Efecto Del Modo De Control PH En La Generación De Hidrógeno A Partir De La Fermentación Obscura

1. Título

Efecto del modo de control del pH en la generación de hidrógeno a partir de la fermentación oscura de sacarosa.

2. Justificación

Debido a la potencial crisis energética que se aproxima en nuestro planeta, se están desarrollando grandes esfuerzos para desarrollar tecnologías que nos permitan la generación de energía por medios alternos a la utilización de los combustibles fósiles. Un sector muy importante de los estudios actuales se centran en la utilización de los desechos orgánicos (aguas residuales y sólidos), tanto industriales como municipales, a través de la aplicación de los principios, técnicas y conocimientos propios del campo de la Biotecnología.

La fuente actual predominante para la generación de energía es la combustión de combustibles fósiles, pero ésta produce una serie de gases que contribuyen significativamente a serios problemas globales que están provocando situaciones de muy alto costo ambiental, tal como el cambio climático, entre otros.

3. Marco Teórico

Los combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural) han sido utilizados durante décadas como las fuentes con las que se ha cubierto cerca del 80% de la demanda energética mundial, además, esta demanda se va incrementado notablemente en los países desarrollados (Veziroglu, 1997; Das y Veziroglu, 2001). Los gases producidos en la combustión de combustibles fósiles (COX, SOX, NOX, etc.) son causantes de problemas ambientales globales tales como lluvia ácida, deterioro de la capa de ozono y el efecto invernadero (Veziroglu, 1997). Debido a lo anterior existe un interés creciente en la obtención de combustibles alternativos a partir de fuentes renovables de energía, que ayuden a cubrir la demanda energética y que a su vez sean amigables al ambiente (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

Algunos candidatos para ser utilizados como combustibles alternos son la gasolina sintética, gas natural, metano, metanol, etanol e hidrógeno (Veziroglu, 1997). Dentro de estos el hidrógeno (H2) es considerado una de las mejores opciones tomando en cuenta que sea seguro, versátil, de fácil transporte y almacenamiento, económico y amigable al ambiente (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

Hidrógeno

El hidrógeno es una promisoria alternativa tecnológica para el futuro debido a que es limpio, renovable y a que su combustión no genera subproductos riesgosos. El hidrógeno puede producirse por gasificación de hidrocarburos, electrólisis de agua o fermentación de residuos orgánicos. Las aguas residuales, la materia orgánica tal como glucosa y sacarosa, tanto como almidones y celulosa pueden ser fermentados para producir hidrógeno (Chiu-Yue y Chyi-How 2010).

El hidrógeno es el más sencillo y abundante de los elementos que se conocen, constituye el 70% de la masa total del universo (Das y Veziroglu, 2001). Como gas no tiene color ni olor y tiene una densidad catorce veces menor que la del aire. A temperaturas por debajo de 20.3 ºK se encuentra en su forma líquida. Cuenta con la mayor energía contenida por unidad de masa de todos los combustibles, alrededor de 122 kJg-1 (Ren N. Q. et. al. 2010), el cual es casi 2.75 veces mayor que los combustibles fósiles. Otras de sus características que perfilan al hidrógeno como la mejor opción para ser utilizado como combustible se refieren a: (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008)

 El producto de la combustión controlada del mismo o a través de celdas de combustible es sólo agua.

 Tiene un gran potencial para ser usado como energía primaria o secundaria.

 Libera cantidades grandes de energía por el peso de la unidad en la combustión.

 Tiene un nivel mínimo de energía de ignición, amplio límite de flamabilidad y detonabilidad y una alta velocidad de ignición normal.

Métodos para la Producción de Hidrógeno

Existen diversas tecnologías de producción de H2, las cuáles se pueden clasificar en: químicas, termoquímicas y biológicas. Las tecnologías biológicas son consideradas menos intensivas energéticamente que las químicas o termoquímicas, además que tienen la cualidad de poder utilizar un amplio espectro de sustratos que les permite acoplar la producción de H2 con el tratamiento de residuos municipales e industriales (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

Las tecnologías biológicas se dividen en: (Bedoya, et. al. 2007)

1. Biofotólisis directa

2. Biofotólisis indirecta

3. Fotofermentación

4. Reacción de intercambio gaseoso (Water gas shift reaction)

5. Fermentación oscura

Fermentación Oscura

La fermentación es un catabolismo anaerobio en el cual un compuesto orgánico sirve como donador y aceptor de electrones. Existen diversos tipos de fermentaciones, las cuales pueden ser clasificadas en términos del sustrato fermentado o en términos de los productos formados. La fermentación puede llevarse a cabo a temperaturas mesofílicas, termofílicas, o hipertermofílicas.

La producción fermentativa de H2 ha sido intensivamente estudiada debido a que el H2 es un producto común del metabolismo microbiano. Algunos microorganismos quimiotótrofos son capaces de usarlos como fuente de energía, entre ellos se conoce a las bacterias oxidadoras de hidrógeno, una gran variedad de grupos procariotas son capaces de usar CO2 como aceptor de electrones en la respiración anaerobia (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

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En muchos ambientes anóxicos los precursores inmediatos del CH4 son el H2 y CO2, que se generan por las actividades de los fermentadores anaerobios. En el proceso general de producción de metano a partir de la fermentación de un polisacárido típico, como la celulosa, pueden intervenir hasta cinco grupos fisiológicos importantes de procariotas. Las bacterias celulolíticas rompen la molécula de celulosa, de peso molecular elevado, en celobiosa (glucosa-glucosa) y en glucosa libre. Por acción de los fermentadores primarios, la glucosa origina una variedad de productos de fermentación, entre los cuales destacan acetato, propionato, butirato, succinato, alcoholes, H2 y CO2. Todo el H2 producido en los procesos fermentativos primarios es consumido inmediatamente por las bacterias metanogénicas, homoacetogénicas o reductoras de sulfato (estas últimas en ambientes con altas concentraciones de sulfato) es por esto que la inhibición de la metanogénesis permite la acumulación del H2 generado (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

Los organismos claves en la conversión de compuestos orgánicos complejos en metano son los fermentadores secundarios, especialmente las bacterias oxidadoras de ácidos grasos productoras de H2. Estos organismos utilizan ácidos grasos o alcoholes como fuente de energía, pero en cultivo axénico apenas se desarrollan sobre dichos sustratos, o no lo hacen en absoluto. Las bacterias productoras de H2 crecen abundantemente cuando están asociadas a un organismo consumidor de H2 (Muñoz-Paez y Poggi-Varaldo 2008).

La producción de H2 puede ser llevada a cabo a través de una gran variedad de microorganismos mesofílicos y termofílicos en condiciones anóxicas. Bajo condiciones mesofílicas (Escherichia coli o Enterobacter aerogenes) se ha reportado que la máxima conversión es de 4 mol de H2/mol glucosa y se piensa que el doble de esta producción podría ser suficiente para que la fermentación de H2 sea factible económicamente. Esto es válido si los costos de fermentación son similares a los de la fermentación de etanol y metanol.

Entre los microorganismos reconocidos como mayores productores de hidrógeno se encuentran Clostridium pasteurianum,C. butyricum y C. beijerinkii. La producción de H2 por estas bacterias es altamente dependiente de diversas condiciones como pH, tiempo de retención hidráulica, presión parcial de hidrógeno, los cuales afectan el balance metabólico.

Las dos enzimas principales involucradas en el metabolismo del H2 en los procesos fermentativos son la nitrogenasa y la hidrogenasa.

Factores que afectan la producción microbiana de hidrógeno

Hay un cierto número de parámetros que pueden afectar la producción microbiana de hidrógeno. Entre ellos, los cuatro más significativos incluyen al pretratamiento del cultivo para la selección de las bacterias productoras de hidrógeno, la temperatura, el pH más las trazas de metal y nutrientes (Ren N. Q. et. al. 2010).

4. Objetivos

4.1 Objetivo general

Investigar el comportamiento en el rendimiento de la producción de hidrógeno, como resultado del control del pH, que utiliza el principio de “Fermentación Oscura”.

4.1 Objetivos específicos

• Montaje de sistema experimental eficiente para fermentación oscura.

• Establecer condiciones base para el evitar interferencias durante el desarrollo de las pruebas comparativas de comportamiento del factor a evaluar.

• Desarrollar corridas experimentales controladas.

• Efectuar mediciones de parámetros de interés.

• Determinación confiable del hidrógeno generado en cada evento.

• Evaluar resultados y definir la condición de mayor producción de biohidrógeno.

5. Planeación del proyecto

5.1 Material y equipo

Material,

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