MEJORAMIENTO Y MODELIZACIÓN CINÉTICA DEL POTENCIAL DE BIOMETANIZACIÓN DE LA GALLINAZA DE JAULA A PARTIR DE
CODIGESTIÓN ANAEROBIA CON GLICEROL RESIDUAL
Informe final
JOSE DANIEL MARÍN BATISTA
Estudiante de Ingeniería Química
Director: Liliana Castro Molano
Ing. Química Ph.D
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA-CARTAGENA
Grupo de Investigación en ciencias de Ingeniería - GICI
Cartagena
2013
IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO
TÍTULO DEL
PROYECTO
Mejoramiento de la producción de metano a partir de
Gallinaza de jaula mediante codigestión anaerobia,
utilizando glicerol como cosustrato
RESPONSABLE
José Daniel Marín Batista
LUGAR DE
EJECUCIÓN Laboratorio de Biotecnología
Universidad Industrial de Santander-UIS
VIGENCIA
Fecha de Inicio: 17 de octubre de 2012.
Fecha de finalización: 19 de Julio de 2013.
INFORMACIÓN DEL DIRECTOR
NOMBRE LILIANA CASTRO MOLANO
IDENTIFICACIÓN
(c.c.) CC 63. 520. 246 de Bucaramanga
DIRECCIÓN Universidad Santo Tomas, Laboratorio de Materiales, Cr
18 9-27. Bucaramanga-Santander.
E- MAIL [email protected]
TELÉFONO Cel: 300 808 9528
INFORMACIÓN DEL ESTUDIANTE RESPONSABLE DEL PROYECTO
NOMBRE JOSÉ DANIEL MARÍN BATISTA
IDENTIFICACIÓN
(c.c.) CC 1.143.354.782 de Cartagena
DIRECCIÓN Urbanización quintas del manantial Mz C, Lt 3
E- MAIL [email protected]
TELÉFONO Cel: 301 575 54 70
FECHA DE ENTREGA DE DOCUMENTO 1 de octubre del 2013
RESUMEN EJECUTIVO
Las explotaciones avícolas en Colombia representan el 40% del área total
destinada a las actividades pecuarias, generando 3.436.204 ton/año de estiércol
(Gallinaza) que a su vez se convierten en uno de los residuos orgánicos más
representativos de este sector productivo por su cantidad. La gallinaza de Jaula se
compone de una mezcla de plumas, deposiciones sólidas y deyecciones líquidas
de las aves, que requiere de tratamientos de estabilización para evitar
contaminación por malos olores (Escalante Hernández, Orduz Prada, & Zapata,
2010) (Estrada Pareja, 2005).
En el departamento de Santander, una de las empresas más representativas del
sector ha realizado grandes esfuerzos por aprovechar mediante la tecnología del
compostaje los 50,260.5 Ton/año de gallinaza de Jaula generados durante las
actividades de explotación avícola. Esta tecnología no ha sido suficiente para
estabilizar la cantidad de residuo generado a diario en la empresa generando
inconvenientes en la disposición final sumado al elevado consumo de combustible
fósil como el ACPM, gas propano y gasolina empleados en el sistema de
calefacción de las criadoras y del cocinador que permite convertir a las aves
muertas en harina como suplemento alimenticio para el ganado. Por tanto, nace la
necesidad de estudiar una alternativa que permita satisfacer las insuficiencias del
sector avícola en cuanto a la disipación final a la gallinaza de jaula (Revista-
Dinero, 2005) (Sierra Rios, 2013).
El alto contenido de materia orgánica biodegradable, humedad e importante poder
calórico de la gallinaza de jaula hace posible el aprovechamiento de este residuo
mediante la tecnología de la digestión anaerobia. Los procesos de bioconversión
anaerobia son producto de la acción de una matriz microbiana que permiten
estabilizar la biomasa a bajo costo operacional, disminuir su impacto ambiental
(reducción de olores y emisiones de gases efecto invernadero) y obtener un
producto de valor agregado energético, denominado biogás (metano y dióxido de
carbono) (Castro Molano & Guzmán Luna, 2012) (Ward, Hobbs b, Holliman, &
Jones, 2008). (Moncallo, G, 2011)
La máxima producción especifica de metano obtenible mediante digestión
anaerobia de la gallinaza de jaula corresponde 0.43 m3 CH4/kg Sólidos Volátiles
adicionados. De acuerdo con la caracterización fisicoquímica del sustrato, la
gallinaza de Jaula posee un bajo contenido de Carbono y alto contenido de
Nitrógeno en forma de proteínas, que al ser biodegradadas anaerobiamente
liberan un exceso de iones amonios inhibidores del consorcio microbiano, lo cual
dificulta alcanzar un valor en la producción de metano cercano al valor máximo de
producción especifica (Sierra Rios, 2013) (Abouelenien, Fujiwara, Namba, &
kosseva, 2010).
Por lo anterior, se estableció a la codigestión anaerobia como alternativa de
mejoramiento de la producción de biogás a partir de gallinaza de jaula. La
codigestión anaerobia consiste en la adición de un residuo complementario que
genera una mezcla de sustratos con características más apropiadas para su
biodegradación anaerobia. El cosustrato seleccionado fue el glicerol residual
teniendo en cuenta su alto contenido de carbono orgánico de fácil biodegradación,
que al ser mezclado con gallinaza de jaula permite incrementar la relación C/N
representándose en un aumento de la producción neta de biogás (Mata-Alvarez,
Dosta, Macé, & Astals, 2011).
Los procesos de biodegradación anaerobia se llevan a cabo en cuatro etapas: (a)
hidrólisis, (b) Acidogénesis (c) acetogénesis y (d) metanogénesis. Estas etapas
son desarrolladas por la acción de un consorcio microbiano aportado por un
inóculo que debe ser seleccionado de acuerdo al potencial para desarrollar cada
una de las etapas anteriores (Quintero, Castro, Ortiz, Guzmán, & Escalante,
2012). En el caso de la gallinaza de Jaula la metanogénesis corresponde a la
etapa limitante del proceso. No obstante, la primera actividad de esta investigación
correspondió a la selección de un consorcio microbiano apropiado para la
biodegradación anaerobia de la gallinaza de jaula.
Dentro de la oferta de inóculos que presenta el departamento de Santander, El
lodo estiércol de cerdo, el estiércol bovino estabilizado y el lodo de un sistema de
tratamiento de aguas residuales domésticas fueron evaluados mediante actividad
hidrolítica (indicador del potencial del inóculo para hidrolizar proteínas, lípidos y
carbohidratos hasta sustancias menos complejas tales como amino ácido, ácidos
grasos y monosacáridos) y actividad metanogénica (Indicador del potencial del
inóculo para convertir hasta metano los compuestos reducidos durante la etapa
acetogénica) (Barrera, Salas, Castro, Ortiz, & Escalante, 2009). En base a los
resultados se seleccionó al estiércol bovino estabilizado como el inóculo idóneo
para la realización de ensayos de biometanización para la gallinaza de Jaula.
Estos resultados reposan en la memoria de una tesis de maestría: Sierra Ríos,
2013.
Para conocer el potencial de biometanización de la gallinaza de Jaula se
realizaron ensayos de biometanización a relaciones de inóculo/sustrato de 0.5, 1 y
1.5 (g-SV/g-SV). Todos los ensayos se realizaron por duplicado en biodigestores
de 500 ml utilizando un volumen de reacción de 350 ml. Los ensayos de
biometanización se llevaron a cabo en condiciones mesofílicas de temperatura
(39°C) con un tiempo de biodegración anaerobia de 8 días. Los azucares
reductores, ácidos grasos volátiles y volumen de metano correspondieron a las
variables de respuesta del proceso, La capacidad buffer del sistema y el pH
correspondieron a las variables de control del proceso. La relación de
inóculo/sustrato de 1 y 1.5 presentaron comportamientos apropiado de acuerdo
con los rangos establecidos para digestión anaerobia en cuanto a pH y estabilidad
del reactor. Esta actividad permitió seleccionar una relación de mezcla entre el
inóculo y sustrato para ensayos posteriores de codigestión anaerobia. La relación
inóculo/sustrato de 1 con potencial de biometanización de 0.07 m3-CH4/kg SV add,
se seleccionó como la relación más idónea.
La codigestión anaerobia se estudió mediante ensayos de biometanización con
biodigestores anaerobios de 50 ml y un volumen de reacción de 35 ml. La
operación se llevó a cabo en batch en condiciones mesofílicas de temperatura
(39°C). Se llevaron a cabo diferentes proporciones glicerol residual - gallinaza de
Jaula de 0:100 (control), 3:97, 5:95 y 10:90 a una relación inóculo/sustrato de 1, la
evolución del proceso para cada proporción se evaluó mediante el potencial de
biometanización alcanzado durante 30 días de biodegradación anaerobia. Los
resultados obtenidos en esta experimentación preliminar no fueron favorables. Se
optó por diluir el glicerol residual a concentraciones de 50 g/L, 25 g/L y 10 g/L
para ser mezcladas con gallinaza de Jaula a las mismas proporciones anteriores.
Los potenciales de biometanización alcanzados por la proporción de 5: 95 glicerol
residual diluido a 10 g/L y gallinaza de jaula presentó el mayor potencial de
biometanización. Los azucares reductores, ácidos grasos volátiles, volumen de
metano, capacidad buffer y pH correspondieron a las variables de respuesta y
control del proceso. La adición de glicerol residual a la gallinaza de jaula permitió
incrementar la producción específica de metano en un 54%.
El glicerol residual utilizado por esta investigación posee un pH de 4.3, humedad
de 38.2 %, concentración de sodio y potasio, 8.3 y 0.5 g/L, respectivamente. La
elevada concentración de metales pesado en el cosustrato propició estudiar su
incidencia sobre el potencial de biometanización mediante un ensayo de
biometanización a una proporción de 5: 95 glicerol sintético diluido a 10 g/L y
gallinaza de jaula. Sin embargo, el glicerol sintético incrementó la producción
especifica de metano de la gallinaza de jaula en un 43%, un 11% menos que el
glicerol residual permitiendo concluir que no el contenido de metales pesados en
el glicerol residual no presentó incidencia alguna sobre la producción de metano.
Para el estudio de la inhibición por iones amonios presentes en la biodegradación
anaerobia de la gallinaza de jaula, se aplicó el modelo anaerobic digestion model 1
(ADM1) el cual fue desarrollado para hacer aproximaciones del comportamiento
de plantas pilotos, operación de reactores y optimización de procesos. El modelo
permite establecer valores de inhibición por amonio libre en un rango de cero a
uno, donde el cero indica total inhibición en el proceso y uno indica un proceso
libre de inhibición. Los valores de inhibición establecidos para la gallinaza de Jaula
como único sustrato, mezcla gallinaza-glicerol sintético y mezcla gallinaza-glicerol
residual fueron 0.45, 0.59 y 0.62, respectivamente. Estos valores permiten
evidenciar que la adición de glicerol a la gallinaza de jaula permitió incrementar el
potencial de biometanización a causa de una disminución en la liberación de iones
amonios durante el proceso.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Objetivo General
Mejorar la producción de metano a partir de Gallinaza de Jaula mediante
codigestión anaerobia, usando glicerol residual como cosustrato. Adicionalmente,
establecer los parámetros cinéticos para el modelamiento del PBM y la inhibición
por iones amonios.
Objetivos específicos
Determinar la producción especifica de metano a partir de gallinaza de Jaula
mediante ensayos de biodegradabilidad anaerobia.
Determinar la producción específica de metano mediante ensayos de
biodegradabilidad anaerobia para la mezcla gallinaza Jaula y glicerol.
Aplicar el modelo Anaerobic digestión model 1(ADM1) para describir la inhibición
por amonio.
Tabla de Indicadores de logros específicos
Objetivo Específico Tipo de resultado Resultado Indicador de logro Responsable %Cumplimiento
Determinar la producción
especifica de metano a partir de gallinaza de Jaula mediante
ensayos de biodegradabilidad
anaerobia
Generación de nuevo conocimiento o
desarrollo tecnológico
Caracterización fisicoquímica del
sustrato e inóculos
Selección de un consorcio microbiano
para la digestión anaerobia de la
gallinaza de jaula.
Radicación Artículo científico para la revista INGENIETOR de la Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena (ANEXO 1).
Presentación de resultados en un congreso nacional (XIII Seminario
Internacional del Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible) (ANEXO 2)
Memoria tesis trabajo de grado
José Daniel Marín
100
Selección de una relación inóculo sustrato para determinación del
potencial de Biometanización de la
gallinaza de Jaula
Radicación Artículo científico para publicar en una revista indexada (Revista Colombiana de Biotecnología) (ANEXO 3)
Determinar la producción
específica de metano mediante ensayos de
biodegradabilidad anaerobia para la mezcla gallinaza Jaula y glicerol.
Generación de nuevo conocimiento o
desarrollo tecnológico
Mejoramiento de la producción de metano a
partir de gallinaza de Jaula
Memorias trabajo de grado
José Daniel Marin
100
Aplicar el modelo Anaerobic digestión model 1(ADM1) para describir la inhibición
por amonio
Generación de nuevo conocimiento o
desarrollo tecnológico
Determinación de rangos de inhibición por iones amonios libres en
la digestión y codigestión anaerobia de la gallinaza de jaula
José Daniel Marin
100
CONCLUSIONES
La digestión anaerobia de la gallinaza de jaula a 39°C y utilizando una relación
inóculo /sustrato de 1, alcanzó una producción de metano del 0.37 m3 de biogás/
kg SV de sustrato adicionado; correspondiente a un 85% de la máxima producción
neta de metano.
La producción específica de metano a partir de gallinaza de Jaula se puede
mejorar en un 54% mediante codigestión anaerobia utilizando glicerol residual
como cosustrato.
Los parámetros cinéticos calculados mediante la ecuación de Gompertz e
inhibición por iones amonios descriptas en el ADM1 confinan que la adición de
glicerol residual mejora el proceso de digestión anaerobia de la gallinaza de Jaula.
RECOMENDACIONES
Evaluar la digestión anaerobia de la Gallinaza de Jaula en operación continua, con
agitación y a temperatura ambiente; como alternativa tecnológica de menor costo
de operación.
Evaluar la codigestión de Gallinaza de Jaula glicerol en operación continua, con
agitación, temperatura ambiente; como alternativa industrial para la estabilización
de la gallinaza de jaula.
Implementar los parámetros cinéticos calculados por esta investigación en un
modelo de procesos anaerobios.
Bibliografía
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ANEXO 1. ARTICULO PARA REVISTA INGENIATOR.
MEJORAMIENTO DEL ARRANQUE DEL PROCESO DE
DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LA GALLINAZA DE JAULA
J. M-Batista1, L. Castro1*, H. Escalante2*
Programa de Ingeniería química. Grupo de investigación en ciencias de la ingeniería, Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia 1.
Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia2.
RESUMEN
La Gallinaza de Jaula (GJ) se considera como el subproducto más representativo
del sector avícola en cuanto a cantidad. Este hecho representa un problema para
el sector que actualmente realiza esfuerzos por buscar alternativas de disposición
para la GJ. La digestión anaerobia (DA) es una tecnología poco utilizada en el
sector avícola, capaz de estabilizar la biomasa residual y obtener un subproducto
de valor agregado energético denominado biogás. La DA de la GJ requiere de un
consorcio microbiano capaz de adaptarse rápidamente ante los cambios en la
concentración de compuestos intermedios productos de la biodegradación del
sustrato. Por tanto, el propósito de este estudio fue evaluar la actividad hidrolítica
(AH) y actividad metanogénico especifica (AME) de tres inóculos con el fin de
seleccionar un consorcio microbiano adecuado para la DA de la GJ. El inóculo con
mayor AH y AME fue el Lodo Estiércol Bovino (LEB) con valores de 4.95 y 0.74 g
DQO/g SSV dias, respectivamente. La efectividad del LEB se evaluó mediante un
ensayo de biometanización durante 30 dias usando GJ como sustrato, el potencial
de biometanización alcanzado fue de 0.37 m3CH4/kg sólidos volátiles adicionados.
Palabras claves: Digestión anaerobia, actividad hidrolítica, actividad metanogénica
específica.
ANEXO 2. CARTA DE ACEPTACIÓN A CONGRESO DE BIOTECNOLOGÍA
ANEXO 3. ARTICULO PARA LA REVISTA COLOMBIANA DE
BIOTECNOLOGÍA.
Influencia de la relación inóculo/sustrato sobre el potencial de biometanización de la gallinaza de jaula Titulo corto: Potencial de biometanización de la gallinaza de jaula Título en ingles: "Influence of inoculum/substrate ratio on methane yield of chicken manure"
J.M. Batista1*, G. Portal 2, L. Castro1, H. Escalante2
1 Programa de ingeniería química. Grupo de Investigación en Ciencias de la Ingeniería. Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia. *Correspondencia: [email protected] 2 Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia.
Resumen
El propósito de este estudio fue evaluar la influencia de la relación Inóculo/sustrato (RIS) sobre el potencial de biometanización de la gallinaza de jaula usando como inóculo estiércol bovino estabilizado. Se llevaron a cabo ensayos de biodegradación anaerobia a temperatura mesofílica de 39°C. Los azucares reductores totales, Ácidos volátiles totales y el volumen acumulado de metano fueron medidos para las RIS evaluadas de 0.5, 1.0 y 1.5. El mayor potencial de biometanización (0.13 m3-CH4/kg-SV add) se alcanzó cuando la biodegradación anaerobia se llevó a cabo con una RIS de 1.5. Los resultados obtenidos demuestran que la gallinaza es un sustrato potencial para ser degradado por digestión anaerobia y el rendimiento del proceso es directamente proporcional a la relación inóculo-sustrato. Por otra parte, para aplicaciones a gran escala, utilizando como sustrato la gallinaza de jaula, se recomienda el proceso de co digestión anaerobia.
Palabras claves: Digestión Anaerobia, gallinaza de jaula, potencial de biometanización, relación inoculo/sustrato.
ANEXO 3. ARTICULO PARA LA REVISTA BIOSOURCE TECNOLOGY
Mejoramiento y modelización cinética del potencial de biometanización de la gallinaza de jaula a partir de codigestión anaerobia con glicerol residual
Resumen
La digestión anaerobia es una tecnología capaz de estabilizar la biomasa residual y obtener un producto de valor energético agregado denominado biogás. Durante los proceso de explotación avícola se genera gallinaza como la principal biomasa residual del sector. La producción de biogás a partir de gallinaza de jaula es afectada por la liberación en exceso de iones amonios. En este estudio la producción de biogás a partir de gallinaza de Jaula fue mejorada por codigestión anaerobia con glicerol residual. El potencial de biometanización de la gallinaza de jaula se incremento desde 0.37 a 0.57 m3 CH4/kg SV adicionados por suplemento de glicerol residual en una proporción en pesos 95:5 gallinaza de jaula y glicerol residual. La adición de glicerol residual también permitió reducir la concentración de amonio al final de la experimentación lo cual se evidenció en los parámetros cinéticos calculados a través de la ecuación de Gompertz e inhibición por amonio descrita en el ADM1.
J.M., Batista1*, G. Portal2, L. Castro1, H. Escalante2
1 Programa de ingeniería química. Grupo de Investigación en Ciencias de la Ingeniería. Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia. *Correspondencia: [email protected]. 2 Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia.