ES2292312B1 - Un procedimiento para la obtencion de hidrogeno y metano a partir de biorresiduos. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para la obtención de hidrógeno y metano a partir de biorresiduos, que comprende una primera etapa que comprende someter, en un primer reactor, una suspensión acuosa de biorresiduos triturados hasta un tamaño de partícula inferior a 5mm, a hidrólisis a un pH entre 5 y 6, en presencia de microorganismos facultativos capaces de generar hidrógeno libre a partir de los biorresiduos, inyectándose de forma intermitente aire en la suspensión en volúmenes suficientes para mantener el potencial de óxido-reducción en unidades negativas no inferiores a 450 mV, y obteniéndose una suspensión fermentada que comprende ácidos orgánicos volátiles, hidrógeno y dióxido de carbono que se retiran; y una segunda etapa que comprende introducir la suspensión fermentada en un segundo reactor, tratar la suspensión fermentada para convertir los ácidos orgánicos volátiles en metano mediante la acción de cultivos metanogénicos, obteniéndose dióxido de carbono y metano que se retiran, y un residuo sólidoque se extrae del segundo reactor.
Description
Un procedimiento para la obtención de hidrógeno
y metano a partir de biorresiduos.
La presente invención se encuadra en el campo de
los métodos de tratamiento de biorresiduos que sirven para obtener
gases, tales como hidrógeno y metano, así como sólidos
descontaminados.
Los procesos biológicos conocidos para la
producción de hidrógeno por vía fermentativa se fundamentan
principalmente en la presencia de una enzima productora de
hidrógeno. Se cree que la cantidad o la actividad inherente a ésta
enzima limita la producción en el proceso global. Dado que la
actividad catalítica de las distintas enzimas difiere enormemente,
no hay evidencia aún para relacionar la concentración presente de
la enzima y la producción de hidrógeno. Es más, en muchos procesos
biológicos la actividad catalítica potencial de la enzima supera
con creces a la cantidad de hidrógeno producido. La enzima
productora de hidrógeno cataliza la reacción química: 2H^{+} +
2e^{-} \rightarrow H2. En el caso de la producción de
hidrógeno, el proceso es muy similar al ya conocido de digestión
anaerobia. Las bacterias fermentativas productoras de hidrógeno
pueden ser cultivadas como cultivos puros o cultivos mixtos y se
pueden obtener a partir del inóculo proveniente de sistemas de
digestión anaerobia, del compost o del suelo.
La mayoría de la producción microbiológica de
H_{2} se deriva del metabolismo anaerobio del piruvato formado
durante el catabolismo de varios substratos. En los sistemas
biológicos, el piruvato generado por glicólisis es utilizado en
ausencia de oxígeno para producir acetil-CoA, del
cual se genera ATP y dependiendo de la ruta: formiato o ferrodoxina
reducida (Fd(red)), a partir de la cual se genera H_{2}.
Las bacterias entéricas generan H_{2} a partir de formiato y los
anaerobio estrictos lo hacen a partir de Fd(red). En teoría
se podría producir 12 moles de H_{2} por cada molécula de glucosa
metabolizada. Sin embargo, desde el punto de vista termodinámico el
máximo rendimiento posible es de 4 moles de H_{2} por cada mol de
glucosa. En realidad estos rendimientos no son posibles dado que
imposibilitaría la producción de biomasa celular. La fermentación
anaerobia o fermentación oscura, como también se le conoce al
proceso de producción de hidrógeno por vía anaerobia, permite
conseguir rendimientos cercanos a 2-3 moles de
H_{2} por mol de glucosa (Hallenbeck PC, Benemann JR (2002).
Biological hydrogen production; fundamentals and limiting
processes. Int J Hydrogen Energy;
27(11-12):1185-93.).
El proceso anaerobio convencional puede ser
dividido en dos etapas: acidificación y producción de metano. Cada
etapa se lleva a cabo por un número de microorganismos diferentes a
través de interacciones sintróficas. La acidificación produce
hidrógeno como subproducto, el cual a su vez es utilizado como
donante de electrones por muchos metanógenos en la segunda etapa
del proceso. Sin embargo, el hidrógeno en sí mismo tiene un alto
valor comercial. Puede ser económicamente interesante extraer el
hidrógeno producido en la primera etapa del proceso y dejar los
sub-productos generados en la primera etapa (ácidos
grasos volátiles) para ser convertidos a metano en una etapa
subsiguiente.
El hidrógeno también puede ser producido por un
gran número de procesos que incluyen la electrólisis del agua, el
reformado termocatalítico y los procesos biológicos. Los proceso de
producción de hidrógeno por vía biológica son recientes y abren un
nuevo campo de desarrollo tecnológico (Levin, D.; Pitt, L.; Love,
M. (2004). Biohydrogen production; prospects and limitations to
practical application. International Journal of Hydrogen
Energy; 29 p.173-185). Entre los procesos de
producción de hidrógeno por vía biológica se encuentra la
biofotólisis directa o indirecta, la
foto-fermentación, la producción a partir de la
reacción de water-shift por vía biológica además de
la fermentación oscura. Entre todos estos procesos, es éste último
el que actualmente presenta las mayores posibilidades de desarrollo,
dado que los rendimientos conseguidos hasta el momento son muy
superiores a cualquiera de los procesos anteriores. Bajo
condiciones mesofílicas los rendimientos reportados por distintos
autores varían entre 20 y 120 mmol H_{2}/(lxh) (Moran M, Shapiro
H. Fundamentals of engineering thermodynamics, 3rd ed. New York:
Wiley, 1996.; Jouanneau, Y.; Lebecque, S.; Vignais, P.M. (1984).
Ammonia and light effect on nitrogenase activity in
nitrogen-limited continuous cultures of
Rhodopseudomonas capsulata: role of glutamate synthetase.
Arch Microbiol, 119 p. 326-31; Ueno, Y.;
Otauka, S.; Morimoto, M. (1996). Hydrogen production from
industrial wastewater by anaerobic microflora in chemostat culture.
J Ferment Bioeng, 82 p.194-7.).
La ventaja adicional que presenta el proceso es
que no depende de fuentes de luz externa y por lo tanto no se
requiere que el licor en el que están presentes los microorganismos
sea transparente (Vijayaraghavan, K.; Amin Mohd Soom, M. (2004).
Trends in biological hydrogen production- a review.
International Journal of Hydrogen Energy), además en el caso
de cultivos mixtos los microorganismos presentes en el mismo
substrato no interfieren con la biomasa activa, lo que hace que
ésta técnica sea ideal para el tratamiento de biomasa residual.
Por otra parte se han descrito diversas
tecnologías para la producción de hidrógeno por vía anaerobia
fermentativa en documentos de patente. Algunos de estos documentos
se centran en la tecnología del digestor (US
2005009159-A1, CZ15266U) y otros se refieren a la configuración del proceso o a los microorganismos utilizados en él (US2005009159-A1, JP2001149983-A; JP57174092-A y JP90005394-B; JP5096294-A y JP2511336-B2; CN 1522805-A; JP2002272491-A).
2005009159-A1, CZ15266U) y otros se refieren a la configuración del proceso o a los microorganismos utilizados en él (US2005009159-A1, JP2001149983-A; JP57174092-A y JP90005394-B; JP5096294-A y JP2511336-B2; CN 1522805-A; JP2002272491-A).
Si bien las tecnologías del estado de la técnica
han supuesto un progreso continuado en la producción de hidrógeno a
partir de biorresiduos, era deseable poder disponer de un
procedimiento biológico alternativo para la producción de hidrógeno
a partir de biorresiduos que combinara una simplicidad de ejecución
con rendimientos aceptables.
Es un objetivo de la presente invención poner a
disposición un procedimiento biológico alternativo para la
producción de hidrógeno a partir de biorresiduos que combine una
simplicidad de ejecución con rendimientos aceptables.
Es otro objetivo de la presente invención poner
a disposición un procedimiento del tipo antes mencionado que a la
vez permita la obtención de metano a partir de los biorresiduos.
Es todavía otro objeto de la presente invención
poner a disposición un procedimiento que además permita la
obtención de un subproducto sólido de reducido impacto
medioambiental que puede aplicarse como abono o material de
enmienda orgánica, a suelos, tales como por ejemplo suelos
agrícolas, suelos de jardines, etc. y, en general, suelos en los
que crece vegetación.
La presente invención permite alcanzar los
objetivos antes enumerados mediante un procedimiento para la
obtención de hidrógeno y metano a partir de biorresiduos, que
comprende una primera etapa en la que los biorresiduos se someten a
hidrólisis en la que se generan ácidos orgánicos volátiles y una
segunda etapa en la que se genera metano a partir de los ácidos
orgánicos volátiles, cuyo procedimiento comprende, en la primera
etapa la alimentación al sistema de una suspensión acuosa de
biorresiduos triturados hasta un tamaño de partícula inferior a 5
mm, con una concentración de sólidos de 5 a 10% en peso
preferentemente, que se somete a un proceso de hidrólisis en un
primer reactor, manteniendo el pH entre 5 y 6, en presencia de
microorganismos facultativos capaces de producir hidrógeno y
obtenidos por ejemplo a partir de sistemas de digestión
metanogénicos, y a su vez de forma intermitente se inyecta aire en
la suspensión acuosa de biorresiduos en volúmenes suficientes para
mantener el potencial de óxido-reducción entre 0 y
-450 mV, preferentemente entre -250 y -350 mV. De esta manera se
obtiene hidrógeno, dióxido de carbono y una suspensión fermentada
que comprende ácidos orgánicos volátiles. El hidrógeno y dióxido de
carbono que se han generado se retiran
del reactor. Preferentemente, la primera etapa se realiza durante un tiempo de retención hidráulica menor que 5 días.
del reactor. Preferentemente, la primera etapa se realiza durante un tiempo de retención hidráulica menor que 5 días.
En la segunda etapa del procedimiento, se
introduce la suspensión fermentada obtenida en la primera etapa en
un segundo reactor, en el que la suspensión fermentada se trata
para convertir al menos parte y preferentemente la mayor parte de
los ácidos orgánicos volátiles presentes en metano, mediante la
acción de cultivos metanogénicos, obteniéndose dióxido de carbono,
metano y un residuo sólido, después de lo que se retira el metano
del segundo reactor, y se extrae el residuo sólido del segundo
reactor. Preferentemente, la segunda etapa se realiza durante un
tiempo de retención hidráulica entre 8 y 17 días.
El término "microorganismos facultativos"
tiene el significado comúnmente conocido, es decir, se trata de
microorganismos o de cultivos de microorganismos mixtos que
comprenden microorganismos de digestión aerobia y microorganismos
de digestión anaerobia, que, en dependencia del medio en el que se
encuentren, presentan actividad metabólica tanto en presencia de
oxígeno (respiración) como en ausencia de oxigeno (fermentación).
Tales microorganismos y cultivos de microorganismos son en sí
conocidos y están presentes, por ejemplo, en sistemas de digestión
anaerobia o aerobia. Microorganismos de este tipo capaces de
generar hidrógeno a partir de los biorresiduos son, por ejemplo,
microorganismos de la especie principal Enterobacter
aerogenes, si bien preferentemente se emplean consorcios de
microorganismos. Tales consorcios pueden estar comprendidos, por
ejemplo, combinaciones de dos o más microorganismos de las
especies
- Enterobacter aerogenes
- E. cloacae
- Clostridium butyricum
- C. pasteurianum
- Desulfovibrio vulgaris
- Magashaera elsdenii
- Citrobacter intermedius
- Escherichia coli.
El mantenimiento del potencial de
óxido-reducción se realiza preferentemente
efectuando mediciones del potencial continuas o periódicas en el
primer reactor e inyectándose aire las mediciones dan valores
umbral cercanos a los límites superior e inferior más arriba
definidos. Convenientemente, cuando la primer etapa del
procedimiento es continua, las mediciones se efectúan continuamente
o en intervalos cortos, mientras que, cuando la primera etapa es
discontinua, las mediciones se efectúan al menos una vez al
día.
Para efectuar las mediciones de potencial de
óxido-reducción en el primera reactor, pueden
emplearse sondas en sí convencionales, como por ejemplo los
analizadores ORP comercializadas por Hanna Instruments, Honeywell,
Chemtrol, Corning Electrochemistry, Schott Instruments, ABB,
etc.
De acuerdo con la invención, en la primera etapa
de hidrólisis se realiza básicamente la conversión de los
compuestos complejos a ácidos de número par de carbonos (C_{2},
C_{4} y C_{6}) principalmente. Principalmente los ácidos
orgánicos obtenidos son ácido acético, ácido butírico y ácido
capróico. El gas producido es una mezcla de hidrógeno y dióxido de
carbono resultantes de éste proceso de rotura de las moléculas
complejas.
Los productos líquidos generados en la primera
etapa son transformados en la segunda etapa en metano y dióxido de
carbono y como subproducto se obtiene un biosólido con condiciones
aptas para ser aplicado al suelo.
Convenientemente, los biorresiduos se higienizan
antes de suspenderlos en agua mediante un
pre-tratamiento químico y/o térmico para conseguir
las características del subproducto sólido finalmente obtenido que
permitan la aplicación a suelos.
El procedimiento de la presente invención puede
realizarse, en dependencia de las necesidades de los cultivos de
microorganismos facultativos que se emplean, en condiciones
termofílicas, por ejemplo a temperaturas entre 50 y 60ºC, o en
condiciones mesofílicas, por ejemplo a temperaturas entre 30 y
40ºC.
En una realización de la invención, se realiza
una inyección de aire a la suspensión de biorresiduos cada 6 a 24
horas hasta conseguir el potencial deseado, es decir, un potencial
de óxido-reducción en unidades negativas no
inferiores a 450 mV.
A continuación, se describirá una realización
del procedimiento de la invención sobre la base de una figura que
forma parte integrante de la presente memoria descriptiva y en la
que aparecen referencias numéricas que identifican los siguientes
elementos:
- 1
- Corriente de alimentación de suspensión de biorresiduos al sistema
- 2
- Biogás producido de la hidrólisis y acidificación
- 3
- Reactor de hidrólisis mixta
- 4
- Corriente de inyección de aire al sistema
- 5
- Efluente ácido de la primera etapa
- 6
- Biogás producido en la etapa metanogénica
- 7
- Reactor metanogénico
- 8
- Sólido estabilizado
\vskip1.000000\baselineskip
Como sistema de producción de hidrógeno se
utilizó un reactor 3 de una capacidad de un litro al que se le
adicionó un inóculo de un cultivo activo mixto, proveniente de
sistemas de digestión metanogénicos que comprendía, entre otros,
microorganismos de las especies Enterobacter aerogenes y E.
cloacae a una temperatura de 34ºC.
Se estableció un tiempo de retención hidráulica
del sistema de 3 días. Se alimentó al reactor 3 una suspensión
acuosa de biorresiduos 1 en forma de pasta conformada por la
fracción orgánica de residuos sólidos urbanos previamente triturados
y preparados con una concentración de sólidos totales del 7% y con
una proporción de sólidos volátiles a totales del 92%. Junto con la
alimentación al sistema se realizó una inyección de una corriente
de aire 4 hasta conseguir un potencial de
óxido-reducción de -350 mV medido por con una sonda
ORP de Hanna Instruments. Se realizó una medición del potencial de
óxido-reducción cada 24 horas inyectándose aire con
cada medición hasta ajustar potencial a -350 mV. En ésta etapa la
producción de biogás (H_{2} y CO_{2}) referenciado con el
número 2, fue de 2,6 litros de gas/l reactor con una composición en
H_{2} media del 27%. La concentración de los ácidos grasos
volátiles principales en la primera etapa era: 1.060 mg/l de
acético; 1.013 mg/l de butírico; 3.437 mg/l de caproíco. El
efluente consistente en una suspensión fermentada 5 proveniente de
la primera etapa se utilizó para alimentar al reactor 7 de la
segunda etapa que es una etapa metanogénica con un volumen de 4,5 l
y un tiempo de retención hidráulica de 15 días. La producción de
biogás 6 que comprendía metano y dióxido de carbono en ésta etapa
es de 1,5 l gas/l reactor con una composición media en metano del
60%. La destrucción de sólidos volátiles conseguida por el sistema
era del 72%.
Claims (13)
1. Un procedimiento para la obtención de
hidrógeno y metano a partir de biorresiduos, que comprende una
primera etapa en la que los biorresiduos se someten a hidrólisis en
la que se generan ácidos orgánicos volátiles y una segunda etapa en
la que se genera metano a partir de los ácidos orgánicos volátiles,
caracterizado porque
los biorresiduos son biorresiduos triturados
hasta un tamaño de partícula inferior a 5 mm;
la primera etapa comprende
someter, en un primer reactor, una suspensión
acuosa de biorresiduos triturados, a un proceso de hidrólisis,
manteniendo el pH entre 5 y 6, en presencia de microorganismos
facultativos capaces de generar hidrógeno libre a partir de dichos
biorresiduos;
intermitentemente inyectar aire en la suspensión
acuosa de biorresiduos en volúmenes suficientes para mantener el
potencial de óxido-reducción entre 0 y -450 mV,
preferentemente entre -250 y -350 mV, obteniéndose una suspensión
fermentada que comprende ácidos orgánicos volátiles;
retirar el hidrógeno y dióxido de carbono
generado;
y la segunda etapa comprende
introducir la suspensión fermentada generada en
la primera etapa en un segundo reactor,
tratar la suspensión fermentada para convertir
al menos parte de los ácidos orgánicos volátiles presentes en
metano mediante la acción de cultivos metanogénicos, obteniéndose
dióxido de carbono, metano y un residuo sólido;
retirar el metano del segundo reactor y extraer
el residuo sólido del segundo reactor.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la suspensión acuosa de biorresiduos
sometida a hidrólisis en la primera etapa tiene una concentración
de sólidos de 5 a 10% en peso.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o
2, caracterizado porque en la primera etapa se convierten
compuestos orgánicos complejos presentes en la suspensión de
biorresiduos en ácidos orgánicos con un número par de átomos de
carbono.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la primera etapa
se realiza durante un tiempo de retención hidráulica menor que 5
días.
5. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la segunda etapa
se realiza durante un tiempo de retención hidráulica entre 8 y 17
días.
6. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se realiza en
condiciones termofílicas.
7. Un procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el procedimiento se lleva a cabo a una
temperatura entre 50 y 60ºC.
8. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se realiza en
condiciones mesofílicas.
9. Un procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque el procedimiento se lleva a cabo a una
temperatura entre 30 y 40ºC.
10. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se realiza
una inyección de aire a la suspensión de biorresiduos cada 6 a 24
horas hasta conseguir el potencial de
óxido-reducción en unidades negativas no inferiores
a 450 mV.
11. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
microorganismos facultativos son cultivos mixtos que comprenden
microorganismos de digestión aerobia y microorganismos de digestión
anaerobia.
12. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
microorganismos facultativos comprenden microorganismos
seleccionados entre microorganismos de las especies Enterobacter
aerogenes, E. cloacae, Clostridium butyricum, C. pasteurianum,
Desulfovibrio vulgaris, Magashaera elsdenii, Citrobacter
intermedius, Escherichia coli y mezclas de los mismos.
13. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
biorresiduos han sido higienizados antes de su puesta en suspensión,
mediante un tratamiento de higienización seleccionado entre
tratamientos de higienización térmicos, tratamientos de
higienización químicos y combinaciones de los mismos.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200502314A ES2292312B1 (es) | 2005-09-23 | 2005-09-23 | Un procedimiento para la obtencion de hidrogeno y metano a partir de biorresiduos. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200502314A ES2292312B1 (es) | 2005-09-23 | 2005-09-23 | Un procedimiento para la obtencion de hidrogeno y metano a partir de biorresiduos. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2292312A1 ES2292312A1 (es) | 2008-03-01 |
| ES2292312B1 true ES2292312B1 (es) | 2009-02-16 |
Family
ID=39081627
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| ES200502314A Active ES2292312B1 (es) | 2005-09-23 | 2005-09-23 | Un procedimiento para la obtencion de hidrogeno y metano a partir de biorresiduos. |
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|---|---|
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Family Cites Families (3)
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| JPH0731998A (ja) * | 1993-07-13 | 1995-02-03 | Ebara Res Co Ltd | 有機性廃棄物の微嫌気水素発酵法 |
| FI117094B (fi) * | 2003-01-15 | 2006-06-15 | Fractivator Oy | Menetelmä orgaanisen jätteen hajottamiseksi |
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-
2005
- 2005-09-23 ES ES200502314A patent/ES2292312B1/es active Active
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| Publication number | Publication date |
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