Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

El hidrógeno es un combustible limpio que puede alimentar desde fábricas hasta coches, pero producirlo hoy en día suele requerir la quema de combustibles fósiles, lo que anula el propósito de usarlo para luchar contra el cambio climático. Los científicos buscan formas de producir este portador de energía a partir de residuos y fuentes renovables. Un método prometedor consiste en tomar una mezcla de gases llamada syngas (gas de síntesis), que es rica en monóxido de carbono, y utilizar diminutos organismos vivos para transformarla. Estos microbios actúan como fábricas biológicas, "comiendo" el monóxido de carbono y liberando hidrógeno gaseoso como subproducto. Este proceso, conocido como la reacción biológica de desplazamiento del gas de agua, ofrece una forma de convertir los gases de desecho industrial en energía limpia sin necesidad de calor extremo o productos químicos costosos. Sin embargo, mantener estas fábricas microbianas funcionando sin problemas en un flujo continuo es difícil, ya que los productos de desecho que crean pueden terminar envenenando a los mismos organismos que realizan el trabajo.

Investigadores de la Universidad de Borås y del instituto de investigación RISE de Suecia se propusieron resolver este problema construyendo un reactor especializado diseñado para mantener a los microbios felices y productivos a largo plazo. Utilizaron una comunidad natural de microbios recolectada de residuos alimentarios, en lugar de una única especie cuidadosamente cultivada, con la esperanza de que este grupo diverso fuera más resistente y adaptable. El equipo llenó una columna vertical con trozos de esponja de polietileno, creando una superficie para que los microbios se aferraran, y luego hicieron gotear un líquido rico en nutrientes sobre ellos mientras empujaban el syngas desde la parte inferior. Esta configuración permitió que el gas y el líquido se encontraran estrechamente, dando a los microbios la mejor oportunidad de comer el monóxido de carbono y escupir hidrógeno. El objetivo era ver si podían mantener este proceso funcionando continuamente durante meses sin que el sistema se detuviera debido a la acumulación de subproductos tóxicos.

El experimento comenzó con una fase de puesta en marcha en la que el equipo añadió nutrientes concentrados al sistema cada semana para dar un impulso inicial a la actividad microbiana. Inicialmente, los microbios funcionaron bien, convirtiendo casi todo el monóxido de carbono en hidrógeno. Sin embargo, a medida que pasaban las semanas, el sistema empezó a tener dificultades. Los investigadores descubrieron que la adición repetida de nutrientes concentrados causaba que ciertos metales traza, como el cobre, se acumularan a niveles miles de veces superiores a los previstos. Al mismo tiempo, los microbios empezaron a producir grandes cantidades de ácidos grasos volátiles, un tipo de ácido orgánico que puede ser perjudicial en concentraciones altas. A medida que estos ácidos se acumulaban, la conversión del monóxido de carbono disminuía significamente y la producción de hidrógeno se volvía inestable. El equipo se dio cuenta de que, aunque los microbios necesitaban alimento, el exceso de algo bueno estaba alterando el equilibrio químico de su entorno.

Para entender exactamente qué estaba matando el proceso, los investigadores pasaron a una segunda fase en la que probaron los efectos de inhibidores específicos. Introdujeron versiones sintéticas de los ácidos grasos y del etanol, un tipo de alcohol, en el reactor para ver cuál era el verdadero culpable. Los resultados fueron claros: los ácidos grasos eran mucho más dañinos que el etanol. Cuando el equipo añadió niveles altos de estos ácidos, la conversión de monóxido de carbono cayó en picado y los microbios no pudieron recuperarse rápidamente incluso después de retirar los ácidos. El etanol tuvo un efecto mucho más débil, causando solo una caída temporal en el rendimiento. Esto confirmó que la acumulación de ácidos grasos era la razón principal del fallo del sistema, y que simplemente reemplazar el líquido ocasionalmente no era suficiente para mantener el reactor sano.

En la fase final, el equipo cambió su estrategia para centrarse en controlar cuánto tiempo permanecía el líquido en el reactor, un factor conocido como tiempo de retención hidráulica. En lugar de solo añadir nutrientes periódicamente, configuraron el sistema para que lavara el líquido de forma continua, asegurando que los subproductos nocivos se eliminaran antes de que pudieran alcanzar niveles tóxicos. También reemplazaron los microbios antiguos y el relleno de esponja con materiales frescos para empezar con un lienzo en blanco. Este enfoque funcionó de maravilla. Al controlar el flujo del líquido, el equipo mantuvo un entorno estable donde los ácidos grasos nunca se acumularon hasta niveles peligrosos. El reactor alcanzó una tasa de conversión perfecta, convirtiendo el cien por ciento del monóxido de carbono entrante en hidrógeno durante doce días consecutivos. Con un flujo específico de doce mililitros por minuto, el sistema produjo hidrógeno a un ritmo de 3,2 litros por litro de volumen de reactor cada día, con un rendimiento de 0,66 moles de hidrógeno por cada mol de monóxido de carbono consumido.

Los investigadores también llevaron el sistema al límite para averiguar cuánto gas podía manejar. Aumentaron gradualmente el flujo de syngas, observando de cerca cuándo los microbios dejarían de ser capaces de seguir el ritmo. El reactor se mantuvo estable y mantuvo la conversión total hasta un flujo de 26 mililitros por minuto. Una vez que lo forzaron a 28 mililitros por minuto, el sistema ya no pudo convertir todo el monóxido de carbono y el exceso de gas comenzó a salir del reactor sin procesar. Esto identificó un límite operativo claro para esta configuración específica. Durante todo el experimento, no se detectó metano, lo que confirma que el proceso producía estrictamente hidrógeno y no derivaba hacia otros tipos de producción de gas.

Observando el mundo microscópico dentro del reactor, los investigadores descubrieron que la comunidad de microbios cambiaba drásticamente dependiendo de cómo se gestionara el reactor. En las fases iniciales, el sistema estaba dominado por un grupo de bacterias, pero a medida que las condiciones cambiaron hacia el entorno estable y controlado por el flujo de la fase final, un grupo diferente tomó el control. Las nuevas bacterias dominantes eran especies de Stenotrophomonas y Pseudomonas, que habían sido raras en la mezcla original. Aunque el equipo no pudo determinar exactamente qué microbios específicos estaban realizando el trabajo pesado de la conversión del gas, el cambio en la comunidad sugirió que las propias condiciones del reactor estaban seleccionando a los trabajadores más eficientes. El estudio concluye que gestionar el flujo del líquido para evitar la acumulación de subproductos tóxicos es la clave para que esta tecnología funcione de forma continua. Aunque el sistema aún no es una realidad comercial, esta prueba de concepto muestra que el uso de microbios derivados de residuos en un reactor sencillo y no estéril es un camino viable para producir hidrógeno limpio a partir de gases de desecho industrial.