Diseño de un biorreactor de fermentación oscura para la generación de biohidrógeno a partir de desechos vinícolas

Abstract

En un escenario global marcado por la necesidad de avanzar hacia modelos energéticos sostenibles y estrategias de gestión más responsable de los residuos industriales, la valorización de subproductos agroalimentarios se presenta como una línea prioritaria de investigación e innovación. Entre los sectores que generan residuos con alto potencial contaminante destaca la industria vinícola, especialmente en regiones como el Marco de Jerez, donde la elevada densidad de producción genera grandes volúmenes de desechos. Estas corrientes líquidas residuales, ricas en materia orgánica, suponen tanto un reto ambiental como una oportunidad de aprovechamiento energético. El presente Trabajo Fin de Grado se enmarca dentro de este contexto, y tiene como objetivo el diseño de un biorreactor de fermentación oscura para la obtención de biohidrógeno a partir de vinazas de vino, un subproducto altamente contaminante generado en la elaboración de vino. La fermentación oscura se postula como una tecnología biológica prometedora para la producción de hidrógeno renovable, ya que permite transformar materia orgánica en condiciones anaerobias, mediante una vía no fotobioquímica y gracias a la acción de bacterias específicas. Este proceso convierte residuos líquidos con alta carga orgánica en una corriente gaseosa rica en hidrógeno, reduciendo significativamente su impacto ambiental y ofreciendo una alternativa energética limpia. El hidrógeno, por su elevada capacidad energética y por no generar emisiones contaminantes durante su uso, ocupa un papel clave en la transición hacia un modelo energético basado en fuentes renovables. Frente a otros métodos más exigentes como la electrólisis o el reformado térmico, la fermentación oscura representa una vía más accesible y compatible con residuos agroindustriales de origen local, al margen de posibilitar su tratamiento y depuración, contribuyendo a resolver el problema derivado de su alta carga contaminante. El proyecto aborda el diseño y dimensionamiento mecánico del biorreactor, así como la selección y diseño de los sistemas auxiliares necesarios para su operación. Para ello, se ha llevado a cabo un análisis detallado de la composición de las vinazas, su potencial fermentativo, y las rutas metabólicas implicadas en la producción de hidrógeno, estableciendo además un modelo cinético basado en la ecuación de Gompertz modificada para predecir el comportamiento del sistema. La planta proyectada está diseñada para tratar un caudal de 150 m^3/día de vinazas, con una DQO inicial de 38,92 g/L, obteniendo una producción estimada de 40 m^3/día de biohidrógeno. El proceso tiene lugar en un reactor tipo tanque agitado continuo con una capacidad de 241 m^3, fabricado en acero inoxidable 316L, operando a presión atmosférica, 55 ºC y con un tiempo de retención hidráulica de 34 horas. Este Trabajo de Fin de Grado pretende demostrar la viabilidad técnica de una alternativa sostenible para la valorización de residuos vinícolas, contribuyendo al desarrollo de soluciones energéticas limpias y a una gestión ambiental más responsable dentro del sector agroindustrial.