• Estudio de diferentes mezclas de residuos para codigestión, usando purines de vacuno como sustrato principal y uno o dos residuos más como cosustratos para estudiar el efecto sobre la producción específica de metano.
• Conocer el efecto de la temperatura y del tiempo de residencia en el proceso de codigestión y determinar las condiciones que conduzcan a una mayor eficiencia del proceso.
• Estudio del pretratamiento con ultrasonidos, observando el efecto de este pretratamiento sobre la solubilización de la materia orgánica de diferentes tipos de cosustrato.
• Analizar el efecto del pretratamiento sobre la productividad de las mezclas y las condiciones de operación.
• Balance energético preliminar al proceso de digestión anaerobia, evaluando el consumo energético neto del pretratamiento.
3 Descripción de la Tecnología
3.1 ¿Qué es la digestión anaerobia?
La digestión anaerobia o metanización es un proceso de degradación biológica. Es producida por microorganismos que son capaces de consumir la materia orgánica mediante una ruta metabólica que no necesita oxígeno. La diferencia más importante con la degradación aerobia, es que en el proceso de “respiración aerobia” se libera dióxido de carbono que no tiene utilidad práctica, mientras que en la “respiración anaerobia” se libera biogás, una mezcla de dióxido de carbono y metano con valor como combustible.
En la naturaleza, este proceso ocurre de forma espontánea, en determinadas condiciones como en el fondo de las lagunas, pilas de materia orgánica con poca aireación, etc. Si se realiza este proceso de forma controlada, el biogás puede ser recogido y utilizado para obtener energía. Para ello, se utilizan reactores cerrados y se controlan las condiciones de temperatura para potenciar al máximo el crecimiento de los microorganismos y la producción de biogás.
En un proceso aerobio se utiliza oxígeno como aceptor de electrones porque al ser muy electronegativo la reacción es favorable y libera mucha energía.
𝐶6𝐻12𝑂6+ 6 𝑂2 → 6 𝐻2𝑂 + 6 𝐶𝑂2+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
En la “respiración anaerobia” se debe eliminar todo el oxígeno para mantener las condiciones óptimas de los organismos metanogénicos, inhibidos por éste y capaces de usar el carbono como aceptor de electrones liberando metano. De forma general:
𝐶6𝐻12𝑂6 → 3 𝐶𝑂2+ 3 𝐶𝐻4+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
Las células eucarióticas en determinados momentos en los que no disponen de suficiente oxígeno, pueden optar por un mecanismo anaerobio para obtener energía, sin embargo si lo comparamos con el mecanismo aerobio, este es 19 veces más energético, al producir 38 moles de ATP (C10H16N5O13P3) frente a los 2 moles ATP del mecanismo anaerobio por mol
de glucosa degradado (Dashty, 2013). De forma similar en el proceso de digestión anaerobia (células procariotas), los organismos anaerobios tienen un metabolismo más lento porque las reacciones producen menos energía “por mol”, ya que los productos (metano) no están completamente oxidados y todavía contienen grandes cantidades de energía. La ecuación anterior no se realizan en un único paso, es necesario más detalle para llegar a comprender todo el proceso de metanogénesis desde los compuestos iniciales hasta los productos finales (CO2 y CH4).
Figura 6. Esquema simplificado de las reacciones de degradación anaerobia (Mata-Alvarez, 2003)
Metanogénesis
Metano Dióxido de carbono
Acetogénesis
Hidrógeno Ácido acético Dióxido de carbono
Acidogénesis Ácidos Grasos
Volátiles Alcoholes Hidrógeno Dioxido de carbono Amoniaco
Hidrolisis
Azúcares Ácidos Grasos Aminoácidos
DigestiónAnaerobia
Carbohidratos Grasas Proteinas
Los componentes de la materia orgánica: grasas, aceites, proteínas, moléculas orgánicas grandes, se rompen en varias etapas hasta llegar al metano y dióxido de carbono, las moléculas con carbono más pequeñas.
La descomposición se divide en cuatro etapas (Figura 6):
1. Hidrólisis: Es la rotura inicial de las biomoléculas. Carbohidratos, proteínas y grasas se descomponen en azúcares, aminoácidos y ácidos grasos, respectivamente. Es la primera de las etapas y a veces la más lenta, por lo que puede determinar la velocidad global de producción de biogás. Esta etapa se realiza gracias a la liberación de exoenzimas. (Angelidaki y Sanders, 2004; de Lemos, 2007) que descomponen la materia orgánica.
2. Acidogénesis: Los subproductos de la hidrólisis son transformados en ácidos grasos volátiles, hidrógeno, etanol, ácido láctico y otras sustancias (de Lemos, 2007). Estas reacciones ocurren en el interior de las células y los compuestos resultantes son excretados. Es una fermentación (oxidación incompleta) que realizan las bacterias acidogénicas. Los ácidos grasos volátiles (AGV) son los intermedios de reacción más importantes y pueden ser utilizados como parámetros de estabilidad y control (Pind y Angelidaki, 2003). En esta etapa también se produce ácido acético, que es utilizable directamente por las bacterias metanogénicas.
3. Acetogénesis: Los ácidos grasos volátiles se transforman en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono (Pind y Angelidaki, 2003). Hasta dos tercios del metano producido proviene directamente del consumo de acetato (White, 2007). 4. Metanogénesis: En la etapa final, el ácido acético y el hidrógeno se consumen
liberando metano y dióxido de carbono. Estas bacterias son las que requieren unas condiciones más estables, siendo estrictamente anaerobias y requiriendo unos niveles de pH entre 7 y 8 (Angelidaki y Sanders, 2004).
3.2 ¿Por qué digestión anaerobia?
La digestión anaerobia, realizada en condiciones controladas, permite reducir la contaminación y controlar las emisiones, produciendo una energía renovable y un subproducto, el digestato, con un valor como fertilizante. Es una alternativa que requiere grandes reactores porque la digestión es lenta, pero son sistemas autosuficientes al generar más energía de la que consumen.
No es un proceso difícil de llevar a cabo ya que sin control alguno es espontáneo, pero si se quiere optimizar, puede ser inestable, especialmente en los periodos de arranque. En la puesta en marcha es necesario que crezca una biomasa suficiente y adecuada, aunque si se dispone de un inóculo el proceso se puede iniciar en pocos días. También es necesario conocer la composición de los residuos y las condiciones de operación óptimas para
incrementar al máximo la productividad sin llegar a la inestabilidad del sistema. La desestabilización del reactor por sobrecarga o por fallos, puede suponer un parón total de la producción de biogás y por lo tanto de la depuración, incrementando los riesgos medioambientales.
También es necesario establecer los objetivos de la digestión anaerobia. ¿Se pretende potenciar al máximo la producción eléctrica?, ¿es una estabilización del residuo?, ¿es un tratamiento necesario para cumplir la normativa de gestión de los residuos?
Por norma general, los proyectos estaban diseñados y orientados a la obtención de la máxima cantidad de energía eléctrica, que es por lo que recibían subvenciones en España.