PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO Y METANO A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS.

Procedimiento para la obtención de hidrógeno y metano a partir de residuos orgánicos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno y metano a partir de residuos orgánicos en presencia de microorganismos facultativos y anaerobios estrictos capaces de generar hidrógeno a partir de los residuos, obteniéndose un licor en el que ha aumentado el contenido de ácidos grasos volátiles; y una segunda etapa, que comprende introducir este licor en un segundo reactor, para tratar la suspensión fermentada y convertir los ácidos orgánicos volátiles en metano mediante la acción de cultivos metanogénicos, obteniéndose como resultado dióxido de carbono y metano que se retiran, junto con una corriente líquida, de cual una fracción se recircula al primer reactor y una corriente efluente final se extrae del sistema.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031457.

Solicitante: ENDESA, S. A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GOMEZ BARRIOS,XIOMAR, MORAN PALAO,ANTONIO, REDONDAS MONTESERIN,VANESSA.

Fecha de Publicación: 5 de Octubre de 2012.

Clasificación Internacional de Patentes:

B09B3/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B09 ELIMINACION DE DESECHOS SOLIDOS; REGENERACION DE SUELOS CONTAMINADOS. › B09B ELIMINACION DE DESECHOS SOLIDOS. › Destrucción de desechos sólidos o su transformación en algo útil o no nocivo.
C01B3/02 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 3/00 Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J). › Producción de hidrógeno o de mezclas gaseosas que contienen hidrógeno.
C08J11/00 C […] › C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES. › C08J PRODUCCION; PROCESOS GENERALES PARA FORMAR MEZCLAS; TRATAMIENTO POSTERIOR NO CUBIERTO POR LAS SUBCLASES C08B, C08C, C08F, C08G o C08H (trabajo, p. ej. conformado, de plásticos B29). › Recuperación o tratamiento de residuos (tratamientos mecánicos B29B 17/00; procesos de polimerización en los que interviene una purificación o un reciclo de residuos polímeros o de sus productos de despolimerización C08B, C08C, C08F, C08G, C08H).
C12P3/00 C […] › C12 BIOQUIMICA; CERVEZA; BEBIDAS ALCOHOLICAS; VINO; VINAGRE; MICROBIOLOGIA; ENZIMOLOGIA; TECNICAS DE MUTACION O DE GENETICA. › C12P PROCESOS DE FERMENTACION O PROCESOS QUE UTILIZAN ENZIMAS PARA LA SINTESIS DE UN COMPUESTO QUIMICO DADO O DE UNA COMPOSICION DADA, O PARA LA SEPARACION DE ISOMEROS OPTICOS A PARTIR DE UNA MEZCLA RACEMICA. › Preparación de elementos o compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico.
C12P5/02 C12P […] › C12P 5/00 Preparación de hidrocarburos. › acíclicos.

PDF original: ES-2388025_A1.pdf

Fragmento de la descripción:

Procedimiento para la obtención de hidrógeno y metano a partir de

residuos orgánicos

La presente invención se refiere a un método de tratamiento de residuos orgánicos que sirven para obtener gases, tales como hidrógeno y metano, así como un producto con una mayor estabilidad bioquímica.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Los procesos de producción de hidrógeno por vía biológica son recientes y abren un nuevo campo de desarrollo tecnológico. Entre los procesos de producción de hidrógeno por vía biológica se encuentra la biofotólisis directa o indirecta, la foto-fermentación, la producción a partir de la reacción de electrólisis del agua "water-shift" por vía biológica y la fermentación oscura. Entre todos estos procesos, es el proceso de fermentación oscura el que actualmente presenta las mayores posibilidades de desarrollo, dado que los rendimientos conseguidos hasta el momento son muy superiores a cualquiera de los procesos anteriores. Bajo condiciones mesofílicas los rendimientos reportados por distintos autores varían entre 8 y 120 m mol H2/ (lxh) (Lindblad et al., lnt J Hvdrogen Enerqv 2002, 27 p. 1297-302.) . En contraposición, los rendimientos obtenidos para cualquiera de los otros procesos biológicos varían entre 0, 07-0, 36 m mol H2/ (lxh) (Melis, lnt J Hvdrogen Energv. 2002, 27:1217-28) a excepción del proceso biológico "water-shift" cuyo rendimiento reportado por Zhu et al. (en lnt. J. Hydrogen Energy, (2002) 27:1349-58) es de 96 mmol H2/ (lxh) .

Kim, S-H, et al. (en lnt J Hvdrogen Enerqv. 29 (15) :1607-16 (2004) ) estudiaron para sistemas discontinuos el proceso de producción de hidrógeno por ca-fermentación de residuos sólidos urbanos y lodos de depuradora, a varias concentraciones de sólidos volátiles y distintas proporciones de mezcla. Las conclusiones más importantes a las que llegaron fueron: el potencial de producción de hidrógeno es mayor en el caso de residuos sólidos urbanos que en los lodos de depuradora; la adición de un porcentaje de 13-19% de lodos de depuradora en los residuos sólidos urbanos, puede aumentar la producción de hidrógeno.

Además, de los altos rendimientos obtenidos en la producción de hidrógeno por fermentación oscura, la ventaja adicional que presenta el proceso es que no depende de fuentes de luz externa y, por lo tanto, no se requiere que el licor en el que están presentes los microorganismos sea transparente, además en el caso de cultivos mixtos no se requiere la esterilización previa del material utilizado como substrato, lo que hace que ésta técnica sea ideal para el tratamiento de biomasa residual.

El proceso biológico de producción de hidrógeno se fundamenta principalmente en la presencia de una enzima productora de hidrógeno. Se cree que la cantidad o la actividad inherente a esta enzima limita la conversión en el proceso global.

La mayoría de la conversión microbiológica de hidrógeno se deriva del metabolismo anaerobio del piruvato formado durante el catabolismo de varios substratos. La fermentación anaerobia o fermentación oscura, como también se le conoce al proceso de producción de hidrógeno por vía anaerobia, permite conseguir rendimientos cercanos a 2-3 moles de hidrógeno por mol de glucosa (Hallenbeck y Benemann, lntJ Hvdrogen Energv, 2002 27 (11-12) :1185-93) .

En el caso de la obtención de hidrógeno por vía anaerobia, el proceso es muy similar al ya conocido de digestión anaerobia. Las bacterias fermentativas productoras de hidrógeno pueden ser cultivadas como cultivos puros o cultivos mixtos y se pueden obtener a partir del inóculo proveniente de sistemas de conversión anaerobia, del compost o del suelo. El proceso anaerobio convencional puede ser dividido en dos etapas: acidificación y producción de metano. Cada etapa se lleva a cabo por un número de microorganismos diferentes a través de interacciones sintróficas. La acidificación produce

hidrógeno como subproducto, el cual a su vez es utilizado como donante de electrones por muchos metanógenos en la segunda etapa del proceso. Sin embargo, el hidrógeno en sí mismo tiene un alto valor comercial. Puede ser interesante extraer el hidrógeno producido en la primera etapa del proceso y 5 dejar los sub-productos generados en la primera etapa (ácidos grasos volátiles) para ser convertidos a metano en una etapa subsiguiente. Sin embargo, una primera etapa para la producción de hidrógeno durante el proceso de acidificación involucra por tanto el control del pH en el primer reactor mediante la adición de alcalinidad al sistema, tornándose este aspecto en una 1º desventaja. La producción de energía eléctrica mediante motores de ca-generación permite el aprovechamiento de 1/3 de la energía total contenida en el biogás de digestión anaerobia (metano y dióxido de carbono) . En el caso de las pilas de 15 combustible el aprovechamiento energético en términos de electricidad producida se ve aumentado. Así, en el caso de la utilización de pilas de combustibles alimentadas por hidrógeno se estima un aprovechamiento entre el 55-60% en producción de energía eléctrica (Vijayaraghavan y Soom, Enviran Sci. 2006 3 (4) :255-71 ) . Esto hace que la producción de hidrógeno por esta vía 20 sea un objetivo muy interesante. Otra dificultad añadida al proceso de generación de hidrógeno por vía biológica radica en la obtención de un inóculo productor de hidrógeno a escala industrial. El uso de cultivos mixtos procedentes de inóculos de sistemas de digestión 25 anaerobia es factible para generar hidrógeno a partir de residuos no estériles a gran escala. Los lodos de depuradora, compost, muestras de suelo, etc., han sido utilizados para proporcionar inóculos para la producción de hidrógeno (Horiuchi et al., 2002 Bioresour. Technol., 82:209-13) , con la aplicación de diferentes pre-tratamientos, como el calentamiento (Logan et al., 2002 Enviran. 30 Sci. Technol., 36:2530-35) y la acidificación del inóculo (Chen et al., 2002 ~

Microbio/. Biotechnol .. 58:224-28; Lin and Chou, 2004 Eng. Lite Sci.. 4 (1 ) :66-

70) , para obtener bacterias anaerobias formadoras de esporas (tales como

especies de Clostrídíum spp.) .

La eliminación de las etapas de pre-tratamiento para el inóculo permite facilitar la implementación de la fermentación oscura en las plantas de digestión anaerobia ya existentes. A este respecto, pueden utilizarse cultivos mixtos procedentes de sistemas de digestión anaerobia como inóculos y que incluyen microorganismos anaerobios estrictos (especies de Clostrídíum spp.) y microorganismos anaerobios facultativos productores de hidrógeno. Estos últimos son especies de los géneros Enterobacter spp. o Bacíllus spp. que pueden obtener energía tanto por respiración (en presencia de oxígeno) como por fermentación (en ausencia de oxígeno) produciendo en este ultimo caso hidrógeno.

La heterogeneidad genética de poblaciones durante la producción de hidrógeno a partir de inóculos mixtos ha sido estudiada por diferentes autores (Fang et al., 2002, Bíotechnol Bíoeng, 78:44-52; Ki m et al., 2006 Process Bíochemístrv. 41 :199-207; Jo et al., 2007 Bíotech.. 131 (3) :300-08) . En estos consorcios de microorganismos, además de microorganismos productores de hidrógeno, se ha detectado la presencia de microorganismos pertenecientes a géneros tales como, Lactobacíllus spp. y Enterococcus spp. entre otros, cuyo metabolismo fermentativo no produce hidrógeno libre. Sin embargo, se trata de microorganismos que poseen gran variedad de genes que codifican diversas rutas hidrolíticas y cuyo papel principal es la capacidad de hidrolizar compuestos complejos a otros fácilmente asimilables por las bacterias productoras de hidrógeno, estableciéndose una relación sintrófica entre todos los microorganismos presentes en el fermentador.

Por otra parte se han descrito diversas tecnologías para la producción de hidrógeno por vía anaerobia fermentativa en documentos de patente. Algunos de estos documentos se centran en la tecnología del digestor (US2005009159-A 1) como en el uso de reactores de membranas que utilizan biopelículas adherido a estas (US7083956B2) , y otros se refieren a la configuración del proceso o a los microorganismos utilizados en él (US2005009159-A1, US5834264; US5705374) . También se han presentado patentes asociadas al proceso... [Seguir leyendo]

Reivindicaciones:

1. Procedimiento de producción de hidrógeno y metano que comprende: a) hidrólisis en un reactor en condiciones mesófilas de una suspensión acuosa de bioresiduos triturados con porcentaje en peso de sólidos de entre el 2 y el 15%, b) captura de la corriente gaseosa que comprende H2 y C02 obtenida en la hidrólisis de la etapa (a) , e) metanogénesis del efluente no gaseoso obtenido en (a) en otro reactor en condiciones mesófilas, d) captura de la corriente gaseosa que comprende CH4 y C02 obtenida en la metanogénesis de la etapa (e) , e) separación del efluente no gaseoso procedente de la etapa (e) , y f) recirculación del sobrenadante obtenido en la etapa (e) al reactor de

la etapa (a) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la etapa (a) se realiza a un pH entre 4, 5 y 6, 5.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde la etapa (a) se realiza con tiempos de retención menores a 3 días.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el efluente no gaseoso obtenido en la etapa (a) comprende al menos un ácido orgánico que se selecciona de entre ácido acético, ácido butírico, ácido caprótico o cualquiera de sus combinaciones.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la metanogénesis de la etapa (e) se realiza con tiempos de retención mayores a 15 días.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la separación de la etapa (e) se realiza por un método que se selecciona de entre sedimentación, filtración mediante membranas, división del efluente o cualquiera de sus combinaciones.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la temperatura de las etapas (a) y (e) es de entre 30 a 40 ºC.

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