Rumen y biogas

8/3/2019 Rumen y biogas

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Leonor Carrillo. 2003. Microbiologa Agrcola. Captulo 5 1

5. Rumen y biogasLa combinacin del reciclado de residuos animales con el cultivo de abonos verdes

pueden proporcionar el nitrgeno necesario para la tierra agrcola. El reciclado puedehacerse mediante digestin anaerbica, pues el contenido relativo de nitrgeno esmayor en el estircol digerido que en el fresco. El lodo remanente en el digestor es unaalternativa para mejorar los suelos hortcolas (1). Adems este proceso permite obtenermetano, un combustible gaseoso. La metanognesis ocurre naturalmente en el rumende los herbvoros.

El aumento del inters popular para contrarrestar la polucin ambiental hace de ladigestin anaerbica el medio conveniente para tratar tanto los efluentes lquidos comolos desechos slidos, adems de constituir una fuente alternativa de energa.

5.1. Metanognesis

El dixido de carbono es comn en la naturaleza y es un producto importante delmetabolismo energtico de los organismos quimioorganotrficos. Los procariotasreductores de CO2 ms importantes son los metangenos, un grupo de arqueobacteriasanaerbicas estrictas que emplean generalmente el H2 como donante de electrones (2).Hay por lo menos diez substratos que se convierten en metano por la accin de uno uotro metangeno, todos los cuales liberan energa adecuada para la sntesis de ATP,incluyendo formiato, acetato, metanol, metilmercaptano y metilamina (3). Se los divideen tres clases:

Substratos del tipo CO24 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O4 HCOO- + 4 H + CH4 + 3 CO2 + 2 H2O4 CO + 2 H 2O CH4 + 3 CO2

Sustratos con grupo metilo4 CH3OH 3CH4 + CO2 + 2 H 2OCH3OH + H2 CH4 + H2O4 CH3NH3Cl + 2 H2O 3 CH4 + CO2 +4 NH4Cl

Substrato de acetotrficasCH3COO- + H2O CH4 + HCO3-

La conversin de acetato a metano aparece como un proceso ecolgico muyimportante en digestores de residuos y en medios anxicos de agua dulce, donde nohay una competencia excesiva por el acetato con otras bacterias . A pesar de que laproduccin de metano est muy extendida, son pocos los compuestos de carbono quesirven como precursores directos de la metanognesis. Por lo tanto, es un proceso quedepende de la produccin de esos compuestos por otros organismos, a partir de lamateria orgnica compleja (2).

En muchos ambientes anxicos los precursores inmediatos del metano son el H 2 y elCO2 que se generan por las actividades de los organismos fermentadores. En el procesogeneral de produccin de metano a partir de la fermentacin de un polisacrido, comola celulosa, pueden intervenir hasta cinco grupos fisiolgicos de procariotas (3). Lasbacterias celulolticas rompen la molcula de celulosa, de peso molecular elevado, en


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celobiosa y glucosa libre. Por accin de los fermentadores primarios, la glucosa originacidos orgnicos, alcoholes, H2 y CO2. Todo el hidrgeno producido es consumidoinmediatamente por las bacterias metanognicas, las acetognicas o las reductoras de

sulfato si ste se halla en alta concentracin. Adems el acetato puede ser convertido enmetano por otros metangenos (2).

Etapas de la digestin anaerbica Hidrlisis de los polmeros complejos Acidognesis por fermentacin de los monmeros produciendo acetato,

propionato, butirato, succinato, alcoholes, H2 y CO2 Acetognesis por fermentacin secundaria generando acetato, H2, CO2 Metanognesis a partir de H2, CO2, acetato

Los organismos clave en la conversin de compuestos orgnicos complejos a metanoson los fermentadores secundarios, especialmente las bacterias oxidantes de cidosgrasos o alcoholes que producen H2,. pues utilizan estos compuestos como fuente deenerga en cultivos mixtos con un consumidor de H2 a travs de una relacin sintrfica(sintrofia = comiendo juntos). La energa libre asociada a las conversiones de los cidosgrasos es positiva, pero si la concentracin de H2 se mantiene muy baja debido alconsumo constante por los metangenos pasa a tener signo negativo lo que determinasu factibilidad. En la mayora de los ecosistemas anxicos, la acetognesis limita elproceso global porque la velocidad de crecimiento de los microorganismosintervinientes es generalmente muy lenta (3).

Los metangenos estn muy extendidos en la tierra a pesar de su metabolismoespecializado. Aunque la produccin de metano se produce en gran cantidad en losambientes claramente anaerbicos como pantanos, zonas encharcadas o rumen, elproceso tambin se lleva a cabo en lugares como los suelos de bosques o praderas quepodran ser considerados aerobios, debido a la formacin de microambientes anxicos

en el interior de las partculas de suelo (4).La magnitud de la produccin de metano por las arqueobacterias es superior a la

obtenida anualmente de los pozos de gas natural. Las principales fuentes son loseructos de los rumiantes y el gas liberado en las zonas pantanosas. Tambin se lleva acabo la metanognesis en el intestino de los vertebrados y de los insectos que comenmadera como las termitas. Se han encontrado metangenos viviendo comoendosimbiontes de amebas y flagelados de vida libre acutica o albergados en el tubodigestivo de invertebrados (3).

La metanognesis se observa con ms frecuencia en los ambientes terrestres y lasaguas continentales que en el mar, debido a las proporciones ms bien altas de sulfatopresentes en aguas y sedimentos marinos donde las bacterias reductoras de sulfatocompiten con las poblaciones metanognicas por el acetato y el H2 disponibles (4). En el

ocano los principales precursores de metano son las metilaminas apenas utilizadas porlos reductores de sulfato, como la trimetilamina que es un producto importante deexcrecin en los animales marinos (3).

5.2. Arqueobacterias metanognicas

Se clasifica a las metanobacterias en siete grupos principales que comprenden un totalde 17 gneros. Hay bacilos cortos y largos, cocos con variada ordenacin, clulas enforma de placas y metangenos filamentosos. Unos son Gram positivos, otros Gramnegativos (5).


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Cuando los metangenos crecen de forma autotrfica, el CO2 es la principal fuente decarbono, sin embargo el crecimiento de casi todos ellos es estimulado por el acetato yen algunas especies por ciertos aminocidos. En cultivos de laboratorio algunosmetangenos del rumen necesitan de una mezcla de cidos grasos (3).

Todos los metangenos utilizan NH+ como fuente de nitrgeno y algunas especiesfijan N2 (Methanosarcina, Methanococcus). El nquel es un componente de una coenzimametanognica y est adems presente en las enzimas hidrogenasa y CO-deshidrogenasa. Estos organismos tambin requieren hierro y cobalto para sucrecimiento. Tienen algunas coenzimas exclusivas que son portadoras de C1 o

intervienen en las reacciones de xido-reduccin como donadores de electrones (2).La reduccin del CO2 por lo general depende del H2, pero el formiato, el CO e incluso

el Fe sirven como donadores de electrones. El Fe es oxidado a Fe++ y los electronesliberados se combinan con los protones para formar H 2, que es el donador inmediato enla metanognesis. Tambin los alcoholes pueden aportar electrones en unos pocoscasos (2).

En condiciones normales la variacin de energa libre durante la reduccin de CO2 ametano con H2 es -131 kJ/mol, pero debido a la influencia de la concentracin de losreactantes en los ambientes naturales baja a cerca de -30 kJ/mol. La concentracin deH2 en las zonas metanognicas no es mayor a 10 mM (3).

La etapa terminal de la metanognesis es la de conservacin de la energa. Lareduccin est asociada con la extrusin de protones a travs de la membrana, creando

una fuerza motriz de protones. La utilizacin del gradiente de protones mediante unaATPasa integrada a la membrana, impulsa la sntesis de ATP (2). Las metanobacteriasautotrficas convierten el CO2 en material celular a travs de la va del acetil-CoAutilizada tambin por las bacterias homoacetognicas y las reductoras de sulfato, pero adiferencia de estas ltimas los metangenos integran las vas biosinttica ybioenergtica porque comparten intermediarios comunes. Las reacciones de la va delacetil-CoA tambin estn estrechamente relacionadas con la produccin de metano apartir de compuestos de metilo o acetato.

El crecimiento de metanobacterias sobre compuestos de metilo tambin est ligado ala bomba de protones para la sntesis de ATP, pero en ausencia de H2 la generacin delos electrones necesarios requiere que alguno de los substratos se oxide. Esto seproduce por una bomba de sodio ligada a la membrana citoplasmtica, que estableceun gradiente de sodio a travs de la misma y conduce a la oxidacin de grupos metilo aCO2(3).

5.3. Rumen

Los rumiantes son mamferos herbvoros que poseen un rgano especial en cuyointerior se lleva a cabo la digestin de celulosa y otros polisacridos mediante laactividad microbiana, porque estos animales carecen de las enzimas necesarias paradigerirlos.

El rumen tiene un tamao relativamente grande, con una capacidad de 100 a 150litros en una vaca o 6 litros en una oveja, y se encuentra a una temperatura y acidezconstantes (39C, pH 6,5). La naturaleza anxica del rumen es un factor significativo


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para su funcionamiento (2). El forraje llega al rumen o panza, mezclado con la salivaque contiene bicarbonato y all es sometido a un movimiento rotatorio durante el cualocurren las fermentaciones. Esta accin peristltica facilita la adherencia microbiana al

material celulsico suspendido (3).

Figura 5.1. Digestin anaerbica en el rumen (3)

El alimento permanece en el rumen de nueve a doce horas. El fluido ruminal contienegran cantidad de clulas, entre ellas 1010 a 1011 bacterias /mL. Las bacterias y loshongos celulolticos actan produciendo el disacrido celobiosa y glucosa. staexperimenta una accin bacteriana en la que se forman principalmente los cidosactico, propinico y butrico, dixido de carbono y metano (figura 1). Los cidosgrasos atraviesan la pared del rumen y pasan a la sangre. Desde all van a los tejidosdonde son utilizados como la principal fuente de energa. Adems los microorganismosdel rumen sintetizan aminocidos y vitaminas esenciales para el animal (3).

La masa de forraje pasa gradualmente a la redecilla donde se forman unas porcionesllamadas rumias que regresan a la boca y son masticadas otra vez. Cuando esta masaslida queda bien fragmentada es engullida de nuevo pero pasa directamente al libro ytermina en el cuajar, donde las condiciones son cidas y all se inicia un procesodigestivo que continua en el intestino. Muchas de las clulas microbianas formadas enel rumen son digeridas y constituyen la principal fuente de protenas y vitaminas delanimal, dado que la pastura es un alimento deficiente en protenas (3) .

Las reacciones qumicas que ocurren en el rumen requieren la actividad combinadade una variedad de microorganismos entre los que predominan las bacterias anerobiasestrictas, dado que el potencial de reduccin es de -0,4 V. La concentracin de O2 a esepotencial es 10-22 M.

Fibrobacter y Ruminococcus son las bacterias celulolticas ms abundantes del rumen,

pero tambin degradan xilano. Fibrobacter posee una celulasa periplsmica (entre lamembrana citoplasmtica y la membrana externa) por lo que debe permaneceradherido a la fibrilla de celulosa mientras la digiere, en cambio Ruminococcus produceuna celulasa que es secretada. Los Ruminobacter y Succinomonas amilolticos seencuentran en minora, as como Lachnospira que digiere pectinas. Los productos defermentacin de estas y otras bacterias son utilizados por otros microorganismos. Elsuccinato se convierte en propionato y CO2, y el lactato es fermentado a acetato y otroscidos por Megasphera y Selenomonas(3).

El H2 producido en el rumen durante los procesos fermentativos nunca se acumula,ya que es utilizado rpidamente por los metangenos (Methanobrevibacter,Methanomicrobium) para reducir CO2 a CH4. Otra fuente de H2 y CO2 es el formiato. La


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composicin media de los gases acumulados en el rumen es aproximadamente 65%CO2 y 35% CH4, y se expulsan al exterior por los eructos del animal.

El acetato no llega a convertirse en metano dentro del rumen debido a que el tiempo

de retencin es demasiado corto para que puedan desarrollarse los organismosacetotrficos y adems las bacterias sintrficas degradadoras de cidos grasos noabundan. Los cidos atraviesan la pared del rumen hacia la sangre del animal (2).

El contenido ruminal posee aproximadamente 106 protozoos /mL, principalmenteciliados. Muchos son anaerobios obligados, una caracterstica poco frecuente entre losorganismos eucariticos. Los protozoos comen bacterias y ejercen algn control sobredensidad de las mismas en el rumen.

Tambin hay hongos anaerbicos que alternan una forma flagelada y otra inmvil.Degradan celulosa, hemicelulosas, pectinas y parcialmente lignina (2).

Las condiciones ambientales del rumen son constantes para cada tipo dealimentacin. El cambio brusco de pasturas a cereales conduce a un desequilibrio en lacomposicin microbiana que causa enfermedad o an la muerte del animal, por elcrecimiento explosivo de Streptococcus bovis que hidroliza almidn produciendoabundante cido lctico y acidificando el rumen. Esta acidosis causa la eliminacin dela microbiota normal (5).

5.4. Digestores anaerbicos

Para producir biogas se pueden emplearse diversosmateriales orgnicos tales como residuos vegetales,estircol, basura domstica, camalotes, algas, efluentesde las industrias de alimentos, bebidas, pulpado y papel,y qumicas (6).

Durante la bioconversin de materiales orgnicos ametano las distintas etapas tienen distinta velocidad: la

degradacin de la celulosa ocurre en semanas, la de lashemicelulosas y protenas en das y la de las molculaspequeas, como azcares, cidos grasos y alcoholes, enhoras, pero la lignina no es degradada en la mayora delos sistemas de digestin anaerbica (7).

El proceso en un digestor difiere de otros tipos defermentaciones en que no es necesario utilizar cultivospuros de microorganismos. Las diversas bacterias

capaces de descomponer las sustancias orgnicas y producir biogs estn ampliamentedistribudas en la naturaleza. Se encuentran, por ejemplo en los excrementos animales yhumanos. Estas bacterias pueden activarse y mantenerse indefinidamente con un

manejo adecuado (8).

El tamao del digestor estdeterminado por el contenido de slidosy el tiempo de retencin del residuo paraun tipo de carga dado. Los materialesinsolubles, tales como papel, paja y otroslignocelulsicos, pueden requerir untratamiento de das (o an aos enciertos rellenos sanitarios) mientras quepuede lograrse hasta una reduccin del95% con una carga diaria de 20 kg / m3de digestor cuando el residuo es soluble(5).


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Hay una amplia variedad de diseos pero los digestores de una sola etapa concampana fija o flotante (figuras 2 y 3) son los ms usados en ambientes rurales. Elestircol digerido es recuperado como un lodo con 10 a 12% de slidos y un

sobrenadante con 2 a 3% de slidos. La digestin ruminal estestratificada en dos sub-fases unalquida, y otra con alto contenidoen slidos donde es mayor laactividad metablica y laconcentracin de intermediarios.Similarmente los digestores de dosfases tienen un mejor rendimientoen metano que los de una sola (9).

El digestor de campana fija cuyo esquema se muestra en la figura 3, tiene la cubiertainmvil y cuenta con la presin hidrosttica autogenerada para distribuir el biogs.Como se colecta el gas en el mismo digestor, parte de la suspensin digerida esdesplazada hacia un tanque de almacenamiento cuyo nivel sube con la produccin ybaja con el uso del gas. La ventaja de este modelo consiste la ausencia de partesmviles corrobles (10).

En la figura 2 se da el esquema de un digestor con campana colectora de gas flotante,que puede estar directamente sumergida en la suspensin o bien en el aceite retenidoentre las dos paredes concntricas del tanque para lograr el sellado. La descarga dellquido se hace por rebalse a travs de un cao y la de slidos por una abertura de

inspeccin. La presin del gas dependedel peso de la campana, por lo quesuele colocarse bolsas de arena sobre lamisma (6). El digestor tipo bolsa que semuestra en la figura 4, es til en las

regiones subtropicales y tropicales (11).Otros tipos de reactores permiten el

manejo de grandes cantidades deresiduos por unidad de volumengenerando biogas a mayor velocidad,como el de contacto anaerbico (figura5) (12).

5.5. Residuos

Los materiales que se pueden usar para la generacin de metano son muy variados,por ejemplo:

residuos de cosechas: maloja de caa de azcar, malezas, paja, rastrojo de mz yotros cultivos; residuos de origen animal: desechos de establos (estircol, orina, paja de camas),

camas de gallinas ponedoras, boigas de cabras y ovejas, desperdicios de matadero(sangre, vsceras), desperdicios de pesca, restos de lana y cuero;

residuos de origen humano: basura, heces, orina; residuos agroindustriales: tortas de oleaginosas, bagazo, salvado de arroz, desechos

de tabaco y semillas, desperdicios del procesamiento de hortalizas y frutas, limosde prensas de ingenios azucareros, residuos de t, polvo de las desmotadoras eindustria textil;

mantillo forestal: ramitas, hojas, cortezas; plantas acuticas: camalote, algas marinas (14).


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La DQO es la cantidad total de oxgeno (en mg) necesaria para oxidar completamentelas substancias orgnicas e inorgnicas contenidas en un litro de suspensin y seemplea como medida indirecta de la cantidad de substrato transformable. Otra manera

de expresar la cantidad de substrato disponible es mediante los valores de slidostotales (ST) que es el material remanente despus de evaporar a 103-105C o de slidosvoltiles (SV) que es el material orgnico descompuesto a 550 + 50C (13).

Otro parmetro de la digestibilidad de los residuos es la demanda biolgica deoxgeno (DBO) que es el consumo de oxgeno, en mg/L de suspensin, durante ladegradacin por microorganismos durante 5 das a 20C. Tanto la DBO como la DQOson proporcionales al contenido de materia orgnica en la suspensin a degradar, perola primera es ms representativa de la degradabilidad de la misma. Tambin puedeusarse el valor de carbono orgnico total (COT) que se obtiene midiendo el CO 2formado en la combustin (8) .

En el cuadro siguiente se muestra la digestibilidad de algunos vegetales expresadacomo el % de slidos voltiles desaparecidos luego de una incubacin de 48 hs conlquido ruminal diludo en buffer fosfato-bicarbonato a 39C y otras 48 hs con pepsina-HCl, a igual temperatura para hidrolizar parcialmente las protenas de losmicroorganismos y del sustrato (7).

Digestibilidad de algunos vegetales(7)Material Sli dos voltiles totales Sli dos voltiles digeridos

% peso seco % SVTGramneas 43,3 - 99,3 15,0 - 87,0Brassica sp. 54,6 89,8 33,5 93,8Batatas 69,0 97,7 41,0 98,7Camalotes 69,7 88,1 12,0 80,1Algas marinas 19,7 74,5 21,0 83,4

La digestin anaerbica de madera no es tcnicamente factible sin algn tipo depretratamiento que aumente su biodegradabilidad (5). En el recuadro siguiente semuestra la relacin C/N de varios materiales residuales.

Contenido de nitrgeno y relacin C/N en varios residuos (14) ani males C/N %N vegetales C/N %NDesperdicios Heno 12 4

de pescado 5,1 6,5-10 Amaranto 11 3,6de matadero 2 7-10 Alfalfa 16-20 2,4-3

Orina 0,8 15-18 Paja 48 1,1Sangre 3 10-14 Algas marinas 19 1,9Estircol equino 25 2,3 Restos de lino 58 1,0

Estircol vacuno 1 8 1,7 Paja de trigo 128 0,3Estircol de corral 14 2,15 Aserrn 511 0,1Heces humanas 6-10 5,5-6,5 domsticos

basura 25 2,2. peladura papas 25 1,5

Una relacin carbono/nitrgeno de 16/1 se considera ptima para una buenaproduccin de gas y para una fermentacin estable de los excrementos animales (8),aunque puede obtenerse biogs a valores mayores no se debe superar la relacin 30/1(14). A continuacin se indican algunas caractersticas de las deyecciones animales.


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Caractersticas de excrementos animales (8)Kg/100kg peso vivo/da

Peso Slidos Sl idos N total

hmedo totales voltilesBovinos de carne 4,6 0,70 0,65 0,055Cerdos 5,1 0,69 0,57 0,039Gallinas ponedoras 6,6 1,67 1,22 0,099Ovinos 3,6 1,07 0,91 0,043Vacas lecheras 9,4 0,89 0,72 0,036

Los volmenes de gas producido suelen expresarse como m3 biogas/m3 digestor ocomo m3 biogas/kg DQO o DBO y difieren segn el tipo de residuo, la concentracinde slidos voltiles, la relacin carga/volumen del digestor, el tiempo de retencin delos residuos dentro del digestor y el diseo del mismo. En general la produccin oscilaentre 1 y 5 m3 biogas/m3 digestor, o dicho de otra manera entre 0,3 y 0,5 m3/kg SV (6).

5.6. Caractersticas del biogas

El cuadro siguiente resume la composicin promedio del biogas segn la fuente. Elvalor calorfico vara entre 17 y 34 MJ/m3 segn el contenido de metano.

Composicin del biogas derivado de diversas fuentes (6).Desechos Lodos Desechos Rellenos

Gases agrcolas cloacales industriales sanitarios PropiedadesMetano 50 - 80% 50 - 80% 50 - 70% 45 - 65% combustibleCO2 30 - 50% 20 - 50% 30 - 50% 34 - 55% cido, asfixianteVapor agua saturacin saturacin saturacin saturacin corrosivoHidrgeno 0 - 2% 0 - 5% 0 - 2% 0 - 1% combustible

H2S 100 - 7000ppm 0 - 1% 0 - 8% 0,5 - 100ppm corrosivo,olor,txicoAmonaco trazas trazas trazas trazas corrosivoCO 0 - 1% 0 - 1% 0 - 1% trazas txicoNitrgeno 0 - 1% 0 - 3% 0 - 1% 0 - 20% inerteOxgeno 0 - 1% 0 - 1% 0 - 1% 0 - 5% corrosivoOrgnicos trazas trazas trazas 5ppm corrosivos,olores

La condensacin del vapor es con frecuencia un problema debido a que el biogasest generalmente ms tibio que las caeras por donde pasa. Es esencial una trampa deagua y puntos de drenaje en la tubera (14).

El hidrgeno es un intermediario en el metabolismo anaerbico y algunas bacteriaspueden producir trazas de CO. La presencia de nitrgeno y/u oxgeno puede indicar

una entrada accidental de aire y esto constituye un grave peligro debido al riesgo deexplosiones. El oxgeno es consumido por los microorganismos facultativos dejando elnitrgeno residual (6). Tanto el azufre orgnico, presente por ejemplo en algunosaminocidos, y el inorgnico pueden ser reducidos a H2S, un gas muy txico yaltamente reactivo con los metales tales como hierro y cobre, originando la corrosin.Esta reactividad hace que su contenido sea muy bajo en el gas de los rellenos sanitarios.Por otra parte el amonio liberado por ejemplo durante la desaminacin de lasprotenas, permanece en solucin (14).


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5.7. Factores ambientales

Entre los factores ambientales importantes para el funcionamiento de los digestores

figuran: la temperatura, la concentracin de slidos, la concentracin de cidosvoltiles, la formacin de espuma, la concentracin de nutrientes esenciales, lassubstancias txicas y el pH (8).

Las metanobacterias slo pueden multiplicarse cuando est avanzada la fermentacinde los substratos primarios por accin de las bacterias anaerobias facultativas (porejemplo Escherichia, Enterobacter, Klebsiella o Bacillus spp.) y se haya consumido todo eloxgeno disuelto, de manera que el potencial redox haya alcanzado en un valor menorque -200 mV. Adems, el pH no debe bajar demasiado, debido a los cidos producidospor los Clostridium, para no inhibir el crecimiento de los metangenos (15).

Comnmente la concentracin de cidos grasos voltiles no supera los 2 a 3 g/L,expresados como cido actico. Si se sobrepasa este nivel, la digestin cesar en dos otres das debido a que los metangenos no pueden utilizar los cidos a la mismavelocidad con que se producen (8). El pH ptimo para la digestin est entre 7,0 y 7,2,aunque el rango satisfactorio va de 6,6 a 7,6. La digestin comienza a inhibirse a pH 6,5(14). Una vez que se ha estabilizado un digestor el lodo est bien amortiguado, es decirla concentracin de protones no vara an cuando se aadan cantidades relativamentegrandes de cido o lcali. Si esta capacidad de amortiguacin se destruye y el pHdisminuye cesa la metanognesis (8).

El CO2 es soluble en agua y reacciona con los iones hidroxilo para formar bicarbonato.La concentracin de HCO3-- es afectada por la temperatura, el pH y la presencia deotros materiales en la fase lquida. Las condiciones que favorecen la produccin debicarbonato aumentarn a su vez el porcentaje de metano en la fase gaseosa (14).

La gama de temperatura para la digestin anaerbica tiene dos zonas ptimas unamesfila (30 - 40C) y otra termfila (45 - 60C). Casi todos los digestores funcionandentro de los lmites de temperaturas mesfilas y la digestin ptima se obtiene a unos

35C. La velocidad de digestin a temperaturas superiores a 45C es mayor que atemperaturas ms bajas, sin embargo lasbacterias son sumamente sensibles a los cambiosambientales especialmente una disminucinrepentina de slo unos pocos grados (8).

En la figura 6 se ven las relaciones tpicas queexisten entre la produccin de gas y latemperatura con diferentes tiemp os de retencin.Por ejemplo, en un digestor donde los residuospermanecen 12 das, la produccin de gas porunidad de slidos voltiles totales aadidosdiariamente, es 20% mayor a 45C que a 35C.

En los climas clidos, donde no existentemperaturas de congelacin, los digestorespueden funcionar sin aadir calor pero hay queaumentar en cambio el tiempo de retencin. Laregulacin de la temperatura puede lograrsehaciendo circular agua caliente a travs deltanque por medio de termointercambiadores (8).

Las causas principales de una excesivaproduccin de cidos voltiles son la elevadavelocidad de carga, una baja temperatura y laformacin de espuma que constituye una zonafavorable para los acetgenos. La sedimentacin


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de los materiales fibrosos y la espuma se puede evitar mezclando el contenido deldigestor (14).

Para una digestin ptima, tienen que estar presentes todos los elementos esenciales

en forma fcil de asimilar por las bacterias. Se han logrado resultados satisfactorios conconcentraciones mayores a 15% de slidos, sin embargo en la prctica la gama es de 3 a10% (8). Los requerimientos nutritivos de DBO : nitrgeno : fsforo en la digestinanaerbica estn en la relacin 700 : 5 : 1. Solo los estircoles estn nutricionalmentebalanceadas. Adems para el crecimiento ptimo de los metangenos es necesario lapresencia de cuatro elementos en concentraciones muy bajas: Fe 2nM, Co 10 nM, Ni 100nM y Mo 10 nM (6).

Los antibiticos empleados en las explotaciones pecuarias llegan a los excrementospero, como ocurre tambin con los antihelmnticos, no suelen afectar mayormente ladigestin debido a la dilucin con materiales no txicos. Los metangenos son sensiblesa los antibiticos que afectan la sntesis de protenas o lpidos y a los interfieren con lafuncin de la membrana citoplasmtica.

La concentracin de nitrgeno amoniacal debe ser inferior a 1,5 g/L si es mayor,como suele ocurrir con la gallinaza, resulta txico. Si bien es un amortiguador, suaumento puede llegar a impedir el proceso de digestin. Tambin son txicas las salesde zinc, cobre y nquel, aunque este ltimo es necesario en nfimas cantidades. Las salesde los elementos alcalinos y alcalino-trreos pueden se estimulantes o inhibitoriassegn la concentracin como se observa en el cuadro siguiente (14).

Efecto de la concentracin de algunos cationes (14)Concentracin g/L

Catin estimulante inhibi toria muy inhibi toriaSodio 0,1 0,2 3,5 5,5 8,0Potasio 0,2 0,4 2,5 4,5 12,0Calcio 0,1 0,2 2,5 4,5 8,0

Magnesio 0,075 0,15 1,0 1,5 3,0

Los desinfectantes clorados son muy txicos an a bajas concentraciones (


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El proyecto debe ser elaborado segn la materia prima disponible y la demanda debiogas diaria. Tambin hay que tener en cuenta la existencia de otras fuentesalternativas de energa en la propiedad.

La localizacin ser la apropiada segn la distancia de los puntos de consumo, laubicacin de los residuos y la fuente de agua, la topografa del terreno, la texturadel suelo y el nivel fretico (16).

Las consideraciones dependientes del tamao para el diseo de una planta de biogsen reas rurales incluyen: la cantidad y el tipo de desperdicios disponibles, lasdimensiones de los trozos o partculas, el requerimiento de calefaccin, la necesidad deagitacin, la disponibilidad de materiales de construccin (14).

Bajo condiciones ambientales ptimas para la digestin, la cantidad de gas producidoes proporcional a la cantidad de residuos agregados. Los materiales que pueden serdegradados fcilmente se estabilizarn ms rpido que los resistentes, necesitando untiempo de retencin ms corto y un digestor de menor tamao.

Las partculas pequeas son mejor fermentadas que los trozos gruesos, por lo que sedebe picar bien los materiales tales como paja, virutas, hojas, bagazo antes deagregarlos, para que la suspensin fluya uniformemente evitando el taponamiento delas caeras de carga y descarga, y reduciendo la formacin de espuma (8).

Cuando las condiciones climticas lo exigen, se debe calentar el digestor para reducirel tiempo de retencin y a su vez el tamao del mismo. Pero este paso requiere emplearparte del gas producido, disminuyendo la cantidad aprovechable para uso domstico, yaadiendo un costo de instalacin y operacin (14).

El volumen del digestor est dado por el volumen de la suspensin de losdesperdicios agregados multiplicado por el tiempo de retencin conveniente segn eltipo y el tamao de los desperdicios y la temperatura de operacin.

El volumen de un digestor de campana flotante est dado por la siguiente frmula(17): V = [C * R (1+D) tF ]/(Y * d)donde: C es la capacidad deseada en biogas por da,R es la relacin estircol hmedo/estircol seco, commnente 5,D es el peso de agua aadida a cada unidad de peso de estircol,tF es el tiempo de fermentacin en das,Yes el gas producido por unidad de peso de estircol seco,d es la densidad de la mezcla estircol -agua.

El volumen del digestor V es proporcional a la relacin tF/Y, por lo que un aumentoen la temperatura de fermentacin, dentro de cierto rango, aumenta el rendimiento del

gas Y, permitiendo reducir el tiempo de retencin tF o disminuir V(11).Por ejemplo, si C=2,8 m3/da, R=5, D=1,25; tF=30 das, Y=0,2 m3/kg, d=1102 kg/m3,

el volumen del digestor sera 4,3 m3. Sin embargo, suele ser sobredimensionado en un40% (17).

El mezclado influye tanto como el tamao de las partculas, pues expone nuevassuperficies a la accin bacteriana y previene la disminucin de sta por agotamientopuntual de los nutrientes o acumulacin de metabolitos. Generalmente no es necesarioagitar el contenido de los digestores domsticos cuando el tiempo de digestin es largo(50-60 das), aunque suele ser conveniente incorporar un agitador (18).

La provisin de agua para los digestores es otro punto a tener en cuenta, por ejemplosobre la base de una relacin estircol hmedo/estircol seco de 5 : 1 y de una relacinestircol hmedo/agua de 4 : 5, se necesita 62,5 litros de agua diarios cada 10 kg deestircol seco. Pero, la fraccin lquida podra ser reciclada en aquellos casos en que elagua es escasa. Por otra parte, la reduccin de la relacin agua/estircol a la mitadocasiona una disminucin del 40% en la produccin de gas. Sin embargo, cuando la


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temperatura de operacin se eleva, por ejemplo de 15 a 27C, aumenta la cantidad degas en 100%, por lo que es posible disminuir la cantidad de agua en los climas clidospermitiendo un rendimiento aceptable del biogs (17).

Se puede estimar la demanda mxima de biogas suponiendo las necesidades durantecada hora del da para planificar el tamao de la campana flotante, pero en general seconsidera conveniente no sobrepasar el volumen del gas producido diariamente.

La corrosin es un problema serio por la exposicin constante de las partes metlicasal sulfuro de hidrgeno y los cidos orgnicos, que ya estn en el material o se formandurante la fermentacin, por lo tanto se deben cubrir con una pintura resistente (15). Laubicacin de la zona de operacin del digestor debe ser tal que no contamine la napa deagua, debido a la permeabilidad del suelo.

Las plantas de biogas con alimentacin discontnua se construyen cuando es difcil deobtener los materiales diariamente, por ejemplo se utilizan para fermentar materialvegetal grueso, tal como tallos de maz o bagazo de caa de azcar. A las dos semanasde carga comienza la produccin de biogas y contina por unos tres meses. Cuandocesa, se abre el digestor y se limpia. La suspensin remanente se extiende sobre tierrasde cultivo como fertilizante. En los casos que se usa este sistema suele haber al menosdos digestores, de modo que al menos uno est en operacin (8).

En los digestores con excrementos animales es necesario remover peridicamente lacapa de espuma. Por otra parte, en los modelos en que la carga es horizontal (tipo flujo-tapn) como el de bolsa, suele haber menos problemas de formacin de espuma quecuando es vertical (9).

Para establecer el potencial en biogas de un pequeo pueblo rural es necesario tenerinformacin exacta sobre el nmero de habitantes, la cantidad de ganado, laproduccin diaria de estircol y heces, la eficiencia en la recoleccin de los desechos, ladisponibilidad de agua, el rendimiento terico de gas por unidad de peso de estircol yheces, la disponibilidad de residuos celulsicos fermentables, etc. (17).

La produccin diaria posible de biogas se calcula mediante la siguiente frmula:

P = NA* XA* YA + NP* XP* YP + PR* YRdonde: NA es la cantidad de animales,NP la poblacin humana,XA y XP el promedio diario de estircol y heces por animal y por persona,YA y YP el rendimiento de gas por unidad de peso de estircol y heces,PR el peso total diario de otros residuos disponibles,YR el rendimiento de gas por unidad de peso de los otros residuos disponibles (17) .

Algunos parmetros en la ecuacin anterior varan drsticamente de una regin aotra, por ejemplo XA depende del tamao promedio del ganado y PR es siemprediferente. Estos detalles son vitales para tomar las decisiones econmicas y hacer eldiseo de la planta de biogas.

Se supone un pueblo rural de 500 habitantes con 100 casas y 250 vacunos. Seconsidera que el valor promedio de estircol seco es de 3,2 kg por animal por da, por loque se espera un rendimiento de 800 kg de estircol seco por da. Es razonable pensarque el 75% de este material puede ser recogido o sea 600 kg. El rendimiento de biogas apartir de la fermentacin del estircol es de 0,187 m3/kg a 15C y 0,374 m3/kg a 27C,por lo tanto en el pueblo se puede generar en invierno 112 m3 de biogas por da. Dadoque las casas estn ms o menos alejadas una de otra, conviene que cada una tenga supropio digestor al que se conecta la letrina. Se producir en total 14 m3 de biogas porda sobre la base de 0,028 m3/persona/da. La produccin total de biogas en el puebloproveniente de estircol vacuno y heces suma 126 m3/da, sin contar el que se puede


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obtener de residuos celulsicos, gallinaza, desechos de criaderos de cerdos y conejos,restos de matadero, etc. (17).

5.9. Operacin

Cantidades de diversos materiales para cargar un digestor (17, 19)kg/da necesarios para producir1,0 3,5 m3 biogas/da

pasto seco 1,6 5,6paja de maz seca 1,2 4,3cscarillade arroz seca 1,6 5,6camalote seco 5,3 18,6camalote hmedo 106 372estircol de cerdos 13 44estircol de gallinas 16 56estircol de vacunos (25C) 28 98

(verano, aire a 30C) 12 41 (invierno, aire a 14C) 31 110

Caractersticas de la suspensin de estircol para cargar el digestor (20)Estircol de Vacas Lecheras Cerdos

Promedio (rango) Unidades Promedio (mg/L)Slidos totales 15,4 (12,9 19,8) % estircol 1700Slidos voltiles 86,1 (76,7 91,8) % slidos totales 1000DQO total 149 (81 284) g/L 1400DBO5 total 16,1 (8,6 21,5 ) g/L 725DBO5 soluble 9,3 (4,6 14,4 ) g/LCOT 680

pH 6,2 (5,2 6,8) unidadesNitrgeno total 2,8 (2,6 2,9) % slidos totales 200

Amonio 100Nitrato 1

Fsforo soluble 0,25 (0,17 0,32) % slidos totalesFosfato total 85Potasio total (0,5 5) % slidos totales

En los recuadros anteriores se indican los requerimientos diarios de algunos residuospara alimentar al digestor y las caractersticas del estircol diludo de vacas lecheras yde cerdos.

La carga inicial requiere una gran cantidad de materia prima que conviene reunirla

mientras se es construyendo el digestor. Dado que ya sufre una transformacin antesde ser introducida se debe controlar el pH, as como asegurar el agregado de estircolvacuno fresco u otro material que contenga los microorganismos necesarios, porejemplo lodo de un digestor de aguas cloacales. El xito de un digestor depende de laradicacin y mantenimiento de los organismos acidificantes y metanognicos en formaequilibrada. Si el digestor acumula cidos voltiles como resultado de una sobrecarga,la situacin puede corregirse por la resiembra de organismos, la suspensin temporariade la alimentacin o el agregado de cal (16).

La temperatura tiene un significativo efecto sobre la digestin anaerbica de losmateriales orgnicos. Los digestores enterrados aprovechan las propiedades aislantesdel suelo que los rodea. Pero en caso de los construdos sobre el suelo deben estar


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rodeados de anillos de hojas, aserrn o paja, los que generarn calor durante elcompostaje. Una vez transformados los materiales de estos anillos deben ser cambiadospor residuos frescos. El material compostado an podra contribuir a la mezcla de

alimentacin del digestor (14). El rendimiento promedio en China, durante el verano,es de 0,2 m3 de gas por da por m3 del digestor mientras que en Sri Lanka aumenta a 0,5m3 de biogs diarios por m3 del digestor (19).

El operario que maneje diariamente el digestor deber estar adiestrado en la tarea yposeer las instrucciones escritas. Entre las actividades diarias estarn las de tomar latemperatura ambiente y del agua, reunir y homogeneizar el material de la carga,reciclar el efluente, apreciar el olor y la presencia de insectos, y semanalmente controlary corregir el pH. Tambin controlar la seguridad en el uso del biogas. Identificarprdidas, registrar la presin del gas, examinar los puntos de consumo, drenar elagua del tubo de gas, verificar el nivel de lquido del manmetro (16).

Pueden usarse varios mtodos para el mezclado de los diversos materiales que seusan para cargar un digestor:

mediante la carga diaria, por manipulacin de los dispositivos de entrada y salida de manera que las

operaciones de alimentacin y descarga favorezcan el mezclado, por instalacin de dispositivos de mezclado que puedan ser operados

manualmente, introduciendo la suspensin como un chorro, haciendo entrar la suspensin como un chorro tangencial al contenido del

digestor.Si no se hace agitacin se puede reducir la estratificacin usando un digestor dedesplazamiento horizontal (14) . El efluente se retira con baldes o por drenaje en unterreno desnivelado. Puede ser usado directamente como fertilizante o bien secadopara tener un abono slido (16).

La velocidad de la degradacin de un material orgnico refleja la interaccin de la

cantidad de biomasa microbiana activa por unidad de volumen y dicho materialdisponible para los microorganismos. La carga diaria para un digestor de estircolvacuno es de alrededor de 6,5 kg slidos voltiles por m3(9).

De la frmula empleada para el clculo del volumen del digestor, puede obtenerse lavelocidad de carga L:

L = d/[R (1+D) tF] = C / (Y * V)En el ejemplo dado, L=3,25 kg/m3 * da, o sea se agregara en total 14 kg de estircolseco por da (17).

Los digestores cargados a razn de 0,2-0,5 kg SVT/m3 por da, generalmente sinagitacin, corresponden a las pequeas instalaciones para granjas cuyo tamao medioes de 10 m3. Cuando la carga es mayor que 0,5 kg SVT/m3 da se requiere un mezcladoal menos intermitente y una supervisin mayor que los anteriores (8).

5.10. Seguridad

Adems de gas, la digestin anaerbica genera un efluente que, segn los slidosresiduales y el contenido en nitrgeno o en agua, puede ser usado como abono o parariego. Por otra parte juega un papel importante en el control de los olores de losresiduos en las granjas o las tierras de relleno. La digestin mesoflica mata organismospatgenos tales como Salmonella y ciertos enterovirus durante un tiempo de retencinde 20-30 das. Sin embargo, algunos parvovirus sobreviven an en el rango termoflico.Tambin la infectividad de los huevos de Taenia saginata es reducida en gran medidapero sobreviven los huevos de Ancylostoma sp. y Ascaris suum, aunque stosdesaparecen en el rango termoflico (6).


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Desaparicin de microorganismos entricos durante la digestin anaerbica(14)Organismos Temperatura Tiempo de residencia desaparicin

C das %

Salmonella spp. 22 37 6 20 82 96Salmonella typhi 22 37 6 99Mycobacterium bovis 30 100Poliovirus 35 2 98,5Quistes de protozoos 30 10 100Ascaris sp. 29 15 90

Independientemente del tamao del digestor, es necesario colocar un manmetro deagua. Si la presin es negativa por haberse retirado ms efluente que la alimentacinagregada, no se debe abrir los puntos de consumo de gas para evitar la llegada de aireal interior. Adems se debe intercalar un arrestallamas en la caera. Como el metanoes explosivo cuando est mezclado con 5-15% v/v de aire, la primera cantidad de gas

producido debe ser venteada pues generalmente est mezclada con aire. Luego slohabr biogs en la cpula fija o campana mvil del digestor. Por otra parte cuando sedetiene un digestor para retirar los lodos se debe ventilar bien el interior pues el biogses asfixiante (18) .

El cierre de agua de la cubierta mvil se puede romper cuando la alimentacin deldigestor es excesiva o la extraccin del gas es demasiado lenta. El vaco se crea cuandola extraccin del gas es muy rpida. La vlvula de seguridad consta de arandelas depeso calibrado que debe igualar a la presin proyectada para el digestor. La presin delgas se establece normalmente entre 15 y 30 cm de columna de agua. El arrestallamas esuna caja de placas de metal corrugado con agujeros. Si se produjera alguna llama en latubera del gas, ste se enfriar por debajo del punto de ignicin, pero podra seguirpasando (13).

La eliminacin del sulfuro de hidrgeno se hace principalmente para prevenir la

corrosin por los residuos de la combustin. En el ambiente rural se suele usar elproceso cataltico seco con Fe(OH)3, y el catalizador se puede regenerar varias veces. ElCO2 puede ser removido en parte con agua fra (14).

Referencias

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19965. Smith PH, Bordeaux FM, Wilkie A, Yang J, Boone D, Mah RA, Chynoweth D, Jerger D. Microbial aspects

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14. BOSTID Report. Methane Generation from Human, Animal, and Agricultural Wastes. NationalAcademy of Sciences, Washington, 1977

15. Jagnow G, Dawid W. Biotecnologa. Acribia, Zaragoza, 199116. da Silva NA. Construao e operaao de biodigestor modelo chins. Energia. Fontes Alternativas. 3 (14):31-56, 1981

17. Prasad CR, Krishna Prasad K, Reddy AKN. Biogas plants: prospects, problems and tasks. Economic andPolitical Weekly, special number august 1974, 1347-1364

18. FAO/UNDP. China recycling of organic wastes in agriculture, Chapter 4. Biogas technology andutilization. FAO Soil Bulletin 40: 47-63, 1977

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