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Biohydrogen from whey: Recent advances and futuristic perspectives of alternative energy
Biohidrog�nio do soro de leite: Avan�os recentes e perspetivas futuristas de energia alternativa
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Correspondencia: maparedes@unach.edu.ec
Ciencias T�cnicas y Aplicadas
Art�culo de Investigaci�n
* Recibido: 14 de diciembre de 2024 *Aceptado: 19 de enero de 2025 * Publicado: �21 de febrero de 2025
I. Ingeniera Mec�nica, Magister en Ciencias de la Educaci�n Aprendizaje de la F�sica, Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingenier�a, Ecuador.
II. Licenciado en Ciencias de la Educaci�n, Magister en Desarrollo de la Inteligencia y Educaci�n, Universidad Estatal de Bol�var, Facultad de Ciencias de la Educaci�n, Sociales, Filos�ficas y Human�sticas, Ecuador.
III. Licenciada en Contabilidad y Auditor�a, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.
IV. Ingeniera en Administraci�n de Empresas, M�ster en Direcci�n de Empresas, Menci�n Proyectos, Ecuador.
V. Investigadora Independiente, Ecuador.
Resumen
La presente investigaci�n bibliogr�fica tiene como objetivo comprender los m�todos, tecnolog�as y su impacto en la transici�n energ�a limpia y sostenible mediante avances en la producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche. Se realizaron estudios que aplicaran metodolog�as estad�sticas descriptivas, examinando pretratamientos del sustrato, in�culos microbianos y tipos de biorreactores. Los resultados que se encuentran entre los biorreactores indagados, se menciona el Reactor de membrana anaer�bico (AnMBR) se destaca por su alta eficiencia y retenci�n de biomasa. Se encontr� que diversos residuos org�nicos, como desechos agr�colas y el suero de leche, pueden ser fuentes para la producci�n de biohidr�geno. La fermentaci�n oscura anaerobia es efectiva para convertir el suero de leche en biohidr�geno, abordando as� su tratamiento y generando un producto energ�tico valioso. La optimizaci�n de par�metros como pH, temperatura y microorganismos ha sido clave para mejorar los rendimientos de producci�n. Aunque existen desaf�os t�cnicos y econ�micos, la producci�n de biohidr�geno a partir de suero de leche muestra ser una alternativa prometedora para una energ�a sostenible y una econom�a circular en la industria l�ctea.
Palabras clave: Biohidr�geno; Biorreactor AnMBR; Energ�a sostenible; Fermentaci�n 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 bibliogr�fica tem como objetivo compreender os m�todos, as tecnologias e os seus impactos na transi��o energ�tica limpa e sustent�vel atrav�s dos avan�os na produ��o de biohidrog�nio a partir do soro de leite. Foram realizados estudos aplicando metodologias estat�sticas descritivas, examinando pr�-tratamentos de substrato, in�culos microbianos e tipos de biorreatores. Entre os resultados encontrados entre os biorreatores investigados, destaca-se o Reator Anaer�bio de Membrana (AnMBR), que se destaca pela sua elevada efici�ncia e reten��o de biomassa. V�rios res�duos org�nicos, como os res�duos agr�colas e o soro de leite, foram considerados fontes potenciais para a produ��o de biohidrog�nio. A fermenta��o anaer�bia escura � eficaz na convers�o do soro em biohidrog�nio, abordando assim o seu tratamento e gerando um valioso produto energ�tico. A otimiza��o de par�metros como o pH, a temperatura e os microrganismos tem sido fundamental para melhorar os rendimentos da produ��o. Embora existam desafios t�cnicos e econ�micos, a produ��o de biohidrog�nio a partir do soro de leite revela-se uma alternativa promissora para a energia sustent�vel e a economia circular na ind�stria dos lactic�nios.
Palavras-chave: Biohidrog�nio; Biorreator AnMBR; Energia sustent�vel; Fermenta��o escura; Soro de leite.
Introducci�n
La creciente demanda energ�tica a nivel global ha incentivado la b�squeda de alternativas sostenibles a los combustibles f�siles. El hidr�geno se perfila como un portador energ�tico prometedor para alcanzar la transici�n energ�tica, que libera agua como �nico subproducto de desecho, sin emisiones de gases de efecto invernadero (Aguay, 2017). Entre las tecnolog�as para producir hidr�geno, la producci�n biol�gica a partir de biomasa es considerada una opci�n atractiva, carbono neutral y ambientalmente amigable (Carrillo, 2021).
Diversos residuos org�nicos pueden servir como materia prima para producir biohidr�geno mediante procesos fermentativos operados por bacterias anaer�bicas, algunos sustratos estudiados incluyen desechos agr�colas, residuos de alimentos, pulpa de caf�, esti�rcol animal, lodos residuales, entre otros (Mendez P. , 2020). El aprovechamiento de estos residuos para generar biohidr�geno conlleva varios beneficios ambientales como: transformaci�n de materiales de desecho en un portador de energ�a limpia, reducci�n de emisiones al evitar la descomposici�n anaerobia de los residuos, y desviaci�n de los residuos de los rellenos sanitarios�(Perdomo, 2023)
Si bien la producci�n biol�gica de hidr�geno a partir de biomasa residual es t�cnicamente factible, a�n existen varios desaf�os que superar para alcanzar rendimientos elevados y desarrollar un proceso econ�micamente viable a gran escala�(Garcia C. , 2018). Por esto, en a�os recientes la investigaci�n se ha enfocado en aumentar el rendimiento de producci�n de hidr�geno a partir de estos sustratos, mediante la optimizaci�n de par�metros operacionales, pretratamientos del sustrato, an�lisis de in�culos microbianos, configuraciones de reactor, entre otros aspectos�(Olmedo, 2022).
La b�squeda de fuentes de energ�a sostenibles y amigable con el ambiente es uno de los desaf�os m�s importantes que enfrenta la sociedad actual por ende, la energ�a 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 biohidr�geno producido a partir de residuos como el suero de leche se enmarca en los principios de la energ�a sostenible debido a que aprovecha estos residuos como fuente de energ�a renovable en lugar de ser desechados o tratados como residuos, reduciendo as� la huella ambiental y contribuyendo a la econom�a circular�(Chillo & Paguay, 2018).
Adem�s, la producci�n de biohidr�geno a partir de suero de leche genera menores emisiones de gases de efecto invernadero en comparaci�n con los combustibles f�siles convencionales, el hidr�geno es un vector energ�tico limpio que, al ser utilizado en celdas de combustible o motores de combusti�n, s�lo produce agua como subproducto�(Centeno, 2018), esto contribuye a la mitigaci�n del cambio clim�tico y a la transici�n hacia un sistema energ�tico sostenible y adaptativo.
Los procesos de fermentaci�n desempe�an un papel crucial en la conversi�n del suero de leche en biohidr�geno, ya que utiliza bacterias fermentativas para descomponer la lactosa y otros compuestos org�nicos presentes en el suero de leche, produciendo biohidr�geno y �cidos org�nicos como subproductos�(Castillo D. , 2020). Este enfoque ha demostrado ser efectivo y ha sido ampliamente estudiado.
Es importante destaca en la producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche no solo contribuye a la generaci�n de energ�a sostenible, sino que tambi�n aborda el problema del tratamiento y disposici�n adecuada de este subproducto l�cteo, reduciendo el impacto ambiental. Adem�s, la investigaci�n y el desarrollo en este campo est�n enfocados en mejorar la eficiencia y la escalabilidad de los procesos, lo que incrementa la viabilidad econ�mica y la sostenibilidad de esta tecnolog�a de avanzada.
En este sentido el objetivo principal de este estudio bibliogr�fico es analizar los avances recientes en la producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche. Se busca comprender los m�todos y tecnolog�as que est�n siendo desarrollados y aplicados en este campo, evaluando su eficiencia, viabilidad y potencial impacto en la transici�n hacia una fuente de energ�a limpia y sostenible. Adem�s, se pretende destacar las perspectivas que esta tecnolog�a ofrece, tanto en t�rminos de su contribuci�n a la reducci�n de desechos org�nicos como en su papel en la diversificaci�n de la matriz energ�tica nacional.
Metodolog�a
El estudio es de tipo bibliogr�fico, requiriendo una investigaci�n detallada, donde se tom� en cuenta publicaciones entre 2017-2024 sobre producci�n biol�gica de biohidr�geno (bioH2) mediante procesos fermentativos a partir de residuos de suero de leche. La b�squeda se realiz� a trav�s de tesis de universidades utilizando combinaciones de palabras clave como �biohidr�geno�, �residuos org�nicos�, �energ�a sostenible�, �fermentaci�n�, �fotofermentaci�n�. Adicional se evaluaron estudios donde se aplicaron metodolog�as estad�sticas descriptivas.
Otros criterios de an�lisis fue el tipo de biorreactor de membrana anaer�bico (AnMBR)., par�metros operacionales examinados (pH, temperatura, tiempo de retenci�n hidr�ulica, tasa de carga org�nica volum�trica), fuente y pretratamiento del in�culo microbiano, t�cnicas de pretratamiento del sustrato, efectos de inhibici�n por sustrato o productos finales y diferentes estrategias propuestas para aliviar esta inhibici�n.
En cuanto a los microorganismos examinados en los diferentes estudios, los g�neros bacterianos reportados fueron Clostridium sp., Enterobacter sp., Bacillus sp. y Thermotoga sp. En algunos estudios tambi�n se evaluaron cultivos mixtos microalgas-bacterias para realizar procesos combinados de fotofermentaci�n y fermentaci�n oscura�(Castillo D. , 2020).
Los inhibidores m�s frecuentemente analizados fueron el �cido ac�tico, but�rico e hidr�geno disuelto�(Chamba, 2022). En cuanto a las t�cnicas de pretratamiento de los sustratos, algunas de las examinadas fueron la cocci�n a presi�n, explosi�n de vapor, ultrasonicaci�n, oxidaci�n h�meda y varios pretratamientos qu�micos alcalinos o �cidos (Jaque E. , 2019).
Esta amplia revisi�n de la literatura permiti� analizar el estado actual y las tendencias futuras en tecnolog�as bio-H2 a partir del suero de leche, con un enfoque de incrementar el rendimiento del proceso fermentativo mediante optimizaci�n de par�metros clave.
Desarrollo de la investigaci�n
Se ha investigado una amplia variedad de residuos org�nicos de diferente origen para producir biohidr�geno mediante procesos de fermentaci�n oscura anaerobia�(Carrillo, 2021). Algunos ejemplos reportados en estudios recientes incluyen:
� Desechos de frutas y hortalizas (c�scaras, bagazos)
� Residuos de cosechas agr�colas (paja de arroz/trigo, hojas de ma�z, cascarillas de soja, bagazo de ca�a de az�car, etc.)
� Pulpa y efluentes de la industria del caf�
� Suero de lecher�a
� Glicerol crudo proveniente de la producci�n de biodiesel
� Esti�rcol animal (vacuno, porcino)
� Lodos cloacales
� Residuos s�lidos urbanos (fracci�n org�nica de RSU)
Seg�n (Jaque J. , 2019) estos materiales lignocelul�sicos y residuos con alto contenido de carbohidratos representan fuentes de carbono econ�micas con potencial para ser convertidas en biohidr�geno, dado su bajo o nulo valor comercial y la facilidad de obtenci�n en grandes vol�menes. (Castillo D. , 2020) menciona que los rendimientos de producci�n de hidr�geno a partir de residuos org�nicos var�an ampliamente en los diferentes estudios seg�n el tipo y concentraci�n de sustrato utilizado, las condiciones experimentales, el tipo de bioreactor, la fuente de in�culo microbiano, entre otros factores.
Diversos estudios han examinado el efecto de distintos par�metros de operaci�n sobre el rendimiento de producci�n de bioH2, incluyendo pH, temperatura, tiempos de retenci�n hidr�ulica y s�lidos, concentraciones de sustrato, co-sustratos, etc (Moreira, 2019). Se ha encontrado que el pH es un factor particularmente cr�tico, con un �ptimo cercano a 5,5 para los procesos de fermentaci�n oscura, temperaturas mesof�licas en el rango de 30-40�C por lo general presentan mejores rendimientos, aunque algunos estudios han examinado condiciones termof�licas�(Chamba, 2022).
Otras investigaciones han examinado el desempe�o de distintos tipos de bacterias acidog�nicas para la producci�n de H2 por fermentaci�n oscura a partir de residuos org�nicos. En general se ha encontrado que las bacterias pertenecientes a los g�neros Clostridium y Enterobacter son preferibles a otros g�neros, dado que presentan cin�ticas favorables para obtener altos rendimientos de H2 (Garcia C. , 2018).
Tambi�n se han estudiado la aplicaci�n de cultivos mixtos y consorcios microbianos, incluyendo sistemas combinados de microalgas y bacterias en procesos h�bridos luz-oscuridad (Chamba, 2022). La ventaja de estos sistemas es que las microalgas producen O2 mediante fotos�ntesis, el cual es luego utilizado por las bacterias para oxidar m�s eficientemente los sustratos org�nicos, mejorando de esta manera los rendimientos de producci�n de H2. Una gran variedad de estrategias se encuentra en estudio para intentar aumentar los rendimientos de producci�n biol�gica de H2 a partir de residuos org�nicos mediante fermentaci�n oscura anaerobia�(Olmedo, 2022).
El suero de leche es un residuo l�quido generado en grandes vol�menes durante la elaboraci�n de productos l�cteos como el queso. Contiene una alta carga org�nica debido a su contenido en lactosa, prote�nas y materia grasa�(Rodas, 2020). Hist�ricamente, la gesti�n inadecuada de este residuo ha causado problemas de contaminaci�n. Sin embargo, el suero puede ser aprovechado como materia prima para la producci�n de biohidr�geno mediante digesti�n anaerobia.
(Grocel, 2017) menciona, que dicho proceso se basa en el empleo de bacterias anaerobias capaces de convertir los componentes org�nicos del suero en hidr�geno gaseoso (H2), a trav�s de reacciones bioqu�micas, diversas cepas bacterianas han mostrado resultados prometedores utilizando el suero como sustrato, entre ellas Clostridium, Enterobacter y Bacillus. Mediante ingenier�a metab�lica tambi�n se han modificado bacterias para mejorar su rendimiento en la producci�n de H2 a partir de lactosa.
En la actualidad se ha propuesto nuevos sistemas de reactores que integran la fermentaci�n oscura para incrementar el rendimiento en la conversi�n del suero a hidr�geno. Asimismo�(Luna & Velasco, 2022), se est�n ensayando consorcios bacterianos definidos para aprovechar las rutas metab�licas complementarias de m�ltiples especies microbianas, tambi�n se explora el acoplamiento con celdas de combustible microbianas para la cogeneraci�n de electricidad.
(Buri, 2020) acota sobre los desaf�os t�cnicos para la implementaci�n a gran escala de esta biotecnolog�a para la producci�n de energ�a limpia, la producci�n de biohidr�geno a partir de suero de leche se posiciona como una alternativa prometedora para dar valor a este residuo org�nico, el biohidr�geno generado podr�a utilizarse como combustible limpio o materia prima sostenible, contribuyendo a la transici�n energ�tica y la econom�a circular en la industria l�ctea y energ�tica�(Carrillo, 2021).
Seg�n (Chillo & Paguay, 2018) el proceso de producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche, se pueden utilizar varios tipos de biorreactores dependiendo del enfoque y la configuraci�n del proceso. Algunos de los biorreactores com�nmente empleados son:
1. Biorreactor anaer�bico de agitado tanque (CSTR): Este tipo de biorreactor se utiliza ampliamente en la fermentaci�n oscura para la producci�n de biohidr�geno, el suero de leche y el in�culo microbiano se mezclan y mantienen en condiciones anaer�bicas con agitaci�n constante�(Monta�o, 2018).
2. Biorreactor de lecho empacado anaer�bicoco (AnPBR): Este biorreactor contiene un material de soporte inerte, como piedra, vidrio o pl�stico, que proporciona una superficie para la adherencia de las bacterias productoras de hidr�geno�(Castillo D. , 2020). El suero de leche se hace circular a trav�s del lecho empacado, permitiendo una mayor concentraci�n de biomasa y tiempos de retenci�n m�s prolongados.
3. Biorreactor de membrana anaer�bico (AnMBR): En este sistema, el biorreactor se fusiona con una unidad de separaci�n por membranas, lo que permite una mayor retenci�n de biomasa y una mejor separaci�n de los productos�(Chillo & Paguay, 2018), este m�todo� es �til para procesos en dos etapas, donde la primera etapa es la fermentaci�n oscura y la segunda etapa es la fermentaci�n fotosint�tica.
4. Biorreactor de fotobiorreactor (PBR): Este biorreactor se utiliza en la fermentaci�n fotosint�tica, donde las bacterias fotofermentativas requieren luz para producir biohidr�geno�(Carrillo, 2021), los mismos que puede tener diferentes dise�os, como tubular, de placa plana o de panel, y est� dise�ado para maximizar la exposici�n a la luz.
5. Biorreactor de membrana de fibra hueca (HFMR): Este biorreactor combina un m�dulo de membrana de fibra hueca con una c�mara de fermentaci�n, el suero de leche se bombea a trav�s de las fibras, mientras que las bacterias productoras de hidr�geno se mantienen en la c�mara de fermentaci�n, lo que permite una separaci�n eficiente del biohidr�geno producido�(Chamba, 2022).
Resultados
La selecci�n del biorreactor adecuado depender� de factores como el enfoque de producci�n (fermentaci�n oscura, fotosint�tica o sistemas de dos etapas), la escala de operaci�n, los requisitos de transferencia de masa y las caracter�sticas del sustrato y los microorganismos empleados. Adem�s, se deben considerar aspectos como el dise�o, los materiales de construcci�n, la facilidad de operaci�n y los costos asociados.
De acuerdo con los avances recientes y los estudios realizados, el biorreactor m�s efectivo para la producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche es el biorreactor de membrana anaer�bico (AnMBR).
Seg�n los autores� (Chillo & Paguay, 2018)� el biorreactor de membrana anaer�bico (AnMBR) ha demostrado ser una opci�n prometedora y efectiva por varias razones:
La retenci�n de biomasa el AnMBR permite una mayor retenci�n de la biomasa microbiana productora de hidr�geno dentro del reactor, esto se obtiene mediante la separaci�n por membranas, lo que evita el lavado de los microorganismos y mantiene una alta concentraci�n de biomasa activa�(Yanez, 2017). Adem�s, su alcance mantiene una alta concentraci�n de biomasa, que puede alcanzar una mayor productividad de biohidr�geno en comparaci�n con otros biorreactores convencionales (Bu�ay & Sanungna, 2019). Adicional el AnMBR es adecuado para sistemas de producci�n de biohidr�geno en dos etapas, en la primera etapa, se lleva a cabo la fermentaci�n oscura en condiciones anaer�bicas, mientras que en la segunda etapa se realiza la fermentaci�n fotosint�tica con bacterias fotofermentativas.�(Chillo & Paguay, 2018)
Por otra parte, el AnMBR permite un control preciso del tiempo de retenci�n celular (TRC) y del tiempo de retenci�n hidr�ulica (TRH), lo que facilita la optimizaci�n del proceso y la estabilidad operativa, las membranas del AnMBR permiten una separaci�n eficiente del biohidr�geno producido y otros subproductos, facilitando la recolecci�n y purificaci�n posteriores�(Chillo & Paguay, 2018).
Varios estudios han reportado rendimientos de biohidr�geno m�s altos utilizando el biorreactor de membrana anaer�bico en comparaci�n con otros sistemas (Chalota & Mora, 2017). Por ejemplo, un estudio reciente obtuvo una productividad de biohidr�geno de 5.2 L H2/L/d�a 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 dise�o del reactor, las condiciones operativas, el tipo de membranas utilizadas y los aspectos econ�micos asociados (Remache, 2018), por lo que se requiere continuar con la investigaci�n cient�fica para lograr una implementaci�n a gran escala y una viabilidad econ�mica mejorada.
Conclusiones
La producci�n de biohidr�geno a partir de residuos org�nicos, como el suero de leche, representa una alternativa ambientalmente sostenible y econ�micamente viable para generar energ�a limpia y de bajo impacto ambiental, ya que diversos avances tecnol�gicos han permitido optimizar este proceso, destac�ndose el uso del biorreactor de membrana anaer�bico (AnMBR) por su alta eficiencia y productividad.
A pesar de los progresos alcanzados, a�n existen desaf�os t�cnicos, econ�micos, sociales y ambientales, que deben superarse para lograr una implementaci�n a gran escala de la producci�n de biohidr�geno a partir del suero de leche, tomando en cuenta el requerimiento necesario para continuar con la investigaci�n y optimizaci�n de los procesos y el dise�o del biorreactor.
El aprovechamiento del suero de leche para la producci�n de biohidr�geno contribuye la generaci�n de energ�a renovable, adicional una correcta gesti�n integral del residuo org�nico, reduciendo su impacto ambiental, por ende, esta tecnolog�a se posiciona como una alternativa prometedora que puede impulsar la transici�n hacia una matriz energ�tica m�s sostenible y fomentar la econom�a circular en la industria l�ctea.
Referencias
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