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Producción de HProducción de H22 por vía por vía Producción de HProducción de H22 por vía por vía Biológica: Utilización de biomasaBiológica: Utilización de biomasaggUniversidad de LeónXiomar GómezXiomar Gómez
Conferencias ATEGRUS® sobre: BIOENERGÍA 2013 -TRATAMIENTOS ENERGÉTICOS DE RESIDUOS 2013
Esquema de PresentaciónEsquema de Presentación Introducción: Proceso de Producción de Introducción: Proceso de Producción de
H2 a partir de Biomasa Proceso fermentativo Estado del arte: Casos de Estudio Estado del arte: Casos de Estudio Perspectivas
H2
2
Producción de HProducción de H22Producción de HProducción de H22
Introducción: Proceso de Producción Introducción: Proceso de Producción de H2 a partir de Biomasa
Proceso fermentativo Casos Prácticos Casos Prácticos Potencialidades y limitaciones
Rutas de producción de H2 por vía Rutas de producción de H2 por vía biológica:biológica:biológica:biológica:
•la biofotólisis del agua mediante algas y cianobacterias, c a obacte as,
•la fotodescomposición de compuestos á éorgánicos mediante bacterias fotosintéticas
• Reacción WGS• Reacción WGS
•la fermentación de compuestos orgánicos. p g
•Electrólisis biocatalítica
4
Producción de H2 mediante la utilización de algas:
El b l d ió d l El proceso se basa en la adaptación de la fotosíntesis, previniendo la formación de biomasa
BiofotólisisBiofotólisis directadirecta
BiofotólisisBiofotólisis indirectaindirecta
BiofotólisisBiofotólisis directadirecta
2H2O 2 H2 + O2
CO2
2 2 2
Luz solar
Fotosistema I, II Material
celular
H2
Fd2H2O O2
Fotosistema I, II
FdHasa
FermentaciónH2
2H2O O22H+
FdHasa
2H+
5
Proceso de Producción de H2 a
V t j f d t lV t j f d t lpartir de Biomasa
Ventajas fundamentales:Ventajas fundamentales:Utilización de recursos renovablesUtilización de recursos renovablesOperación a condiciones moderadas de presión y temperaturaOperación a condiciones moderadas de presión y temperaturap p y pp p y p
• Producciones volumétricas?• Producciones volumétricas?• Tamaño de las unidades de producción?
C tid d d t i i ?• Cantidades de materias primas?
6
€
€€
€€E í b d l H2Economía basada en el H2: Eficiencia en la producción, almacenamiento y distribución
Unidades de energía necesarias para posibilitar el transporte y Unidades de energía necesarias para posibilitar el transporte y suministro de H2 7
Diferentes procesos de producción posibles para obtener Diferentes procesos de producción posibles para obtener H2 a través de la biomasaH2 a través de la biomasa
Fuentes de Energía RenovablesFuentes de Energía RenovablesBiomasa
Métodos Biológicos
H2 a través de la biomasaH2 a través de la biomasa
Foto-electrólisisElectrólisis
Métodos Biológicos
Dig. AnaerobiaFermentación
Reformado
Elec. BiocatalíticaFermentaciónBiocatálisis enzim.Foto-fermentación
TermoquímicosLos procesos de generación de hidrógeno por vía biológica se fundamentan en la presencia de
GasificaciónPirólisis
WGSH2
fundamentan en la presencia de una enzima productora de hidrógeno capaz de catalizar la siguiente reacción:
8
PirólisisH2siguiente reacción:
2H+ + 2e- H2
Rutas de producción de H2 por vía biológica:
•la foto-descomposición de compuestos orgánicos p p gmediante bacterias fotosintéticas
PNS-BacteriaPNS Bacteria
CrecimientoCondiciones ambientales
- Foto-heterótrofos- Foto-autótrofos- Quimio-heterótrofos
• Grado de anaerobiosis• Fuente de Carbono
CO- CO2
- Compuestos orgánicos• Disponibilidad de luzPhoto fermentation
2CH COOH + 4H O + L 8H + 4CO2CH3COOH + 4H2O + Luz → 8H2+ 4CO2
COBacterias ATP
CO fotoheterotróficas H2
• Reacción WGS (Water-gas-shift)9
Electrólisis Electrólisis biocatalíticabiocatalíticaElectrólisis Electrólisis biocatalíticabiocatalítica
Power supplye-
e-e
H2
Salida HCO3- H2
v
Oxi
daci
ón
H+
Cát
odo
2H+e-
Alimentación MO
10
Proceso FermentativoProceso FermentativoMezcla gaseosa
H2, CO2, CH4, H2SFermentación oscura
Cultivos puros Ausencia de í
Cultivos mixtos
Metabolismo anaerobio del piruvat
oxígeno
Metabolismo anaerobio del piruvat
F d i d id
11
Formiato Ferrodoxina reducida
AnaerobiosEnterobacterias
Anaerobios estrictos
Proceso Fermentativo: RutasProceso Fermentativo: RutasProceso Fermentativo: RutasProceso Fermentativo: RutasEnterobacterias
Anaerobio estrictos
Ventajas del proceso:j p
• Es de esperar rendimientos de producción de H2 mayores en ió l ét d f t bi ló i d d t comparación con los métodos fotobiológicos, dado que presentan
velocidades de generación mayores
• Es posible la fermentación de residuos de éste modo se produce • Es posible la fermentación de residuos, de éste modo se produce la valorización mediante la generación un gas con alto valor energético y económico
•No hay problemas de limitaciones de O2
•Utilización de cultivos mixtos permite operar sin esterilización Utilización de cultivos mixtos permite operar sin esterilización del material y bajo operación continua
Rendimientos: 8 - 120 mmol H2/l*h
1
Limitaciones del proceso:
• Parte del piruvato generado es utilizado para producir ATP, generando como producto acetato
• En algunos microorganismos los rendimientos de producción de H2 se ven reducidos por la presencia de enzimas utilizadoras de Hpresencia de enzimas utilizadoras de H2
• La máxima cantidad teórica de producción de H es de 12 moles de H por cada molécula H2 es de 12 moles de H2 por cada molécula metabolizada de glucosa.
• El límite teórico no se cumple porque se utiliza • El límite teórico no se cumple, porque se utiliza el substrato para producir material celular.
Estado del arte: Procesos Estado del arte: Procesos Fermentativos Fermentativos –– Producción HProducción H22
Reactor HRT (H h )
H2 yield OLR (H h )
Reference(H2 phase) (H2 phase)
Rotating drum (200 L) + CSTR (800 L), mesophilic
240 - 96 h 0.049 - 0.065m3 H2 kg-1 VS
22.7 - 37.8 kg VS m-3 d-1
Wang and Zhao, 2009
CSTR (10 L) + CH4 reactor 1 3 d 0 205 38.4 kg VS m- Chu et al., 2008CSTR (10 L) + CH4 reactor with suspended media (40 L), thermophilic – mesophilic
1.3 d 0.205m3 H2 kg-1 VS
g3 d-1
12 4 37 0 k L l 2010CSTR (10 L) + CH4 packed reactor (40 L), thermophilic
3.8 – 1.28 d 0.056 – 0.118 m3 H2 kg-1 VS
12.4 – 37.0 kg VS m-3 d-1
Lee et al., 2010
CSTR (500 L) + UASB 66 – 21 h 0.62 - 3.9 7.4 - 71.3 g Lee and Chung, CSTR (500 L) + UASB (2300 L), mesophilic
66 21 h 0.62 3.9 L H2 m-3 d-1
gCOD L-1 h-1
g2010
3
Principales factores de la fermentaciónPrincipales factores de la fermentaciónPrincipales factores de la fermentaciónPrincipales factores de la fermentación• Control del pH – Adición de alcalinidad
T I d l di i l d • Temperatura: Incrementos de los rendimientos con el aumento de la temperatura. Posibilidades de tratamiento de material lignocelulósico
• Efecto de la carga orgánica• Presión parcial del H2 y eliminación del CO2• Adición de nutrientes
OperaciónOperación• Sistemas de mezcla completa• AnSBR
I l ó d b• Inmovilización de biomasa• Fase sólida
4
Casos Prácticos:Casos Prácticos:Casos Prácticos:Casos Prácticos:• La alta presencia de carbohidratos en la fracción• La alta presencia de carbohidratos en la fracción
orgánica la hace ser considerada como un substrato adecuado para los procesos de fermentación oscura
FORSUfermentación oscura
• Evaluación utilizando corrientes de alta Lactosuero y baja cargaLactosuero
• Tomada del decantador secundarioAgua residual
5
Sistema fermentativo acoplado a sistema de Sistema fermentativo acoplado a sistema de digestión anaerobia para la estabilización total del digestión anaerobia para la estabilización total del digestión anaerobia para la estabilización total del digestión anaerobia para la estabilización total del efluenteefluente
6
Sistema Fermentativo Sistema Fermentativo –– Electrólisis Electrólisis BiocatalíticaBiocatalíticaCorrientes líquidas de baja carga Corrientes líquidas de baja carga orgánciaorgánciaCorrientes líquidas de baja carga Corrientes líquidas de baja carga orgánciaorgáncia
Efluente
Material rellenoCámara anódica
Recirculación
C i é iCamisa térmica7
Resultados sistema FORSUResultados sistema FORSUVrVr : 25 L, TRH 1 : 25 L, TRH 1 –– 3 d3 d
ÓÓÓ
50
60
70
ia d
e )
25
30
SIN RECIRCULACIÓNCON RECIRCULACIÓNSIN RECIRCULACIÓN
20
30
40
50
ducc
ión
diar
ibi
ogás
(L/d
)
10
15
20
% H
2
0
10
0 20 40 60 80 100 120Tiempo (días)
Pro
d
0
5
Tiempo (días)Serie1 Serie2Biogás % H2
8000
10000
L)
SIN RECIRCULACIÓN CON RECIRCULACIÓN SIN RECIRCULACIÓN
PH 41 5 L/d
0
2000
4000
6000
0 20 40 60 80 100 120
VFA
(mg/
LPH2: 41,5 L/d
SH2P: 45,5 L/kg SV0 20 40 60 80 100 120
Tiempo (días)
Acético Propiónico Butírico CaproicoVPR: 0,4 L/Lr d 8
Resultados sistema Resultados sistema LactosueroLactosueroCSTRCSTR
Efecto del contenido en N
0,4 L/Lr d
1,6 L/Lr dPre-treatment ReferencesEfecto del contenido en NChoqueTérmico Khanal et al., 2006 ; Massanet-Nicolau et al., 2010 ; Perera and Nirmalakhandan ; 2010
Acidificación - elevación pH Chang et al., 2002; Kim and Shin, 2008; Wang et al., 2006; Chang et al., 2011
Choque de carga O-Thong et al 2009; Luo et al 2010 Zhu et al Choque de carga O-Thong et al., 2009; Luo et al., 2010 Zhu et al., 2006; Ren et al., 2008
9
Resultados sistema Resultados sistema LactosueroLactosueroInmovilizaciónInmovilización
Digestión del efluente
Meso: 1,9 L CH4/Lr dTermo: 2,5 L CH4/Lr d
10
Tratamiento de Aguas ResidualesTratamiento de Aguas Residuales
Producción de HSistemas Sistemas biobio--electroquímicoselectroquímicos Producción de H2
V = 10 L (serie – 5 L) Alimentación: Medio Sintético y Agua
residual (DQO 250 – 300 mg/L)residual (DQO 250 300 mg/L)
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Potencialidades y limitacionesPotencialidades y limitacionesPotencialidades y limitacionesPotencialidades y limitaciones
Si d f H CH• Sistemas en dos fases: H2 y CH4• Foto-fermentación como segunda fase• MEC• Ingeniería metabólicaIngeniería metabólica
Substratos
Residuos: Alto contenido en carbohidratosSubstratos lignocelulósico: Hidrólisis previa
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PM-110Feedstock handling Section
S-192
Feed transportFeedstock
S 104308P S-227
C-103
Feed conveyor
C-101
Grain Handling
S-170
S-213S-257
S-220
G-102
Washing
S-197 S-224
S-225
S-104
Shredding
CT-105
Clarif ication
Trash
PM-109$-CT-105
MX-111S-266
Clarif ier polymer
S-223
• Distancia recorrida• Coste de la alimentación
ST-106
Storage
• Coste de la alimentación• Competencia con otros usos• Permisos – Tiempo• Pre-tratamientos• Pre-tratamientos• Fases del proceso• Temperatura (Invierno)• Precio del H2
S 135
RT-606Anaerobic Digestion
S-182
Precio del H2• Incertidumbre del mercado• Disposición final del efluente
P-606
MX-109
P-611 S-167
P-616S-229
S-243S-135
$-609-610
RT-607
Aerobic BioOxidation
S-161
CSP 104
S-279$-608
S-165S-296
Waste-Treatment Section
CT-608
Clarif ication F-609Belt Filtration
SC-610
Screw Conveying
$ 609 610S-163
CSP-104
CSP-105
S-180
S-28013
Gracias por su atenciónGracias por su atenciónGracias por su atenciónGracias por su atención