Estudio de los parámetros de operación de un reactor anaerobio para la producción de hidrógeno a partir de residuos orgánicos

Abstract

El inminente agotamiento de los combustibles fósiles y la contaminación generada durante su combustión de éstos han promovido la búsqueda y generación de nuevas fuentes de energía alterna. Adicionalmente, la generación de basura en todo el mundo es un problema serio debido a la necesidad de la disposición final y a la contaminación que esta provoca. En México el 50.4% del total de la basura generada es de carácter orgánico la cual podría ser utilizada para producir biogás y principalmente gas hidrógeno (H2) a través de su digestión anaerobia. El hidrógeno es considerado el combustible del futuro, ya que al ser quemado no produce desprendimiento de CO2, su potencial energético es de 122kJ/g, el cual es 2.75 veces mayor al generado por los combustibles fósiles. El objetivo del presente trabajo fue estudiar los parámetros de operación de un reactor anaerobio para la producción de H2. Durante la realización del mismo, se obtuvo un inóculo capaz de producir H2 proveniente de un digestor anaerobio en fase metanogénica. Se evaluó la producción de H2 utilizando glucosa como sustrato, determinando el efecto de la concentración de glucosa sobre el crecimiento microbiano y la producción de H2. Se obtuvieron los parámetros cinéticos utilizando la ecuación de Monod μmax=0.101 h-1y ks= 2.56 g/L, los cuales permitieron establecer un sistema de producción en cultivo continuo. Durante la operación del sistema en continuo se alcanzó un estado pseudo-estable en el tercer y cuarto cambio de volumen, el rendimiento global del proceso fue de 2.1 mol H2/mol glucosa, siendo el rendimiento teórico de 4 mol H2/mol de glucosa. Asi mismo, se evaluó la factibilidad de producir H2 utilizando residuos orgánicos vegetales como sustrato, obteniendo una velocidad máxima de producción de 1.8 mmol H2/día, un volumen de 310 mL y porcentaje de remoción del 25%. Se determinó que la cantidad de materia orgánica es un factor importante en la producción, a concentraciones cercanas a 35g DQO/L se alcanzan los mejores rendimientos

The imminent depletion of fossil fuels and the pollution generated during their combustion, are leading to search for alternative, renewable energy sources has been the central topic in recent research projects. Additionally, the problem of waste generation throughout the world is one of the most serious problems due to final disposal and pollution generated from it. In Mexico, 50.4% of total waste generated is organic solid wastes which could be used to produce biogas, mainly hydrogen (H2), during an anaerobic fermentation process. Hydrogen is recognized as a promising future fuel because its combustion does not generated CO2 and has a high energy yield of 122 kJ/g, which is 2.75 times greater than fossil fuels. The aim of this work was to study the operational parameters of an anaerobic reactor for hydrogen production from organic wastes. The seed sludge was obtained from an organic solid waste methanogenic digester. This inoculum was characterized as a good hydrogen producer after a heat pre-treatment. Hydrogen production was evaluated using glucose as substrate; the effect of initial glucose concentration on microbial growth and hydrogen production was also studied. The kinetic parameters obtained by using the Monod equation were μmax=0.101 h-1and ks= 2.56 g/L, the determination of the kinetic parameters allowed to establish the operational conditions in continuous culture for H2 production. A retention time of 24 h was used during operation of the anaerobic reactor and 10 g/L of glucose was continuously fed by using a peristaltic pump. The pseudo-stable state was reached until the third and fourth change of volume obtaining a global yield of 2.1 mol H2/mol glucose in the process, the theoretical maximum H2 yield is 4 mol H2/mol glucose. Additionally, the feasibility of hydrogen production from vegetable organic wastes as substrate was evaluated obtaining a maximum production rate of 1.8 mmol H2/day, a hydrogen volume of 310 ml and a removal rate of 25%. In these experiments, a strong effect of the initial amount of organic matter over the hydrogen production was determined; the highest H2 production was obtained with an initial COD concentration of 35 gCOD/L