Resumen

En este trabajo, se presenta el análisis termodinámico (utilizando el software Matlab) de la producción de hidrogeno mediante fermentación de glucosa utilizando Clostridium butyricum, la selección de las condiciones óptimas de reacción, la simulación del proceso y el análisis de sensibilidad (utilizando el software Aspen Plus), y la optimización de este proceso a escala industrial utilizando el método Newton. Finalmente la viabilidad de llevar a cabo la fermentación de la corriente de salida de todo el proceso.

La crisis energética que ha generado el Hombre con la excesiva quema de hidrocarburos obliga a encontrar un combustible limpio e inagotable, o enfrentar las consecuencias ambientales que se aproximan. Un estudio de posibles soluciones han mostrado el hidrógeno como una buena opción, ya que el único producto de su oxidación es agua y pequeñas cantidades de peróxido de hidrógeno, además a un plazo mucho más largo tal vez la fuente de energía principal sea la fusión nuclear que también utiliza hidrógeno, pero para producir helio mediante la fusión de dos átomos de hidrógeno pesado (deuterio). Por último, la otra gran ventaja del hidrogeno es la gran variedad de materias primas disponibles para su producción, tales como: Agua (hidrólisis), Hidrocarburos (deshidrogenación) y biomasa (fermentación, gasificación, biocatálisis), entre otras. 

Diseño del reactor

Para este caso de estudio se tomara la producción de hidrógeno por proceso fermentativo, este tipo de procesos generalmente tienen tiempos de residencia altos, tanto a nivel de laboratorio como en la industria, por esta razón se han usado reactores discontinuos, y en caso de trabajar con grandes volúmenes se pueden implementar una batería de reactores en paralelo. 

Como materia prima o sustrato, se utilizara únicamente la glucosa, y se deben escoger los microorganismos que asimilen, consuman hexosas y que como metabolito se presente el hidrógeno, ya que hay cantidades de microorganismos cada uno con su sustrato asimilable y con diferentes metabolitos. En este caso, para la producción de hidrogeno, los microorganismos utilizados pueden ser: Rhodopseudomonas palustris (35°C), Clostridium butyricum (35°C), Enterobacter cloacae (37°C), Rhodobacter sphaeroides (37°C), entre otros. 

Análisis termodinámico 

El análisis termodinámico de un proceso se analiza para encontrar su viabilidad, y en caso de que las reacciones sean posibles termodinámicamente, encontrar las condiciones óptimas de operación; sin embargo se debe tener en cuenta que estas condiciones halladas de acuerdo a los cambios entálpicos y de la energía libre de Gibbs, pueden no ser las mejores debido al tipo de materia prima, y en este caso por ser un proceso biológico cada microorganismo tiene su temperatura optima, por lo cual en el caso de la temperatura esta dado por condiciones biológicas del Clostridium butyricum, 35°C, lo cual indica que a esta temperatura es donde el metaboliza la mayor cantidad de sustrato y por consiguiente la mayor producción de Hidrógeno. 

Otro factor muy importante en los procesos biológicos es la concentración de oxígeno disuelto en el medio, ya que algunos no lo soportan, unos no pueden vivir sin esta, y otros dependiendo de la presencia o ausencia de oxigeno siguen rutas metabólicas distintas. En el presente caso la fermentación es estrictamente anaerobia. Además es llevada a cabo a presión atmosférica como la mayoría de los procesos biológicos, sin embargo se muestra el análisis termodinámico, para demostrar la espontaneidad de la reacción y su comportamiento térmico.

• Materias:Termodinámica - Procesamiento de datos Métodos de simulación Ingeniería de software Hidrógeno
• Subjects:Thermodynamics - Data processing Simulation methods Software engineering Hydrogen
• Palabras claves:Clostridium butyricum, análisis termodinámico, simulación, optimización, software Matlab, software Aspen Plus, método Newton, fermentación de glucosa
• Keywords:Clostridium butyricum, thermodynamic analysis, simulation, optimization, Matlab software, Aspen Plus software, Newton method, glucose fermentation