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GENERACIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE FOTOELECTROCATÁLISIS CON FOTOÁNODOS DE CIRCONATO DE BARIO DOPADO CON TIERRAS RARAS

José Alfonso Bautista López (2018)

"En este trabajo de tesis se presentan los resultados de la síntesis vía solvotermal, la caracterización y utilización del material tipo perovskita BaZrO3. Su utilización como fotocatalizador en la generación de hidrógeno a partir del agua, utilizando el método de fotoelectrocatálisis en una celda fotoelectroquímica. La construcción de una celda fotoelectroquímica utilizando acrílico transparente que permita la incidencia de luz sobre el fotoánodo, utilizando una ventana óptica de Fused Silica. Demostrar las capacidades catalíticas, químicas y optoelectrónicas que tiene el BaZrO3. La influencia que tiene al ser dopado parcialmente con elementos del grupo de tierras raras (Ce, Eu, e Yb) como: La variación en la corriente fotoinducida y un cambio en la actividad fotocatalítica."

Master thesis

HIDRÓGENO, FOTOELECTROCATÁLISIS, PEROVSKITA, CIRCONATO DE BARIO, CELDA FOTOELECTROQUÍMICA INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA ENERGÉTICA GENERACIÓN DE ENERGÍA

Estudio y desarrollo de películas de Cu2ZnSnS4 obtenidas por sputtering para su posible aplicación en dispositivos fotovoltaicos

ESTEBAN OJEDA DURAN (2020)

"El objetivo es obtener y estudiar películas semiconductoras de Cu2ZnSnS4 absorbentes de radiación visible-infrarrojo cercano, mediante la técnica de Sputtering, para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos."

Doctoral thesis

Semiconductores Películas metálicas Espectroscopia atómica Células fotovoltaicas--Congresos Fotoelectroquímica CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Modificación de nanotubos de TIO2 mediante electrodepósitos, para aplicaciones fotoelectroquímicas

JUAN EDGAR CARRERA CRESPO (2017)

La modificación de nanotubos de TiO2 (TNTs) con CdS, ha sido una de las estrategias más utilizadas para emplear estas nanoestructuras en aplicaciones fotoelectroquímicas bajo luz visible. Métodos químicos como la deposición por baño químico secuencial (SCBD o SILAR), así como la electroreducción, son los procesos más empleados para acoplar CdS con TNTs, donde el CdS es formado a partir de la reacción entre los iones Cd2+ y S2- localizados cerca de la superficie de los TNTs; por lo tanto, la unión entre el CdS y los TNTs podría ser débil, provocando una caída óhmica y afectando el transporte de carga en la interfase CdS/TNTs. Para mejorar la unión entre el CdS y los TNTs, en este trabajo de tesis se propone una ruta electroquímica/térmica/química, consistiendo en los siguientes pasos: i) Electrodeposición de cadmio sobre los TNTs, para asegurar un contacto directo entre el TiO2 y las partículas precursoras metálicas; ii) Tratamiento térmico en aire, para transformar el Cd a CdO; y iii) Sulfuración total del CdO en una atmósfera conteniendo H2S(g); obteniéndose partículas de CdS fuertemente unidas a los TNTs. Estas transiciones fueron seguidas empleando la técnica de difracción de rayos X (XRD), confirmando mediante esta técnica y con la de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), la transformación completa de las partículas de cadmio a CdS. Asimismo, el análisis superficial y longitudinal de los TNTs acoplados con CdS (TNTs-CdS), utilizando la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM), evidenció el decorado de las paredes internas y externas de los nanotubos con nanopartículas de CdS. La caracterización por espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), reveló cambios en las propiedades eléctricas de la estructura soporte debido al proceso de sulfuración, así como una baja resistencia en la interfase óxido/calcogenuro, dando como resultado todas estas características alcanzadas, un mayor desempeño fotoelectroquímico de los TNTs-CdS sintetizados mediante el método propuesto en este trabajo, comparado con el obtenido por los TNTs-CdS preparados por el método de SILAR. Además, la ruta electroquímica/térmica/química es empleada en la síntesis de partículas tipo “core@shell” de CdO@CdS sobre otra nanoestructura soporte, nanofibras de TiO2, a partir de modificar el último paso de esta estrategia. Asimismo, los resultados preliminares obtenidos con partículas de Sb, validan el empleo de esta ruta híbrida en la síntesis de otros calcogenuros.

TiO2 nanotubes (TNTs) modification with CdS has been one of the most used strategies to use these nanostructures in photoelectrochemical applications under visible light. Chemical methods such as sequential chemical bath deposition (SCBD or SILAR), as well as electroreduction, are the most used processes for coupling CdS with TNTs, where CdS is formed from the reaction between Cd2+ and S2- ions located near of the TNTs surface; therefore, the union between the CdS and the TNTs could be weak, causing an ohmic drop and affecting the charge transport in the interface CdS/TNTs. In order to improve the bonding between the CdS and the TNTs, an electrochemical/thermal/chemical route is proposed in this thesis, consisting of the following steps: i) electrodeposition of cadmium on the TNTs, to ensure a direct contact between TiO2 and the metal precursor particles; ii) heat treatment in air, to transform the Cd to CdO; and iii) total sulfurization of the CdO in an atmosphere containing H2S(g); obtaining CdS particles strongly adhered to the TNTs. These transitions were followed using X-ray diffraction (XRD) technique, confirming the complete transformation of the precursor particles of cadmium to CdS by this technique and with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Moreover, the superficial and lengthwise analysis of the TNTs coupled with CdS (TNTs-CdS), using scanning electron microscopy (SEM), demonstrated the decoration of the inner and outer walls of the nanotubes with CdS nanoparticles. Characterization by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) revealed changes in the electrical properties of the support structure due to the sulfurization process, as well as a low resistance at the oxide/chalcogenide interface, given all these features achieved, a higher photoelectrochemical performance of the TNTs-CdS synthesized by the method proposed in this work, compared to that obtained by the TNTs-CdS prepared by the SILAR method. In addition, the electrochemical/thermal/chemical route is used in the synthesis of core@shell type particles of CdO@CdS on another support nanostructure, TiO2 nanofibers, modifying the last step of this strategy. Also, the preliminary results obtained with Sb particles, validate the use of this hybrid route in the synthesis of other chalcogenides.

Doctoral thesis

Sulfuro de cadmio Nanoestructuras Energía solar Nanotubos de óxido de titanio Fotoelectroquímica BIOLOGÍA Y QUÍMICA

ÓXIDOS METÁLICOS COMO CATALIZADORES PARA EVOLUCIÓN DE HIDRÓGENO Y TRATAMIENTO DE AGUAS

TERESA PÓRRAZ (2016)

"En este proyecto, fueron sintetizados aluminatos de Bario, Calcio, Magnesio y Estroncio, puros y dopados con Bismuto, Europio y Estroncio, en una atmósfera de aire y en una atmósfera reductora de carbono. Se utilizaron como catalizadores para evolución de Hidrógeno y para la remoción de azul de metileno en aguas contaminadas por colorantes.

Los aluminatos fueron preparados por el método de combustión. Se caracterizaron por SEM, DRX, BET, absorción UV-VIS y fotoluminiscencia. Se les realizó pruebas fotocatalíticas empleando un simulador solar y un reactor con lámparas de luz acuario y luz blanca, así como pruebas de generación de Hidrógeno empleando un cromatógrafo de gases. Se obtuvo que el material que remueve mejor el colorante azul de metileno es el aluminato de Calcio y el material que presenta una mayor evolución de Hidrógeno es el aluminato de Magnesio."

Master thesis

Catalizadores Aluminato Band Gap Hidrógeno Remoción Colorante CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA QUÍMICA FÍSICA CATÁLISIS CATÁLISIS

Efecto de las condiciones ambientales y adición de consumidores de oxígeno sobre el crecimiento y la producción de hidrógeno en cultivos de clorofíceas

Effects of environmental conditions and addition of reducing agents on the growth and hydrogen production in the culture of Chlorophyceae

LUIS ALBERTO MARQUEZ REYES (2016)

Las microalgas clorofíceas son capaces de producir hidrógeno (H2) vía biofotólisis, la cual debe ocurrir en un ambiente anaerobio debido a la sensibilidad al oxígeno (O2) de la enzima Fe-hidrogenasa encargada de producir H2. El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de las condiciones ambientales y remoción del O2 fotosintético sobre crecimiento y producción de hidrógeno en cultivos de microalgas. Se realizó: A) la bioprospección de 5 especies de clorofíceas: Chlamydomonas gloeopara, C. mexicana, C. reinhardtii, Chlorella vulgaris y Scenedesmus obliquus como posibles productoras de H2 utilizando el protocolo de privación de azufre bajo condiciones autotróficas y heterotróficas; B) se estudió el efecto de la irradiancia (100 y 400 µE/m2/s), temperatura (20, 25 y 30°C) y fuente de carbono (ácido acético y sacarosa) sobre el crecimiento y la producción de H2; y C) se estudió el efecto de agentes reductores (ácido ascórbico, cisteína, sulfito de sodio e hidroquinona) sobre la concentración de O2 fotosintético, crecimiento y producción de H2 en cultivos provistos de azufre. Los resultaron de la bioprospección mostraron que en general la mayor producción de H2 se obtuvo bajo condiciones heterotróficas por las especies: S. obliquus (74 mL H2/L) > C. mexicana (62 mL H2/L) > C. gloeopara > (30 mL H2/L) > C. reinhardtii (26 mL H2/L). De aquí que los ensayos consecutivos se realizaron con S. obliquus y C. gloeopara. Se encontró que la irradiancia, pero no la temperatura tuvo un efecto positivo sobre el crecimiento y la producción de H2 (p < 0.05). La mayor producción de H2 en C. gloeopara y S. obliquus se presentó en el tratamiento a 25 °C - 100 µE/m2/s con 73 mL de H2/L y 54 mL de H2/L, respectivamente. La fuente de carbono influyó sobre el crecimiento y la producción H2 (p<0.05). Sólo se logró producir H2 en los tratamientos con ácido acético, C. gloeopara con 48 mL/L y S. obliquus con 46 mL/L. Del ensayo con los agentes reductores, la cisteína fue el único compuesto que no inhibió el crecimiento de las clorofíceas, e incluso lo estimuló, y fue posible mantener niveles menores a 125 pmol y 3.73 pmol de O2 fotosintético durante 192 h para C. gloeopara y S. obliquus, respectivamente. La producción de H2 con cisteína fue 4 veces mayor que bajo el protocolo de privación azufre. Estos resultados demuestran por primera ocasión que la fotosíntesis oxigénica y la producción anaerobia de H2 fueron conciliadas por más de 40 h mediante la captura del O2 con cisteína.

H2 production in microalgae via photolysis takes place only under anaerobic conditions because the Fehydrogenase - enzyme responsible for H2 production - is sensitive to the oxygen (O2). The objective of this research was to study the effects of environmental conditions and removal of the photosynthetic O2 on the growth and H2 production in microalgal cultures. To this end, the research was divided into three phases: A) bioprospection of five species as H2 producers: Chlamydomonas gloeopara, Chlamydomonas mexicana, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus cultured under sulfur deprivation and autotrophic and heterotrophic conditions; B) determination of the effects of the irradiance (100 and 400 µE/m2/s), temperature (20, 25 and 30°C) and source of carbon (acetic acid and sucrose) on the growth and H2 production; and C) determination of the effects of reducing agents (ascorbic acid, cysteine, sodium sulfite and hydroquinone) on the concentration of photosynthetic O2, growth and H2 production in cultures provided with sulfur salts. The results of bioprospection show that the highest H2 productions were obtained under heterotrophic conditions: S. obliquus (74 mL H2/L) > C. mexicana (62 mL H2/L) > C. gloeopara > (30 mL H2/L) > C. reinhardtii (26 mL H2/L). Based on these results, S. obliquus and C. gloeopara were selected to perform the following tests. The irradiance - but not temperature - has a positive effect on the growth and H2 production (p < 0.05). The highest H2 production for C. gloeopara and S. obliquus was observed at 25°C - 100 µE/m2/s with 73 mL H2/L and 54 mL H2/L, respectively. The source of carbon has a significant effect on the growth and H2 production (p<0.05): only treatments with acetic acid produced H2, 48 mL H2/L for C. gloeopara and 46 mL H2/L for S. obliquus. From the reducing agents tested, only cysteine did not inhibit the growth, actually stimulated it, and the photosynthetic O2 was kept below 125 pmol and 3.73 pmol during 192 h for C. gloeopara and S. obliquus, respectively. In the cysteine treatments, H2 production was four times higher than the treatments under sulfur deprivation. These results demonstrated that the oxygenic photosynthesis and anaerobic H2 production were conciliated for more than 40 h by capturing the photosynthetic O2 as quickly as it is evolved. This study presents a novel approach to produce H2 for microalgal cultures by sequestering O2 with reducing agents or O2-consuming bacter

Doctoral thesis

Agentes reductores Hidrógeno Microalga BIOLOGÍA Y QUÍMICA CIENCIAS DE LA VIDA OTRAS ESPECIALIDADES DE LA BIOLOGÍA OTRAS

Optimazación de las condiciones de fermentación para la producción de hidrógeno en cultivos en lote y continuo

GUSTAVO DAVILA VAZQUEZ (2008)

"El hidrógeno (H2) es considerado como el vector energético del futuro. Esto porque comparado con los hidrocarburos, contiene gravimétricamente 2.75 veces más energía, además de que su combustión solo genera vapor de agua como subproducto. El H2 también puede ser utilizado para la producción de energía eléctrica mediante celdas de combustible, sin la generación de gases de efecto invernadero. Alrededor del 95% del H2 utilizado en la industria se produce a partir de hidrocarburos, lo que lo convierte en un proceso no sustentable. Por el contrario, el bio-hidrógeno (Bio-H2) generado a partir de biomasa, es una alternativa energética sustentable y neutra en emisiones de gases de efecto invernadero. Algunos microorganismos son capaces de producir Bio-H2 bajo condiciones anaerobias, a partir de un amplio rango de sustratos orgánicos. En esta tesis se estudió la producción de Bio-H2 en experimentos en lote y continuo utilizando sustratos tales como la glucosa y lactosa, además de lactosuero (LS), y lodo anaerobio granular tratado térmicamente como inoculo. En los experimentos en lote se estudió el efecto del pH inicial y de la concentración inicial de sustrato sobre el rendimiento molar (RMH) y la velocidad volumétrica de producción de Bio-H2 (VVPH). El RMH y la VVPH obtenidas en los experimentos en lote para los tres sustratos, se encontraron a pH iniciales superiores a los óptimos comúnmente reportados en la literatura. Posteriormente, por ser un subproducto industrial y mostrar valores altos tanto de RMH y VVPH, se seleccionó al LS como sustrato, para evaluar la producción de hidrógeno utilizando dos medios minerales diferentes (A y B). El análisis de la comunidad microbiana mostró diferencias en los microorganismos presentes utilizando ambos medios, predominando para el medio B la presencia de especies de Clostridium Enterobacter, mientras que en los experimentos con medio A solo se identificó a una proteobacteria. Consecuentemente, el uso de medio mineral B produjo alrededor del doble de la VVPH que fue lograda con el medio A, aunque el RMH tuvo solo un ligero incremento con la utilización del medio B. Finalmente, se operó un tanque agitado continuo durante 65.6 días utilizando LS como sustrato, suplementado con medio mineral B. Se probaron tres tiempos de residencia hidráulico (TRH: 10, 6 y 4h) obteniendo la VVPH más alta con 6h. Además, se probaron cuatro cargas orgánicas (CO) incrementales a un TRH fijo de 6h."

"Hydrogen (H2) is seen as a future energy carrier. Because compared to hydrocarbons, it contains 2.75-times more energy by weight, besides the fact that its combustion only generates steam as by-product. H2 can be also used for electricity generation with the aid of fuel cells, without the production of greenhouse gases. Around the 95% of the H2 used in industry is now produced from hydrocarbons, which makes this process unsustainable. On the other hand, biohydrogen (Bio-H2) generated from biomass, is a sustainable energetic alternative which is also neutral in greenhouse gases emission. Some microorganisms are capable of produce Bio-H2 under anaerobic conditions, from a wide range of organic substrates. In this thesis, the production of Bio-H2 was studied with glucose, lactose and cheese whey (CW) as substrates, in batch and continuous experiments and heat-treated anaerobic granular sludge as inoculum. The effect of initial pH and initial substrate concentration on both the hydrogen molar yield (HMY) and volumetric Bio-H2 production rate (VHPR) was studied for the three substrates in batch experiments. Both, higher HMY and VHPR obtained in batch experiments were found at higher initial pH than commonly reported as optima in the literature. Furthermore, CW was selected to assess Bio-H2 production with two different media (A and B) due to the high HMY and VHPR obtained, and because CW is an industrial by-product. The microbial community analysis showed differences in the microorganisms present for the experiments with each medium. Clostridium and Enterobacter species dominated with the use of medium B, while experiments with medium A only showed the presence of a proteobacterium. Consequently, the use of mineral medium B yielded around twice the VHPR than the obtained with medium A, while HMY had a slight increase with the use of medium B. Finally, a continuous stirred tank reactor was operated for 65.6 days using CW as substrate, supplemented with mineral medium B. Three hydraulic retention times (HRT:10, 6 and 4h) were tested attaining the highest VHPR at 6h. Moreover, four organic loading rates (OLR) were evaluated at a fixed HRT of 6h. The highest VHPR, 46.61 mmol H2/l/h and HMY of 2.8 mol H2/mol lactose were attained at an OLR of 138.6 g lactose/l/d. The dominant bacterial species at HRT of 10 and 6h belonged to the Clostridium genus."

Doctoral thesis

PCR-DGGE Lodo anaerobio Cultivos mixtos Bio-hidógeno BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA HIDRÓGENO

Producción de hidrógeno en sistemas continuos a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de Agave tequilana Weber

CARLOS ALBERTO CONTRERAS DAVILA (2015)

"Los problemas atribuidos al uso intensivo de los combustibles fósiles han motivado la exploración de nuevas fuentes de energía renovables. El hidrógeno (H2) es considerado un combustible ideal, el cual puede ser producido mediante la fermentación oscura a partir de diversos tipos de residuos, tales como los lignocelulósicos. En este trabajo se evaluó la producción de hidrógeno a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave utilizando un reactor de tanque agitado (CSTR) y un reactor de filtro percolador (TBR). Las velocidades (VVPH) y los rendimientos (RMH) de la producción de hidrógeno fueron evaluados en ambos reactores como respuesta a diferentes cargas orgánicas volumétricas (COV). Los máximos VVPH y RMH obtenidos en el CSTR fueron de 2.53 L H2/L-d y 1.35 mol H2/mol azúcar consumido a una COV de 52.5 y 40.2 g DQO/L-d, respectivamente. Un aumento de COV a 60.3 g DQO/L-d resultó en una severa disminución en la producción de hidrógeno. En el TBR se alcanzaron VVPH y RMH máximos de 3.45 L H2/L-d y 1.53 mol H2/mol azúcar consumido, ambos obtenidos a una COV de 52.9 g DQO/L-d. El TBR fue más sensible al contenido de sólidos en los hidrolizados en comparación con el CSTR. Los metabolitos predominantes en ambos reactores fueron butirato y acetato, con presencia de lactato y propionato en concentraciones ligeramente mayores en el CSTR en comparación con el TBR, como se pudo observar tanto en los perfiles de producción de metabolitos como en los balances de electrones. La VVPH y el RMH mostraron una respuesta positiva a los aumentos de COV en el TBR. Sin embargo, la VVPH y el RMH mostraron una correspondencia opuesta en el CSTR, debido a que el RMH disminuyó con los incrementos de COV. Los distintos desempeños fueron atribuidos a diferencias en la presión parcial de hidrógeno. Existen pocos trabajos en los que se evalúe la producción continua de hidrógeno a partir de hidrolizados lignocelulósicos. El presente trabajo muestra que la configuración de reactor tiene un efecto importante sobre la producción de hidrógeno a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave."

"Problems associated to the intensive use of fossil fuels have given rise to the research on new alternative and renewable energy sources. Hydrogen (H2) is considered an ideal fuel, which can be produced biologically from a variety of wastes by dark fermentation, including lignocellulosic residues, thus valorizing residues and harvesting energy at the same time. The aim of this work was to evaluate the continuous hydrogen production from enzymatic hydrolysates of agave bagasse in a continuous stirred tank reactor (CSTR) and a trickling bed reactor (TBR). Hydrogen production rates (VHPR) and yields (HMY) were evaluated under different organic loading rates (OLR). The highest VHPR and HMY attained in the CSTR were 2.53 L H2/L-d and 1.35 mol H2/mol sugar consumed at an OLR of 52.5 and 40.2 g DQO/L-d, respectively. A drop in hydrogen production was observed at 60.3 g DQO/L-d. Both VHPR and HMY peaked at 52.9 g DQO/L-d in the TBR, corresponding to 3.45 L H2/L-d and 1.53 mol H2/mol sugar consumed, respectively. The solids content in the hydrolysates affected the operation of the TBR. Butyrate and acetate were the main metabolic products in both reactors, whereas propionate and lactate concentrations were slightly higher in the CSTR compared to the TBR, which was observed in both the metabolite production profiles and the electron balances. The reactor configuration had a strong influence on reactors performance. An upward trend was achieved in both VHPR and HMY with increasing OLR in the TBR. Although the increments on the OLR enhanced VHPR in the CSTR, HMY showed a decreasing tendency with increasing OLR. The different performances observed were attributed to differences in the hydrogen partial pressure. There are few studies on continuous hydrogen production from lignocellulosic hydrolysates. In this study, it is shown that reactor configuration has a relevant impact on the hydrogen production from enzymatic hydrolysates of agave bagasse."

Master thesis

Hidrógeno Bagazo de agave Hidrólisis enzimática CSTR TBR BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA HIDRÓGENO

Effect of inoculum pretreatment on hydrogen production in high cellular density reactors and evaluation of interactions between their microbial functional groups

CRHISTIAN CISNEROS PEREZ (2017)

"Se considera que el hidrógeno tendrá una gran relevancia como combustible en el futuro próximo, llegando incluso a hablarse de una economía basada en el hidrógeno, ya que además de ser usado de manera directa es posible usarlo como acarreador intermediario de energía. Sin embargo, aunque la tecnología para su aprovechamiento tiene ya varias décadas de desarrollo, su producción aún depende en gran medida de los combustibles fósiles a los que tendría que suplantar. Uno de los métodos más prometedores es la fermentación oscura, por medio de la cual se aprovechan las características fisiológicas de bacterias creciendo en condiciones anaerobias. Hay una gran variedad de parámetros que influyen en la producción de biohidrógeno por fermentación oscura, como el tiempo de residencia hidráulica, la velocidad de carga orgánica, pH, tipo de sustrato y características del inóculo. La mayoría de estos parámetros han sido ya estudiados y descritos en la literatura. Sin embargo, poco se ha logrado esclarecer acerca de la interdependencia y demás interacciones entre los distintos componentes de la comunidad microbiana anaerobia que permitn altas producciones de hidrógeno. Estas comunidades existen naturalmente en los lodos anaerobios de las plantas de tratamiento y se intercalan con las productoras de metano. Por esto, las fuentes más comunes de obtención de inóculo para producción de metano son las naturales y/o de plantas de tratamiento, a las que es necesario dar un tratamiento previo para inhibir toda actividad metanogénica. En esta tesis se evaluaron dos diferentes pretratamientos como estrategias de enriquecimiento para obtener comunidades hidrogenogénicas, el choque térmico y el lavado celular. Los reactores de biomasa inmovilizada tienen la capacidad de alcanzar mayores concentraciones de biomasa microbiana, permitiendo mayor eficiencia en la producción de biohidrógeno. Usando reactores granulares de lecho expandido (EGSB), los máximos rendimientos molares (0.92 mol H2/mol de hexosa) y de velocidad volumétrica de producción de hidrógeno (4.23 L H2/L-d), con una carga orgánica de 36 g de glucosa/L-d a un tiempo de retención de 10 h con lodo tratado por lavado celular."

"It is considered that hydrogen will have great relevance as a fuel in the near future, even going so far as to speak of a hydrogen-based economy, since besides of being used directly it is possible to use it as an energy intermediary carrier. However, although the technology for its use has already several decades of development, its production still depends to a great extent on the fossil fuels. One of the most promising methods is the dark fermentation, by means of which the physiological characteristics of bacteria growing in anaerobic conditions are exploited. There are a variety of parameters that influence biohydrogen production by dark fermentation, such as hydraulic residence time, organic loading rate, pH, type of substrate and characteristics of the inoculum. Most of these parameters have already been studied and described in the literature. However, little has been achieved to clarify the interdependence and other interactions between the different components of the anaerobic microbial community that allows high rates in hydrogen production. These communities exist naturally, and are intercalated with methane producers. For this reason, the most common source of inoculum for the production of methane are natural ones and / or treatment plants, which need to be pre-treated to inhibit all methanogenic activity. In this thesis two different pretreatments were evaluated as enrichment strategies to obtain hydrogenogenic communities, thermal shock and cell washout. The immobilized biomass reactors have the capacity to reach higher concentrations of microbial biomass, allowing greater efficiency in the production of biohydrogen. Using expanded granular sludge bed (EGSB) reactors, maximum molar yield (0.92 mol H2 / mol hexose) and volumetric hydrogen production rate (4.23 L H2/L-d) with an organic loading rates of 36 g glucose/L-d at HRT of 10 h with cell wash-out pretreated sludge. In anaerobic fluidized bed (AFB) reactors, sludge that was pretreated with cell wash-out produced maximum volumetric and molar yield values of 7 L H2/L-d and 3.5 mol H2/mol hexose, respectively, at 60 g glucose/L-d and HRT of 6 h. In both cases cell wash-out produced better yields and overall performance of reactor than that obtained using thermally treated inoculum, despite being the latter the most widely reported in the literature. Both reactors showed abundance mainly in members of Clostridia, Enterobacteriaceae and lactic acid bacteria taxa."

Doctoral thesis

Biohidrógeno DGGE Pretratamientos Inóculo Ecología microbiana BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA HIDRÓGENO

Producción de hidrógeno en un reactor de filtro percolador: Evaluación de los hidrolizados de bagazo de agave obtenidos con enzimas comerciales

JOSE DE JESUS MONTOYA ROSALES (2018)

"El bagazo de agave es un residuo lignocelulósico generado durante la elaboración de tequila que puede ser empleado como materia prima para la producción de hidrógeno (H2), a través de procesos biológicos como la fermentación oscura. Sin embargo, debido a su estructura compleja, este material debe ser hidrolizado con el fin de liberar azúcares fácilmente fermentables para los microorganismos. En este estudio se investigó la viabilidad de la producción de H2 a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de agave. Se utilizaron enzimas comerciales que presentan actividades celulolíticas y hemicelulolíticas. Se realizaron dos diferentes hidrólisis enzimáticas, en la primera se empleó una mezcla de dos enzimas importadas (Celluclast 1.5L y Viscozyme L) y en la segunda se empleó una enzima nacional (Stonezyme). Se evaluó la producción continua de H2 de dichos hidrolizados en un reactor de filtro percolador (TBR, por sus siglas en inglés) variando la carga orgánica. El TBR para el hidrolizado con la mezcla enzimática y con la enzima individual fueron operados por 59 y 40 días, respectivamente, a cargas orgánicas volumétricas (COV) aplicadas con valores entre 34.6 y 81 g DQO/L·d. En ambos hidrolizados se encontró que la velocidad volumétrica de producción de H2 (VVPH) estaba directamente relacionada con la COV aplicada, donde las máximas VVPH alcanzadas con los hidrolizados de la mezcla enzimática y de la enzima individual fueron de 5.75 y 1.98 L H2/L·d, respectivamente, a una COV de 81 g DQO/L·d. Por otra parte, con los hidrolizados obtenidos con la mezcla enzimática, el rendimiento específico de H2 (REH) incrementó claramente en función de la COV, obteniendo un valor máximo de 73.21 L H2/kg de bagazo a la máxima COV aplicada; este valor es mayor a lo obtenido con el hidrolizado de la enzima individual donde se obtuvo un rendimiento de 16.15 L H2/kg de bagazo a la misma COV. En conclusión, los resultados muestran que los hidrolizados obtenidos con la mezcla enzimática pueden aumentar significativamente la producción de H2 a partir de bagazo de agave y ser una alternativa prometedora en el contexto de la transición energética."

"Agave bagasse is a lignocellulosic residue generated during the tequila manufacturing that can be used as a feedstock for H2 production. Nevertheless, due to its complex structure, this material has to be hydrolysed in order to release easily fermentable sugars. In this study, it was investigated the feasibility of H2 production from enzymatic hydrolysates of agave bagasse. Commercial enzymes with cellulolytic and hemicellulolytic activities were used. Two different enzymatic hydrolysis of agave bagasse were performed, in the first one a mixture of two imported enzymes (Celluclast 1.5L and Viscozyme L) was used and in the second one a domestic enzyme (Stonezyme) was used. The continuous H2 production from both hydrolysates was evaluated in a trickling bed reactor (TBR) using different organic loading rates (OLR). TBR for hydrolysates with enzymatic mixture and with individual enzyme were successfully operated for 59 and 40 days, respectively, under OLR ranging from 43.2 to 81 g COD/L·d. In both hydrolysates, the volumetric H2 production rate (VHPR) was found to be directly linked to the OLR applied, where the maximum VHPR for the hydrolysates of the mixture and the individual enzyme were 5.75 and 1.98 L H2/L·d, respectively, at an OLR of 81 g COD/L·d. Moreover, for the hydrolysates obtained with the mixture of enzymes, the specific hydrogen yield clearly increased as function of OLR, reaching a maximum value of 73.21 L H2/kg bagasse at the maximum OLR, which is higher than that obtained with hydrolysates from the individual enzyme that reported a yield of 16.15 H2/kg bagasse at the same OLR. Overall, the results showed that the enzymatic mixture hydrolysate can substantially improve the H2 production from agave bagasse in comparison with the individual enzyme hydrolysate and therefore it becomes a promising alternative in the energy transition context."

Master thesis

Bagazo de agave TBR Hidrólisis enzimática Hidrógeno CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA