La naturaleza lleva millones de años perfeccionando la química de la energía, y finalmente hemos aprendido a hablar su idioma. El biohidrógeno no es sólo otra alternativa renovable; es la forma en que convertimos nuestros residuos en el combustible más limpio del universo. Si buscas la verdadera economía circular, deja de mirar al cielo y empieza a mirar hacia la biomasa.
El biohidrógeno es un combustible de gran interes para los investigadores. Entre todos los biocombustibles existentes, el biohidrógeno ocupa un lugar especial debido a su producción neutra en carbono, simple y sostenible, bajas emisiones de carbono y gran densidad de energía. La generación de hidrógeno a partir de la fermentación oscura de biorresiduos es un método sostenible, que promueve la creación de una economía baja en carbono.
¿Qué es biohidrógeno?
El biohidrógeno es el hidrógeno producido biológicamente. Normalmente se produce a partir de algas, bacterias y arqueas. El biohidrógeno es un biocombustible con gran potencial que puede obtenerse mediante cultivo específico o a partir de desechos orgánicos. Existen múltiples líneas de investigación sobre producción sostenible de este tipo de hidrogeno biológico.
Métodos de producción de biohidrógeno
Dentro de las diferentes tecnologías disponibles para la producción de biohidrógeno, destacan las basadas en procesos biológicos, como son:
🥏 La fermentación oscura: consiste en la recuperación del hidrógeno generado durante las primeras etapas de la digestión anaerobia de residuos orgánicos, en ausencia de luz y gracias a la acción combinada de un conjunto de bacterias anaerobias.
🥏 La fotofermentación: consiste en la transformación de la materia orgánica en biohidrógeno empleando luz solar como catalizador del metabolismo. Es un método intermedio entre la vía fotobiológica y la vía fermentativa. Los microorganismos responsables de este proceso son principalmente bacterias púrpuras (PNS, del inglés purple non-sulfur) de los géneros Rhodopseudomonas y Rhodobacter.
🥏 Biofotólisis: implica la división de la molécula de agua, u otros compuestos orgánicos, por acción de la energía lumínica (luz solar) y microorganismos autótrofos fotosintéticos.
Un proyecto de biohidrógeno LIFE
El proyecto de innovacción LIFE REPTES también es denominado Renewable bio-hydrogen production technologies from lignocellulosic waste and sewage sludge co-fermentation. Trata sobre la investigación de la fermentación oscura, anteriormente citada. Esta es una alternativa para la producción de biohidrógeno que está aún en desarrollo a través de proyectos de investigación
Este proyecto pretende integrar un modelo circular de producción de biohidrógeno. El proceso empieza en los subproductos lignocelulósicos de los que se compone la paja de arroz, y se mezcla con fango de depuradora, mediante un proceso de fermentación oscura.
Además de los grandes avances de los catalizadores de hidrógeno, también destacan otras tecnologías más innovadoras como la fotofermentación y biofotólisis. Ambas aún se encuentran en fase de investigación básica. En el caso de la biofotólisis, por ejemplo, su rendimiento y productividad se encuentran limitados, pero con un amplio margen de mejora, con posibles soluciones como agrandar las superficies de reacción para captar el máximo de luz solar u optimizar el diseño de los biorreactores.
De todas estas tecnologías, la que mejores expectativas presenta es la vía fermentativa. De forma más concreta, la fermentación oscura seguida de fotofermentación. Son procesos fermentativos secuenciales, y mejora otros procesos por su producción más elevada y porque permite la reutilización de residuos.
¿Para qué sirve el biohidrógeno?
Como hemos visto, el biohidrógeno se obtiene mediante procesos biológicos que utilizan microorganismos para producir hidrógeno a partir de materia orgánica. No obstante, al pensar en sus aplicaicones encontramos los beneficios de este elemento.
Las aplicaciones más importantes del biohidrógeno las encontramos en el sector energético. El almacenamiento de energía es su aplicación más destacada. Puede almacenarse de forma eficiente, superando algunas limitaciones de las baterías eléctricas. Cada kilogramo de hidrógeno contiene 2,4 veces más energía que el gas natural.
Otra aplicación del biohidrógeno es como vector energético para generar electricidad mediante pilas de combustible. Puede utilizarse en procesos industriales y como combustible para vehículos. En este sentido, tiene aplicaciones similares al amoniaco verde.
Desde el punto de vista de la sostenibilidad presenta un bajo impacto ambiental. El biohidrógeno no requiere el uso de combustibles fósiles para su producción. Genera menos emisiones de CO2 que los métodos convencionales de obtención de hidrógeno. Una cualidad es que aprovechan residuos orgánicos y biomasa como materia prima. Además, permite valorizar desechos que de otro modo serían contaminantes.
La generación de biohidrógeno
La producción de biohidrógeno depende de varios factores. Están asociados con condiciones ambientales, operacionales y químicas. Los factores más relevantes son:
pH del cultivo
El pH es un factor importante que influye en la actividad de las bacterias productoras de hidrógeno. Afecta la actividad de la hidrogenasa y a las rutas metabólicas.
Diferentes estudios comparativos con respecto al efecto del pH en la producción de hidrógeno han mostrado que el rango de pH óptimo para lograr la máxima producción de hidrógeno está entre 4,5 y 6,0.
Sustrato
Para la producción de biohidrógeno se han empleado diferentes clases de sustratos. La glucosa, sacarosa y el almidón son los que más se han empleado como sustrato. En muy pocos estudios se han utilizado residuos orgánicos como sustrato para la producción de hidrógeno.
Para la producción de hidrógeno no es ideal emplear sustratos con estructuras moleculares complejas debido a que estos son difíciles de asimilar por los microorganismos. Sin embargo después de emplear un pretratamiento con algunos métodos estos sustratos pueden ser fácilmente asimilados por las bacterias productoras de hidrógeno.
Los pretratamientos más conocidos para la degradación de sustratos difíciles son la ultrasonificación, acidificación, el congelamiento y descongelamiento, esterilización y las microondas.
Inóculo
Para la obtención de hidrógeno se han empleado bacterias en cultivos puros y mixtos como inóculos que corresponden a especies del género Clostridium y Enterobacter La mayoría de los estudios para la obtención de hidrógeno se han realizado con cultivos puros, en régimen batch y empleando glucosa como sustrato.
Nutrientes
En los procesos fermentativos para producción de hidrógeno el nitrógeno, los fosfatos y algunos iones metálicos son importantes para el crecimiento celular de las bacterias productoras de hidrógeno.
El nitrógeno es un componente de las proteínas, ácidos nucleicos y enzimas, por lo tanto una concentración de nitrógeno apropiada favorece el crecimiento de las bacterias productoras de hidrógeno y la producción de hidrógeno fermentativo.
Temperatura
La temperatura es un factor que influye en la actividad de las bacterias productoras de hidrógeno y en la producción de hidrógeno fermentativo, siendo un parámetro de tipo selectivo pues afecta la tasa de crecimiento y la ruta metabólica de los microorganismos.
Las bacterias son capaces de producir hidrógeno en rangos de temperatura que van desde 15 hasta 85°C, en rango mesofílico (25-30 °C), termofílico (40-65 °C) e hipertermofílico (>80 °C).
Fuentes consultadas: Sciencedirect y proyecto LIFE Reptes
Investigación con biohidrogeno
Un equipo del Departamento de Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Cádiz ha desarrollado un proceso innovador para valorizar residuos orgánicos locales. Su investigación transforma lodos de depuradoras y vinazas de bodegas en biohidrógeno y compuestos químicos de alto valor.
El método integra la aplicación de ozono como pretratamiento antes de la fermentación oscura. Este paso es clave para descomponer las estructuras complejas de los residuos, facilitando su posterior digestión anaerobia por bacterias. Como resultado, se incrementa la producción de biohidrógeno y ácidos grasos volátiles (AGV).
El biohidrógeno obtenido se presenta como un vector energético limpio y versátil. Puede utilizarse en pilas de combustible, inyectarse en redes de distribución o emplearse como sustituto de combustibles fósiles en procesos industriales.
Paralelamente, los AGV producidos tienen aplicaciones directas en sectores como el agroalimentario, la producción de bioplásticos y la industria cosmética. Esta generación de subproductos agrega valor económico al proceso, reforzando el enfoque de economía circular.
Los ensayos experimentales demostraron que ajustar la dosis de ozono aplicada a los lodos optimiza la fermentación y maximiza la obtención de biohidrógeno y AGV. Así, se logra un equilibrio entre eficiencia energética y rentabilidad operativa.
Utilizando los residuos para generar biohidrogeno
La utilización de residuos locales, como los lodos urbanos de la planta de aguas de Guadalete y las vinazas de la Bodega González Byass, minimiza los costes logísticos y reduce significativamente la huella de carbono del proceso.
Este modelo gestiona de forma eficiente grandes volúmenes de residuos, y transforma un pasivo ambiental en un recurso energético. Además, contribuye a disminuir el volumen de residuos enviados a vertederos y las emisiones de gases de efecto invernadero. El análisis económico realizado confirma que el sistema permite recuperar la inversión inicial, incluso considerando los costes energéticos y de tratamiento.
Cada litro de vinaza y kilogramo de lodo convertido en biohidrógeno representa un paso concreto hacia la descarbonización industrial y urbana. El proyecto demuestra que la innovación en la valorización de residuos es esencial para avanzar en la transición energética sostenible.
