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Producción de hidrógeno en reactores de biomasa fija, implicaciones de microorganismos hidrogenotróficos

JULIAN CARRILLO REYES (2013)

"El hidrógeno es considerado el combustible del futuro por su mayor contenido energético comparándolo con cualquier otro combustible. Su producción por vía biológica permite valorizar residuos o aguas residuales, como el suero de leche, pudiendo producirlo de manera renovable además de ser carbono neutral. En la producción fermentativa de hidrógeno, las bacterias anaerobias utilizan los compuestos orgánicos para producir energía metabólica y componentes estructurales, produciendo H2 y una mezcla de ácidos grasos de cadena corta, así como algunos alcoholes. El uso de suero de leche como sustrato para la producción de hidrógeno ha sido estudiado en reactores de biomasa suspendida, obteniendo velocidades de producción muy promisorias. Con el objetivo de aumentar dicha producción, favorecida por una mayor concentración de biomasa, en el presente trabajo se exploró el uso de reactores de biomasa fija (UASB y lecho empacado). Una limitante de los sistemas granulares como los reactores UASB es el largo tiempo de arranque necesario para establecer una comunidad productora de hidrógeno. En este sentido se evaluaron diferentes estrategias de arranque y estructuras del inóculo. Una disminución gradual del tiempo de residencia hidráulica desde 24 a 6 horas, con una velocidad de carga orgánica (VCO) constante de 20 g DQO/L-d fue la estrategia que produjo una biomasa hidrogenogénica mas activa. La producción inesperada de metano a la par del hidrógeno llevó a la evaluación de diferentes estrategias para controlar la metanogénesis. Un aumento en la VCO de 20 a 30 g DQO/L-d incrementó hasta 172% la producción de hidrógeno, disminuyendo la producción de metano en 75%. La única estrategia que inhibió completamente la metanogénesis fue aplicar un segundo tratamiento térmico a la biomasa. Sin embargo, esta última estrategia también seleccionó a consumidores de hidrógeno, como los homoacetogénicos. El análisis de las comunidades en los reactores UASB con técnicas moleculares como PCR-DGGE y clonación mostraron una proliferación de organismos relacionados con los productores de hidrógeno Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii y Enterobacter aerogenes, así como los homoacetogénicos Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes y Clostridium ljungdahlii. Mientras que los responsables de la producción de metano fueron hidrogenótrofos de los géneros Methanobrevibacter y Methanobacterium."

"Hydrogen is considered the fuel of the future due to the highest energy content compared with any fuel. The biological hydrogen production allows valorizing waste or wastewaters, like the cheese whey, being a renewable and carbon neutral fuel. In the fermentative hydrogen production, anaerobic bacteria use organic substrates to generate metabolic energy and structural components, producing H2 and a mix of short chain fatty acids and alcohols. The cheese whey has been used largely to produce hydrogen in suspended biomass reactors, achieving promising rates. The present work explored the use of biomass fixed reactors (UASB and packed-bed) with the of aim increasing the production rate, favored by the higher biomass concentration. A limitation in granular systems, like the UASB is the long time required to develope a hydrogen producing community. In this sense, different start-up strategies and inoculum structures were evaluated. A gradual decrease of the hydraulic retention time from 24 to 6 hours, with a constant organic loading rate (OLR) of 20 g COD/L-d, produced the more active biomass. The unexpected methane production addressed the evaluation of operational strategies to control the methanogens. An increment of the OLR from 20 to 30 g COD/L-d increased the hydrogen production rate 172%, whereas the methane production was reduced 75%. The only strategy that completely inhibited the methane production was a second heat treatment to the biomass. However, the latter strategy also selected homoacetogens, which are hydrogen consuming organisms. The community analysis of the biomass withdrawn from UASB reactors with molecular techniques, such as PCR-DGGE and cloning, showed a proliferation of organisms related to hydrogen producers such as Clostridium tyrobutyricum, Citrobacter freundii and Enterobacter aerogenes, as well as the homoacetogens Blautia hydrogenotrophica, Oscillibacter valericigenes and Clostridium ljungdahlii. The archaeal community analysis showed that methane was produced by hydrogenotrophs from genera Methanobrevibacter and Methanobacterium."

Doctoral thesis

Homoacetogenesis Lecho empacado UASB Metano Hidrógeno INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA QUÍMICAS HIDRÓGENO

Estudio de la producción de hidrógeno en reactores UASB a partir de lodo granular

ALMA BERENICE JASSO SALCEDO (2010)

"El hidrógeno (H2) es un gas con potencial para cubrir las necesidades energéticas principalmente del rubro de transporte ya que por cada kilogramo se obtienen 34x103 kcal y 9 kg de agua como único producto durante el proceso de combustión. Las celdas de combustible son capaces de usar directamente H2 para generar electricidad sin el deterioro de la calidad de aire y de los recursos naturales que ocasiona el uso de combustibles fósiles. Actualmente, el H2 proviene del procesamiento del gas natural e hidrocarburos. Sin embargo, el uso de fuentes renovables como la biomasa para la generación de H2 permite la utilización de materiales de desecho lo que la convierte en una fuente de energía limpia y sustentable. Entre las tecnologías utilizadas está la fermentación que permite la conversión de los carbohidratos en bio-hidrógeno (Bio-H2) y otros productos (ácidos y alcoholes). Los principales obstáculos para la aplicación práctica de esta tecnología se encuentran en los bajos rendimientos molar de hidrógeno (RMH) y velocidades volumétricas de producción de hidrógeno (VVPH). Procesos de fermentación continuos empleando bacterias inmovilizadas (gránulos) ofrecen altas VVPH y permiten el uso de reactores de menores dimensiones como el de lecho de lodo anaerobio de flujo ascendente (UASB). El tiempo de formación de gránulos con capacidad de producir Bio-H2 gránulos hidrogenogénicos: GH) en reactores UASB puede reducirse a través del uso de gránulos metanogénicos, formados en un reactor alterno, con tratamiento para su enriquecimiento en bacterias productoras de hidrógeno. Este trabajo tiene como objetivo evaluar el uso de gránulos metanogénicos para el desarrollo de GH. Experimentos en lote permitieron determinar que el tratamiento térmico inactiva la actividad metanogénica y obtener altas VVPH. El uso de la solución tampón de fosfatos de sodio y pH inicial 6 genera RMH (2.4 mol H2/mol glucosa) y contenido de H2 en el biogás (60 a 75%) superiores a los reportados en la literatura, así como VVPH (250 mL/L/h) comparables. En experimentos en continuo, llevados a cabo en reactores UASB, se evaluó el efecto que tiene la velocidad de carga orgánica (VCO), sobre el desempeño de los reactores. Inicialmente la VCO se aumento por medio de incrementos en la concentración de sustrato desde 5.3 hasta 17 g/L de glucosa. La máxima VVPH, 1650 mL H2/L/d y RMH de 0.6 mol H2/mol glucosa se obtuvieron a una VCO de 23.4 g DQO/L/d y TRH de 17 h."

"Hydrogen (H2) has the potential to supply energy needed for transportation, given the fact that 34x103 kcal of energy is obtained and 9 kg of water as only residue per kg of gas is produced during the combustion process. Fuel cells are capable of use H2 directly to generate electricity without the deleterious effects on the air quality and natural resources due to the use of fossil fuels. Currently, H2 is produced from natural gas and hydrocarbon processing. However, the use of biomass for H2 production allows the reuse of organic waste materials making H2 production a source of clean and sustainable energy. Among the current technologies in use, fermentation allows to convert carbohydrates to bio-hydrogen (Bio-H2) and other products (acids and alcohols). Main obstacles for practical application of this technology are low hydrogen yields (HY) and low volumetric hydrogen production rate (VHPR). Continuous fermentation processes using immobilized bacteria (granular sludge) yield high VHPR and permit the use of smaller reactors such as the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Time needed to form hydrogenogenic granules (hydrogen producing granules, H2PG) may be reduced through the use of methanogenic granular sludge treated for their enrichment in hydrogen producing bacteria. This work has the objective to evaluate the use of methanogenic granular sludge for the development of H2PG. Batch experiments showed that heat treating can suppress methanogenic activity of the methanogenic granular sludge obtaining high VHPR. The use of sodium phosphate buffer solution at initial pH of 6 generates higher values of HY, VHPR and H2 content in biogas than reported in literature. Continuous culture experiments, in UASB reactors, using the heat-treated methanogenic granular sludge were conducted. The effect of the organic loading rates (OLR) on the performance reactor was studied. OLR was changed by changing the substrate concentration and the HRT. Tested substrate concentrations were in the range of 5.3 to 17 g/L glucose. Maximum VHPR of 1650 mL H2/L/d and HY of 0.6 mol H2/mol glucose was obtained at an OLR of 23.4 g DQO/L/d and HRT of 17 h."

Master thesis

Bio-hidrógeno Gránulos hidrogenogénicos UASB PCR-DGGE ESEM/SEM BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA HIDRÓGENO HIDRÓGENO

Competencia por sustrato durante el desarrollo de biomasa sulfatorreductora a partir de un lodo metanogénico en un reactor UASB

MARISOL GALLEGOS GARCIA MARIA DE LOURDES BERENICE CELIS GARCIA ELIAS RAZO FLORES (2010)

"En este trabajo se estudió la competencia entre microorganismos metanogénicos y sulfatorreductores utilizando un reactor anaerobio de lecho de lodo granular con flujo ascendente (UASB) a escala laboratorio, el cual fue usado para el enriquecimiento de biomasa sulfatorreductora a partir de un lodo granular de origen metanogénico. El reactor se alimentó con una mezcla de etanol y acetato, la carga orgánica se incrementó de 0.5 a 2 g de demanda química de oxígeno (DQO)/L–d a pH de 7.0. El consumo de DQO fue mayor a 90 % y la alcalinidad producida por la oxidación del sustrato incrementó el pH en el efluente hasta 8.0. A partir de los 50 días de operación, el reactor se alimentó con lactato y sulfato para promover la sulfatorreducción. La carga orgánica se aumentó de 1 a 3 g DQO/L–d con una relación DQO/Sulfato de 0.67 a un tiempo de retención hidráulico de un día. A los 194 días de operación del reactor el máximo consumo de DQO y sulfato obtenido fue de 94 y 22 %, respectivamente. La concentración total del sulfuro alcanzada fue de 310 mg S2–/L y la actividad sulfatorreductora de la biomasa fue de 0.29 g DQO–H2S/g SSV–d, lo que mostró el desarrollo de biomasa sulfatorreductora. La actividad metanogénica que se obtuvo fue de 0.35 g DQO–CH4/g SSV–d, estos resultados mostraron que los organismos metanogénicos no fueron desplazados por las bacterias sulfatorreductoras, coexistiendo ambos tipos de microorganismos en el lodo granular anaerobio al final de la operación del reactor."

"In this work the competition between methanogenic and sulfate –reducing microorganisms was studied using a laboratory scale up–flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), which was used for the enrichment of sulfate–reducing biomass from a methanogenic granular sludge. The reactor was fed with a mixture of ethanol and acetate and the organic loading rate was increased from 0.5 to 2 g chemical oxygen demand (COD)/L–d at pH of 7.0. The COD consumed was greater than 90 % and the alkalinity produced by the oxidation of the substrate increased the pH in the effluent up to 8.0. After 50 days of operation, the reactor was fed with lactate and sulfate to promote sulfate–reduction. The organic loading rate was increased from 1 to 3 g COD/L–d with a COD/sulfate ratio of 0.67 at a hydraulic retention time of one day. At 194 days of reactor operation, the maximum consumption of COD and sulfate obtained was 94 and 22%, respectively. Total sulfide concentration reached 310 mg S2–/L and the sulfate–reducing activity of the biomass was 0.29 g COD–H2S/g VSS–d, which demonstrated the development of sulfate reducing biomass. The methanogenic activity obtained was 0.35 g COD–CH4/g VSS–d, these results indicated that the methanogenic organisms were not displaced by the sulfate reducing bacteria, and both types of microorganisms coexisted in the anaerobic granular sludge at the end of reactor operation."

Article

Lodo granular Metanogénesis Sulfatorreducción Reactor UASB CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Tratamiento de residuos ganaderos en un reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB).

MARIA TERESA ALARCON HERRERA CLAUDIA FLORES BORJA IGNACIO MARTIN (2007)

El objetivo de este estudio fue caracterizar el estiércol de ganado vacuno con manejo estabulado

generado en el municipio de Chihuahua, México, para estimar el potencial de generación de biogás y

analizar la influencia de la temperatura y recirculación en la producción de metano. Para la caracterización del residuo se muestreó el estiércol de 17 ejidos y se determinó Sólidos Totales (ST), Sólidos Fijos (SF), Sólidos Volátiles (SV), Demanda Química de Oxígeno (DQO), Fósforo Total (PT), Nitratos (NO3-N), Alcalinidad Total (AT), pH, metales pesados (Co, Cr, Ni, Pb, Zn, Mn, Cu, Fe y Al) y macroelementos C, H, O, N, S, y P.

Article

Anaerobio Reactor UASB CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA CIENCIAS AGRARIAS OTRAS ESPECIALIDADES AGRARIAS OTRAS

Fertigation of sweet sorghum (Sorghum bicolor L. moench.) in laboratory and nursery assays with treated vinasses of hydrated ethanol of UASB reactor

Fertirrigacion de sorgo dulce (Sorghum bicolor L. moench.) en laboratorio y ensayos en vivero con vinazas tratadas de etanol hidratado de un reactor UASB

JAVIER ORLANDO MIJANGOS CORTES MURIEL ELISA GONZALEZ MUÑOZ ELDA ISAURA ESPAÑA GAMBOA (2014)

Vinasse is used in crop fertigation indiscriminately, however, this wastewater generates serious environmental damage as the reduction in crop yield or even its death in the short-term and acidification, decreased oxygenation, increased organic load, accumulation of phenols in soil in the medium and long term. The aim of this study was the fertigation sweet sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) in laboratory (bioassays germination) and growth in nursery treated with hydrated ethanol stillage from a UASB modified, in order to improve its chemical properties and use them to 50, 75% (diluted) and 100% of treated vinasse (TV50, TV75 and TV100 respectively). The raw vinasse (RV) had the lowest percentage of germination in seeds of sweet sorghum in laboratory tests (14% in 8 days) compared to the control treatment where 94% of germinated seeds. Growth of seedlings in the nursery with RV treatment was lower than in other treatments and after 13 days the plants completely stopped growth and died.

Article

ENERGY CROP UASB TREATED VINASSE DISTILLERY WASTEWATER MANAGEMENT SOIL FERTILITY BIOLOGÍA Y QUÍMICA