INFLUENCIA DEL PRETRATAMIENTO DEL INÓCULO Y pH

Transcripción

2º Congreso Nacional AMICA 2015
INFLUENCIA DEL PRETRATAMIENTO DEL INÓCULO Y pH SOBRE LA
PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO USANDO AGUA RESIDUAL
AGROINDUSTRIAL
Barrios Pérez Julián David, Mañunga Tatiana, Rodríguez Victoria Jenny Alexandra
Universidad del Valle, Colombia. Carrera 100 No. 13 – 00, Edificio 336 Oficina 1007
[email protected], [email protected],
[email protected]
Resumen
La fermentación oscura une el tratamiento anaerobio del agua
residual con la producción de biohidrógeno a partir de recursos
renovables. En la actualidad, los principales factores que
gobiernan la producción fermentativa de H2, entre ellos el
pretratamiento del inóculo y pH son objeto de investigación,
debido a que aún no se han establecido sus límites que permiten
desarrollar un ciclo sustentable de hidrógeno a partir de
sustratos reales. En este trabajo, se evaluó la influencia del
pretratamiento del inóculo y pH inicial sobre la producción de
hidrógeno a partir de agua residual del proceso de extracción de
almidón de yuca. El pretratamiento del inóculo fue evaluado en
dos niveles (químico y térmico) y el pH inicial en tres niveles
(5.7, 5.4, y 5.0 unidades). Reactores con volumen útil de 400mL
fueron incubados a temperatura ambiente (29.0 – 34.5 °C)
durante 15 días, con inóculo pre-tratado y agua residual. El
arreglo experimental obedeció a un diseño factorial mixto 23.
Los resultados mostraron que el rango óptimo de pH para la
producción fermentativa de hidrógeno a partir de agua residual
del proceso de extracción de almidón de yuca se encuentra entre
5.0 y 5.4 unidades y el mayor rendimiento de H2 fue 1.25 mol
H2. mol glucosa-1 con la combinación pre-tratamiento térmico
y pH de 5.0 unidades.
Palabras clave
Biohidrógeno, fermentación oscura, pretratamiento, pH,
residuos agroindustriales.
Introducción
El hidrógeno (H2) ha sido reconocido como el vector energético
con mayor potencial para sustituir el uso de combustibles
fósiles, debido a que su combustión en presencia de oxígeno
solo genera calor y vapor de agua, es decir, que no produce
gases de efecto invernadero (Holladay et al., 2009). Además, el
H2 como portador secundario de energía tiene un potencial
energético de 122kJ/g, el cual puede ser 2.4, 2.8 y 4 veces
mayor que el obtenido con metano, gasolina y carbón,
respectivamente (Poggi-Varaldo et al., 2014).
En la naturaleza, el H2 se encuentra combinado con otros
elementos, formando principalmente compuestos orgánicos,
por lo tanto, no puede explotarse como el petróleo o el carbón,
debe generarse a partir de otros componentes químicos. Los
compuestos orgánicos como biomasa y agua residual, por su
disponibilidad, variedad y abundancia representan una fuente
renovable para la producción biológica de hidrógeno (Demirel
et al., 2005, Sreethawong et al., 2010).
En la última década un amplio número de investigaciones
indican que la fermentación oscura o fermentación anaerobia es
el proceso biológico con mayor proyección para desarrollar un
ciclo sustentable de H2 (Argun and Kargi, 2011, Markov, 2012)
porque permite vincular la recuperación de energía con el
aprovechamiento de recursos renovables, incluida el agua
residual agroindustrial (Jung et al., 2012, Lucas et al., 2015).
La producción de H2 a través de la fermentación oscura
involucra el uso de inóculos mixtos, en los que coexisten
bacterias productoras de hidrógeno (BPH) y bacterias
consumidoras de hidrógeno (BCH) (Baghchehsaraee et al.,
2010, Abreu et al., 2011). Basados en la premisa que la mayoría
de las BPH del género Clostridium son formadoras de esporas,
se han establecido diversos métodos para bloquear las BCH y
seleccionar BPH de alto rendimiento (Ren et al., 2008,
Hernández-Mendoza and Buitrón, 2013, do Carmo Lamaison et
al., 2014).
Los pretratamientos térmico y químico han sido usados con
éxito para bloquear las BCH. En el pretratamiento térmico se
usan temperaturas entre 80 y 120 °C con tiempo de exposición
entre 15 y 120 minutos (Wang and Wan, 2008, Mohan et al.,
2009). Mientras que para el tratamiento químico se emplean
valores de pH entre 2 y 4 unidades durante 24 h (Wang et al.,
2011, Penteado et al., 2013).
De otro lado, el pH como variable de operación en la
fermentación oscura, orienta la formación de metabolitos
intermedios como H2 y ácidos orgánicos (Wang and Wan,
2009). Con pH menor de 4,5 unidades, las BPH generan
metabolitos reducidos como lactato, etanol y butanol,
disminuyendo la producción de H2 (Castro-Villalobos et al.,
2012, Dinamarca and Bakke, 2012), mientras que entre 5.8 y
4.5 unidades establecen su crecimiento tipo acidogénico,
formando butirato y acetato, mejorando la producción de H2
(Grimmler et al., 2011).
Aunque el pretratamiento del inóculo y el pH son factores
fundamentales en la producción fermentativa de H2, todavía, los
rangos son amplios y variados, y a menudo han sido formulados
a partir de sustratos sintéticos (Oh and Logan, 2005, Masset et
al., 2010b). Por lo tanto, estos y otros factores requieren ser
ajustados a partir de sustratos reales.
Por lo anterior, en este estudio se diseñó una matriz
experimental para evaluar el efecto combinado del
pretratamiento de un inóculo mixto y pH inicial sobre la
ASOCIACIÓN MEXICANA DE INGENIERÍA CIENCIA Y GESTIÓN AMBIENTAL, A.C. AMICA
Av. Canal de Miramontes 2960 casa 35 Col. Los Girasoles, Del. Coyoacán, México D.F.
55 56 77 38 61
[email protected]
producción fermentativa de H2 a partir de agua residual del
proceso de extracción de almidón de yuca.
Metodología
Se utilizaron reactores en batch con volumen de reacción de 400
mL y 250 mL de headspace, los cuales fueron inoculados con
lodo anaerobio procedente de un reactor UASB de una planta
de tratamiento de agua residual del sector cárnico. Previamente,
el inóculo fue aclimatado al nuevo sustrato y posteriormente, se
realizó el pretratamiento a través de dos metodologías (i)
pretratamiento químico (pH 3.0 unidades durante 24h) y (ii)
pretratamiento térmico (85 °C durante 30 minutos).
Con cada inóculo pretratado se realizó la evaluación de tres
valores de pH inicial del agua residual (5.7 – 5.4 y 5.0
unidades). En este rango de pH se ha establecido que la
actividad de la enzima hidrogenasa es mayor y que las rutas
metabólicas se direccionen hacía la producción de H2 y
formación de ácidos orgánicos (Fang and Liu, 2002, Trevisan,
2010). El sustrato utilizado fue agua residual generada en el
proceso de extracción de almidón de yuca, la cual era
almacenada a 10°C para preservar sus propiedades
fisicoquímicas.
Los reactores fueron inoculados con una relación sustrato/lodo
de 2.0 gDQO.gSV-1, posteriormente, sellados con tapones y
agrafes de 30 mm, incubados a temperatura ambiente (29.0 –
34.5 °C) y con mezcla completa durante 15 d. Se realizó un
arreglo experimental que obedeció a un diseño factorial 23, la
serie con las diferentes combinaciones se presenta en la Tabla
1, todas los combinaciones se realizaron por triplicado. El
desempeño de los reactores fue evaluado en función de la
Producción máxima de biogás (mL), rendimiento de
hidrógeno y reducción de carbohidratos. Se realizaron análisis
de varianza usando el paquete estadístico del Software Origin
Pro 8.0 (versión de prueba) y se estableció un nivel de
significancia menor a 0.05.
Reactor
1
2
3
4
5
6
Tabla 1. Diseño del experimento
Tipo de
pH inicial
Experimento
Pretratamiento
(unidades)
Químico
5.7
Qco5.7
Químico
5.4
Qco5.4
Químico
5.0
Qco5.0
Térmico
5.7
Tco5.7
Térmico
5.4
Tco5.4
Térmico
5.0
Tco5.0
Para estimar el porcentaje de inhibición de la actividad
metanogénica en el inóculo se realizaron pruebas de actividad
metanogénica especifica (AME), tanto con el inóculo
aclimatado como con cada inóculo pre-tratado. Las pruebas de
AME se realizaron adaptando las metodologías de Aquino et al.
(2007) y Torres y Pérez (2010). Los valores de AME se
presentan en la Tabla 2.
La presión del biogás acumulado en el headspace fue
determinada periódicamente usando un manómetro digital y se
utilizó la ley de los gases ideales para calcular la producción
máxima de biogás (mL) a condiciones normales de temperatura
y presión (T=273 k; P=1 atm). El contenido de H2, CO2 y CH4
en el biogás fueron determinados a través de cromatografía
gaseosa usando la técnica TCD (cromatografía de gases con
detector de conductividad térmica). Adicionalmente, al inicio y
final del experimento se recolectaron muestras del
sobrenadante para determinar su composición. Sólidos
Suspendidos Totales (SST), DQO y pH fueron determinados
según los Métodos Normalizados para Agua y Agua Residual
(APHA et al., 2005). También se determinaron carbohidratos
siguiendo el Método Colorimétrico (Dubois et al., 1956).
El rendimiento de hidrógeno (mol H2.mol glucosa-1) se calculó
dividiendo la máxima producción de hidrógeno (mL) entre los
moles de carbohidratos removidos. En la Tabla 3 se presenta el
resumen de los resultados de la producción máxima de biogás,
rendimiento de hidrógeno y reducción de carbohidratos.
Resultados y Discusión
El inóculo aclimatado presentó una AME con valor de 0.26 g
DQO-CH4.g-1 SV. d-1, comparable con lodos anaerobios de la
industria alimenticia (Schneiders e al., 2013) y la industia
papelelera (Torres et al., 2011), esta alta AME confirmo la
necesidad de aplicar un pretratamiento para inhibir la presencia
de BCH, antes de usar el inóculo para el proceso de producción
biológica de hidrógeno. En los inóculos pre-tratados la AME
disminuyó en 97% con pretratamiento químico y 88.2% con
pretratamiento térmico. De acuerdo con Abreu et al. (2011) los
pretratamientos térmico y químico actúan sobre la macro y
micro estructura y microbiología de los lodos granulares
metanogénicos para suprimir BCH, de esta manera bajo las
condiciones del experimento los pretratamientos térmico y
químico fueron métodos eficientes para inhibir el crecimiento
de BCH, en periodos relativamente cortos.
Tabla 2. Valores de Actividad Metanogénica Específica
AME
Inhibición
Inóculo
(g DQO- CH4.g-1 SV.d-1)
(%)
Aclimatado
0.26
Pretratamiento
0.03
88.2
Térmico
Pretratamiento
0.01
97
Químico
El mayor rendimiento de H2 se encontró en la combinación
Tco5.0 (1,25 mol H2. mol glucosa-1) seguido de Qco5.4 (1.10
mol H2.mol glucosa-1). Estos rendimientos de H2 en el rango de
pH 5.0 y 5.4 unidades son semejantes con otros estudios en los
que han empleado inóculos puros o mixtos (Fang and Liu, 2002;
Masset et al., 2010a).
Tabla 3. Resumen de los resultados obtenidos
Producción
Rendimiento
Reducción de
máxima de
de H2
Experimento
carbohidratos
biogás
(mol H2.mol
(%)
(mL)
Glucosa-1 )
355 ± 16
0.20
95.1 ± 0.5
Qco5.7
361 ± 22
1.10
94.9 ± 1.3
Qco5.4
343 ± 16
0.96
95.0 ± 1.7
Qco5.0
363 ± 22
0.58
93.6 ± 1.3
Tco5.7
343 ± 22
0.73
93.7 ± 0.2
Tco5.4
314 ± 3
1.25
94.7 ± 0.6
Tco5.0
55 56 77 38 61
[email protected]
El análisis de varianza indicó que el factor tipo de
pretratamiento no tuvo una influencia significativa sobre el
rendimiento de hidrógeno (p=0,533), y que este fue
influenciando únicamente por el factor pH inicial (p<0,005).
No obstante, es importante resaltar la necesidad de usar algún
tipo de pretratamiento cuando se emplean inóculos mixtos para
la producción fermentativa de hidrógeno, debido a que estos tal
como se demostró con los resultados de AME, contienen BCH
que no son deseables en procesos de producción de hidrógeno
(Mohan, 2009).
Los bajos rendimientos de hidrógeno obtenidos en los
tratamientos Qco5.7 (0.20 mol H2. mol glucosa-1) seguido de
Tco5.7 (0.58 mol H2. mol glucosa-1) probablemente fueron
causados por algún recrecimiento incipiente de BCH, las cuales
en rangos de pH más cercanos a la neutralidad pueden encontrar
mejores condiciones ambientales para restituir sus funciones
fisiológicas (Torres et al., 2011) y conseguir la estabilidad que
necesitan para llevar a cabo la formación de metano a partir del
consumo de hidrógeno. De esta manera, se observó que el pH
inicial en el rango 5.4 y 5.0 unidades, donde se encontró el
mayor rendimiento de H2, también ayudó a conservar la
inhibición de BCH obtenida con los pretratamientos (térmico y
químico).
La similitud en el rendimiento de H2 obtenido en la
combinación Tco5.0 y Qco5.4, no permitió diferenciar
estadísticamente un pretratamiento de otro. Sin embargo, al
revisar las ventajas de cada uno de los métodos se encontró que
el tratamiento térmico, por su simplicidad y rapidez, es
aceptado tanto para inhibir BCH como para proporcionar
estabilidad del inóculo, frente al recrecimiento de BCH (Goud
et al., 2014). Igualmente, la combinación con pH de 5.0
unidades permite una mejor actividad de la enzima
hidrogenasa, lo que incentiva el aprovechamiento de
carbohidratos, formación de ácidos orgánicos, H2 y CO2
(Masset et al., 2010a), y desde una perspectiva económica,
podría resultar más benéfico al requerir menor alcalinízante,
debido a que el agua residual del proceso de extracción de
almidón de yuca, generalmente presenta valores de pH entre 4.0
y 4.5 unidades.
Conclusiones
La producción de hidrógeno a través de la fermentación oscura
del agua residual del proceso de extracción de almidón de yuca
fue afectada únicamente por el pH inicial y no por la interacción
con el tipo de pre-tratamiento. El pH inicial ejerció una
influencia significativa sobre la producción fermentativa de
hidrógeno a partir de agua residual del proceso de extracción de
almidón de yuca, siendo el rango óptimo entre 5.0 y 5.4
unidades.
Referencias
Abreu, A., Alves, J.., Pereira, M., Sousa, D. and Alves, M.
(2011). Strategies to suppress hydrogen-consuming
microorganisms affect macro and micro scale structure and
microbiology of granular sludge. Biotechnol Bioeng, 108, 6675.
Aquino, S., Chernicharo, C., Foresti, E., Santos, M. and
Monteggia, L. (2007). Metodologias para determinação da
atividade metanogênica específica (AME) em lodos
anaeróbios. Engenharia Sanitária e Ambiental, 12, 192-201.
Argun, H. and Kargi, F. (2011). Bio-hydrogen production by
different operational modes of dark and photo-fermentation: An
overview. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 74437459.
Baghchehsaraee, B., Nakhla, G., Karamanev, D. and
Margaritis, A. (2010). Fermentative hydrogen production by
diverse microflora. International Journal of Hydrogen Energy,
35, 5021-5027.
Castro-Villalobos, M., Garcia-Morales, J. and Fernandez, F.
(2012). By-products inhibition effects on bio-hydrogen
production. International Journal of Hydrogen Energy, 37,
7077-7083.
Demirel, B., Yenigun, O. and Onay, T. (2005). Anaerobic
treatment of dairy wastewaters: a review. Process
Biochemistry, 40, 2583-2595.
Dinamarca, C. and Bakke, R. (2012). Simultaneous hydrogen
production and consumption in Anaerobic mixed culture
fermentation. International Journal of
Energy and
Environment, 3, 323-332.
Do Carmo Lamaison, F., Fragata, R., Antônio, R., Amante, E.
and Reginatto, V. (2014). Pretreatment on anaerobic sludge for
enhancement of biohydrogen production from cassava
processing wastewater. Acta Scientiarum. Technology, 36, 437444.
Dubois, M., Gilles, K., Hamilton, J., Rebers, P. and Smith, F.
(1956). Colorimetric Method for Determination of Sugars and
Related Substances. Analytical Chemistry, 28, 350-356.
Fang, H. and Liu, H. (2002). Effect of pH on hydrogen
production from glucose by a mixed culture. Bioresource
Technology, 82, 87-93.
Goud, R., Sarkar, O. and Mohan, S. (2014). Regulation of
biohydrogen production by heat-shock pretreatment facilitates
selective enrichment of Clostridium sp. International Journal
of Hydrogen Energy, 39, 7572-7586.
Grimmler, C., Janssen, H., Krauβe, D., Fischer, R., Bahl, H.,
Dürre, P., Liebl, W. and Ehrenreich, A. (2011). Genome-wide
gene expression analysis of the switch between acidogenesis
and solventogenesis in continuous cultures of Clostridium
acetobutylicum. Journal of molecular microbiology and
biotechnology, 20, 1-15.
Hernández-Mendoza, C. and Buitrón, G. (2013). Suppression
of methanogenic activity in anaerobic granular biomass for
hydrogen production. Journal of Chemical Technology &
Biotechnology, 89(1), 143-149.
55 56 77 38 61
[email protected]
Holladay, J, Hu, J., King, L. and Wang, Y. (2009). An overview
of hydrogen production technologies. Catalysis Today, 139,
244-260.
Jung, K., Kim, D., Lee, M. and Shin, H. (2012). Two-stage
UASB reactor converting coffee drink manufacturing
wastewater to hydrogen and methane. International Journal of
Hydrogen Energy, 37, 7473-7481.
Lucas, S., Peixoto, G., Mockaitis, G., Zaiat, M. and Gomes, S.
(2015). Energy recovery from agro-industrial wastewaters
through biohydrogen production: Kinetic evaluation and
technological feasibility. Renewable Energy, 75, 496-504.
Markov, S. A. (2012). Hydrogen Production in Bioreactors:
Current Trends. Energy Procedia, 29, 394-400.
Masset, J., Hiligsmann, S., Hamilton, C., Beckers, L., Franck,
F. and Thonart, P. (2010a). Effect of pH on glucose and starch
fermentation in batch and sequenced-batch mode with a
recently isolated strain of hydrogen-producing Clostridium
butyricum CWBI1009. International Journal of Hydrogen
Energy, 35, 3371-3378.
Ren, N., Guo, W., Wang, X., Xiang, W., Liu, B., Wang, X.,
Ding, J. and Chen, Z. (2008). Effects of different pretreatment
methods on fermentation types and dominant bacteria for
hydrogen production. International Journal of Hydrogen
Energy, 33, 4318-4324.
Schneiders, D., Da Silva, J., Till, A., Lapa, K. and Pinheiro, A.
(2013). Atividade metanogênica e specífica (AME) de lodos
industriais provenientes do tratamento biológico aeróbio e
anaeróbio. Revista Ambiente & Água-An Interdisciplinary
Journal of Applied Science, 8(2), 135-145.
Sreethawong, T., Chatsiriwatana, S., Rangsunvigit, P. and
Chavadej, S. (2010). Hydrogen production from cassava
wastewater using an anaerobic sequencing batch reactor:
Effects of operational parameters, COD:N ratio, and organic
acid composition. International Journal of Hydrogen Energy,
35, 4092-4102.
Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater (2005). 21th edn, American Public Health
Association/American Water Works Association/Water
Environment Federation, Washington DC, USA
Masset, J., Hiligsmann, S., Hamilton, C., Beckers, L. and
Thonart, P. (2010b). Optimization of hydrogen production from
carbohydrates by Clostridium butyricum CWBI1009.
Biotechnology, Agronomy and Society and Environment, 14,
575-576.
Torres, P. and Pérez, A. (2010). Actividad metanogénica
específica: una herramienta de control y optimización de
sistemas de tratamiento anaerobio de aguas residuales.
Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, 9, 5-14
Mohan, S (2009). Harnessing of biohydrogen from wastewater
treatment using mixed fermentative consortia: Process
evaluation towards optimization. International Journal of
Torres, P., Pérez, A., Cajigas, Á., Otero, A. y González, M.
(2011). Selección de acondicionadores químicos para el
tratamiento anaerobio de aguas residuales del proceso de
extracción de almidón de yuca. Ingeniería de Recursos
Naturales y del Ambiente, 7, 66-74
Mohan, S., Raghavulu, S., Mohanakrishna, G., Srikanth, S. and
Sarma, P. (2009). Optimization and evaluation of fermentative
hydrogen production and wastewater treatment processes using
data enveloping analysis (DEA) and Taguchi design of
experimental (DOE) methodology. International Journal of
Oh, S. and Logan, B. (2005). Hydrogen and electricity
production from a food processing wastewater using
fermentation and microbial fuel cell technologies. Water
Research, 39, 4673-4682.
Penteado, E., Lazaro, C., Sakamoto, I. and Zaiat, M. (2013).
Influence of seed sludge and pretreatment method on hydrogen
production in packed-bed anaerobic reactors. International
Journal of Hydrogen Energy, 38, 6137-6145.
Poggi-Varaldo, H., Munoz-Paez, K., Escamilla-Alvarado, C.,
Robledo-Narváez, P., Ponce-Noyola, M., Calva-Calva, G.,
Ríos-Leal, E., Galíndez-Mayer, J., Estrada-Vázquez, C.,
Ortega-Clemente, A. and Rinderknecht-Seijas, N. (2014).
Biohydrogen, biomethane and bioelectricity as crucial
components of biorefinery of organic wastes: A review. Waste
Management and Research, 32, 353-365.
Trevisan, V. (2010). Proposta de metodologia para
determinação da atividade hidrogênica específica. PhD Thesis,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre,
Brasil.
Wang, J. and Wan, W. (2008). Comparison of different
pretreatment methods for enriching hydrogen-producing
bacteria from digested sludge. International Journal of
Wang, J. and Wan, W. (2009). Factors influencing fermentative
hydrogen production: A review. International Journal of
Wang, Y., Ai, P., Hu, C. and Zhang, Y. (2011). Effects of
various pretreatment methods of anaerobic mixed microflora on
biohydrogen production and the fermentation pathway of
glucose. International Journal of Hydrogen Energy, 36, 390396.
55 56 77 38 61
[email protected]

INFLUENCIA DEL PRETRATAMIENTO DEL INÓCULO Y pH

Transcripción

Documentos relacionados

Dr. Peter Bakonyi, Posdoctorante, Instituto de Ingeniería, UNAM