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.
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
