WO2017212403A1 - Proceso para producir hidrógeno - Google Patents

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WO2017212403A1
WO2017212403A1 PCT/IB2017/053330 IB2017053330W WO2017212403A1 WO 2017212403 A1 WO2017212403 A1 WO 2017212403A1 IB 2017053330 W IB2017053330 W IB 2017053330W WO 2017212403 A1 WO2017212403 A1 WO 2017212403A1
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hydrogen
substrate
complex substrate
organic waste
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PCT/IB2017/053330
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Inventor
Edilson León MORENO CÁRDENAS
Deisy Yuliana CANO QUINTERO
Original Assignee
Universidad Nacional De Colombia
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C12N1/205—Bacterial isolates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales

Definitions

  • the present invention is in the field of biotechnology, particularly in the production of hydrogen by fermentation of organic waste.
  • US7232669B 1 discloses a hydrogen production process, where two substrates are provided, a first substrate with hydrogen producing bacteria and a means to retain them, which is the equivalent of using an inoculum in a cell immobilizing medium, and a second substrate that acts as a food source for retained hydrogen producing bacteria.
  • the present invention relates to a process for the production of hydrogen by fermentation of organic waste in a closed environment, without oxygen supply, and in the absence of light, which comprises preparing a complex substrate from organic waste, subjecting the substrate to a stage of natural acidification without intervention and finally increasing the pH step by controlling environmental conditions to obtain hydrogen.
  • the process of the invention can be strict anaerobic, facultative anaerobic or aerotolerant, strict anaerobic being understood when the final accept electron compound is different from oxygen and a concentration thereof equivalent to an air atmosphere (21% oxygen) prevents growth of microorganisms (bacteria).
  • the oxygen concentration can be the equivalent of an air atmosphere.
  • the bacteria subsist in the presence of oxygen but without using it.
  • any closed container known to a person skilled in the art can be used, such as reactors, biodigesters, bioreactors and / or fermenters of any capacity.
  • the process steps can be carried out in continuous or discontinuous stages, either in a single vessel or in different vessels, with or without the presence of stirrers.
  • the process is carried out discontinuously, using a helical type stirrer.
  • complex substrate refers to that substrate obtained from organic waste, these being understood as those materials, substances or elements resulting from the activity or of domestic, agricultural and / or agro-industrial consumption, compounds mainly of carbohydrates, proteins, lipids, starch, cellulose and hemicellulose.
  • the complex substrate according to the process of the invention may be formed by solid and liquid organic residues, only solid or only liquid, solid organic residues being preferred.
  • fruits and vegetables can be mentioned (eg lettuce leaves, cabbage, orange, lemon, papayuela, mango, guava, cucumber, onion, garlic, paprika, tomato, husk cape gooseberry, banana), fruit peels and pulps in a state of decomposition, food, sewage, molasses, agro-industrial wastewater from fruits and vegetables, as well as vegetables from pruning green areas.
  • Solid organic waste can be reduced in size by crushing and / or grinding until it reaches a particle size between 0.1 cm and 90cm, preferably between lcm and 10cm, with a particle size of less than 2cm being more preferred.
  • the crushing can be done to the original organic waste, that is, without removing the pulp, the seeds, or the areas that are affected by decomposition.
  • the organic residues can be diluted in water, for example, in a water: residue ratio of 1: 1, 1: 2, 1: 3, 2: 1 and 3: 1, and the quantity can be quantified Organic load of the complex substrate by determining its chemical oxygen demand (COD) and total volatile solids (SVT) values, which can be between 20 and 10 g of (3 ⁇ 4 / L and between 20 and 100g / L, respectively.
  • COD chemical oxygen demand
  • SVT total volatile solids
  • the preparation of the complex substrate comprises dilution of residues with water in a 1: 1 ratio and COD values between 40 and 60g of O2 / L and SVT between 30 and 50g / L.
  • the carbohydrates present in the complex substrate preferably polysaccharides, disaccharides and / or glucose and fructose monosaccharides, are taken as a source of energy by various types of anaerobic bacteria that generate different acids, in a metabolic pathway called glycolysis, which causes a decrease from the pH of the system to intolerable values for the microorganisms that consume hydrogen. Additionally, during acidification molecular hydrogen consuming microorganisms such as methanogenic bacteria (E. coli) and acetogenic bacteria (Clostridium and Streptococcus) present in organic waste are eliminated.
  • methanogenic bacteria E. coli
  • acetogenic bacteria Clostridium and Streptococcus
  • the acidification is carried out at room temperature, without stirring, without supply of chemical and biological substances, and for a time between 12 and 72 hours, preferably 24 hours, until a pH between 3.0 and 4.0 is reached.
  • the time under which it subjecting the complex substrate to acidification is a function of the microorganism to be eliminated or reduced, the initial pH of the substrate and the kinetics of the pH decrease. You can periodically record the pH of the system until you reach the appropriate lower value.
  • the favorable conditions for the growth of the bacteria that supported the acidification and that are responsible for the production of hydrogen are provided, namely: the non-supply of oxygen, pH, hydrogen partial pressure, temperature and stirring speed.
  • the absence or non-supply of oxygen can be achieved by different methods known in the art, for example the spraying of an inert gas (eg N 2 ) to the system.
  • the pH should be increased stepwise by the addition of one or more alkalizing agents, which can be added either directly, in solution or suspension forms, in amounts from 0.001 to 200 grams per liter of substrate.
  • the system temperature must be raised to reach values between 30 ° C and 40 ° C while maintaining stirring between 10 and 100 rpm with or without intermittent actuation.
  • the hydrogen partial pressure should be regulated, preferably between 0.5 and 2.0 atmospheres.
  • alkalizing agent is understood as any compound or substance that increases the pH value, modifying the redox potential in a medium.
  • the alkalizing agents may be, but are not limited to, agricultural lime (Material composed of calcium carbonate and calcium oxide, obtained after grinding and pulverizing limestone), sodium hydroxide (NaOH), calcium oxide (CaO) , calcium carbonate (CaCCb), calcium hydroxide or hydrated lime (Ca (OH) 2), dolomite lime (CaMg (C03) 2) and calcium and magnesium oxide (CaMgC).
  • the alkalizing agent used in the process is agricultural lime in a concentration between 5 and 20 g / L of substrate. To start the production of hydrogen, a minimum pH of 5.0 must be guaranteed. If the pH value is lower, it should be increased stepwise until it is reached. This action is repeated until the desired pH is reached.
  • the bacteria During the gradual increase of the temperature and pH, the bacteria are in a lag or adaptation phase, and their duration will depend among other factors of the organic load (COD), desired pH value and the bacteria itself.
  • the bacterial consortium has three main groups of bacteria, each in a pH production range of 0.5 with a minimum value of pH 5.0 and a maximum pH value of 6.5.
  • bacteria of the Enterobacteriaceae family eg Citrobacter, Klebsiella and Enterobacter
  • Clostridiaceae eg Clostridiurri genus
  • Bacillaceae eg Bacillus genus
  • Streptococcaceae eg genus Streptococcus
  • Micrococcaceae eg genus Micrococcus
  • Staphylococcaceae eg genus Staphylococcus
  • Bifidobacterium eg genus Bifidobacterium
  • Pseudomonadaceae eg genus Pseudomonas
  • the genera of the Enterobacteriaceae family are characterized by gram-negative bacilli, facultative anaerobes and non-spore-forming agents that participate in anaerobic fermentation processes, taking glucose as a substrate and generating carbon dioxide (CO2), hydrogen (H 2 ) and organic acids such as lactic, formic, succinic, acetic, butyric. They are mesophilic and grow at temperatures between 30 ° C and 37 ° C and pH between 5.0 and 6.5.
  • the bacteria of the genus Clostridium are gram positive, strict anaerobic and spore-forming. These microorganisms ferment glucose and generate carbon dioxide (CO2), hydrogen (H 2 ) and acetic or butyric acids depending on the species. Depending on the species they can be mesophilic or thermophilic, with temperatures between 30 ° C and 65 ° C, and grow at pH between 6.5 and 7.4.
  • the genera of the families Bacillaceae, Streptococcaceae, Micrococcaceae and Staphylococcaceae are gram positive, facultative anaerobes and resistant to acidic conditions.
  • the generated gas contains at least 6% hydrogen, which can be done, for example, by generating combustion with a spark or with a hydrogen sensor. If there is no presence of hydrogen, the entire gas is released and the monitoring of the lag or adaptation phase is repeated. If there is a presence of hydrogen in the gas, its partial pressure should be controlled, preferably between 0.5 and 2.0 atmospheres.
  • the hydrogen produced can be recovered in many ways known in the art.
  • hydrogen is recovered by passing the gas with hydrogen and carbon dioxide (CO2) through a solution of sodium hydroxide (NaOH).
  • CO2 accompanying the hydrogen reacts with the NaOH solution forming a precipitate of sodium carbonate (Na2C03), while molecular hydrogen (H 2) does not react with the NaOH solution and remains gaseous.
  • the resulting gas may contain a hydrogen concentration of up to 99%.
  • Example 1 Hydrogen production in a 20-liter bioreactor
  • Temperature control was activated to maintain the substrate temperature at the appropriate values for the different bacteria in the consortium. Both the first and the second part of the process were performed sequentially and the bioreactor was operated discontinuously or batch (batch production). Once the acidification was finished, agricultural lime was added until a pH of 5.5 to 6.5 was reached to generate the hydrogen, which was released through an exhaust valve and recovered, ensuring a pressure of less than 2 atmospheres was maintained at inside the bioreactor.
  • the substrate was entered into the bioreactor and operated under anaerobic conditions, without light, without stirring, at room temperature and pH between 3.8 and 4.0. Subsequently, the substrate was subjected to an acidification period of 4 days (96 hours).

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Abstract

La invención se refiere a un proceso para la producción de hidrógeno por fermentación de un sustrato obtenido a partir de residuos orgánicos, en un entorno cerrado sin suministro de oxígeno y en ausencia de luz. El proceso comprende la preparación del sustrato complejo, una etapa de acidificación en condiciones anaerobias a temperatura ambiente y posteriormente el incremento gradual del pH del sistema para obtener así el hidrógeno.

Description

PROCESO PARA PRODUCIR HIDRÓGENO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se encuentra en el campo de la biotecnología, particularmente en la producción de hidrógeno por fermentación de residuos orgánicos.
DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
El acelerado agotamiento de los recursos energéticos no renovables ha llevado a la utilización de material orgánico como alternativa para satisfacer la actual demanda energética. La generación de hidrógeno mediante la transformación de material orgánico por efecto de microorganismos anaerobios estrictos o facultativos, ofrece ciertas ventajas tales como el uso de sustratos de alta disponibilidad, bajo costo y menor requerimiento de energía en el proceso.
Se ha investigado en procesos de obtención de hidrógeno mediante la transformación de sustratos ricos en carbohidratos, la mayoría orientados a optimizar procesos a partir de sustratos simples (una sola fuente de carbono) en monocultivos bajo condiciones termofílicas. Estos procesos, presentan muchas limitaciones para su implementación a gran escala, debido a que poseen un balance energético negativo (se deben llevar a cabo a temperaturas superiores a 30°C), poca disponibilidad del sustrato y requieren un pre- tratamiento para esterilizar el sustrato, lo cual incrementa notablemente su costo.
El documento US7232669B 1 divulga un proceso de producción de hidrógeno, donde se proporcionan dos sustratos, un primer sustrato con bacterias productoras de hidrógeno y un medio para retenerlas, lo cual es el equivalente al uso de un inoculo en un medio con inmovilización de células, y un segundo sustrato que actúa como fuente de alimento para las bacterias productoras de hidrógeno retenidas.
En la publicación Generation of Biohydrogen by Anaerobic Fermentation of Organics Wastes in Colombia (Moreno, Cano, & Cortés, 2013)[1], se divulga un proceso de fermentación anaerobio de residuos orgánicos para generar hidrógeno sin uso de inoculo, pero con la realización obligada de un pre-tratamiento ácido al sustrato (v.g. ácido muriático), generando dependencia de insumos químicos y prolongando el tiempo del proceso.
En otros procesos reportados (Elbeshbishy, Hafez, Ranjan Dhar, & Nakhla, 2011) [2,3], el sustrato debe ser inicialmente sometido a un pre-tratamiento térmico o de ultrasonido para eliminar bacterias metanogénicas, lo cual incrementa el costo del proceso. Además, sugieren que la producción de hidrógeno se reduce drásticamente si el sustrato no es pre- tratado o si el pre-tratamiento se limita sólo a someter el sustrato a condiciones ácidas o básicas (mediante la adición de un ácido o una base).
Por lo anterior, es necesario diseñar procesos de producción de hidrógeno que empleen sustratos de bajo costo y que no requieran de inoculación y/o pre-tratamientos de esterilización, para lo cual es necesario optimizar las condiciones favorables de fermentación, tales como: concentración de fuentes de carbono, pH, agitación, presión parcial de hidrógeno, microorganismos presentes y temperatura.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso para la producción de hidrógeno por fermentación de residuos orgánicos en un entorno cerrado, sin suministro de oxígeno, y en ausencia de luz, que comprende preparar un sustrato complejo a partir de residuos orgánicos, someter el sustrato a una etapa de acidificación natural sin intervención y finalmente incrementar escalonadamente el pH controlando condiciones ambientales para obtener así el hidrógeno.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El proceso de la invención puede ser anaerobio estricto, anaerobio facultativo o aerotolerante, entendiéndose por anaerobio estricto cuando el compuesto aceptar final de electrones es diferente al oxígeno y una concentración de éste equivalente a una atmósfera de aire (oxígeno de 21%) impide el crecimiento de microorganismos (bacterias). Para el caso de anaerobio facultativo, la concentración de oxígeno puede ser la equivalente a una atmósfera de aire. En un proceso aerotolerante, las bacterias subsisten en presencia de oxígeno pero sin emplearlo.
Para llevar a cabo el proceso de la invención, se puede emplear cualquier recipiente cerrado conocido por un técnico en la materia, tales como reactores, biodigestores, bioreactores y/o fermentadores de cualquier capacidad. Las etapas del proceso se pueden realizar en etapas continuas o discontinuas, bien sea en un solo recipiente o en recipientes diferentes, con o sin la presencia de agitadores. En una modalidad preferida de la invención, el proceso se lleva a cabo de manera discontinua, empleando un agitador tipo helicoidal.
El proceso inicia con la preparación de un sustrato complejo a partir de residuos orgánicos. Para efectos de la presente invención, el término "sustrato complejo" se refiere a aquel sustrato obtenido a partir de residuos orgánicos, entendiéndose éstos como aquellos materiales, sustancias o elementos resultantes de la actividad o del consumo doméstico, agrícola y/o agroindustrial, compuestos principalmente de carbohidratos, proteínas, lípidos, almidón, celulosa y hemicelulosa.
El sustrato complejo de acuerdo al proceso de la invención puede estar conformado por residuos orgánicos sólidos y líquidos, solamente sólidos o solamente líquidos, siendo preferidos los residuos orgánicos sólidos. Entre los residuos orgánicos de los que se puede obtener el sustrato complejo se pueden mencionar las frutas y hortalizas (v.g. hojas de lechuga, repollo, naranja, limón, papayuela, mango, guayaba, pepino, cebolla, ajo, pimentón, tomate, cascarilla de uchuva, banano), cáscaras y pulpas de frutas en estado de descomposición, alimentos, aguas negras, melazas, aguas residuales agroindustriales de frutas y hortalizas, así como vegetales provenientes de la poda de zonas verdes.
A los residuos orgánicos sólidos se les puede realizar una reducción de tamaño mediante trituración y/o molienda hasta alcanzar un tamaño de partícula entre 0,1 cm y 90cm, preferiblemente entre lcm y 10cm, siendo más preferido un tamaño de partícula inferior a 2cm. La trituración se puede efectuar al residuo orgánico original, esto es, sin retirarle la pulpa, ni las semillas, ni las zonas que estén afectadas por descomposición. Para preparar el sustrato complejo, los residuos orgánicos se pueden diluir en agua, por ejemplo, en una relación agua:residuo de 1: 1, 1 :2, 1:3, 2:1 y 3: 1, y se puede cuantificar la carga orgánica del sustrato complejo determinando sus valores de demanda química de oxígeno (DQO) y concentración de sólidos volátiles totales (SVT), los cuales pueden estar entre 20 y lOOg de (¾/L y entre 20 y 100g/L, respectivamente. En una modalidad preferida de la invención, la preparación del sustrato complejo comprende dilución de residuos con agua en una relación 1 : 1 y valores de DQO entre 40 y 60g de O2/L y SVT entre 30 y 50g/L.
Una vez obtenido el sustrato complejo, éste debe ser acondicionado, para lo cual se debe depositar en el recipiente de producción y someterlo a una etapa de acidificación natural sin intervención. Los carbohidratos presentes en el sustrato complejo, preferiblemente polisacáridos, disacáridos y/o monosacáridos tipo glucosa y fructosa, son tomados como fuente de energía por varios tipos de bacterias anaerobias que generan diferentes ácidos, en una ruta metabólica denominada glicólisis, lo cual genera un descenso del pH del sistema hasta valores intolerables para los microorganismos consumidores de hidrógeno. Adicionalmente, durante la acidificación se eliminan microorganismos consumidores de hidrógeno molecular tales como las bacterias metanogénicas (E. coli) y bacterias acetogénicas (Clostridium y Streptococcus) presentes en los residuos orgánicos. La acidificación se realiza a temperatura ambiente, sin agitación, sin suministro de sustancias químicas y biológicas, y durante un tiempo entre 12 y 72 horas, preferiblemente 24 horas, hasta alcanzar un pH entre 3,0 y 4,0. El tiempo bajo el cual se somete el sustrato complejo a acidificación está en función del microorganismo a eliminar o reducir, del pH inicial del sustrato y de la cinética del descenso del pH. Se puede registrar periódicamente el pH del sistema hasta alcanzar el valor inferior adecuado. Una vez realizada la etapa de acidificación, se proporcionan las condiciones favorables para el crecimiento de las bacterias que soportaron la acidificación y que son responsables de la producción del hidrógeno, a saber: el no suministro de oxígeno, pH, presión parcial de hidrógeno, temperatura y velocidad de agitación. La ausencia o no suministro de oxígeno se puede lograr por diferentes métodos conocidos en el arte, por ejemplo la aspersión de un gas inerte (v.g. N2) al sistema.
El pH se debe incrementar escalonadamente mediante la adición de uno o más agentes alcalinizantes, el cual se puede adicionar bien sea directamente, en formas de solución o suspensión, en cantidades desde 0,001 a 200 gramos por cada litro de sustrato. De igual forma, la temperatura del sistema se debe elevar hasta alcanzar valores entre los 30°C y 40°C manteniendo agitación entre 10 y 100 rpm con o sin accionamiento intermitente. Se debe regular la presión parcial de hidrógeno, preferiblemente, entre 0,5 y 2,0 atmósferas. Para efectos de la presente invención, la expresión "agente alcalinizante" se entiende por cualquier compuesto o sustancia que permita incrementar el valor del pH, modificando el potencial redox en un medio. Los agentes alcalinizantes pueden ser, pero no se limitan a, cal agrícola (Material compuesto por carbonato de calcio y oxido de calcio, obtenido después de moler y pulverizar la piedra caliza), hidróxido de sodio (NaOH), óxido de calcio (CaO), carbonato de calcio (CaCCb), hidróxido de calcio o cal hidratada (Ca(OH)2), cal dolomita (CaMg(C03)2) y óxido de calcio y magnesio (CaMgC ). En una modalidad preferida, el agente alcalinizante empleado en el proceso es cal agrícola en una concentración entre 5 y 20 g/L de sustrato. Para iniciar la producción de hidrógeno se debe garantizar pH mínimo de 5,0. Si el valor de pH es inferior, se debe incrementar escalonadamente hasta alcanzarlo. Esta acción se repite hasta cuando se alcance el pH deseado. Durante el incremento paulatino de la temperatura y el pH, las bacterias se encuentran en una fase lag o de adaptación, y su duración dependerá entre otros factores de la carga orgánica (DQO), valor de pH deseado y de la bacteria misma. El consorcio bacteriano presenta tres grupos principales de bacterias, cada una en un rango de producción de pH de 0,5 con un valor mínimo de pH 5,0 y un valor máximo de pH de 6,5.
Entre los microorganismos asociados con la producción de hidrógeno por fermentación anaerobia en el consorcio bacteriano presente en los residuos, se destacan bacterias de la familia Enterobacteriaceae (v.g. género Citrobacter, Klebsiella y Enterobacter), Clostridiaceae (v.g. género Clostridiurri), Bacillaceae (v.g. género Bacillus), Streptococcaceae (v.g. género Streptococcus), Micrococcaceae (v.g. género Micrococcus), Staphylococcaceae (v.g. género Staphylococcus), Bifidobacterium (v.g. género Bifidobacterium) y Pseudomonadaceae (v.g. género Pseudomonas) . Los géneros de la familia Enterobacteriaceae, en su mayoría, se caracterizan por ser bacilos gram negativos, anaerobios facultativos y no formadores de esporas que participan en los procesos de fermentación anaerobia tomando como sustrato glucosa y generando dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2) y ácidos orgánicos como el láctico, fórmico, succínico, acético, butírico. Son mesófilas y crecen a temperaturas entre 30°C y 37°C y pH entre 5,0 y 6,5.
Las bacterias del género Clostridium son gram positivas, anaerobias estrictas y formadoras de esporas. Estos microorganismos fermentan la glucosa y generan dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2) y ácidos acético o butírico según sea la especie. Según la especie pueden ser mesófilas o termófilas, con temperaturas entre 30°C y 65 °C, y crecen a pH entre 6,5 y 7,4. Los géneros de las familias Bacillaceae, Streptococcaceae, Micrococcaceae y Staphylococcaceae son gram positivas, anaerobias facultativas y resistentes a condiciones ácidas. Estas familias fermentan carbohidratos simples y lactato y producen ácidos grasos volátiles como acético, butírico y propiónico, con excepción de los géneros de la familia Streptococcaceae, quienes fermentan azúcares y generan ácido láctico. Las bacterias de estas familias son mesofílicas, siendo algunas especies de la familia de Bacillaceae productoras de hidrógeno a 30°C y pH entre 5,5 y 6,0; y algunas especies de Staphylococcaceae y Micrococcaceae lo producen a 35°C y pH entre 6,0 y 6,5. Para verificar el inicio de producción de hidrógeno, se deben alcanzar las condiciones de operación de temperatura, agitación y pH adecuados para cada grupo de bacterias del consorcio. Se debe verificar que el gas generado contenga mínimo un 6% de hidrógeno, lo cual se puede efectuar, por ejemplo, generando combustión con una chispa o con un sensor de hidrógeno. De no existir presencia de hidrógeno, se libera la totalidad del gas y se repite la supervisión de la fase lag o de adaptación. Si existe presencia de hidrógeno en el gas, se debe controlar la presión parcial del mismo, preferiblemente entre 0,5 y 2,0 atmósferas.
El hidrógeno producido puede ser recuperado de muchas maneras conocidas en la técnica. En una modalidad preferida, el hidrógeno es recuperado haciendo pasar el gas con hidrógeno y dióxido de carbono (CO2) por una solución de hidróxido de sodio (NaOH). El CO2 que acompaña al hidrógeno, reacciona con la solución de NaOH formando un precipitado de carbonato de sodio (Na2C03), en tanto que el hidrógeno molecular (H2) no reacciona con la solución de NaOH y permanece en estado gaseoso. El gas resultante puede contener una concentración de hidrógeno de hasta 99%.
Los siguientes Ejemplos ilustran la invención, sin estar el concepto inventivo limitado a los mismos. Ejemplo 1. Producción de hidrógeno en bioreactor de 20 Litros
16 kilogramos de hojas de lechuga, mucílago fresco de café y frutas (naranja, mango, guayaba y papaya) se trituraron y se mezclaron con agua en una relación agua:residuo de 1 : 1, hasta un volumen total de 13 litros, obteniéndose de éste, valores de DQO y SVT de 54,0 g de O2/L y 38,6 g/L respectivamente. Luego de la trituración y mezcla, el sustrato fue ingresado al bioreactor con un agitador tipo helicoidal de una sola cinta, sistema de control de temperatura y operado en condiciones anaerobias, sin luz, sin agitación, a temperatura ambiente y pH entre 4,0 y 4,4. Posteriormente, el sustrato se sometió a un periodo de acidificación de 24 horas. Finalizado este tiempo, se activó el control de agitación a 45 rpm, con una frecuencia de 1 hora y una duración de la agitación de aproximadamente 5 minutos.
Se activó el control de temperatura para mantener la temperatura del sustrato en los valores apropiados para las diferentes bacterias del consorcio. Tanto la primera como la segunda parte del proceso se realizaron de manera secuencial y el bioreactor fue operado de manera discontinua o batch (producción por lotes). Una vez finalizada la acidificación, se adicionó cal agrícola hasta alcanzar un pH de 5,5 a 6,5 para generar el hidrógeno, el cual fue liberado a través de una válvula de escape y recuperado, asegurando mantener una presión inferior a 2 atmósferas al interior del bioreactor.
Ejemplo 2. Producción de hidrógeno en bioreactor de 2000 Litros
514 kilogramos de verduras (hojas de lechuga y repollo) y frutas (naranja, mango, guayaba y papaya) se trituraron y se mezclaron con agua en una relación agua:residuo de 2: 1, hasta un volumen total de 1524 litros, obteniéndose de éste, valores de DQO y SVT de 27g de O2/L y 14 g/L respectivamente.
Luego de la trituración y mezcla, el sustrato fue ingresado al bioreactor y operado en condiciones anaerobias, sin luz, sin agitación, a temperatura ambiente y pH entre 3,8 y 4,0. Posteriormente, el sustrato se sometió a un periodo de acidificación de 4 días (96 horas).
Tanto la primera como la segunda parte del proceso se realizaron de manera secuencial y el bioreactor fue operado de manera discontinua o batch. Una vez finalizada la acidificación, se adicionó cal agrícola hasta un pH de 5,7 a 6,0 para generar el hidrógeno, el cual fue liberado por medio de la salida de gas manteniendo una presión inferior a 2 atmósferas. REFERENCIAS
1. Moreno, E., Cano, D., & Cortés, E. (2013). Generation of Biohydrogen by Anaerobic Fermentation of Organics Wastes in Colombia. En Z. Fang (Ed.), Liquid, Gaseous and Solid Biofuels - Conversión Techniques. Intech.
2. Elbeshbishy, E., Hafez, H., Ranjan Dhar, B., & Nakhla, G. (2011). Single and combined effect of various pretreatment methods for biohydrogen production from food waste. International Journal of Hydrogen Energy, 36(17), 11379-11387.
3. Elsamadony, M., & Tawfik, A. (2015). Potential of biohydrogen production from organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) using pilot-scale dry anaerobic reactor. Bioresource Technology, 196, 9-16.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para la producción de hidrógeno por fermentación de residuos orgánicos en un entorno cerrado, sin suministro de oxígeno y en ausencia de luz, que comprende las siguientes etapas: a) preparar un sustrato complejo; b) someter dicho sustrato complejo a acidificación natural sin intervención; c) incrementar escalonadamente el pH adicionando un agente alcalinizante y controlando condiciones ambientales hasta obtener el hidrógeno.
2. El proceso según la Reivindicación 1 , donde el sustrato complejo se prepara por trituración y/o molienda de residuos orgánicos.
3. El proceso según la Reivindicación 1, donde el sustrato complejo comprende carbohidratos, proteínas y lípidos.
4. El proceso según la Reivindicación 3, donde los carbohidratos comprenden polisacáridos, disacáridos y/o monosacáridos tipo glucosa y fructosa.
5. El proceso según la Reivindicación 1, donde el sustrato complejo tiene valores de demanda química de oxígeno (DQO) entre 20 y lOOg de O2/L y de sólidos volátiles totales (SVT) entre 10 y 100g/L.
6. El proceso según la Reivindicación 1, donde la etapa b) de acidificación natural sin intervención comprende condiciones anaerobias, sin agitación, a temperatura ambiente, durante un tiempo entre 12 y 72 horas hasta alcanzar un pH entre 3,0 y 5,0.
7. El proceso según la Reivindicación 1, donde en la etapa c) el pH se incrementa gradualmente hasta alcanzar un valor entre 5,0 y 6,5.
8. El proceso según la Reivindicación 1, en donde el agente alcalinizante se selecciona del grupo que consiste de cal agrícola, óxido de calcio, hidróxido de sodio (NaOH), bicarbonato de sodio (NaHCCb) y sus combinaciones.
9. El proceso según la Reivindicación 1 , donde el agente alcalinizante es cal agrícola.
10. El proceso según la Reivindicación 1, donde en la etapa c) las condiciones ambientales controladas son temperatura entre 30 y 40°C, agitación entre 30 y 45 rpm y pH entre 5,0 y 6,5.
11. El proceso según la Reivindicación 1, donde las etapas b) y c) se realizan en el mismo bioreactor o en bioreactores diferentes, operados en forma continua o discontinua y con o sin la presencia de agitadores.
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