Producción Biológica de Hidrógeno VI - Fermentación oscura

A diferencia de la fotofermentación, la fermentación oscura se lleva a cabo tal como indica su nombre, de forma independiente a la luz. A pesar de no habérsele prestado tanta atención como a la producción de hidrógeno por microorganismos fotosintéticos, la producción de hidrógeno a partir de la fermentación oscura presenta claras ventajas para llevarla a nivel industrial:

1. Las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno.
2. Pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica.
3. Pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema.

Comparativa de costes de producción

De Hallenbeck & Benemann (2002).

La fermentación en condiciones anaerobias de sustratos ricos en glúcidos puede producir hidrógeno en un considerable rango de temperaturas (30-80 ºC) especialmente en oscuridad.

A pesar de que la biofotólisis únicamente produce H2 y la fermentación oscura una mezcla de H₂ y CO₂ combinados con otros gases poco deseables como H₂S y CH₄ en cantidades variables, la fermentación es mucho más efectiva a la hora de producir hidrógeno. A nivel teórico, tomando glucosa como sustrato modelo y dando acetato, la reacción produce 4 mol H₂/mol glucosa según la siguiente ecuación:

C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O → 2 CH₃COOH + 4 H₂ + 2 CO₂

Y cuando el producto final es butirato:

C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O → CH₃CH₂CH₂COOH + 2 H₂ + 2 CO₂

Sin embargo, este máximo teórico nunca se alcanza, pues el producto de la fermentación suele tener tanto acetato como butirato.

En cuanto a los microorganismos involucrados, diferentes miembros del género Clostridium son predominantes en estos procesos.

Dentro de las consideraciones prácticas del proceso el pH y la presión parcial de los gases son algunos de los parámetros más críticos. El pH influye tanto en la cantidad de hidrógeno producido (máximo con pH 5-6) como en los productos de fermentación: con valores de pH entre 4 y 6 se produce más butirato que acetato mientras que si se eleva el pH hasta 6,5-7 la proporción de butirato y acetato son semejantes.

La presión parcial de hidrógeno es otro parámetro crítico. Cuando la concentración de hidrógeno en el medio aumenta, las rutas metabólicas se reorientan para producir sustratos más reducidos como lactato, etanol, acetona, butanol o alanina, lo que provoca una disminución en la producción de hidrógeno.

La presencia de microorganismos consumidores de H₂ (metanógenos y acetógenos) disminuye el rendimiento del sistema. Para evitarlo se realiza un choque térmico antes del proceso. El ajuste del tiempo de retención hidráulico (HRT, Hydraulic Retention Time) y evitar la acumulación excesiva de H₂ también evita el desarrollo de los consumidores de hidrógeno, así como mantener valores de pH por debajo de 6,5 (inhibe el crecimiento de metanógenos).

Para retirar el exceso de hidrógeno en el medio se puede recurrir a diversos métodos. De entre ellos, el sparging es el más común. Éste se basa en el desplazamiento del hidrógeno soluble por solubilización de otro gas más soluble. Los mejores resultados se han obtenido con N₂ y CO₂. Otros métodos son la extracción a vacío o la agitación.