Producción de biohidrógeno a partir de residuos sólidos orgánicos en un reactor discontinuo secuencial

• Autores: Sonia Gloria Santiago Cruz
• Directores de la Tesis: Ivani A. M. Moreno (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional Autónoma de México ( México ) en 2020
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: ru.dgb.unam.mx
• Resumen
  • español

    Este trabajo de investigación se enfocó en el estudio de la producción biológica de hidrógeno (H2) en un reactor discontinuo secuencial (SBR) a partir de residuos sólidos orgánicos (RSO). La investigación se dividió en cuatro etapas de experimentación. La primera etapa consistió en la recolección y caracterización de los residuos orgánicos, los cuales fueron obtenidos de un restaurante del estado de Querétaro. En la segunda etapa se arrancó y operó un SBR, investigando la influencia del tiempo de residencia hidráulica(TRH) sobre las comunidades microbianas, relacionando los parámetros operacionales de cada condición experimental con la cuantificación de los microorganismos presentes mediante la técnica de reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa. TRH largos (48h) favorecen la presencia del género Clostridium spp. y la producción deacetato y butirato, en contraste con TRH cortos (16 y 8h) en los que proliferaronEnterobacter yLactobacillus spp., y se ve favorecida la producción de ácido láctico, relacionando directamente el TRH y la abundancia de las comunidades microbianas. Por lo tanto, es posible definir un sistema de control de procesos que dirija el sistema a las rutas fermentativas deseadas.En la etapa tres se investigó la relación entre el TRH y el tiempo de residencia de sólidos (TRS)sobre la producción volumétrica de hidrógeno (PVH) de un reactor SBR a partir de residuos orgánicos. Se planteó un diseño factorial 22, teniendo como factores el TRH y el TRS; los valores de estudio para cada factor fueron TRH de 48 a 16h y el TRS de 60 a20h. Los resultados mostraron que TRSlargos (60h) y TRH cortos (16h) favorecen la PVH, obteniendo producciones de 1.86 L H2/L·d. Posteriormente se optimizaron ambos factores utilizando la metodología de superficie de repuesta, considerando como punto central la condición donde se obtuvo mayor producción de H2en el diseño factorial (TRH de 16h y TRS de 60h), obteniendo como valores óptimos TRH de 16h y TRS de 55h. En este estudio se encontró una relación positiva entre la hidrólisis de los sustratos particulados como es el caso de residuos sólidos orgánicos y la PVH. El aumento de la hidrólisis de los residuos aumentará la producción de hidrógeno, disminuyendo la fase de latencia de los microroganismos fermentativos, adaptándose más rápidamente al medio. Por otra parte, el desacoplamiento del TRH y el TRS permite manejar TRH cortos y TRS largos, disminuyendo con ello el volumen del reactor y con ello los costos del proceso.Finalmente, en la etapa cuatro se implementó una estrategia de control, en la que a partir de las velocidades de flujo y volumen acumulado de biogás de cada TRH (48, 24, 16 y 8h) de la etapa anterior, el sistema de control determina el tiempo de reacción de un sistema SBR tras ajustar los datos de biogás producido a la curva de Gompertz modificada. La estrategia de control fue validada y demostró la factibilidad de ser usada a largo plazo. La concentración de sólidos jugó un papel crucial en el diseño de control, por lo que es necesario considerar un tiempo de hidrólisis de sustratos particulados.

  • English

    This research work focused on the study of the biological production of hydrogen (H2) in a sequencing batch reactor (SBR) from organic solid waste (OSW). The research was divided into four stages. The first stage consisted of the collection and characterizationof organic waste, obtained from a restaurant in the state of Querétaro. In the second stage, an SBR was started-upand operated, investigating the influence of hydraulic residence time (HRT) on microbial communities, relating the operational parameters ofeach experimental condition with the quantification of the microorganisms present through the quantitative polymerase chain reaction. It was found that long HRT (48h) favor the presence of the genus Clostridiumspp. and acetate and butyrate production, incontrast to short HRTs (16 and 8h) in which Enterobacter and Lactobacillus spp. proliferated, and lactic acid production is promoted,directly relating HRT and the abundance of microbial communities. Therefore, it is possible to define a process control system that drivesthe system to the desired fermentation routes.In stage three, the relationship between HRT and the solids residence time (SRT) on the volumetric hydrogen production (VHP) of an SBR reactor from organic waste wasinvestigated. A factorial design 22was proposed, with HRT and HRTasfactors; the study values for each factor were HRT from 48 to 16h and the SRTfrom 60 to 20h. The results showed that long SRT(60h) and short HRT (16h) favor VHP, obtaining productions of 1.86 L H2/ L · d. Subsequently, both factors were optimized using the response surface methodology, considering as a central point the condition where higher production of H2was obtained in the factorial design (HRT of 16h and HRT of 60h), obtaining as optimal values HRTof 16h and HRT of 55h.In this study, a positive relationship was found between the hydrolysis of particulate substrates such as organic solid waste and VHP. Increasing the hydrolysis of the waste will increase the production of hydrogen, decreasing the latency phase of fermentative microorganisms, adapting more rapidly to the environment. On the other hand, the decoupling of HRT and SRTallows handlingshortHRT and long SRT, thereby reducing the volume of the reactor and thereby the process costs.Finally, in stage four a control strategy was implemented, in which, based on the flow rates and accumulated volume of biogas of each HRT (48, 24, 16 and 8h) of the previous stage, the control system determines the reaction time of an SBR system after adjusting the biogas data produced to the modified Gompertz curve. The control strategy was validated and demonstrated the feasibility of being used in the long term. The solids concentration played a crucial role in the control design, soit is necessary to consider a hydrolysis time of particulate substrates.