Residuos Sólidos Urbanos – Producción biológica de hidrógeno a partir de residuos

1. Introducción

El hidrógeno es reconocido como uno de los más prometedores recursos energéticos del futuro para la generación eficiente de electricidad.

Esto es debido fundamentalmente a su nulo impacto ambiental, desde el punto de vista de generación de gases de efecto invernadero, y a la capacidad de ser empleado en celdas de combustible.

El hidrógeno puede generarse a partir de fuentes de energía primarias (actualmente la mayor parte del hidrógeno se obtiene a partir del reformado con vapor de hidrocarburos), fuentes de energía secundaria o intermediarios generados industrialmente (como productos de refinería, amoniaco o metanol) y fuentes de energía renovables (biomasa, biogás y residuos).

El interés creciente en la generación de hidrógeno a partir de fuentes renovables de energía, como la biomasa, ha llevado al desarrollo de sistemas de generación de hidrógeno a partir de residuos por procesos térmicos, tales como la gasificación, la pirólisis o el reformado del biogás generado en los procesos de digestión anaerobia (Fig. 1).

Figura 1. Procesos para la generación de hidrógeno de biomasa (adaptado de [1])

Una alternativa a la generación de hidrógeno a partir de residuos o biomasa por procesos térmicos es la generación por procesos biotecnológicos, que siendo más respetuosos desde el punto de vista ambiental, pueden ser también competitivos desde el punto de vista económico.

Entre estos procesos destacan la generación fotobiológica [2] y la generación fermentativa [3].

Aunque la mayor parte de los sistemas biológicos de generación de hidrógeno se encuentran aún en fase de desarrollo, su aplicación en el futuro es prometedora. Es por ello que en el presente artículo se repasan las principales alternativas biotecnológicas de generación de hidrógeno, se evalúa su uso potencial en el aprovechamiento de la biomasa como energía renovable y se ofrece una panorámica de la situación actual y las perspectivas futuras de las mismas.

2. La producción biológica de hidrógeno

La producción de hidrógeno es un proceso llevado a cabo por microorganismos muy variados, desde procariotas a eucariotas y desde fotolitotrofos a quimioorganotrofos.

En los microorganismos fotosintéticos [4] son dos las enzimas implicadas en la producción de hidrógeno, la hidrogenasa y la nitrogenasa, mientras que en los microorganismos no fotosintéticos son varias las rutas fermentativas utilizadas para la producción de hidrógeno [5].

2.1. Producción por organismos fotosintéticos

1. Producción de hidrógeno por hidrogenasas

Ya en 1942, Gaffron y Rubin [6] observaron que el alga Scenedesmus era capaz de producir hidrógeno como resultado de su metabolismo bajo determinadas circunstancias de cultivo. Otros autores [7] demostraron que algunas cianobacterias como Spirulina producen hidrógeno mediante hidrogenasas.

La reacción de generación de hidrógeno por microorganismos fotosintéticos basada en la hidrogenasa puede realizarse de dos formas diferentes, bien en condiciones de iluminación o bien en oscuridad:

a) Producción en condiciones de iluminación: en este caso, la producción está asociada a la fijación de CO2 atmosférico en condiciones de iluminación y la posterior producción de hidrógeno en condiciones de ausencia de oxígeno (anaerobiosis) en oscuridad. La mayor limitación de esta forma de producción de hidrógeno es la inhibición de la hidrogenasa por la acción del oxígeno generado por el propio metabolismo.

b) Producción en oscuridad: Scenedesmus, entre otras algas, es capaz de producir hidrógeno no únicamente bajo condiciones de
iluminación, sino también en oscuridad y en anaerobiosis por fermentación, a partir del almidón acumulado intracelularmente. Este
segundo sistema de producción, aunque algo menos eficiente, permite realizar un proceso en continuo, ya que no se genera oxígeno que pueda inhibir la enzima hidrogenasa.

2. Producción de hidrógeno por nitrogenasas

La ruta preferente de producción de hidrógeno por cianobacterias es la utilización de la enzima denominada nitrogenasa. Este sistema es específico de bacterias y no existe en organismos eucariotas (algas).

La reacción de producción de hidrógeno por la nitrogenasa está basada en la capacidad que tiene dicha enzima de modificar su función habitual (reacción a) y catalizar la síntesis de hidrógeno según la reacción b), en presencia de argón:

a) N ₂ + 6H⁺ + 6e^– ——> 2 NH₃

b) 2H⁺ + 2 e^– ——-> H ₂

La enzima nitrogenasa es, al igual que la enzima hidrogenasa, extremadamente sensible a la presencia de oxígeno. Por ello, las cianobacterias deben recurrir a sistemas que impidan la presencia de oxígeno. Existen dos estrategias para lograr evitar dicha inhibición.

En algunos casos, la separación del metabolismo productor de oxígeno y la reacción de la nitrogenasa está separada en el tiempo. En otros casos, la actividad fijadora de nitrógeno (y, por lo tanto, productora de hidrógeno) se realiza en células especiales denominadas heterocistos.

En este último caso, en las células vegetativas se producen compuestos orgánicos a partir del dióxido de carbono y el oxígeno en condiciones de iluminación, mientras que en los heterocistos se produce la generación de hidrógeno.

Otros grupos de bacterias fotosintéticas anaerobias son capaces también de realizar procesos de biofotolisis, en condiciones anoxigénicas en presencia de luz, utilizando compuestos orgánicos como fuente de carbono. Estas eubacterias fotosintéticas, encuadradas en dos grupos relacionados (bacterias rojas no del azufre y bacterias verdes no del azufre), son capaces de obtener elevadas producciones de hidrógeno. Las especies de eubacterias fotosintéticas sobre las que más estudios se han realizado pertenecen al género Rhodobacter, fundamentalmente Rhodobacter sphaeroides y Rhodobacter capsulatus.

2.2. Producción por organismos fermentativos

Algunos grupos de bacterias fermentadoras tienen la capacidad de generar hidrógeno a partir de azúcares simples por tres rutas que se denominan fermentación butírica, fermentación ácido mixta y fermentación butanodiólica, en la que se generan hasta 2 moles de hidrógeno por mol de glucosa, además de otros subproductos de interés económico.

La fermentación butanodiólica es característica de los géneros Serratia, Enterobacter y Bacillus (aunque en este último caso la síntesis de hidrógeno se realiza a partir del ácido pirúvico), siendo los productos de la fermentación butanodiol, etanol e hidrógeno.

La fermentación ácido-mixta es una fermentación característica de los géneros Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Yersinia, Photobacterium y Vibrio, en la que se produce principalmente una variedad de ácidos (acético, láctico, fórmico), etanol e hidrógeno.

Finalmente, la fermentación butírica permite obtener elevados rendimientos de hidrógeno, junto con ácido butírico, acético y CO₂ a bacterias anaerobias de los géneros Clostridium y Sarcina. La fermentación de la acetona-butanol también realizada por Clostridium es otra variante de este proceso.

Un esquema general del proceso de producción fermentativa de hidrógeno se basa en la siguiente reacción:

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O ———————–> 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂

Este proceso es capaz de generar 0,5 m³ de hidrógeno por kg de hidrato de carbono utilizado.

Además de dichos sistemas fotosintéticos y fermentativos, también se han desarrollado sistemas mixtos que combinan diversos procesos a la vez [8].

3. Producción de hidrógeno a partir de residuos

A pesar de todo lo expuesto anteriormente, la producción de hidrógeno a partir de residuos es un proceso que se circunscribe a aquellos procesos en los cuales el hidrógeno es generado a partir de los compuestos orgánicos presentes en el residuo [9]. En este sentido, son tres los procesos principales que se pueden distinguir en la generación de hidrógeno a partir de residuos: producción fotosintética, producción fermentativa y sistemas mixtos.

3.1. Producción por organismos fotosintéticos

Son tres los procesos potencialmente utilizables para la generación de hidrógeno a partir de residuos por microorganismos fotosintéticos: la producción por bacterias fotosintéticas, la producción por algas y la producción combinada.

a) Generación de hidrógeno a partir de residuos por bacterias fotosintéticas

Algunas bacterias fotosintéticas son capaces de producir grandes cantidades de hidrógeno a partir de compuestos orgánicos de bajo peso molecular, como ácidos orgánicos (láctico, succínico y butírico) o alcoholes. Este hecho hace que estos organismos sean potencialmente utilizables para la producción de hidrógeno a partir de residuos. En este sentido, Rhodobacter spharoides ha sido utilizada para la generación de hidrógeno a partir de aguas residuales de la industria de refino de azúcar [10] y de aguas residuales de la industria alimentaria [11].

b) Generación de hidrógeno a partir de residuos por algas

El uso potencial de las algas verdes como generadores de hidrógeno a partir de residuos proviene del hecho de que algunos de estos organismos son capaces de producir hidrógeno por fermentación en condiciones anaerobias utilizando almidón como fuente reductora [12]. Aunque el sistema habitualmente utilizado para generar el hidrógeno consta de dos etapas (la primera consiste en asimilar CO₂ por fotosíntesis bajo condiciones de iluminación y la segunda en utilizar este almidón en condiciones de oscuridad y generar el hidrógeno), podría obviarse la primera proporcionando una fuente de carbono utilizable a las algas. El resultado sería una producción neta de hidrógeno y ácidos orgánicos y alcoholes.

c) Generación combinada algabacteria fotosintética

Teniendo en cuenta que las algas son capaces de generar hidrógeno produciendo ácidos orgánicos, mientras que las bacterias fotosintéticas necesitan dichos ácidos orgánicos para la síntesis de hidrógeno, ambos procesos son susceptibles de ser combinados, de tal forma que las algas generasen hidrógeno y ácidos orgánicos y alcoholes de forma anaerobia en la oscuridad a partir de la materia orgánica presente en un residuo, y las bacterias fotosintéticas emplearan dichos compuestos orgánicos en generar hidrógeno en condiciones de iluminación anaerobia. (Fig. 2). En este sentido, ya se han realizado algunas pruebas de sistemas en dos fases [13].

Figura 2. Esquema de producción fotosintética combinada de hidrógeno

3.2. Producción por organismos fermentativos

Como se ha comentado anteriormente, existen diversas fermentaciones bacterianas capaces de generar hidrógeno. Algunas de estas fermentaciones han sido estudiadas en profundidad, ya que además de hidrógeno se pueden generar otros subproductos valorizables. De hecho, la fermentación de la acetonabutanol fue desarrollada antes de la Primera Guerra Mundial como fuente de obtención de acetona parala fabricación de explosivos, y continuó su explotación industrial posterior para la generación de butanol (disolvente de pintura para la industria del automóvil) y de riboflavina. Sin embargo, esta ruta de síntesis se desechó posteriormente, ya que la fabricación química resultaba más viable económicamente.

Esta fermentación está tomando una importancia elevada como sistema de generación de hidrógeno a partir de residuos. Varios estudios han sido realizados con residuos vegetales [14], y con la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos [15]. Otros autores [16] acaban de proponer el uso de esta fermentación para el tratamiento de residuos papeleros. La mayor parte de los estudios realizados han tenido como protagonista a la bacteria Clostridium butyricum, aunque también se han utilizado otras como Enterobacter aerogenes y Escherichia coli e incluso actinomicetes como Frankia.

3.3. Sistemas mixtos

El sistema fermentativo de generación de hidrógeno tiene como limitación la no conversión completa de la materia orgánica presente en el residuo en CO₂ e hidrógeno. Esto sucede debido a que se trata de un sistema fermentativo, que debe mantener el balance de oxidación-reducción final del proceso. Por lo tanto, una vez realizado el proceso de fermentación se obtiene un residuo con una elevada proporción de compuestos orgánicos de bajo peso molecular, que pueden bien ser recuperados como subproductos valorizables, bien utilizados en una segunda etapa de producción de hidrógeno. Esta segunda etapa podría consistir en la utilización de bacterias fotosintéticas, que, como ya se ha descrito anteriormente, tienen la capacidad de utilizar los ácidos orgánicos y alcoholes para su metabolismo y generar hidrógeno a partir de ellos.

4. Demandas tecnológicas

La mejora de la eficiencia energética es un factor clave para el desarrollo de la tecnología. En el estado actual, la tecnología no es competitiva con otros sistemas de generación de hidrógeno. Sin embargo, se considera que existe un amplio margen de mejora de eficiencia que hace que potencialmente sea un sistema viable desde el punto de vista económico. La eficiencia de la producción biológica de hidrógeno mediante fotosíntesis es solamente del 1 al 5%, pero se esperan incrementos hasta valores cercanos al 10% en poco tiempo. Se estima que una eficiencia entre el 10 y el 15% puede ser viable económicamente, aunque depende fundamentalmente de los costes de equipamiento [17]. Las demandas tecnológicas existentes en esta área, que se encuentra en un estado de desarrollo incipiente, son muy variadas:

• Mejora de las tecnologías de pretratamiento de la biomasa encaminadas a incrementar la accesibilidad de los nutrientes.
• Ampliación de conocimiento sobre la fisiología y crecimiento de bacterias fermentativas termófilas. En especial son necesarios nuevos conocimientos sobre la fisiología de bacterias sacarolíticas y proteolíticas y sus requerimientos nutricionales, así como la definición de cultivos puros y consorcios bacterianos.
• Ampliación de conocimiento sobre la fisiología y crecimiento de bacterias fermentativas mesófilas, en cultivos puros o consorcios bacterianos y sus requerimientos nutricionales.
• Ampliación de conocimientos sobre fisiología y bioquímica de bacterias fotoheterotrofas generadoras de hidrógeno, y en especial utilización de sustratos, requerimientos nutricionales y productividad y respuesta a las condiciones de iluminación.
• Determinación de condiciones de operación de reactores fermentativos, en particular arranque de reactores y operación en continuo, modelización metabólica y de procesos y efecto de la inmovilización en la actividad enzimática.
• Nuevos avances en genómica de bacterias fermentadoras mesófilas y termófilas y generación de cepas hiperproductoras.
• Desarrollo de la genómica de bacterias fotoheterotrofas y en particular de la modificación genética de las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa.
• Desarrollo en el diseño y operación de fotobiorreactores, en particular arranque de reactores y operación en continuo, modelización metabólica y de procesos y efecto de la inmovilización en la actividad enzimática.
• Innovación en tecnologías y control de procesos para la recuperación económica del hidrógeno generado en los procesos.
• Diseño y escalado de biorreactores específicos para la generación fermentativa de hidrógeno.
• Aplicación de las tecnologías de producción de hidrógeno a diversos tipos de residuos, y en especial determinación del potencial uso de esta tecnología de aprovechamiento energético de residuos y su competitividad con otras tecnologías.
• Evaluación de los subproductos que pueden tener un potencial uso industrial (como la acetona o el butanol generado en las fermentaciones bacterianas). Este hecho puede ser de vital importancia para asegurar la viabilidad económica de los procesos de valorización energética de residuos.

5. Conclusiones

Los procesos biológicos de generación de hidrógeno se encuentran en un grado incipiente de desarrollo y presentan una enorme complejidad. Las rutas por las que se pueden realizar dichos procesos son muy variadas y afectan a grupos de microorganismos muy alejados entre sí y con requerimientos muy diferenciados, que hay que tener en cuenta cuando se lleva a cabo la ingeniería de los procesos (ausencia o presencia de oxígeno, luz, número de etapas). En algunos de los casos se trata de grupos microbianos no muy estudiados, restringidos a hábitat ecológicos muy específicos y con amplias incógnitas sobre su metabolismo. Por otro lado, desde el punto de vista ingenieril, los procesos son también muy diferenciados, desde reactores aerobios a anaerobios, con iluminación y en oscuridad, y en una o varias etapas. Otro aspecto a tener en consideración es el hecho de necesitar condiciones de trabajo asépticas. Al contrario que los procesos biológicos actuales de valorización energética de residuos (como la digestión anaerobia) en los cuales la flora microbiana autóctona del residuo no es eliminada de forma previa, en los procesos de generación biológica de hidrógeno puede ser necesario una esterilización previa para evitar la contaminación por microorganismos indeseables. Finalmente, y desde el punto de vista de su implantación industrial, algunos de estos procesos son potencialmente combinables, lo que aumenta la complejidad en el establecimiento de estrategias de tratamiento, que pueden requerir el desarrollo de sistemas modulares.

Sin embargo, los procesos de generación de hidrógeno por vía biológica presentan un futuro prometedor como forma de producir
una energía limpia a partir de residuos y su importancia cuantitativa y cualitativa va a verse indudablemente incrementada.

Desde un punto de vista estrictamente económico, es difícil que en los próximo años el hidrógeno producido biológicamente sea competitivo frente al sintetizado químicamente. Sin embargo, la posible conexión con el tratamiento de residuos hace que la producción biológica de hidrógeno se convierta en un proceso muy prometedor que combina la valorización de residuos con la producción de una fuente de energía limpia.

6. Bibliografía

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[16] Kadar, Z., de Vrije, T., de Haas, G., Budde, M., Szengyel, Z., Reczey, K. y Claassen, P. “Hydrogen production from paper sludge hydrolysate”. Biohydrogen (2002).
[17] U.S. Dept. of Energy, The Potential of Renewable Energy: An Interlaboratory White Paper (March 1990, SERI/TP-260-3674), p. I-4.

Fuente: Ingeniería Química
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