Fermentación oscura: hidrógeno a partir de residuos orgánicos – rendimiento y limitaciones

La fermentación oscura es un proceso anaerobio en el que las bacterias descomponen los azúcares de la biomasa o de los residuos orgánicos en hidrógeno, dióxido de carbono y ácidos orgánicos, sin intervención de la luz. A diferencia de la fermentación metanogénica clásica, el proceso se detiene en la etapa de acidogénesis: se forman ácidos volátiles (acético, butírico) y no se produce metano, porque los metanógenos están inhibidos. Teóricamente, de 1 mol de glucosa pueden obtenerse como máximo 4 moles de H₂ (ruta del acetato), pero en la práctica los rendimientos son varias veces inferiores, por lo que la tecnología sigue en fase de investigación y de proyectos piloto.

Química del proceso

Dos rutas metabólicas principales:

• Ruta del acetato: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂ (máx. 4 moles de H₂/mol de glucosa).
• Ruta del butirato: C₆H₁₂O₆ → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ (2 moles de H₂/mol de glucosa).

En los cultivos mixtos reales se forma un conjunto de productos (acetato, butirato, etanol, lactato) y el rendimiento de hidrógeno suele situarse entre 1 y 2,5 moles de H₂ por mol de hexosa. La formación de propionato o de lactato reduce el rendimiento todavía más.

Microorganismos

De la producción de hidrógeno son responsables principalmente las bacterias del género Clostridium (capaces de formar esporas) y las enterobacterias (p. ej., Enterobacter). En los cultivos mixtos de lodo se aplica un tratamiento del inóculo, como un calentamiento breve o una reducción del pH, para eliminar los metanógenos y las bacterias consumidoras de hidrógeno, y conservar las bacterias esporuladas.

Parámetros del proceso

Es fundamental mantener una presión parcial de hidrógeno baja; un exceso de H₂ en la disolución desplaza el metabolismo hacia los ácidos e inhibe la producción de hidrógeno. La agitación intensa o el barrido con un gas inerte mejoran el rendimiento, pero complican la depuración.

Subproductos

La fermentación oscura aprovecha solo una parte de la energía del sustrato. El residuo (ácidos grasos y alcoholes) contiene la mayor parte de la energía y debe aprovecharse: en una segunda etapa de digestión anaerobia (sistema de dos fases), en la fotofermentación o en celdas de electrólisis microbiana. Por este motivo, el proceso rara vez se considera de forma independiente; resultan más razonables los sistemas híbridos.

Ejemplo de cálculo

Supuestos: el suero de leche de una lechería contiene 45 g/l de lactosa (disacárido de ~342 g/mol); para simplificar, suponemos que tras la hidrólisis rinde 2 moles de hexosa por mol de lactosa. Por cada 1 m³ de suero: 45 kg de lactosa son 45.000 g / 342 g/mol ≈ 131,6 moles, es decir, aprox. 263 moles de hexosa. Con un rendimiento de 1,5 moles de H₂/mol de hexosa: ≈ 395 moles de H₂ ≈ 0,79 kg de H₂ ≈ 8,9 m³ de H₂ (condiciones normales, 22,4 l/mol). La energía de este hidrógeno (PCI 33,3 kWh/kg) es de aprox. 26 kWh por m³ de suero. A modo de comparación, el mismo suero en la digestión anaerobia daría muchas veces más energía en forma de metano, porque aprovecha toda la materia orgánica. El cálculo ilustra por qué la fermentación oscura suele ser la primera etapa y no el proceso completo.

Madurez tecnológica

Los procesos de fermentación oscura se han ensayado en laboratorios y en instalaciones piloto de distintas escalas. Las principales barreras son: los bajos rendimientos, la inestabilidad de los cultivos mixtos, los costes de depuración de la mezcla de gases (H₂/CO₂ y, a veces, trazas de H₂S) y una economía que compite con la electrólisis y el reformado. Por ello debe tratarse como una tecnología en desarrollo y no como una solución comercial lista para usar.

Dónde tiene sentido

• en plantas de procesado de alimentos con corrientes homogéneas de azúcares (suero de leche, orujos, melaza);
• como elemento de una digestión en dos fases H₂+CH₄ (el denominado biohythane), en la que la primera etapa mejora la hidrólisis;
• en proyectos de investigación de biorrefinerías en los que los ácidos son la materia prima para otros productos.

Depuración del biogás de hidrógeno

El gas de la fermentación oscura contiene normalmente entre 30 y 60 % de H₂ (el resto es principalmente CO₂), con una mezcla de sulfuro de hidrógeno y vapor de agua. La separación del hidrógeno con calidad de combustible requiere adsorción (PSA), membranas o lavadores, y la compresión y el almacenamiento del hidrógeno consumen energía adicional. Esta parte de la cadena suele omitirse en las publicaciones que se centran en el rendimiento del reactor y, en el análisis económico, puede ser tan importante como el propio biorreactor.

Resumen

La fermentación oscura es una vía interesante que permite aprovechar residuos ricos en carbohidratos para producir hidrógeno sin intervención de la luz (aunque la instalación requiere energía auxiliar), pero su rendimiento limitado y la necesidad de aprovechar los ácidos hacen de ella, por ahora, una tecnología de investigación y un elemento de sistemas híbridos.