Los procesos biológicos han sido utilizados desde hace mucho tiempo para el tratamiento de aguas residuales. Estos se pueden dividir en procesos aerobios, en los cuales el oxígeno está presente y anaerobios, que actúan en ausencia de oxígeno. Durante el tratamiento de residuos por vía anaerobia, la materia orgánica es transformada en una mezcla, principalmente, de metano y bióxido de carbono a la que se le conoce como biogás.
Entre las principales ventajas de emplear procesos anaerobios en el tratamiento biológico de aguas residuales están los bajos costos de operación de la planta, la capacidad de tratar altas concentraciones de contaminantes, la resistencia de los microorganismos a los cambios, además de los bajos requerimientos nutricionales y el potencial para generar productos energéticos como el metano presente en el biogás.
Recientemente, se ha observado que también se pueden emplear los procesos anaerobios para la producción de hidrógeno. El principal interés en el uso del hidrógeno es su alto poder calorífico (120 MJ/kg). Por ejemplo, el valor energético de un kg de hidrógeno es equivalente al de 2.4 kg de metano o 2.75 veces más energía que los hidrocarburos.
El hidrógeno producido por microorganismos anaerobios tiene el potencial para ser un vector energético limpio, que se suma a las otras fuentes de energía renovables. En la fermentación oscura —como se conoce al proceso productor de hidrógeno— se produce biogás, el cual es una mezcla de hidrógeno y bióxido de carbono.
En los procesos anaerobios tradicionales se produce hidrógeno, sin embargo, éste es utilizado inmediatamente por los microorganismos consumidores de hidrógeno como las bacterias metanogénicas que producen metano. Por lo tanto, la cantidad de hidrógeno presente en la fase gas es insignificante. No obstante, cuando se inhiben las bacterias consumidoras de hidrógeno, la cantidad de H2 formada bajo condiciones apropiadas se puede incrementar significativamente. Se han reportado porcentajes de hidrógeno en la fase gas de hasta de 70%, siendo el resto principalmente bióxido de carbono.
Se ha observado que los principales grupos de microorganismos generadores de hidrógeno por este proceso son Enterobacter, Bacillus y Clostridium. La producción de hidrógeno se ha estudiado utilizando una gran variedad de residuos tanto líquidos como sólidos. Por ejemplo, se ha obtenido a partir de residuos de fácil biodegradabilidad como los son las aguas de la industria azucarera y de almidones, industrias de fabricación de alcohol, vinazas tequileras, materiales celulósicos y desechos de la industria papelera.
También se han utilizado las aguas residuales del procesamiento de alimentos (arroz, trigo, maíz, lácteos, etc.) e incluso a partir de aguas complejas o de carácter inhibitorio, como las de la industria química que contiene fenoles. Otras alternativas son el utilizar la fracción orgánica proveniente de los residuos sólidos municipales, los lodos residuales de las plantas tratadoras o material lignocelulósico hidrolizado.
Además de la fermentación oscura antes descrita, existen otros procesos que utilizan la luz para generar hidrógeno. Entre los procesos en fase luminosa se encuentran las algas y las bacterias foto-fermentativas. Estos se conocen como foto-procesos y pueden utilizar la luz solar. En los procesos de fermentación oscura, además de hidrógeno, se generan compuestos que sirven de alimento a las bacterias foto-fermentativas. Acoplando ambos procesos se puede incrementar la producción de hidrógeno. El reto actual es escalar la tecnología acoplada para su uso comercial.
