Comprendiendo los procesos para la transformación de residuos animales en biogás (1ª PARTE)

El proceso de producción de metano a partir del estiércol es bastante directo. El estiércol sellado en un depósito hermético a una temperatura favorable y se descompondrá en biogás: una mezcla de Metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂) y trazas de otros gases. Detrás de la aparente simplicidad, sin embargo, aparecen interacciones complicadas que implican varias comunidades de microorganismos.

El proceso de bioconversión

La digestión anaeróbica es un proceso multi-etapa, que implica cuatro pasos, dependiendo de donde deseemos colocar las líneas del proceso.

• Hidrólisis: Es la fase de la digestión anaeróbica donde moléculas orgánicas complejas se descomponen en moléculas orgánicas más simples.
• Acidogénesis: En este proceso moléculas orgánicas simples se convierten en ácidos grasos.
• Acetogénisis: Proceso en el que los ácidos grasos se convierten en acetato. Este proceso, junto con la acidogénesis, representa la transición de moléculas orgánicas simples a los sustratos metanogénicos.
• Metanogénesis: Es el proceso por el cual las moléculas que se han convertido en una fuente alimenticia (o sustrato) para los microorganismos metanogénicos se convierten en metano por aquellos organismos.

Más de 100 millones de microbios anaeróbicos se conoce contribuyen a la producción del biogás. Estos microbios se organizan en numerosas comunidades interconectadas. Las comunidades de bacterias hidrolíticas descomponen la materia orgánica en compuestos más simples. Las bacterias formando ácidos convierten los compuestos simples en ácidos volátiles – principalmente ácido acético. Hidrólisis y acidogénesis comúnmente se agrupan y se llama fermentación anaeróbica. Algunos microbiólogos también distinguen entre formación de ácidos grasos volátiles (acidosis) y reducción a ácido acético (acetogénesis).

El metano forma Archaeans (organismos celulares muy simples similares a las bacterias), llamados metanogens, toman los productos finales de fermentación – ácidos grasos volátiles, gas hidrógeno (H₂), CO₂, y agua (H₂O) – y los usan para formar metano. Los metanógenos caen en dos campos principales dependiendo de la trayectoria usada para formar metano. Todos los metanógenos pueden reducir CO₂ y H₂ en CH₄ y H₂O; y los que usan esta trayectoria se denominan metanógenos hidrotróficos. Los metanógenos que convierten ácidos grasos volátiles (y numerosos compuestos orgánicos) a CH₄ y CO₂ se llaman metanógenos acetotróficos.

Limitaciones en procesos biológicos

La digestión anaeróbica es un proceso vivo, y como todas las comunidades biológicas, los microorganismos pueden llevar a cabo fermentación anaeróbica y metanogénesis bajo ciertas condiciones de operación.

Fases de crecimiento de la comunidad biológica

Dado un amplio suministro alimenticio, suficiente espacio para expansionarse, la ausencia de organismos predadores o competidores, todas las comunidades de organismos crecen siguiendo un modelo similar. El proceso se produce en varias fases:

• Fase de crecimiento: El alimento no es un factor limitante, y la población se expande rápidamente. Es una fase de crecimiento exponencial porque el modelo sigue una curva exponencial.
• Fase de declinación: El organismo llega al límite del suministro de alimento.
• Fase estacionaria: La comunidad ha llegado al límite del suministro de alimentos. La reproducción no necesariamente para durante las fases de declinación y estacionaria, sino que la tasa de muerte se aproxima a la tasa de reproducción.
• Muerte o crecimiento endógeno: En esta fase una vez se ha limitado el suministro de alimentos no se produce crecimiento en los organismos. La tasa de muerte excede la tasa de nacimientos.

Tiempo de reproducción

La mayoría de los digestores anaeróbicos están diseñados para que las comunidades microbianas queden en crecimiento exponencial. Un concepto importante a comprender es el tiempo de reproducción de un organismo. Es el tiempo necesario para que una población doble su tamaño durante el crecimiento exponencial.

Tiempo de retención hidráulica

La digestión anaeróbica generalmente tiene lugar en un líquido, un reactor de flujo continuo. Si el volumen del reactor no cambia, entonces el flujo saliendo del reactor iguala al flujo en el reactor, y el tiempo promedio que el líquido queda en el reactor es su volumen dividido por el caudal. Esto se denomina tiempo de retención en el reactor (HRT).

Si el reactor está completamente mezclado, es decir, los microorganismos están completamente suspendidos en el reactor, entonces el tiempo que las células quedan en el reactor es igual a HRT. Si el HRT de un reactor completamente mezclado iguala el tiempo de reproducción de los organismos viviendo en el reactor, se forma una nueva célula para reemplazar cada célula dejando el reactor, y la población dentro del reactor queda estable. Si la HRT es más corta que el tiempo de reproducción,  una nueva célula no estará ahí para reemplazar la que deja, y la población declinará.

Tiempo de retención de sólidos

Reduciendo HRT decrece el tamaño del reactor, y los reactores más pequeños reducirán los costes; por lo tanto, muchos sistemas de digestión se diseñan de forma que los microorganismos queden en el reactor más tiempo que su HRT. Por ejemplo, podemos poner una pantalla a la salida del reactor de forma que algunos microorganismos queden atrapados en el interior. Podemos calcular el tiempo de retención de la célula dividiendo la masa de microorganismos atrapado en el reactor por la masa de organismos dejando el reactor. La población microbial se mantiene estable configurando el tiempo de retención de la célula igual al tiempo de reproducción.

Es más fácil medir la masa total de partículas sólidas suspendidas en líquido antes que la masa de células viables; por lo tanto, el tiempo de retención de la célula es aproximado por el tiempo de retención de sólidos (SRT), o la masa de sólidos en el reactor dividido por la masa de sólidos dejando.

Suministro constante de alimento

Los microorganismos necesitan alimentos para reproducirse y crecer. Los metanógenos tienen la rara habilidad de quedar durmientes durante los periodos de escasez de comida. Esto es bueno porque pueden fácilmente reactivar un digestor anaeróbico después de largos periodos de inactividad. Por otra parte, un repentino incremento en alimento puede causar un incremento repentino en la producción de gas, que lleva a la formación de espumas y escoria en el digestor.

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