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23 1 p 39-46 23 1 p 39-46 Document Transcript

  • Rivas Solano, Olga; Faith Vargas, Margie; Guillén Watson, Rossy.Biodigestores: factores químicos, físicos y biológicos relacionados con su productividadTecnología en Marcha, Vol. 23, N.° 1, Enero-Marzo 2010, P. 39-46Biodigestores: factores químicos,físicos y biológicos relacionados consu productividad Olga Rivas Solano1Fecha de recepción: 01/04/2009 Margie Faith Vargas2Fecha de aceptación: 20/06/2009 Rossy Guillén Watson3Los biodigestores son Palabras clave planteó investigar sobre los métodos quesistemas diseñados para existen para acelerar la descomposición de Biogás, biodigestor, productividad deoptimizar la producción la materia prima durante la producción del metano, sustratos, bacterias metanogénicas.de biogás por medio gas. Para elaborar el presente artículo sede desechos orgánicos, hizo una revisión con el fin de establecerlo que permite obtener Key wordsenergía limpia, los parámetros matemáticos implicadosrenovable y de bajo Biogas, Biodigestor, methane productivity, en la estimación de la productividad decosto. substrates, methanogenic bacteria. un biodigestor. Posteriormente, se indagó la influencia de los factores químicos en la producción del mismo, entre ellos Resumen la composición de los sustratos y sus Los biodigestores son sistemas diseñados combinaciones, la adición de grasas y la para optimizar la producción de biogás presencia de inhibidores. Luego se estudió por medio de desechos orgánicos, lo que el efecto de factores físicos como la permite obtener energía limpia, renovable y de bajo costo. En el ITCR se efectuó, temperatura, la remoción de los sólidos y durante el año 2008, una actividad de de las proteínas de los lodos y la separación fortalecimiento de la investigación con de las fases de la digestión anaerobia el propósito de desarrollar un sistema de la materia orgánica. Finalmente, se electrónico e inalámbrico de control y investigó el papel de factores biológicos protección para la producción de biogás. como la adición de bacterias termofílicas y Como parte de los objetivos específicos se la importancia de los metanógenos. 1. Centro de Investigación en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica. Correo electrónico: orivas@itcr.ac.cr 2. Estudiante de Ingeniería en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica. Correo electrónico: margiefaith@gmail.com 3. Estudiante de Ingeniería en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica. Correo electrónico: gosy16@gmail.com Enero - Marzo 2010 39
  • Abstract Además, el aprovechamiento del biogás Biodigestors are designed to optimize impulsa la reducción de emisiones de gases biogas production using organic wastes, de efecto invernadero como el metano which permits to obtain clean, low-cost (CH4), cuyo potencial de calentamiento renewable energy. During 2008 a group global es 23 veces mayor que el del of researchers of the ITCR worked in dióxido de carbono (CO2) (Campero, the development of a wireless electronic Kristine, Cuppens, Mizme, 2008). system for control and protection of biogas En algunos países como Alemania y Francia, production. One of the specific objectives el biogás se emplea como combustible para consisted in finding information about automotores, sin embargo, en Costa Rica y methods to augment biogas production. In en otros países en vías de desarrollo, el uso this review we established the mathematic del biogás se ha visto limitado al sitio donde parameters related to biogas estimation se produce, en el cual se puede emplear de of productivity. Then we focused in forma directa para combustión con fines the influence of chemical factors such de cocción e iluminación, o bien se puede as substrate composition, substrate utilizar indirectamente, para alimentar combinations, addition of fat and presence motores de combustión interna que generan of inhibitors. We also studied the effect fuerza motriz o eléctrica (Kapdi, Vijay, of physical factors like temperature, solid Rajesh, Prasad 2004; Ilyas, 2006).En la presente revisión removal, protein exclusion and phasese describen los En el Instituto Tecnológico de Costa Rica separation during anaerobic digestion (ITCR), se desarrolló, durante el año 2008,parámetros matemáticos of organic matter. Finally we tried to una actividad de fortalecimiento financiadarelacionados con determine the role of biological factors such por la Vicerrectoría de Investigación (VIE)la productividad de as the addition of thermophilic bacteria con el propósito de desarrollar un sistemaun biodigestor y se and the importance of methanogens. electrónico e inalámbrico de control ycomentan algunos delos factores químicos, protección para monitorear la producción,físicos y biológicos compresión y almacenamiento del biogás Introducciónque intervienen en el proveniente de un biodigestor. Como parteproceso. La producción de biogás es un proceso de los objetivos específicos se planteó natural que ocurre en forma espontánea investigar sobre métodos para acelerar en un entorno anaerobio, es decir, carente la descomposición de la materia prima y de oxígeno. Dicho proceso lo realizan aumentar la producción del gas. microorganismos como parte del ciclo biológico de la materia orgánica, el cual En la presente revisión se describen los involucra la fermentación o digestión parámetros matemáticos relacionados con de materiales orgánicos para obtener el la productividad de un biodigestor y se biogás. comentan algunos de los factores químicos, físicos y biológicos que intervienen en el Los biodigestores, por su parte, son sistemas proceso. diseñados para optimizar la producción de biogás a partir de desechos agrícolas, Parámetros matemáticos estiércol o efluentes industriales, entre relacionados con la productividad otros, los cuales permiten así la obtención de un biodigestor de energía limpia y de bajo costo a partir Uno de los parámetros que permite de una fuente renovable. El uso de esta estimar la producción de biogás en un tecnología no es nuevo, pero en los últimos biodigestor es la productividad de metano o años ha cobrado gran interés debido a productividad metanoica, la cual se define la actual crisis energética producto del como la cantidad de metano generado en la agotamiento de los combustibles fósiles. unidad de tiempo con respecto a la materia40 Vol. 23, N.° 1 2010
  • dispuesta en el reactor. De esta manera, digestión anaerobia, ya que no contienen la expresión matemática que permite contaminantes, patógenos, ni metales calcular la productividad de metano de un pesados. determinado resto orgánico en un tiempo La presencia de nutrientes como carbono, dado, es la siguiente (Sogari, 2003): nitrógeno y azufre, así como algunos elementos traza, es necesaria para el desarrollo de las comunidades microbianas encargadas de la producción de biogás. La relación carbono-nitrógeno debe estar en una proporción de entre 20 y 30 partes Donde VCH4 es el volumen de metano del primer elemento por cada parte del generado; Vreactor es el volumen de materia segundo. Si la proporción de nitrógeno dispuesta en el recinto fermentador y t es aumenta la producción de biogás puede el tiempo considerado. disminuir debido a la formación de amonio, La producción de metano, tiene un límite el cual se genera durante la degradación que depende fundamentalmente de la anaeróbica de urea o proteínas. ElLo ideal es por el naturaleza de la materia dispuesta en el amonio libre puede ser inhibitorio para lacontrario, combinar sistema digestor. La fórmula que permite fermentación anaeróbica y tóxico para lasmateriales ricos en estimar la máxima generación de metano bacterias metanogénicas (Guevara, 1996;nitrógeno con materiales para un producto determinado, es la Gallert y Winter, 1997; Cui y Jahng,abundantes en carbono siguiente (Sogari, 2003): 2006).para obtener un buen En este sentido no se recomienda utilizarbalance de nutrientes un solo tipo de sustrato. Lo ideal es porque promueva el el contrario, combinar materiales ricosadecuado crecimiento en nitrógeno con materiales abundantesde los microorganismos en carbono para obtener un buen balanceque degradan la materia Donde VCH4 es el volumen de metano de nutrientes que promueva el adecuadoorgánica dentro del generado y Sorg total es la cantidad de crecimiento de los microorganismos quebiodigestor y, de esta materia orgánica total utilizada en todo el degradan la materia orgánica dentro delmanera, aumentar la proceso. biodigestor y, de esta manera, aumentarproductividad del mismo la productividad del mismo (Guevara,(Guevara, 1996). Seguidamente se profundiza acerca de 1996). la influencia, en la productividad de los biodigestores, de factores químicos como Combinaciones de sustratos la composición y las combinaciones de Desde 1999, las plantas alemanas sustratos, la adición de grasas y la presencia productoras de biogás mezclan las excretas de inhibidores. animales con residuos industriales de Factores químicos alimentos, de la agricultura, de mercados, de restaurantes y del sector municipal. Composición química del sustrato El rendimiento de las excretas vacunas Los sustratos ideales para la digestión y porcinas al utilizarlas como biomasa anaerobia en biodigestores son los desechos oscila entre 25 y 36 m3/t de masa fresca, orgánicos húmedos de origen agrícola, debido a que el contenido de materia industrial, doméstico y municipal, así como seca orgánica de las mismas es bajo (2% las excretas de origen humano y animal. a 10%). Además, su relación carbono Los residuos de la industria alimentaria y nitrógeno es inferior a 25:1, es decir, de las actividades agrícolas en particular, son ricos en nitrógeno. Por otra parte, la son excelentes como sustratos para la producción de biogás a partir de cosechas Enero - Marzo 2010 41
  • como remolachas de forraje, maíz, sorgo conforme aumentó el porcentaje de aceite. dulce y cebada, se encuentra entre 600 y El tratamiento con 0% de aceite presentó 1000m3 por tonelada de masa orgánica un volumen de 244 litros de biogás, el seca. La relación carbono-nitrógeno de tratamiento con 2,5% de aceite presentó estos sustratos es superior a 30:1, por lo un volumen de 342 litros, y el tratamiento que son ricos en carbono. La co-digestión con 5 % de aceite agregado presentó un de estas cosechas da como resultado no sólo volumen de 477 litros (Dias, Kreling, un fuerte incremento de la productividad Botero y Murillo, 2007). del biogás, sino también una disminución Martínez (2008) advierte que el empleo de del contenido de oligoelementos de los grasas de origen animal podría aumentar residuos digeridos (Martínez, Böttinger, el riesgo de transmitir enfermedades. Oechsnr, Kanswohl, Schlegel, 2008; Además, sugiere realizar un pretratamiento Gleixner, 2007; Weiland, 2000; Guevara, a los residuos provenientes de restaurantes, 1996). mercados y el área municipal para reducir Por otra parte, Rodríguez y colaboradores el tamaño de partícula, separar los posibles (1997) analizaron la productividad de una contaminantes del proceso de digestión y combinación de estiércol con la planta facilitar la aplicación al suelo de los residuos Eichornia crassipes y también de ambos tratados anaeróbicamente. Con respecto a sustratos por separado, y se encontró que esto último, recomienda un tratamiento de los digestores cargados con E. crassipes pasteurización a 70ºC durante una hora, presentaron el mayor rendimiento, para eliminar los gérmenes patógenos. mientras que los de menor productividad De esta manera, la utilización de grasas fueron aquellos que contenían estiércol. vegetales junto con la combinación de En cuanto a la mezcla de ambos sustratos, sustratos ricos en nitrógeno y abundantes los autores encontraron que la adición de en carbono permite elevar la productividad E. crassipes mejoró el rendimiento del de los biodigestores. estiércol. Estos estudios refuerzan la recomendación Inhibidores de la producción de anterior con respecto a la combinación de biogás diferentes tipos de sustratos para balancear Además del amonio libre, según García la proporción de nutrientes disponibles para y sus colaboradores (2006), el sulfonato las comunidades microbianas encargadas linear del alquilbenceno (LAS) es el de la producción de biogás. surfactante aniónico más importante en agentes limpiadores de hogares e industrias. Adición de grasas En la mayoría de los digestores, la adición Las grasas vegetales poseen un alto potencial de surfactantes causa una disminución de energético debido a su composición la tasa de producción de biogás. química y elevado contenido de lípidos Esto debe ser tomado en cuenta a la hora de degradables por bacterias anaeróbicas. adicionar residuos domésticos e industriales Cuando se agregan a los biodigestores a un biodigestor en funcionamiento, ya pueden aumentar en hasta un 2400% la que la productividad, lejos de aumentar se productividad de biogás. En un estudio podría ver afectada. realizado en Costa Rica por investigadores de la EARTH, se probaron tres tratamientos Factores físicos que consistieron en la adición de 0%, 2,5% y 5% de aceite a un biodigestor alimentado Temperatura con excreta porcina y vacuna, y se obtuvo La biodigestión anaerobia puede ocurrir un incremento directo de la producción en un amplio rango de temperaturas42 Vol. 23, N.° 1 2010
  • que van desde los 5°C hasta los 60°C. la subsecuente remoción de proteínas, Las bacterias metanogénicas son más la generación de biogás mejoró sensibles a la temperatura que los demás significativamente y el contenido de microorganismos de un biodigestor, debido metano en el biogás producido a partir de a que su velocidad de crecimiento es más lodos desproteinizados también aumentó lenta. El proceso de digestión anaerobio no de 55,6% (v/v) (control) a 74,8%. Esto se se ve afectado si la temperatura aumenta debe a que entre el 40% y el 50% del peso en unos pocos grados; sin embargo, un seco de una célula microbiana corresponde decrecimiento podría retardar la producción a las proteínas que generan amonio. Como de metano, sin perjudicar la actividad de se indicó anteriormente el amonio libre las bacterias acidificantes, lo cual permite inhibe la producción de biogás ya que es una excesiva acumulación de ácidos y tóxico para las bacterias metanogénicas. una posible falla en el biodigestor. En Por este motivo la eliminación de proteínas este sentido, se debe procurar mantener de los lodos puede optimizar tanto la un microclima cálido en el biodigestor producción como la calidad del biogás. para conservar una tasa de producción de Los autores de este estudio efectuaron biogás alta (Bidlingmaie, 2006; Osorio, la desproteinización de los lodos Ciro y González, 2007). mediante tratamientos térmicos aUna estrategia para Una estrategia para aumentar la temperatura 121 ºC, por sonicación (aplicación deaumentar la temperatura del biodigestor y, a la vez, mantenerla más ondas ultrasónicas) y también pordel biodigestor y, a la constante consiste en la construcción de desnaturalización a pH alcalino. De todasvez, mantenerla más una estructura liviana forrada con plástico estas alternativas la menos factible deconstante consiste en de invernadero, la cual también contribuye aplicar en nuestro país es la sonicación yala construcción de a restringir el acceso de animales que que implica la adquisición de un equipouna estructura liviana puedan dañarlo. costoso.forrada con plásticode invernadero, la cual Separación de sólidos Separación de fasestambién contribuye arestringir el acceso de Las impurezas como plásticos o arena El porcentaje de biomasa que es convertidoanimales que puedan se deben separar mediante técnicas de a metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2)dañarlo. flotación y sedimentación. Además, una es de, aproximadamente, 70%. Para que éste reducción de tamaño de los desechos sólidos aumente, se requiere una separación de las a partículas de 10 a 40 mm es necesaria para fases que componen la digestión anaerobia lograr una mejor accesibilidad biológica y de la materia orgánica, a saber la hidrólisis con mejor flujo de sustrato en el proceso (degradación de compuestos orgánicos (Weiland, 2000). De acuerdo con Kasapgi complejos en compuestos simples), la y sus colaboradores (2001), el uso de acidogénesis (obtención de ácidos grasos), membranas tubulares sin soporte para la la acetogénesis (producción de acetato) y ultrafiltración, acopladas al biodigestor la metanogénesis (generación de metano). como una unidad externa, permite lograr De esta manera se puede optimizar las un incremento significativo en la cantidad condiciones del pH y de la temperatura de biogás con valor energético. en cada proceso (Gleixner, 2007; Antoni, Esta es una medida de bajo costo que se Zyerlov y Schwarz 2007; Park, Hong, puede implementar fácilmente a la entrada Cheon, Hidaka y Tsuno 2008). de cualquier biodigestor. Kon y colaboradores (2006) desarrollaron un sistema modificado de tres etapas de Remoción de proteínas de los lodos fermentación de metano. En la primera Cui y Jahng (2006), encontraron que se concentraron los procesos de hidrólisis mediante la desintegración de lodos y y acidogénesis semianaeróbica, en Enero - Marzo 2010 43
  • la segunda se realizó la acidogénesis un gran potencial como tratamiento rentable estrictamente anaeróbica y, por último, para acelerar la digestión anaeróbica de en la tercera se efectuó la metanogénesis desechos biológicos. La adición de 5% estricamente anaeróbica. El fluido ácido (v/v) de lodos TA al lodo metanogénico emanado del fermentador acidogénico aumentó la producción de biogás con una secundario fue utilizado como sustrato concentración de metano de 50-67%. Esto y el fluido metanogénico emanado del se debe a que, durante la solubilización fermentador metanogénico fue empleado de lodos, las enzimas de bacterias TA como inóculo. Los microorganismos excretadas influenciaron la hidrólisis de usados en la fermentación acidogénica los lodos durante la digestión anaeróbica. fueron especies de Clostridium. En la fermentación metanogénica se utilizó una No obstante para trabajar con TA, se mezcla de bacterias aisladas de suelo y necesita una temperatura de operación abono de vaca. En la reacción se colocaron cercana a los 65 ºC, lo cual eleva el costo 8 litros de la mezcla de sustrato con inóculos del proceso. (1:1) dentro del reactor metanogénico. Importancia de los metanógenos Cada reactor se operó a temperaturas crecientes de 30 a 55 °C a intervalos Según Demirel y Scherer (2008), las de 5 °C. Se monitorearon los cambios diferencias en las condiciones ambientales en el pH, la DQOs y la producción de y de operación afectan el comportamiento gas. Como resultado se incrementaron de los metanógenos acetotróficos e las tasas de hidrólisis, acidogénesis y hidrogenotróficos presentes en un digestorEl rendimiento de metanogénesis sin afectar el pH, y se dio de biogás. Los metanógenos acetotróficosun biodigestor está una alta producción de metano. son anaerobios obligados que conviertenligado principalmente el acetato en metano (CH4) y dióxidoa la estructura de la Sin embargo, a pesar de las ventajas de carbono (CO2). Su actividad ycomunidad microbiana mencionadas en otros estudios, la mayoríapresente en el mismo. de las plantas agrícolas de biogás utilizan funcionamiento son de gran importancia la tecnología de una sola fase debido a que durante la conversión anaeróbica del su instalación y mantenimiento son más acetato. La actividad de los metanógenos económicos. hidrogenotróficos, por su parte, es crucial para un funcionamiento estable y eficiente Factores biológicos del biodigestor, aunque la disponibilidad de hidrógeno puede ser un factor limitante Adición de bacterias termofílicas para estos microorganismos. El rendimiento de un sistema de digestión anaeróbico está ligado, principalmente, a Para promover un aumento en la la estructura de la comunidad microbiana productividad de los biodigestores es presente en el digestor. Los parámetros posible inocularlos con fuentes conocidas ambientales y de operación del proceso de microorganismos metanógenos como afectan el comportamiento, rendimiento y, el rumen de vaca, lo cual representa una eventualmente, el destino de la comunidad alternativa eficiente y de bajo costo. microbiana en los digestores anaeróbicos. Es más, la naturaleza e influencia de los lodos usados para la inoculación también Conclusión deben ser tomadas en cuenta (Demirel y El rendimiento de un biodigestor está Scherer, 2008). Por ejemplo, de acuerdo ligado principalmente a la estructura de con Miah y sus colaboradores (2005), la comunidad microbiana presente en el la adición de una pequeña cantidad de mismo. Además, la producción de metano bacterias termofílicas aeróbicas (TA) tiene tiene un límite que depende también de la44 Vol. 23, N.° 1 2010
  • naturaleza de la materia dispuesta en el biomass to methane: A review. Rev Environsistema digestor. Sci Biotechnol. 7,173–190. Dias E.D., Kreling J.C., Botero R., Murillo J.V.Sin embargo, mediante la manipulación de (2007). Evaluación de la productividad ylos factores químicos, físicos y biológicos del efluente de biodigestores suplementadospresentados en esta revisión, se puede con grasas residuales. Tierra Tropical 3(2),adaptar, de un modo sencillo, la producción 149-160.de biogás a la demanda actual de energía. Gallert C., J. Winter. (1997). Mesophilic andEntre estos factores cabe resaltar los que thermophilic anaerobic digestion of source-resultan de bajo costo, como por ejemplo sorted organic wastes: effect of ammonia onla combinación de sustratos, la adición glucose degradation and methane production. Appl Microbiol Biotechnol. 48, 405-410.de grasas, la separación de los sólidos yla inoculación de los biodigestores con Garcia M.T., Campos, E., Dalmau, M., Illa´microorganismos metanogénicos. n, P., Sánchez-Leal, J. (2006). Inhibition of biogas production by alkyl benzeneActualmente en el ITCR se continúa sulfonates (LAS) in a screening test forinvestigando sobre este tema por medio de anaerobic biodegradability. Biodegradation.un proyecto multidisciplinario financiado 17, 39–46.por la VIE, el cual pretende darle continuidad Gleixner A. (2007). Fermentation of Distiller’sa la actividad de fortalecimiento. Para ello Wash in a Biogas Plant. Utilization ofse tiene planeado, en una primera etapa, By-Products and Treatment of Waste in the Food Industry. Springer, 99-108.construir un biodigestor de polietilenopara poder efectuar pruebas de campo. Guevara A. (1996). Fundamentos básicosMás adelante se planea investigar acerca para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales. Producción de gas y saneamiento dede métodos para la purificación del biogás efluentes. Centro Panamericano de Ingenieríacon el fin de obtener metano de alta pureza Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Divisiónque pueda ser envasado y transportado. de Salud y Ambiente. Oficina Regional de la Organización Panamericana de la Salud. Lima, Perú. 80.Bibliografía Ilyas S.Z. 2006. A case study to bottle the biogasAntoni D., V. Zverlov, V. Schwarz. W.H. (2007). in cylinders as a source of power for rural Biofuels from microbes. Appl Microbiol industries development in Pakistan. World Biotechnol. 77, 23–35. Applied Sciences Journal. 1(2), 127-130.Bidlingmaier W. (2006). Fifth ORBIT Conference Kapdi S.S., Vijay, V.K., Rajesh, S.K., Prasad, Probes Anaerobic Digestion. BioCycle Journal R. (2004). Biogas scrubbing, compression of Composting and Organics Recycling. and storage: perspective and prospectus in 47(9), 42-49. Indian context. Renewable Energy 20, 1-8.Campero, O., Kristinc, G., Cuppens, T., Mizme, Kasapgil, B., Ince, O., Anderson, G., Arayici, P. (2008). Implementación del programa de S. (2001). Assessment of biogas use as an mitigación de los efectos negativos del gas energy source from anaerobic digestion of metano CH4, con la ejecución de acciones brewery wastewater. Water, Air, and Soil integrales de energías renovables y medio Pollution 126, 239–251. ambiente en el área rural de La Paz, Kon, J., Rock, B., Nam, Y., Wouk, S. (2006). Cochabamba y Santa Cruz.(Tecnologías en Effects of temperature and hydraulic retention Desarrollo. 1-36. time on anaerobic digestion of food waste.Cui R., D. J. (2006). Enhanced methane Journal of Bioscience and Bioengineering. production from anaerobic digestion of 102 (4), 328-332. disintegrated and deproteinized excess Martínez C.M., Böttinger, S., Oechsnr, H., sludge. Biotechnology Letters. 28, 531–538. Kanswohl, N., Schlegel, M. (2008).Demirel, B., Scherer, P. (2008). The roles Instalaciones de biogas a mediana y gran of acetotrophic and hydrogenotrophic escala en Alemania. Publicado el 08 de methanogens during anaerobic conversion of Enero 2008. Fuente: www.engormix.com.Enero - Marzo 2010 45
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