Producción de biohidrógeno a partir de lactosuero a través de fermentación oscura impulsada por lactato: aplicación de estrategias operacionales para la optimización de un sistema en continuo

Abstract

El biohidrógeno es una fuente de energía renovable prometedora, pudiendo ser producido biológicamente a partir de diversas residuos orgánicos y aguas residuales vía fermentación oscura, que constituye un proceso atractivo debido a sus altas productividades y operación simple. En este estudio, se investigaron diferentes estrategias de operación con el objetivo de optimizar la producción de hidrógeno (H2) mediante fermentación oscura, utilizando lactosuero en polvo como sustrato, con enfoque en la vía metabólica del lactato. Experimentos en lote fueron llevados a cabo para conocer la producción de H2 (2004,5 ± 84,7 NmL H2/Lreactor) y consumo de sustrato (94,48 ± 0,87 %) en el sistema e inferir sobre las principales vías de generación de hidrógeno por análisis de ácidos orgánicos. La operación en continuo fue realizada en cinco fases: fase control (I), adición de medio soporte inerte (II), introducción de nanopartículas de hierro encapsuladas en carbono (100 ppm) (III) y nanopartículas de Fe2O3 a concentración 100 ppm (IV) y 300 ppm (V). En configuración en lote, se observó que las principales vías de producción de H2 estuvieron principalmente relacionadas a las vías del acetato y lactato, con aproximadamente 75,65 % de la productividad siendo explicada por estas vías metabólicas. La utilización de medio soporte fue fundamental para la estabilización del sistema en continuo, cuya máxima productividad (27276 NmL/L-d) fue alcanzada en presencia de nanopartículas de Fe2O3 (300 mg/L). La producción adicional de H2 en el sistema en continuo posiblemente se debió a la activación o mejoramiento de la ruta metabólica del lactato, a partir de la utilización de metabolitos intermediarios, sin ocasionar alteración en el consumo de sustrato o en la concentración de biomasa. La utilización de nanotecnología se ve una alternativa prometedora para el incremento de la productividad de biohidrógeno impulsada por la ruta metabólica del lactato.

Biohydrogen is a promising renewable energy source that can be produced from a wide variety of organic substrates and wastewaters via dark fermentation, which represents an attractive process due to its relative high productivity and simple operation. In this study, different operational strategies were investigated with the aim of optimizing hydrogen (H2) production through dark fermentation, using cheese whey powder as substrate, with a focus on the lactate-utilizing, hydrogen-producing pathway. Batch experiments were carried out to determine the H2 production (2004.5 ± 84.7 NmL H2/Lreactor) and substrate consumption (94.48 ± 0.87%) profiles in the system and infer about the main H2 production pathways by analysis of organic acids. Continuous operation was carried out in five stages: control (I), addition of inert support medium (II), introduction of iron nanoparticles encapsulated in carbon (100 ppm) (III) and Fe2O3 at a concentration of 100 ppm (IV) and 300 ppm (V). Under batch operation, the main H2 production pathways were mainly related to the acetate and lactate pathways, with approximately 75.65% of the productivity being explained by these metabolic routes. The use of support medium was fundamental for the stabilization of the continuous system, whose maximum productivity (27276 NmL/L-d) was reached in the presence of Fe2O3 nanoparticles (300 mg/L). The additional production of H2 in the continuous system was likely possibly due to the activation or improvement of the lactate metabolic pathway, from the use of intermediate metabolites, without causing alterations in the consumption of substrate or in the concentration of biomass. The use of nanotechnology is a promising alternative for increasing biohydrogen productivity driven by the lactate metabolic pathway