Biohidrógeno a partir de residuos de madera
Proceso biotecnológico con alto rendimiento de hidrógeno
Hasta ahora, los residuos de madera tenían que eliminarse con grandes gastos y, en el mejor de los casos, se utilizaban para generar energía en plantas incineradoras. Ahora, investigadores del Instituto Fraunhofer aprovechan este valioso recurso para producir biohidrógeno en la región alemana de la Selva Negra. En el proyecto conjunto H2Wood - BlackForest se han desarrollado especialmente procesos de fermentación con bacterias y microalgas productoras de hidrógeno para la producción biotecnológica de este portador de energía verde. En 2025 se pondrá en marcha una planta piloto para la producción de biohidrógeno. Un estudio publicado en el marco del proyecto examina también los potenciales, obstáculos y medidas para la producción regenerativa de hidrógeno a partir de residuos de madera y madera vieja en la región de la Selva Negra.
La región de la Selva Negra alberga un gran número de empresas de transformación de la madera, entre ellas muchos fabricantes de muebles. Se producen grandes cantidades de residuos de madera durante el procesamiento de muebles, la eliminación de palés y la demolición de edificios. Hasta ahora, estos residuos se eliminaban en plantas incineradoras. Dado que la madera vieja suele contener conservantes de la madera prohibidos desde hace tiempo por sus efectos nocivos para la salud humana, el gas residual del proceso de incineración también tiene que limpiarse con un gran gasto. Esto motivó a los investigadores del Fraunhofer a buscar usos alternativos para los residuos regionales de madera. La idea era que los residuos de madera y la madera vieja pudieran utilizarse para producir hidrógeno regenerativo, y que el biohidrógeno pudiera producirse a partir de los residuos mediante procesos biotecnológicos, en perfecta consonancia con una economía circular basada en la madera. El truco consiste en que los investigadores utilizan el azúcar de la madera para producir hidrógeno mediante bacterias. El CO2 resultante se utiliza después para cultivar microalgas que también pueden producir hidrógeno. Además del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB y el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización IPA, la Universidad de Stuttgart, con su Instituto de Fabricación y Gestión Industrial IFF, y el Campus Schwarzwald también participan en la implementación del proyecto H2Wood - BlackForest, que se inició en 2021. El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) financia el proyecto con 12 millones de euros.
El proceso de producción de biohidrógeno comienza con el tratamiento previo de la madera vieja y de desecho. En primer lugar, los residuos de madera, como palés o viejas vallas de jardín, se despulpan y descomponen en sus componentes básicos. Para ello, los investigadores hierven la madera a presión hasta 200 °C en una mezcla de etanol y agua. La lignina, así como los adhesivos, disolventes y pinturas de los residuos de madera, se disuelven en el etanol, separando los contaminantes químicos de las fibras de madera. En el siguiente paso, la fracción de fibra de madera que queda tras la ebullición, la celulosa, y parte de la hemicelulosa se descomponen en moléculas individuales de azúcar (glucosa y xilosa), que sirven de alimento o sustrato para los microorganismos productores de hidrógeno. "Separar la madera en sus fracciones es un proceso que requiere experiencia. Aquí es donde recurrimos a los muchos años de experiencia que hemos adquirido en la construcción de nuestra biorrefinería de lignocelulosa en Leuna", afirma la Dra. Ursula Schliessmann, Directora Adjunta del Instituto Fraunhofer IGB de Stuttgart, responsable de la coordinación del proyecto y del desarrollo tecnológico. Para convertir el azúcar producido en hidrógeno, los investigadores del Fraunhofer IGB han establecido dos procesos de fermentación interrelacionados utilizando bacterias y microalgas productoras de hidrógeno.
Además de hidrógeno, se producen subproductos a base de carbono
El procesamiento previo produce subproductos como la lignina, y la conversión biotecnológica de la madera libera hidrógeno y CO2. Este último se convierte en subproductos como el almidón y los carotenoides durante la producción de microalgas. El Dr. Schliessmann explica el proceso en cascada: "Cuando se fracciona la madera, las fibras de madera se liberan de la lignina, que, además de la celulosa y la hemicelulosa, constituye entre el veinte y el treinta por ciento de la sustancia de la pared celular de la madera. Como uno de los subproductos, esta lignina tiene muchos usos, por ejemplo, en materiales compuestos. Un ejemplo de su uso son los paneles de los coches". Mientras que las moléculas de cadena larga de azúcar de la celulosa se utilizan para producir glucosa, que se añade al fermentador con bacterias y sirve como fuente de carbono para el crecimiento bacteriano. Las bacterias producen entonces hidrógeno y CO2. Los investigadores separan el CO2 de la mezcla de gases y lo transfieren al reactor de algas, un fotobiorreactor. Las microalgas son capaces de utilizar el CO2 como fuente de carbono y multiplicarse. A diferencia de las bacterias, no necesitan azúcar. "Los productos metabólicos de las bacterias, es decir, el aparente flujo residual de CO2, son alimento para las microalgas y, por tanto, no entran en el tubo de escape como gas nocivo de efecto invernadero. Las microalgas lo utilizan para sintetizar carotenoides o pigmentos bajo la influencia de la luz como subproductos adicionales que pueden ser utilizados por diversos sectores industriales." En un segundo paso, las microalgas se transfieren a un reactor especialmente diseñado donde liberan hidrógeno mediante fotólisis directa.
Proceso biotecnológico con alto rendimiento de hidrógeno
Los socios del proyecto esperan obtener un alto rendimiento: Inicialmente se pueden producir unos 0,2 kilogramos de glucosa a partir de un kilogramo de madera vieja. "Con ella podemos producir 50 litros de H2 utilizando microorganismos anaerobios", explica el Dr. Schliessmann. Durante la fermentación con bacterias anaerobias, el CO2 se produce en porciones iguales, es decir, al 50%. Una vez separado el hidrógeno de la mezcla de gases, aproximadamente dos kilogramos de CO2 en el fotobiorreactor pueden producir un kilogramo de biomasa de microalgas. Esta biomasa tiene un contenido de almidón de hasta el 50 por ciento. También contiene el pigmento luteína. La biomasa de algas subproducto podría utilizarse, por ejemplo, para componentes plásticos con ayuda de bacterias.
Actualmente se está construyendo una planta piloto ampliable modularmente con tres biorreactores. Está previsto que la biorrefinería entre en funcionamiento en el Campus Schwarzwald a principios de 2025. En el futuro, será posible combinar diferentes etapas del proceso de forma modular, un requisito ideal para probar nuevas tecnologías.
Hoja de ruta del hidrógeno para la región de la Selva Negra
En este proyecto, Fraunhofer IPA, junto con el Instituto de Fabricación y Gestión Industrial IFF, está llevando a cabo un estudio para determinar cómo puede satisfacerse la demanda local de hidrógeno verde en los sectores industrial, del transporte, doméstico y de la construcción, y qué cantidades de residuos de madera y madera vieja están disponibles para su producción. Como resultado de esta hoja de ruta del hidrógeno, se han formulado recomendaciones para el desarrollo de la economía del hidrógeno en la región de la Selva Negra. Las medidas propuestas incluyen el fomento de la investigación y el desarrollo, la ampliación de la infraestructura regional del hidrógeno y el refuerzo de la integración de los sistemas energéticos para establecer el hidrógeno como parte integrante de la transición energética. "El estudio muestra que la región de la Selva Negra tiene un potencial significativo para producir hidrógeno a partir de recursos locales, pero este potencial sólo puede explotarse plenamente mediante un mayor desarrollo de las tecnologías y la ampliación de la infraestructura", afirma Vladimir Jelschow, investigador científico del Fraunhofer IPA y uno de los autores de la hoja de ruta del hidrógeno.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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