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MANUAL DE BIOGS

MINENERGIA / PNUD / FAO / GEF

Editado por:Proyecto CHI/00/G32Chile: Remocin de Barreras para la Electrificacin Rural con Energas Renovables.

Ministerio de Energa Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo Organizacin de las Naciones Unidas para la Alimentacin y la Agricultura Global Environment Facility

Las denominaciones empleadas en este producto informativo y la forma en que aparecen presentados losdatos que contiene no implican, por parte de la Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y

la Alimentacin (FAO), juicio alguno sobre la condicin jurdica o nivel de desarrollo de pases, territorios,ciudades o zonas, o de sus autoridades, ni respecto de la delimitacin de sus fronteras o lmites. La mencinde empresas o productos de fabricantes en particular, estn o no patentados, no implica que la FAO losapruebe o recomiende de preferencia a otros de naturaleza similar que no se mencionan.

Las opiniones expresadas en esta publicacin son las de su(s) autor(es), y no reflejan necesariamente lospuntos de vista de la FAO.

ISBN 978-95-306892-0

Todos los derechos reservados. La FAO fomenta la reproduccin y difusin del material contenido en esteproducto informativo. Su uso para fines no comerciales se autorizar de forma gratuita previa solicitud.

La reproduccin para la reventa u otros fines comerciales, incluidos fines educativos, podra estar sujeta apago de tarifas. Las solicitudes de autorizacin para reproducir o difundir material de cuyos derechos de autorsea titular la FAO y toda consulta relativa a derechos y licencias debern dirigirse por correo electrnico a:[email protected], o por escrito al Jefe de la Subdivisin de Polticas y Apoyo en materia de Publicaciones,Oficina de Intercambio de Conocimientos, Investigacin y Extensin, FAO, Viale delle Terme di Caracalla,00153 Roma (Italia).

FAO 2011

Preparacin del Manual de Biogs:Prof. Mara Teresa Varnero Moreno

Diseo y diagramacin:[email protected]

Santiago de Chile, 2011


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INDICE

PRESENTACIN .........................................................................................................................5

INTRODUCCIN..........................................................................................................................7

1. PROCESOS DE BIODIGESTIN ..........................................................................................11

1.1 Digestin aerbica ...........................................................................................................11 1.2 Digestin anaerbica .......................................................................................................12

2. FUNDAMENTOS DE LA FERMENTACIN METANOGNICA .............................................17

2.1 Etapas de la fermentacin metanognica ........................................................................17 2.2 Microorganismos involucrados en cada fase de digestin anaerbica ..........................20 2.3 Beneficios ambientales de la biodigestin anaerbica ...................................................23

3. FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO METANOGNICO(PRODUCCIN DE BIOGS) ...............................................................................................27

3.1 Naturaleza y composicin bioqumica de materias primas. ............................................27

3.2 Relacin carbono/nitrgeno de las materias primas. ......................................................33 3.3 Niveles de slidos totales y slidos voltiles. ..................................................................34 3.4 Temperatura ....................................................................................................................36 3.5 Tiempo de retencin hidrulico (TRH) y velocidad de carga orgnica.............................39 3.6 Rangos de pH y alcalinidad .............................................................................................40 3.7 Nutrientes (niveles de sales) ............................................................................................43 3.8 Potencial redox ................................................................................................................44

3.9 Txicos e inhibidores de la metanognesis .....................................................................44 3.10 Promotores de la metanognesis (inoculantes biolgicos) ............................................48

4. USOS DEL BIOGS ..............................................................................................................53

4.1 Principios de la combustin ............................................................................................53 4.2 Aplicaciones del biogs ...................................................................................................53 4.3 Purificacin o acondicionamiento del biogs ...................................................................55 4.4 Artefactos y adaptaciones necesarias..............................................................................62

5. USOS DEL RESIDUO BIOFERMENTADO O LODOS DEDIGESTIN Y DE LOS EFLUENTES ....................................................................................67

5. 1. Acondicionador...............................................................................................................68 5.2. Biofertilizante .................................................................................................................69 5.3 Lodos de digestin anaerbica .......................................................................................70 5.4 Efluentes del biodigestor ..................................................................................................70 5.5 Usos de bioabono para recuperacin de suelos degradados. .........................................72


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6. TIPO Y GESTIN DE BIODIGESTORES .............................................................................77 6.1 Componentes de un digestor anaerbico ........................................................................77 6.2 Configuraciones de un reactor anaerbico para la produccin de bioenerga ................81 6.3 Clasificacin de los bioreactores o biodigestores anaerbicos........................................82

6.4 Digestor de mezcla completa ...........................................................................................89 6.5 Otros sistemas ................................................................................................................91

7. PRINCIPALES DIGESTORES EN EL MEDIO RURAL ..........................................................95

7.1. Modelo Chino. .................................................................................................................96 7.2. Modelo Indiano................................................................................................................97 7.3 Biodigestores Horizontales. .............................................................................................98 7.4 Digestor Batch (discontinuo o rgimen estacionario).......................................................98 7.5 Otros tipos de biodigestores. .........................................................................................100 7.6 Consideraciones de construccin y estimacin de costos. ............................................101

8. TECNOLOGA DEL BIOGAS: FUNCIONAMIENTO YESQUEMA OPERATIVO DE UN BIODIGESTOR. ..............................................................105

8.1 Clculos de cargas en funcin de materias primas .......................................................105 8.2 Capacidad de la planta de biogs. .................................................................................106 8.3 Localizacin y diseo del digestor..................................................................................106 8.4 Etapa de arranque .........................................................................................................107 8.5 Etapa de operacin ........................................................................................................110 8.6 Mantencin.....................................................................................................................111 8.7 Estudio de caso..............................................................................................................112

REFERENCIAS .......................................................................................................................115


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PRESENTACIN

Esta publicacin es un esfuerzo conjunto del Ministerio de Energa del Gobierno de Chile, LaOrganizacin de la Naciones Unidas para la Alimentacin y Agricultura, y el Programa de las

naciones Unidad para el desarrollo, con el n de contribuir al uso y fomento de las energasrenovables no convencionales .

El biogs, como fuente de energa renovable, ha despertado un gran inters en los ltimos aos,siendo tal vez una de las tecnologas de ms fcil implementacin, sobre todo en sectoresrurales. Su potencial desarrollo, no solo considerando la produccin de biogs, sino que comoayuda a la obtencin de biofertilizante y tratamiento de problemas sanitarios en algunos casos,hacen que replicabilidad y difusin en los sectores con abundancia de materia orgnica dedesecho sea atractivo.

Esperamos que esta publicacin contribuya al desarrollo e implementacin de proyectos conesta tecnologa, y que esto se traduzca en un mejoramiento de la calidad de vida de las personas

y haga nuestro entorno ms sustentable.


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INTRODUCCIN

Cuando a nales del siglo XVIII el fsico italiano Alessandro Volta identic por primera vez elmetano (CH4) como el gas inamable en las burbujas que emergan de los pantanos, no se pudo

imaginar la importancia que este gas podra llegar a tener para la sociedad humana en los siglosvenideros.

El metano alcanz una especial importancia durante la segunda guerra mundial debido a laescasez de combustibles. Con el n de la guerra y la fcil disponibilidad de combustibles fsiles,la mayora de las instalaciones fueron cesando en su funcionamiento. Sin embargo, en India, acomienzos de la dcada de los 60, se impuls notablemente la tecnologa de produccin de biogsa partir de estircol bovino con el doble propsito del aprovechamiento energtico y la obtencinde un biofertilizante. En China, a inicios de la dcada de los 70, se ha fomentado la construccinde digestores, mediante programas de mbito nacional. En los pases industrializados lahistoria de la tecnologa de biodigestin ha sido diferente y el desarrollo ha respondido msbien a motivaciones medioambientales que puramente energticas, constituyendo un mtodo

clsico de estabilizacin de lodos activos de las plantas de tratamiento de aguas residualesdomiciliarias. Durante la dcada de los ochenta, volvi a adquirir cierta importancia como formade recuperacin energtica en explotaciones agropecuarias y agroindustriales. Sin embargo,con la disminucin de los precios del petrleo, a nales de los aos ochenta, el inters por latecnologa de digestin anaerbica volvi a decaer, aunque en algunos pases industrializadosse han desarrollado importantes programas de desarrollo de plantas anaerbicas a escalaindustrial y domstica. En la actualidad, el biogs se utiliza en todo el mundo como una fuente decombustible tanto a nivel industrial como domstico. Su explotacin ha contribuido a impulsar eldesarrollo econmico sostenido y ha proporcionado una fuente energtica renovable alternativaal carbn y el petrleo.

La actividad agropecuaria y el manejo adecuado de residuos rurales pueden contribuir

signicativamente a la produccin y conversin de residuos animales y vegetales (biomasa)en distintas formas de energa. Durante la digestin anaerbica de la biomasa, mediante unaserie de reacciones bioqumicas, se genera el biogs, el cual, est constituido principalmentepor metano (CH4) y dixido de carbono (CO2). Este biogs puede ser capturado y usado comocombustible y/o electricidad. De esta forma, la digestin anaerbica, como mtodo de tratamientode residuos, permite disminuir la cantidad de materia orgnica contaminante, estabilizndola(bioabonos) y al mismo tiempo, producir energa gaseosa (biogs).

Desde una perspectiva de los pases desarrollados y en desarrollo, la biotecnologa anaerbicacontribuye a cumplir tres necesidades bsicas: a) Mejorar las condiciones sanitarias mediante elcontrol de la contaminacin; b) generacin de energas renovables para actividades domsticas;y c) suministrar materiales estabilizados (bioabono) como un biofertilizante para los cultivos. Por

lo tanto, la biotecnologa anaerbica juega un importante papel en el control de la contaminaciny para la obtencin de valiosos recursos: energa y productos con valor agregado.


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PROCESOS DE BIODIGESTIN


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1. PROCESOS DE BIODIGESTIN

El correcto manejo de los residuos orgnicos se logra a travs de diferentes tratamientos que implican un

reciclaje de estas materias orgnicas, transformndolas en productos con valor agregado. El reciclaje

de materia orgnica ha recibido un fuerte impulso con el alto costo de los fertilizantes qumicos, conla bsqueda de alternativas no tradicionales de energa, as como tambin, la necesidad de vas de

descontaminacin y eliminacin de residuos.

La poblacin microbiana juega un importante papel en las transformaciones de estos residuos

orgnicos especialmente si se considera que disponen de un amplio rango de respuestas frente a

la molcula de oxgeno, componente universal de las clulas. Esto permite establecer bioprocesos

en funcin de la presencia o ausencia de oxgeno, con el objeto de tratar adecuadamente diversos

residuos orgnicos.

1.1 Digestin aerbica

La digestin aerbica consiste en procesos realizados por diversos grupos de microorganismos,principalmente bacterias y protozoos que, en presencia de oxgeno actan sobre la materia orgnica

disuelta, transformndola en productos nales inocuos y materia celular.

Al comienzo, el proceso de digestin aerbica tuvo escasa aceptacin, debido a que se desconocan

sus principios fundamentales, adems de que encarecan los costos del tratamiento por la cantidad

adicional de energa necesaria para el suministro de aire al proceso. En contraste, los procesos

de digestin anaerbica permiten utilizar el metano generado como fuente de energa. La principal

ventaja del proceso aerbico es la simplicacin en las operaciones de disposicin de los lodos

comparada con la relativa complejidad operativa del proceso de digestin anaerbica.

La digestin aerbica es un proceso mediante el cual los lodos son sometidos a una aireacin

prolongada en un tanque separado y descubierto. El proceso involucra la oxidacin directa de lamateria orgnica biodegradable y la autooxidacin de la materia celular.

En las primeras fases del proceso de digestin aerbica, cuando una poblacin de microorganismos

se pone en contacto con una fuente ilimitada de sustrato, los microorganismos se reproducen con

una tasa de crecimiento poblacional logartmico que slo est limitada por su propia habilidad

de reproducirse. La tasa de consumo de oxgeno aumenta rpidamente debido a la absorcin y

asimilacin de materia orgnica para la sntesis de nueva masa protoplasmtica.

A medida que progresa la oxidacin de la materia orgnica disponible, la tasa de crecimiento

bacteriano empieza a disminuir. Las fuentes de carbono orgnico disponibles se hacen limitantes, y

por consiguiente, tambin se presenta una disminucin en la tasa de consumo de oxgeno. Cuando

la cantidad de materia orgnica disponible es apenas suciente para garantizar la subsistencia de lasdistintas especies de microorganismos, stos comienzan a autooxidarse mediante su metabolismo

endgeno.

La digestin aerbica presenta diversas ventajas dentro de las cuales destacan la facilidad de

operacin del sistema, bajo capital de inversin comparada con la digestin anaerbica, no genera


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olores molestos, reduce la cantidad de coliformes fecales y por lo tanto, de organismos patgenos,

produce un sobrenadante claricado con una baja DBO5, con pocos slidos y poco fsforo. El

proceso presenta tambin sus desventajas, entre las que se suele mencionar los altos costos de

operacin causados por los altos consumos de energa, la falta de parmetros y criterios claros

para el diseo y la dicultad que presentan los lodos digeridos aerbicamente para ser separadosmediante centrifugacin y ltracin al vaco.

1.2 Digestin anaerbica

La digestin anaerbica es un proceso biolgico complejo y degradativo en el cual parte de los

materiales orgnicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogs,

mezcla de dixido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias

que son sensibles o completamente inhibidas por el oxgeno o sus precursores (e.g. H2O

2). Utilizando

el proceso de digestin anaerbica es posible convertir gran cantidad de residuos, residuos vegetales,

estircoles, euentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas

industrias qumicas, en subproductos tiles. En la digestin anaerobia ms del 90% de la energa

disponible por oxidacin directa se transforma en metano, consumindose slo un 10% de la energaen crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aerbico.

En la digestin anaerbica, los microorganismos metanognicos desempean la funcin de enzimas

respiratorios y, junto con las bacterias no metanognicas, constituyen una cadena alimentaria que

guarda relacin con las cadenas enzimticas de clulas aerbicas. De esta forma, los residuos

orgnicos se transforman completamente en biogs que abandona el sistema. Sin embargo, el biogs

generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y

aprovechamiento del mismo.

El proceso anaerbico se clasica como fermentacin anaerbica o respiracin anaerbica

dependiendo del tipo de aceptores de electrones.

1.2.1 Fermentacin anaerbica

En una fermentacin anaerbica, la materia orgnica es catabolizada en ausencia de un aceptor

de electrones externo mediante microorganismos anaerbicos estrictos o facultativos a travs de

reacciones de oxidacin-reduccin bajo condiciones de oscuridad. El producto generado durante

el proceso acepta los electrones liberados durante la descomposicin de la materia orgnica. Por lo

tanto, la materia orgnica acta como dador y aceptor de electrones. En la fermentacin, el sustrato

es parcialmente oxidado y por lo tanto, slo una pequea cantidad de la energa contenida en el

sustrato se conserva.

La Figura 1.1 muestra la fermentacin anaerbica de glucosa en etanol. Es importante destacar que

la mayor parte (dos tercios) del metano se produce mediante fermentacin anaerbica en el cualel acetato acta como dador y aceptor de electrones. La produccin de metano mediante esta va

se conoce comnmente como metanognesis acetotrca. La fermentacin anaerbica se puede

aplicar para la recuperacin de biocombustibles (e.g. hidrgeno y butanol) y productos bioqumicos

(nisina y cido lctico).


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Energa

Piruvato

Electrn

Glucosa Etanol

Figura 1.1. Fermentacin anaerbica de glucosa en etanol.

1.2.2 Respiracin anaerbica

La respiracin anaerbica es un proceso biolgico de oxido-reduccin de monosacridos y otros

compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molcula inorgnica distinta del oxgeno,

y ms raramente una molcula orgnica. La realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias y para

ello utilizan una cadena transportadora de electrones anloga a la de las mitocondria en la respiracin

aerbica.[] No debe confundirse con la fermentacin, que es un proceso tambin anaerbico, pero

en el que no participa nada parecido a una cadena transportadora de electrones y el aceptor nal de

electrones es siempre una molcula orgnica.

La respiracin anaerbica requiere aceptores de electrones externos para la disposicin de los electrones

liberados durante la degradacin de la materia orgnica (Figura 1.2). Los aceptores de electrones en

este caso pueden ser CO2, SO

42-o NO

3-. La energa liberada es mucho mayor a la que se produce

durante la fermentacin anaerbica.

Energa

Piruvato

Electrn

Glucosa

SO42-

CO2

NO3

CO2 + H2O

H2S

CH4

N2

Figura 1.2. Respiracin anaerbica de la glucosa.

Cuando el CO2acepta los electrones liberados por la materia orgnica, se reduce a gas metano (CH

4). La

produccin de CH4mediante esta va se conoce como metanognesis hidrogenotrca y es responsable

de un tercio de la produccin total de metano. Ciertos microorganismos anaerbicos tambin utilizan

el CO2como aceptor de electrones y reducen el hidrgeno a cido actico. La presencia de sulfato enun ambiente anaerbico desva parte de la materia orgnica hacia la reduccin de sulfato mediante

un grupo especializado de bacterias anaerbicas conocido como bacterias reductoras de sulfato. La

liberacin de sulfuro de hidrgeno, gas de olor penetrante, es caracterstico en ambientes anaerbicos

en los cuales el sulfato acta como aceptor de electrones. Cuando el nitrato (NO3-) acta como aceptor

de electrones, se reduce a gas nitrgeno. Este corresponde a un proceso biolgico estndar para la


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remocin de compuestos nitrogenados en las aguas residuales. El grupo de bacterias involucradas en

este proceso se conocen como bacterias reductoras de nitrato o desnitricadoras.

1.2.3 Productos nales de la digestin anaerobia

Los principales productos del proceso de digestin anaerobia, en sistemas de alta carga orgnica y

en mezcla completa, son el biogs y un bioabono que consiste en un euente estabilizado.

1.2.3.1 Biogs

El biogs es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dixido de carbono, pero

tambin contiene diversas impurezas. La composicin del biogs depende del material digerido y

del funcionamiento del proceso. Cuando el biogs tiene un contenido de metano superior al 45% es

inamable. El biogs tiene propiedades especcas que se indican en la Tabla 1.1.

1.2.3.2 Bioabono

Las caractersticas del bioabono, dependen en gran medida del tipo de tecnologa y de las materias

primas utilizadas para la digestin. Durante el proceso anaerbico, parte de la materia orgnica se

transforma en metano, por lo que el contenido en materia orgnica es menor al de las materias primas.

Gran parte de la materia orgnica de este producto se ha mineralizado, por lo que normalmente

aumenta el contenido de nitrgeno amoniacal y disminuye el nitrgeno orgnico.

Tabla 1.1. Caractersticas generales del biogs

Composicin55 70% metano (CH4)30 45% dixido de carbono (CO2)Trazas de otros gases

Contenido energtico 6.0 6.5 kW h m-3

Equivalente de combustible 0.60 0.65 L petrleo/m3biogs

Lmite de explosin 6 12 % de biogs en el aire

Temperatura de ignicin 650 750C (con el contenido de CH4mencionado)

Presin crtica 74 88 atm

Temperatura crtica -82.5C

Densidad normal 1.2 kg m-3

OlorHuevo podrido (el olor del biogs desulfurado esimperceptible)

Masa molar 16.043 kg kmol-1

Fuente: Deublein y Steinhauser (2008)


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FUNDAMENTOS DE LA FERMENTACIN

METANOGNICA 2


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2. FUNDAMENTOS DE LA FERMENTACIN METANOGNICA

2.1 Etapas de la fermentacin metanognica

La digestin anaerbica es un proceso muy complejo tanto por el nmero de reaccionesbioqumicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas.De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultnea.

Los estudios bioqumicos y microbiolgicos realizados hasta ahora, dividen el proceso dedescomposicin anaerbica de la materia orgnica en cuatro fases o etapas:

1. Hidrlisis2. Etapa fermentativa o acidognica3. Etapa acetognica4. Etapa metanognica

La primera fase es la hidrlisis de partculas y molculas complejas (protenas, carbohidratosy lpidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismosacidognicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles mssencillos (aminocidos, azcares y cidos grasos de cadena larga) que sern metabolizadospor las bacterias acidognicas dando lugar, principalmente, a cidos grasos de cadena corta,alcoholes, hidrgeno, dixido de carbono y otros productos intermedios. Los cidos grasos decadena corta son transformados en cido actico, hidrgeno y dixido de carbono, mediante laaccin de los microorganismos acetognicos. Por ltimo, los microorganismos metanognicosproducen metano a partir de cido actico, H2y CO2.

En la Figura 2.1 se muestra esquemticamente las distintas fases del proceso de digestinanaerbica, los microorganismos que intervienen en cada una de ellas y los productosintermedios generados.

2.1.1 Hidrlisis

La materia orgnica polimrica no puede ser utilizada directamente por los microorganismosa menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la pared celular. Lahidrlisis es el primer paso necesario para la degradacin anaerbica de sustratos orgnicoscomplejos. Por tanto, es el proceso de hidrlisis el que proporciona sustratos orgnicos para ladigestin anaerbica. La hidrlisis de estas molculas complejas es llevada a cabo por la accinde enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolticos.

La etapa hidroltica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todocuando se tratan residuos con alto contenido de slidos. Adems, la hidrlisis depende de latemperatura del proceso, del tiempo de retencin hidrulico, de la composicin bioqumica delsustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, protenas y grasas), del tamao de partculas,del nivel de pH, de la concentracin de NH4

+ y de la concentracin de los productos de lahidrlisis.


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Figura 2.1. Esquema de reacciones de la digestin anaerbica de materiales polimricos.

MATERIA ORGNICA COMPLEJA

PROTENAS

ACETICO HIDRGENO, CO2

METANO,DIOXIDO DE CARBONO

AMINOCIDOS, AZUCARES

PRODUCTOS INTERMEDIOS

PROPIONICO, BUTRICO,VALRICO, ETC.

CIDOS GRASOS, ALCOHOLES

HIDRLISIS

FERMENTACIN

ACETOGNESIS

OXIDACINANAEROBICA

METANOGNESISACETOCLSTICA

METANOGNESISHIDROGENOTRFICA

CARBOHIDRATOS LPIDOS

1 1

1 1

1

2

3

5 4

(Pavlostathis y Giraldo-Gmez, 1991).Los nmeros indican la poblacin bacteriana responsable del proceso: 1: bacterias fermentativas; 2:

bacterias acetognicas que producen hidrgeno; 3: bacterias homoacetognicas; 4: bacterias metanognicas

hidrogenotrcas; 5: bacterias metanognicas acetoclsticas.

Cualquier sustrato se compone de tres tipos bsicos de macromolculas: hidratos de carbono,protenas y lpidos.

Las protenas constituyen un sustrato muy importante en el proceso de digestin anaerbicadebido a que adems de ser fuente de carbono y energa, los aminocidos derivados de suhidrlisis tienen un elevado valor nutricional. Las protenas son hidrolizadas en pptidosy aminocidos por la accin de enzimas proteolticas llamadas proteasas. Parte de estos

aminocidos son utilizados directamente en la sntesis de nuevo material celular y el resto sondegradados a cidos voltiles, dixido de carbono, hidrgeno, amonio y sulfuro en posterioresetapas del proceso.

La degradacin de los lpidos en ambientes anaerbicos comienza con la ruptura de las grasaspor la accin de enzimas hidrolticas denominadas lipasas produciendo cidos grasos de cadenalarga y glicerol.


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La velocidad de degradacin de los materiales lignocelulsicos compuestos principalmentepor lignina, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta que suele ser la etapa limitante del procesode hidrlisis. Esto es debido a que la lignina es muy resistente a la degradacin por parte delos microorganismos anaerbicos afectando tambin a la biodegradabilidad de la celulosa, de

la hemicelulosa y de otros hidratos de carbono. Los principales productos de la hidrlisis de lacelulosa son celobiasa y glucosa, mientras que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas ycidos urnicos. La tasa de hidrlisis, en general, aumenta con la temperatura. La tasa de hidrlisisdepende, tambin, del tamao de las partculas, debido fundamentalmente a la disponibilidad desupercie para la adsorcin de las enzimas hidrolticas. Los pretratamientos fsico-qumicos, cuyoprincipal efecto es la reduccin del tamao de las partculas, producen un aumento en la tasa dehidrlisis, y si esta fase es la limitante del proceso anaerobio, supone un benecio para el procesogeneral, produciendo menores tiempos de retencin y tamaos de reactor menores.

2.1.2 Etapa fermentativa o acidognica

Durante esta etapa tiene lugar la fermentacin de las molculas orgnicas solubles en

compuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanognicas (actico,frmico, H2) y compuestos orgnicos ms reducidos (propinico, butrico, valrico, lctico yetanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetognicas en la siguienteetapa del proceso. La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no slo radica enel hecho que produce el alimento para los grupos de bacterias que actan posteriormente, si noque, adems eliminan cualquier traza del oxgeno disuelto del sistema.

Este grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaerbicas obligadas,colectivamente denominadas bacterias formadoras de cidos.

2.1.3 Etapa acetognica

Mientras que algunos productos de la fermentacin pueden ser metabolizados directamente porlos organismos metanognicos (H2y actico), otros (etanol, cidos grasos voltiles y algunoscompuestos aromticos) deben ser transformados en productos ms sencillos, como acetato(CH3COO-) e hidrgeno (H2), a travs de las bacterias acetognicas. Representantes de losmicroorganismos acetognicos son Syntrophomonas wolfeiy Syntrophobacter wolini.

Un tipo especial de microorganismos acetognicos, son los llamados homoacetognicos.Este tipo de bacterias son capaces de crecer heterotrcamente en presencia de azcareso compuestos monocarbonados (como mezcla H2/CO2) produciendo como nico productoacetato. Al contrario que las bacterias acetognicas, stas no producen hidrgeno comoresultado de su metabolismo, sino que lo consumen como sustrato. Segn se ha estudiado, elresultado neto del metabolismo homoacetognico permite mantener bajas presiones parciales

del hidrgeno y, por tanto, permite la actividad de las bacterias acidognicas y acetognicas.

Los principales microorganismos homoacetognicos que han sido aislados sonAcetobacteriumwoodii o Clostridium aceticum.


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A esta altura del proceso, la mayora de las bacterias anaerbicas han extrado todo el alimentode la biomasa y, como resultado de su metabolismo, eliminan sus propios productos de desechode sus clulas. Estos productos, cidos voltiles sencillos, son los que van a utilizar comosustrato las bacterias metanognicas en la etapa siguiente.

2.1.4 Etapa metanognica

En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaerbicas estrictas, acta sobre los productosresultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanognicos pueden serconsiderados como los ms importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios,ya que son los responsables de la formacin de metano y de la eliminacin del medio de losproductos de los grupos anteriores, siendo, adems, los que dan nombre al proceso general debiometanizacin.

Los microorganismos metanognicos completan el proceso de digestin anaerbica mediantela formacin de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos tomos de carbono

unidos por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

Los organismos metanognicos se clasican dentro del dominio Archaea y tienen caractersticascomunes que los diferencian del resto de procariotas.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en funcin del sustrato principalque metabolizan: hidrogenotrcos, que consumen H2/CO2 y frmico y acetoclsticos, queconsumen acetato, metanol y algunas aminas.

Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaerbicos se forma apartir de la descarboxilacin de cido actico, a pesar de que, mientras todos los organismosmetanognicos son capaces de utilizar el H2como aceptor de electrones, slo dos gneros

pueden utilizar acetato. Los dos gneros que tienen especies acetotrcas son Methanosarcinay Methanothrix. El metano restante proviene de los sustratos cido carbnico, cido frmicoy metanol. El ms importante es el carbnico, el cual es reducido por el hidrgeno, tambinproducido en la etapa anterior.

2.2 Microorganismos involucrados en cada fase de digestin anaerbica

Las especies de microorganismos involucrados en el proceso varan dependiendo de losmateriales que sern degradados. Los alcoholes, cidos grasos, y los enlaces aromticospueden ser degradados por la respiracin anaerbica de los microorganismos.

Estos utilizan, entre otros nutrientes, el nitrato (Paracoccus denitricans, Pseudomonas

stutzerii), azufre (Desulfuromonas acetoxidans, Pyrodictium occultum), sulfato (Desulfovibriodesulfuricans, Desulfonema limicola), carbonato (Acetobacterium woodi, Clostridium aceticum,Methanobacterium thermoautotrophicum), fumarato (Escherichia coli, Wolinella succinogenes) oFe(III) (Alteromonas putrefaciens) como aceptores de electrones, por lo que pueden denominarsereductores de nitrato, reductores de sulfato, etc.


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Sin embargo otros microorganismos tambin compiten por el nitrato como aceptor de electrones,por lo que el nitrato se reduce rpidamente a amonio y el nitrato como reductor juega un papelsecundario en los procesos de fermentacin.

Los reductores de sulfato participan activamente en la degradacin de compuestos con pocooxgeno, tales como lactato y etanol.

En la primera y segunda fase de la degradacin, participan bacterias de al menos 128 rdenesde 58 especies y 18 gneros. Las especies que se presentan principalmente son Clostridium,Ruminococcus, Eubacterium y Bacteroide.

En la tercera y cuarta fase de la degradacin, se encuentran principalmente bacterias metanognicas.En la actualidad, se han identicado 81 especies, de 23 gneros, 10 familias y 4 rdenes.

Adems, existen diversos microorganismos que pertenecen al sistema ecolgico de unbiorreactor y que participan indirectamente en la degradacin. Por ejemplo, Staphylococcus,

especie se desarrolla con frecuencia en los digestores, puede provocar riesgos para la salud delpersonal que opera el digestor si no se toman las medidas sanitarias necesarias.

En las cuatro fases de la degradacin, las especies Acetobacter y Eubakterium tienen unaparticipacin similar en el proceso (Tabla 2.1).

Tabla 2.1. Bacterias que participan en el proceso de fermentacin durante las cuatro fases.

Taxonoma Especies Descripcin Metabolismo

Gnero:Acetobakterium

A. woodii

A. paludosum

El gnero Acetobacter com-prenden un grupo de bacilosGram negativos, mviles que

realizan una oxidacin in-completa de alcoholes, pro-duciendo una acumulacinde cidos orgnicos comoproductos nales.

Reducen autotrcamentecompuestos polimricos, oligmeros,monmeros y CO2, utilizando

el hidrgeno como fuente deelectrones. Estos microorganismoshacen posible la descomposicinde los cidos grasos y compuestosaromticos.

Gnero:Eubacterium

E. rectale

E. siraeum

E. plautii

E. cylindroides

E. brachy

E. desmolans

E. callandrei

E. limosum

El gnero Eubacterium con-siste en un grupo de bacte-rias anaerbicas obligadasGram positivas.

La mayora de las Eubakteria sacarol-ticas producen butirato como el prin-cipal producto de su metabolismo.

Muchas especies son capaces dedescomponer sustratos complejosa travs de mecanismos especiales.

Algunas especies se desarrollan au-totrcamente, por lo tanto son capa-ces de cumplir funciones especcasen la descomposicin anaerbica.

Fuente:Insam, et al, 2009.


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2.2.1 Bacterias que participan de la hidrlisis

Los microorganismos de muchos gneros son los responsables de la hidrlisis. Entre estosdestacan: Bacteroides, Lactobacillus, Propioni- bacterium, Sphingomonas, Sporobacterium,

Megasphaera, Bidobacterium

2.2.2 Bacterias que participan de la acidognesis

La mayora de los microorganismos acidognicos tambin participan de la hidrlisis. El gneroClostridium, Paenibacillus y Ruminococcusestn presentes en todas las fases del proceso defermentacin, pero son dominantes en la fase acidognica.

El grupo Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroidesrepresenta el segundo grupo ms grande demicroorganismos durante las dos primeras fases de la descomposicin. Sin embargo, en la fasemetanognica representan menos del 5% del total de microorganismos. Esto indica que estosgrupos son los principales responsables de la degradacin de compuestos monomricos.

2.2.3 Bacterias que participan de la acetognesis

Estas bacterias slo pueden sobrevivir en simbiosis con el gnero que consume hidrgeno.Todos los microorganismos acetognicos tienen un perodo de regeneracin de hasta 84 h.

Las bacterias acetognicas reductoras de sulfato son capaces de degradar lactato y etanol,pero no son capaces de degradar cidos grasos y compuestos aromticos

2.2.4 Bacterias que participan de la metanognesis

La ltima fase de la descomposicin anaerbica se encuentra dominada por un grupo especial de

microorganismos, las Arqueas metanognicas. Estas se caracterizan a travs del co-factor F420,el cual acta en presencia de hidrogenasas como transportador de H 2. Este puede detectarsepor su autouorescencia en un microscopio ptico.

Las metanognicas activas aparecen en la segunda fase de la fermentacin, la fase deacidognica. Sin embargo, obviamente el nmero de Arqueas metanognicas aumenta enla fase metanognica. Las principales especies estn representadas por Methanobacterium,Methanospirillum hungatii , y Methanosarcina.

2.2.5 Especies metanotrcas

Las especies metanotrcas (especies que consumen metano) se encuentran presentes en

todas partes, pero no son deseables en una planta de produccin de biogs. La mayora deestos son aerbicos. Estos microorganismos utilizan el oxgeno para degradar el metano yobtener su energa. Los productos metablicos son el agua y el dixido de carbono.

Los metanotrcos aerbicos degradan aproximadamente el 17% de todo el metano en laatmsfera. Adems de estos, existe otro grupo de metanotrcos, que es capaz de consumir


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metano, sin necesidad de oxgeno. Estos se encuentran en su mayora en los sedimentosmarinos. Los microorganismos metanotrcos sintetizan sus lpidos a partir del metano.

2.3 Beneficios ambientales de la biodigestin anaerbica

Al igual que el gas natural, el biogs tiene una amplia variedad de usos, pero al ser un derivadode la biomasa, constituye una fuente de energa renovable. Existen diversos benecios derivadosdel proceso de conversin de residuos orgnicos en biogs.

La presin econmica sobre los productos agrcolas convencionales se encuentra en continuoaumento. Muchos agricultores se ven obligados a renunciar a su produccin, principalmentedebido a que sus tierras no presentan rendimientos rentables. Sin embargo, en muchos pasesla produccin de biogs se encuentra subvencionada o presenta incentivos econmicos (porejemplo, los proyectos MDL), proporcionando a los agricultores un ingreso adicional. Por lo tanto,en el sector agrcola, la implementacin de tecnologas de digestin anaerbica puede permitirobtener importantes benecios econmicos, ambientales y energticos. Por otra parte, permite

una gestin mejorada de nutrientes, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y a lacaptura y uso de biogs

Cuando los residuos orgnicos se someten a una degradacin aerbica, se generan compuestosde bajo poder energtico como CO2y H2O. Gran parte de la energa se pierde y se libera a laatmsfera. Se estima que la prdida de energa de un proceso aerbico es aproximadamenteveinte veces superior al de un proceso anaerbico.

En el caso de la degradacin anaerbica, se generan productos del metabolismo con altopoder energtico (por ejemplo, alcoholes, cidos orgnicos y metano), los cuales sirven comonutrientes de otros organismos (alcoholes, cidos orgnicos), o bien son utilizados con nesenergticos por la sociedad (biogs).

Otro benecio ambiental importante de las plantas de biogs es la signicativa reduccin de lapresin sobre los rellenos sanitarios .De esta forma se reducen signicativamente los costos dela disposicin de residuos orgnicos, e incluso se obtienen sub-productos con valor agregado(e.g. bioabono). Adems, el tratamiento anaerbico de los residuos orgnicos contribuye a laproteccin de las aguas subterrneas, reduciendo el riesgo de lixiviacin de nitratos. Por otraparte, la digestin anaerbica elimina el problema de emisin de olores molestos, como porejemplo, el olor a amoniaco, producto de la acumulacin de excretas y orina sin tratar.

La promocin e implantacin de sistemas de produccin de biogs colectivos -varias granjas-,y de co-digestin -tratamiento conjunto de residuos orgnicos de diferentes orgenes en unazona geogrca, usualmente agropecuarios e industriales- permite, adems, la implantacinde sistemas de gestin integral de residuos orgnicos por zonas geogrcas, con benecios

sociales, econmicos y ambientales.

La digestin anaerobia se puede llevar a cabo con uno o ms residuos con las nicas premisas deque sean lquidos, contengan material fermentable, y tengan una composicin y concentracinrelativamente estable. La co-digestin es una variante tecnolgica que puede solucionarproblemas o carencias de un residuo, si son compensadas por las caractersticas de otro.


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El metano es un gas que en la atmsfera terrestre contribuye al efecto invernadero. El contenidode metano en la atmsfera se ha duplicado desde la ltima era de hielo a 1,7 ml m - 3en laactualidad. Este valor se ha mantenido constante en los ltimos aos. El metano contribuye un20% al efecto invernadero antropognico. Entre las fuentes de metano de origen humano, ms

del 50% corresponde a la ganadera y hasta el 30% provienen a partir del cultivo de arroz.

Con el n de poder comparar el efecto de los diferentes gases de efecto invernadero, a cadauno se le asigna un factor que representa una medida de su efecto invernadero o potencialde calentamiento global, en comparacin con el CO2que se utiliza como gas de referencia(Tabla 2.2). El CO

2equivalente de gases de efecto invernadero se puede calcular multiplicando

el potencial de efecto invernadero en relacin con la masa del gas respectivo. Indica la cantidadde CO2que producira el mismo efecto invernadero en 100 aos, es decir, el CH4es un gas deefecto invernadero ms potente que el CO2en un factor de 21.

Tabla 2.2. Potencial de calentamiento de los gases de efecto invernadero.

Gas Potencial de calentamiento

CO2 1

CH4 21

N2O 310

SF4 23900

PFC 9200

HFC 11700

Fuente: CNE, 2006


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FACTORES DETERMINANTES EN EL

PROCESO METANOGNICO (PRODUCCIN DE BIOGS) 3


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3. FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO METANOGNICO(PRODUCCIN DE BIOGS)

Es importante examinar algunos de los factores importantes que gobiernan el proceso

metanognico. Los microorganismos, especialmente los metanognicos, son altamentesusceptibles a los cambios en las condiciones ambientales. Muchos investigadores evalan eldesempeo de un sistema anaerbico en funcin de la tasa de produccin de metano, porquela metanognesis se considera un paso limitante del proceso. Debido a esto, la biotecnologaanaerbica requiere de un cuidadoso monitoreo de las condiciones ambientales. Algunas deestas condiciones ambientales son: temperatura (mesoflica o termoflica), tipo de materiasprimas, nutrientes y concentracin de minerales traza, pH (generalmente cercano a la neutralidad),toxicidad y condiciones redox ptimas. Estas condiciones se discuten a continuacin:

3.1 Naturaleza y composicin bioqumica de materias primas.

Las diversas materias primas que se pueden utilizar en la fermentacin metanognica, puedenser residuos orgnicos de origen vegetal, animal, agroindustrial, forestal, domstico u otros(Tabla 3.1).

Tabla 3.1. Residuos orgnicos de diversos orgenes.

Residuos de origen animalestircol, orina, guano, camas, residuos de mataderos(sangre y otros), residuos de pescados.

Residuos de origen vegetalmalezas, rastrojos de cosechas, pajas, forraje en malestado.

Residuos de origen humano heces, basura, orina.

Residuos agroindustriales salvado de arroz, orujos, cosetas, melazas, residuos desemillas.

Residuos forestales hojas, vstagos, ramas y cortezas.

Residuos de cultivos acuticos algas marinas, jacintos y malezas acuticas.

Fuente: Varnero y Arellano, 1991.

Las caractersticas bioqumicas que presenten estos residuos deben permitir el desarrollo y laactividad microbiana del sistema anaerbico. El proceso microbiolgico no solo requiere defuentes de carbono y nitrgeno sino que tambin deben estar presentes en un cierto equilibriosales minerales (azufre, fsforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc,cobalto, selenio, tungsteno, nquel y otros menores).

Normalmente las sustancias orgnicas como los estircoles y lodos cloacales presentan estoselementos en proporciones adecuadas. Sin embargo en la digestin de ciertos desechosindustriales puede presentarse el caso de ser necesaria la adicin de los compuestos enumeradoso bien un post tratamiento aerbico.


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Las sustancias con alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tantodeben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado, compostaje) a n de liberarlas sustancias factibles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina. En el caso deestircoles animales, la degradacin de cada uno de ellos depender fundamentalmente del tipo

de animal y la alimentacin que hayan recibido los mismos.

Los valores tanto de produccin como de rendimiento en gas de los estircoles presentangrandes diferencias. Esto es debido al sinnmero de factores que pueden intervenir en elproceso, que hacen difcil la comparacin de resultados.

El contenido de agua de estas diversas materias primas vara entre 10 a 90% del peso fresco delresiduo, dependiendo de la edad y rgano del residuo, formas de obtencin. Los componentesorgnicos de estos residuos son variados y corresponden aproximadamente a un 50%del peso fresco, en funcin del contenido de agua y de las cenizas. Los principales gruposque se distinguen son (Tabla 3.2): carbohidratos (50% del total de la materia orgnica seca),compuestos nitrogenados (20%), lignina (10 a 40%) y el resto fracciones como cera, resinas,

grasas. La composicin promedio de la materia orgnica seca es: 48%C; 44%O; 7%H; 2%N.Los minerales presentes como (Tabla 3.3) calcio, potasio, magnesio, fsforo, azufre y elementostrazas son del orden de 1 a 10% del peso seco.

Tabla 3.2. Composicin qumica de diversos residuos de origen animal y vegetal (valores

promedios, base seca)

Materia PrimaLpidos(%)

Protenas(%)

CelulosaHemicelulosa (%)

Lignina(%)

Ceniza(%)

Paja de trigo 1,10 2,10 65,45 21,60 3,53

Paja de centeno 9,62 5,42 59,95 12,70 12,31

Paja de arroz 2,35 12,26 30,51 10,61 12,55Poroto verde 3,80 11,04 39,61 13,84 9,14

Pasto verde 8,05 4,94 57,22 9,80 19,99

Alfalfa 10,41 12,81 36,79 8,95 10,30

Hojas secas 4,01 3,47 32,78 29,66 4,68

Caa maz 4,50 35,40 10,30 6,50

Bovino 3,23 9,05 32,49 35,57 19,66

Porcino 11,50 10,95 32,39 21,49 23,67

Aves 2,84 9,56 50,55 19,82 17,23

Equino 2,70 5,00 40,50 35,00 17,80

Ovino 6,30 3,75 32,00 32,00 25,95

Caprino 2,90 4,70 34,00 33,00 26,40

Fuente. Varnero y Arellano, 1991.


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Tabla 3.3. Rango de niveles de nutrientes en diversos residuos de origen animal y vegetal.

Materia Prima C (%) N(%) P2O5(%) K 2O (%) CaO(%) MgO (%)

Excretas:

Bovino 17,4 40,6 0,3 2,0 0,1 1,5 0,10 0,35 0,13

Porcino 17,4 - 46,0 1,1 2,5 0,4 4,6 0,30 0,09 0,10

Caprino 35,0 50,0 1,0 2,0 0,2 1,5 2,30

Equino 35,0 - 52,0 0,3 0,8 0,4 1,6 0,35 0,15 0,12

Ovino 35,0 46,0 0,3 0,6 0,3 1,0 0,15 0,33

Conejos 23,0 - 35,0 1,0 1,9 0,9 1,8 2,10 0,45 0,15

Aves 28,0 35,0 1,4 2,0 2,0 2,8 1,40 0,80 0,48

Patos 29,0 - 41,0 0,6 0,8 1,0 1,5 0,40 0,80

Pavos 17,4 41,0 0,6 0,8 0,5 - 0,8 1,10 0,80

Humanas 2,5 0,8 1,0 0,5 0,30

Mezclas:

Porcino+paja 20,0 22,0 0,3 0,5 0,24 0,63 0,20

Bovino+paja 44,0 46,0 0,3 0,5 0,79 1,55 0,30

Rastrojo:

Caa maz 30,0 40,0 0,8 1,8 0,4 0,6 2,40 0,50 0,49

Paja de trigo 16,0 46,0 0,53 0,70 0,40 0,26 0,16Paja de avena 22,0 29,0 0,53 0,40 0,30 0,40

Paja cebada 58,0 0,64 0,19 1,07 0,33 0,33

Paja arroz 40,0 42,0 0,64 0,60 0,40 0,60

Paja haba 28,0 33,0 1,5 1,9 0,40 2,30 1,35

Tomate 27,0 30,0 2,60

Papas 30,0 0,34 0,16 0,58 0,64

Betarraga 30,0 2,00 0,70 5,30 1,95 0,83

Rabanitos 30,0 2,50Hojas secas 35,0 40,0 1,00 0,30 0,20 2,00

Aserrn 44,0 0,06 0,01 0,01



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En trminos generales, se pueden clasicar los sustratos en cuatro clases en funcin de suapariencia fsica, nivel de dilucin, grado de concentracin y caractersticas cuantitativas, comoel porcentaje de slidos totales (ST), slidos voltiles (SV) y demanda qumica de oxgeno (DQO),como puede apreciarse en la Tabla 3.4

Los sustratos de clase 1pueden degradarse ecientemente en digestores tipo Batch o porlotes.

Los sustratos de la clase 2son degradados de manera eciente en digestores mezcla completade operacin continua.

Por presentar una dilucin mayor y en consecuencia una DQO menor, los sustratos de clase 3deben tratarse con digestores de alta eciencia, como los de ltro anaerobio.

En cuanto a los sustratos de clase 4, debido a su alto contenido de DQO deben ser degradadosen digestores aerobios intensivos para mayor eciencia.

Tabla 3.4. Clasicacin de sustratos para la Digestin Anaerbica

Caractersticas Clase Tipo de Sustrato CaractersticasCuantitativas

Slido 1 Basura Domstica > 20 % ST40-70 % Fraccin

OrgnicaEstircol Slido

Restos de Cosecha

Lodo altamentecontaminado, alta

viscosidad

2 Heces Animales 100-150 g/lDQO 5%-10% ST

4%-8% SVFluidos con altocontenido de slidossuspendidos (SS)

3 Heces Animales de cra ylevante diluido con agua de

lavado

3-17 g/l DQO1-2 g/l SS

Aguas residuales de mataderos

Fluidos muycontaminados,slidos ensuspensin

4 Aguas residuales deagroindustrias

5-18 g/l DQO

Aguas Negras 4-500 g/l DQO

Fuente: Esguerra, 1989

La degradacin o descomposicin de la materia orgnica es compleja y difcil de tratar en detalle,todos los problemas que se presentan. Simplicando esta situacin, las fuentes carbonadas msutilizadas por los microorganismos quimiotrcos son los glcidos o carbohidratos y de stoscompuestos orgnicos, principalmente las hexosas, las cuales son degradadas por diferentesvas metablicas. Los fragmentos que alimentan estos procesos cclicos, por una parte, dan


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origen a cadenas carbonadas que participan en la formacin de nuevas clulas microbianasy, al mismo tiempo, son usados en las oxidaciones y reducciones biolgicas que estn ligadasa la sntesis de molculas ricas en energa. Si estos procesos tienen lugar en un medio conniveles de oxgeno ilimitado, corresponden a procesos de oxidacin biolgica o respiracin

aerbica con desprendimiento de CO2 y de energa equivalente a la mineralizacin total delsubstrato orgnico utilizado por los microorganismos. Si por el contrario, el nivel de oxgeno en elsistema es bajo, determinando condiciones anaerbicas, corresponde a procesos de reduccinbiolgica o fermentaciones. En este caso, la liberacin de energa y desprendimiento de CO2son menores que la obtenida en la respiracin aerbica. Adems segn el tipo de fermentacinse desprenden otros gases como (Tabla 3.5) metano (CH

4), hidrgeno, o produccin de otros

compuestos como alcoholes, cidos orgnicos, entre otros.

Tabla. 3.5 Produccin y composicin terica de biogs en diversos compuestos orgnicos.

Compuesto orgnico Frmula qumica Biogsm3/kg SV

CH4m3/kg ST

Carbohidratos C6H10O5 0,75 0,37Lpidos C16H32O2 1,44 1,44

Protenas C16H24O5N4 0,98 0,49

Fuente: Varnero, 1991.

Por lo tanto, dependiendo de la composicin bioqumica de cada materia prima, se tendr unadinmica de produccin de biogs (Figura 3.1; Tablas 3.6; 3.7)

PRODUCCIN DE BIOGS

SEGN MATERIA PRIMA

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

10 30 50 70

DAS

MEZCLA

BOVIN

PAJA

HOJAS

0

Figura 3. 1 Produccin de biogs segn tipo de materia orgnica.


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Tabla 3.6. Produccin de biogs por tipo de residuo animal.

Estircol DisponibilidadKg/da*

RelacinC/N

Volumen de biogs

m3/kg hmedo m3/da/ao

Bovino (500 kg) 10.00 25:1 0.04 0.400

Porcino (50 kg) 2.25 13:1 0.06 0.135

Aves (2 kg) 0.18 19:1 0.08 0.014

Ovino (32 kg) 1.50 35:1 0.05 0.075

Caprino (50 kg) 2.00 40:1 0.05 0.100

Equino (450 kg) 10.00 50:1 0.04 0.400

Conejo (3 kg) 0.35 13:1 0.06 0.021

Excretas humanas 0.40 3:1 0.06 0.025


* El dato se reere a la cantidad estimada de estircol que es posible recolectar de todo el producto.

Tabla 3.7. Produccin de biogs a partir de residuos vegetales.

ResiduosCantidad residuo

Ton/haRelacin

C/N

Volumen de biogs

m3/Ton m3/ha

Cereales (paja)

Trigo 3.3 123:1 367 1200

Maz 6.4 45:1 514 3300

Cebada 3.6 95:1 388 1400

Arroz 4.0 58:1 352 1400

Tubrculo (hojas)

Papas 10.0 20:1 606 6000

Betarragas 12.0 23:1 501 6000

Leguminosas (paja)

Porotos 3.2 38:1 518 1650

Habas 4.0 29:1 608 1400Hortalizas (hojas)

Tomate 5.5 12:1 603 3300

Cebolla 7.0 15:1 514 3600



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3.2 Relacin carbono/nitrgeno de las materias primas.

Prcticamente toda la materia orgnica es capaz de producir biogs al ser sometida a fermentacinanaerbica. La calidad y la cantidad del biogs producido dependern de la composicin y la

naturaleza del residuo utilizado. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de laconcentracin ptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben severamente por faltade nutrientes

El carbono y el nitrgeno son las principales fuentes de alimentacin de las bacteriasmetanognicas. El carbono constituye la fuente de energa y el nitrgeno es utilizado para laformacin de nuevas clulas. Estas bacterias consumen 30 veces ms carbono que nitrgeno,por lo que la relacin ptima de estos dos elementos en la materia prima se considera en unrango de 30:1 hasta 20:1

La descomposicin de materiales con alto contenido de carbono, superior a 35:1, ocurre mslentamente, porque la multiplicacin y desarrollo de bacterias es bajo, por la falta de nitrgeno,

pero el perodo de produccin de biogs es ms prolongado. En cambio, con una relacin C/Nmenor de 8:1 se inhibe la actividad bacteriana debido a la formacin de un excesivo contenidode amonio, el cual en grandes cantidades es txico e inhibe el proceso.

En trminos generales, se considera que una relacin C/N ptima que debe tener el materialfresco o crudo que se utilice para iniciar la digestin anaerbica, es de 30 unidades decarbono por una unidad de nitrgeno, es decir, C/N = 30/1. Por lo tanto, cuando no se tiene unresiduo con una relacin C/N inicial apropiada, es necesario realizar mezclas de materias en lasproporciones adecuadas para obtener la relacin C/N ptimas.

Sobre la base del contenido de carbono y de nitrgeno de cada una de las materias primas(Tabla 3.8) puede calcularse la relacin C/N de la mezcla aplicando la siguiente formula (1):

K =C1*Q1 + C2*Q2 + ...... Cn*Qn

N1*Q1 + N2*Q2 + ...... Nn*Qn

K = C/N de la mezcla de materias primas.C = % de carbono orgnico contenido en cada materia prima.N = % de nitrgeno orgnico contenido en cada materia prima.Q = Peso fresco de cada materia, expresado en kilos o toneladas.

Desde el punto de vista prctico es aconsejable manejarse con medidas volumtricas ydeterminar los parmetros: Densidad (D), Masa (M) y Volumen (V) a partir de la frmula:

D = M/V, expresando la masa en kilos o toneladas y el volumen en litros o metros cbicos.


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Tabla 3.8. Valores promedios aproximados de la relacin carbono/nitrgeno de algunos residuos

disponibles en el medio rural.

Materiales % C % N C/N

Residuos animalesBovinos 30 1.30 25:1

Equinos 40 0.80 50:1

Ovinos 35 1.00 35:1

Porcinos 25 1.50 16:1

Caprinos 40 1.00 40:1

Conejos 35 1.50 23:1

Gallinas 35 1.50 23:1

Patos 38 0.80 47:1

pavos 35 0.70 50:1

Excretas humanas 2.5 0.85 3:1

Residuos vegetales

Paja trigo 46 0.53 87:1

Paja cebada 58 0.64 90:1

Paja arroz 42 0.63 67:1

Paja avena 29 0.53 55:1

Rastrojos maz 40 0.75 53:1

Leguminosas 38 1.50 28:1

Hortalizas 30 1.80 17:1

Tubrculos 30 1.50 20:1

Hojas secas 41 1.00 41:1

Aserrn 44 0.06 730:1


3.3 Niveles de slidos totales y slidos voltiles.

Toda la materia orgnica est compuesta de agua y una fraccin slida llamada slidos totales(ST). El porcentaje de slidos totales contenidos en la mezcla con que se carga el digestor es unfactor importante a considerar para asegurar que el proceso se efecte satisfactoriamente. Lamovilidad de las bacterias metanognicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a


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medida que se aumenta el contenido de slidos y por lo tanto puede verse afectada la ecienciay produccin de gas.

Experimentalmente se ha demostrado que una carga en digestores semicontinuos no debe tener

ms de un 8% a 12 % de slidos totales para asegurar el buen funcionamiento del proceso, adiferencia de los digestores discontinuos, que tienen entre un 40 a 60% de slidos totales.

Para calcular el volumen de agua que se debe mezclar con la materia prima para dar la proporcinadecuada de slidos totales, es necesario conocer el porcentaje de slidos totales de la materiaprima fresca (Tabla 3.9)

Tabla 3.9. Datos promedios sobre el contenido de slidos totales de diversos residuos.

Materias primas % Slidos totales

Residuos animales

Bovinos 13.4 56.2

Porcinos 15.0 49.0

Aves 26.0 92.0

Caprinos 83.0 92.0

Ovejas 32.0 45.0

Conejos 34.7 90.8

Equinos 19.0 42.9

Excretas humanas 17.0

Residuos vegetalesHojas secas 50.0

Rastrojo maz 77.0

Paja trigo 88.0 90.0

Paja arroz 88.8 92.6

Leguminosas (paja) 60.0 80.0

Tubrculos (hojas) 10.0 20.0

Hortalizas (hojas) 10.0 15.0

Aserrn 74.0 80.0Fuente: Varnero y Arellano, 1991.

Por ejemplo, en el caso del estircol de bovino fresco, suponiendo que tiene un 20% de slidostotales y se quiere diluir esta carga a un 5% de slidos totales, para saber cunta agua se debe


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agregar por kilo de excretas frescas, se realiza el siguiente clculo:

% S.T. (carga diluida) =1 kg excreta * % S.T. excreta fresca

1 kg excreta fresca + agua agregada

0.05 =1 * 0.20

1 + W agua

0.05 + 0.05W agua = 0.20

W agua =0.15

= 3 litros/ kg excreta fresca0.05

Slidos Voltiles (S.V.). Es aquella porcin de slidos totales que se libera de una muestra,volatilizndose cuando se calienta durante dos horas a 600C.

Los SV contienen componentes orgnicos, los que tericamente deben ser convertidos ametano.

3.4 Temperatura

Los procesos anaerbicos, al igual que muchos otros sistemas biolgicos, son fuertementedependientes de la temperatura. La velocidad de reaccin de los procesos biolgicos depende

de la velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen dela temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento delos microorganismos y se acelera el proceso de digestin, dando lugar a mayores produccionesde biogs.

La temperatura de operacin del digestor, es considerada uno de los principales parmetrosde diseo, debido a la gran inuencia de este factor en la velocidad de digestin anaerbica.Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden gatillar la desestabilizacin delproceso. Por ello, para garantizar una temperatura homognea en el digestor, es imprescindibleun sistema adecuado de agitacin y un controlador de temperatura.

Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos anaerbicos

(Tabla 3.10) : psicrlos (por debajo de 25C), meslos (entre 25 y 45C) y termlos (entre 45 y65C), siendo la velocidad mxima especca de crecimiento (max) mayor, conforme aumentael rango de temperatura. Dentro de cada rango de temperatura, existe un intervalo para el cualdicho parmetro se hace mximo, determinando as la temperatura de trabajo ptima en cadauno de los rangos posibles de operacin (Figura 3.2).


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Figura 3.2. Tasa de crecimiento relativo de microorganismos psicroflicos, mesoflicos y termoflicos.

100

80

80

60

60

40

40

20

200

Temperatura C

Tasadecrecimientode

metanognicos(%)

Termoflicos

Mesoflicos

Psicroflicos

Fuente: Speece (1996)

Tabla 3.10. Rangos de Temperatura y Tiempo de fermentacin Anaerbica

Fermentacin Mnimo ptimo Mximo Tiempo de fermentacin

Psycrophilica 4-10 C 15-18C 20-25C Sobre 100 das

Mesophilica 15-20 C 25-35C 35-45C 30-60 das

Thermophilica 25-45C 50-60C 75-80C 10-15 das

Fuente: Lagrange, 1979.

Hasta el momento, el rango psicroflico ha sido poco estudiado y, en general, se plantea comopoco viable debido al gran tamao del reactor necesario. Sin embargo, presenta menoresproblemas de estabilidad que en los otros rangos de temperatura de operacin.

El rgimen mesoflico de operacin es el ms util izado, a pesar de que en la actualidad se estimplementando cada vez ms el rango termoflico, para conseguir una mayor velocidad delproceso, lo que implica, a la vez, un aumento en la eliminacin de organismos patgenos. Sinembargo, el rgimen termoflico suele ser ms inestable a cualquier cambio de las condicionesde operacin y presenta adems mayores problemas de inhibicin del proceso por la mayortoxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas, como el nitrgeno amoniacalo los cidos grasos de cadena larga. Como regla general, la actividad biolgica se duplicacada incremento en 10C dentro del rango de temperatura ptima (Figura 3.3) Para un ptimofuncionamiento del digestor, se recomienda que el tratamiento anaerbico se disee para queopere con variaciones de temperatura que no excedan los 0.6 1.2 C /da.


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Figura 3.3. Produccin de biogs en funcin de la temperatura.

0,350

0,300

0,250

0,200

0,150

0,100

0,050

10 20 30

30

35

25

15

5

25

20

15

10

40 50 60 70 80 90

Tiempo

Zona Optimista

Biogs

m3/kg

Das

Optimista

Poco

Casi nada

Produccin de Biogs en funcin de la Temperatura

Fuente: Varnero, 1991

Una tcnica interesante es la combinacin de dos fases de digestin, una primera termoflicade elevada carga orgnica y una segunda mesoflica con menor carga. Con este sistema seaprovechan las ventajas del sistema termoflico, pero se reducen los problemas de inestabilidad.

La temperatura del proceso acta tambin sobre aspectos fsico-qumicos del mismo. Lasolubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favorecindosela transferencia lquido-gas. Esto supone un efecto positivo para gases tales como NH 3, H2y

H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos anaerbicos. Una posibledesventaja de este fenmeno es que el descenso de la solubilidad del CO 2 provocara unaumento del pH, lo que generara, en lodos de elevada concentracin de amonio, posiblessituaciones de inhibicin por NH3.

Por otra parte, la solubilidad de la mayora de las sales aumenta con la temperatura de maneraque la materia orgnica es ms accesible para los microorganismos aumentando as la velocidaddel proceso. Sin embargo, si se trata de compuestos txicos, al aumentar su solubilidad conla temperatura sern potencialmente ms txicos, lo que puede explicar parcialmente la mayorinhibicin de determinados compuestos orgnicos en el rango termoflico, como los cidosgrasos (AG) de cadena larga.

Adems, la temperatura inuye directamente en determinados equilibrios qumicos, con graninuencia sobre el proceso anaerobio, como los del amonio-amonaco libre o cidos grasosvoltiles (AGV) ionizados-no ionizados. En general, con la temperatura se favorecen las formasno ionizadas, que resultan ms txicas para los microorganismos (NH3y AGV- no ionizados).Por ltimo, la viscosidad de slidos y semislidos disminuye al aumentar la temperatura lo queimplica menores necesidades de agitacin.


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3.5 Tiempo de retencin hidrulico (TRH) y velocidad de carga orgnica

Con este trmino se designa al volumen de sustrato orgnico cargado diariamente al digestor.Este valor tiene una relacin de tipo inversa con el tiempo de retencin, dado que a medida que se

incrementa la carga volumtrica disminuye el tiempo de retencin. El tiempo de retencin, junto conla velocidad de carga orgnica determinada por el tipo de sustrato, son los principales parmetrosde diseo, deniendo el volumen del digestor. La materia orgnica o slidos voltiles (SV) se reerea la parte de la materia seca (MS) o slidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineracina temperaturas superiores a 550C. Los residuales de animales pueden tener un contenido deMS mayor del 10 % de la mezcla agua estircol. Segn los requerimientos operacionales para unreactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estircol en lamayora de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados.

La eciencia de la produccin de biogs se determina generalmente expresando el volumende biogs producido por unidad de peso de MS o SV. La fermentacin de biogs requiere uncierto rango de concentracin de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La

concentracin ptima depende de la temperatura.

Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgnica. La velocidadde degradacin depende en gran parte de la temperatura; mientras mayor sea la temperatura,menor es el tiempo de retencin o fermentacin para obtener una buena produccin de biogs.Si se toma como ejemplo tpico el uso de estircol de ganado, los TRH varan con la temperaturamedia de cada regin, con la variacin diaria estacional (Tabla 3.11).

Tabla 3.11. Tiempo de retencin hidrulico de estircol de ganado en distintas regiones.

Tiempo de retencinhidrulico

Caractersticas

30 40 das Clima tropical con regiones planas. Ej. Indonesia, Venezuela, AmricaCentral.

40 60 dasRegiones clidas con inviernos fros cortos. Ej. India, Filipinas,Etiopa.

60 90 das Clima temperado con inviernos fros. Ej. China, Corea, Turqua.

Fuente: Varnero, 1991

En un digestor que opera a rgimen estacionario o discontinuo, el tiempo de retencin es elque transcurre entre la carga del sistema y su descarga.

En un sistema de carga diaria (rgimen semicontinuo), el tiempo de retencin va a determinar el volumendiario de carga que ser necesario para alimentar al digestor, ya que se tiene la siguiente relacin:

Volumen del digestor (m3)= Volumen de carga diaria m3/da

Tiempo de retencin (das)


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Es decir que para un tiempo de retencin de 30 das, cada da se carga 1/30 del volumen totaldel digestor, y en promedio los residuos orgnicos y la masa microbiana permanecen 30 dasdentro del sistema. La cantidad de biogs producido por un digestor depender, entre otros, dela cantidad de residuo cargado diariamente. Generalmente se trabaja con tiempos de retencin

entre 20 y 55 das y con cargas diarias de 1 a 5 kg de slidos totales por metro cbico dedigestor. Por lo tanto, mientras menor sea el tiempo de retencin, el tamao del digestor sereduce y tambin los costos.

Existe otro parmetro para identicar el tiempo de retencin de las sustancias en el digestor,denominado Tiempo de Retencin de los Slidos Biolgicos (TRSB), el que se determina comola relacin entre la cantidad de MO o SV que entra al digestor y la cantidad de MO o SV que saledel sistema cada da. El TRSB es asumido para representar la media del tiempo de retencin delos microorganismos en el digestor.

Estos parmetros son importantes para los digestores avanzados de alto nivel, los cuales hanalcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a travs de la retencin de la biomasa.

La medicin del TRH es ms fcil y prctico que el TRSB al nivel de las granjas.

La seleccin de una mayor temperatura implicar una disminucin en los tiempos de retencinrequeridos y consecuentemente sern menores los volmenes de reactor necesarios para digerirun determinado volumen de material.

La relacin costo benecio es el factor que nalmente determinar la optimizacin entre la temperaturay el TRH, ya varan los volmenes, los sistemas paralelos de control, la calefaccin y la eciencia.

Con relacin al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor proporcin de carbonoretenido en molculas resistentes como la celulosa demandarn mayores tiempos de retencinpara ser totalmente digeridos.

En los sistemas de mezcla completa, el tiempo de retencin hidrulico (TRH) coincide con el celular,por lo que el tiempo de retencin deber ser sucientemente largo como para asegurar el crecimientode la poblacin bacteriana. Al aumentar el TRH, aumenta el grado de materia orgnica degradada ascomo la produccin de metano, aunque este ltimo valor comenzar a disminuir una vez alcanzadoel ptimo. El tiempo de retencin usual en el rango mesoflico para lodos de depuradora est entre15 y 20 das, aunque este valor depende mucho del tipo de reactor utilizado.

La velocidad de carga orgnica (VCO) es la cantidad de materia orgnica introducida diariamenteen el reactor por unidad de volumen, siendo directamente dependiente de la concentracin desustrato y del tiempo de retencin jado. En ausencia de inhibidores, altas cargas orgnicasproporcionan altas producciones volumtricas de biogs aunque tambin aumenta el riesgo desobrecargas puntuales que conllevan a la acidicacin del reactor.

3. 6 Rangos de pH y alcalinidad

El proceso anaerbico es afectado adversamente con pequeos cambios en los niveles depH (que se encuentran fuera del rango ptimo). Los microorganismos metanognicos son ms


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susceptibles a las variaciones de pH que los otros microorganismos de la comunidad microbianaanaerbica. Los diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestin anaerbicapresentan unos niveles de actividad ptimos en torno a la neutralidad. El ptimo es entre 5.5 y6.5 para acidognicos y entre 7.8 y 8.2 para metanognicos. El pH ptimo para cultivos mixtos

se encuentra en el rango entre 6.8 y 7.4, siendo el pH neutro el ideal.

Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6.0 ni subir de8.0. El valor del pH en el digestor no slo determina la produccin de biogs sino tambin sucomposicin (Figura 3.4). Una de las consecuencias de que se produzca un descenso del pHa valores inferiores a 6 es que el biogs generado es muy pobre en metano y, por tanto, tienemenores cualidades energticas. Debido a que la metanognesis se considera la etapa limitantedel proceso, es necesario mantener el pH del sistema cercano a la neutralidad. Los acidognicosson signicativamente menos sensibles a valores ms extremos de pH.

Figura 3.4. Composicin del biogs en funcin del pH de la mezcla de materias primas

80

7,5 7,4 6,7 6,1 5,3 4,8

60

40

20

0

pH de las mezclas guano - tuna

CH4

CO2

%deGases

Composicin del Biogs en funcin del pHde las mezclas guano - tuna

Fuente: Varnero y Arellano, 1991

Los valores de pH bajos reducen la actividad de los microorganismos metanognicos, provocandola acumulacin de cido actico y H

2. Al aumentar la presin parcial del H2, las bacterias que

degradan el cido propinico sern severamente inhibidas, causando una excesiva acumulacinde cidos grasos voltiles de alto peso molecular, particularmente cidos propinico y butrico,los cual disminuir la produccin de cido actico, generando una disminucin del pH. Si lasituacin no se corrige, el proceso eventualmente fallar.

Por otra parte, el pH afecta a los diferentes equilibrios qumicos existentes en el medio, pudiendodesplazarlos hacia la formacin de un determinado componente que tenga inuencia en elproceso. Este es el caso de los equilibrios cido-base del amonaco y del cido actico: Alaumentar el pH se favorece la formacin de amonaco que, en elevadas concentraciones, esinhibidor del crecimiento microbiano y a valores de pH bajos se genera mayoritariamente laforma no ionizada del cido actico, que inhibe el mecanismo de degradacin del propionato.


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La actividad metanognica (tasa de utilizacin de acetato)versus pH se muestra en la Figura 3.5.La drstica cada de la actividad metanognica sobre el pH 8.0 se puede deber a cambios deNH4

+a formas ms txica no inicas de NH3.

Figura 3.5. Dependencia del pH de la actividad metanognica.

1.3

1.0

0.8

0.5

0.3

0.0

3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH

Actividad

Fuente: Speece (1996)

En los procesos anaerbicos, la cada del pH es causada frecuentemente por la acumulacin de

cidos grasos voltiles (AGV) y/o por la excesiva acumulacin de dixido de carbono. Una de lasprimeras opciones para resolver el problema es reducir la tasa de carga orgnica volumtrica,hasta el punto en el cual los AGV se consuman ms rpido de lo que se generan. Una vez queel exceso de AGV se ha agotado, el pH del sistema retorna a los rangos de operacin normalesy la metanognesis comienza a repuntar.

La carga orgnica volumtrica puede incrementarse gradualmente a medida que el proceso serecupera, hasta completar la capacidad de carga. En circunstancias extremas, adems de ladisminucin de la carga orgnica volumtrica se puede suplementar algn qumico para ajustarel pH. Otra opcin recientemente explorada consiste en la dosicacin peridica de oxgeno enel sistema anaerbico. La oxigenacin limitada contribuye a eliminar drsticamente el excesode AGV a travs de los microorganismos facultativos. Estos microorganismos son menos

susceptibles a cambios en el pH. Debido a que los metanognicos son vulnerables a cambiosbruscos en el pH fuera del rango ptimo, el sistema anaerbico requiere una capacidad buffersuciente (alcalinidad) para mitigar los cambios en el pH.

El pH de un sistema anaerbico, operando dentro de los rangos aceptables, es controladoprincipalmente por la alcalinidad natural del sistema. La destruccin de la materia orgnica,


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principalmente las protenas, liberan amoniaco. Cada mol de nitrgeno orgnico tericamentegenera un equivalente de alcalinidad. El amoniaco reacciona con el dixido de carbono duranteuna reaccin bioqumica para producir bicarbonato de amonio, el cual contribuye a la alcalinidaddel sistema, tal como muestran las siguientes ecuaciones:

RCHNH2COOH + 2H2O RCOOH + NH3+ CO2+ 2H2 (3.1)

NH3+ H2O + CO2 NH4++ HCO3

(3.2) (Alcalinidad)

Slo los residuos que presentan altos contenidos de nitrgeno orgnico (e.g. protenas) puedencontribuir adecuadamente a la alcalinidad. Muchos residuos ricos en carbohidratos (e.g. melasa,papa, almidn) no contribuyen a la alcalinidad porque carecen de nitrgeno orgnico. Por lotanto, la digestin anaerbica de aquellos residuos orgnicos requiere la suplementacin dealcalinidad.

Cuando los AGV comienzan a acumularse en el reactor anaerbico, estos son neutralizadospor la alcalinidad presente en el reactor y mantienen el pH estable tal como se muestra en lasiguiente ecuacin:

HCO3+ HAc H2O + CO2+ Ac

(3.3)

En muchos casos, para mantener el pH ptimo en el reactor, es necesaria la suplementacin dealcalinidad utilizando qumicos tales como bicarbonato de sodio, carbonato de sodio, hidrxidode amonio, gas amoniaco, cal, hidrxido de sodio y potasio. Se preere el bicarbonato de sodiodebido a su alta solubilidad y baja toxicidad.

Es importante considerar que en forma frecuente, el pH se utiliza como un parmetro para evaluar

la correcta operacin del sistema. Sin embargo, debido a que el euente entra en contacto conel ambiente, los cambios en la presin parcial de los gases cidos disueltos, especialmente elCO2, resulta en cambios en el pH.

El nivel de pH deseado para la operacin del digestor se puede conseguir ajustando el pHde las materias primas que entran al digestor o controlando el pH en el digestor per se. Paraconseguir el pH deseado, se requiere conocer la cantidad de qumicos necesarios que se debenadicionar a las materias primas que entraran al digestor, en tanto que, en el ltimo caso, talconocimiento previo no se requiere. El reactor generalmente es monitoreado con un medidorde pH onlineconectado a un controlador. El pH deseado se programa y la adicin de qumicos(cido o base) se lleva a cabo de forma automtica. Aunque este tipo de control automatizadodel pH es altamente deseable, es un sistema bastante costoso.

3.7 Nutrientes (niveles de sales)

Al igual que en todas las operaciones bioqumicas, se requieren macronutrientes (nitrgeno yfsforo) y micronutrientes (minerales traza) en el proceso anaerbico para la sntesis de nuevabiomasa. Sin embargo, una de las ventajas de los procesos de digestin anaerbica, frente


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a los procesos aerbicos, es su baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos ndicesde produccin de biomasa que presentan los microorganismos anaerbicos. La cantidad denitrgeno y fsforo requrido para la sntesis de biomasa puede calcularse asumiendo la frmulaemprica de una clula bacteriana anaerbica como C5H7O2N. La masa celular consiste de

aproximadamente 12% de nitrgeno, lo cual signica que unos 12 g de nitrgeno se requierenpor cada 100 g de biomasa anaerbica producida.

La demanda de fsforo corresponde a 1/7 1/5 de la demanda de nitrgeno. Como regla general,se asume que un 10 % de la materia orgnica removida (DQO) durante el proceso anaerbicose utiliza para la sntesis de biomasa. Esto puede utilizarse para calcular los requerimientos denitrgeno y fsforo.

Adems del nitrgeno y el fsforo, se han identicado otros diversos nutrientes traza comoesenciales para los microorganismos anaerbicos. Los metales traza tales como hierro, cobalto,molibdeno, selenio, calcio, magnesio, zinc, cobre, manganeso, tungsteno y boro a niveles de mg

/L y la vitamina B12 en niveles de g/L , se ha encontrado que mejoran la produccin de metano.

Algunos de los metales traza y sus roles en el proceso anaerbico se discuten a continuacin:Niquel: el Ni es particularmen importante para los metanognicosdebido a que es un costituyenteestructural del factor F430, el cual se encuentra exclusivamente en las bacterias metanognicas.

Cobalto: El Co es importante debido a que tambin es un constituyente estructural de la vitaminaB12, la cual cataliza la metanognesis. El nquel, cobalto y otros minerales traza son esencialespara la degradacin del metanol en un reactor bajo condiciones mesoflicas.

3.8 Potencial redox

Para adecuado crecimiento de los anaerbios obligados el valor del potencial redox se debe

mantener entre -220 mV a -350 mV a pH 7.0 de manera de asegurar el ambiente fuertementereductor que las bacterias metanognicas necesitan para su ptima actividad. Cuando secultivan metanognicas, se incorporan agentes reductores fuertes tales como sulfuro, cistena otitanio III para ajustar el medio a un potencial redox adecuado.

3.9 Txicos e inhibidores de la metanognesis

El proceso de digestin anaerbica es inhibido por la presencia de sustancias txicas en elsistema. Estas sustancias pueden formar parte de las materias primas que entran al digestoro pueden ser subproductos de la actividad metablica de los microorganismos anaerbicos.Sustancias tales como amonaco, metales pesados, compuestos halogenados, cianuro y

fenoles, forman parte del primer grupo, en tanto que, sulfuro, amonaco y cidos grasos decadena larga, forman parte del ltimo grupo mencionado. Es interesante destacar que muchasde las bacterias anaerbicas son capaces de degradar compuestos orgnicos refractarios.

En algunos casos, la magnitud del efecto txico de una sustancia puede ser reducido signicativamentemediante la aclimatacin de la poblacin de microorganismos al txico. Por otra parte, muchas deestas sustancias a bajas concentraciones pueden ser estimuladoras del proceso.


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3.9.1 cidos grasos voltiles.

La concentracin de cidos grasos voltiles (AGV), productos intermedios mayoritarios delproceso anaerbico, es uno de los parmetros que ms ecazmente pueden indicar la evolucin

del proceso. De hecho, este parmetro es uno de los ms utilizados en los sistemas de controldebido a su rpida respuesta ante variaciones del sistema. El trmino voltil indica que puedenser recuperados por destilacin a presin atmosfrica. Durante la degradacin anaerbica, lamateria orgnica compleja es hidrolizada y fermentada en compuestos de bajo peso molecular,incluyendo cidos grasos de cadena corta (C2-C6). Estos incluyen principalmente cidos actico,propinico y butrico y en menores cantidades cidos isobutrico, valrico, isovalrico y caproico.

En un sistema anaerbico ptimo, la concentracin de AGV en el euente es relativamentebaja y se encuentra usualmente en el rango de 50-250 mg HAc/l. Cuando la relacin simbiticaentre acidognicos y metanognicos se rompe, los AGV se acumulan. La inhibicin de losmetanognicos debido a la toxicidad (sulfuro, amoniaco, metales pesados, compuestosorgnicos sintticos, etc.), cambios en la condiciones ambientales (pH, temperatura, potencial

redox)o limitacin de nutrientes pueden gatillar una acumulacin de acetato e hidrgeno. Unapresin parcial de hidrgeno excesiva, inhibe severamente a las bacterias que degradan cidopropinico, resultando en la acumulacin de ste.

Al igual que el sulfuro y el amonaco, las formas no ionizadas de AGV inhiben las bacteriasmetanognicas cuando presentan concentraciones de 30-60 mg/L. Un aumento en laconcentracin de cidos voltiles en el sistema, implica una desestabilizacin del proceso y, enconsecuencia, una disminucin de la produccin de biogs.

3.9.2 Hidrgeno.

El hidrgeno es tambin un compuesto intermedio importante del proceso anaerbico. Su

acumulacin en el medio provoca la inhibicin de la acetognesis y, consecuentemente, laacumulacin de cidos grasos voltiles con ms de dos tomos de carbono.

3.9.3 Nitrgeno amoniacal

El amoniaco puede estar presente en las materias primas que entran al digestor o ser producidodurante la degradacin anaerbica de compuestos orgnicos nitrogenados tales comoprotenas o aminocidos. Las protenas generalmente contienen 16% de nitrgeno. Durante elproceso anaerbico, el nitrgeno orgnico es hidrolizado dando lugar a formas amoniacales.

Aunque el nitrgeno amoniacal es un nutriente importante para el crecimiento bacteriano, unaconcentracin excesiva puede limitar su crecimiento.

El nitrgeno amoniacal es la suma del in amonio (NH4+

) y del amonaco (NH3). Ambas especiesse encuentran en equilibrio qumico, y la concentracin relativa de cada una depende del pH, talindica la ecuacin de equilibrio:

NH4+ NH3+ H+ (3.4)


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De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amonaco libre ya que se hacomprobado experimentalmente que el efecto inhibitorio por amonio aumenta a pH alcalino.

Adems del pH, la cantidad de amonaco libre depende de la concentracin del sustrato, dela relacin C/N, de la capacidad tamponadora del medio y de la temperatura de digestin.

Obviamente, aquellos residuos que contengan mayores proporciones de protenas u otroscompuest

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