Modelado del proceso de fermentación oscura de residuos agroindustriales (Vinazas tequileras e Hidrolizados de bagazo de agave)

Abstract

La fermentación oscura es un proceso biológico, en el cual los compuestos orgánicos son degradados mediante acción bacteriana, para la producción de hidrógeno en condiciones anaerobias y en ausencia de luz. Este proceso ha obtenido interés debido a los bajos costos de operación y a que permite la valorización de residuos para la producción de hidrógeno, el cual es un importante vector energético. En este sentido, durante la producción de tequila se generan grandes cantidades de residuos, los cuales presentan un gran potencial para la biotransformación a productos de valor agregado. En los últimos años, las vinazas tequileras han tenido mucha atención por su potencial para la producción de hidrógeno, sin embargo, al ser un sustrato complejo existen diferentes factores que inuyen en el rendimiento obtenido. El modelado matemático presenta una herramienta útil para el entendimiento y la determinación de factores claves que podrían mejorar el desempeño de este proceso. En la literatura se pueden encontrar diversos acercamientos para modelar la fermentación oscura, sin embargo, el más utilizado es el modelo ADM1, que ha presentado varías críticas, entre las cuales se destaca el enfoque que utiliza para el balance de dióxido de carbono y el mezclar balances en base molar, y en base a la demanda química de oxígeno, además que no toma en cuenta varios rutas metabólicas. En este trabajo se modeló la fermentación oscura a partir de un enfoque semi-teórico no estructurado con base en las rutas metabólicas reportadas en la literatura. Los datos experimentales se obtuvieron de un fermentación de vinazas tequileras e hidrolizado de bagazo de agave provenientes de una empresa productora de tequila que se encuentra en Amatitlán, Jalisco. La codigestión de vinazas tequileras con hidrolizado ácido de bagazo de agave se realizó en un reactor semi-continuo de biopelícula. El modelo consta de 13 reacciones, la primera representa el consumo de azúcares con la producción de piruvato, mientras que las posteriores toman en cuenta la formación de otros metabolitos y considera solamente una biomasa. Este modelo toma en cuenta la producción de ácidos orgánicos (acetato, formiato, propionato, lactato y butirato), el consumo de azúcares y la producción de hidrógeno y dióxido de carbono. Además se utilizó el modelo ADM1 haciendo adecuaciones para el caso estudiado y dos modicaciones propuestas en la literatura. El primero tiene sólo adecuaciones del modelo original para ajustarse a la fermentación oscura, el segundo toma en cuenta la formación y consumo de lactato, y el tercero considera rutas para lactado y homoacetogénesis y desprecia las reacciones acetogénicas. Se calculó el error cuadrado ponderado para todos los modelos implementados y se obtuvieron los valores de 37.98, 310.06 y 88.84 para los modelos ADM1 respectivamente. Si bien para el modelo propuesto el error fue de 71.46, éste toma en cuenta en su cálculo más variables que no se toman en los modelos ADM1 (como formiato y lactato para el ADM1-1). Estos modelos fueron ajustados por medio de la función fminsearch de Matlab utilizando un sets de datos experimentales de 10 ciclos de operación durante el proceso y se validaron usando datos de entrada y salida de los demás ciclos. Para el caso de los modelos ADM1 se utilizaron como primera aproximación en el ajuste parámetros de la literatura. El ajuste del modelo propuesto es mejor que el obtenido por cualquiera de las tres propuestas de ADM1 y tiene en general un buen ajuste para todas las variables, a excepción del azúcar, que presenta subestimación.