¿Por qué la fermentación oscura puede ser una alternativa sostenible para valorizar residuos?

En AINIA, en el marco del proyecto DIANA, hemos obtenido los primeros resultados a escala laboratorio, sobre producción simultánea de biohidrógeno y biogás mediante la digestión anaerobia en doble etapa. Este proceso es aplicable a un amplio abanico de residuos orgánicos, desde deyecciones ganaderas hasta lodos de depuración. A continuación lo contamos.

¿Qué es la fermentación oscura?

La fermentación oscura consiste en la obtención de biohidrógeno a partir de residuos orgánicos, en ausencia de luz, y por la acción combinada de un consorcio de bacterias anaeróbias.

La fermentación oscura es una tecnología basada en la recuperación del hidrógeno que se genera durante las primeras etapas de la digestión anaerobia, evitando que sea consumido para las bacterias metanogénicas.

El proceso de la digestión anaerobia se compone de 4 etapas diferenciadas: 1) Desintegración e hidrólisis, 2) Acidogénesis, 3) Acetogénesis y 4) Metanogénesis durante las cuales la materia orgánica va transformándose en distintos compuestos intermedios hasta convertirse en biogás (metano y dióxido de carbono) (Figura 1). El proceso posee una microbiología compleja, en la que intervienen distintas poblaciones microbianas con una relación simbiótica entre ellas.

Figura 1.Esquema del proceso de digestión anaerobia.

La digestión anaerobia tradicional se desarrolla en “digestores” donde en un mismo espacio físico se lleva a cabo todo el proceso biológico descrito anteriormente, incluyendo las cuatro etapas, con tiempos de retención hidráulicos variable en función de la tipología de sustrato que se alimenta a los digestores, así como de otros factores como la temperatura, velocidad de carga orgánica, etc.

La digestión anaerobia en doble etapa, consiste en separar, de manera física, las etapas microbiológicas: en un primer digestor, el digestor hidrolítico, se llevarían a cabo las dos primeras etapas, la hidrólisis y la acidogénesis de la materia orgánica, y en el segundo digestor, digestor metanogénico, alimentado con el efluente del digestor hidrolítico, tendría lugar principalmente, las otras dos etapas, la acetogénesis y la metanogénesis.

Dependiendo de las condiciones de operación concretas que se apliquen en el primer digestor (hidrolítico) como pH, tiempos de retención hidráulico, temperatura, etc., se conseguirá optimizar la producción del biohidrógeno a partir de los residuos orgánicos, teniendo lugar la fermentación oscura.

El efluente final de esta primera etapa es una corriente líquida rica en ácidos grasos la cual puede ser alimentada a un segundo digestor, en el cual se llevarán a cabo principalmente la etapa de acidogénesis y metanogénisis, generándose una corriente gaseosa compuesta principalmente por metano y CO2 (biogás).

¿Cuales son los principales beneficios del proceso?

Los beneficios principales que esta tecnología podría presentar respecto a otras tecnologías es:

• Incremento en la estabilización de la materia orgánica y reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero

• Incremento de la producción de energía renovable, aumentando su competitividad en el mercado respecto a otras tecnologías.

Incremento de la energía total producida

Con este proceso en dos etapas, se obtienen dos fuentes de energía renovable el hidrógeno y el metano.

El hidrógeno es considerado el combustible del futuro ya que no genera emisiones contaminantes durante su combustión, cuenta con una elevada densidad energética y es utilizable tanto en sistemas de combustión habituales como en los nuevos sistemas de conversión energética vía electroquímica como las pilas de combustible. Uno de los principales retos tecnológicos planteados en la actualidad es la obtención sostenible de hidrógeno a partir de fuentes no fósiles por lo que la obtención de “biohidrógeno” a partir de biomasa y a través de la fermentación oscura constituye una opción de gran interés.

Incremento de la transformación de materia orgánica y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero

La separación de las fases permite generar las condiciones ambientales más adecuadas para la actividad de las distintas poblaciones, como el pH, la temperatura, presencia oxígeno, etc. En este sentido, se consigue la optimización del proceso, incrementando la actividad de las bacterias, e incrementando la transformación de la materia orgánica en biohidrógeno y biometano.

AINIA interesada en dicha tecnología y sus beneficios, empezó hace tres años una investigación sobre la producción de biohidrógeno en el marco del proyecto DIANA.

Los principales resultados obtenidos del proyecto indican que la fermentación oscura es un proceso sensible, altamente dependiente de las características de los residuos empleados, y necesita del control del pH para la optimización de la producción de biohidrógeno de manera continua.

El proyecto DIANA

El proyecto DIANA (2012-2014) “Desarrollo de un nuevo proceso para la obtención de biohidrógeno y biogás mediante digestión anaerobia en doble etapa a partir de residuos orgánicos”, financiado por el programa de desarrollo estratégico del Instituto Valenciano de la Competitividad Económica (IVACE) y con el apoyo de fondos FEDER, y el cual ha tenido como principal objetivo la investigación de un nuevo proceso avanzado de digestión anaerobia en doble etapa que permita la producción y uso sostenible de biohidrógeno y biogás a partir de residuos orgánicos generados en la Comunidad Valenciana. En el proyecto se ha realizado:

• un análisis técnico-científico sobre la tecnológica de la fermentación oscura, el estudio y • validación de distintos pre-tratamientos aplicados en función de la tipología de sustratos orgánicos, • puesta en marcha y operación de sistemas fermentación oscura a escala laboratorio-piloto con distintos sustratos.

¿Qué hemos conseguido?

• Diseñar y poner a punto metodologías y montajes experimentales a escala piloto para la investigación de la producción de biohidrógeno y biogás. Estas metodologías nos han permitido evaluar los procesos de forma adecuada y repetible, y facilitar posteriores desarrollos

• Estudiar la mejora de la producción y calidad del biohidrógeno y el biogás a través de nuevos pretratamientos basados en ultrasonidos, microondas, etc. a través de ensayos experimentales a escala de laboratorio.

• Evaluar la eficiencia del nuevo proceso fermentativo (dark fermentation), a través de ensayos experimentales. Estudiar los parámetros críticos para la optimización del proceso y principales limitaciones. Estimar el grado de aprovechamiento energético en comparación con procesos convencionales.

• Comparar del rendimiento energético obtenido de un residuo mediante biohidrógeno por digestión anaerobia oscura y biogás por degradación anaeróbica convencional.

¿Cuáles han sido los principales resultados obtenidos?

Los principales resultados obtenidos en la producción de biohidrógeno a partir de la fermentación oscura, han indicado una alta dependencia de los parámetros de operación óptimos, con la tipología y composición de la materia orgánica utilizada como sustrato, así como un mayor grado de sensibilidad del proceso biológico que la digestión anaerobia convencional.

Se ha estudiado la producción de biohidrógeno a partir de lodos de depuradora y sustratos ricos en fibras. La temperatura y el tiempo de retención hidráulico aplicado en la primera etapa, han jugado un papel importante sobre la producción de biohidrógeno a partir de lodos de depuradora. Como estrategia para eliminar la actividad de la biomasa consumidora de hidrógeno presente en los mismos lodos, se ha reducido artificialmente el pH, aunque los resultados han indicado una rápida recuperación de pH a valores próximos al neutro, que reducen la producción de biohidrógeno. Por lo tanto, los resultados han puesto en manifiesto la necesidad de pretratar los lodos con el objetivo de reducir la actividad de la biomasa metanogénica.

En el caso de los sustratos ricos en fibra, la producción de biohidrógeno ha sido muy superior al caso de los lodos, obteniendo un potencial de biohidrógeno entre 6-32 L por kilogramo de sólidos volátiles, pero debido a la elevada producción de ácidos grasos volátiles, el pH tiende a descender por debajo de 5, cesando bruscamente la producción de biohidrógeno. Por lo tanto, se ha concluido que el control del pH es un parámetro importante para la optimización de la producción de biohidrógeno.

Los primeras estimaciones realizadas a partir de los resultados obtenidos en el laboratorio, y a falta de optimizar dichos resultados a escala piloto o semi-industrial, indican que la tecnología de la “Dark fermentation” podría mejorar el rendimiento energético de las actuales plantas de biogás agroindustrial, debido al aporte del biohidrógeno como fuente de energía, y al incremento del biometano generado, que se obtendría de la separación biológica de las fases del proceso de la digestión anaerobia.

Si esta interesado en obtener una mayor información, también le podría interesar los siguientes artículos:

– Los primeros resultados obtenidos de la fase inicial del proyecto DIANA publicado en un articulo en la Revista RETEMA: «La valorización de residuos orgánicos agroalimentarios para la producción y uso de biogás«

–  En este enlace encontrará un póster que contiene información adicional de los resultados obtenidos del proyecto DIANA