Estudio del efecto del rango de temperatura sobre la producción de bio-hidrógeno por digestión anaerobia a partir de residuos orgánicos

Abstract

En la actualidad nos encontramos ante diversos problemas energéticos y medioambientales. En concreto, la preocupación respecto a la disponibilidad limitada de los combustibles fósiles junto con el calentamiento global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero, han dado lugar al planteamiento de alternativas energéticas. Por otra parte, la mala gestión de los residuos además de su elevada generación en las sociedades modernas, constituye un serio problema medio ambiental.

En este escenario, el hidrógeno destaca como una prometedora alternativa a los combustibles fósiles, debido a que es un portador de energía atractivo por su alto contenido energético, la posibilidad de obtenerlo de fuentes renovables y no ser contaminante. Entre los diferentes procesos existentes para su producción, la fermentación oscura es uno de los más interesantes debido a que se aprovechan residuos como materia prima, contribuyendo a la conservación de los recursos naturales y el desarrollo sostenible, además de la realización de una gestión adecuada de los subproductos, ya que este proceso genera un subproducto óptimo que puede ser utilizado con fines agrícolas.

Tomando como base la experiencia acumulada por el grupo de investigación en el que se ha realizado el presente Trabajo Fin de Grado, se presenta un trabajo de investigación sobre la digestión acidogénica o fermentación oscura (primera etapa del proceso de digestión anaerobia en fases separadas) destinada a la obtención de hidrógeno, evaluando el efecto de la operación en rango hipertermofílico de temperatura sobre la productividad de hidrógeno.

Para la consecución de este objetivo, se ha estudiado la co-digestión de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y restos de cocina (RC) en una proporción 80:20, trabajando en condiciones de alto contenido en sólidos con un 20% en sólidos totales (digestión anaerobia seca). Se utilizaron dos reactores de tanque agitado a escala de laboratorio, de 10 litros de capacidad, operando en régimen de alimentación semicontinuo a 55°C (termofílico) y 65 °C (hipertermofílico), respectivamente. En primer lugar fue necesario obtener un inóculo activo de microorganismos en rango hipertermofílico (65ºC) a partir de la microbiota existente en un reactor termofílico (55ºC). Posteriormente se realizó un estudio comparativo de ambos procesos para los tiempos hidráulicos de retención (THR) de 4,4 días y 1,9 días.

La comparación de los dos procesos se ha realizado sobre la base de un seguimiento diario de las principales variables de operación: volumen y composición de biogás, sólidos totales (ST)/ sólidos volátiles (SV), pH, alcalinidad, ácidos grasos volátiles (AGV) y demanda química de oxígeno (DQO), para lo que ha sido necesario utilizar técnicas analíticas tales como la cromatografía de gases, la espectrofotometría y las técnicas clásicas basadas en volumetrías y gravimetrías, entre otras.

Se logró la obtención de un inóculo hipertermofílico activo, operando a 65°C, además de estabilizar el proceso de degradación acidogénica a diferentes condiciones de THR y temperatura. Los mejores resultados fueron obtenidos operando a 65°C y THR 1,9 días, alcanzando una productividad de 1,96 LH2/Lreactor·día y un rendimiento de 23,65 mL H2/g SV alimentados.

Trabajando en rango hipertermofílico se observó una mejora en la producción de H2 de un 14,3% operando a THR de 4,4 días y de un 12,2% a THR de 1,9 días, respecto al proceso termofílico cuando la temperatura se aumentó de 55 a 65 °C. Igualmente los rendimientos de producción de hidrógeno por gramo de SV alimentados al sistema aumentaron un 12,8 y un 13,6%, respectivamente. Considerando las demás variables de operación, se obtuvo en general, una mayor estabilidad en el proceso hipertermofílico con respecto al termofílico. De acuerdo a estos resultados se concluye que las condiciones de operación hipertermofílicas muestran beneficios tanto en la productividad de H2 como en el rendimiento del proceso de codigestión acidogénica seca de FORSU y RC.

Currently, we are faced with diverse energetic and environmental problems. Specifically, the worry with regard to the limited availability of the fossil fuels together with the global warming due to the emission of greenhouse gases, they have caused to suggest of energetic alternatives. On the other hand, the wrong management of the wastes in addition to its high generation in the modern society, constitute a serious environmental problem. In this context, the hydrogen stands out as a promising alternative to the fossil fuels, due to the fact that it is an attractive carrier of energy for his high energetic value, the possibility to be obtained from renewable sources and not being a pollutant. Between the different existing processes for its production, the dark fermentation is one of the most interesting on account of they take advantage of wastes as raw material, contributing to the conservation of the natural resources and the sustainable development, additionally to the realization of a suitable management of the by-products, considering that this process generates an ideal by-product that it can be used for agricultural purposes. Based on the experience accumulated of the research group, which was carried out for this Final Degree Project, it is present a research work on the acidogenic digestion or dark fermentation (the first stage in the process of anaerobic digestion in separated phases) destined to the obtaining hydrogen, evaluating the effect of the operation in range hyperthermophilic of temperature on the productivity of hydrogen. To achieve these aims, we have studied co-digestion of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and food waste (FW) at 80:20 ratio, working in dry conditions (20% of total solids). The assay were performed using two semi-continuous stirred tank reactors of 7 liters of working volume in laboratory scale, operated by mean semi-continuous feeding conditions and at 55°C (thermophilic) and 65°C (hyperthermophilic), respectively. First, it was necessary to obtain an active inoculum at hyperthermophilic range of temperature (65°) from the present microbiota in the thermophilic reactor (55ºC). Subsequently, a comparative study of two processes for hydraulic retention times (HRT) of 4.4 days and 1.9 days took place. The comparison between two processes was carried out by means of a daily monitoring of the main operating variables: volume and composition of the biogas, total solids (TS) / volatile solids (VS), pH, alkalinity, volatile fatty acids (VFA) and chemical oxygen demand (COD) to what has been necessary to use analytical techniques such as gas chromatography, spectrophotometry and classical analytical techniques based on volumetric and gravimetric analysis, among others. An active hyperthermophilic inoculum was obtained, operating at 65°C, in addition to stabilizing the acidogenic degradation process at different conditions of temperature and THR. Best results have been obtained working at 65°C and HRT 1,9 days, achieving a hydrogen productivity of 1,96 LH2/Lreactor·day and a yield of 23,65 mL H2/gVS added. Working in hyperthermophilic range of temperature it was observed an improvement in H2 production of 14.3% operating at HRT of 4.4 days, and of 12.2% at HRT of 1.9 days, regarding the thermophilic process when the temperature was increased from 55 to 65°C. Similarly the H2 production yield increased 12.8% and 13.6%, respectively. Considering other operating variables, it was obtained in general, greater stability in the hyperthermophilic process regarding the thermophilic process. According to these results we conclude that the hyperthermophilic conditions of operation show benefits both H2 productivity and yield of dry acidogenic co-digestion process of OFMSW and RC.