Resumen sobre “Manual de Biogás”

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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

División de Ingeniería Química Y Bioquímica 

Resumen sobre “Manual de Biogás”

Alumno: Duran Tinoco Miguel

Actividades Complementarias 3

Grupo: 3501

Profesor: Dr. Sergio Esteban Vigueras Carmona

Fecha de entrega: 18 de Junio de 2020

                                                                                    Semestre 2020-1

CAPITULO 1. PROCESOS DE BIODIGESTIÓN

El correcto manejo de los residuos orgánicos se logra a través de diferentes tratamientos que implican un reciclaje de estas materias orgánicas, transformándolas en productos con valor agregado, así como también, la necesidad de vías de descontaminación y eliminación de residuos. Con esto la población microbiana juega un importante papel en las transformaciones de estos residuos orgánicos que permite establecer bioprocesos en función de la presencia o ausencia de oxígeno, con el objeto de tratar adecuadamente diversos residuos orgánicos.

La digestión aeróbica es un proceso mediante el cual los lodos son sometidos a una aireación prolongada en un tanque separado y descubierto, que consiste en procesos realizados por diversos grupos de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos que involucra la oxidación directa de la materia orgánica biodegradable, transformándola en productos finales inocuos y materia celular.

La digestión aeróbica presenta diversas ventajas dentro de las cuales destacan la facilidad de operación del sistema, bajo capital de inversión, la simplificación en las operaciones de disposición de los lodos comparada con la digestión anaeróbica no genera olores molestos, reduce la cantidad de coliformes fecales y, por lo tanto, de organismos patógenos, produce un sobrenadante clarificado con una baja DBO5, con pocos sólidos y poco fósforo.

El proceso presenta también sus desventajas, entre las que se suele mencionar los altos costos de operación causados por los altos consumos de energía, la falta de parámetros y criterios claros para el diseño y la dificultad que presentan los lodos digeridos aeróbicamente para ser separados mediante centrifugación y filtración al vacío.

La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato de residuos animales y vegetales que son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano de otros elementos. Proporcionando más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aeróbico, el biogás generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento de este. El proceso anaeróbico se clasifica como fermentación o respiración anaeróbicas dependiendo del tipo de aceptores de electrones.

En una fermentación anaeróbica, la materia orgánica es catabolizada en ausencia de un aceptor de electrones externo mediante microorganismos anaeróbicos estrictos a través de reacciones de oxidación-reducción bajo condiciones de oscuridad. El producto generado durante el proceso acepta los electrones liberados durante la descomposición de la materia orgánica, en la fermentación, el sustrato es parcialmente oxidado y, por lo tanto, sólo una pequeña cantidad de la energía contenida en el sustrato se conserva.

La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxido-reducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno, y más raramente una molécula orgánica. La realizan algunos grupos de bacterias y para ello utilizan una cadena transportadora de electrones análoga a la de las mitocondrias en la respiración aeróbica, en que los aceptores de electrones pueden ser CO2, SO4 o NO3. Por lo que la energía liberada es mucho mayor a la que se produce durante la fermentación anaeróbica. Figura (1.2).  

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Los principales productos del proceso de digestión anaerobia, en sistemas de alta carga orgánica y en mezcla completa, son el biogás y un bioabono que consiste en un efluente estabilizado.

El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de carbono, pero también contiene diversas impurezas, cuando el biogás tiene un contenido de metano superior al 45% es inflamable. Las características del bioabono, dependen en gran medida del tipo de tecnología y de las materias primas utilizadas para la digestión, cuando este producto se ha mineralizado, normalmente aumenta el contenido de nitrógeno amoniacal y disminuye el nitrógeno orgánico. Tabla (1.1).

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CAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE LA FERMENTACIÓN METANOGÉNICA

La digestión anaeróbica es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. Por lo que se dividen el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases o etapas:

1. Hidrólisis
2. Etapa fermentativa o acidogénica
3. Etapa acetogénica
4. Etapa metanogénica

La hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, carbohidratos y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidogénicos o fermentativos[pic 4] que puedan atravesar la pared celular por lo que la hidrólisis es la que proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaeróbica. Además, depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición bioquímica del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del nivel de pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los productos de la hidrólisis, para la adsorción de las enzimas hidrolíticas.

Etapa fermentativa o acidogénica

Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico, H2) y compuestos orgánicos (propiónico, butírico, valérico, láctico y etanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas

La importancia de este grupo de bacterias es que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan posteriormente, además eliminan cualquier presencia del oxígeno disuelto del sistema.

Algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente por los organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, como acetato (CH3COO-) e hidrógeno (H2), a través de las bacterias acetogénicas.

Etapa metanogenica

Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización. Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica mediante la formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetato, H2 /CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaeróbicos se forma a partir de la descarboxilación de ácido acético, el metano restante proviene de los sustratos ácido carbónico, ácido fórmico y metanol. El más importante es el carbónico, el cual es reducido por el hidrógeno.

Microorganismos involucrados en cada fase de digestión anaeróbica

Las especies de microorganismos involucrados en el proceso varían dependiendo de los materiales que serán degradados. Los alcoholes, ácidos grasos, y los enlaces aromáticos pueden ser degradados por la respiración anaeróbica de los microorganismos, también compiten por el nitrato como aceptor de electrones, por lo que el nitrato se reduce rápidamente a amonio y el nitrato como reductor juega un papel secundario en los procesos de fermentación

En la primera y segunda fase de la degradación, participan bacterias de al menos 128 órdenes de 58 especies y 18 géneros. Las especies que se presentan principalmente son Clostridium, Ruminococcus, Eubacterium y Bacteroide. En la tercera y cuarta fase de la degradación, se encuentran principalmente bacterias metanogénicas. En la actualidad, se han identificado 81 especies, de 23 géneros, 10 familias y 4 órdenes.

Las especies metanotróficas (especies que consumen metano) se encuentran presentes en todas partes, pero no son deseables en una planta de producción de biogás ya que utilizan el oxígeno para degradar el metano y obtener su energía en el que degradan aproximadamente el 17% de todo el metano en la atmósfera.

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