Tesis
Producción biológica de hidrógeno bajo diferentes condiciones de presión parcial de este gas
Fecha
2016-11-09Autor
Esquivel Elizondo, Sofía Victoria
Institución
Resumen
La fermentación oscura es la degradación de materia orgánica a ácidos grasos (principalmente ácidos grasos volátiles [AGVs]) donde el H2 es un producto secundario generado para regular el flujo de electrones en el metabolismo de las bacterias. El gas H2 es un compuesto de interés porque además de ser usado en procesos de hidrogenación, es una fuente de energía alternativa (es el combustible con mayor densidad de energía gravimétrica y su combustión es ideal pues sólo produce agua y energía calorífica). Para que la fermentación oscura sea una tecnología escalable e industrial, ésta deberá producir H2 de manera continua y a tasas de producción elevadas. En este trabajo de tesis se estudió la reducción de la presión parcial del H2 (pH2), a través de la liberación de biogás, para aumentar los rendimientos de producción de H2 en una fermentación de 30 L operada en cultivo continuo bajo condiciones adecuadas de temperatura, pH y concentración de sustrato. Cuatro fermentaciones en cultivo continuo fueron llevadas a cabo. En la fermentación control se estudió el efecto de altas pH2 (de hasta 0.66 atm) en la producción del gas al dejar acumular el biogás generado. En las dos siguientes fermentaciones se estudiaron los efectos de medias (0.08-0.47 atm) y bajas pH2 (0.06 atm) a través del control de la presión por medio de la liberación intermitente y constante de biogás, respectivamente. La última fermentación se realizó para comparar la técnica más comúnmente reportada (inyección de gases inertes) para reducir la pH2 y la técnica estudiada en el presente trabajo. Los resultados muestran que la liberación de biogás aumentó la producción de H2 al disminuir no sólo la pH2, sino también la pCO2 y la concentración de AGVs dentro del reactor. La reducción de estos tres productos es importante porque previene las inhibiciones termodinámicas y metabólicas asociadas a su acumulación. Además la reducción de la concentración de H2 y CO2 en el sistema disminuye el consumo de H2 por bacterias homo-acetogénicas. Las menores pH2 (0.06 atm) mantenidas de manera constante a través de la liberación continua de biogás, mostraron el mayor incremento en la producción de H2 con concentraciones de H2 en el biogás de 55% promedio. Además, durante el cultivo continuo se produjo por lo menos 3 veces más H2 que los cultivos en lote, esto debido a que el flujo en continuo evita acumulaciones de ácidos grasos.
Dark fermentation is an easy to operate, economical and environmentally friendly technology aimed at the production of hydrogen (H2). This gas is a very promising sustainable energy source because it has the highest gravimetric energy among all fuels and its combustion is ideal since only water vapor and heat energy are produced. Fermentation consists of the degradation of organic matter (e.g. organic wastes or sewage) to fatty acids (mainly, volatile fatty acids [VFA]) and alcohols while H2 is a secondary metabolite generated to regulate the electron flow in the redox reactions. The main drawback of this technology is the low hydrogen yields attained; only 16-20% of the electrons in substrate are recovered as H2. For dark fermentation to become a scalable and industrial process an enhancement in H2 production is needed. In this work the effect of reducing H2 partial pressure (pH2) to enhance BioH2 production was evaluated in a 30 L Continuous Stirred Tank Reactor. Four fermentations were studied. During the control fermentation the pH2 was evolved until the highest value (0.66 atm) and inhibitions in H2 production were observed. In the following two fermentations, pH2 was kept and controlled at different ranges through intermittent and constant biogas release (0.08-0.47 atm and 0.06 atm average, respectively). The fourth fermentation was carried out to compare the most common method reported in literature to reduce pH2 (inert gas sparging) with the technique of biogas released studied in this thesis. The overall results showed that biogas release enhanced BioH2 production due to low gases concentration inside reactor (low pH2, low pCO2) and low VFA accumulation, all of which prevents the associated thermodynamic and metabolic inhibitions as well as the H2 consumption by homo- acetogenic bacteria. A sustained low pH2 (0.06 atm average), attained through constant biogas release at low pressure (0.136 atm), allowed the major enhancement in H2 production. H2 produced was not diluted as in N2 sparging methods, and H2 concentration in biogas was 55% average. In addition, a continuous flow operation proved to increase 2.7 times the H2 production in a batch culture by preventing inhibitions associated to fatty acids accumulation.