PRODUCEREA ECOLOGICĂ A HIDROGENULUI PE CALE

FERMENTATIVĂ

Luparu Dorian

Student MSMSA an I

Hidrogenul molecular este o sursă de energie sustenabilă, neconvenţională şi viabilă.

Acest articol rezumă cercetările asupra producerii hidrogenului prin tratarea apei uzate, referindu-se la substanța pentru inoculare, pretratare şi condiţiile de operare ale reactorului.

Procesul este evaluat şi discutat prin intermediul descrierii procedeelor de pretratare aplicate asupra culturilor anaerobe amestecate pentru a îmbogăţi selectiv culturile acidogene, prin descrierea pH-ului de operare a timpului de retenţie şi tipului de apă uzată ca substrat.

Rezumat

Cuvinte cheie

Culturi amestecate Timp de retenţie hidraulic Rată de încărcare a substratului Tratarea apelor uzate Combustibili neconvenţionali Biofotoliza Acetogeneza Metanogeneza Bioreactor

Introducere

Capturarea energiei din hidrogenul molecular obţinut din tratarea apelor uzate este tot mai folosită.

Hidrogenul este un izvor de energie nepoluant şi sustenabil de energie având 42.35 kJ/g. Producerea hidrogenului se face prin biofotoliză, foto fermentare şi fermentare la întuneric sau printr-o combinaţie de aceste procese.

Fermentarea cu obţinere de hidrogen este un proces biochimic complex manifestat de diverse grupuri de bacterii printr-un şir de reacţii biochimice similare cu fermentarea anaerobă.

Transformarea anaerobă cere patru paşi majori şi cinci grupuri distincte de microorganisme, care transformă hidrocarburile complexe în molecule simple prin intermediari de acizi organici şi hidrogen molecular, produşii fermentației fiind metanul şi dioxidul de carbon.

Valoarea energetică a hidrogenului, comparativ cu alţi combustibili

Proces anaerob de tratare a apei uzate, descriind atât procese

acetogene cât şi metanogene în timpul

conversiei materialului organic complex în metan şi dioxid de

carbon

Multe sisteme termofile folosesc oxidarea sintrofică a acidului acetic în dioxid de carbon şi hidrogen de către bacteriile acetice sau homoacetice, cuplată la consumul de hidrogen de către bacteriile metanogene.

Bacteriile acetice care produc hidrogen cresc în asociaţii sintropice cu metanogenele hidrotrofice (care consumă hidrogen).

Culturile anaerobe obişnuite nu pot produce hidrogen molecular deoarece este repede consumat de bacteriile metanogene. Cea mai eficientă cale de a produce hidrogen molecular cu ajutorul culturilor anaerobe este de a restricţiona sau opri procesul de metanogeneză prin permiterea ca hidrogenul molecular să devină un produs secundar în procesele metabolice.

Pretratarea culturii-părinte folosite în producerea fermentativă de hidrogen molecular permite îmbogăţirea unui grup specific de bacterii. Este importantă pentru procesul acidogenic producător de hidrogen molecular şi deasemenea inhibă bacteriile metanogene care nu sunt folositoare în culturile amestecate.

Diferenţele fiziologice dintre bacteriile producătoare de hidrogen şi cele consumatoare de hidrogen formează baza fundamentală în metoda folosită pentru prepararea surselor producătoare de hidrogen.

Tratamentul prin şoc termic Acesta ajută la supresia bacteriilor nesporulate şi

permite creşterea bacteriilor care produc spori, bacterii importante pentru producerea de hidrogen molecular (clostridiile).

Tratamentul cu şoc termic omoară celulele vegetative a microorganismelor care nu produc spori, unele dintre ele fiind consumatoare de hidrogen cum ar fi metanogenele dar în acest proces ar putea distruge bacteriile producătoare de hidrogen (Enterobacter sp.) care nu pot sporula.

Dar tratamentul prin şoc termic activează sporii bacteriilor folositoare (Clostridia sp.).

Tratamentul cu acizi

Majoritatea microorganismelor metanogene pot supravieţui la un pH între 6.8-7.2 altfel sunt distruse, pe când bacteriile producătoare de hidrogen rezistă mai mult.

Metanogenele sunt distruse prin scăderea pH-ului. pH-ul între 5 şi 5.5 este ideal pentru distrugerea bacteriilor metanogene şi rezistenţa celor folositoare.

Acidul clorhidric şi ortofosforic sunt folosite în mediul de cultură microbiană pentru 24 ore.

Tratamentul prin şoc mecanic

Este mai eficient decât tratamentul prin şoc termic datorită prezenţei unei mai mari diversităţi de bacterii, din moment ce nici o pretratare fizică sau chimică nu a fost aplicată.

Pe de altă parte, duce la acumularea acizilor organici, rezultând într-o descreştere a pH-ului de la 5,5 la 4,6. Deci acest mediu de cultură va fi toxic pentru micoorganismele metanogene.

Tratamentul prin şoc mecanic este mult mai eficient decât tratamentul cu chimicale, baze, acizi şi şoc termic fiindcă îmbogăţeşte sporii bacteriilor termofile producătoare de hidrogen, pe măsură ce suprimă complet activitatea microorganismelor metanogene şi intensifică producerea de hidrogen.

Tratamentul cu chimicale

Metanogenele consumatoare de hidrogen din culturile mixte ar putea fi eliminate prin aplicarea chimicalelor inhibitoare: iodopropan, acetilenă şi acid 2-bromoetansulfonic (BESA).

Tratamentul cu BESA facilitează inhibarea selectivă a activităţii metanogene fără deranjarea producerii de hidrogen molecular pe care complexul format din coenzima M şi reductază o inhibă.

Iodopropanul, un antagonist al corrinoidului, previne funcţionarea enzimelor B12 ca un compus purtător de grupul metil.

Acetilena este considerată un inhibitor nespecific al metanogenelor. Speciile metanogene îşi pierd astfel puterea de a menţine un gradient de pH transmembranal, deci expunerea la acetilenă rezultă într-un declin al funcţiilor metanogenelor cum ar fi sinteza de ATP şi metanogeneza.

Alte metode de tratament

Tratamentul alcalin (pH-ul între 8.5 şi 12) folosind NaOH se face pe o durată de 24 de ore şi suprimă creşterea metanogenelor şi îmbunătăţeşte producerea de hidrogen molecular.

Bacteriile metanogene sunt arhebacterii obligat anaerobe, atunci când acestea sunt expuse la un mediu aerob, oxigenul le omoară.

Prin contrast, Clostridium şi Enterobacter sunt bacterii facultativ anaerobe care pot creşte deasemenea în prezenţa oxigenului.

Aplicarea aerării forţate ca metodă de pretratate inhibă activitatea microorganismelor metanogene consumatoare de hidrogen.

După inocularea reactorului anaerob cu un nămol aerat (purificat cu aer comprimat pentru 1 oră), metanogenele acetoclaste sunt dezactivate.

Îmbunătăţiri în producerea de hidrogen sunt deasemenea manifestate în nămolul pretratat prin îngheţ-dezgheţ.

Aplicarea tratamentelor cu raze infraroşii inhibă şi ea activitatea bacteriilor metanogene.

Imagine la microscopul electronic a substanţei de inoculare iniţiale pretratate secvenţial cu şoc termic, chimicale ,(BESA) şi acizi

Factorii care influenţează producţia de hidrogen

pH-ul joacă un rol important în guvernarea căilor metabolice a organismelor unde activitatea bacteriilor acetice este crucială.

Producerea de hidrogen molecular se petrece în etapa de acidifiere a procesului metabolic. pH-ul sistemului deasemenea influenţează eficienţa metabolismului substratului, sinteza proteică, sinteza materialului de stocare şi eliberarea produşilor metabolici.

Menţinerea pH-ului într-un interval acidofil este ideal pentru producerea efectivă de hidrogen molecular datorită supresiei bacteriilor metanogene, deci promovează indirect producătorii de hidrogen molecular din sistem.

1. pH-ul

Timpul de retenţie hidraulic influenţează deasemenea generarea de hidrogen molecular.

El facilitează schimburile metabolice în concurenţă cu timpul de fermentare extins, natura substantei pentru inoculare, natura substratului, influenţa forţelor mecanice şi pH-ul.

Timpul de retenţie optim este aflat între 8 şi 14 ore şi prin el se obţine producere maximă de hidrogen molecular şi inhibarea metanogenelor.

2.Timpul de retenţie hidraulic

Apa uzată ca substrat de fermentaţie

Apele uzate de la industria de producere a hârtiei, a amidonului, de la industria alimentară, apele uzate din industria chimică şi apele menajere au fost studiate ca substrat fermentabil pentru producerea de hidrogen pe lângă tratarea apelor uzate.

Producerea de hidrogen molecular odată cu tratarea apelor uzate a fost studiată într-un reactor cu condiţii acide la pH 6 folosind apele uzate de la o distilerie ca substrat cu culturi anaerobe amestecate selectiv îmbogăţite, secvenţial pretratate cu şoc termic repetat la 100°C timp de 2 ore şi cu acizi, la un pH de 3 timp de 24 de ore.

Schema de obţinere a hidrogenului din reziduurile agricole şi din apele uzate

Eficienţa producerii de hidrogen depinde de natura şi compoziţia apei uzate folosite ca substrat fermentabil şi a biodegrabilităţii ei, de configuraţia reactorului, de modul de operaţie al reactorului, de pH-ul iniţial şi din timpul operării şi de rata de încărcare a substratului, pe lângă natura culturilor anaerobe amestecate utilizate.

Natura şi compoziţia apei uzate asociate cu condiţiile de operare ale sistemului va guverna şi măsura degradării substratului.

Producerea de hidrogen molecular şi degradarea substratului în timpul tratării apelor uzate

Rata de încărcare a substratului

Pe lângă caracteristicile apei uzate, rata de încărcare a substratului organic nu va avea o influenţă neglijabilă asupra producerii de hidrogen. Eficienţa producerii de hidrogen molecular este invers proporţională cu rata încărcării glucozei.

Cele mai mari cantităţi de hidrogen obţinute au fost observate la rata cea mai mică de încărcare a glucozei.

Concentraţiile de glucoză care depăşesc 2 g/l suprimă producţia de hidrogen.

Rata de producere a hidrogenului a crescut cu creşterea concentraţiei iniţiale a glucozei de la 0.5-2.0% dar a scăzut la 2.5% indicând inhibarea substratelor.

La rate mai mari de încărcare a substratului, unde mai mult hidrogen molecular a fost produs, a fost observată o mai mare inhibare a hidrogenazei.

Concluzii

Configuraţia reactorului, modul de operare a reactorului, natura şi originea substanței pentru inoculare, pretratamentul aplicat pe inoculul iniţial, condiţiile de operare ale sistemului cum ar fi pH-ul, timpul de retenţie hidraulic contribuie semnificativ la producerea hidrogenului molecular şi la degradarea substratului pe lângă natura şi caracteristicile apelor uzate.

Procentul de degradare al substratului este important atunci când eficienţa procesului este considerată, atunci când apele uzate sunt substrat pentru fermentaţie producătoare de hidrogen.

Unele dintre aspectele vitale care necesită atenţie semnificativă este fracţiunea organic neutilizată, care rămâne ca un produs de fermentaţie solubil de la procesul acetogen de producere a hidrogenului.

Utilizarea fracţiunii organice reziduale din apa uzată ca substrat este considerată. Integrarea acesteia cu procesul acidogen fotobiologic pentru producere adiţională de biohidrogen sau cu procesul anaerob de producere a metanului pentru producerea electricităţii este evaluată.

Procese biologice specifice pentru producerea hidrogenului

Schema bioreactorului anbaerob combinat pentru obţinerea hidrogenului molecular1 – corp cilindro-conic2 – umplutura pentru fixarea microflorei3 – rezervorul superior 4- dispozitiv compus pentru supapă5 – ejectorul6 – resiverul ermetic7 – bloc pentru epurarea hidrogenului

Bioreactor combinat multifuncţional pentru obţinerea intensivă a biohidrogenului Pentru realizarea tehnologiei elaborate, s-a propus un

bioreactor anaerob (care este un complex tehnic, tehnologic şi biochimic destinat obţinerii biohidrogenului molecular la fermentarea anaerobă a unor substraturi organice). Drept materie primă servesc diferite produse secundare şi deşeuri agricole şi ale industriei prelucrătoare, în particular a borhotului de la distilarea alcoolului şi divinului.

Reactorul anaerob combinat destinat obţinerii biohidrogenului include, ca elemente de bază, corpul cilindro-conic cu umplutură volumică pentru fixarea microflorei , ştuţurile de alimentare şi evacuare a lichidului şi nămolului cu conducta cu gardă hidraulică şi conducta cu gardă hidraulică pentru evacuarea biogazului.

Bioreactorul plasat în corpul central termostat este dotat cu un manovacuumetru de control, un indicator de nivel, un dispozitiv compus dintr-un flotor şi o supapă, toate unite cu un rezervor instalat în partea superioară.

În partea inferioară a corpului este instalat un resiver închis ermetic. Acesta este dotat cu un indicator de nivel racordat la un panou de comandă şi cu o pompă de recirculare care uneşte printr-o conductă partea inferioară a resiverului, dotat cu un distribuitor perforat al lichidului supus tratării, acesta fiind plasat în partea inferioară a bioreactorului.