Enfoque de biorrefinería para la producción de hidrógeno y metano a partir de residuos orgánicos.

Rodríguez Valderrama, Santiago (2018) Enfoque de biorrefinería para la producción de hidrógeno y metano a partir de residuos orgánicos. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

Se realizó el desarrollo experimental de un enfoque de biorrefinería a escala laboratorio a para la producción de hidrógeno y metano a partir de la combinación de residuos orgánicos, rastrojo de maíz (RM) y residuos de vegetales y frutas (RVF) como sustratos; estos fueron caracterizados fisicoquímicamente, mostrando un 85% de materia orgánica volátil susceptible de biotransformación. El enfoque de biorrefinería se constituyó de los siguientes procesos: hidrólisis ácida de los co-sustratos, fermentación oscura, fotofermentación y digestión anaerobia. posteriormente una primera etapa de producción de hidrógeno a partir de los hidrolizados líquidos ácidos, posteriormente los fermentados ricos en ácidos orgánicos volátiles –subproducto de la fermentación oscura– son recuperados para la evaluación de la producción de hidrógeno mediante bioprocesos de fotofermentación, en paralelo la biomasa sólida insoluble remanente la hidrólisis ácida fue utilizada como sustrato para bioprocesos de digestión anaerobia para la producción de metano. Cada una de las etapas constituyentes del enfoque de biorrefinería fue evaluada bajo diseño de experimentos para determinar los efectos de factores clave para la operación de los bioprocesos. En la hidrólisis ácida de los co-sustatos se evaluó la concentración de azúcares reductores y la conversión de azúcares con respecto a la combinación de co-sustratos mediante un diseño de experimentos 5X2. Los efectos principales mostraron que el tipo de ácido catalizador (HCl y H2SO4) y la combinación tienen efecto significativo en la producción de azúcares reductores. El mejor ácido catalizador y la combinación de co-sustratos fue el HCl y 75:25 RVF:RM, debido a que a mayor concentración de RVF x se incrementa la concentración de azúcares reductores y la mayor disponibilidad de iones hidronio la presentó el HCl. Los principales azúcares monoméricos presentes en los hidrolizados líquidos fueron glucosa, xilosa y arabinosa. Compuestos inhibidores como el furfural, 5-hidroximetilfurfural, compuestos fenólicos totales fueron detectados en los hidrolizados. La producción de hidrógeno por fermentación oscura se realizó con un diseño experimental 32 , con el cual se evaluó la producción de hidrógeno acumulada en botellas serológicas variando la relación inóculo sustrato. La máxima tasa de producción de hidrógeno y la mayor producción acumulada fue 0.34 mmol H2/h y 8.08 mmol H2, respectivamente, para la RIS de 1.2 a 13 g/L de azúcares reductores como concentración inicial. Los principales metabolitos secundarios presentes en el medio líquido de la fermentación oscura fueron: ácido acético, propiónico butírico y etanol. La producción de metano a partir de los hidrolizados sólidos se realizó en modo lote en botellas serológicas a 35 °C. El mayor rendimiento de metano fue de 17.45 mmol CH4/g SV para el control con RVF frescos, mientras que a una RIS de 2.5 se encontró la mayor conversión de hidrolizados sólidos a metano (13.72 mmol CH4/g SV). Se realizó la reactivación de 4 cepas fotofermentativas evaluando el crecimiento con respecto a la intensidad lumínica. Los experimentos presuntivos de producción de hidrógeno a partir de ácidos orgánicos volátiles por fotofermentación tuvieron bajas producciones de hidrógeno comparadas con el medio ideal de fotofermentación RCV. Se demostró que con la combinación de RM y RVF se puede producir hidrógeno y metano bajo un modelo de biorrefinería, incluyendo etapas de pretratamiento y bioprocesos.

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