ácido pirúvico sufre un proceso de descarboxilación oxidativa por la coenzima acetil-CoA que dependiendo del sistema enzimático que tengan los microorganismos puede ser metabolizada en acetato, butirato o formiato de los cuales se generan entre 2 ó 4 moles de H2/mol de glucosa consumida [15]. De esta manera el acetil-CoA se puede generar a través de dos reacciones, ecuación (5) ó (6).

(5)
(6)

La reacción de la ecuación (5) es catalizada mediante la enzima piruvato ferredoxina oxidorreductasa, donde el ferredoxín es la coenzima que actúa como receptor de electrones [20]. El acetil-CoA puede además ser metabolizado a acetato (Figura 2a), o a butirato (Figura 2b), y en los dos casos de la reoxidación de cada mol de ferredoxín se genera un mol de H2 con la ayuda de la enzima hidrogenasa.


Figura 2. Generación de hidrógeno con producción de acetato (a) y butirato (b) a través de la ruta de la glucólisis. Adaptado de [14].

Si el acetato es el producto final, se genera un mol extra de H2 de la reducción de cada mol de NADH a NAD+, generando de esta manera una producción de H2 total de 4 moles/mol de glucosa consumida. Si el butirato es el producto final, el NADH es empleado para la oxidación del acetil-CoA a butirato, por lo tanto la producción de H2 será de 2 moles/mol de glucosa consumida. Dependiendo de las condiciones de cultivo así como del tipo de microorganismos, se puede generar simultáneamente acetato y butirato produciendo entre 2 y 4 moles de H2.

La otra manera de generación de acetil-CoA es como se muestra en la reacción de la ecuación (6), la cual conduce a la formación de formiato [14]; la reacción que se presenta en la Figura 3 es catalizada por la enzima piruvato formiato liasa, donde se obtienen 2 moles de H2 por mol de glucosa consumida.


Figura 3. Generación de hidrógeno con producción simultánea de acetato, etanol, lactato y formiato a través de la ruta de la glucólisis. Adaptado de [14].

Factores que afectan la producción de biohidrógeno
La producción de hidrógeno depende de varios factores, los cuales están asociados con condiciones ambientales, operacionales y químicas. Estos factores han sido evaluados por diferentes investigadores con el objetivo de obtener la máxima producción de 4 moles de H2 por mol de glucosa. En esta sección se tratará cada uno de ellos explicando cómo afectan la producción de biohidrógeno.

Inóculo
Para la obtención de H2 se han empleado bacterias en cultivos puros y mixtos como inóculos que para el primer caso en su mayoría corresponden a especies del género Clostridium y Enterobacter [3, 21]. Los organismos de las diferentes especies del género Clostridium son bacilos gram-positivos, estrictamente anaerobios y formadores de esporas, mientras las Enterobacter son bacterias bacilos gram-negativas y anaerobias facultativas [21]. La mayoría de los estudios para la obtención de H2 se han realizado con cultivos puros, en régimen batch y empleando glucosa como sustrato [2, 21].

Actualmente, los cultivos mixtos de bacterias de lodos anaerobios, lodos de plantas de tratamiento, compost y el suelo se han empleado como inóculo para la producción de H2 [22], debido a que existe una amplia fuente de alimentos que los contienen y son potencialmente más resistentes a cambios en las condiciones ambientales en relación con los cultivos puros. Sin embargo, en la producción de H2 empleando cultivos mixtos, el H2 producido puede ser consumido. Por esta razón, para proteger las bacterias productoras de H2, el inóculo es pretratado empleando métodos tales como: choque térmico, acidificación, alcalinidad, congelación y descongelación, aireación y adición de cloroformo, los cuales inactivan la actividad bacteriana de las bacterias consumidoras de H2 para impedir que estas proliferen [23].

pH del cultivo
El pH es un factor importante que influye en la actividad de las bacterias productoras de H2, porque afecta la actividad de la hidrogenasa así como las rutas metabólicas [2-3, 21]. Estudios comparativos con respecto al efecto del pH en la producción de H2 han mostrado que el rango de pH óptimo para lograr la máxima producción de H2 está entre 4,5 y 6,0 [3].

Sustrato
Para la producción de H2 se han empleado diferentes clases de sustratos. La glucosa, sacarosa y el almidón son los que más se han empleado como sustrato [21]. En muy pocos estudios se han utilizado residuos orgánicos como sustrato para la producción de H2 [2].

Para la producción de H2 no es ideal emplear sustratos con estructuras moleculares complejas debido a que estos son difíciles de asimilar por los microorganismos, sin embargo después de emplear un pretratamiento con algunos métodos estos sustratos pueden ser fácilmente asimilados por las bacterias productoras de H2 [21].

Los pretratamientos más conocidos para la degradación de sustratos difíciles son la ultrasonificación, acidificación, el congelamiento y descongelamiento, esterilización y las microondas.

Temperatura
La temperatura es un factor que influye en la actividad de las bacterias productoras de H2 y en la producción de H2 fermentativo, siendo un parámetro de tipo selectivo pues afecta la tasa de crecimiento y la ruta metabólica de los microorganismos. Las bacterias son capaces de producir H2 en rangos de temperatura que van desde 15 hasta 85°C, en rango mesofílico (25-30 °C), termofílico (40-65 °C) e hipertermofílico (>80 °C).

Nutrientes
En los procesos fermentativos para producción de H2 el nitrógeno, los fosfatos y algunos iones metálicos son importantes para el crecimiento celular de las bacterias productoras de H2.

El nitrógeno es un componente de las proteínas, ácidos nucleicos y enzimas, por lo tanto una concentración de nitrógeno apropiada favorece el crecimiento de las bacterias productoras de hidrógeno y la producción de H2 fermentativo [24].

En relación con los fosfatos estos son necesarios para la producción de H2 debido a su valor nutricional, así como a su capacidad de tamponamiento [21] y [24] mencionan que en un rango apropiado, aumentar la concentración de fosfatos incrementa la capacidad de las bacterias productoras de H2 de producir H2 fermentativo.

Los iones metálicos más importantes en la producción de H2 fermentativo son el Mg2+, Na+, Zn2+ y Fe2+, dado que estos elementos son necesarios para los cofactores enzimáticos, los procesos de transporte y las deshidrogenasas [25]. De estos iones el Fe2+ es el que más se ha investigado al ser un componente clave en la actividad enzimática de la hidrogenasa [26]. Los metales pesados han sido reportados como tóxicos por [22] para la producción de H2 fermentativo de acuerdo con el siguiente orden de toxicidad: Cu>Ni-Zn>Cr>Cd>Pb.

A continuación se presenta un resumen de trabajos publicados relacionados con la producción de biohidrógeno que abarcan un periodo de tiempo de 1993-2011, las diferentes condiciones con las cuales se realizaron los experimentos de producción de H2 fermentativo y los principales resultados obtenidos por los autores. Esta información se resume en forma cronológica en la Tabla 1.

Tabla 1. Literatura relacionada con producción de biohidrógeno.




Una revisión de las investigaciones referenciadas en la Tabla 1 evidencia que la mayoría de estudios se han realizado en reactores tipo batch y son pocos los experimentos efectuados en régimen continuo, esto se debe probablemente a la simple operación y control de los primeros. Los volúmenes de los reactores en batch y la cantidad de botellas utilizadas fueron muy diferentes empleando botellas de vidrio de capacidad de 70 hasta 4.000 ml y desde 1 hasta 12 botellas, lo que se debe a la cantidad de inóculo y sustrato empleados así como a las diferentes réplicas que hace cada autor para justificar la validez de sus resultados.

En la mayoría de experimentos se emplearon como inóculo lodos anaerobios provenientes de PTAR seguido de lodos provenientes de reactores CSRT, RALFH y UASB; estos inóculos fueron pretratados principalmente mediante choque térmico y se utilizaron cultivos mixtos de bacterias. Los estudios que emplearon cultivos puros de bacterias se realizaron en régimen batch y empleando glucosa como sustrato. En algunos estudios se emplearon compuestos orgánicos especiales como estiércol de elefante, compost y residuos industriales.

Los estudios han utilizado principalmente glucosa, sacarosa y almidón respectivamente como sustratos, en concentraciones que variaban desde 300 hasta 11.700 mg/l para la glucosa, en los estudios que se empleó sacarosa las concentraciones fueron de 20.000 mg/l y para el almidón de 200 mg/l. Otros sustratos empleados fueron celulosa en polvo, peptonas, xilosa y lactato, los cuales se utilizaron a diferentes concentraciones.

Los nutrientes empleados contenían una fuente de fosfatos, los cuales se obtenían de la adición de KH2PO4 en concentraciones que variaban desde 125 mg/l hasta 250 g/l, una fuente de nitrógeno obtenida de la adición de NH4Cl principalmente en concentraciones desde 17,3 mg/l hasta 12,5 g/l o NH4HCO3 en concentraciones de 2 g/l hasta 200 g/l y iones metálicos Mg2+, Na+, Zn2+ y Fe2+ obtenidos de diferentes sales con distintas concentraciones.

Los autores reportan diferentes condiciones de operación de temperatura, pH y TRH. La mayoría de estudios se realizaron en un rango de temperatura mesofílico variando desde 26 hasta 37 °C y algunas en rango termofílico con variaciones entre 55 hasta 65 °C, ninguno en rango hipertermofílico >80 °C. El pH inicial utilizado por los autores se desarrolló en un rango entre 4,0-7,5, empleándose en la mayoría de estudios pH ácidos leves entre 6,0-7,0. Los TRH utilizados variaron entre 0,5-13,3 h, empleándose principalmente TRH en un rango entre 6,0-8,0 h.

Los reactores han generado producciones de H2 muy variables, las cuales no son comparativas en la mayoría de los casos puesto que la cantidad de H2 se ha cuantificado en términos de rendimiento, TPH, TPEH y en términos de biomasa, las cuales no son unidades homólogas entre sí. Teniendo en cuenta lo anterior, las producciones de H2 en los estudios variaron en términos de rendimiento entre 0,85 hasta 2,48 mol H2/mol de glucosa, TPH entre 4,56 ml H2/l.h hasta 1,32 l H2/l.h, TPEH entre 3,73 hasta 17 mmol H2/g SSV y en términos de biomasa 15,20-24 ml/g SSV/h.

En aquellos estudios donde se realizó un análisis de la producción de AGV se generaron ácidos grasos de acuerdo con el siguiente orden: acético, butírico y propiónico, lo cual indica que se favoreció la ruta de producción donde se genera como subproducto acetato principalmente, siendo esta la ruta que produce más H2 fermentativo. La producción de los otros ácidos no es tan favorable para la generación de H2, por tanto su presencia es un indicativo de que el proceso no ha sido completamente controlado.

Como se evidencia en los estudios no se ha obtenido la máxima producción teórica de H2 fermentativo, lo cual demuestra que aún es posible mejorar las condiciones que afectan la producción de biohidrógeno.

RETOS Y PERSPECTIVAS FUTURAS

La fermentación oscura, las rutas de producción de H2 y los factores que afectan la producción de H2anteriormente mencionados han sido estudiados por numerosas investigaciones en todo el mundo en los últimos años. Los estudios realizados han buscado obtener la mayor producción factible de H2 fermentativo, estos a su vez se han basado en la selección de algunos factores, los cuales son variados de manera controlada para evaluar los efectos en la producción de H2. Dado que el proceso de producción de H2 fermentativo está influenciado por múltiples factores, es adecuado que se emplee un estudio experimental para evaluar el efecto de los diferentes factores involucrados en el proceso para comprender mejor y optimizar el desempeño de la producción [2].

De acuerdo con lo anterior y la revisión de la literatura realizada los parámetros no han sido todos optimizados para la producción de H2, más aún si se tiene en cuenta que el H2 se puede obtener de diversas maneras en diferentes cantidades; una evidencia sustancial que muestra que no se han obtenido valores óptimos es que en la producción de H2 por procesos fermentativos no se ha conseguido llegar al máximo teórico de 4 mol/mol de glucosa. Se espera en el futuro obtener una mayor cantidad de H2 a partir de la optimización de los factores que influyen en la producción. Adicionalmente, al revisar casi 600 publicaciones en revistas especializadas en recursos energéticos se observa un interés de la comunidad científica en la última década en el tema de producción de biohidrógeno como se observa en la Figura 4, y se espera que esta tendencia se mantenga dadas las desventajas de los combustibles fósiles. Es interesante observar que el mayor interés en la investigación de producción de biohidrógeno se ha enfocado en China y Taiwán; en estos países se ha realizado más del 30 por ciento de las publicaciones en este tema como se muestra en la Figura 5, asimismo es importante resaltar la escasa investigación desarrollada en los países de América Latina donde en su mayoría se ha concentrado en Brasil. Se espera para el futuro un mayor interés en América Latina en el tema de producción de biohidrógeno dada la dependencia actual de combustibles fósiles, el costo de ellos y la poca oferta de fuentes energéticas alternativas, lo cual podría ser un factor determinante en el crecimiento económico de la región.


Figura 4. Publicaciones en biohidrógeno entre el periodo 1978-2011.


Figura 5. Publicaciones en biohidrógeno por países.

CONCLUSIONES

A pesar de que la producción de biohidrógeno por fermentación oscura de residuos ha sido ampliamente estudiada, aún quedan muchos aspectos por mejorar. En este artículo se ha discutido todo el proceso y cuáles son los factores que afectan la producción. En este sentido se puede concluir lo siguiente: primero, como no se ha obtenido la máxima producción teórica de hidrógeno se deben realizar más estudios que incluyan optimización de los factores, escalamiento de los reactores preferiblemente con producción continua, incrementar los estudios en biología molecular y caracterización de especies productoras.

Finalmente, es importante mencionar que en América Latina debe promoverse el desarrollo de más investigación para así generar una mayor diversidad de fuentes energéticas e independencia de los combustibles fósiles.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean expresar sus agradecimientos por el apoyo financiero al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Investigación - COLCIENCIAS y a la Universidad Militar Nueva Granada - UMNG a través del Programa Jóvenes Investigadores e Innovadores "Virginia Gutiérrez de Pineda" año 2011.

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Recibido 22 de marzo de 2012, aceptado 13 de agosto de 2012


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