DOI: http://dx.doi.org/10.18273/revion.v29n1-2016004

Camino Fernández Rodríguez^*; Elia Judith Martínez Torres; Antonio Morán Palao; Xiomar Gómez Barrios

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Instituto de Recursos Naturales. Universidad de León. Avda Portugal 41,
24009, León, España.
^*cferrd@unileon.es

Fecha Recepción: 22 de noviembre de 2015
Fecha Aceptación: 8 de enero de 2016

La industria láctea se caracteriza por generar lactosuero como subproducto del proceso de elaboración del queso. El lactosuero presenta un elevado contenido en materia orgánica en forma de lactosa, proteínas y otros compuestos procedentes de la leche. Su vertido incontrolado puede ocasionar problemas de contaminación con un grave impacto ambiental. Sin embargo, la recuperación de algunos componentes del lactosuero permite valorizar este subproducto, encontrando aplicación en la industria alimentaria, farmacéutica y recientemente en la conversión del lactosuero para la producción de biocombustibles. Actualmente, los biocombustibles son una fuente potencial de energía renovable con un papel importante como posibles sustitutos de los combustibles fósiles. Por este motivo, la opción de gestionar el lactosuero mediante una valorización energética ha adquirido gran interés durante los últimos años.
Entre las alternativas disponibles de aprovechamiento energético, se encuentra la digestión anaerobia, la cual es una de las tecnologías más empleadas para el tratamiento de diverso tipo de residuos. En el caso del lactosuero, se han desarrollado múltiples trabajos en los que se han utilizado diferentes configuraciones y condiciones de operación con el objetivo de mejorar el funcionamiento del proceso. Gracias a estos trabajos se han podido identificar algunos de los factores que limitan su aplicación como son: la tendencia a la acidificación o la limitación de nutrientes. Por este motivo se han promovido otras alternativas como son los procesos de co-digestión con varios materiales o la fermentación oscura. El objetivo de este artículo es la realización de una revisión bibliográfica de los principales trabajos realizados en los que se contemplan los procesos biológicos anteriormente mencionados. Se presentan los resultados más relevantes, así como la influencia de las condiciones de operación y los factores que afectan a la producción de biogás.

Palabras clave: lactosuero, biogás, hidrógeno, fermentación.

Dairy industry is characterized by high generation of cheese whey, a byproduct from cheese factories with a high organic matter content in the form of lactose, proteins and other compounds coming from processed milk. If it is not properly disposed it might favour serious environmental pollution problems. However, it is possible the application of recovery technologies in order to obtain its main compounds for further applications such as food or pharmaceutical industry, and for obtaining biofuels. Nowadays, biofuels are an important source of renewable energy as potential future alternative for fossil fuels. For this reason, energetic valorisation of cheese whey has become an interensting alternative. Anaerobic digestion is considered one of the most used technologies in wastewater and solid waste treatments. Several studies have been conducted with cheese whey as a suitable substrate with a considerable biogas potential production. However, it presents some disadvantages due to the rapid acidification tendency and nutrient content limitations that might favor failures in the process. For this reason, alternatives like anaerobic co-digestion with other substrates or dark fermentation for hydrogen production have been proposed. This paper intends to review the main works developed applying the mentioned technologies along with its most relevant results considering operation conditions influence and the environmental factors affecting production.

Keywords: cheese whey, biogas, hydrogen, fermentation.

A industria leitera caracteriza-se por uma elevada geração de soro de leite, um subproduto do processo de fabricação do queijo, com um elevado conteúdo em materia orgánica na forma de lactose, proteínas e outros compostos a partir da leite. Por esta razão, considera-se um material suscetível de ser valorizado mediante a recuperação destes produtos para posteriores aplicações alimentárias, farmacéuticas a para a obtenção de biocombustíveis.
Uma das alternativas para proveitar a energía é a aplicação de tratamentos anaeróbios, sendo uma das tecnologias mais usadas com os residuos sólidos, líquidos , e também as águas residuais. O lacstosuero é considerado um substrato com um elevado potencial para a geração de biogás, é por isso que têm sido aplicado em diferentes estudos. No entanto, apresenta dificuldades devido à sua tendência para a acidificação e a limitação de nutrientes que poden causar falhas durante o processo. Por esta razão, temos promovido outras alternativas, tais como os processos de co-digestão com outros materiais ou a fermentação escura orientada para a produção de hidrogénio. Este artigo centra-se numa revisão blibliográfica dos principáis trabalhos que têm sido desenvolvidos aplicando os processos acima descritos, com uma apresentação dos resultados mais relevantes obtidos considerando a influência das condições de operação e os fatores que afetam à produção.

Palabras-chave: soro de leite, biogás, hidrogênio, fermentação.

Cita: Fernández Rodríguez C, Martínez Torres EJ, Morán Palao A, Gómez Barrios X. Procesos biológicos para el tratamiento de lactosuero con producción de biogás e hidrógeno. Revisión bibliográfica. rev.ion. 2016;29(1):47-62.

La Industria Alimentaria es uno de los principales sectores industriales de la economía mundial. Dentro de esta categoría, el sector lácteo abarca la actividad dedicada a la elaboración de productos procedentes de la leche, destacando el queso, con una producción mundial de 21,3 millones de ton/año [1].
Durante el proceso de elaboración del queso se genera como subproducto el lactosuero. Se trata de la fracción líquida de la leche que se obtiene tras la precipitación y recuperación de la caseína. Este subproducto, supone aproximadamente un 85-95% del volumen total de la leche empleada y en el se estima una retención del 55% de los nutrientes [2]. La producción se establece alrededor de 9L por cada kg de queso producido [2], por lo que se considera que constituye el principal subproducto de la industria quesera.
Debido a su alto contenido en materia orgánica, el lactosuero debe de ser recuperado y recogido para su adecuada gestión. En el caso de ser vertido directamente al medio acuático o al terreno, se trataría de un importante contaminante. Asimismo, su vertido a la red de saneamiento podría suponer un problema de saturación de las estaciones de depuración de aguas residuales (EDARs).
A pesar de la existencia de varias alternativas tecnológicas para la recuperación de los compuestos de interés, existe una cantidad considerable de producto que permanece inutilizado. Por lo tanto es necesario incentivar su recuperación para reducir los posibles problemas de contaminación ambiental derivados de un vertido incontrolado [3].
Entre las opciones de tratamiento disponibles, se encuentran los procesos biológicos anaerobios. Éstos se caracterizan por la transformación del contenido en materia orgánica en productos de valor añadido como el biogás o el hidrógeno, y sus aplicaciones como biocombustibles.
El principal objetivo de este trabajo ha sido realizar una revisión bibliográfica de los principales estudios elaborados relacionados con la digestión anaerobia y la fermentación oscura, incluyendo una descriptiva de los diferentes procesos y las tecnologías más empleadas.

Aplicaciones del lactosuero
El lactosuero es un producto susceptible de ser valorizado por su contenido en compuestos de interés que pueden ser recuperados. En la Figura 1, se representan algunos de los nutrientes que contiene: lactosa, proteínas, sales minerales, ácido láctico y grasas. Además, también se distinguen cantidades apreciables de otros componentes como ácido cítrico, compuestos de nitrógeno no proteico (urea y ácido úrico) y vitaminas [4].

Con objeto de que se puedan recuperar se aplican tanto tratamientos físico-químicos como biológicos (Figura 2). Posteriormente, algunas de las alternativas planteadas para su aprovechamiento son: aplicación para alimentación animal, alimentación humana, producción de fertilizantes, recuperación de compuestos de interés y valorización energética.
Tradicionalmente, el lactosuero se ha destinado a la alimentación del ganado, principalmente de tipo porcino. Debido a su elevado contenido en agua, es recomendable su concentración en plantas de secado con el objetivo de facilitar su manejo y transporte. De esta forma, mediante la obtención de lactosuero en polvo, se facilita su incorporación en la dieta animal junto con los piensos.
En relación con la aplicación para la alimentación humana, la elaboración de queso a partir de lactosuero es una técnica frecuentemente realizada en países del Mediterráneo. Se distinguen diferentes variedades según el origen de la leche, el tipo de suero o el proceso de elaboración. En función de la región de fabricación, se distinguen los quesos denominados "Ricotta" o "Requesón", elaborados en Italia y España respectivamente [7].

En alimentación también es habitual su empleo como aditivo durante la elaboración de yogures, helados y otro tipo de postres lácteos. Igualmente, es utilizado en la industria cárnica, pastelera,en fabricación de bebidas para deportistas o alimentos infantiles [2].
Otro tipo de utilización comprende su uso como fertilizante aprovechando su alto contenido en agua y nutrientes que sirven como complementos para los cultivos. Sin embargo, su aplicación debe ser controlada para evitar posibles daños en la estructura físico-química del suelo, derivados del contenido en sales, sólidos y grasas [8]
En el caso del aprovechamiento industrial, éste se orienta al fraccionamiento de sus principales componentes para la recuperación de las proteínas y la lactosa. La incorporación de plantas destinadas a este fin es una alternativa viable en el caso de industrias con volúmenes elevados de producción. No obstante, en industrias de dimensiones más reducidas, estos sistemas suponen un elevado coste económico y se opta por la recogida y entrega del lactosuero para su tratamiento posterior en instalaciones externas.
El compuesto mayoritario, la lactosa, es un disacárido que se encuentra presente en todos los tipos de leche. Está constituida por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa, que pueden ser igualmente recuperadas mediante tratamientos de hidrólisis [9]. El procedimiento habitual es la cristalización de suero concentrado o de suero desproteinizado por ultrafiltración (suero permeado). El producto que se obtiene es una melaza que puede ser secada y utilizada como pienso para animales. Este pienso puede revalorizarse si se desaliniza la melaza y se realiza una adición de proteínas. También, otra posible opción es purificar la lactosa para aplicaciones en procesos farmacéuticos. Otra alternativa es someter la lactosa a un tratamiento de fermentación biológica para la producción de ácido láctico. Ésta es llevada a cabo por microorganismos como Lactobacillus helveticus o Lactobacillus casei [10]. Se trata de un compuesto con múltiples aplicaciones como conservante y acidulante en bebidas, alimentos, detergentes, cosméticos y productos farmacéuticos [11].
El segundo compuesto de interés son las proteínas. Se aíslan mediante técnicas de precipitación, procesos de separación por membranas o cromatografía. Su recuperación se orienta a la reutilización en el propio proceso de elaboración del queso, o bien para aplicaciones en otros procesos industriales de alimentación. Por otra parte, se pueden someter a operaciones de separación y purificación con el objetivo de obtener proteínas de mayor pureza para aplicaciones en la industria farmacéutica [12].
Por último, el lactosuero debido a su contenido en lactosa adquiere un considerable contenido en materia orgánica que le convierte en un sustrato susceptible de ser valorizado energéticamente mediante la aplicación en procesos biológicos de fermentación. En función de las condiciones de operación y los microorganismos empleados hay diferentes alternativas de tratamiento. Entre las posibilidades, se pueden aplicar procesos de fermentación alcohólica, orientados a la obtención de etanol, digestión anaerobia para la producción de biogás, fermentación oscura para la obtención de hidrógeno o procesos de dos etapas combinadas para generar ambos.
La fermentación alcohólica para producir etanol ha sido estudiada por diferentes autores, empleando lactosuero bruto [13], lactosuero permeado de ultrafiltración [14] o soluciones preparadas con lactosuero en polvo [15]. En este tratamiento se requiere la utilización de cultivos específicos de microorganismos capaces de metabolizar la lactosa como Torula cremoris, Kluyveromyces fragilis o Saccharomyces cerevisae [16] o puede ser necesario incluir un tratamiento enzimático previo [5]. El etanol producido se puede utilizar en la industria alimentaria, química, farmacéutica o como combustible [17]. Por otro lado, la fermentación alcohólica del lactosuero orientada a la producción de butanol también ha sido estudiada recientemente de cara a su uso como biocombustible [18,19].

Digestión anaerobia
A lo largo de los últimos años la digestión anaerobia ha recibido una notable atención por la comunidad técnica y científica debido al marco legislativo implantado en los diferentes países, mediante el establecimiento de restricciones específicas sobre el vertido de residuos junto con medidas incentivadoras del reciclaje y la producción de energía a partir de fuentes renovables.
La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, mediante la acción de un determinado grupo de bacterias en ausencia de oxígeno, se descompone generando biogás y digestados. El biogás es un producto gaseoso compuesto mayoritariamente por CH₄ y CO₂, con proporciones que pueden variar entre un 50 y un 70% de CH₄ [20]. Además también puede incluir H₂, SH₂ y otros gases. Este producto puede utilizarse como combustible en calderas, motores o turbinas para generación de calor o electricidad. Por otra parte, el digestado es un subproducto que contiene una mezcla de compuestos minerales que permiten su aplicación como fertilizante orgánico en cultivos agrícolas [21].
El proceso global que tiene lugar es complejo. Se trata del resultado de varias reacciones que tienen lugar de forma secuencial o simultánea mediante el consorcio de diferentes grupos microbianos. En la Figura 3, se representa un esquema en el que se diferencian las principales etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Durante la hidrólisis, la materia orgánica compleja es transformada en moléculas de menor peso molecular como azúcares, alcoholes, aminoácidos y ácidos grasos. A continuación, se produce su fermentación generando ácidos grasos volátiles entre los que destacan compuestos como el ácido acético, propiónico o butírico. Asimismo, también se pueden detectar otro tipo de productos como el etanol, hidrógeno y dióxido de carbono. Posteriormente, mediante la intervención de las bacterias acetogénicas, se produce la conversión a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono de los productos de la fermentación. Por último, en la metanogénesis, los productos anteriores se transforman en metano y dióxido de carbono. En esta etapa intervienen dos tipos principales de bacterias: las bacterias metanogénicas hidrogenofílicas, que utilizan el hidrógeno para reducir el dióxido de carbono y producir metano y las bacterias metanogénicas acetoclásticas que hidrolizan el acetato oxidando el grupo carbonilo a dióxido de carbono y reduciendo el grupo metilo a metano [22].

El lactosuero debido a su elevado contenido en materia orgánica, reducida alcalinidad y tendencia a acidificar rápidamente, se ha identificado como un sustrato de difícil tratamiento en digestores anaerobios, especialmente en reactores que operan con cargas orgánicas de alimentación altas [23]. Por ello, se plantea la necesidad de adicionar una dosis inicial de alcalinidad o una dosificación a lo largo del proceso [24]. Sin embargo, el desarrollo y mejora de los sistemas de tratamiento anaerobio ha demostrado que se trata de un sustrato válido e interesante para su valoración energética mediante esta tecnología.
Se han realizado diversos estudios de digestión anaerobia a escala de laboratorio y piloto, utilizando diferentes tipos de reactores, variando regímenes de operación y temperatura [25]. Durante los últimos años se han publicado varios trabajos que describen las principales opciones de tratamiento y aprovechamiento del lactosuero, incluyendo la valorización energética [2,5,25,26]. Los reactores que se han utilizado más frecuentemente son los de flujo ascendente con lecho/manto de lodos, conocidos por las siglas UASB, (siglas en inglés de "upflow anaerobic sludge blanket"). También es frecuente la utilización de los filtros anaerobios, principalmente de flujo ascendente (UAF), (siglas en inglés "upflow anaerobic filter").
En los reactores UASB, los microorganismos adoptan la estructura de lodo granular, agregándose para formar flóculos y gránulos que sedimentan fácilmente. Estos reactores han sido recomendados para el tratamiento de residuos lácteos ya que permiten el tratamiento de elevados volúmenes de alimentación en cortos periodos de tiempo [26]. Varios autores han publicado trabajos aplicando este tipo de sistemas, que se encuentran resumidos en la Tabla 1 [27-30]. En los filtros anaerobios, la biomasa se encuentra adherida a la superficie de un medio inerte en forma de bio-película, o bien retenida en forma de lodo floculado o granulado. Algunos de los problemas que presentan este tipo de reactores y limitan su eficiencia son derivados de un exceso de acumulación de biomasa que origina la inundación o la aparición de zonas muertas. El UAF presenta el inconveniente de que la mayor parte de la biomasa fermentativa se acumula en la parte inferior debido a que es la zona en la que se establece el primer contacto con la alimentación. Con el objetivo de reducir esta tendencia, se ha optado por la utilización de filtros con múltiples entradas para la distribución de la alimentación [33].
Para intentar remediar algunos de los problemas de este tipo de reactores, como es el caso de los largos periodos de tiempo necesarios para el arranque, se han propuesto reactores híbridos, como el UASFF (siglas en inglés de "up-flow anaerobic sludge fixed film"), en los que se combinan los reactores UASB y los filtros anaerobios. Este tipo de sistemas han sido aplicados para el tratamiento de residuos lácteos [34]. Malaspina et al. [23], desarrollaron un reactor híbrido de flujo ascendente y descendente específicamente orientado para el tratamiento de lactosuero. A partir de los resultados diseñaron, construyeron y pusieron en funcionamiento una planta piloto para el tratamiento de 5m³/d en una quesería en la isla de Cerdeña (Italia). Parra et al. [35], propusieron un sistema de dos etapas biofiltro-UASB para el tratar cargas puntuales de lactosuero. También se ha planteado la utilización de reactores de bio-película móvil, en los que la biomasa crece adherida sobre un soporte plástico móvil [36].
El reactor continuo de tanque agitado (CSTR), (siglas en inglés de "continuously stirred tank reactor") también se ha utilizado para el tratamiento de lactosuero diluido y soluciones sintéticas de lactosuero. No obstante, debido al lento crecimiento de los microorganismos metanogénicos, este tipo de reactores presenta rendimientos de conversión de materia orgánica decrecientes, 58-18%, al reducir el tiempo de retención hidráulica (TRH) [37]. Sin embargo, modificando la temperatura y operando en régimen termofílico se puede conseguir un incremento significativo en la conversión tal y como lo demuestran los resultados obtenidos por Yang et al. [24], quienes consiguieron conversiones de demanda química de oxígeno (DQO) comprendidas entre 94,6-96,4%.

Gavala et al. [30] realizaron una comparativa de los reactores UASB y CSTR para el tratamiento de lactosuero. Demostraron que para concentraciones superiores a 40-42gDQO/L, el TRH necesario en un UASB era relativamente alto por lo cual en estas condiciones, la aplicación de un reactor CSTR podría ser recomendable. Debido a las oscilaciones de concentración que puede presentar el lactosuero, Kim et al. [40] decidieron realizar pruebas en un reactor CSTR con aumentos o choques de carga orgánica puntuales. Comprobaron que si se controlaba el pH por encima de 7, la carga se podía aumentar hasta 8gDQO/Ld sin desestabilizar el sistema. Por el contrario, sin controlar el pH, la resistencia del sistema era menor, produciéndose fallos con cargas inferiores (3gDQO/Ld).
Los reactores anaerobios secuenciales (ASBR) (siglas en inglés de "anaerobic sequencing batch reactor") son otra modalidad que ha sido empleada [41-44]. Operan mediante un régimen semi-continuo, contando con una etapa de alimentación, reacción, sedimentación (para la separación de la biomasa granular del líquido tratado) y finalmente una fase de descarga, en donde el sobrenadante es retirado. Se ha podido reducir el TRH hasta 6 horas, consiguiéndose conversiones de DQO y de demanda biológica de oxígeno 5d (DBO₅) del 62 y el 75%, respectivamente [41].

Göblos et al. [42], utilizaron lactosuero bruto y acidificado en ASBR sin control de pH, tras una fermentación previa con Kluyveromyces lactis. El TRH se redujo de 40 a 5 días con variaciones en la carga orgánica de 1,6-12,8gDQO/Ld. Observaron un descenso de la tasa de eliminación de DQO al aumentar la carga de alimentación y ésta fue mayor empleando lactosuero acidificado. En cambio, Fernández et al. [43], seleccionaron este tipo de reactor, pero optaron por un régimen de temperatura termofílica. Mediante esta estrategia, lograron reducir el TRH hasta 8,3 días y obtuvieron un rendimiento de producción de 314,5LCH₄/kgDQO.

Co-digestión anaerobia
Si se aplica la modalidad de tratamiento simultáneo de varios residuos, se lleva a cabo el proceso denominado co-digestión anaerobia. La ventaja más relevante, es el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas al compensarse las carencias de la digestión por separado de cada uno de los sustratos. Como resultado, se incrementa el potencial de producción de biogás y se evitan problemas de inhibición. Además, se unifica la gestión de los residuos al compartir las instalaciones y se reducen costes de inversión y explotación [45].
La utilización del lactosuero en procesos de co-digestión se ha propuesto como una alternativa para evitar algunos de los posibles problemas derivados de su reducido contenido en alcalinidad o nutrientes. La mayoría de los trabajos publicados se han orientado a la co-digestión con residuos ganaderos [46-49]. Esta categoría de residuos se caracteriza por su reducido contenido en materia orgánica frente al nitrógeno, favoreciendo reducidas relaciones C/N. Sin embargo, en su composición hay presencia tanto de micro como macronutrientes, necesarios para el crecimiento de los microorganismos anaerobios, así como suficiente alcalinidad para evitar problemas de acidificación [50].
Los principales reactores utilizados son de tipo CSTR, pero sin embargo mediante la aplicación de reactores UASB se han podido obtener mayores producciones de gas [50-51]. Bertin et al. [52], aplicaron un sistema de dos fases para la co-digestión con estiércol y lactosuero. Realizaron pruebas para determinar la proporción de mezcla más adecuada y compararon la operación de un sistema en continuo de 2 fases frente a un digestor individual. Se detectó una notable mejoría con el sistema de 2 fases que permitió registrar una producción de 258mLCH₄/gSV.
Se han llevado a cabo estudios para cuantificar la generación de los principales residuos agroindustriales en zonas concretas y evaluar su posible tratamiento mediante co-digestión. En el caso del trabajo realizado en la región de Puglia (Italia), se seleccionó una mezcla de sueros lácteos con residuos de producción de aceite de oliva y se realizaron ensayos en un reactor de capacidad 2m³. Obtuvieron resultados de producción de 1,23LCH₄/Ld, que consideraron favorables de cara a una futura construcción de una planta a escala industrial [53].
También, se han obtenido resultados favorables aplicando lactosuero como co-sustrato para mejorar la productividad de los digestores anaerobios de lodos de EDAR, con el fin de favorecer instalaciones energéticamente autosuficientes o incluso que puedan exportar el excedente de energía a la red [54-56].

Producción de hidrógeno
La obtención de hidrógeno ha suscitado interés como alternativa a los combustibles tradicionales debido a su elevado poder calorífico, 141,8MJ/kg, casi tres veces superior que el del metano [57]. Del mismo modo, es distintivo el carácter limpio asociado a su combustión, con la generación exclusiva de agua y dióxido de carbono como productos.
Habitualmente, la producción de hidrógeno se lleva a cabo mediante la aplicación de procesos térmicos o electroquímicos a partir de combustibles fósiles, biomasa o agua. Igualmente, existe la vía biológica en la que microorganismos específicos producen hidrógeno junto con el resto de productos de la fermentación. En la Figura 4, se presentan los principales métodos biológicos utilizados: biofotólisis, fotofermentación, celdas de electrólisis microbiana (MEC) o fermentación oscura. La principal diferencia entre ellos es la dependencia de la luz para su desarrollo.
La producción de hidrógeno por fermentación de compuestos orgánicos en condiciones anaerobias es posible mediante la aplicación del proceso conocido como fermentación oscura. Se trata de una tecnología que ha sido evaluada por diversos autores debido a la similitud y experiencia adquirida en los procesos de digestión anaerobia para la obtención de biogás [59].
En la fermentación oscura, el hidrógeno es un producto formado junto con los ácidos grasos volátiles durante la transformación de la materia orgánica. Intervienen bacterias estrictamente anaerobias o anaerobias facultativas, como las especies del género Clostridium o Enterobacter sp [60]. Se trata de un proceso complejo, influenciado por varios factores que van a condicionar el crecimiento y mantenimiento de los microorganismos involucrados. Los más relevantes son: el tipo de inóculo, pH, temperatura, sustrato o tipo de reactor [60].

La producción de H₂ utilizando lactosuero como sustrato ha sido estudiada por diferentes autores. Se diferencian publicaciones de trabajos en régimen discontinuo y continuo empleando principalmente reactores tipo CSTR [61-63], UASB [64-65] y reactores empaquetados [66-67].
Los principales trabajos desarrollados en modo discontinuo, se encuentran resumidos en la Tabla 2. La influencia del pH debido a su importancia en la actividad de los microorganismos ha sido estudiada por varios autores intentando establecer un valor que optimice el rendimiento de producción. Ferchichi et al. [68], realizaron pruebas de fermentación de lactosuero con C.saccharoperbutylacetonicum evaluando la influencia del pH inicial sobre el potencial de producción de hidrógeno, los tiempos de retardo y la duración de la fermentación. En el estudio mencionado se obtuvieron los mejores resultados para un pH inicial de 6. Davila Vazquez et al. [69], aplicaron un cultivo mixto como inóculo y realizaron un diseño de experimentos analizando el efecto del pH y la concentración inicial de sustrato. De nuevo, obtuvieron resultados satisfactorios para pH 6. Yang et al. [61], también optaron por esta opción de inóculo en los ensayos que realizaron aplicando diferentes relaciones de concentración inóculo/sustrato inicial.
Otro parámetro de interés es la temperatura de la fermentación. Lo más habitual es la operación en régimen mesofílico (35°C). Sin embargo, hay algunos trabajos en los que se ha optado por aplicar régimen termofílico (55°C), obteniendo como resultado mejores rendimiento de producción [70-71].
La importancia de la microbiología de la fermentación ha suscitado el interés en varias investigaciones. Rai et al. [72], mejoraron los rendimientos de producción a partir de lactosuero a través de la inmovilización de Enterobacter aerogenes, Rosales Colunga et al. [73], plantearon la posibilidad de manipular genéticamente cepas de Escherichia coli con esta misma finalidad. Por otro lado, también se han probado nuevas técnicas de pretratamiento como la denominada cavitación hidrodinámica [74] para favorecer a las especies productoras de H₂.
La posibilidad de mejorar el rendimiento de producción mediante la realización de la fermentación de una mezcla de varios substratos resulta una alternativa de interés. Recientemente, se han llevado a cabo pruebas de co-fermentación de lactosuero con restos de fruta que han permitido producir 449,8mLH₂/gDQO [75].

El régimen discontinuo no resulta práctico para aplicaciones industriales, por lo que habitualmente únicamente se emplea en los experimentos de laboratorio como paso previo al escalado en régimen continuo. En la Tabla 3, se muestran los estudios que se han realizado en régimen continuo. Generalmente, se han centrado en la evaluación de diferentes condiciones de operación modificando las variables características de temperatura, carga orgánica o tiempo de retención hidráulica (TRH) [61-63]. En estos sistemas el empleo de cultivos mixtos de bacterias es aconsejable debido a que se facilita la operación y control de los sistemas. Sin embargo, el principal problema que se ha manifestado es la reducción de la producción de H₂ debido a la presencia de bacterias consumidoras de hidrógeno, homoacetogénicas o metanogénicas hidrogenofílicas, además de bacterias que desarrollan fermentaciones propiónicas o lácticas, sin producción de hidrógeno [64,66,67]. Por este motivo, se han propuesto diferentes pretratamientos, entre lo que destaca el choque térmico tanto en el inóculo como en el sustrato [62,63,65] para favorecer la permanencia de bacterias con capacidad de producir endoesporas, como Clostridium. En muchos de los trabajos se han realizado análisis de identificación de las poblaciones microbianas mediante técnica PCR-DGGE para poder disponer de mayor información acerca de cómo se está desarrollando realmente la fermentación [62-67]
El efluente de los diferentes sistemas, se caracteriza por un elevado contenido en materia orgánica en forma de ácidos grasos volátiles, por lo que es necesario la realización de un tratamiento secundario.
En el caso del lactosuero, lo más habitual han sido trabajos que contemplan una segunda etapa de digestión anaerobia [79-81]. Asimismo, se han realizado otro tipo experimentos con alternativas como las celdas de electrólisis microbianas [82] o los sistemas de fotofermentación [72].

Sistemas de digestión en dos etapas
La separación de la etapa de acidogénesis y metanogénesis, empleando procesos anaerobios de dos etapas se presenta como una alternativa apropiada para el tratamiento de lactosuero. Hay varios trabajos publicados que se enfocan hacia el aprovechamiento tanto de la producción de biogás como de H₂. Sin embargo, la mayoría se centran en añadir una primera etapa para mejorar el rendimiento de producción de biogás sin orientarse a la producción de hidrógeno.
Yilmazer et al. [83] utilizaron un reactor tipo CSTR para la acidificación y un filtro anaerobio para la metanogénesis. Aplicando un TRH de 24 horas en el primer reactor, se alcanzó una acidificación del 50%. Posteriormente, en el reactor metanogénico con un TRH de 4 días, se eliminó un 90% del contenido en DQO con una producción de biogás de 0,55m³/kgDQO.

Por otra parte, Gannoun et al. [32] acidificaron el lactosuero en presencia de Lactobacillus paracasei durante 20 horas. Posteriormente, el efluente se neutralizó y se trató en un reactor UAF. Estos autores, operando con un TRH de 2 días y cargas orgánicas de hasta 4gDQO/Ld alcanzaron una tasa de eliminación de DQO comprendida entre el 80-90%, acompañada de un rendimiento de producción de metano de 280L/kgDQO.
Empleando un sistema compuesto por dos reactores tipo CSTR, que incorpora una unidad de filtración de membrana para la recirculación en la segunda etapa, se consiguió operar con cargas de hasta 19,8gDQO/Ld con un eliminación de DQO del 79% [84].
Diamantis et al. [85], evaluaron un sistema de dos fases compuesto de un reactor CSTR para la acidificación, seguido de un reactor UASB para la metanización. Estos autores alcanzaron conversiones de biomasa de hasta un 90% con rendimientos de producción de metano de 0,37m³CH₄/kgDQOeliminado.
Los sistemas con producción diferenciada tanto de H₂ como de biogás han sido evaluados por varios autores. Antonopoulou et al. [80], estudiaron la digestión anaerobia de lactosuero en dos etapas empleando un reactor CSTR para la producción de H₂ y un reactor PABR (siglas en inglés de "periodic anaerobic baffled reactor") para la generación de metano, alcanzando una eliminación de la DQO del 94% para un TRH de 4 días.
Venetseneas et al. [81], evaluaron la influencia del pH durante la fase acidogénica. Los mejores resultados se obtuvieron operando con un TRH de 24 horas y corrigiendo el pH del sistema acidogénico mediante la adición de Na₂CO₃. Se detectaron rendimientos máximos de producción de H₂ de 0,78molH₂/mol glucosa consumida. El efluente de esta primera etapa, fue introducido en un reactor metanogénico en condiciones de TRH de 20 días alcanzando una producción de 6,7LCH₄/L alimentación, con una eliminación global de DQO del 95,3%.
Kisielewska [79], evaluó el funcionamiento de un sistema de 2 fases compuesto por 2 reactores UASB con un volumen de 4,5L cada uno para el tratamiento de permeado de lactosuero por ultrafiltración. La producción de H₂, operando con un TRH de 12 h, carga orgánica 20gDQO/Ld, alcanzó un valor de 0,97L/d mientras que el tratamiento del efluente en un reactor metanogénico con un TRH 3 días (carga orgánica 2gDQO/Ld) produjo 2,2LCH₄/d. Con esta configuración se consigue una eliminación global de DQO del 95%.
Fernández et al. [43], propusieron un sistema de un reactor de fermentación tipo CSTR seguido de un digestor anaerobio ASBR. Durante el ensayo, detectaron problemas en el funcionamiento del reactor metanogénico posiblemente asociados a un aumento del contenido en sodio y potasio derivado de la adición de alcalinidad en el reactor de fermentación para la corrección del pH.
Recientemente, para evitar este tipo de problemas, se está evaluando el proceso con mezclas de residuos. La co-digestión de una mezcla de lactosuero, residuos de producción de aceite de oliva y fracción líquida de estiércol de vacuno fue probada en un sistema de dos etapas. De esta manera, se pudo alcanzar una producción volumétrica de 1,72LH₂/L_Rd mientras que en el segundo reactor se generaron 0,33LCH₄/LR_d [86].
En otro trabajo similar se propuso la co-digestion de sorgo, lactosuero y fracción líquida de estiércol vacuno (55/40/5). Con esta mezcla se consiguió aumentar la producción, 2,14LH₂/L_Rd junto con 0,90LCH₄/L_Rd [87].

El lactosuero producido en la industria láctea, se caracteriza por ser un subproducto con un elevado contenido en materia orgánica. Debe ser correctamente gestionado para evitar problemas de contaminación como consecuencia de un vertido incontrolado. Entre las alternativas disponibles para su tratamiento, se encuentra la valorización energética la cual suscita un gran interés debido a la posibilidad de producir biocombustibles como el biogás o el hidrógeno. En este artículo, se ha realizado una revisión bibliográfica de trabajos en los que se han evaluado diferentes tratamientos biológicos con esta finalidad. La digestión anaerobia ha sido la opción más ampliamente aplicada. En general, la digestión anaerobia es un proceso complejo, el cual presenta varios inconvenientes que pueden impedir un adecuado desarrollo de la digestión como son: la rápida acidificación y en ocasiones el limitado contenido en nutrientes. Ante esto, se ha optado por la utilización del lactosuero mezclado con otros sustratos en sistemas de co-digestión anaerobia. Esta opción ha permitido conseguir resultados favorables, principalmente cuando se emplea en combinación con residuos ganaderos. Por último, otra alternativa estudiada ha sido la fermentación oscura para producción de hidrógeno. En la actualidad, se trata de una tecnología prometedora en la que únicamente se han desarrollado trabajos experimentales a escala laboratorio. Por lo tanto, es necesaria la realización de más estudios orientados a la operación en régimen continuo a gran escala que permitan establecer el control necesario de las condiciones de funcionamiento para favorecer la estabilidad de las poblaciones microbianas con el objetivo de mejorar los rendimientos de producción de hidrógeno.

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