PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE LA FERMENTACIÓN OSCURA DEL SUERO DE QUESO
Susana Mejía Aguilera - Angela Clemencia Núñez - Paula Pulido Franco - Paola Pulido Porras - María Fernanda Prieto - Andrés Mauricio Vargas
Seminario Proyecto de Grado - Universidad de La Sabana
- Pregunta de investigación
¿Cómo evaluar el efecto de la concentración inicial de glucosa en la tasa de formación de Hidrógeno, así como el rendimiento del proceso de fermentación oscura de suero de queso para producir energía?
- Justificación
El uso de combustibles fósiles para generar energía es un problema medioambiental que se está tratando de reducir. Para ello, se está investigando la producción de hidrógeno, pero los procesos que se han llevado a cabo hasta ahora son procesos químicos demasiado costosos, mientras que mediante la fermentación es mucho más viable dado que no se requieren condiciones extremas y las materias primas son provenientes de desechos con costos muy reducidos, en este caso, el suero del queso el cual es el residuo primario en la industria de producción quesera. El sustrato seleccionado, con un previo tratamiento para convertirlo en polvo, favorece el proceso de fermentación dado que contiene 5,6% w/v de carbohidratos y un bajo porcentaje lactosa, lo cual promueve la reducción de costos en cuanto a procesos de separación.
- Objetivos
3.1 Investigar la producción de hidrógeno gaseosa a partir de suero de queso en polvo mediante fermentación oscura a 55ºC
3.2 Analizar el efecto de la concentración inicial de azúcar (sustrato) en el porcentaje de rendimiento y la velocidad de producción del hidrógeno gaseoso
3.3 Determinar la concentración inicial de azúcar que genere el mayor rendimiento y la más alta velocidad de reacción
- Mapa conceptual del estado del arte
- Mapa conceptual del marco teórico
- Hipótesis
6.1 Si la concentración inicial de sustrato es máxima, entonces la fermentación será la más eficiente.
6.2 A mayor tiempo de fermentación, mayor producción de hidrógeno gaseoso.
6.3 El pH tiene un efecto relevante en la fermentación oscura usando como sustrato el suero de queso en polvo.
- Diseño experimental
Puesto que el objetivo principal de la investigación fue determinar la concentración inicial óptima de azúcares para la producción de hidrógeno y por tanto el rendimiento de la fermentación, se estudió el efecto de diversas variables sobre el proceso, indicando de esta manera las condiciones adecuadas para llevarlo a cabo. Durante la experimentación se realizó un tratamiento específico de las variables presentadas en la tabla 1, teniendo en cuenta dos condiciones iniciales fijas durante la totalidad de la investigación, las cuales corresponden al volumen inicial del tanque de fermentación (0, 15 L) y la cantidad inicial de biomasa (1 g/L).
Tabla 1. Variables de proceso estudiadas durante la investigación.
Variables
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Notación
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Unidades
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Rango de valor
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Formación de H2
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CHF
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mL
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0 - 300
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Concentración inicial sustrato
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TSinicial
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g/L
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5,2 – 28,5
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Concentración final sustrato
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TSfinal
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g/L
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0 – 2,9
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Tiempo de fermentación
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T
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h
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0 - 500
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Tasa de Producción de H2
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R H2
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mL/h
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0 – 2,55
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pH
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-
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-
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0 – 5,5
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Potencial de oxidación - reducción
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ORP
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mV
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-100 – 53
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Rendimiento de H2
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Y H2
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mL H2 * g-1 TS
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0 – 140
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Tasa de producción específica de H2
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SHPR
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mL H2 *h-1 g-1 Biomasa
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0 – 4,5
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El diseño experimental de la investigación se basó en una serie de cinco tratamientos de los datos obtenidos, por medio del estudio sistemático del efecto de las variables independientes sobre las variables dependientes de la siguiente forma:
7.1. Variación de la formación de hidrógeno (CHF) con respecto al tiempo
Para diferentes concentraciones de azúcar TSinicial (variable independiente) se determinó la cantidad de hidrógeno formado (variable dependiente) a diferentes tiempos; de esta manera no sólo se determinó la concentración óptima de glucosa (20 g/L) sino que simultáneamente el tiempo de fermentación a esta condición dada (360 h).
La determinación de estos valores permitió establecer estas variables de operación para posteriores estudios.
7.2. Variación de concentración TSfinal con el tiempo
Al igual que la variable dependiente anterior, a diferentes tiempos fue determinado el efecto de la concentración de azúcar inicial en la concentración de azúcar final obtenida, con el fin de comparar el consumo de sustrato entre experimentos por medio de la evaluación del tiempo de consumo total de glucosa. Al mismo tiempo, a partir de este tratamiento, se determinó la máxima tasa de producción de hidrógeno (R H2) cuyo valor fue de 2,55 mL/h, variable dependiente de la concentración inicial TS.
7.3. Variación de pH y ORP con el tiempo
Una vez conocida la concentración TSinicial óptima, a esta condición se estudia la variación de pH con el tiempo y a su vez, la variación de ORP con el cambio de pH.
7.4. Variación del rendimiento de hidrógeno (Y H2) con la concentración TSinicial
La variable dependiente en este caso es función de la formación de hidrógeno (CHF) y la concentración final e inicial del sustrato (variable independiente). El procedimiento se estudia para el volumen inicial de fermentación estipulado inicialmente.
7.5. Variación de la producción específica de hidrógeno (SHPR) con la concentración inicial de sustrato TS.
Esta variable dependiente es función del tiempo de fermentación en condiciones óptimas (360 h) determinado anteriormente, volumen inicial de fermentación y concentración inicial de biomasa (valores constantes durante la investigación) y finalmente, de la tasa global de formación de hidrógeno (mL/h).
A partir de lo anterior es posible afirmar que el diseño experimental consistió en el estudio del rendimiento del hidrógeno producido y la tasa de producción de H2 como función de las variables: pH, concentración final de sustrato y tiempo de fermentación; las cuales a su vez, dependen de la concentración de sustrato inicial como única variable independiente en el proceso de fermentación oscura.
