DIGESTIN DE BIOMASA PARA LA PRODUCCIN DE BIOGSLa obtencin de biogs por medio de la digestin anaerobia representa un tratamiento alternativo a aquellos ms convencionales, con un enorme potencial no slo para evitar daos ecolgicos, sino para adems obtener energa de forma eficiente. El uso de tcnicas de digestin anaerbica, adems de reducir emisiones de metano, conlleva la disminucin de las emisiones de amoniaco y otros gases de efecto invernadero, as como de compuestos orgnicos voltiles no metnicos y de compuestos que causan malos olores. Por todos estos motivos, el biogs debe de ser considerado un recurso e incentivado por un apoyo econmico adecuado. La legislacin espaola en materia de energa renovable prev una retribucin a la energa elctrica producida del biogs que, si bien todava lejana de las tarifas de otros pases europeos como Alemania o Italia, permite la construccin y operacin de plantas de biogs con buenas rentabilidades. (digestores: articulo) Durante la bioconversin de materiales orgnicos a metano, las distintas etapas tienen distinta velocidad. La degradacin de la celulosa ocurre en semanas, la de las hemicelulosas y protenas en das y la de las molculas pequeas, como azcares, cidos grasos y alcoholes, en horas, pero la lignina no es degradada en la mayora de los sistemas de digestin anaerbica (2). El proceso de digestin anaerbica difiere de otros tipos de fermentacin en que no es necesario utilizar cultivos puros de microorganismos. Las diversas bacterias capaces de descomponer las sustancias orgnicas y de producir biogs estn ampliamente distribuidas en la naturaleza y se encuentran, por ejemplo, en los excrementos animales y humanos. En condiciones adecuadas, estas bacterias pueden activarse y mantenerse indefinidamente con un manejo apropiado (4).

MATERIA PRIMALos materiales que se pueden usar son muy diversos (7). residuos de cosechas: maloja de caa, malezas, paja, rastrojo de maz y otros cultivos, forraje deteriorado. restos de origen animal: residuos de establos (estircol, orina, paja de camas), camas de ponedoras, boigas de cabras y ovejas, desperdicios de matadero (sangre, visceras), 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, limos de la prensa en ingenios, residuos de t, polvo de as desmotadoras e industria textil; mantillo forestal: ramitas, hojas, cortezas, ramas; restos de plantas acuticas: algas marinas, camalotes.

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Digestibilidad de diversos vegetales expresada como el % de slidos voltiles desaparecidos luego de una incubacin de 48 hs con lquido ruminal diluido en buffer fosfato-bicarbonato a 39C y otras 48 hs con pepsina-HCl a igual temperatura para hidrolizar parcialmente las protenas de los microorganismos y del sustrato (2).

Una relacin de carbono/nitrgeno de alrededor de 16/1 se considera ptima para una buena produccin de gas y para una fermentacin estable de los excrementos animales (4), aunque puede obtenerse biogs a valores mayores de C no debe superar la relacin 30/1.

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Relacin C/N de varios materiales residuales y en el que est a continuacin se indican algunas caractersticas de las deyecciones animales (7).

Variacin de los distintos parmetros en funcin del tiempo para un digestor decarga nica o batch y otro de carga contnua (derecha) (10).

CARACTERSTICAS DEL BIOGASEl contenido en metano puede ser reducido debido a la disminucin de la actividad de las bacterias metanognicas como resultado de la acumulacin de cidos por variaciones en la composicin de la carga o la temperatura, o debido al envenenamiento por contaminantes tales como biocidas, fenoles o metales pesados. Tambin se reduce la eficiencia por la disminucin de la demanda qumica de oxigeno (DQO) de los residuos tratados (1). La estabilidad del pH es fundamental y puede ser controlada por adicin de lcali as como por el control de la composicin y la velocidad de la alimentacin. El cuadro siguiente resume la composicin promedio del biogas segn la fuente. El valor calorfico vara entre 17-34 MJ/m^ segn el contenido de metano.

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Los volmenes de gas producido se suelen expresar como m3 biogas/m3 digestor o como m3 biogas/kg DQO y difieren segn el tipo de residuo, la concentracin de slidos voltiles (SV), la relacin de carga, el tiempo de retencin y el diseo del digestor. En general la produccin oscila entre 1-5 m3 biogas/m3 digestor, o dicho de otra manera entre 0,3-0,5 m3 /kg SV (1). La condensacin es con frecuencia un problema debido a que el digestor est generalmente ms tibio que las caeras por donde pasa. El agua tambin puede ser arrastrada como un aerosol en los sistemas agitados. En los pequeos sistemas es esencial una trampa de agua y puntos de drenaje de la misma. En los grandes sistemas puede ser necesario el enfriamiento para quitar el agua (7). El hidrgeno que suele hallarse en algunos rellenos sanitarios jvenes, es un intermediario en el metabolismo anaerbico. Tambin algunas bacterias anaerbicas pueden producir trazas de CO. La presencia de nitrgeno y/u oxigeno puede indicar una entrada accidental de aire y esto constituye un grave peligro debido al riesgo de explosiones. En los rellenos el oxgeno del aire atrapado es consumido por los microorganismos facultativos dejando el nitrgeno residual (1).

FACTORES AMBIENTALESEntre los factores ambientales de importancia vital para el funcionamiento de los digestores figuran: la temperatura la concentracin de slidos la concentracin de cidos voltiles la formacin de espuma la concentracin de nutrientes esenciales las substancias txicas y el pH (4).

Las metanobacterias slo podrn desarrollarse cuando est tan avanzada la fermentacin de los substratos primarios como almidn, celulosos o pptidos por accin de las bacterias anaerobias facultativas, que se haya consumido todo el oxgeno disuelto, de manera que el potencial redox se site en un valor suficientemente bajo, menor que -200 mV. Adems, el pH no debe disminuir demasiado debido a los cidos como el actico o el butrico producidos por los Clostridium, para no inhibir el crecimiento de los metangenos sensibles (8). Comnmente la concentracin de cidos grasos voltiles no supera los 2 - 3 g/L, expresados como cido actico. Si se sobrepasa este nivel, la formacin de metano puede disminuir mientras que contina la produccin cida y, la digestin cesar en dos o tres das debido a que los metangenos no pueden utilizar los cidos a la misma velocidad con que se producen (4). 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 (7).

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Una vez que se ha estabilizado un digestor el lodo est bien amortiguado, es decir la concentracin de protones no vara aun cuando se aaden cantidades relativamente grandes de cido o lcali. Si esta capacidad de amortiguacin se destruye y el pH disminuye, el digestor se "agria" o sea emite olores cidos desagradables y cesa la metanognesis (4). 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 de otros materiales en la fase liquida y las condiciones que favorecen su produccin a su vez aumentan el porcentaje de metano en la fase gaseosa (7)

Efecto de la temperatura sobre la produccin de biogas, expresada como volumen en funcin de los slidos voltiles totales segn el tiempor de retencin (TRH).

La gama de temperatura para la digestin anaerbica vara entre 10 y 60C. Sin embargo las dos zonas ptimas son la mesfila (30-40C) y la termfila (45-60C). Casi todos los digestores funcionan dentro de los lmites de temperaturas mesoflicas y la digestin ptima se obtiene a unos 35C. La velocidad de digestin a temperaturas superiores a 45C es mayor que a temperaturas ms bajas. Sin embargo, dentro de esta gama de temperaturas, las bacterias son sumamente sensibles a los cambios ambientales y el mantenimiento de estas temperaturas elevadas resulta costoso y a veces difcil (4). Las causas principales de una excesiva produccin de cidos voltiles son la elevada velocidad de carga, una baja temperatura y la formacin de espuma. sta constituye una zona que favorece a los acetgenos. La sedimentacin de los materiales fibrosos y la espuma se puede evitar mezclando el contenido del digestor, lo que tambin contribuye al proceso ya que establece condiciones uniformes (7). 5

Las concentraciones de nitrgeno amoniacal deben ser inferiores a 1,5 g/L. Si bien es un amortiguador, su aumento puede llegar a impedir el proceso. Tambin resultan txicas las sales de zinc, nique1 y cobre, aunque este ltimo puede ser necesario en nfimas cantidades. Las sales de los elementos alcalinos y alcalino-trreos pueden se estimulantes o inhibitorias segn la concentracin (7). Para una digestin ptima, todos los elementos esenciales en el metabolismo microbiano tienen que estar presentes en forma fcil de asimilar por las bacterias.

ESQUEMA

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La biomasa con alto grado de humedad puede transformarse por degradacin biolgica, mediante procesos anaerbicos, en metano o etanol, consiguindose aumentar el valor energtico de la biomasa de 16 kJ/g a 30 kJ/g en el caso de etanol y a 56 kJ/g en el de metano. Las tcnicas ms desarrolladas son, por un lado, la digestin anaerbica de biomasa con alto contenido en celulosa (basura, plantas acuticas y residuos agrcolas, ganaderos e industriales) para la generacin de metano, y por otro, la fermentacin de materiales azucarados o amilceos para la produccin de etanol. En contraste con la digestin anaerbica que emplea materias primas de escaso valor, la fermentacin alcohlica utiliza como susbtratos productos de alto valor econmico. En la fermentacin alcohlica intervienen levaduras que convierten directamente las hexosas (glucosa, etc.) en etanol. El rendimiento terico en peso, con glucosa como substrato, es superior al 50%, recuperndose proximadamente el 93% de la energa contenida en el substrato. En la prctica, el rendimiento puede estar entre el 85 y 90% del valor terico (1).

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En la digestin anaerbica participan sucesivamente tres categoras de bacterias cuyas funciones son: 1) hidrlisis de polmeros (celulosa, lpidos, protenas) 2) produccin de cidos voltiles (principalmente actico), CO2 e H2 3) generacin de metano El rendimiento en peso es slo del 27%, aunque el rendimiento energtico es superior al 93%. Sin embargo, la naturaleza compleja de la materia procesada en los digestores y la baja eficiencia de conversin se traducen, por lo comn, en rendimientos energticos brutos del 20 al 50% (1). La digestin anaerbica es un proceso biolgico que en ausencia de oxgeno transforma la sustancia orgnica en biogs, una mezcla constituida principalmente por metano y dixido de carbono. Por medio de este proceso y partiendo de la materia orgnica, se consigue energa renovable en forma de gas combustible con un elevado poder calorfico. En este proceso de transformacin actan distintos grupos de microorganismos: la interaccin de varias cepas bacterianas obliga a un compromiso entre las distintas exigencias de crecimiento y desarrollo, por lo tanto el ambiente de reaccin, ubicado en un fermentador anaerbico, debe de tener un pH alrededor de 7-7,5 y una temperatura de 35 C si se opera con bacterias mesfilas y de 55 C si se usan bacterias termfilas. Los digestores diseados y construidos por la empresa alemana LIPP, por medio de un sistema de montaje patentado, permiten reducir al mximo los tiempos necesarios a la fermentacin gracias a su mayor desarrollo vertical, su sistema integrado de mezcla y almacenamiento del biogs, y de un sistema de calefaccin exterior. La transformacin del biogs en energa aprovechable se lleva a cabo con elevada eficiencia por medio de centrales de cogeneracin para la produccin combinada de energa elctrica para el autoconsumo de la explotacin agrcola o la exportacin a la red elctrica pblica, y de energa trmica. Los mdulos de cogeneracin Ecomax BIO, diseados y construidos por Gruppo AB para la valorizacin del biogs de digestin anaerbica, representan una solucin llave en mano, compacta y de alta fiabilidad, equipados con sistemas de supervisin y control para la monitorizacin y para la operacin en modalidad remota. La tecnologa adoptada por Gruppo AB se traduce en elevados rendimientos de transformacin de la energa y una garanta de la mayor rentabilidad al proyecto. Como ya hemos comentado anteriormente los procesos de conversin bioqumica consisten en la transformacin de la biomasa por la accin de microorganismos o de enzimas, que son aadidas a los medios de reaccin como catalizadores. Los mtodos bioqumicos son ms adecuados a biomasas con un alto contenido de humedad, debido a que tanto los microorganismos como las enzimas slo pueden ejercer sus acciones en ambientes acuosos, entre los procesos de conversin bioqumica se encuentran: 1. Digestin anaerobia 2. Fermentacin alcohlica

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El proceso anaerobio es aquel en que se efecta la degradacin de la materia orgnica en ausencia de oxgeno molecular como aceptor de electrones. Tal es el caso, por ejemplo, de los procesos de produccin de alcohol, los procesos de desnitrificacin y de digestin anaerobia, estos dos ltimos empleados en el tratamiento de aguas residuales. Los procesos de digestin anaerobia ocurren normalmente en la naturaleza, siendo los nichos de estos procesos el fondo de los ros, los lagos y el mar, las cinagas y el tracto intestinal de, prcticamente, todos los animales. El proceso de digestin anaerobia se emplea en el tratamiento de residuales slidos o lquidos cuando la concentracin de materia orgnica es tan elevada que no resulta econmico el tratamiento aerobio. Esta situacin se presenta generalmente cuando la concentracin de la demanda qumica de oxgeno (DQO) es relativamente elevada. Sin embargo, en los ltimos aos se ha venido aplicando este proceso, con xitos, a aguas residuales con bajo contenido de materia orgnica. La ventaja principal de los procesos anaerobios con relacin a los aerobios se fundamenta en la transformacin de la materia orgnica a travs de una tecnologa de bajo consumo energtico, obtenindose, un balance comparativo de energa y de masa entre ambos procesos, los resultados se muestran en la tabla 2:

En los procesos anaerobios se consume mucho menos energa externa, fundamentalmente elctrica, que en los procesos aerobios, no necesitndose, adems, equipos mecnicos para el desarrollo de estos (por ejemplo compresores o agitadores mecnicos), adems, se obtiene energa, en forma de gas combustible, til para cualquier fin energtico. En los procesos anaerobios slo se generan del 10 al 30% de los lodos (biomasas) que se producen en los aerobios, lo que disminuye considerablemente los costos de disposicin final de estos; adems, los lodos anaerobios estn mucho ms estabilizados que los aerobios. En los procesos anaerobios no se producen aerosoles potencialmente peligrosos para el ambiente circundante de la planta de tratamiento. Por cada kilogramo de DQO eliminado por el metabolismo bacteriano, la va aerobia (lodo activado) requerir 1 Kwh de energa elctrica para el equipo de aeracin. Mientras la va 9

anaerobia producir el equivalente de 3 Kwh., como energa qumica acumulada en el CH4, la cual puede ser convertida en una mquina de combustin acoplada a un generador elctrico de eficiencia media (20%), lo que resulta en 0.6 Kwh. de energa elctrica/Kg. de DQO removida. La aplicacin de un proceso anaerobio previo a un sistema aerobio puede mejorar la sedimentabilidad del lodo contribuyendo a mantener valores constantes del ndice volumtrico de lodo y un control mayor del fenmeno de abultamiento en el sistema aerobio.

APLICACIONES DE LA DIGESTIN ANAEROBIALa digestin anaerobia es considerada como una de las fuentes de energa ms econmicas y de fcil adquisicin para pequeas comunidades. El biogs obtenido puede ser utilizado para mltiples aplicaciones: coccin de alimentos, iluminacin, refrigeracin, calefaccin ambiental para uso residencial y comercial, calor til para procesos industriales, echar andar bombas de agua y otras maquinarias agrcolas, motores de combustin interna para energa motriz y generacin de electricidad tal como lo muestra en la figura :

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