Diagrama de Flujo de Procesos con Trazado para la Obtención de hidrogeno

Materia Prima: Agua y biomasa. Aplicada a cada operación unitaria en sucesión. (Ver Figura 1)

a. El Agua y la biomasa alimentada en la corriente 1 es impulsada por la bomba P-201A/B.b. De la bomba P-201A/B a través de la corriente 2 se dirige al intercambiador de calor E-

201A/B.c. Del intercambiador E-201A/B a través de la corriente 3 se dirige al reactor R-201.d. Del Reactor R-201 a través de la corriente 4 se dirige al intercambiador de calor E-202A/B.e. Del intercambiador de calor E-202A/B a través de la corriente 5 se dirige a la membrana V-

201.f. La biomasa y el agua que no reaccionaron a través de la corriente 11 deja la membrana

V-201 para su aprovechamiento en la producción de biodiesel.

Figura 1.Trazado para la Obtención de hidrogeno. Materia Prima: Agua y biomasa

Descripción del proceso

La producción de hidrógeno gaseoso a partir del agua mediante microalgas, requiere manipular la secuencia de reacciones bioquímicas interactuando con la célula completa (pero sin modificarla en principio), en alguna modalidad que obligue la aparición de gas hidrógeno que, de ser dejado al sistema natural, no sería producido en absoluto hacia el medio exterior de la célula. Se han popularizado dos alternativas tecnológicas, a un nivel sólo de laboratorio y de escala piloto: biofotólisis indirecta y biofotólisis directa.

La biofotólisis indirecta, es un proceso de dos estados: el CO2 es primero fijado a sustratos ricos en H2-endógeno durante fotosíntesis oxigénica normal (estado 1), seguido por generación de hidrógeno molecular (estado 2). Este enfoque requiere por tanto, de un sistema de cultivo y de otro sistema aparte para la generación de hidrógeno.

El diseño propuesto emplea como microorganismos fotosintéticos para la producción de hidrógeno una cepa de algas genéticamente modificada y desarrollada especialmente para aumentar su velocidad de producción de hidrógeno y su eficacia fotoquímica: la Chlamydomonas Reinhardtii

Tras la etapa de crecimiento y una vez concentrada la biomasa, ésta debe ser sometida a condiciones de anaerobiosis y de oscuridad, condiciones que inducen la síntesis y actividad de la hidrogenasa.

En el fotobiorreactor se produce y separa el hidrógeno. Luego de haberse inducido la hidrogenasa, las microalgas (ricas en carbohidratos) serán sometidas a condiciones de luz y manteniendo la anaerobiosis. De este modo se iniciará la síntesis de H2 a partir de los carbohidratos, con la consecuente generación de O2 (inhibidor de la hidrogenasa). La concentración de O2 será muy baja como para inhibir a la hidrogenasa, dada la condición de anaerobiosis impuesta.

El sistema diseñado está constituido por una serie de tubos horizontales a través de los cuales circulan las algas, el agua y los nutrientes impulsados por bombas de baja potencia. El material seleccionado para el reactor es el policarbonato, debido a la elevada razón durabilidad/coste, a su impermeabilidad al hidrógeno, la alta trasmisión de la luz, el amplio rango de temperaturas de operación y el bajo coeficiente de transferencia de calor, lo que permite el aislamiento del sistema.

Finalmente, se implementó un sistema de intercambio de calor para mantener la temperatura en torno a 28ºC, valor óptimo para las microalgas. Las tuberías del intercambiador son de bronce marino, y están situadas bajo el reactor para mejorar la transferencia de calor.

Una vez producido el hidrógeno, es necesario separar la corriente gaseosa que es producida en la fotobiólisis indirecta de la Chlamydomonas Reinardtii en el fotobioreactor. La composición de esta corriente consiste principalmente en H2 (97%), N2 (7%), O2 (1%) y trazas de otros elementos como NH3 o H2S. El objetivo es retirar estos productos y separar el hidrógeno para obtener un grado aceptable de pureza y un flujo que cumpla con las necesidades eléctricas, siendo al mismo tiempo económicamente viable.

El sistema de separación utilizado es el de separación continua mediante membranas tubulares, donde los tubos son situados en la mitad inferior de reactor para no interferir en la entrada de luz solar, sujetos por soportes de policarbonato. La fuerza impulsora necesaria para la separación es proporcionada por bombas de vacío localizadas al final de cada tubo del reactor. La selección del material de la membrana se realizó en base a las propiedades hidrofóbicas, la rigidez y la estabilidad frente a esfuerzos cortantes inducidos por el flujo turbulento. Finalmente el polipropileno fue escogido por sus características, bajo coste y porque proporciona mayor flujo de hidrógeno a iguales condiciones en comparación con otros materiales como la goma de silicón.

Para generar electricidad de forma continua en las celdas de combustible, el hidrógeno producido debe ser alimentado con un flujo constante. Las fluctuaciones en la cantidad de hidrógeno procedente del Fotobiorreactor, debidas principalmente a cambios climáticos, hacen necesario la implementación de un sistema de almacenamiento de hidrógeno. Por otro lado, la corriente de permeado obtenida en las membranas no alcanza la pureza de H 2 especificada,

requiriendo una etapa adicional de purificación.

A pesar del elevado coste de los hidruros metálicos y de tratarse de una técnica aún en desarrollo, la adsorción selectiva del hidrógeno en el material adsorbente incrementa la pureza de la corriente de salida a un 99.99% en hidrógeno, eliminando la necesidad de una segunda etapa de separación que aumentaría los costes considerablemente. Las columnas diseñadas son cilindros en los que se introducen los tubos de inyección y los tubos de refrigeración, distribuidos uniformemente por toda la sección transversal. El material adsorbente elegido es alanato sódico (NaAlH4).

El hidrógeno almacenado se alimenta a una célula de combustible para la producción de electricidad. Se trata de un sistema electroquímico donde un combustible reacciona, generalmente con oxígeno, para producir directamente energía eléctrica y calor como producto secundario.

La célula consta de dos electrodos: en el ánodo tiene lugar la reacción de oxidación, en la que se producen protones y se liberan dos electrones. El material del ánodo es conductor, y transporta los electrones al cátodo, donde el oxígeno se reduce a O2-.

Los electrodos están separados por una membrana no conductora que permite el flujo de iones en una sola dirección. Esta membrana recibe el nombre de electrolito, una célula combustible de óxido sólido, permite eficacias de recuperación eléctrica de hasta el 70%, son más baratas que otros tipos (alcalinas, de ácido fosfórico, membranas de intercambio de protones, etc.), resistentes a impurezas y permiten recuperar energía mediante ciclos combinados de energía y calor.