Introducción

Antecedentes

Los procesos biológicos han sido utilizados desde hace mucho tiempo para el tratamiento de aguas residuales. Estos se pueden dividir, de acuerdo con el aceptor final de electrones involucrado en la vía metabólica de los microorganismos, en dos procesos: procesos aerobios, en los cuales el oxígeno es el principal aceptor de electrones y los anaerobios, que funcionan en ausencia de oxígeno. Entre las principales ventajas de emplear procesos anaerobios en el tratamiento biológico de aguas residuales, están los bajos costos de operación, bajo consumo de energía, la capacidad de degradar altas cargas orgánicas, resistencia de la biomasa a permanecer mucho tiempo en ausencia de sustrato, sin perder su actividad metabólica, además de bajos requerimientos nutricionales. Gujer y Zenhder (1983) propusieron seis etapas bajo las cuales se lleva a cabo la degradación anaerobia:

1.- Hidrólisis de proteínas y carbohidratos.
2.- Fermentación de azúcares y aminoácidos.
3.- Oxidación anaerobia de los ácidos grasos de cadena larga y alcoholes.
4.- Oxidación anaerobia de intermediarios como ácidos grasos volátiles,
5.- Conversión de acetato a metano.
6.- Conversión de hidrogeno a metano.

Durante el tratamiento clásico de aguas residuales por vía anaerobia, la materia orgánica, utilizada como sustrato por los microorganismos, es transformada, principalmente, en una mezcla de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), a la que se le conoce como biogás.

Recientemente, se ha observado que existe la posibilidad de emplear los procesos anaerobios para la producción de hidrógeno, sin llegar a la transformación del sustrato a metano (Hallenbeck, 2005). El principal interés en el uso del hidrógeno es que este combustible no contribuye a la generación de gases de efecto invernadero, pues, como subproducto de su combustión, sólo se genera agua. Además, tiene un alto poder calorífico (120 MJ/kg). Por ejemplo, el valor energético de un kg de hidrógeno es equivalente al de 2.4 kg de metano o 2.75 veces más energía que los hidrocarburos. Si bien es cierto que la materia orgánica procedente de aguas residuales, es probablemente insuficiente para sostener una economía global basada en el hidrógeno. Esta forma de producción de energía renovable podría ayudar a compensar de forma sustancial los costos del tratamiento de las aguas residuales (sobre todo aquéllas con muy altas concentraciones en materia orgánica) así como a contribuir en el aprovechamiento del hidrógeno como fuente de energía.

En los procesos anaerobios tradicionales, el hidrógeno se produce a través de la hidrólisis de la materia orgánica; sin embargo, éste se utiliza inmediatamente por los microorganismos consumidores de hidrógeno, tales como los formadores de metano y las bacterias sulfato-reductoras. Por lo tanto, la cantidad de hidrógeno presente en la fase gas es insignificante. No obstante, en ausencia o debido a la inhibición de las bacterias consumidoras de hidrógeno, la cantidad de H2 formada bajo condiciones apropiadas se puede incrementar significativamente. Por ejemplo, Fang y Lui (2002) reportaron un porcentaje de H2 formado en la fase gas de hasta 60%.

El biohidrógeno (aquel obtenido con procesos biológicos) puede ser producido por cultivos puros o cultivos mixtos de bacterias provenientes de diferentes fuentes, suelo, sedimentos, composta, lodos aerobios y anaerobios. Muchos organismos anaerobios pueden producir hidrógeno en ausencia de la luz, a partir de los carbohidratos contenidos en los residuos orgánicos (Kapdan y Kargi, 2006). Los organismos pertenecientes al género Clostridium, estrictamente anaerobios y formadores de esporas, han sido ampliamente estudiados para la producción fermentativa de hidrógeno, con muy buenos resultados.

Generalmente, los consorcios bacterianos (inóculo) utilizados en la producción de hidrógeno son sometidos a diferentes pretratamientos con el fin de seleccionar a las bacterias generadoras de hidrógeno, alterando la comunidad microbiana presente en la población inicial (Cheong y Hasen, 2006). Las especies Clostridium, formadoras de esporas, son seleccionadas de los ambientes naturales por tratamiento térmico o sometidas a condiciones ácidas (bajos pH). Cuando los cultivos mixtos son utilizados como inóculo, las especies predominantes en el reactor dependen de las condiciones de operación, como son: temperatura, pH, sustrato, tipo de inóculo, pretratamiento del inóculo, presión parcial de hidrógeno, entre otros. En los últimos años, varias investigaciones se han llevado a cabo para identificar la comunidad microbiana presente en los cultivos mixtos usados para la producción de hidrógeno. Fang et al., (2002), identificaron las especies microbianas en un lodo granular para la producción de hidrógeno a partir de sacarosa. Ellos encontraron que el 69 % de los microorganismos eran especies Clostridium y 13.5% eran especies Bacillus y Staphylococcus.

Se ha visto que la producción de hidrógeno influyen varios factores, entre los que se encuentran el tipo y la concentración de sustrato (Okamoto et al., 2000), la relación carbono/nitrógeno (Lin y Lay, 2004), el pH (Fang y Liu, 2002), el tiempo de retención de hidráulica y la temperatura (Zhang et al., 2003). De esta manera, se ha estudiado la producción de hidrógeno a partir de residuos orgánicos (Noike et al., 2000; Yang et al., 2006), de azúcares, almidón y materiales celulósicos (Lloyd y Wyman, 2005) y desechos de la industria papelera (Valdez-Vázquez et al., 2005). El hidrógeno producido por microorganimos anaerobios en reacciones de fermentación, tiene el potencial para ser una fuente sostenible de energía, ya que es una fuente de energía limpia que podría remplazar a los combustibles fósiles convencionales en el futuro.

Algunos estudios se han enfocado en la bioproducción de hidrógeno por fermentación, usando cepas puras anaerobias o una mezcla de ellas (Lay, 2000). Sin embargo, los rendimientos de la transformación de la materia orgánica a H2, durante la etapa de fermentación pueden ser bajos (Hallenbeck y Beneman, 2002), por lo cual es necesario desarrollar más investigación en el tema, con el fin de ampliar el potencial para sus aplicaciones prácticas. En particular, es necesario evaluar las condiciones más apropiadas bajo las cuales se puede maximizar la producción de hidrógeno a partir de aguas residuales. Esto contribuiría, por una parte, a resolver el problema de la contaminación del agua, y por otra, a la valorización de este desecho, para generar un bioenergético acorde con la Ley recientemente aprobada en nuestro país.

En nuestro grupo hemos utilizado los procesos discontinuos secuenciales, ya que han mostrado su alta efectividad en la degradación de compuestos tóxicos (Buitrón et al., 2005). Estos procesos han sido automatizados y controlados por medio de sensores de bajo costo, permitiendo que las aguas residuales sean degradadas con altas velocidades (Buitrón et al., 2006). Por ello resulta interesante aplicar los reactores discontinuos secuenciales (SBR, por sus siglas en inglés) para la maximización de la producción de hidrógeno.

De esta manera, resulta interesante el favorecer la producción de hidrógeno, en lugar del metano, en un proceso anaerobio. El objetivo de este proyecto fue evaluar las condiciones óptimas bajo las cuales se obtiene la máxima producción de hidrógeno empleando aguas residuales en un sistema SBR. Como caso particular, se presenta la obtención de hidrógeno a partir de las vinazas de la industria tequilera.