ESTUDIO DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN ANAERÓBICA PARA SUADECUACIÓN EN LA PRODUCCIÓN DE GASES

Mariana De Gennaro, Luis Jesús Díaz, Alexander Varela

Miniproyecto de Ingeniería Químicadirigido por

Pablo Reyes IsaacuraDepartamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia.

RESUMEN

Este trabajo se enfoca en la aplicación de la tecnología de producción de biogás por fermentación anaeróbica dedesechos vegetales. Se realizaron varias pruebas con proporciones fijas de materia orgánica, estiércol y agua,teniendo como variable la temperatura y el control de pH. Se midieron además los sólidos totales, los sólidosvolátiles, el volumen de gas producido y su composición. Se determinó que las condiciones idóneas son de altadilución, temperatura de 35 °C o superior y basificar la mezcla con NaOH hasta un pH de 6 después de que estese aproxime a 4.

INTRODUCCIÓN

El proceso de producción de gases por fermentación debiomasa es bien conociendo desde hace muchos años. Aun así, ycomo resultado de la gran disponibilidad de combustibles fósilesen nuestro país, la tecnología de producción de biogás no ha sidocompletamente entendida o desarrollada en Venezuela. En otraspartes del mundo, donde los combustibles fósiles tienen precioselevados, la necesidad está supeditada a la economía. EnVenezuela, también surge la necesidad pero por factores muydistintos. Si otros países están en el trabajo de hallar nuevasformas de energía, este avance nos influencia directamente por elefecto de la globalización; no podemos quedar inertes ante unposible cambio futuro del paradigma energético mundial.

Estos procesos de fermentación son de carácterprincipalmente biológico, pero también tienen un importantecomponente ingenieril. Por el carácter biológico, también debeentenderse que las variables determinantes son muy diversascomo en cualquier otro proceso similar: la alimentación, lascondiciones ambientales, la diversidad de las cepas activas delproceso, entre otros, son factores que no se mantienen constantesde un lugar a otro. Entonces es necesario entender de la mejormanera posible cómo ocurren estas transformaciones adaptadasa las condiciones locales y particulares. Es decir, que hay unproceso de entendimiento y entonación de la tecnología para suadaptación y aplicación.

Este estudio puede ofrecer la oportunidad de entendervariables clave que permitan adecuar el proceso a condicioneslocales, optimizando la producción de alguno de los gases(metano o hidrógeno) que pueden servir como fuente de energíaalternativa. Las ventajas radican en que los costos paraimplementar esta tecnología son potencialmente bajos y lamateria prima utilizada (desechos de comida, estiércol, etc.)tiene una gran disponibilidad y costo casi nulo en muchísimoscasos. Por esta razón, esta opción se muestra como unaoportunidad de ofrecer opciones a personas a las que loscombustibles fósiles o la energía eléctrica representen una fuentede energía con problemas de disponibilidad.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Un biodigestor pretende aprovechar los desechos y elestiércol como fuente de energía, para producir biogás (el cualestá compuesto, principalmente, de metano). Un biodigestor esun tanque cerrado, en el cual se alimenta biomasa (desechoorgánico, estiércol y agua), para que las bacterias puedandescomponer las macromoléculas y sintetizar otros compuestos,formando así el biogás. En la digestión anaeróbica, losmicroorganismos descomponen materia orgánica, en ausencia deoxígeno, generándose mayoritariamente metano, dióxido decarbono e hidrógeno. (Mata-Álvarez et al., 2000)

Proceso de Digestión Anaeróbica.

La fermentación anaeróbica sigue el proceso descrito por laFigura 1. En ella se presentan las diferentes etapas queconforman el proceso, las cuales se explican a continuación.

Figura 1. Proceso de fermentación anaeróbica. Flujogramapropuesto por Siegrist en 1993 (Lyberatos y Skiadas, 1999)

Hidrólisis y desintegración. Agentes biológicos y nobiológicos intervienen en la solubilización de la materia orgánicacompleja, mediante su ruptura en sustratos como proteínas,carbohidratos y lípidos, de la digestión de los cuales se obtieneaminoácidos, azúcares, ácidos grasos y amoníaco (Rivera, 2010).

Acidogénesis. Ocurre la degradación de azúcares yaminoácidos en propionato, acetato y butirato. Las bacteriasacidogénicas transforman biopolímeros en ácidos grasosvolátiles. El agente microbiano acidogénico es anaeróbico(Rivera, 2010).

Acetogénesis. Se oxidan el propionato y los ácidos grasosvolátiles en acetato, mediante agentes biológicos. En el procesose produce hidrógeno que puede ser utilizado por bacteriassulfato-reductoras y metanógenos (Rivera, 2010).

Metanogénesis. El agente metanógeno lo conforman gruposde bacterias metanogénicas que digieren el acetato para formarmetano. También participan los metanógenos hidrogenotróficos,las cuales producen metano a partir de hidrógeno y dióxido decarbono. El 70% del metano en un biodigestor comúnmenteproviene de la digestión del acetato y el restante de la reducciónde CO2 (Solera et al., 2002). Los metanógenos pueden sermesófilos, su digestión óptima ocurre a temperaturas medias 30-40 °C; o termófilos, su digestión óptima ocurre a temperaturasaltas (Chen et al., 2008).

Biodigestor a Dos Etapas.

El biodigestor a dos etapas propuesto por Solera et al. (2002)para obtener altos rendimientos de metano consiste en:

Primera etapa (ácida). Se utiliza biomasa fresca. El sistemaprocede en medio ácido hasta un pH de 4,5.

Segunda etapa (neutra-básica): Se utiliza como materiaprima lo que se obtiene de la primera etapa. Se basificautilizando NaOH, hasta un pH de 7,5-8,5.

Si los ácidos volátiles se producen más rápidamente que suconsumo por parte de las colonias de bacterias, entonces el pHdisminuye (Chen et al., 2005).

Se pueden obtener diversas ventajas de la utilización de unreactor por etapas, entre ellas se encuentran: Seleccionar lascondiciones más idóneas para la proliferación específica de lascolonias de bacterias más importantes en esa etapa, controlar elpH con mayor cuidado y maximizar la producción de biogásdebido a las buenas condiciones de los distintos tipos debacterias (Solera et al., 2002)

El biogás producido en una fermentación anaeróbica estácompuesto principalmente por metano (CH4) y dióxido decarbono (CO2). Puede tener trazas de hidrogeno (H2), sulfuro dehidrógeno (H2S) y nitrógeno (N2) (Batstone et al., 2002).

Sustancias que Afectan a la Digestión Anaeróbica.

Sodio. El ión sodio es esencial para los metanógenos, porquejuega un papel fundamental en su metabolismo para la obtenciónde energía. Si la biomasa posee bajas concentraciones de sodiose beneficia el crecimiento de población de metanógenosmesófilos y microrganismos mesófilos acetoclásticos (Chen etal., 2008). Altos niveles de sodio pueden inhibir el proceso alinterferir con el metabolismo de los metanógenos (Chen et al.,2008).

Amoníaco. El amoniaco puede obtenerse como producto dela biodegradación de las proteínas y urea presentes en labiomasa. Se ha demostrado como un inhibidor del proceso deproducción de biogás, siendo los metanógenos los organismos enverse más afectados (Angelidaki & Ahring, 1993). La forma deamoniaco libre, NH3, se ha sugerido como la principal causantede inhibición, por consiguiente elevar el pH puede resultar encambio a la inocua forma NH4

+ e incrementar la tasa deproducción de biogás (Chen et al., 2008).

Se puede contrarrestar la inhibición por amoníaco mediantela dilución de la biomasa a tratar hasta un contenido de 0,5-3,0%de sólidos totales (Chen et al., 2008).

Sulfatos: Las bacterias sulfato-reductoras pueden constituiren una competidora de metanógenos y acetógenos por lautilización del acetato disponible (Uberoi y Bhattacharya, 1995).Su principal efecto tóxico sobre los microorganismos loconvierte en un inhibidor conocido de la metanogénesis, peroúnicamente la forma no disociada de H2S es tóxica para losmetanógenos (Colleran, et al, 1995). El sulfato se reduce porefecto de las SRB obteniéndose el altamente tóxico H2S, por locual la presencia de sulfatos es indeseable en la biomasa. Sepuede controlar el efecto de los iones sulfato y sulfuro mediantela dilución de la biomasa, añadiendo etapas que promuevan suremoción del medio o regulando el pH del sistema por debajo de7 (Chen et al., 2005).

Otros iones metálicos (Ca+2, Mg+2, K+). Los ionesmetálicos podrían encontrarse en la biomasa espontáneamentemediante su obtención como producto de descomposición de lamateria orgánica o como sal añadida en el proceso de control depH, si sus concentraciones en el medio son muy altas tambiénpodrain inbir el proceso. El calcio y el magnesio son cationesvitales para el crecimiento de ciertas especies de metanógenos.Se ha encontrado valores óptimos de 200 ppm de Ca2+ y 720ppm de Mg+2 (Chen et al, 2005) por lo cual la utilización deaguas moderadamente duras favorece la producción de biogás.

Caracterización y Tratamiento de la Biomasa.

Los Sólidos Totales (ST), es la materia seca (o sin humedad)que queda después del secado. Incluye compuestos digeribles(sólidos volátiles) y no digeribles (sólidos fijos).

Los Sólidos Volátiles (SV), son los que se eliminan, porcombustión, cuando la materia se enciende en la mufla a 510 ºC;dichos sólidos, son los transformados por las bacterias. La muflase opera a 510 ºC, para que todo el contenido orgánico delreactor combustione. Así, se elimina del crisol CO2 y H2O. Loque queda en el crisol, como ceniza visible, se puede afirmar queno es orgánico.

Indican los resultados de Kobayashi et al. (2012) que si semantiene un sistema de dos reactores y dos etapas, convienerecircular parte de lo que sale del segundo reactor (el básico) alprimer reactor (el ácido). Si se hace lo anterior, se mejora elconsumo de ácidos orgánicos y etanol, recuperándose energía.Con la recirculación, se incrementan los iones NH4

+,aumentando también el H2 y, por lo tanto, la producción demetano. Sin embargo, si no se recircula nada, pero se controlamuy bien el pH, también se consiguen resultados positivos.

Variables de Estudio.

Porcentaje de humedad. Para garantizar una biomasalíquida bien diluida, para favorecer la fermentación anaeróbica.

Sólidos volátiles. Como se vio en las etapas de lafermentación, los compuestos orgánicos disueltos preceden a laformación de ácido acético, el que es precursor a la formación demetano por acción de las bacterias metanogénicas. Por ello laimportancia de llevar el control de éstos para conocer laeficiencia del proceso.

pH. Las etapas acidogénicas y acetogénicas acidificanmucho el medio, lo cual debe controlarse alcalinizando con unasolución de cal, de bicarbonato o preferiblemente de NaOH. Lasbacterias metanogénicas se ven altamente afectadas por el pHdel sistema, prefiriendo ph neutro o ligeramente básico.

Temperatura. A pesar de ser un proceso exotérmico, lapoblación de las colonias de bacterias se ve beneficiada a altastemperaturas.

Composición de biogás. Utilizando un cromatógrafo degases, se mide mediante las gráficas que traza el instrumento enun computador.

Para las condiciones de temperatura ambiental enSartenejas, se consultó la página web “Estado del tiempo”provista por la universidad.

Los Residuos.

Los residuos orgánicos, ocupan un lugar prioritario desde elpunto de vista cualitativo y cuantitativo. Constituyen entre el 30y 65% de los residuos domiciliarios, según lugar y clima, másdel 85 % de los residuos considerados agrícolas y un porcentajeno despreciable de residuos industriales, fundamentalmentevinculados a las agroindustrias. Asimismo, se define comoresiduo todo aquello que ocupa espacio y no es útil, por ciertascircunstancias; los residuos orgánicos son aquellos que tienen suorigen en los seres vivos, animal o vegetal (Sztern y Pravia,1999).

El contenido de humedad, es otro parámetro a considerar enlos residuos orgánicos. La humedad varía desde un pequeñoporcentaje, como en el caso de residuos de cosechas, hasta un90% en el caso de lodos, aguas negras y otros desechos líquidos.El contenido en humedad, puede llegar a condicionar lasalternativas de tratamiento (Sztern y Pravia, 1999).

Los residuos orgánicos (provenientes de la actividadagropecuaria) pueden ser de 2 tipos:

a) Residuo vegetal: Restos de cosechas y cultivo. Sucontenido de humedad es relativo dependiendo de varios factorescomo características de la especie cultivada, ciclo de cultivo,tiempo de exposición a factores climáticos, etc.

b) Residuo animal: excrementos sólidos y semisólidos(estiércol), concentración espacial e impacto negativo queproduce, la composición química varía según tipo de ganado ydieta.

Los residuos tienen macromoléculas orgánicas con altopotencial energético almacenado como energía química deenlace. Cuando se degrada esas macromoléculas, se liberaenergía (reacción exotérmica): por eso, esta reacción deberíafavorecerse a bajas temperaturas, pero es combustión y haybacterias, las cuales se favorecen a altas temperaturas.

Desechos y Heces.

Los desechos vegetales tienen un alto contenido dehumedad, que es deseable para lograr la dilución del sistema queevite la inhibición de la digestión por los agentes tóxicos ya

mencionados. Otra ventaja que poseen los desechos vegetales esser muy abundantes, en particular en el ámbito doméstico y encomercios de venta directa.

Las heces de vaca son recomendadas por numerosos autores(Del Pino, 2009 y Paez, 1982). Las heces de avestruz poseencaracterísticas similares a las heces de vaca, como puedeobservarse en la tabla 1.

Asimismo, vale destacar que ambos animales tienen unadieta muy parecida (ambos son principalmente herbívoros), locual es clave para explicar el hecho de que sus excrementostengan contenido muy similar.

La idea en los excrementos es que haya carbono para que lasbacterias trabajen. Al respecto de esto diversas opciones han sidoconsideradas, de acuerdo a Stern y Pravia (1999) losexcrementos ideales son los de pollo y cochino.

Tabla 1. Comparación de las características entre las hecesde vaca y las heces de avestruz. (Finca Avestruces La Villa.

Gutiérrez, 2008)Característica Vaca Avestruz

pH 7.7-7.1 8,02

% Humedad 25,5 26,2

% Ca 0,92-3.21 1,82

% P 0,91-1.20 1,65

% K 0,35-1.51 0,5

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Se utilizaron los siguientes materiales: Materia orgánica: Consistente principalmente en desechos

de origen vegetal, incluyendo conchas, semillas, hojas,pulpa, tallos y/o raíces. Estos fueron triturados con unmolino para facilitar el proceso de biodigestión.

Inóculo: Heces de avestruz, provenientes de la FincaAvestruces La Villa.

Agua corriente Cal apagada, adquirida en una ferretería. Hidróxido de Sodio, pureza 99 %.

Los equipos y materiales de laboratorio utilizados fueron: Cromatógrafo Agilent 6890N (ver Tabla 2) Mufla Estufa Crisoles de cerámica. Papel de pH de rango 2,0-9,0 con apreciación de 0,5 Balanza digital (apreciación de 0,01 g)

El montaje experimental implementado se esquematiza en laFigura 2. Este consiste en 3 recipientes unidos mediante válvulasy mangueras. El primero, de izquierda a derecha, es el reactor, elsegundo, el colector de gas, y el tercero un recipiente con agua.En este montaje, el gas producido se mantiene contenido por elagua (despreciando los efectos de difusión y solubilización).Además, esto permite evitar aumentos excesivos de la presión.El recipiente colector se calibró para medir volumen con unaapreciación de 100 ml.

La mezcla de materia orgánica fermentada consistió endesechos vegetales y estiércol de avestruz en relación 80/20 p/p.La relación de agua/materia biológica fue de 3,5 l / 1,5 kg

Figura 2. Montaje experimental.

Tabla 2. Características técnicas del cromatógrafo empleadopara el análisis de las muestras de gas

Modelo Agilent 6890N

DetectorTCD(Thermal Differential Conductivity)

Puerto de Inyección Manual

Condiciones del análisisPuerto de inyección (150 °C)Detector (200 °C)

Gas cargador HelioFlujo 1,5 ml/min

Programa de temperaturaIsotérmico a 60°C por dos minutosCalentamiento a 30°C por un minuto

Las pruebas preliminares fueron tres; estas no tuvieroncontrol de la temperatura y el control de pH se hizo con cal. Laspruebas finales fueron dos; estas difirieron en la capacidad delmontaje experimental y en que se implementó un control detemperatura. En estas últimas, el control de pH se cambió paraser realizado con una solución de NaOH.

Para medir los porcentajes de cenizas y sólidos volátiles setomaron diariamente de cada biorreactor una muestra de 4 g (portriplicado). Cada muestra se mantuvo en una estufa a 110 °C poral menos 8 horas. Posteriormente, las muestras fueronintroducidas a una mufla a 500 °C durante tres horas, paracalcinar todos los sólidos volátiles. En cada paso se midió lamasa para hacer los cálculos correspondientes.

Adicionalmente, se tomó cada día una muestra para medir elpH.

Se basificó cada biorreactor en el momento en que el pH decada uno tendía a 4, dosificando el agente correspondiente paratratar de elevar el pH a valores cercanos a 7.

Al final del proceso se analizó la composición del gasproducido a través de una cromatografía de gas, esto es luego de10 días.

En la experiencia final con control de temperatura, el reactorfue envuelto por una serpentín con circulación de agua a 70 °C,De esta manera, uno de los biodigestores fue mantenido a latemperatura de 35 °C, mientras que el otro permaneció atemperatura ambiental.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

La Tabla 3 muestra los resultados de tiempos de retención ycomposición para la cromatografía del montaje preliminar.

Tabla 3. Resultados de la cromatografía de gas para elmontaje experimental preliminar.

PicoTiempo de retención

(min)% V/V

Pri

mer

aco

rrid

a 1 1,475 10,332

2 1,727 87,486

3 4,033 2,182

Seg

unda

corr

ida 1 1,461 47,479

2 1,753 40,985

3 3,866 11,536

Ter

cera

corr

ida

1 1,474 5,313

2 1,697 91,770

3 3,298 0,016

4 4,001 2,901

La Figura 4 contiene el porcentaje de cenizas y la Figura 5el porcentaje de sólidos volátiles, como variables del tiempo,para el reactor a temperatura ambiente

Figura 4. Cenizas del reactor frío respecto al tiempo

Figura 5. Sólidos volátiles del reactor frío respecto al tiempo

La Figura 6 muestra la evolución del pH y la Figura 7grafica la producción de gas en litros, para el reactor atemperatura ambiental, con respecto al número de díastranscurridos en el experimento.

Figura 6. pH del reactor frío respecto al tiempo

Figura 7. Producción de gas (1 L=0,001 m3) del reactor fríorespecto al tiempo

La Tabla 4 muestra los resultados de tiempos de retención ycomposición para la cromatografía del reactor frío.

Tabla 4. Resultados de la cromatografía de gas para elmontaje experimental con el reactor a temperatura ambiente.

PicoTiempo de retención

(min)% V/V

Pri

mer

aco

rrid

a

1 1,638 81,510

2 2,042 16,642

3 3,416 0,125

4 4,222 1,723

Seg

unda

corr

ida 1 1,591 73,242

2 1,981 25,877

3 4,248 0,881

Ter

cera

corr

ida 1 1,698 78,541

2 2,010 20,086

3 4,012 1,373

La Figura 8 contiene el porcentaje de cenizas y la Figura 9 elporcentaje de sólidos volátiles, en función del tiempo en días,para el reactor a temperatura caliente con el intercambiador.

Figura 8. Cenizas del reactor caliente respecto al tiempo.

Figura 9. Sólidos volátiles del reactor caliente respecto altiempo.

La Figura 10 muestra la evolución del pH del reactorcaliente en función del tiempo.

Figura 10. pH del reactor caliente respecto al tiempo.

La Figura 11 muestra la evolución en la producción de gasen litros del biorreactor caliente en función del número de díasde ejecución del sistema.

Figura 11. Producción de gas del reactor caliente respecto altiempo

La siguiente Tabla muestra los resultados de tiempos deretención y composición para la cromatografía del reactorcaliente.

Tabla 5. Resultados de la cromatografía de gas para el montajeexperimental con el reactor caliente.

PicoTiempo de retención

(min)% V/V

Pri

mer

aco

rrid

a 1 1,601 71,723

2 1,995 25,366

3 4,193 2,911

Seg

unda

corr

ida 1 1,614 75,110

2 2,010 22,256

3 4,207 2,634

Ter

cera

corr

ida 1 1,593 79,920

2 1,992 18,330

3 4,209 1,748

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

pH. Durante las pruebas preliminares, se observó que alagregar cal a la biomasa en grandes cantidades (debido a su bajasolubilidad), se obtuvo un incremento de pH que fue desde 4,5hasta 8. Al día siguiente siguió en ascenso hasta más de nueve yse produjo una gran cantidad de gas. Esto nos permitió confirmarla efectividad de la basificación para el proceso.

Al comparar las Figuras 6 y 10, se hace evidente el procesode acidogénesis descrito por Rivera (2010). A medida queavanzaban los días la concentración de sustancias ácidas seincrementaba. El punto mínimo se alcanzó en pH=4 para elreactor que estaba a temperatura ambiente y pH=4,5 para elreactor caliente. En este punto se basificó la mezcla agregandoNaOH, elevando el pH hasta 6 y evitando la muerte de lasbacterias metanogénicas por exposición prolongada a altosniveles de acidez (Solera et al., 2001). Fue así como semejoraron las condiciones del sistema permitiendo lacontinuidad del proceso y un aumento en la producción de gas.Los resultados de Solera y colaboradores (2001) sugerían elevarel pH hasta 7,5 u 8, con el fin de maximizar aun más el

crecimiento de la población de los metanógenos. Sin embargo,esto no se implementó para evitar que el pH subadescontroladamente por el efecto del proceso biológico. Esto yase había observado en las pruebas preliminares, donde el pHseguía elevándose luego de la gasificación inducida.

Cromatografías. Debido a la buena calibración hecha alcromatógrafo usando un gas patrón, las cromatografíasrealizadas a los gases producidos en ambos sistemas permitierondeterminar con buena exactitud los tiempos en los cuales sedaban los picos correspondientes a los principales compuestos.Se obtuvo que el metano siempre aparecía a los 1,6 min, con unacomposición v/v que estaba entre 72% y 81%, el dióxido decarbono a los 2 min con una composición que estaba entre 18%y 25% y el vapor de agua a los 4,2 min, cuya composiciónvolumétrica rondaba el 5%.

Sólidos volátiles. A partir de las Figuras 5 y 9 se pudoconfirmar el avance de la digestión de la biomasa por parte delas bacterias, ya que a medida que pasaban los días el porcentajede dichos sólidos disminuía, por lo tanto la cantidad de materiaorgánica disponible para producir gases era cada vez menor.

Producción de gas. Al comparar las graficas de producciónde gas en los dos sistemas se hizo notable el crecimiento en lapoblación de bacterias con un aumento de temperaturarelativamente pequeño (10 °C), lo cual se tradujo en una mayorvelocidad de producción de gas y en mayores cantidades.

Sólidos totales. En las pruebas preliminares se uso unarelación agua/biomasa tal que el porcentaje de sólidos totales semantuvo en orden de 4%. Para las pruebas finales se decidió usarlos resultados de Chen y colaboradores (2008), y trabajar con unporcentaje de sólidos totales no mayor a 3% para evitar laproducción de sustancias inhibidoras del proceso comoamoniaco y sulfuro de hidrogeno.

CONCLUSIONES

A partir de este estudio se pudieron determinar una serie decondiciones idóneas para la realización del proceso defermentación anaeróbica. En primer lugar se debe tener uncontrol sobre el pH de la biomasa, ya que si se permite que elsistema se encuentre expuesto a niveles altos de acidez por másde dos días el proceso se inhibe. En segundo lugar, latemperatura del proceso debe rondar los 35 °C, ya que a mayortemperatura el crecimiento de bacterias se beneficiasustancialmente. Además, es necesario que el sistema este muydiluido, con una relación masa/volumen tal que el porcentaje desólidos totales del sistema este por el orden del 3% o menos paraevitar la inhibición debido a la producción de amoniaco y sulfurode hidrogeno. Por último, se debe dar una agitación continua a labiomasa ya que facilita la liberación de los gases que seproducen y quedan atrapados en la fase sólida.

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