Producción de biohidrógeno empleando desechos de frutas y verduras tratados térmicamente.

MARÍA J. PASCUALONE ; MARCOS B. GÓMEZ COSTA; PABLO R. DALMASSO

Buenos Aires

Congreso; XXXII Congreso Argentino de Química.; 2019

Introducción En respuesta a la demanda actual, el estudio de bioprocesos limpios para la generación de energía, entre la que se destaca la producción de biohidrógeno, ha recibido una creciente atención global. El H2 es un combustible ambientalmente amigable ya que el agua es el único subproducto final de su combustión [1]. Además, cuenta con la mayor energía contenida por unidad de masa (122 kJ/g), la cual es 2,75 veces mayor que la de los hidrocarburos [2], y puede producirse en la etapa de acidogénesis durante la degradación anaerobia de compuestos orgánicos [3]. Fuentes de sustrato de bajo costo necesitan ser exploradas y evaluadas por su potencial en la producción de biohidrógeno [1]. El desecho de frutas y verduras es una opción por su composición orgánica y naturaleza fácilmente biodegradable [4]. En el mundo, alrededor de un tercio de la producción de los alimentos destinados al consumo humano se pierde o desperdicia, ubicándose las tasas más altas de pérdidas (40-50%) en el grupo de frutas y hortalizas [5]. Por ello, la valorización de estos residuos es prioritaria frente a operaciones de eliminación como el depósito de los residuos en vertedero. El objetivo de este estudio fue investigar el potencial de la producción de biohidrógeno por fermentación a partir de una suspensión rica en azúcares reductores resultante del desecho de frutas y verduras, utilizando como inóculo compost comercial. Metodología Inóculo: Se utilizó compost comercial (humus de lombriz) pre-tratado mediante shock térmico en baño de agua a 100 °C por 15 min para eliminar los microorganismos metanogénicos.Sustrato: El desecho de frutas y verduras se obtuvo mediante colecta selectiva domiciliaria. Se mezcló con agua destilada en una relación p/v 1:1 y se sometió a trituración mecánica. Los sólidos se retiraron empleando tamices de diferentes tamaños de malla. Finalmente, la suspensión se sometió a un pre-tratamiento en baño de agua a 63 °C por 30 min para eliminar la flora natural que podría competir con los microorganismos inoculados. Así, se obtuvieron 2 L de suspensión filtrada con 26,5 g/L de azúcares reductores a partir de aproximadamente 1,9 Kg de residuos recolectados. La suspensión resultante se utilizó como sustrato para la producción de biohidrógeno.Sistema de cultivo: Los experimentos se llevaron a cabo mediante fermentaciones batch, en botellas serológicas de 120 mL a 35 °C y pH inicial 5,5. El proceso se realizó empleando distintas diluciones (con agua destilada) de la suspensión resultante tal que la concentración de los azúcares reductores en la carga fueran 5, 10, 15, 20 y 25 g/L. En todos los experimentos, la inoculación empleada fue del 10% v/v.ResultadosEl biogás producido estuvo libre de metano, conteniendo H2 (26-46%) y CO2 (54-74%). El contenido de biohidrógeno en la fase gaseosa y su producción volumétrica alcanzaron el nivel más alto (46% v/v y 615 mL/L cultivo) cuando se llevó a cabo la fermentación batch con la mayor concentración de sustrato. El mayor rendimiento de biohidrógeno (56,9 mL H2/g azúcares reductores consumidos) se logró con la concentración inicial más baja de azúcares reductores (5 g/L). Por el contrario, la tasa de producción volumétrica de H2 alcanzó su pico (372,6 ml H2/L?día) cuando se empleó la mayor concentración de sustrato empleado.Los metabolitos solubles producidos fueron ácido acético, ácido butírico, etanol y butanol. Entre ellos, el ácido butírico resultó mayoritario durante la fermentación del sustrato pre-tratado (67-78%). La generación de ácido butírico significó un microambiente favorable para la actividad acidogénica, puesto que, la formación de biohidrógeno y su velocidad máxima de producción aumentaron notablemente a mayores concentraciones de ácido butírico. Este resultado es consistente con la ruta bioquímica seguida. Además, se determinó que bacterias asociadas al género Clostridium spp., las cuales son reconocidas como responsables de fermentación butírica, fueron los microorganismos dominantes en el cultivo [6]. En cuanto a la eficiencia de degradación del sustrato, se comprobó que el consumo de azúcares reductores fue superior al 95% en todos los ensayos. Así, la posibilidad de poder trabajar con altas concentraciones iniciales de sustrato conjuntamente con una muy buena eficiencia de degradación del mismo, permite asociar el proceso de generación de energía con el de tratamiento de desechos.ConclusionesLos datos experimentales muestran la viabilidad de aprovechar el desecho de frutas y verduras como sustrato fermentable para la obtención de biohidrógeno, siendo la concentración inicial del sustrato una variable que afecta significativamente al bioproceso. La distribución de los metabolitos solubles sugiere que la ruta metabólica que conduce a la formación de ácido butírico fue eficaz en la producción de H2. Los pre-tratamientos aplicados (al inóculo y al sustrato) permitieron enriquecer el cultivo con bacterias productoras de H2 (Clostridium spp.). Se prevé que los resultados contribuyan a obtener conocimiento aplicable a la obtención de valor a partir de desechos como así también al desarrollo de una fuente de energía limpia.Referencias[1] Ghimire A, Frunzo L, Pirozzi F, Trably E, Escudie R, Lens PNL, et al. Appl Energy 2015; 144:73?95.[2] Elbeshbishy E, Dhar BR, Nakhla G, Lee HS. Renew Sustain Energy Rev 2017; 79:656?668.[3] Marone A, Izzo G, Mentuccia L, Massini G, Paganin P, Rosa S, et al. Renew Energy 2014; 68:6?13.[4] Tawfik A, El-Qelish M, Salem A. Int J Green Energy 2014; 12:1301?1308. [5] FAO. Pérdidas y desperdicio de alimentos en el mundo - Alcance, causas y prevención. Roma; 2012.[6] Kim S, Choi K, Kim JO, Chung J. Biodegradation 2013; 24:753?64.