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

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...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Cruz Méndez, Alfredo
Formato: Tesis
Lenguaje:Spanish / Castilian
Publicado: 2021
Materias:
Acceso en línea:http://eprints.uanl.mx/21111/1/1080314525b.pdf
Descripción
Sumario: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 .