Avances en la digestion anaerobica

Avances en el uso de la digestión anaeróbica para la generación de biogás.

La digestión anaeróbica es una serie de procesos biológicos que, en ausencia de oxígeno, usan diversas bacterias para descomponer materia orgánica en biogás y una combinación residuos sólidos líquidos [1]. La materia orgánica que se utiliza como entrada al sistema digestor suele ser agua residual, desechos de comida, aceites, grasas, estiércol y desechos industriales.

Los componentes orgánicos pueden ser carbohidratos, proteínas o grasas. En el proceso de digestión de 4 etapas, estos elementos se van degradando en moléculas más simples hasta llegar al producto final, el biogás.

El biogás generado esta compuesto por metano, entre 60 y 70% típicamente, y dióxido de carbono, entre 30-40%, así como pequeñas cantidades de ácido sulfhídrico [1].  El biogás resultante es quemado para generar calor en procesos de generación eléctrica, aunque debe de ser tratado en un proceso posterior, ya que contiene impurezas que pueden dañar los calentadores o motores [2]. Cabe mencionar que también existe un pre tratamiento, antes de la digestión, donde se le puede añadir agua a la materia orgánica, mezclarla, separar compuestos indeseables, entre otros procedimientos que le permitan una mejor calidad de digestión, mayor eficiencia y prevención de fallas que puedan detener el proceso digestor [2].

El entendimiento de los diferentes procesos y subprocesos relacionados a la digestión anaeróbica, así como el entendimiento de la digestión misma y las variables involucradas, ha sido la clave para su evolución y desarrollo de nuevas tecnologías que permiten una mayor eficiencia de conversión y aprovechamiento de las entradas y salidas del sistema. Los parámetros más influyentes en la operación y eficiencia del biodigestor, y que han sido punto de partida para las investigaciones más recientes sobre mejoras a los sistemas de digestión anaeróbica, son [2]: la cantidad de materia sólida, que varía en función del tipo de sistema; la temperatura, la cual tiene un valor óptimo dependiendo de la materia prima y el tipo de digestor, pero que se debe de mantener constante; el tiempo de retención, que determina cuánto tarda en degradarse completamente la materia orgánica; el pH, con valores óptimos tanto para la acidogénesis, como para la metanogénesis; radio C:N, que termina determinando el nivel de producción de gas; mezclado para mejorar el contacto de los microorganismos con el substrato, permitiendo a las bacterias una mayor facilidad para obtener nutrientes; tasa de carga orgánica, una medida de la capacidad biológica de conversión del sistema, si se alimenta al sistema por encima de su valor sustentable, se acumulan substancias inhibidoras en el digestor y bajará la producción de biogás.

Uno de los parámetros sobre los cuales más se está investigando en la actualidad es la co-digestión de biomasa para la producción de biogás. La co-digestión es el la digestión simultánea la mezcla de dos o más sustratos  y se ha demostrado que su uso puede mejorar el rendimiento del biogás debido a sinergismos que ocurren en el biodigestor [4].

Una de las correlaciones que ocurren con el uso de sustratos mixtos es el balance carbón – nitrógeno. Tener un solo sustrato dentro del biodigestor podría afectar a alguna de las etapas de degradado; por ejemplo, la digestión de estiércol resulta en una gran concentración de amonio, que afecta el mecanismo de glicólisis severamente. Al agregar cultivos o residuos vegetales a la mezcla, se equilibra el radio C/N y se disminuye el riesgo de inhibición por amonio [4]. En otro estudio con biodigestores de algas, se encontró que al mezclar una cantidad balanceadora de papel de desecho con el alga, la producción de metano se duplicaba en comparación con la digestión de la alga sola [5].

Otro aspecto de la co-digestión que  mejora el rendimiento del gas es la cantidad justa de nutrientes; se necesitan cantidades precisas de níquel, cobalto, molibdeno y hierro para una producción óptima de metano [6]. Se suelen mezclar los sustratos para aportar dichos metales o se agregan separadamente para la optimización del proceso.

Entonces, los avances relacionados a la co-digestión presentados se centran en crear las condiciones químico biológicas óptimas dentro del biodigestor para que se lleve a cabo el proceso natural de conversión de materia orgánica en un gas metano de la mayor eficiencia posible. Algunos estudios de co-digestión están orientados para: desperdicio de comida, residuos de agua municipales, residuos de restaurantes, y los inóculos efectivos para cada caso [6].

En general, otro factor que se quiere optimizar en la tecnología de biodigestión para la generación de biogás, es el rendimiento de metano por hectárea [7]. Esto aplica principalmente para el enfoque de digestión de cultivos energéticos, donde se busca optimizar el proceso de cultivo y digestión por medio de un enfoque sustentable, haciendo uso de técnicas como la rotación de cultivos y la utilización en cascada para las diferentes partes de la cosecha para diversos usos. Otra parte importante del uso de cultivos energéticos es que, después de la digestión, se hace utilizan los productos derivados como abono para las cosechas siguientes, aunque estos puede ser aplicado con los productos de desecho de la digestión de cualquier materia orgánica.

Para optimizar aún más la producción de biogás, se utilizan modelos matemáticos para estimar el rendimiento del metano. Actualmente se desarrolla un modelo de regresión para predecir dicha capacidad del biogás a partir de la composición nutrimental de diferentes cultivos. Con este modelo se podrán estimar parámetros como el requerimiento nutrimental de microorganismos para sustratos específicos así como el rendimiento del biogás producido [7].

Dependiendo del tipo de sustrato, existen diversos tratamientos que recibe la materia orgánica antes de entrar al digestor para mejorar el proceso [8]. Pueden ser mecánicos, químicos, térmicos, biológicos o la combinación de dos o más.

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