Biohydrogen from whey: Recent advances and futuristic perspectives of alternative energy
Biohidrognio do soro de leite: Avanos recentes e perspetivas futuristas de energia alternativa
Correspondencia: maparedes@unach.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 14 de diciembre de 2024 *Aceptado: 19 de enero de 2025 * Publicado: 21 de febrero de 2025
I. Ingeniera Mecnica, Magister en Ciencias de la Educacin Aprendizaje de la Fsica, Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingeniera, Ecuador.
II. Licenciado en Ciencias de la Educacin, Magister en Desarrollo de la Inteligencia y Educacin, Universidad Estatal de Bolvar, Facultad de Ciencias de la Educacin, Sociales, Filosficas y Humansticas, Ecuador.
III. Licenciada en Contabilidad y Auditora, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Ecuador.
IV. Ingeniera en Administracin de Empresas, Mster en Direccin de Empresas, Mencin Proyectos, Ecuador.
V. Investigadora Independiente, Ecuador.
Resumen
La presente investigacin bibliogrfica tiene como objetivo comprender los mtodos, tecnologas y su impacto en la transicin energa limpia y sostenible mediante avances en la produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche. Se realizaron estudios que aplicaran metodologas estadsticas descriptivas, examinando pretratamientos del sustrato, inculos microbianos y tipos de biorreactores. Los resultados que se encuentran entre los biorreactores indagados, se menciona el Reactor de membrana anaerbico (AnMBR) se destaca por su alta eficiencia y retencin de biomasa. Se encontr que diversos residuos orgnicos, como desechos agrcolas y el suero de leche, pueden ser fuentes para la produccin de biohidrgeno. La fermentacin oscura anaerobia es efectiva para convertir el suero de leche en biohidrgeno, abordando as su tratamiento y generando un producto energtico valioso. La optimizacin de parmetros como pH, temperatura y microorganismos ha sido clave para mejorar los rendimientos de produccin. Aunque existen desafos tcnicos y econmicos, la produccin de biohidrgeno a partir de suero de leche muestra ser una alternativa prometedora para una energa sostenible y una economa circular en la industria lctea.
Palabras clave: Biohidrgeno; Biorreactor AnMBR; Energa sostenible; Fermentacin oscura; Suero de leche.
Abstract
The present bibliographic research aims to understand the methods, technologies and their impact on the clean and sustainable energy transition through advances in the production of biohydrogen from whey. Studies were carried out that applied descriptive statistical methodologies, examining substrate pretreatments, microbial inocula and types of bioreactors. The results found among the bioreactors investigated, the Anaerobic Membrane Reactor (AnMBR) is mentioned, which stands out for its high efficiency and biomass retention. It was found that various organic wastes, such as agricultural waste and whey, can be sources for the production of biohydrogen. Anaerobic dark fermentation is effective in converting whey into biohydrogen, thus addressing its treatment and generating a valuable energy product. The optimization of parameters such as pH, temperature and microorganisms has been key to improving production yields. Although there are technical and economic challenges, biohydrogen production from whey shows to be a promising alternative for sustainable energy and a circular economy in the dairy industry.
Keywords: Biohydrogen; AnMBR bioreactor; Sustainable energy; Dark fermentation; Whey.
Resumo
A presente pesquisa bibliogrfica tem como objetivo compreender os mtodos, as tecnologias e os seus impactos na transio energtica limpa e sustentvel atravs dos avanos na produo de biohidrognio a partir do soro de leite. Foram realizados estudos aplicando metodologias estatsticas descritivas, examinando pr-tratamentos de substrato, inculos microbianos e tipos de biorreatores. Entre os resultados encontrados entre os biorreatores investigados, destaca-se o Reator Anaerbio de Membrana (AnMBR), que se destaca pela sua elevada eficincia e reteno de biomassa. Vrios resduos orgnicos, como os resduos agrcolas e o soro de leite, foram considerados fontes potenciais para a produo de biohidrognio. A fermentao anaerbia escura eficaz na converso do soro em biohidrognio, abordando assim o seu tratamento e gerando um valioso produto energtico. A otimizao de parmetros como o pH, a temperatura e os microrganismos tem sido fundamental para melhorar os rendimentos da produo. Embora existam desafios tcnicos e econmicos, a produo de biohidrognio a partir do soro de leite revela-se uma alternativa promissora para a energia sustentvel e a economia circular na indstria dos lacticnios.
Palavras-chave: Biohidrognio; Biorreator AnMBR; Energia sustentvel; Fermentao escura; Soro de leite.
Introduccin
La creciente demanda energtica a nivel global ha incentivado la bsqueda de alternativas sostenibles a los combustibles fsiles. El hidrgeno se perfila como un portador energtico prometedor para alcanzar la transicin energtica, que libera agua como nico subproducto de desecho, sin emisiones de gases de efecto invernadero (Aguay, 2017). Entre las tecnologas para producir hidrgeno, la produccin biolgica a partir de biomasa es considerada una opcin atractiva, carbono neutral y ambientalmente amigable (Carrillo, 2021).
Diversos residuos orgnicos pueden servir como materia prima para producir biohidrgeno mediante procesos fermentativos operados por bacterias anaerbicas, algunos sustratos estudiados incluyen desechos agrcolas, residuos de alimentos, pulpa de caf, estircol animal, lodos residuales, entre otros (Mendez P. , 2020). El aprovechamiento de estos residuos para generar biohidrgeno conlleva varios beneficios ambientales como: transformacin de materiales de desecho en un portador de energa limpia, reduccin de emisiones al evitar la descomposicin anaerobia de los residuos, y desviacin de los residuos de los rellenos sanitarios(Perdomo, 2023)
Si bien la produccin biolgica de hidrgeno a partir de biomasa residual es tcnicamente factible, an existen varios desafos que superar para alcanzar rendimientos elevados y desarrollar un proceso econmicamente viable a gran escala(Garcia C. , 2018). Por esto, en aos recientes la investigacin se ha enfocado en aumentar el rendimiento de produccin de hidrgeno a partir de estos sustratos, mediante la optimizacin de parmetros operacionales, pretratamientos del sustrato, anlisis de inculos microbianos, configuraciones de reactor, entre otros aspectos(Olmedo, 2022).
La bsqueda de fuentes de energa sostenibles y amigable con el ambiente es uno de los desafos ms importantes que enfrenta la sociedad actual por ende, la energa sostenible se define como aquella que satisface las necesidades presentes sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades (Borja, 2017). El biohidrgeno producido a partir de residuos como el suero de leche se enmarca en los principios de la energa sostenible debido a que aprovecha estos residuos como fuente de energa renovable en lugar de ser desechados o tratados como residuos, reduciendo as la huella ambiental y contribuyendo a la economa circular(Chillo & Paguay, 2018).
Adems, la produccin de biohidrgeno a partir de suero de leche genera menores emisiones de gases de efecto invernadero en comparacin con los combustibles fsiles convencionales, el hidrgeno es un vector energtico limpio que, al ser utilizado en celdas de combustible o motores de combustin, slo produce agua como subproducto(Centeno, 2018), esto contribuye a la mitigacin del cambio climtico y a la transicin hacia un sistema energtico sostenible y adaptativo.
Los procesos de fermentacin desempean un papel crucial en la conversin del suero de leche en biohidrgeno, ya que utiliza bacterias fermentativas para descomponer la lactosa y otros compuestos orgnicos presentes en el suero de leche, produciendo biohidrgeno y cidos orgnicos como subproductos(Castillo D. , 2020). Este enfoque ha demostrado ser efectivo y ha sido ampliamente estudiado.
Es importante destaca en la produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche no solo contribuye a la generacin de energa sostenible, sino que tambin aborda el problema del tratamiento y disposicin adecuada de este subproducto lcteo, reduciendo el impacto ambiental. Adems, la investigacin y el desarrollo en este campo estn enfocados en mejorar la eficiencia y la escalabilidad de los procesos, lo que incrementa la viabilidad econmica y la sostenibilidad de esta tecnologa de avanzada.
En este sentido el objetivo principal de este estudio bibliogrfico es analizar los avances recientes en la produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche. Se busca comprender los mtodos y tecnologas que estn siendo desarrollados y aplicados en este campo, evaluando su eficiencia, viabilidad y potencial impacto en la transicin hacia una fuente de energa limpia y sostenible. Adems, se pretende destacar las perspectivas que esta tecnologa ofrece, tanto en trminos de su contribucin a la reduccin de desechos orgnicos como en su papel en la diversificacin de la matriz energtica nacional.
Metodologa
El estudio es de tipo bibliogrfico, requiriendo una investigacin detallada, donde se tom en cuenta publicaciones entre 2017-2024 sobre produccin biolgica de biohidrgeno (bioH2) mediante procesos fermentativos a partir de residuos de suero de leche. La bsqueda se realiz a travs de tesis de universidades utilizando combinaciones de palabras clave como biohidrgeno, residuos orgnicos, energa sostenible, fermentacin, fotofermentacin. Adicional se evaluaron estudios donde se aplicaron metodologas estadsticas descriptivas.
Otros criterios de anlisis fue el tipo de biorreactor de membrana anaerbico (AnMBR)., parmetros operacionales examinados (pH, temperatura, tiempo de retencin hidrulica, tasa de carga orgnica volumtrica), fuente y pretratamiento del inculo microbiano, tcnicas de pretratamiento del sustrato, efectos de inhibicin por sustrato o productos finales y diferentes estrategias propuestas para aliviar esta inhibicin.
En cuanto a los microorganismos examinados en los diferentes estudios, los gneros bacterianos reportados fueron Clostridium sp., Enterobacter sp., Bacillus sp. y Thermotoga sp. En algunos estudios tambin se evaluaron cultivos mixtos microalgas-bacterias para realizar procesos combinados de fotofermentacin y fermentacin oscura(Castillo D. , 2020).
Los inhibidores ms frecuentemente analizados fueron el cido actico, butrico e hidrgeno disuelto(Chamba, 2022). En cuanto a las tcnicas de pretratamiento de los sustratos, algunas de las examinadas fueron la coccin a presin, explosin de vapor, ultrasonicacin, oxidacin hmeda y varios pretratamientos qumicos alcalinos o cidos (Jaque E. , 2019).
Esta amplia revisin de la literatura permiti analizar el estado actual y las tendencias futuras en tecnologas bio-H2 a partir del suero de leche, con un enfoque de incrementar el rendimiento del proceso fermentativo mediante optimizacin de parmetros clave.
Desarrollo de la investigacin
Se ha investigado una amplia variedad de residuos orgnicos de diferente origen para producir biohidrgeno mediante procesos de fermentacin oscura anaerobia(Carrillo, 2021). Algunos ejemplos reportados en estudios recientes incluyen:
Desechos de frutas y hortalizas (cscaras, bagazos)
Residuos de cosechas agrcolas (paja de arroz/trigo, hojas de maz, cascarillas de soja, bagazo de caa de azcar, etc.)
Pulpa y efluentes de la industria del caf
Suero de lechera
Glicerol crudo proveniente de la produccin de biodiesel
Estircol animal (vacuno, porcino)
Lodos cloacales
Residuos slidos urbanos (fraccin orgnica de RSU)
Segn (Jaque J. , 2019) estos materiales lignocelulsicos y residuos con alto contenido de carbohidratos representan fuentes de carbono econmicas con potencial para ser convertidas en biohidrgeno, dado su bajo o nulo valor comercial y la facilidad de obtencin en grandes volmenes. (Castillo D. , 2020) menciona que los rendimientos de produccin de hidrgeno a partir de residuos orgnicos varan ampliamente en los diferentes estudios segn el tipo y concentracin de sustrato utilizado, las condiciones experimentales, el tipo de bioreactor, la fuente de inculo microbiano, entre otros factores.
Diversos estudios han examinado el efecto de distintos parmetros de operacin sobre el rendimiento de produccin de bioH2, incluyendo pH, temperatura, tiempos de retencin hidrulica y slidos, concentraciones de sustrato, co-sustratos, etc (Moreira, 2019). Se ha encontrado que el pH es un factor particularmente crtico, con un ptimo cercano a 5,5 para los procesos de fermentacin oscura, temperaturas mesoflicas en el rango de 30-40C por lo general presentan mejores rendimientos, aunque algunos estudios han examinado condiciones termoflicas(Chamba, 2022).
Otras investigaciones han examinado el desempeo de distintos tipos de bacterias acidognicas para la produccin de H2 por fermentacin oscura a partir de residuos orgnicos. En general se ha encontrado que las bacterias pertenecientes a los gneros Clostridium y Enterobacter son preferibles a otros gneros, dado que presentan cinticas favorables para obtener altos rendimientos de H2 (Garcia C. , 2018).
Tambin se han estudiado la aplicacin de cultivos mixtos y consorcios microbianos, incluyendo sistemas combinados de microalgas y bacterias en procesos hbridos luz-oscuridad (Chamba, 2022). La ventaja de estos sistemas es que las microalgas producen O2 mediante fotosntesis, el cual es luego utilizado por las bacterias para oxidar ms eficientemente los sustratos orgnicos, mejorando de esta manera los rendimientos de produccin de H2. Una gran variedad de estrategias se encuentra en estudio para intentar aumentar los rendimientos de produccin biolgica de H2 a partir de residuos orgnicos mediante fermentacin oscura anaerobia(Olmedo, 2022).
El suero de leche es un residuo lquido generado en grandes volmenes durante la elaboracin de productos lcteos como el queso. Contiene una alta carga orgnica debido a su contenido en lactosa, protenas y materia grasa(Rodas, 2020). Histricamente, la gestin inadecuada de este residuo ha causado problemas de contaminacin. Sin embargo, el suero puede ser aprovechado como materia prima para la produccin de biohidrgeno mediante digestin anaerobia.
(Grocel, 2017) menciona, que dicho proceso se basa en el empleo de bacterias anaerobias capaces de convertir los componentes orgnicos del suero en hidrgeno gaseoso (H2), a travs de reacciones bioqumicas, diversas cepas bacterianas han mostrado resultados prometedores utilizando el suero como sustrato, entre ellas Clostridium, Enterobacter y Bacillus. Mediante ingeniera metablica tambin se han modificado bacterias para mejorar su rendimiento en la produccin de H2 a partir de lactosa.
En la actualidad se ha propuesto nuevos sistemas de reactores que integran la fermentacin oscura para incrementar el rendimiento en la conversin del suero a hidrgeno. Asimismo(Luna & Velasco, 2022), se estn ensayando consorcios bacterianos definidos para aprovechar las rutas metablicas complementarias de mltiples especies microbianas, tambin se explora el acoplamiento con celdas de combustible microbianas para la cogeneracin de electricidad.
(Buri, 2020) acota sobre los desafos tcnicos para la implementacin a gran escala de esta biotecnologa para la produccin de energa limpia, la produccin de biohidrgeno a partir de suero de leche se posiciona como una alternativa prometedora para dar valor a este residuo orgnico, el biohidrgeno generado podra utilizarse como combustible limpio o materia prima sostenible, contribuyendo a la transicin energtica y la economa circular en la industria lctea y energtica(Carrillo, 2021).
Segn (Chillo & Paguay, 2018) el proceso de produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche, se pueden utilizar varios tipos de biorreactores dependiendo del enfoque y la configuracin del proceso. Algunos de los biorreactores comnmente empleados son:
1. Biorreactor anaerbico de agitado tanque (CSTR): Este tipo de biorreactor se utiliza ampliamente en la fermentacin oscura para la produccin de biohidrgeno, el suero de leche y el inculo microbiano se mezclan y mantienen en condiciones anaerbicas con agitacin constante(Montao, 2018).
2. Biorreactor de lecho empacado anaerbicoco (AnPBR): Este biorreactor contiene un material de soporte inerte, como piedra, vidrio o plstico, que proporciona una superficie para la adherencia de las bacterias productoras de hidrgeno(Castillo D. , 2020). El suero de leche se hace circular a travs del lecho empacado, permitiendo una mayor concentracin de biomasa y tiempos de retencin ms prolongados.
3. Biorreactor de membrana anaerbico (AnMBR): En este sistema, el biorreactor se fusiona con una unidad de separacin por membranas, lo que permite una mayor retencin de biomasa y una mejor separacin de los productos(Chillo & Paguay, 2018), este mtodo es til para procesos en dos etapas, donde la primera etapa es la fermentacin oscura y la segunda etapa es la fermentacin fotosinttica.
4. Biorreactor de fotobiorreactor (PBR): Este biorreactor se utiliza en la fermentacin fotosinttica, donde las bacterias fotofermentativas requieren luz para producir biohidrgeno(Carrillo, 2021), los mismos que puede tener diferentes diseos, como tubular, de placa plana o de panel, y est diseado para maximizar la exposicin a la luz.
5. Biorreactor de membrana de fibra hueca (HFMR): Este biorreactor combina un mdulo de membrana de fibra hueca con una cmara de fermentacin, el suero de leche se bombea a travs de las fibras, mientras que las bacterias productoras de hidrgeno se mantienen en la cmara de fermentacin, lo que permite una separacin eficiente del biohidrgeno producido(Chamba, 2022).
Resultados
La seleccin del biorreactor adecuado depender de factores como el enfoque de produccin (fermentacin oscura, fotosinttica o sistemas de dos etapas), la escala de operacin, los requisitos de transferencia de masa y las caractersticas del sustrato y los microorganismos empleados. Adems, se deben considerar aspectos como el diseo, los materiales de construccin, la facilidad de operacin y los costos asociados.
De acuerdo con los avances recientes y los estudios realizados, el biorreactor ms efectivo para la produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche es el biorreactor de membrana anaerbico (AnMBR).
Segn los autores (Chillo & Paguay, 2018) el biorreactor de membrana anaerbico (AnMBR) ha demostrado ser una opcin prometedora y efectiva por varias razones:
La retencin de biomasa el AnMBR permite una mayor retencin de la biomasa microbiana productora de hidrgeno dentro del reactor, esto se obtiene mediante la separacin por membranas, lo que evita el lavado de los microorganismos y mantiene una alta concentracin de biomasa activa(Yanez, 2017). Adems, su alcance mantiene una alta concentracin de biomasa, que puede alcanzar una mayor productividad de biohidrgeno en comparacin con otros biorreactores convencionales (Buay & Sanungna, 2019). Adicional el AnMBR es adecuado para sistemas de produccin de biohidrgeno en dos etapas, en la primera etapa, se lleva a cabo la fermentacin oscura en condiciones anaerbicas, mientras que en la segunda etapa se realiza la fermentacin fotosinttica con bacterias fotofermentativas.(Chillo & Paguay, 2018)
Por otra parte, el AnMBR permite un control preciso del tiempo de retencin celular (TRC) y del tiempo de retencin hidrulica (TRH), lo que facilita la optimizacin del proceso y la estabilidad operativa, las membranas del AnMBR permiten una separacin eficiente del biohidrgeno producido y otros subproductos, facilitando la recoleccin y purificacin posteriores(Chillo & Paguay, 2018).
Varios estudios han reportado rendimientos de biohidrgeno ms altos utilizando el biorreactor de membrana anaerbico en comparacin con otros sistemas (Chalota & Mora, 2017). Por ejemplo, un estudio reciente obtuvo una productividad de biohidrgeno de 5.2 L H2/L/da utilizando un AnMBR alimentado con suero de leche, superando a los biorreactores convencionales(Grocel, 2017).
Sin embargo, es importante tener en cuenta que la efectividad del AnMBR puede verse influenciada por factores como el diseo del reactor, las condiciones operativas, el tipo de membranas utilizadas y los aspectos econmicos asociados (Remache, 2018), por lo que se requiere continuar con la investigacin cientfica para lograr una implementacin a gran escala y una viabilidad econmica mejorada.
Conclusiones
La produccin de biohidrgeno a partir de residuos orgnicos, como el suero de leche, representa una alternativa ambientalmente sostenible y econmicamente viable para generar energa limpia y de bajo impacto ambiental, ya que diversos avances tecnolgicos han permitido optimizar este proceso, destacndose el uso del biorreactor de membrana anaerbico (AnMBR) por su alta eficiencia y productividad.
A pesar de los progresos alcanzados, an existen desafos tcnicos, econmicos, sociales y ambientales, que deben superarse para lograr una implementacin a gran escala de la produccin de biohidrgeno a partir del suero de leche, tomando en cuenta el requerimiento necesario para continuar con la investigacin y optimizacin de los procesos y el diseo del biorreactor.
El aprovechamiento del suero de leche para la produccin de biohidrgeno contribuye la generacin de energa renovable, adicional una correcta gestin integral del residuo orgnico, reduciendo su impacto ambiental, por ende, esta tecnologa se posiciona como una alternativa prometedora que puede impulsar la transicin hacia una matriz energtica ms sostenible y fomentar la economa circular en la industria lctea.
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