LA PRODUCCION DE BIOGAS APARTIR DE PULPA DE CAF

ASOCIACION PARA DESARROLLO DE CONCIENCIA COLECTIVA MEXICANA

Montes de Oca Salgado Karina GiselaGmez Zenteno KarlaHenry MorelosMonzalvo Guadarrama Dorian OliverGerones Casanova Vctor GabrielAvita Brocado RubnVzquez Amador Martn

Octubre de 2015

PRESENTACIN

Esta publicacin es un esfuerzo conjunto de estudiantes de la facultad de ingeniera qumica de la BUAP con el fin de contribuir al uso y fomento de las energas renovables no convencionales.El biogs, como fuente de energa renovable, ha despertado un gran inters en los ltimos aos, Siendo tal vez una de las tecnologas de ms fcil implementacin, sobre todo en sectores rurales.

Su potencial desarrollo, no solo considerando la produccin de biogs, sino que como ayuda a la obtencin de biofertilizante y tratamiento de problemas sanitarios en algunos casos, hacen que replicabilidad y difusin en los sectores con abundancia de materia orgnica de desecho sea atractivo.Esperamos que este trabajo contribuya al desarrollo e implementacin de proyectos con esta tecnologa, y que esto se traduzca en un mejoramiento de la calidad de vida de las personas de determinadas zonas del pas donde existe una vasta produccin de caf y haga nuestro entorno ms sustentable.JustificacinLa pulpa de caf al ser vertida al medio ambiente puede causar contaminacin. Ante esta realidad se han realizado muchos estudios para aprovecharla y disminuir su efecto txico en el ambiente (Ramrez, 1998). Dentro de esas formas de utilizarla destacan el ensilaje destinado a la alimentacin animal, torta de pulpa de caf, jugo tratado con microorganismos para el consumo animal (Ferrer et al., 1995; Ramrez et al., 1997; Ramrez, 1998; Ramos et al., 2000).El ensilaje es el proceso utilizado para preservar y almacenar la pulpa del caf mientras se le da un uso posterior (Ferrer et al., 1995). Con el ensilaje se logra reducir a niveles adecuados sustancias antinutricionales, como cafena, cido clorognico y derivados de taninos (Mayorga, 2005). La composicin qumica de la pulpa de caf ensilada revel valores de materia seca (92%), extracto etreo (2,6%), fibra cruda (20,8%), protena cruda (10,7%), ceniza (8,8%), extracto libre de nitrgeno (49,2%) y taninos (1,8%) (Braham y Bressani, 1978).. INTRODUCCIN La crisis energtica mundial comenz en el ao de 1970, donde investigaciones llevadas a cabo en pases desarrollados, proyectaban que los combustibles fsiles se estaban agotando. A pesar del agotamiento de los combustibles fsiles, se estaban presentando problemas en la calidad del ambiente debido a la emisin de compuestos txicos, producidos por el incremento del parque vehicular y de las plantas trmicas a nivel mundial. Las actividades tales como la deforestacin y la agricultura, producen gases contaminantes como el dixido de carbono y otros gases que son responsables del calentamiento global A raz de los problemas ambientales anteriormente citados, diferentes organizaciones han comenzado a buscar mtodos de tratamiento y reciclaje de los desechos industriales y agrcolas (Chynoweth et al. 2001). El uso de la Biomasa (cultivos energticos y desechos orgnicos) como fuente de energa representa un equilibrado ciclo cerrado del carbono con respecto al dixido de carbono de la atmsfera. En investigaciones desarrolladas en varios pases de Latinoamrica se demostr que resulta factible implementar proyectos de biogs ya que estos no necesitan una gran inversin en infraestructura y son ms fciles de construir en comunidades rurales donde la gente no tiene fcil acceso a las fuentes de energa (Lokey 2009).

El biogs puede ser un subproducto del tratamiento anaerbico de desechos orgnicos y aguas residuales; optando por ser utilizado a nivel familiar para la coccin de alimentos, energa elctrica o calentamiento de agua, y la produccin de biol, compuesto generalmente utilizado como fertilizante orgnico. La composicin promedio del biogs es dado por gases como el metano, dixido de carbono, nitrgeno, hidrgeno y sulfuro de 2 hidrgeno, siendo el metano el componente energtico til. La produccin de combustible que realiza el biodigestor depende de la cantidad de metano a ser producido segn el tipo de sustrato. En el Cuadro 1 se presenta cmo est distribuido el volumen de los gases dentro de un biodigestor (Herrero 2005).

Cuadro 1. Composicin de gases del biogs Componentes % de volmenes

Metano () 55-65

Dixido de Carbono () 34-45

Nitrgeno () 0-3

Hidrgeno () 0-1

Sulfuro de Hidrgeno () 0-1

En el presente trabajo se pretende analizar la factibilidad de la PULPA DE CAF para la produccin de biogs, para consumo de los mismos productores y posible distribucin en las zonas prximas a las fincas de caf al norte de puebla donde predomina la variedad de Planta Arbica en sus variedades Catuai, Bourbn y Marago Guipe. Cosechas efectuadas entre los meses Noviembre a Marzo con un promedio anual de 500 toneladas de caf cereza con las siguientes composiciones:

Basndonos en los datos anteriores para una posterior comparacin.

El beneficio del fruto puede realizarse de dos maneras, la primera de ellas es la va hmeda que involucra el despulpado, desmucilado utilizando agua, secado del fruto y finalmente la eliminacin de las envolturas internas por el trillado. La segunda va, incluye la fermentacin del fruto con todas sus cortezas, el secado y la eliminacin de las envolturas en una nica operacin mecnica de trillado (Braham y Bressani, 1978). La va hmeda es la ms utilizada y el procesamiento de 100 kg de frutos de caf maduros generan 20% de caf trillado (oro) y el 80% restante est formado por subproductos, como pulpa fresca (40%), muclago (20%), agua (17%) y pergamino y pelcula plateada (3%) (Amaya et al., 1988).

Descripcin del procesoEn la produccin de biogs ocurre una degradacin de materia orgnica va anaerbica por determinadas bacterias, esta es realizada de manera anoxica, ya que las bacterias encargadas de realizar este proceso son estrictamente anaerbicas y por lo tanto solo podrn sobrevivir en ausencia total de oxgeno.La materia prima al introducirse est constituida por pulpa de caf y residuos generados en la produccin total de grano de caf; hay un gran nmero de bacterias implicadas en la digestin anaerbica incluyendo bacterias generadoras de cido actico y metano.Estas bacterias se alimentan de materia prima y la hacen experimentar distintos procesos a molculas intermedias incluyendo azucares, el hidrogeno y cido actico, para ser finalmente convertido en biogs.Al final del proceso de biogs tambin se produce sulfuro de hidrogeno el cual es un compuesto altamente toxico y corrosivo, por lo que se utilizan tcnicas para remocin de este.El ms empleado limadura de hierro en filtrosEtapas de procesoSe identifican 4 etapas:1.-Hidrolisis: los polmeros complejos son degradados a molculas simples, como protenas a aminocidos y polisacridos a monoacidos por parte de las bacterias hidrolticas las cuales segregan enzimas para la conversin de dichos compuestos complejos para volverlos solubles.La hidrlisis depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retencin hidrulico, de la composicin bioqumica del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, protenas y grasas), del tamao de partculas, del nivel de pH, de la concentracin de NH4 + y de la concentracin de los productos de la hidrlisis.2.-Acidogenesis: en esta etapa de la fermentacin se obtienen diversos cidos orgnicos. Los productos obtenidos e la fase de hidrolisis son convertidos en cidos grasos de bajo peso molecular como cido actico, frmico, propionico e incluso dixido de carbono entre otros.La fermentacin de los azucares se da de manera muy diversa, dependiendo del microorganismo y la ruta metablica que ocurra.Los principales microorganismos asociados con la fermentacin de la glucosa son los del genero clostridium, que convierten glucosa en acido butrico, actico, dixido de carbono e hidrogeno.3.- Acetogenesis: se produce acetato, dixido de carbono e hidrogeno. En eta etapa las molculas provenientes de la acidogenesis son captadas por los microorganismos acetogenos para emplearlas en la produccin de acetato, dixido de carbono e hidrogeno.4.-Metanogeneis: usan el acetato, dixido de carbono e hidrogeno se produce metano.La bacterias metanogenicas con un tipo de microorganismos reductores de o2 pertenecientes al grupo de arqueobacterias anaerbicas estricta que emplean el h2 como donador de electrones .Existen por lo menos 10 sustratos que se convierten en metano por la accin de uno u otro metanogeno.Por ejemplo el formiato, acetato, metano, metilmercaptano, metilamina.De acuerdo con los sustratos que pueden trasformar las bacterias se clasifican en: Bacterias metanogenicas hidrogenofilicas:Son aquellas que utilizan el hidrogeno para reducir el anhdrido carbnico y as producir metano .los tipos ms frecuentes aislados de distintos biodigestores son: methanobacterium,methanospirilum,methanobrevibacter

Bacterias metanogenicas acetoclasticas:Son aquellas que hidrolizan el acetato, oxidando el grupo carbonilo a anhdrido carbnico, reduciendo el grupo metilo a metano.Se estima que el 70% del metano producido procede de la descarboxilacion del cido actico con bacterias metanogenicas acetoclasticas.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en funcin del sustrato principal que metabolizan: hidrogenotrficos, que consumen H2 /CO2 y frmico y acetoclsticos, que consumen acetato, metanol y algunas aminas. Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaerbicos se forma a partir de la descarboxilacin de cido actico, a pesar de que, mientras todos los organismos metanognicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, slo dos gneros pueden utilizar acetato. El metano restante proviene de los sustratos cido carbnico, cido frmico y metanol. El ms importante es el carbnico, el cual es reducido por el hidrgeno, tambin producido en la etapa anterior.Las condiciones ptimas para desarrollo de microorganismo implicados en la produccin de biogs se describe como sigue:

FACTORES DETERMINANTES EN EL PROCESO METANOGNICO (PRODUCCIN DE BIOGS)1. Naturaleza y composicin bioqumica de materias primas.- El proceso microbiolgico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrgeno sino que tambin deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fsforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, nquel y otros menores). Las sustancias con alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado, compostaje) a fin de liberar las sustancias factibles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina. Materia Prima Lpidos (Protenas, Celulosa Hemicelulosa, Lignina y Ceniza) . La composicin promedio de la materia orgnica seca es: 48%C; 44%O; 7%H; 2%N. Los minerales presentes como calcio, potasio, magnesio, fsforo, azufre y elementos trazas son del orden de 1 a 10% del peso seco.Los sustratos de clase 1 (restos de cosecha, basura domestica, estircol) pueden degradarse eficientemente en digestores tipo Batch o por lotes. (> 20 % ST 40-70 % Fraccin Orgnica). Las fuentes carbonadas ms utilizadas por los microorganismos quimiotrficos son los glcidos o carbohidratos y de stos compuestos orgnicos, principalmente las hexosas, las cuales son degradadas por diferentes vas metablicas. Total. Segn el tipo de fermentacin se desprenden otros gases como metano (CH4 ), hidrgeno, o produccin de otros compuestos como alcoholes, cidos orgnicos, entre otros.1. Relacin carbono/nitrgeno de las materias primas.- El carbono constituye la fuente de energa y el nitrgeno es utilizado para la formacin de nuevas clulas. Estas bacterias consumen 30 veces ms carbono que nitrgeno, por lo que la relacin ptima de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de 30:1 hasta 20:1. La descomposicin de materiales con alto contenido de carbono, superior a 35:1, ocurre ms lentamente, porque la multiplicacin y desarrollo de bacterias es bajo, por la falta de nitrgeno, pero el perodo de produccin de biogs es ms prolongado. En cambio, con una relacin C/N menor de 8:1 se inhibe la actividad bacteriana debido a la formacin de un excesivo contenido de amonio, el cual en grandes cantidades es txico e inhibe el proceso.

1. Niveles de slidos totales y slidos voltiles.- Toda la materia orgnica est compuesta de agua y una fraccin slida llamada slidos totales (ST). La movilidad de las bacterias metanognicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de slidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y produccin de gas. Experimentalmente se ha demostrado que una carga en digestores semicontinuos no debe tener ms de un 8% a 12 % de slidos totales para asegurar el buen funcionamiento del proceso, a diferencia de los digestores discontinuos, que tienen entre un 40 a 60% de slidos totales. Para calcular el volumen de agua que se debe mezclar con la materia prima para dar la proporcin adecuada de slidos totales, es necesario conocer el porcentaje de slidos totales de la materia prima fresca. Slidos Voltiles (S.V.). Es aquella porcin de slidos totales que se libera de una muestra, volatilizndose cuando se calienta durante dos horas a 600C. Los SV contienen componentes orgnicos, los que tericamente deben ser convertidos a metano.1. Temperatura.- A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de digestin, dando lugar a mayores producciones de biogs. Mesfilos (entre 25 y 45C).

Mnimo: 15-20 C Optimo: 25-35C Mximo: 35-45C Tiempo de fermentacin: 30-60 das. Como regla general, la actividad biolgica se duplica cada incremento en 10C dentro del rango de temperatura ptima. Para un ptimo funcionamiento del digestor, se recomienda que el tratamiento anaerbico se disee para que opere con variaciones de temperatura que no excedan los 0.6 1.2 C /da. La solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favorecindose la transferencia lquido-gas. Esto supone un efecto positivo para gases tales como NH3 , H2 y H2 S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos anaerbicos. Una posible desventaja de este fenmeno es que el descenso de la solubilidad del CO2 provocara un aumento del pH, lo que generara, en lodos de elevada concentracin de amonio, posibles situaciones de inhibicin por NH3 . Por otra parte, la solubilidad de la mayora de las sales aumenta con la temperatura de manera que la materia orgnica es ms accesible para los microorganismos aumentando as la velocidad del proceso. Mayor temperatura se generan compuestos txicos como el nitrgeno amoniacal o los cidos grasos de cadena larga. Una tcnica interesante es la combinacin de dos fases de digestin, una primera termoflica de elevada carga orgnica y una segunda mesoflica con menor carga. Con este sistema se aprovechan las ventajas del sistema termoflico, pero se reducen los problemas de inestabilidad. Por ltimo, la viscosidad de slidos y semislidos disminuye al aumentar la temperatura lo que implica menores necesidades de agitacin.1. Tiempo de retencin hidrulico (TRH) y velocidad de carga orgnica.- Con este trmino se designa al volumen de sustrato orgnico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relacin de tipo inversa con el tiempo de retencin, dado que a medida que se incrementa la carga volumtrica disminuye el tiempo de retencin. El tiempo de retencin, junto con la velocidad de carga orgnica determinada por el tipo de sustrato, son los principales parmetros de diseo, definiendo el volumen del digestor. La materia orgnica o slidos voltiles (SV) se refiere a la parte de la materia seca (MS) o slidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineracin a temperaturas superiores a 550C. Segn los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estircol en la mayora de los casos. La eficiencia de la produccin de biogs se determina generalmente expresando el volumen de biogs producido por unidad de peso de MS o SV.

La fermentacin de biogs requiere un cierto rango de concentracin de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentracin ptima depende de la temperatura. La velocidad de degradacin depende en gran parte de la temperatura; mientras mayor sea la temperatura, menor es el tiempo de retencin o fermentacin para obtener una buena produccin de biogs. Caractersticas del lugar: En un clima tropical con regiones planas como en Indonesia, Venezuela, Amrica Central el tiempo de retencin: 30 40 das. En un digestor que opera a rgimen estacionario o discontinuo, el tiempo de retencin es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga. Por lo tanto, mientras menor sea el tiempo de retencin, el tamao del digestor se reduce y tambin los costos. La seleccin de una mayor temperatura implicar una disminucin en los tiempos de retencin requeridos y consecuentemente sern menores los volmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material. Con relacin al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor proporcin de carbono retenido en molculas resistentes como la celulosa demandarn mayores tiempos de retencin para ser totalmente digeridos. En los sistemas de mezcla completa, el tiempo de retencin hidrulico (TRH) coincide con el celular, por lo que el tiempo de retencin deber ser suficientemente largo como para asegurar el crecimiento de la poblacin bacteriana. Al aumentar el TRH, aumenta el grado de materia orgnica degradada as como la produccin de metano, aunque este ltimo valor comenzar a disminuir una vez alcanzado el ptimo. El tiempo de retencin usual en el rango mesoflico para lodos de depuradora est entre 15 y 20 das, aunque este valor depende mucho del tipo de reactor utilizado. La velocidad de carga orgnica (VCO) es la cantidad de materia orgnica introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo directamente dependiente de la concentracin de sustrato y del tiempo de retencin fijado. En ausencia de inhibidores, altas cargas orgnicas proporcionan altas producciones volumtricas de biogs aunque tambin aumenta el riesgo de sobrecargas puntuales que conllevan a la acidificacin del reactor.1. Rangos de pH y alcalinidad.- Los microorganismos metanognicos son ms susceptibles a las variaciones de pH que los otros microorganismos de la comunidad microbiana anaerbica. El ptimo es entre 5.5 y 6.5 para acidognicos y entre 7.8 y 8.2 para metanognicos. Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6.0 ni subir de 8.0. El valor del pH en el digestor no slo determina la produccin de biogs sino tambin su composicin. Una de las consecuencias de que se produzca un descenso del pH a valores inferiores a 6 es que el biogs generado es muy pobre en metano causado por la acumulacin de acidos grasoso voltiles y por el exceso de dixido de carbono por tanto, tiene menores cualidades energticas provocando la acumulacin de cido actico y H2 . Al aumentar la presin parcial del H2, las bacterias que degradan el cido propinico sern severamente inhibidas, causando una excesiva acumulacin de cidos grasos voltiles de alto peso molecular, particularmente cidos propinico y butrico, los cual disminuir la produccin de cido actico, generando una disminucin del pH. Al aumentar el pH se favorece la formacin de amonaco que, en elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento microbiano y a valores de pH bajos se genera mayoritariamente la forma no ionizada del cido actico, que inhibe el mecanismo de degradacin del propionato. El pH de un sistema anaerbico, operando dentro de los rangos aceptables, es controlado principalmente por la alcalinidad natural del sistema. La destruccin de la materia orgnica, principalmente las protenas, liberan amoniaco. Cada mol de nitrgeno orgnico tericamente genera un equivalente de alcalinidad. El amoniaco reacciona con el dixido de carbono durante una reaccin bioqumica para producir bicarbonato de amonio, el cual contribuye a la alcalinidad del sistema. Slo los residuos que presentan altos contenidos de nitrgeno orgnico (e.g. protenas) pueden contribuir adecuadamente a la alcalinidad. Muchos residuos ricos en carbohidratos (e.g. melasa, papa, almidn) no contribuyen a la alcalinidad porque carecen de nitrgeno orgnico. En muchos casos, para mantener el pH ptimo en el reactor, es necesaria la suplementacin de alcalinidad utilizando el bicarbonato de sodio debido a su alta solubilidad y baja toxicidad.1. Nutrientes (niveles de sales).- Al igual que en todas las operaciones bioqumicas, se requieren macronutrientes (nitrgeno y fsforo) y micronutrientes (minerales traza) en el proceso anaerbico para la sntesis de nueva biomasa. La cantidad de nitrgeno y fsforo requerido para la sntesis de biomasa puede calcularse asumiendo la frmula emprica de una clula bacteriana anaerbica como C5 H7 O2 N. La masa celular consiste de aproximadamente 12% de nitrgeno, lo cual significa que unos 12 g de nitrgeno se requieren por cada 100 g de biomasa anaerbica producida. La demanda de fsforo corresponde a 1/7 1/5 de la demanda de nitrgeno. Algunos de los metales traza y sus roles en el proceso anaerbico se discuten a continuacin: Niquel: el Ni es particularmente importante para los metanognicos debido a que es un costituyente estructural del factor F430, el cual se encuentra exclusivamente en las bacterias metanognicas. Cobalto: El Co es importante debido a que tambin es un constituyente estructural de la vitamina B12, la cual cataliza la metanognesis. El nquel, cobalto y otros minerales traza son esenciales para la degradacin del metanol en un reactor bajo condiciones mesoflicas.1. Potencial redox.- Para adecuado crecimiento de los anaerbios obligados el valor del potencial redox se debe mantener entre -220 mV a -350 mV a pH 7.0 de manera de asegurar el ambiente fuertemente reductor que las bacterias metanognicas necesitan para su ptima actividad. Cuando se cultivan metanognicas, se incorporan agentes reductores fuertes tales como sulfuro, cistena o titanio III para ajustar el medio a un potencial redox adecuado.1. Txicos e inhibidores de la metanognesis.- El proceso de digestin anaerbica es inhibido por la presencia de sustancias txicas en el sistema. cidos grasos voltiles.- En un sistema anaerbico ptimo, la concentracin de AGV en el efluente es relativamente baja y se encuentra usualmente en el rango de 50-250 mg HAc/l. Cuando la relacin simbitica entre acidognicos y metanognicos se rompe, los AGV se acumulan. La inhibicin de los metanognicos debido a la toxicidad (sulfuro, amoniaco, metales pesados, compuestos orgnicos sintticos, etc.), cambios en la condiciones ambientales (pH, temperatura, potencial redox)o limitacin de nutrientes pueden gatillar una acumulacin de acetato e hidrgeno. Al igual que el sulfuro y el amonaco, las formas no ionizadas de AGV inhiben las bacterias metanognicas cuando presentan concentraciones de 30-60 mg/L. Hidrgeno.- El hidrgeno es tambin un compuesto intermedio importante del proceso anaerbico. Su acumulacin en el medio provoca la inhibicin de la acetognesis y, consecuentemente, la acumulacin de cidos grasos voltiles con ms de dos tomos de carbono. Nitrgeno amoniacal.- Las protenas generalmente contienen 16% de nitrgeno. Durante el proceso anaerbico, el nitrgeno orgnico es hidrolizado dando lugar a formas amoniacales. Adems del pH, la cantidad de amonaco libre depende de la concentracin del sustrato, de la relacin C/N, de la capacidad tamponadora del medio y de la temperatura de digestin. Obviamente, aquellos residuos que contengan mayores proporciones de protenas u otros compuestos nitrogenados son los que presentan ms problemas de inhibicin por amonio. Se ha reportado que los digestores que operan a mayores temperaturas son ms sensibles a la toxicidad por amonio. Sulfatos y sulfuros.- En presencia excesiva de sulfatos, las bacterias metanognicas compiten con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos (acetato e hidrgeno), mostrando stas ltimas ventajas termodinmicas y cinticas sobre las primeras. El resultado de esta competencia determinar la proporcin de cido sulfhdrico y metano en el biogs producido. Comienza a ser toxico una concentracin de 50 mg/l, por lo que la inhibicin se favorece a pH bajos y a bajas temperaturas. Por tanto, la inhibicin tiene dos etapas, la primera debida a la competencia por el sustrato entre los microorganismos metanognicos y sulfato-reductores y la segunda es una inhibicin directa del crecimiento metanognico por la presencia de sulfuros solubles. Cationes y metales pesados.- Los cationes de metales alcalinos y alcalino-trreos tienen un efecto estimulador de la actividad de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de un nivel de concentracin, pueden proporcionar toxicidad provocando una disminucin de la velocidad de crecimiento. La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los metales pesados son los que provocan toxicidad a menor concentracin. Otros inhibidores.- Otros inhibidores del proceso son el pH, determinadas sustancias orgnicas como cidos grasos de cadena larga y alcoholes, en elevadas concentraciones, y la presencia de desinfectantes y antibiticos.1. Promotores de la metanognesis (inoculantes biolgicos).- El crecimiento bacteriano dentro de los digestores sigue desde su arranque la curva tpica graficada en la figura donde pueden distinguirse claramente tres etapas: La de arranque (I), la de estabilizacin (II) y la de declinacin (III).

La primera etapa puede ser acortada mediante la inclusin de un determinado porcentaje de material de otro digestor rico en bacterias metanognicas que se encuentran en plena actividad. Esto es particularmente importante en los digestores discontinuos que deben ser arrancados frecuentemente. Los dos factores a tener en cuenta en la inoculacin de un digestor es la proporcin en que se agrega y la edad del mismo. Cuanto mayor sea la proporcin y menor la edad del inculo, mayor ser la eficacia.1. Agitacin Mezclado.- Los objetivos buscados con la agitacin son: remocin de los metabolitos producidos por las bacterias metanognicas mezclado del sustrato fresco con la poblacin bacteriana evitar la formacin de costra que se forma dentro del digestor uniformar la densidad bacteriana evitar la formacin de espacios muertos sin actividad biolgica que reduciran el volumen efectivo del reactor prevenir la formacin de espumas y la sedimentacin en el reactor.En la seleccin del sistema, frecuencia e intensidad de la agitacin se debe considerar que el proceso anaerbico involucra un equilibrio simbitico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cul el metabolito de un grupo especfico servir de alimento para el siguiente implicar una merma en la actividad biolgica y por ende una reduccin en la produccin de biogs. La agitacin aumenta la produccin de gas y disminuye el THR, esto es bsicamente por cuatro razones: Distribucin uniforme de la temperatura y substrato en el interior del biodigestor. Distribucin uniforme de los productos, tanto intermedios como finales. Mayor contacto entre el substrato y las bacterias, evitando la formacin de cmulos alrededor de las bacterias. Evitar la acumulacin de lodo en la parte superior del digestor, tambin llamada nata o espuma que dificulta la salida del biogs.Se distinguen 3 tipos de agitacin, estas son: Mecnica: a travs de agitadores manuales o con motores elctricos. Hidrulica: a travs de bombas de flujo lento se hace recircular la biomasa. Burbujeo de biogs: se recircula el biogs producido al fondo del biodigestor por medio de caeras, para producir burbujeo y de esta manera movimiento de la biomasa.Produccin de calor o vapor.- El requerimiento de calidad del biogs para quemadores es bajo. Se necesita alcanzar una presin de gas de 8 a 25 mbar y mantener niveles de H2 S inferiores a 100 ppm para conseguir un punto de roco de 150C.Purificacin o acondicionamiento del biogs.- La purificacin del biogs es importante por dos razones principales: (1) para aumentar el poder calorfico del biogs y, (2) cumplir los requerimientos de algunas aplicaciones de gas (motores, calderas, celdas de combustible, vehculos.

Concentracin de la cargaPara la produccin de gas, tratamiento de efluentes y operacin del reactor no es conveniente que la carga a degradar este muy concentrada ni muy diluida, se recomienda una concentracin de 5-10. Sobre la base de los slidos totales de la carga pueden calcularse la concentracin de los lodos, la cantidad de agua que habr que agregar y las proporciones de los componentes.

Cuando no hay inoculo , la materia prima se deja fermentar de 1-2 semanas BIODIGESTORESLos biodigestores son sistemas diseados para optimizar la produccin de biogs por medio de desechos orgnicos, lo que permite obtener energa limpia, renovable y de bajo costo

Como parte de los objetivos especficos se plante investigar sobre los mtodos que existen para acelerar la descomposicin de la materia prima durante la produccin del gas. Para elaborar el presente artculo se hizo una revisin con el fin de establecer los parmetros matemticos implicados en la estimacin de la productividad de un biodigestor. Posteriormente, se indag la influencia de los factores qumicos en la produccin del mismo, entre ellos la composicin de los sustratos y sus combinaciones, la adicin de grasas y la presencia de inhibidores. Luego se estudi el efecto de factores fsicos como la temperatura, la remocin de los slidos y de las protenas de los lodos y la separacin de las fases de la digestin anaerobia de la materia orgnica. Finalmente, se investig el papel de factores biolgicos como la adicin de bacterias termoflicas y la importancia de los metangenos

Los reactores comnmente empleados para la produccin de biogs deben cumplir con ciertas caractersticas como proveer una atmosfera anoxica, tener una salida para el gas y , de preferencia una separador del cido sulfhdrico incorporado.Existe una amplia variedad de diseo

PROCESOS DE BIODIGESTINEl correcto manejo de los residuos orgnicos se logra a travs de diferentes tratamientos que implican un reciclaje de estas materias orgnicas, transformndolas en productos con valor agregado. El reciclaje de materia orgnica ha recibido un fuerte impulso con el alto costo de los fertilizantes qumicos, con la bsqueda de alternativas no tradicionales de energa, as como tambin, la necesidad de vas de descontaminacin y eliminacin de residuos.

La poblacin microbiana juega un importante papel en las transformaciones de estos residuos orgnicos especialmente si se considera que disponen de un amplio rango de respuestas frente a la molcula de oxgeno, componente universal de las clulas. Esto permite establecer bioprocesos en funcin de la presencia o ausencia de oxgeno, con el objeto de tratar adecuadamente diversos residuos orgnicos..

Digestin anaerbicaLa digestin anaerbica es un proceso biolgico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgnicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogs, mezcla de dixido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxgeno o sus precursores Utilizando el proceso de digestin anaerbica es posible convertir gran cantidad de residuos, residuos vegetales, estircoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas industrias qumicas, en subproductos tiles. En la digestin anaerobia ms del 90% de la energa disponible por oxidacin directa se transforma en metano, consumindose slo un 10% de la energa en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aerbico.

En la digestin anaerbica, los microorganismos metanognicos desempean la funcin de enzimas respiratorios y, junto con las bacterias no metanognicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relacin con las cadenas enzimticas de clulas aerbicas. De esta forma, los residuos orgnicos se transforman completamente en biogs que abandona el sistema. Sin embargo, el biogs generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo.El proceso anaerbico se clasifica como fermentacin anaerbica o respiracin anaerbica dependiendo del tipo de aceptores de electrones.Los reactores anaerbicos son de enormes dimensiones (ms de 1.000 m3 de capacidad), trabajan a temperaturas mesoflicas (20C a 40C), o termoflicas (ms de 40C) poseen sofisticados sistemas de control y estn generalmente conectados a equipos de cogeneracin que brindan como productos finales; calor, electricidad y un efluente slido de alto contenido proteico, para usarse como fertilizante o alimento de animaleDISEO DE BIODIGESTOR (TIPOS)Los reatores comnmente empleados para la produccin de biogs deben de cumplir con ciertas caractersticas como proveer una atmosfera anoxica, tener un salida para el gas y de preferencia un separador de acido sulfhdrico. (el reactor se debe adecuar a cada proceso en particular) los mas comnmente empleados son:

Digestor tipo bolsa

Digestor de contacto anaerobio

Maneja grandes cantidades de materia prima

UASB (RAFA)REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ACENDENTE Y MANTO DE LODOSPermite tratar efluentes de agroindustria, y aguas residuales de baja y alta carga organica,

Reactor de cpula fia y mvil

Son utilizados para autoconsumo

Sistema lagunar

Utilizados en granjas aviocolas.

De estructura slida fija. Consiste de una cmara de gas construida de ladrillos, piedra o concreto la cual permanece inmvil y fija. Tanto el tope como la base del reactor son semiesfericos y estn unidos por lados rectos. La estructura interna es sellada por varias capas para aislar el gas. El digestor es alimentado por un tubo de carga que es recto y finaliza en la mitad de nivel dentro del digestor. Hay un tapn manual en la parte superior del digestor para facilitar su limpieza, y el conducto de salida del gas sale de la cubierta. El gas producido durante el proceso es almacenado bajo el domo y desplaza algunos de los contenidos del digestor a la cmara del efluente. Esto crea fuerzas estructurales altas y esta es la razn por la cual el reactor tiene formas semiesfericas en el tope y en la base. Se recomienda que la construccin sea bajo tierra en suelos estables y firmes. Es el tipo de digestor ms comn en pases en va de desarrollo.

Parmetros matemticos relacionados con la productividad de un biodigestorUno de los parmetros que permite estimar la produccin de biogs en un biodigestor es la productividad de metano o productividad metanoica, la cual se define como la cantidad de metano generado en launidad de tiempo con respecto a la materia dispuesta en el reactor. De esta manera, la expresin matemtica que permite calcular la productividad de metano de un determinado resto orgnico en un tiempodado, es la siguiente (Sogari, 2003):

Donde VCH4 es el volumen de metano generado; Vreactor es el volumen de materia dispuesta en el recinto fermentador y t es el tiempo considerado.La produccin de metano, tiene un lmite que depende fundamentalmente de la naturaleza de la materia dispuesta en el sistema digestor. La frmula que permite estimar la mxima generacin de metano para un producto determinado, es la siguiente (Sogari, 2003):

Donde VCH4 es el volumen de metano generado y Sorg total es la cantidad demateria orgnica total utilizada en todo el proceso.Seguidamente se profundiza acerca de la influencia, en la productividad de los biodigestores, de factores qumicos como la composicin y las combinaciones de sustratos, la adicin de grasas y la presencia de inhibidores.

Purificacin Para eliminar el H2S existen diferentes mtodos basados en tcnicas fisicoqumicas y biolgicas. Los mtodos fsicos reaccionan por el principio de adsorcin en donde las partculas de sulfuro de hidrgeno se quedan adheridas a los medios filtrantes. Los mtodos qumicos funcionan bajo el principio de absorcin en donde el H2S reacciona con distintas sustancias qumicas y se transforma en azufre elemental o sulfatos los cuales tienen mayor facilidad de remocin. Por ltimo el mtodo biolgico que consiste en agregar microorganismos con alto potencial de consumo de azufre.Mtodos de purificacin por adsorcin.- Tambin se les llama lecho seco, se llevan a cabo sobre un material slido fijo, sobre el cual el H2S es adsorbido por adherencia. Por lo general, los materiales slidos utilizados como adsorbentes son carbn activado, slicagel y tamices moleculares de zeolitas o tamices moleculares de carbn. El proceso de adsorcin ocurre sobre la superficie del material adsorbente, donde las molculas son retenidas por fuerzas electrostticas dbiles. Una limitante en las reacciones es la humedad, selectividad, temperatura, presin y presencia de partculas. Al utilizar carbn activado en los procesos de adsorcin es cuando se requiere menos energa, porque se opera con temperatura y presin menor, donde la reaccin se realiza en los poros por lo que el sulfuro de hidrgeno reacciona con el oxgeno produciendo azufre y agua. El azufre donde el sulfuro de hidrgeno queda ocluido en los poros del carbn Mtodos de purificacin por absorcin. Se utilizan ampliamente, debido a la eficiencia y reactividad del sulfuro con la mayora de los metales. Los sistemas ms empleados son la absorcin con agua como medio filtrante, el cual se pone en contacto con el biogs que se purifica en torres o columnas (rellenas o no) donde se efecta la transferencia de masa del CO2 y H2S al agua que fluye a contracorriente. Esta es una metodologa poco eficiente debido a las temperaturas y altas presiones de trabajo, que aumenta los costos de operacin. As mismo est el mtodo de precipitacin de sulfuros, el cual consiste en la adicin de iones Fe2+ en la forma de cloruro de hierro (II) (FeCl2) o los iones Fe3+ en las formas de cloruro de hierro (III) o sulfato de hierro (II). Permiten la precipitacin de azufre a una forma estable que permanece en el residuo. Tambin existe el mtodo de carbn activado el cual consiste en pasar el biogs por filtros de carbono activado.Mtodos biolgicos para la eliminacin de sulfuro de hidrgeno. Adems de las tcnicas fisicoqumicas para la purificacin de biogs, existen los mtodos biolgicos o de biofiltracin, que han sido probados a escala de laboratorio y pruebas piloto. Estos mtodos utilizan la capacidad metablica de algunos microorganismos que degradan sustancias contaminantes como el sulfuro de hidrogeno. Se basa en la oxidacin microbiolgica de H2S a compuestos de azufre de fcil eliminacin, como azufre elemental (S) o sulfatos (SO4 -2 ), se fija CO2 simultneamente como funcin estequiometria de la oxidacin del sulfuro. De acuerdo a la FAO (2011), existen distintos mtodos de desulfuracin como la biolgica, que consiste en el uso de microorganismos para la remocin de H2S presente en el biogs. Se basa en la oxidacin microbiolgica de H2S a compuestos de azufre de fcil eliminacin, como azufre elemental o sulfatos. Para que ocurran estas reacciones, los microorganismos requieren de carbono y sales inorgnicas (N, P, K) como nutrientes al igual que elementos traza (Fe, Co, Ni). En el caso de los microorganismos aerbicos que atacan H2S, es esencial la adicin de aire a una composicin de 4-6% del biogs para que los microorganismos se desarrollen correctamente. La gran ventaja que presentan estas tcnicas, en comparacin de los mtodos fisicoqumicos es la carencia de contaminantes secundarios, menores costos de inversin y operacin (Prez y Villa 2005). Segn Muche y Zimmermann (1985), existen otros mtodos de purificacin del biogs como el uso de cal (que es el procedimiento ms antiguo). Este no se aplica a escala industrial debido a que en presencia de grandes cantidades de CO2 en el gas, es difcil lograr una eliminacin satisfactoria del H2S. Finalmente el uso de masas purificadoras, que consiste en mezclas de minerales naturales que contienen hidrxido de hierro u oxihidrato frrico, que al reaccionar el H2S presente en el biogs lo captura en forma de sulfuro de hierro.