Biohythane: digestión en dos etapas que produce hidrógeno y metano a partir de un solo sustrato

El biohythane es una mezcla de gases procedente de la digestión en dos etapas, que contiene tanto hidrógeno como metano. En el primer reactor, mantenido a un pH bajo (normalmente de aprox. 5–6,5) y con un tiempo de retención hidráulica (TRH) corto, las bacterias producen hidrógeno, CO₂ y ácidos orgánicos; en el segundo reactor, las arqueas metanógenas transforman los ácidos en metano. La recuperación total de energía del sustrato puede ser mayor que en la digestión de una etapa, y un gas con mayor contenido de hidrógeno tiene propiedades de combustión favorables. En la práctica, el sistema sigue en fase de investigación y de pilotos, con dificultades para encontrar un mercado para un gas de composición variable.

Por qué dos etapas

En la fermentación metanogénica convencional, la hidrólisis, la acidogénesis y la metanogénesis tienen lugar en un único digestor, lo que exige un compromiso de condiciones (pH aproximadamente neutro, temperatura). La separación de las etapas permite mantener parámetros óptimos para cada grupo de microorganismos:

• etapa 1: pH 5–6,5, TRH de unas pocas a varias decenas de horas, cultivos acidógenos y productores de hidrógeno;
• etapa 2: pH 7–8, TRH de días a semanas, cultivos metanógenos.

Gracias a ello, la primera etapa puede acelerar la degradación de los sustratos fácilmente asimilables, y la segunda aprovecha los ácidos de la primera, lo que mejora la estabilidad del proceso (menor riesgo de acidificación).

Composición del gas

El gas de la primera etapa contiene normalmente un 30–60 % de H₂ en mezcla con CO₂; el gas de la segunda etapa es un biogás típico con un 55–65 % de CH₄. La mezcla de estas corrientes o su aprovechamiento por separado da un biohythane cuyo contenido de hidrógeno depende de la proporción. En la bibliografía sobre el “hythane” se habla de mezclas de entre una docena y veinte por ciento de hidrógeno en metano, empleadas en motores para reducir las emisiones; en el caso del biohythane, el contenido de hidrógeno suele ser menor y variable.

Balance de energía (ejemplo)

Supuestos: 1 t de residuo de frutas y hortalizas con un contenido de 100 kg de sólidos volátiles (SV) y un BMP de 400 NmL CH₄/g SV produce en la digestión de una etapa 40 m³ de CH₄ (400 mL/g × 100.000 g = 40.000 L). Energía: 40 × 9,97 ≈ 399 kWh. En el sistema de dos etapas, una parte de los SV (p. ej., el 30 %) se destina a hidrógeno y ácidos; supongamos un rendimiento de hidrógeno de 1,5 mol por mol de hexosa para la fracción azucarada (supongamos que 30 kg de SV son azúcares): 30.000 g / 180 g/mol ≈ 167 mol de hexosa → 250 mol de H₂ ≈ 5,6 m³ de H₂ ≈ 16,8 kWh. El metano de la segunda etapa aprovechará los ácidos restantes y el resto del sustrato, por lo que la energía total depende del equilibrio del balance. En la bibliografía, los resultados para los sistemas de dos etapas indican una recuperación de energía de entre varios y una docena de por ciento superior a la de los de una etapa, pero mucho depende del sustrato. El ejemplo ilustra la escala, no un pronóstico.

Ventajas

1. Mayor recuperación de energía para sustratos fácilmente asimilables (residuos alimentarios, suero de leche).
2. Mejor control de los ácidos volátiles, menor riesgo de sobrecarga.
3. Posibilidad de separar el hidrógeno como producto o como aditivo del combustible.
4. Acortamiento del tiempo de digestión en la segunda etapa en algunos sistemas.

Limitaciones

1. Dos reactores aumentan el CAPEX y la complejidad.
2. La primera etapa es sensible a la contaminación por metanógenos y por bacterias que consumen hidrógeno.
3. El hidrógeno está diluido en CO₂, por lo que su separación requiere etapas adicionales.
4. El mercado del biohythane es de nicho; en la práctica, el gas suele quemarse en la CHP o purificarse junto con el biogás.
5. La escasez de instalaciones comerciales dificulta la evaluación de los costes.

Aplicaciones

En instalaciones de investigación y piloto, el biohythane se ha utilizado para alimentar motores y autobuses en programas de demostración. En una planta de biometano típica, el sistema de dos etapas puede considerarse con sustratos de alto contenido de azúcares fácilmente degradables, pero primero hay que verificar si la ganancia energética cubre los costes adicionales.

Cómo evaluar un piloto

Un piloto de digestión en dos etapas debe durar lo suficiente (meses), abarcar sustratos reales y variables y medir no solo el rendimiento de hidrógeno, sino también el rendimiento total de energía, la estabilidad del pH, el consumo de energía propia y los costes de depuración del gas. Una buena práctica es la comparación con un sistema paralelo de una etapa con el mismo sustrato. Solo esa comparación permite evaluar si compensa el reactor adicional y evitar conclusiones basadas en pruebas breves en condiciones de laboratorio.

Resumen

El biohythane es una idea interesante para mejorar el aprovechamiento de la energía y la estabilidad del proceso, pero sigue siendo una tecnología de investigación. En proyectos comerciales debe tratarse como una opción que probar en un piloto, y no como una solución ya lista.