UNIVERSIDAD INTERNACIONAL SEK Ingeniera Ambiental Ctedra: Biotecnologa Noveno Semestre 2009 - 2010

Jessica Lpez P.

Problema Cambio Climtico Cambio de combustibles fsiles Nuevas alternativas energticas Problema global Tratamiento de Aguas Residuales Importancia del Recurso Agua Un hito importante en la contaminacin

Objetivos General Analizar la eficiencia en la obtencin de hidrgeno, como

combustible, a partir de lodos de aguas residuales.

Especficos

Comparar varios mtodos de obtencin de hidrgeno, estipulados en la literatura. Aplicar los conocimientos de la ctedra de Biotecnologa Ambiental, desarrollando un bioproceso relacionado con el campo de la Ingeniara Ambiental. Realizar un anlisis bibliogrfico de los diferentes sustratos y metodologas utilizadas, determinando cul es la ms eficiente y ms viable para la obtencin de hidrgeno.

Antecedentes y Justificacin El cambio climtico es la consecuencia del aumento de CO2 y otros GEI, que en su mayor porcentaje vienen de la generacin de energa. Se estima que para el ao 2030, las emisiones derivadas de la generacin de energa y fuentes de calor se habrn duplicado. Para el ao 2100 la temperatura del planeta podra aumentar entre 1,5 C y 5 C ms de la temperatura

actual(Varillas y Hernndez, 2009).

El hidrgeno es una fuente de energa limpia, ya que no genera GEI, y se habla de que ser el combustible del futuro. Tiene un potencial energtico ya que produce 142 KJ/g, lo que lo hace 2,75 veces

ms eficiente que cualquier hidrocarburo. Se lo puede producir a partir de fuentes renovables como la biomasa(Hafez et. al., 2009).

De desarrollarse este campo, la produccin de hidrgeno como combustible limpio, podra ser rentable en caso de llegar a obtener eficiencias del 60 al 80% (Zhang et. al., 2005).

Marco Terico Obtencin de Biohidrgeno

Se lo puede hacer mediante procesos de degradacin anaerbica en ausencia de luz y mediante fotodegradacin anaerobia, es decir que requiere de la luz solar.

Marco Terico Cepas Productoras de Hidrgeno

La principal y ms estudiada: Clostridium sp. En la literatura datan los siguientes gneros principalmente: Enterobacter, Citrobacter, Bacillus, and Clostridium (Meher et. al.,2006). En lo que respecta a la fotodegradacin de materia orgnica y produccin de hidrgeno cepas pertenecientes al gnero Rhodobacter sp (Fang et al., 2005). .

Marco Terico Metabolismo y Fundamento

EL hidrgeno se obtiene a partir de un compuesto orgnico, por ende es: Hetertrofo Donante y aceptor de electrones: Compuestos orgnicos y H2 respectivamente. Anaerobio estricto, en ausencia de luz La produccin de hidrgeno ocurre en el segundo o tercer paso de la degradacin anaerobia normal (Metanognesis).

Marco Terico Metabolismo y Fundamento

Los microorganismos que intervienen en este proceso hidrolizan la materia orgnica compleja en hidratos de carbonos simples, aminocidos y cidos grasos. stos se utilizan para obtener energa para el crecimiento por las bacterias que producen la fermentacin, lo que da como resultado la produccin de hidrgeno y cido actico.

Marco Terico Parmetros Crticos

Variables independientes: El tipo y la concentracin de sustrato, el pre-tratamiento inhibidor de bacterias metonognicas, la relacin carbono/nitrgeno, el pH, el tiempo de retencin de hidrulica y la temperatura. Variables Dependientes: Produccin de Hidrgeno (Principal) Reduccin de DQO Elaboracin de cidos Orgnicos

Marco MetodolgicoCaracterizacin de aguas residuales

No existen aguas residuales estndares. Los parmetros que se requieren conocer en esta caracterizacin son: Demanda Qumica de Oxigeno (DQO), medido mediante espectofotometra; pH, Porcentajes de los siguientes compuestos: Carbono, Nitrgeno e Hidrgeno; datos obtenidos mediante elemental analyzer (2400, Perkin-Elmer)Fuente: (Wang et. al, 2002; Ting et. al,2006).

Marco MetodolgicoPre tratamiento Se los realiza en pro de aumentar la eficiencia en el proceso y

con la finalidad de inhibir a los organismos metanognicos.

Esterilizacin (Calor): este se realiza mediante el uso de un autoclave, colocando la muestra dentro de ste, durante 30 min en un rango de temperatura de 80 - 120 C aproximadamente (Wang et. al, 2002; Zurawski et. al, 2005). Acidificacin: se coloca cido perclorhdrico HClO4 con la muestra por 10 mn, para reducir el pH a 3. Despus la muestra es colocada a una temperatura de 4C por un periodo de 6 horas (Wang et. al, 2002; Ting et. al, 2006). Congelado y descongelado: la muestra es congelada al -17 C por 24 horas, posteriormente es descongelada por 12 horas en un bao de agua a 30C (Wang et. al, 2002; Ting et. al, 2006).

Marco MetodolgicoInoculacin

El inoculo es aislado de los lodos de aguas residuales, y que sigue el procedimiento a continuacin descrito (Wang et. al, 2002): Esterilizacin a 121 C en un autoclave, pata inactivar las

bacterias metangenas Se aade 100 mM de BESA (inhibidor de metangeno), para esterilizar el lodo, durante 24 horas en condiciones anaerbicas. Se realiza un aislamiento y una purificacin del lodo incubado. Se lo coloca en un medio reforzado Clostridial por 72 horas.

Marco MetodolgicoBioreactor (Laboratorio) Reactor tipo Batch.- en una Botella de Ambar de 125 ml, se

coloca 5 ml de inoculo, con 45 ml de sustrato pre-tratado, se acondiciona para que se encuentre en condiciones anaerbicas y se lo sella hermticamente. ste es incubado a una temperatura de 30 35 C (Wang et. al., 2002; Ting et. al, 2006). Otros tipos de reactores.- se sugiere en la literatura que para la produccin de hidrgeno mediante una degradacin anaerobia estricta a base de compuestos orgnicos, se puede usar otros tipos de reactores como: Reactor tipo Fed Batch y Reactor de Flujo Continuo con introduccin de gas nitrgeno y sin introduccin de gas nitrgeno (Wang et. al., 2002; Zhang et. al., 2005)

Marco MetodolgicoAnlisis del Hidrgeno. La cantidad de hidrgeno producido se lo mide mediante

cromatografa de gases con un detector de conductividad trmica, que determine la concentracin del hidrgeno en su fase de gas (Wang et. al., 2002; Ting et. al, 2006). Es importante para determinan tanto la cantidad del hidrgeno, como la eficiencia del proceso en general:

la cantidad de DQO , ya que esto nos indicar cuanto han consumido los microorganismos y, la cantidad de elementos de desecho que en este caso vienen a ser cidos orgnicos.

Discusin y Anlisis

Discusin y Anlisis Efectivamente la cepa Clostridium sp., es la ms usada

para este fin. Sin embrago, existen otras cepas que han tenido grandes resultados aunque no han sido muy estudiadas, entre ellas destacan E. cloacae y B. coagulans (Meher et. al., 2006). Incluso considerando el uso de consorcios bacterianos.

Discusin y Anlisis

Fuente: Meher et. al., 2006

Discusin y Anlisis Aquellos lodos de aguas residuales, que tengan altos

contenidos de glucosa, los cuales pueden ser de la industria azucarera u otros, son los ms eficientes a la hora de obtener hidrgeno. C6 H12 O6 + 2H20 2CH3COOH + 2CO2 + 4H24C6 H12 O6 + 2H20 2CH3COOH + 3CH3 (CH2)2COOH + 3CH3 CH2COOH + 8CO2 + 8H2

En la Tabla de Wang et. al., (2002) se nos muestra que

dentro de los rendimientos ms altos son los de Mizano et al. (2000); Lay y Chang (1999).

Discusin y Anlisis

Discusin y Anlisis En lo que respecta al funcionamiento del bioreactor,

este basados en la Tabla de Wang et. al. (2002), el reactor tipo Batch es el ms comn y utilizado. Bioreactores de flujo continuo tambin tienen

importantes resultados, teniendo mejores resultados aquel que tiene introduccin de gas nitrgeno, en pro de garantizar las condiciones anaerobias, ya que la cepa Clostridium sp al ser anaerobia estricta.

Discusin y Anlisis Como resultado de este bioproceso, adicionalmente de

la obtencin de hidrgeno (que es el principal objetivo del anlisis), se obtienen otros elementos como cidos orgnicos.

Discusin y Anlisis Se puede eliminar a los mismos mediante, otro

bioproceso. Incluso se puede optar por la obtencin de hidrgeno a

partir de estos compuestos mediante una degradacin fotohetertrofa usando bacterias del Gnero Rhodobacter (Fang et. al., 2005).

Discusin y anlisisFinalmente el resultado del anlisis es: Sustrato: Aguas residuales de refineras de azcar, efluentes industriales de elaboracin de dulces, gaseosas (Glucosa, como fuente de carbono). Metabolismo: Hetertrofo anaerobio estricto. Cepa: Clostridium sp Pre tratamiento: Congelamiento Descongelamiento. Tipo de Reactor: Reactor de flujo continuo, con introduccin de gas nitrgeno. Principales elementos de desecho: cido Actico; cido Butrico.*No se ha realizado ningn anlisis de tipo costo-beneficio.

Conclusiones La eficiencia en la produccin del Hidrgeno depende de

varios factores, entre ellos:

El pre-tratamiento congelamiento descongelamiento, es el

inhibidor ms eficiente, ya que las bacterias metangenas, al sufrir un cambio brusco en la temperatura, se ven imposibilitadas de realizar su normal metabolismo, permitiendo la acumulacin de hidrgeno. El sustrato mejor degradado es glucosa por su fcil y rpida asimilacin, las cepas del gnero Clostridium sp son las ms adecuadas para la produccin de hidrgeno, ya que al momento de inocular el mayor porcentaje de bacterias pertenecen a este gnero, Adems la introduccin de N2 en el bioreactor ayuda al desarrollo del bioproceso al otorgar las condiciones de anaerobiosis.

Conclusiones En funcin de la eficiencia analizada, las aguas residuales

que tengan un alto contenido de glucosa sern sin duda las ms idneas para la produccin de hidrgeno, por ende este bioproceso puede ser aplicado para el tratamiento de efluentes industriales provenientes de la refinacin de azcar, elaboracin de dulces y gaseosas, etc. mediante degradacin anaerobia en ausencia de luz, tiene como productos de desecho cidos orgnicos, especialmente: cido actico y cido Butrico. Los cuales pueden ser usados nuevamente para la obtencin de hidrgeno mediante la fotodegradacin anaerobia, usando cepas del gnero Rhodobacter.

La produccin de hidrgeno a partir de aguas residuales,

Conclusiones El hidrgeno, es un combustible limpio y econmico en su

elaboracin, sin embrago presenta un problema al momento de ser almacenado, por ello las diferentes investigaciones han sido realizadas a nivel laboratorio, mediante el uso de bioreactores de poca capacidad. Sin embargo, los esfuerzos deben empezar a direccionarse a realizar este proceso a escalas industriales. El hidrgeno resulta ser una gran alternativa energtica, con ello

se puede iniciar el desvinculamiento de los combustibles fsiles y as hacerle frente a la crisis ambiental que estamos actualmente evidenciando, mediante el cambio acelerado en el clima.

Bibliografa:

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