digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica es un proceso en el que los microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. Los productos resultantes son biogás (una mezcla de dióxido de carbono (CO₂) y metano) y digestato (un fertilizante rico en nitrógeno). El biogás puede quemarse para producir calor o purificarse y utilizarse de la misma manera que el gas natural o como combustible para automóviles. El digestato residual es rico en minerales y puede utilizarse como fertilizante agrícola o acondicionador de suelos.

de la aplicación

El proceso anaeróbico húmedo se utiliza ampliamente para tratar lodos de aguas residuales y residuos orgánicos, ya que permite reducir el volumen y la masa del material de entrada. Como parte de un sistema integrado de gestión de residuos, la digestión anaeróbica reduce la emisión de gases de vertedero a la atmósfera.

La digestión anaeróbica seca también se ha utilizado ampliamente. Por ejemplo, existe el sistema de Axpo Kompogas AG. Este sistema, plenamente desarrollado, produjo 27 millones de kWh de electricidad y biogás en 2009. El camión más antiguo de la empresa ha recorrido 1 millón de kilómetros con biogás procedente de residuos domésticos en los últimos 15 años. ^{[ 1 ]}

La digestión anaeróbica es una fuente de energía renovable, ya que el proceso produce biogás rico en metano y dióxido de carbono, apto para la producción de energía, lo que ayuda a sustituir los combustibles fósiles. Además, los sólidos ricos en nutrientes que quedan tras la digestión pueden utilizarse como fertilizante.

Procesos

Existen 2 tipos de procesos: el proceso de digestión anaeróbica húmeda y el de digestión anaeróbica seca . En ambos tipos de proceso, hay varias bacterias involucradas en el proceso de digestión anaeróbica, incluyendo bacterias formadoras de ácido acético (acetógenos) y bacterias formadoras de metano (metanógenos). Estas bacterias se alimentan de la materia prima inicial, que se somete a varios procesos diferentes que la convierten en moléculas intermedias que incluyen azúcares, hidrógeno y ácido acético antes de convertirse finalmente en biogás.
Diferentes especies de bacterias pueden sobrevivir en diferentes rangos de temperatura. Las que viven óptimamente a temperaturas entre 35-40 °C se llaman mesófilas o bacterias mesófilas. Algunas de las bacterias pueden sobrevivir en las condiciones más calientes y hostiles de 55-60 °C, estas se llaman termófilas o bacterias termófilas. Los metanógenos provienen del grupo primitivo de las arqueas. Esta familia incluye especies que pueden crecer en las condiciones hostiles de los respiraderos hidrotermales. Estas especies son más resistentes al calor y, por lo tanto, pueden operar a temperaturas termófilas, una propiedad exclusiva de las familias bacterianas.

Al igual que en los sistemas aeróbicos, las bacterias en los sistemas anaeróbicos (los microorganismos que crecen y se reproducen dentro de ellos) requieren una fuente de oxígeno elemental para sobrevivir.

En un sistema anaeróbico, el oxígeno gaseoso no existe. En un digestor anaeróbico, se impide la entrada de oxígeno gaseoso al sistema mediante contención física en tanques sellados. Los microorganismos anaeróbicos obtienen oxígeno de fuentes distintas al aire circundante. La fuente de oxígeno para estos microorganismos puede ser la propia materia orgánica o, alternativamente, puede ser suministrada por óxidos inorgánicos presentes en la materia prima.
Cuando la fuente de oxígeno en un sistema anaeróbico proviene de la propia materia orgánica, los productos finales intermedios son principalmente alcoholes, aldehídos y ácidos orgánicos, además de dióxido de carbono. En presencia de metanógenos especializados, los intermedios se convierten en los productos finales finales de metano: dióxido de carbono con trazas de sulfuro de hidrógeno. En un sistema anaeróbico, la mayor parte de la energía química contenida en la materia prima es liberada por bacterias metanogénicas en forma de metano.

Las poblaciones de bacterias anaerobias suelen tardar un tiempo considerable en establecerse y alcanzar su plena eficacia. Por lo tanto, es habitual introducir microorganismos anaerobios a partir de materiales con poblaciones ya existentes. Este proceso se denomina «siembra» de los digestores y suele realizarse añadiendo lodos de depuradora o purines.

etapas

Hay cuatro etapas biológicas y químicas claves de la digestión anaeróbica:

1. Hidrólisis
2. Acidogénesis
3. Acetogénesis
4. Metanogénesis

En la mayoría de los casos, la biomasa se compone de polímeros orgánicos de gran tamaño. Para que las bacterias de los digestores anaeróbicos accedan al potencial energético del material, estas cadenas deben descomponerse primero en sus componentes más pequeños. Estos componentes o monómeros, como los azúcares, son fácilmente asimilables por otras bacterias. El proceso de romper estas cadenas y disolver las moléculas más pequeñas en solución se denomina hidrólisis. Por lo tanto, la hidrólisis de estos componentes poliméricos de alto peso molecular es el primer paso necesario en la digestión anaeróbica. Mediante la hidrólisis, las moléculas orgánicas complejas se descomponen en azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos.

El acetato y el hidrógeno producidos en las primeras etapas pueden ser utilizados directamente por los metanógenos. Otras moléculas, como los ácidos grasos volátiles (AGV), con una longitud de cadena mayor que el acetato, deben catabolizarse primero en compuestos que puedan ser utilizados directamente por los metanógenos.

El proceso biológico de la acidogénesis consiste en la descomposición adicional de los componentes restantes por bacterias acidogénicas (fermentativas). En este proceso se crean AGV junto con amoníaco, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, así como otros subproductos. El proceso de acidogénesis es similar al de la leche agriada.

La tercera etapa de la digestión anaeróbica es la acetogénesis. Las moléculas simples creadas durante la fase de acidogénesis son digeridas por acetógenos para producir principalmente ácido acético, además de dióxido de carbono e hidrógeno.

La etapa final de la digestión anaeróbica es el proceso biológico de metanogénesis. En este proceso, los metanógenos utilizan los productos intermedios de las etapas anteriores y los convierten en metano, dióxido de carbono y agua. Estos componentes constituyen la mayor parte del biogás emitido por el sistema. La metanogénesis es sensible tanto a pH altos como bajos y se produce entre 6,5 y 8. El material restante, no digerible y del que los microbios no pueden alimentarse, junto con los restos bacterianos muertos, constituye el digestato.

Una ecuación química genérica simplificada para los procesos generales descritos anteriormente es la siguiente:

C6H12O6 → _3CO2 + _3CH4​​_​​_​

Configuración del digestor anaeróbico

Los digestores anaeróbicos se pueden diseñar y fabricar para funcionar utilizando varias configuraciones de proceso diferentes:

• Por lotes o continuo
• Temperatura: Mesófila o termófila
• Contenido de sólidos: Alto contenido de sólidos o bajo contenido de sólidos
• Complejidad: Etapa única o multietapa

por lotes o continua

Un sistema por lotes es la forma más sencilla de digestión. La biomasa se añade al reactor al inicio del proceso en un lote y se mantiene sellada durante todo el proceso. La producción de biogás se formará con un patrón de distribución normal a lo largo del tiempo. El operador puede utilizar este hecho para determinar cuándo considera que el proceso de digestión de la materia orgánica ha finalizado.

de temperatura

Hay dos niveles de temperatura operativa convencionales para los digestores anaeróbicos, que están determinados por las especies de metanógenos en los digestores:

• Mesófilo que se produce óptimamente alrededor de 37°-41°C o a temperaturas ambiente entre 20°-45°C donde los mesófilos son los microorganismos principales presentes.
• Termófilo que se desarrolla óptimamente alrededor de 50°-52° a temperaturas elevadas de hasta 70°C donde los termófilos son los microorganismos primarios presentes.
  

Existe un mayor número de especies de mesófilos que de termófilos. Estas bacterias también son más tolerantes a los cambios en las condiciones ambientales que los termófilos. Por lo tanto, los sistemas mesófilos se consideran más estables que los sistemas de digestión termófila. Si bien estos últimos se consideran menos estables, el aumento de temperatura facilita velocidades de reacción más rápidas y, por lo tanto, una producción de gas más rápida. La operación a temperaturas más altas facilita una mayor esterilización del digestato final.
Una desventaja de operar a temperaturas termófilas es que se requiere un mayor aporte de energía térmica para alcanzar las temperaturas operativas correctas. Este aumento de energía no se ve compensado por el aumento en la producción de biogás de los sistemas. Por lo tanto, es importante considerar un balance energético para estos sistemas.

de sólidos

Normalmente hay dos parámetros operativos diferentes asociados con el contenido de sólidos de la materia prima para los digestores:

• Alto contenido de sólidos
• Bajo en sólidos

Los digestores pueden diseñarse para funcionar con un alto contenido de sólidos, con una concentración total de sólidos suspendidos (TSS) superior al 20%, o con una concentración baja de sólidos inferior al 15%.

Los digestores con alto contenido de sólidos procesan una pulpa espesa que requiere mayor consumo de energía para mover y procesar la materia prima. El espesor del material también puede ocasionar problemas de abrasión. Los digestores con alto contenido de sólidos suelen requerir menos tierra debido a los menores volúmenes asociados con la humedad.

Los digestores de bajo contenido de sólidos pueden transportar material a través del sistema mediante bombas estándar que requieren un consumo energético significativamente menor. Los digestores de bajo contenido de sólidos requieren mayor cantidad de tierra que los de alto contenido de sólidos debido al mayor volumen asociado con la mayor relación líquido-materia prima de los digestores. La operación en un entorno líquido ofrece ventajas, ya que permite una circulación más completa de los materiales y un contacto más eficaz entre las bacterias y su alimento. Esto facilita el acceso de las bacterias a las sustancias de las que se alimentan y aumenta la velocidad de producción de gas.

Número de etapas

Los sistemas de digestión se pueden configurar con diferentes niveles de complejidad:

• De una etapa o de una sola etapa
• De dos etapas o multietapa

Un sistema de digestión de una sola etapa es aquel en el que todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un único reactor sellado o tanque de almacenamiento. El uso de una sola etapa reduce los costos de construcción, pero facilita un menor control de las reacciones que ocurren dentro del sistema. Las bacterias acidogénicas, mediante la producción de ácidos, reducen el pH del tanque. Las bacterias metanogénicas operan en un rango de pH estrictamente definido. Por lo tanto, las reacciones biológicas de las diferentes especies en un reactor de una sola etapa pueden competir directamente entre sí. Otro sistema de reacción de una sola etapa es una laguna anaeróbica. Estas lagunas son depósitos de tierra similares a estanques que se utilizan para el tratamiento y almacenamiento a largo plazo de estiércol. En estos sistemas, las reacciones anaeróbicas se contienen en los lodos anaeróbicos naturales de la piscina.
En un sistema de digestión de dos o varias etapas, se optimizan diferentes recipientes de digestión para lograr el máximo control sobre las comunidades bacterianas que viven dentro de los digestores. Las bacterias acidogénicas producen ácidos orgánicos y crecen y se reproducen con mayor rapidez que las bacterias metanogénicas. Las bacterias metanogénicas requieren un pH y una temperatura estables para optimizar su rendimiento.

Normalmente, la hidrólisis, la acetogénesis y la acidogénesis ocurren en el primer recipiente de reacción. A continuación, el material orgánico se calienta a la temperatura operativa requerida (ya sea mesófila o termófila) antes de ser bombeado a un reactor metanogénico. Los tanques iniciales de hidrólisis o acidogénesis, previos al reactor metanogénico, pueden regular la velocidad de adición de la materia prima.

Residencia

El tiempo de residencia en un digestor varía según la cantidad y el tipo de material de alimentación, la configuración del sistema de digestión y si es de una o dos etapas.

En el caso de la digestión termófila de una sola etapa, los tiempos de residencia pueden ser de aproximadamente 14 días, lo cual, en comparación con la digestión mesófila, es relativamente rápido. La naturaleza de flujo pistón de algunos de estos sistemas implica que la degradación completa del material podría no haberse logrado en este plazo. En este caso, el digestato que sale del sistema tendrá un color más oscuro y un olor más fuerte.

En la digestión mesófila de dos etapas, el tiempo de residencia puede variar entre 15 y 40 días.

En el caso de la digestión mesófila UASB, los tiempos de residencia hidráulica pueden ser de entre 1 hora y 1 día, y los tiempos de retención de sólidos pueden ser de hasta 90 días . De esta manera, el sistema UASB puede separar los tiempos de retención de sólidos de los hidráulicos mediante el uso de un manto de lodos.

Los digestores continuos cuentan con dispositivos mecánicos o hidráulicos, según el nivel de sólidos del material, para mezclar el contenido, lo que permite el contacto entre las bacterias y los alimentos. También permiten la extracción continua del exceso de material para mantener un volumen razonablemente constante dentro de los tanques de digestión.

Digestión anaeróbica seca

Este proceso no utiliza estiércol en absoluto y, por lo tanto, es más adecuado para ciertas aplicaciones donde no es necesario procesarlo. Este proceso puede llevarse a cabo de varias maneras. Por ejemplo, existe el proceso "Kompoferm" de Wiessmann-Bioferm. ^{[ 2 ] [ 3 ]} También existe el sistema de Axpo Kompogas AG, ^{[ 4 ]} el proceso Dranco diseñado por OWS, ^{[ 5 ]} así como un sistema de Jan Klein Hesselink. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Productos

Hay tres productos principales de la digestión anaeróbica: biogás, digestato y agua.

Biogás

El biogás es el residuo final de las bacterias que se alimentan de la materia prima biodegradable. Está compuesto principalmente de metano y dióxido de carbono, con una pequeña cantidad de hidrógeno y trazas de sulfuro de hidrógeno. La mayor parte del biogás se produce durante la digestión, una vez que la población bacteriana ha crecido, y disminuye gradualmente a medida que se agota el material putrescible. El gas normalmente se almacena en la parte superior del digestor en una burbuja de gas inflable o se extrae y almacena junto a la instalación en un gasómetro.
El metano del biogás puede quemarse para producir calor y electricidad, generalmente con un motor alternativo o una microturbina, a menudo en un sistema de cogeneración, donde la electricidad y el calor residual generados se utilizan para calentar los digestores o los edificios. El exceso de electricidad puede venderse a proveedores o inyectarse a la red eléctrica local. La electricidad producida por digestores anaeróbicos se considera energía renovable y puede recibir subvenciones. El biogás no contribuye al aumento de las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, ya que no se libera directamente a la atmósfera y el dióxido de carbono proviene de una fuente orgánica con un ciclo de carbono corto.
El biogás puede requerir tratamiento o depuración para refinarlo y utilizarlo como combustible. El sulfuro de hidrógeno es un producto tóxico formado a partir de sulfatos en la materia prima y se libera como componente traza del biogás. Si los niveles de sulfuro de hidrógeno en el gas son altos, se necesitarán equipos de depuración y limpieza de gases (como el tratamiento de gases con aminas) para procesar el biogás dentro de los niveles aceptados regionalmente (determinados por la EPA de EE. UU. o la Agencia Ambiental Inglesa y Galesa). Un método alternativo es añadir cloruro férrico (FeCl₃ ₎ a los tanques de digestión para inhibir la producción de sulfuro de hidrógeno.
Los siloxanos volátiles también pueden contaminar el biogás; estos compuestos se encuentran frecuentemente en los residuos domésticos y las aguas residuales. En las instalaciones de digestión que aceptan estos materiales como componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, una turbina o una caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO₂ ₎ , que se deposita internamente en la máquina, lo que aumenta el desgaste y puede contaminar el biogás. Estos compuestos se encuentran frecuentemente en los residuos domésticos y las aguas residuales.
En las plantas de digestión que aceptan estos materiales como componente de la materia prima, los siloxanos de bajo peso molecular se volatilizan en biogás. Cuando este gas se quema en un motor de gas, una turbina o una caldera, los siloxanos se convierten en dióxido de silicio (SiO₂), que se deposita internamente en la máquina, lo que aumenta el desgaste.

Digestato

El digestato es el material que queda tras la digestión anaeróbica. Contiene nitrógeno, fósforo y potasio, por lo que se utiliza como fertilizante. Está compuesto de material no digerible y organismos muertos, y suele llenar entre el 90 y el 95 % de la bolsa tras la digestión. Durante la digestión anaeróbica no se pierden nutrientes, por lo que el ciclo de nutrientes se cierra y los materiales pueden reutilizarse. Existen muchos incentivos para utilizar digestato en los suelos, ya que se considera más nutritivo y saludable. Gracias a su contenido, neutraliza las semillas invasoras, que compiten con las especies nativas, por lo que este fertilizante reducirá considerablemente esta amenaza. Los patógenos se reducen considerablemente gracias al pretratamiento del sistema, así como a los microbios dentro del digestor. El digestato permite reducir las emisiones y el uso excesivo de agua y aceite. Según la Asociación de Digestión Anaeróbica y Biorecursos, "1 tonelada de fertilizante artificial sustituida por digestato ahorra 1 tonelada de aceite, 108 toneladas de agua y 7 toneladas de emisiones de CO2".

Agua

El agua que es un subproducto de la AD es bastante mínima y puede reutilizarse para ciclos posteriores.

de la

Cuando los residuos orgánicos se depositan en vertederos, producen una enorme cantidad de gases de efecto invernadero, incluyendo dióxido de carbono y metano . La AD puede desempeñar un papel importante como medio para tratar los residuos orgánicos y eliminar, mediante una captura y un tratamiento más eficientes, estas emisiones de gases de efecto invernadero; convirtiéndolas en productos útiles. La AD recupera energía que de otro modo se perdería en la atmósfera y produce biofertilizantes valiosos. El biogás puede utilizarse para generar electricidad, calor, biocombustibles o limpiarse e inyectarse en la red de gas. Un sistema de AD ahorra dinero y también puede crear un pequeño ingreso para quienes lo generan. La transformación del estiércol en fertilizante ayuda a crear un fertilizante más nutritivo y elimina las bacterias que pueden causar enfermedades. La AD puede fabricarse para adaptarse a la mayoría de las granjas e incluso a pequeña escala puede reducir considerablemente el uso de gas y las emisiones.

Proyectos relacionados

Véase también

• Digestión anaeróbica Bokashi : un proceso de digestión anaeróbica doméstica, es decir, para restos de cocina.
• Reciclaje de residuos agrícolas para producir agua caliente

Referencias