12.1: Digestión anaeróbica
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12.1 Digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica (EA) es un proceso biológico que descompone los materiales orgánicos (materias primas) en ausencia de oxígeno (condiciones anaerobias) en metano (CH 4) y dióxido de carbono (CO 2). Es un proceso que ocurre naturalmente en pantanos, sedimentos lacustres, océanos y tractos digestivos. Las vacas contienen una de las cubas de fermentación más conocidas, el rumen, que forma parte del estómago (también en otros animales). ¡La fermentación se realiza durante la digestión! La Figura 12.1 muestra un esquema de digestión anaeróbica.
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Este es el proceso del digestor anaeróbico. Los materiales orgánicos (carbohidratos, proteínas, grasas, aceites, etc) entran al ciclo. Los azúcares, aminoácidos y ácidos grasos se convierten en H2, CO2 y ácidos orgánicos. De ahí se eliminan los efluentes del digestor (sólidos residuales y agua). El digestor produce CH4, CO2 y H2S que se eliminan como biogás.
Crédito: Dra. Caroline E. Burgess Clifford
El uso de un digestor anaeróbico tiene beneficios, particularmente cuando se cría ganado. Se producirá un biogás, que contiene metano e hidrógeno, que puede ser utilizado como combustible. Desde el punto de vista del tratamiento de residuos, reduce el volumen y la masa de los residuos, así como reduce el contenido orgánico y la biodegradabilidad de los residuos para que la materia residual pueda ser mejor utilizada como enmienda del suelo y fertilizante. También hay beneficios ambientales: 1) se reducen los olores y emisiones de gases de efecto invernadero (es decir, metano) y compuestos orgánicos volátiles, y 2) el digestor destruirá patógenos en los desechos.
Entonces, ¿cuáles son los procesos biológicos que ocurren durante la EA? Las bacterias fermentan y convierten materiales orgánicos complejos en acetato e hidrógeno. Hay cuatro fases básicas de la digestión anaeróbica, que es un proceso sinérgico utilizando microorganismos anaerobios: 1) hidrólisis, 2) acidogénesis, 3) acetogénesis y 4) metanogénesis. La Figura 12.2 muestra la progresión y los tipos de productos para cada fase.
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Cuatro Fases de Producción de Biogás
Fase 1 — Hidrólisis
Los biopolímeros complejos (proteínas, polisacáridos, grasas/aceites) en presencia de bacterias fermentativas se convierten en monómeros y oligómeros desintegrados (azúcares, aminoácidos, péptidos)
Fase 2 — Acidogénesis
Los monómeros y oligómeros rotos en presencia de bacterias fermentativas se convierten en propionato, butirato, etc. (ácidos orgánicos volátiles de cadena corta)
Fase 3 — Acetogénesis
Los monómeros y oligómeros rotos de la fase 1, en presencia de bacterias fermentativas, también pueden convertirse en acetato o H2+ CO2. El propionato y butirato en presencia de Acetógenos (H2 produciendo o consumiendo) también pueden convertirse en acetato o H2 + CO2.
Fase 4 — Metanogénesis
H2 + CO2 en presencia de metanógenos reductores de CO2 se convierte en CH4 + CO2. El acetato en presencia de metanógenos acetoclásticos también puede convertirse en CH4 + CO2
Crédito: BEEMS Módulo B7 - Digestión Anaeróbica
Bioquímica de Hidrólisis
Hemos hablado de hidrólisis en lecciones anteriores. La hidrólisis es una reacción con agua. El ácido y la base se pueden utilizar para acelerar la reacción. Sin embargo, esto ocurre también en las enzimas. La Figura 12.3 muestra la reacción de hidrólisis, y cómo la celulosa, el almidón y los azúcares simples se pueden descomponer por el agua y las enzimas. En la digestión anaerobia, las enzimas son exoenzimas (celulosoma, proteasa, etc.) de varias bacterias, protozoos y hongos (ver Reacción 1).
(1) biomasa + H 2 O → monómeros + H 2
(Fuentes: celulosa, almidón, azúcares, grasas, aceites) (Productos: mono-azúcares [glucosa, xilosa, etc.], ácidos grasos)
Crédito: BEEMS Módulo B1
Acidogénesis Bioquímica
Durante la acidogénesis, los monómeros solubles se convierten en pequeños compuestos orgánicos, como ácidos de cadena corta (volátiles) (ácidos propiónico, fórmico, láctico, butírico, succínico — ver Reacción 2), cetonas (glicerol, acetona) y alcoholes (etanol, metanol — ver Reacción 3).
(2) C 6 H 12 O 6 + 2H 2 → 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O
(3) C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2
Acetogénesis Bioquímica
Los intermedios de acidogénesis son atacados por bacterias acetogénicas; los productos de la acetogénesis incluyen ácido acético, CO 2 y H 2. Las reacciones 4-7 muestran las reacciones que ocurren durante la acetogénesis:
(4) CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O → CH 3 COO - + H + HCO 3 - + 3H 2
(5) C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O → 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2
(6) CH 3 CH 2 OH + 2H 2 O → CH 3 COO - + 2H 2 + H +
(7) 2HCO 3 - + 4H 2 + H + → CH 3 COO - + 4H 2 O
Varias bacterias contribuyen a la acetogénesis, entre ellas:
Syntrophobacter wolinii, descompositor de propionato
Syntrophomonos wolfei, descompositor de butirato
Clostridium spp., anaerobios de peptococcus, lactobacillus y actinomices son formadores de ácido.
Metanogénesis Bioquímica
La última fase de la digestión anaerobia es la fase de metanogénesis. Varias reacciones tienen lugar utilizando los productos intermedios de las otras fases, siendo el producto principal el metano. Las reacciones 8-13 muestran las reacciones comunes que tienen lugar durante la metanogénesis:
(8) 2CH 3 CH 2 OH + CO 2 → 2CH 3 COOH + CH 4
(9) CH 3 COOH → CH 4 + CO 2
(10) CH 3 OH → CH 4 + H 2 O
(11) CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O
(12) CH 3 COO - + SO 4 2 - + H + → 2HCO 3 + H 2 S
(13) CH 3 COO - + NO - + H 2 O + H + → 2HCO 3 + NH 4 +
Varias bacterias contribuyen a la metanogénesis, incluyendo:
Metanobacterias, metanobacilos, metanococos y metanosarcina, etc.
Como puedes ver, las bacterias para la digestión anaeróbica son diferentes de otras enzimas para hacer biocombustibles, ¡e incluso podrían estar en nuestros propios estómagos!
Cualquier tipo de materia orgánica puede ser alimentada a un digestor anaeróbico, incluyendo estiércol y basura, desechos de alimentos, desechos verdes, biomasa vegetal y lodos de aguas residuales. Los materiales que componen estas materias primas incluyen polisacáridos, proteínas y grasas/aceites. Algunos de los materiales orgánicos se degradan a una velocidad lenta; la hidrólisis de celulosa y hemicelulosa es limitante de la velocidad. Existen algunos materiales orgánicos que no se biodegradan: lignina, peptidoglicano y proteínas asociadas a la membrana. Los residuos orgánicos contienen agua y biomasa compuesta por sólidos volátiles y sólidos fijos (minerales o cenizas después de la combustión). Y son los sólidos volátiles (VS) los que pueden ser no biodegradables y biodegradables.
Como discutimos con respecto al pretratamiento de biomasa para la elaboración de etanol, la eficiencia de la digestión anaeróbica mejora con el pretratamiento. La hidrólisis de celulosa y hemicelulosa (fase 1 en AD) se mejora con el pretratamiento debido a que supera la recalcitrancia de biomasa. Como se discutió en una lección anterior, las opciones de pretratamiento incluyen tratamientos con ácidos, alcalinas, explosión de vapor, reducción de tamaño, etc. Los agentes alcalinos comunes incluyen: NaOH, Ca (OH) 2 y NH 3.
El rendimiento teórico de metano (Y CH4, m 3 STP/kg de sustrato convertido) se puede calcular a partir de la composición elemental de un sustrato:
C c H H O x N n S s
Y CH4 =\(\dfrac{22.4 (\frac{c}{2} + \frac{h}{8} + \frac{x}{4} - \frac{3n}{8} - \frac{s}{4})}{12c+h+16x+14n+16s}\)
En el Cuadro 12.1 se muestra el sustrato, una fórmula elemental común y el rendimiento teórico de metano para cada uno.
| Sustrato | Fórmula elemental |
Rendimiento teórico de metano (m 3 STP/kg) |
|---|---|---|
| Carbohidratos | (CH 2 O) n | 0.37 |
| Proteínas | C 106 H 168 O 34 N 28 S | 0.51 |
| Grasa | C 8 H 15 O | 1.0 |
| Biomasa vegetal | C 5 H 9 O 2.5 NS 0.025 | 0.48 |
La Figura 12.4 muestra el rendimiento de biogás para varias materias primas diferentes en m 3/tonelada. Tenga en cuenta que después de la digestión, hay un rendimiento de biogás y el resto de la digestión, conocido como digestato. El biogás contiene típicamente 50-60% de CH 4, con el resto compuesto principalmente por CO 2 y otros gases traza. El digestato contiene fibra, nutrientes y agua, y estos se pueden usar para compost, ropa de cama para animales y tableros compuestos. La Figura 12.5 muestra un esquema de los componentes del digestor.
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Rendimientos de biogás (m3/ton) de diferentes materias primas de biomasa:
- Maíz 200
- Gramíneas 110
- Mangel 75
- Grasas Usadas 800
- Desechos Grasos 400
- Aceite Vegetal 350
- Residuos de aguas residuales 80
- Residuos de destilería 80
- Residuos Lácteos 55
- Friuts y Verduras 35
- Estiércol avícola 35
- Estiércol Ganado 30
- Estiércol de cerdo 25
Crédito: BEEMS Módulo B7 Digestión anaeróbica
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Granja conduce al estiércol que va a un digestor. Los productos del digestor se separan en sólidos y líquidos, y biogás. El biogás se almacena en tanques y luego se envía a una unidad de CHP. A partir de ahí la energía se utiliza para producir energía, o calor para calentar la granja o el digestor. Los sólidos y líquidos pasan por deshidratación y se utilizan como lecho, compost o fertilizante
Crédito: Programa de Granjas Pequeñas de Cornell, Digestores Aneróbicos
Existen varios factores que afectarán la digestión anaeróbica. Diferentes materias primas se degradarán a diferentes velocidades y producirán diferentes cantidades de metano (como se ve en la Figura 12.4 y Tabla 12.1). Eso depende de la degradabilidad biológica y potencial de metano, el carbono y los nutrientes disponibles, y el contenido de humedad de cada material de alimentación. Como se señala en la Figura 4 y el Cuadro 12.1, las grasas contienen los mayores sólidos volátiles y pueden generar la mayor cantidad de biogás. Los sólidos tardan más tiempo en digerirse que las materias primas que son solubles. Los nutrientes también son importantes. Una relación adecuada de carbono a nitrógeno (C/N) es menor de 30, y la relación carbono a fósforo (C/P) debe ser menor a 50. Por ejemplo, la biomasa lignocelulósica tiene una alta relación C/N, por lo que se deben agregar fuentes de nitrógeno. Los nutrientes también deben estar libres de componentes tóxicos. Otros factores que pueden influir en la digestión son la disponibilidad y ubicación de los materiales de alimentación (costos de transporte involucrados aquí), la logística de cómo llegar los materiales a ciertos sitios, y si va a ser necesaria la reducción de tamaño.
El rendimiento del digestor también dependerá de la población microbiana en el digestor. Esto significa mantener cantidades adecuadas de bacterias fermentadoras y metanógenos. Se utiliza una corriente reciclada para tomar una porción del digestato líquido como inóculo (material utilizado para la inoculación de materiales de alimentación). Y dependiendo de los alimentos, puede haber un periodo de aclimatación para alcanzar condiciones aceptables.
También hay variaciones en los factores operativos y las condiciones ambientales del digestor. Es importante conocer los sólidos totales (TS) y los sólidos volátiles (VS) en las alimentaciones, los mejores tiempos de retención y proporcionar mezcla. Los factores operativos incluyen la cantidad y el tipo de resistencia de las materias primas agregadas al digestor. La operación también depende del mantenimiento de la población de microorganismos y la carga orgánica en reactores, ya sea operando en un reactor discontinuo o continuo. La mezcla también es un factor importante en cualquier reacción. El objetivo de la mezcla es mantener los microorganismos en estrecha interacción con el alimento y los nutrientes. La mezcla también evita la formación de una capa de costra flotante, lo que puede reducir la cantidad de biogás que se filtra fuera de la suspensión. La mezcla beneficiará la descomposición de los sólidos volátiles y aumentará la producción de biogás, pero tenga en cuenta que la mezcla agrega costo de energía, por lo que esto debe equilibrarse. Los tipos de mezcla en este sistema incluyen burbujeo de gas y/o mezcla mecánica.
Las condiciones ambientales incluyen la temperatura y el pH del reactor, así como las concentraciones de materiales, incluyendo los ácidos grasos volátiles, amoníaco, sal e iones catiónicos. Diferentes metanógenos reaccionan en rangos de temperatura. El tipo de metanógenos que producen más biogás son los termófilos, pero el digestor debe estar operando entre 40-70 °C. Los metanógenos también prefieren condiciones de pH neutro (6.5-8.2). La acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV) puede hacer que la digestión deje de producir gas, esto sucede cuando se agrega demasiado material orgánico digerible, se agrega un compuesto tóxico o hay un cambio repentino de temperatura. Los materiales tóxicos incluyen: 1) oxígeno, 2) antibióticos, 3) productos químicos de limpieza, 4) ácidos inorgánicos, 5) toxicidad por sales alcalinas y alcalinotérreas, 6) metales pesados, 7) sulfuros y 8) amoníaco. Una razón adicional para la falla del proceso de AD tiene que ver con la reacción dentro de estar fuera de balance. En particular, la tasa de formación de ácido y producción de metano debe ser igual. Esto se realiza manteniendo rangos definidos y proporciones de lo siguiente: carga de sólidos, alcalinidad, temperatura, pH, mezcla y control de la formación de VFA. Cuando los microorganismos metanógenos no pueden mantenerse al día con las bacterias fermentadoras, el digestor se vuelve ácido, también conocido como “agrio”.
Un reactor AD en fase líquida a temperatura ambiente se llama laguna cubierta. Las ventajas de la laguna cubierta son el bajo costo, la facilidad de construcción y el control de olores con almacenamiento de estiércol. Las desventajas incluyen la difícil eliminación de lodo y solo la producción estacional. Sin embargo, hay varios diseños que tienen temperatura controlada, y son típicos de diferentes tipos de reactores: 1) mezcla completa, 2) flujo pistón, 3) lote de secuenciación y 4) película fija. El Cuadro 12.2 muestra una comparación de las variables para cada tipo de configuración de digestor anaeróbico.
| Característica | Almacenamiento Cubierto | Digestor de flujo de tapón | Digestor de flujo de tapón mixto | Digestor de mezcla completa | Digestor de Película Fija | Digestor de manto inducido | Digestor de dos etapas |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vaso de digestión | Almacenamiento forrado de arcilla o sintético | Tanque rectangular en el suelo | Tanque rectangular en el suelo | Tanque redondo/cuadrado en/sobre el suelo | Tanque En/sobre el suelo | Tanque En/sobre el suelo | Tanque En/sobre el suelo |
| Nivel de tecnología | Bajo | Bajo | Mediano | Mediano | Mediano | Alto | Alto |
| Calor añadido | No | Sí | Sí | Sí | Opcional | Sí | Sí |
| Sólidos totales | 3-6% | 11-13% | 3-13% | 3-10% | 2-4% | < 8% | ~ 5% |
| Características de los sólidos | Grueso | Grueso | Grueso Medio | Grueso | Fina | .. | .. |
| Tiempo de retención (días) | 60+ | 15+ | 15+ | 15+ | <4 | 3-5 | 10-13 |
| Tipo de granja | Lechería, Porcinos | Lechería, Porcinos | Lechería, Porcinos | Lácteos | Lechería, Porcinos | Lechería, Porcinos | Lechería, Porcinos |
| Ubicación óptima | Todos los climas | Todos los climas | Todos los climas | Todos los climas | Temperado/cálido | Todos los climas | Todos los climas |