Towards biogas BIOupgrading : Assessment and characterization of a hydrogenotrophic methanogenic culture through batch tests and hollow-fiber membrane biofilm reactor

L'augment de les activitats antropogèniques, especialment la combustió de combustibles fòssils, ha intensificat l'emissió de gasos amb efecte d'hivernacle que requereixen tractament abans d'alliberar-se a l'atmosfera. El diòxid de carboni, que representa al voltant del 40 % del biogàs procedent de digestió anaeròbia, pot valoritzar-se en el marc de l'estratègia Power-to-Gas. En aquest context, l'hidrogen verd és un vector energètic clau, si bé el seu emmagatzematge, transport i ús directe presenten limitacions. La conversió biològica d'hidrogen i diòxid de carboni en metà permet superar aquestes barreres i enriquir el biogàs fins a una qualitat de gas natural, apte per a la injecció a la xarxa existent. La present tesi se centra en la biometanització hidrogenotròfica, en què es duu a terme la conversió d'hidrogen i diòxid de carboni en metà mitjançant arqueus metanogènics. Des d'un punt de vista d'aplicació, aquest procés pot realitzar-se in situ (injectant l'hidrogen directament al tanc de digestió anaeròbia) o ex situ (tractant el biogàs generat a la digestió anaeròbia amb hidrogen en un reactor separat). Els reactors més utilitzats i amb més èxit en el camp de la biometanització són els reactors de tanc agitat continu, les columnes de bombolleig i els biofiltres percoladors. No obstant això, en els últims anys s'ha prestat especial atenció a l'ús de membranes com a mitjà de difusió d'hidrogen en el medi de cultiu per contrarestar una de les principals limitacions del procés: la baixa solubilitat de l'hidrogen en aigua. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és avaluar el procés de biometanització mitjançant dues aproximacions: la caracterització cinètica d'un cultiu mixt i la seva aplicació en un reactor de membranes de fibra buida. Per a la primera aproximació, es va dissenyar un sistema innovador sense espai de capçal, amb monitoratge continu d'hidrogen dissolt, per tal d'eliminar les limitacions associades a la transferència de massa i a la presa de mostres. Després de desenvolupar el protocol d'operació per a aquesta metodologia, es va avaluar l'efecte de la temperatura (27-65 °C) en les velocitats de consum d'hidrogen d'un cultiu hidrogenotròfic metanogènic mixt; la velocitat màxima obtinguda va ser de 773 mmol H2·gVSS-1·d-1 a 65 °C. Els resultats es van comparar amb assaigs tradicionals en flascons de sèrum, cosa que va evidenciar limitacions metodològiques a 57 °C. Finalment, es va realitzar la modelització matemàtica de les dades, mitjançant els models cinètics de Monod i Moser, per determinar la constant de semisaturació, en la qual també es va observar una dependència amb la temperatura (4.27·10-3 mM a 27 °C i 6.87·10-2 mM a 65 °C). En una segona fase, es va dissenyar i operar durant més de 200 dies un reactor de membranes polimèriques (PDMS) de fibra buida per a la difusió directa de H2 i CO2 des del lumen de la membrana cap a la biopel·lícula en creixement. Es van avaluar tres modes d'operació de la membrana i es van obtenir productivitats de metà comparables amb configuracions convencionals que no utilitzen membranes, amb ràtios de conversió propers al màxim estequiomètric. A més, es van identificar fenòmens rellevants per a l'optimització del procés, entre ells: (i) la contradifusió de metà a través de la membrana, causant de sobrepressions internes sota operació amb configuracions tancades, i (ii) la viabilitat del mode flow-through, que va permetre generar un corrent de metà a l'extrem oposat de la membrana i, d'aquesta manera, evitar la pressurització interna. En conjunt, els resultats d'aquesta tesi aporten un coneixement fonamental sobre la cinètica hidrogenotròfica i el comportament dels reactors de membranes, que contribueix al desenvolupament de la biometanització com a tecnologia d'integració energètica i de valorització del biogàs.