Producción de biohidrógeno a partir de una codigestión anaerobia utilizando agua residual de la industria alimenticia en un reactor continuo empleando consorcios microbianos mixtos

Cruz Méndez, Alfredo (2021) Producción de biohidrógeno a partir de una codigestión anaerobia utilizando agua residual de la industria alimenticia en un reactor continuo empleando consorcios microbianos mixtos. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

El presente trabajo propuso la evaluación en la codigestión de dos residuos de la industria alimenticia, sustrato industrial de cervecería (SIC) y sustrato industrial lácteo (SIL), para la producción de bioH2. La primera etapa experimental consistió en la preparación de microrreactores tipo batch a partir de diferentes mezclas entre ambos sustratos con relaciones C/N de 20, 25, 30, 35 y 50 e inoculándose con dos consorcios microbianos mixtos, nombrados inóculo granular (IG) e inóculo de composta (IC). Cada sistema de reacción fue llevado a cabo en botellas serológicas de 124 mL con un volumen de trabajo de 90 mL, temperatura controlada a 35°C, velocidad de agitación de 100 RPM y el pH inicial de 5.5 ± 0.2. En una segunda etapa experimental, se consideró homologar el sistema de reacción con el mejor rendimiento a un reactor continuo de flujo ascendente. El reactor fue puesto en marcha con un volumen de trabajo de 2 L. La producción de bioH2 en continuo fue evaluada a diferentes tiempos de retención hidráulica (TRH) siendo 3, 9 y 12 h, utilizando IG como inóculo, relación C/N = 35, a temperatura ambiente y pH inicial a 5.5 ± 0.3. Para la caracterización fisicoquímica de los sustratos individuales y en codigestión durante las etapas experimentales consistó en la determinación del pH, de carbohidratos totales, de la Demanda Química de Oxígeno, de Nitrógeno Total, de Sólidos Totales Volátiles y de Sólidos Suspendidos Totales además del análisis de cromatografía de gases para cuantificar la producción de bioH2 y Ácidos Grasos Volátiles. Los resultados obtenidos a nivel microrreactor muestran que los sustratos SIL-SIC en codigestión tienen alto potencial para la producción de bioH2 a pesar de la caída abrupta del pH hasta 3.5 en las 32 h respecto a las monodigestiones y la naturaleza del inóculo (IGo IC). En cuanto a la degradación de la materia orgánica, los carbohidratos totales y sólidos totales, mantuvieron una tendencia decreciente y remociones mayores al 90 %. Sin embargo, la mayor producción fue observada con los reactores con IG como inóculo con 103, 180, 125, 215 y 104 mL para las relaciones C/N 20, 25, 30, 35 y 50 respectivamente. A partir de los cálculos de rendimiento se determinó que la relación C/N = 35 presentó un rendimiento de 60.6 ± 1.8 mL H2 g DQOrem -1 para IG y 72.9 ± 5.8 mL H2 g DQOrem -1 para IC. En base a los resultados obtenidos se realizó el ajuste de los datos experimentales con la ayuda del modelo doble de Gompertz el cual indicó la máxima acumulación de bioH2 (HMáx) = 243.7 mL H2, la velocidad máxima de reacción (RMáx) = 15.07 mL H2 h -1, tiempo de adaptación de 1 h para la primera etapa y 22.86 para la segunda etapa, con una R2 =0.99 para la relación C/N 35 e IG. El estudio de la identificación microbiana a los diferentes tiempos de reacción demostró que algunas especies productoras de bioH2 mantuvieron mayor actividad las primeras 8 h de reacción. Entre las especies productoras de bioH2 se encontró la Citrobacter sp y especies de la familia Enterobactericeae como Hafnia alvei y Rahnella sp utilizando el inóculo IC y especies como Megasphaera elsdenii y Prevotella sp con inóculo IG. Los resultados de la producción de bioH2 en continuo (reactor UASB) a diferentes tiempos de retenciòn hidruálicos (TRH’s), evidenció la producción de bioH2 durante 20 ciclos, empleando la codigestión SIL-SIC con la relación C/N = 35, el IG y el ajuste del pH = 5.5. Para mostrar este propósito se estudiaron 3 TRH = 3, 8 y 12h. Los resultados obtenidos mostraron la acidificación de los reactores hasta pH<4 durante todo el intervalo de estudio, pero la operación del reactor UASB con un TRH = 9 h logró incrementar 10 veces la producción de biogás respecto al reactor cuando operó a un TRH = 3 h. Del análisis de los gases permantes (hidrógeno, dióxido de carbono, principalmente) y ácidos grasos se observó que los 3 experimentos alcanzan su mayor producción de bioH2 entre los ciclos 10 a 18 posiblemente como resultados de la aclimatación de las especies productoras de bioH2. En analogía con los resultados del análisis microbiológico para la codigestión SIL-SIC entre los microrreactores batch a tiempo de 8 h y los experimentos en el reactor TRH = 9 h posiblemente las especies predominantes como Lactobacillus casei (4%), Lactobacillus delbrueckii (7%), Leucobostoc mensenteroides (20%), Lactococcus lactis (44%) y Bacilli (7%), sean las que proliferan durante la operación del reactor en los diferentes ciclos, atribuyendo la probable sinergia entre los sustratos y las especies Lactococcus lactis, Megasphaera elsdenii y Prevotella sp como la productoras de bioH2. Este mismo caso aplica para el TRH=12 donde el análisis microbiológico en sistema batch a 24 h, revela que especies como Lactobacillus casei (13%) y el género Bacilli (31%) causaron una disminución en el rendimiento de bioH2. Además, que las rutas metabólicas del ácido acético y acido butírico fueron predominantes y secundas por rutas del ácido propiónico y ácido valérico mismas que se validan con un análisis termodinámico. Finalmente, el rendimiento en la codigestión SIL-SIC demostró que el rendimiento máximo fue para el TRH = 9 h con 22.15 mmol H2 g DQO-1 seguido del TRH = 12 h con 1.01 mmol H2 g DQO-1 y el TRH = 3 h de 0.57 mmol H2 g DQO-1 . En el caso de la productividad se encontró que el TRH = 9 mantuvo valores mayores a 0.35 L H2 L -1d-1, mientras que el TRH = 3 y 12 h estuvieron por debajo de 0.05 L H2 L-1d-1 .

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