Proyecto realizado por:Fundación UTA

Universidad EARTHUniversidad Industrial de Santander - UIS

CIMNE - Ecuador

En alianza con:RedBioLAC

Con la participación de:RedBioCol

Protocolos de campo y laboratorio para el control

y seguimiento de parámetros de los biodigestores

Guia N°2

Avances en biodigestión semiseca en biodigestores plásticosde flujo continuo alimentados con residuos domiciliarios y

estiercol animal (bovino y cerdo) y uso de hidrolavadoras con motores alimentados con biogás en sistemas agropecuarios

sostenibles a pequeña y mediana escala

Gru

po

de

tra

bajo

Vers

ión 0

.8 d

e N

ovi

em

bre

1 d

e 2

017

INTRODUCCIÓN

Este manual resume la experiencia del monitoreo, evaluación y control de calidad en Digestión Anaerobia adquirida por los autores durante el año 2017, después de la instalación de cuatro biodigestores en Colombia y Costa Rica en el marco del proyecto “Biodigestion semiseca y uso de hidrolavadoras con motores alimentados con biogás como herramienta para disminuir la huella hídrica y energética en sistemas agropecuarios sostenibles a pequeña y mediana escala”, el cual fue apoyado y financ iado por la Red Latinoamericana de Biodigestores – RedBioLAC.

¿ Qué es La Digestión Anaerobia?

L a d i g e s t i ó n

anaerobia se define como e l proceso biológico en el que la materia orgánica se metaboliza en un ambiente libre de o x í g e n o o precursores de este. Para realizar este proceso, deben ocurrir cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis donde finalmente se obtiene como producto un biogás rico en metano.

¿ Cuales son las etapas de la Digestión Anaerobia?

4

La transformación de las macromoléculas complejas, por ejemplo, proteínas, hidratos de carbono (polisacáridos), y los lípidos presentes en la materia orgánica, en productos tales como el metano y el dióxido de carbono se logra a través de cuatro etapas metabólicas mediadas por varios grupos de microorganismo. Estas macromoléculas son transformadas en compuestos simples y solubles, como aminoácidos, azúcares, ácidos grasos de cadena larga y glicerina, por acción de enzimas extracelulares excretadas por bacterias fermentativas (grupo 1). Este paso es comúnmente conocido como Hidrólisis o licuefacción. La etapa de hidrólisis puede ser un paso limitante en los procesos de tratamiento anaerobio.

5

Los productos solubles generados por las bacterias fermentativas en la etapa hidrolítica del proceso son convertidos en una mezcla de ácidos orgánicos, hidrógeno y dióxido de carbono. Esta etapa se conoce como Acidogénesis, que es la generación de ácidos grasos volátiles (AGV), como el ácido propiónico y butírico. Estos AGV junto con el etanol se convierten en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono por acción de otro grupo de bacterias, conocidas como bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno (grupo 2), durante la etapa de Acetogénesis.

ÁCIDO ALCALINO

6

El acetato, el H , y el CO generados en la etapa anterior, 2 2

son los sustratos primarios para la Metanogénesis. Esta variedad de intermediarios, hace que la metanogénesis, etapa final del proceso de digestión anaeróbica, se realice a través de tres vías principales: metanogénesis h i d r o g e n o f í l i c a , m e t a n o g é n e s i s acetoclástica, y la vía m e t i l o t r ó fi c a . E l d e s a r r o l l o d e l p r o c e s o d e producción de biogás por cualquiera de e s t a s t r e s v í a s , depende del sustrato que se encuentre en mayor concentración en el medio.

Los microorganismos anaerobios, especialmente los metanogénicos son altamente susceptibles a cambios en las condiciones ambientales. La alta vulnerabilidad de las bacterias metanogénicas y la tasa de crecimiento extremadamente baja de un sistema de tratamiento anaerobio, hacen que se requiera de un cuidadoso mantenimiento y vigilancia de las condiciones medioambientales. Algunas de estas condiciones ambientales son:

• Temperatura• Ph y alcalinidad• Presencia de sustancias inhibidoras ó tóxicas.• Agitación

¿ Factores ambientales que

afectan La Digestión Anaerobia?

BIOGAS

7

TemperaturaLos procesos anaeróbicos, son mucho más dependientes de la temperatura que otros sistemas biológicos. En un sistema anaeróbico, existen tres rangos de temperatura óptima para la metanogénesis: psicrófila, mesófila y termófila. Los tipos de conversión anaeróbica generalmente aumentan con la temperatura hasta los 60 ºC. La conversión anaeróbica tiene su máxima eficacia en 5 - 15 ºC para psicrófilos, 35 - 40 ºC mesófilos, y cerca de 55 ºC para termófilos.

La temperatura tiene un efecto significativo sobre la cinética de crecimiento, el rendimiento de biomasa y producto, por tanto, los procesos termófilos presentan mayores rendimientos que los procesos realizados a temperaturas psicrófilas y mesófilas. Además de los procesos de digestión anaerobia termófilos hay reducción del tiempo de estabilización en comparación con los procesos mesófilos debido al crecimiento más rápido de los microorganismos. Sin embargo, los procesos termófilos poseen desventajas como una mayor susceptibilidad a la concentración y tipo de sustrato y a los agentes tóxicos.

Por otra parte, la temperatura interna de operación del biodigestor es directamente relacionado de la tasa de fermentación anaeróbica de los materiales solidos orgánicos. La temperatura interna del biodigestor se incrementa en comparación de la temperatura ambiente, debido a la generación de calor después el proceso de la fermentación de la materia orgánica. Algunas investigaciones sugieren que los Biodigestores son capaces de estabilizar la variación de temperatura. La actividad disminuye cuando la temperatura se reduce, pero se recupera inmediatamente cuando la temperatura asciende a un valor óptimo.

8

Determinación de la temperatura en campo

Para la determinación de las temperatura internas y externas del biodigestor, basta con tener a mano un termómetro y registrar sus variaciones durante el tiempo de funcionamiento del reactor.

En nuestro caso para facilitar las actividades de registro se utilizaron termómetros digitales impermeables con registro interno de datos (HOBO Temperatura datalogger del marca Onset, modelo HOBO Pendant 64GB), adicionalmente estos equipos requieren de una conexión USB y el software HOBOware Pro para descargar los datos en una computadora. Los dataloggers fueron instalados de manera externa para tomar la temperatura ambiente teniendo en cuenta protegerlos de la exposición directa del sol y de manera interna para registrar la temperatura dentro del biodigestor teniendo en cuenta de asegurarlos muy bien al extremo de un alambre, para facilitar su extracción para la descarga de datos y para que el equipo no cayeral al fondo del reactor.

9

Monitoreo de temperatura

Para el monitoreo y registro de l a t e m p e r a t u r a e n e l biodigestor se implementaron 3 sensores en cada país.En cada biodigestor se instaló un sensor y uno se dejó afuera p a r a e l c o n t r o l d e l a temperatura ambiente.

Foto1. Sensor descargando datos al pc

Foto 2. Sensor en el interior del biodigestor

Foto 3. Sensor en el exterior del biodigestor.

A continuación se muestra en la tabla el promedio de la temperatura y en el g r a fi c o e l comportamiento de l a t e m p e r a t u r a i n t e r n a d e l o s biodigestores TXiua (biodigestor con r e s i d u o s

Tabla 1. Datos promedio de temperatura en Colombia

COLOMBIA T (ºC)

Tamb 20,97

Tamb min 16,28

Tamb max 31,11

Txiua (residuos domiciliarios) 23,19

Tguanenta (estiercol Bovino) 23,10

10

Y en la siguiente tabla y cuadro se muestran los resultados para Costa Rica.

Tabla 2. Datos promedio de Costa Rica

domiciliarios y TGuanentan (biodigestor con estiércol de bovino)

CR T (ºC)

Tamb 27,55

Tamb min 22,33

Tamb max 37,73

TFrankie (residuos domiciliarios) 31,27

TElvis (estiércol de cerdo)

Gra

fica 1

. Te

mpera

tura

inte

rna y

am

bie

nte

de lo

s bio

dig

est

ore

s en C

olo

mbia

11

Gra

fica 2

. Te

mpera

tura

inte

rna y

am

bie

nte

de lo

s bio

dig

est

ore

s en C

ost

a R

ica

12

El pH es un indicador de la intensidad de las características ácidas o básicas del agua. Se define como el logaritmo inverso de la concentración de los iones hidrógeno. Los resultados del tratamiento anaeróbico se ven afectados por leves cambios en el pH.

Los microorganismos metanógenos son más susceptibles a la variación del pH que otros microorganismos presentes en el consorcio microbiano. Los microorganismos anaerobios se pueden agrupar en dos grupos teniendo en cuenta el pH: los acidogénicos (pH entre 5,5 – 6,5) y los metanogénicos (pH entre 7,8 – 8,2). El pH óptimo para una combinación de estos microorganismos está en un rango 6,8 a 7,4; con un valor óptimo de 7 .

En este rango hay la mayor eficiencia en la digestión y fermentación anaeróbica de la materia orgánica. Fuera de estos rangos óptimos el pH puede inhibir la acción de las bacterias metanogenicas, aumentando la proporción de gas carbónico en e l b i o g á s y r e d u c i e n d o e l p r o p o r c i ó n d e metano. El proceso puede to le ra r un rango de 6.5-8.0, p e r o e n v a l o r e s inferiores de 6 que p u e d e n s e r o c a s i o n a d o s p o r e j e m p l o p o r l a

ÁCIDO ALCALINO

PH y Alcalinidad

13

alimentación de una carga grande de fruta muy acida como naranja o casara de pina o el uso de suero de queso, se acidifica la fase liquida contenida dentro del biodigestor y resultar en el colapso del proceso por el muerte de los bacterias metanogénicas, generando un biogás muy pobre en metano, y con menores cualidades energéticas.

La actividad Metanogénica en función del pH muestra una drástica disminución a valores de pH superiores de 8,0 e inferiores a 6,5. El aumento del pH podría ser explicado por el cambio de NH4+ a un compuesto más tóxico en forma de NH3. Por otra parte en el proceso de tratamiento anaerobio, la caída en el pH es a menudo causada por la acumulación de AGV y / o la generación excesiva de dióxido de carbono.

Sin embargo los sistemas de tratamiento anaerobio poseen la capacidad de amortiguar o mitigar los cambios de pH de manera eficiente, por la alcalinidad natural generada por el sistema, producto de la degradación de la materia orgánica (COHNS), principalmente de las proteínas. Cada mol de compuestos orgánicos de nitrógeno en teoría genera un equivalente de alcalinidad, entonces el N-amonio reacciona con el dióxido de carbono produciendo durante la reacción bioquímica bicarbonato de amonio, lo que contribuye a la alcalinidad. Cuando AGVs comienzan a acumularse en el reactor anaeróbico, y se neutralizan por la alcalinidad presente en el reactor, el pH se mantiene estable.La estabilidad de un sistema de tratamiento anaerobio también puede ser evaluada por la relación AGV/ALK (alcalinidad). Para el tratamiento anaerobio, esta relación

14

debe ser de 0,1 – 0,25; para que sea favorable para el sistema y no haya riesgo de acidificación. Un aumento de esta relación por encima de 0,3 – 0,4 indica fallas en el digestor y son necesarias medidas correctivas. Una relación de 0,8 o superior, significa reducción del pH, inhibición de la producción de metano y el fracaso del digestor . El pH deseado durante la operación del reactor puede lograrse ya sea controlando el efluente de alimentación o el pH en el reactor en sí.

Determinación del pH en campo

La determinación de los valores de pH en campo puede hacerse de diversas formas:

• Soluciones indicadoras: estas soluciones se adicionan a la muestra y varían reversiblemente de color en función del pH del medio en que están disueltas. No se recomienda su uso en muestras coloreadas o con alto contenido de sólidos.• Tiras reactivas: son tiras de papel que tienen impregnadas soluciones indicadoras y por tanto varían de color en función del pH de la muestra.• pH-metro: se uti l iza para realizar medidas e x a c t a s d e p H . E s t e equipodetermina los valores de pH usando el método potenciométrico.

En el caso de nuestro proyecto en Costa Rica el medición de pH se realizó usando un equipo marca E x t e c h ® E x S t i k ® I I pH/Conduct iv i ty Meter y en Colombia se ut i l izaron t i ras reactivas marca Merk ®.

15

16

La toxicidad de los procesos anaeróbicos, está mediada por el afluente de sustancias presentes en los residuos como, metales pesados, compuestos halogenados, cianuro, y el fenol, o subproductos de las actividades metabólicas de los microorganismos como el amoníaco, los sulfuros, y los Ácidos Grasos Volatiles (AGVs). En algunos casos, la tolerancia se manifiesta por la afinidad de los microorganismos a las sustancias tóxicas. Estas observaciones constituyen un avance importante para la viabilidad del tratamiento anaerobio en situaciones difíciles, en particular para el tratamiento de aguas y otros residuos industriales que contienen concentraciones significativas de compuestos tóxicos.

• Amonio: Muchos desechos agroindustriales, especialmente los que están relacionados con la crianza y procesamiento de ganado, generan altos niveles de amoniaco. El amoníaco puede estar presente en el residuo utilizado como sustrato para el reactor o puede ser producido durante la degradación anaerób ica de los compuestos orgán icos nitrogenados como las proteínas o aminoácidos. El tratamiento anaeróbico de estos residuos a menudo no tiene éxito, debido a altas concentraciones de este compuesto. Concentraciones de amónico entre 50 y 1000 mg/L no presentan reacciones adversas, pero concentraciones superiores a 1500 mg/L presentan inhibición de la metanogénesis por efecto tóxico. El nitrógeno libre del NH3 es la forma más tóxica del nitrógeno para los microorganismos metanogénicos, ya que el amoniaco o la molécula no ionizada del nitrógeno pueden penetrar a la célula a través de la

Sustancias Inhibidoras

membrana celular y en concentraciones muy bajas es capaz de causar la muerte celular. La toxicidad del amonio puede aumentar con la temperatura, los sistemas anaerobios termófilos son más susceptibles al amonio que los sistemas anaerobios mesófilos, esto ocurre porque en los sistemas mesófilos los microorganismos sufren un proceso de afinidad a concentraciones aumentadas de amonio. Por otra parte, el ión amonio (NH4 +) es menos toxico para la poblaciones microbianas del consorcio, ya que ayuda a mantener la neutralidad del reactor.

• Ácidos Grasos Volátiles: El nivel de los AGV es un indicador de la estabilidad de un sistema. Durante la degradación anaeróbica, la materia orgánica compleja hidrolizada genera compuestos de mas bajo peso molecular, incluyendo ácidos grasos de cadena corta (AGCC) (C-2-C-6). Esto incluye principalmente acético, propiónico y butírico y cantidades menores de isobutírico, isovalérico, y caproico. En un sistema anaeróbico eficiente, la concentración de AGVs en el efluente es relativamente baja. Sin embargo cuando la relación simbiótica entre microorganismos acidogénicos y metanogénicos se rompe, los AGVs se acumulan. La inhibición de los microorganismos metanogénicos debido a la toxicidad, a cambios en los factores ambientales, o a las condiciones de limitación de nutrientes provoca la acumulación de AGVs principalmente acetato, además de hidrógeno, ocasionando a su vez una disminución de los valores de pH. Pero este efecto negativo causado por la acumulación de AGVs se puede mitigar manteniendo el pH dentro del rango óptimo (6.8 - 7.4).

17

Determinación del AGVs y Alcalinidad en campo

Definición Los ácidos grasos volátiles -AGV- son ácidos orgánicos (acético, propiónico, butírico y láctico) producto de la fermentación de carbohidratos, lípidos y proteínas por bacterias acidogénicas durante la digestión anaerobia. La alcalinidad es una medida de la capacidad de una muestra de neutralizar ácidos. Los carbonatos y bicarbonatos son los compuestos que más contribuyen a la alcalinidad total -AT- y se forman por reacción del dióxido de carbono con la materia orgánica.

 Fundamento Cuando una muestra se lleva a pH 3.0 con HCL 0.1N, el bicarbonato presente es convertido en dióxido de carbono; los ácidos grasos volátiles -AGV- están presentes en forma no ionizada en la solución. Cuando la muestra se somete a calentamiento hasta el punto de ebullición con un sistema de condensación para remover el CO2 y posteriormente se titula con NaOH 0.1N hasta pH 6.5, los ácidos grasos volátiles son convertidos a su forma disociada. Los equivalentes de bicarbonato y ácidos grasos se pueden calcular a partir de los volúmenes de ácido y base utilizados en la titulación.

 Procedimiento1. Centrifugar entre 7 y 20 mL de muestra (el volumen de

muestra depende de los sólidos que ésta tenga) a 5000 rpm por 30 minutos en un tubo Falcon de 50 mL.

2. Pasar el sobrenadante a un tubo o vaso de precipitado y medir el pH inicial.

18

3. A 5 mL de la muestra, adicionar 25 mL de agua destilada -AD- y llevar a la plancha de agitación usando agitador magnético (perla) en vaso de 50 mL.

4. Medir nuevamente el pH. Si es mayor de 6.5, se agrega HCl 0.1N hasta pH 6.5 para iniciar la titulación con HCl 0.1N hasta pH 3.0. Anotar el volumen utilizado (A).

5. Pasar la muestra a un balón de destilación, conectar al equipo y calentarlo con mechero o estufa hasta ligera ebullición por 2 min.

6. Desmontar el balón del destilador e introducirlo en hielo para hacer choque térmico.

7. Pasar la muestra al vaso y llevarla nuevamente a agitación con la perla mientras se mide el pH y se adiciona NaOH 0.1N hasta pH 6.5. Anotar el volumen gastado (B).

Cálculos Para hallar la concentración de AT y AGV, se despeja la ecuación:

V1 * C1 = V2 * C2

AT: Se expresa como carbonato de calcio (mg CaCO3/L). Entonces:

AT mg CaCO3/L= (A*N HCl)/(Vol muestra)*50000

19

Donde:

A = Volumen de HCl utilizadoN HCl = 0.1Vol. muestra = 5 mL50000 = 50 mg CaCO3/meq x 1000 mL/L

AGV: Se expresa como ácido acético (mg ácido acético/L). Entonces:

AGV mg Ac. A cético/L= (B* N NaOH)/(Vol muestra)*60000

Donde:

B = Volumen de NaOH utilizadoN NaOH = 0.1Vol. muestra = 5 mL60000 = 60 mg ác. acético/meq x 1000 mL/L

20

S e r e a l i z a c u a n d o s e necesita obtener mezclas h o m o g é n e a s e n t r e e l sustrato o al imento de r e a c t o r y l o s microorganismos presentes e n e l c o n s o r c i o metanogénico, debido al alto contenido de sólidos de los mismos. Por otra parte la agitación brinda ventajas al proceso como una distribución adecuada de los nutrientes, distribuye homogéneamente el calor dentro del reactor y previene la acumulación de sustancias tóxicas como los AGVs. La agitación usada en procesos de digestión anaeróbica pueden ser de dos tipos mecánica por recirculación de gas y el uso de una u otra depende del tamaño del reactor y de la disposición de tecnología.

En nuestro caso no se realizó homogenización de los sustrato agregados al reactor, ya que eran la Fracción Orgánica de los Rsíduso Urbanos (FORSU)y uno de los

objetivos del proyecto era el uso directo de estos sin hacer gasto energético para su tratamiento. Por esta razón tampoco se realizó agitación dentro del digestor.

Agitación

21

Protocolo para el muestreo y análisis de Sustratosy efluente de un biodigestor de fermentación semi-seca

- Medidas de protección personal y de preservación de las muestrasAntes de proceder a la recolección de las muestras tenemos que preparar el material de protección personal y los equipos y materiales de muestreo. A continuación, se detallan los materiales y equipos que se recomiendan para el muestreo: • Guantes de látex desechables• Mascarilla desechable (si hay riesgo de inhalación de

agentes biológicos)• Tabla con hoja de registro para la toma de muestras

(ver anexo para ejemplo de hoja de registro)• Lápiz• Reloj • Equipo de toma-muestras (dependerá del lugar de

muestreo y la facilidad de acceso. Puede consistir en un balde, un bote de boca ancha e incluso un envase unido a un palo o cuerda para tomar la muestra en lugares profundos de difícil acceso)

• Envases de plástico con rosca para transportar las muestras (si son opacos mejor, de 500ml o 1 L)

• Nevera con hielo• Embudo para el trasvase de la muestra (opcional)• pHímetro y termómetro (opcional)• Agua destilada para limpiar equipos de medición

(opcional) * Hay que recordar que las muestras, hasta ser analizadas, deberán mantenerse refrigeradas, incluso desde el momento que se realiza el muestreo.

Protocolos

22

- Muestreo del influente

En nuestro caso, teniendo en cuenta que los residuos domiciliarios son muy heterogéneos en su naturaleza, el método de muestreo utilizado será el de cuarteo. Este método se describe a continuación:

1. Cada día de recepción de los residuos (lunes, miércoles y viernes en EARTH y lunes y viernes en Tosoly) se realizará una caracterización de la masa de residuos mediante el cuarteo.

2. Para esto primero se pesan los residuos y posteriormente se distribuyen sobre un plástico en el suelo en un montón bien mezclados (ver foto 4)

3. Se divide este montón en cuatro partes iguales y se toman dos de las partes (en la figura 3 serían A y B)

4. Se forma otro montón con estas partes mezclándolas bien y se repite la misma acción (se toman A y B otra vez)

5. Se repite esta acción hasta obtener una muestra final de unos 10kg.

6. Esta muestra entonces es caracterizada identificando en ella los tipos de residuos presentes divididos en las siguientes categorías: frutas, verduras, legumbres (frijoles etc.), comida cocinada, proteína animal cruda, pan y cereales, lácteos, café y té, huevos, otros. *

7. Se obtendrá la composición de la muestra en % de cada una de las categorías anteriores (p.ej. 26% vegetales, 18% proteína animal, 10% pan, 16%lácteos, 5% café, 12% comida cocinada y 13% legumbres =100%)

23

8. Esto se hará para cada día de recolección durante una semana.

9. Una vez se obtenga la composición de todos los días de recolección, se hace un promedio y se compone una muestra ficticia de al menos 1 kg a partir de residuos frescos.

10. Esta muestra se licuará y será analizada como la muestra del sustrato (residuos) inicial.

Debido a que el influente se va a componer de la mezcla de sustrato + efluente (biol), esta caracterización sólo determinará las características del sustrato inicial. Caracterizando el efluente nos permitirá determinar (según la proporción de mezcla mencionada anteriormente) las características específicas del influente final

El volumen de la muestra no debe ser menor a un litro/kilogramo

*La categoría de comida cocina puede incluir verdura, frutas y legumbres, pero éstas no estarán c r u d a s y h a n sufrido un proceso térmico. Si por el c o n t r a r i o s o n p e l a d u r a s o semillas crudas se clasificarán bajo c a t e g o r í a correspondiente.

Foto 4. Acopio de residuos orgánicos en un montón (preferiblementesobre un plástico) (Fuente: )http://www.cogersa.es

24

Figura 2. Procedimiento del método del cuarteo.

-Muestreo del efluente

Las muestras de los efluentes de los biodigestores serán sencillas y puntuales para todos los tratamientos y sólo se deberán tomar una vez se considere el sistema estabilizado (régimen de alimentación con�nuo y homogéneo; producción estable de gas metano, dentro de unos márgenes de variabilidad adecuados).

En total el volumen de la muestrano debe ser menor a un litro.

Para la toma de muestras del efluente es necesario que este esté fluyendo por la salida. Esto es debido a que si se toma la muestra del efluente que se encuentra en reposo en la tubería de salida, no será representa�vo, ya que al haber estado en reposo acumulará en la superficie material flotante, mientras material más pesado habrá descendido dentro del biodigestor. Por lo tanto, para la toma de muestra del efluente se recomienda cargar el biodigestor, dejar que rebalse los primeros litros de efluente y a con�nuación tomar la muestra.

25

Análisis en campo del biol o efluente

El efluente es un indicador de si el proceso al interior del biodigestor está funcionando correctamente.Un efluente de buena calidad representa que el tiempo de retención y la cantidad de sustrato cargado es la correcta, para asegurar dichos paramentos se puede verificar el biol de manera sensorial.

Un biol en correcto estado NO presenta las siguientes características.

· Burbujeo o presencia de olor al sustrato fresco.· Presencia de moscas o zancudos.

Si se evidencian en el efluente las características anteriores de una manera sencilla se puede cambiar el estado del mismo disminuyendo la cantidad de sustrato (estiércol o residuos domiciliarios) con que se alimentan al biodigestor.

Para conocer el potencial de producción de metano que aún tiene el biol, es posible verificar cuantitativamente por medio de una prueba sencilla conocida como el potencial de biometanizacion que se describe a continuación.

26

Definición Se denomina biodegradabilidad anaerobia la capacidad intrínseca de una sustancia para ser degradada biológicamente en ausencia de oxígeno y producir biogás. Este ensayo también es conocido como Potencial de Biometanización.

Fundamento El biogás producido en el reactor durante la digestión anaerobia, se burbujea en una solución que puede ser NaOH con un pH mayor a 12, con fenolftaleína como indicador o NaCl. en el caso de utilizar NaCl, se cunatifica por desplazamientoel biogás total producido en el reactor. En el caso de usar NaOH el CO2 es absorbido y reacciona con la soda; el volumen de gas metano que entra, desplaza un volumen igual de la solución alcalina debido a que no reacciona con ésta. En ambos casos el volumen de solución desplazada en el recipiente colector, es equivalente al volumen de Biogás o metano generado en el sistema. Se debe terner en cuenta que en la medida en que el CO2 reacciona con la soda, el pH de ésta desciendo y se evidencia con cambio de color de rosa fuerte a más claro. A pH por debajo de 12 la solución pierde su potencial de reaccionar con el CO2.

Ensayo de Biodegradabilidaad Anaerobia

método de desplazamiento Alcalino

27

Materiales Ÿ Una manguera larga con regulador de flujo y agujas

hipodérmicas en cada extremo. Ÿ Una manguera corta con aguja en un solo extremo.Ÿ Una botella de vidrio con 500 mL de NaOH con

felnoftaleína y pH mayor a 12 ó con NaClŸ Un soporte metálico para la botella y una probeta. Procedimiento 1. Llenar el reactor con la muestra a evaluar y el volumen

deseado, este no debe ser inferior al 50% porque se podría permitir la presencia de zonas aerobias en el reactor, ni superior al 80% porque no quedaría espacio de acumulación de biogás y el recipiente podría estallar.

Figura 3. Sistema de medición de CH4 por desplazamiento alcalino

28

2. Conectar el reactor con el recipiente que contiene la solución de desplazamiento, sea NaOH o NaCl, con una de las mangueras. En el caso de utilizar tapones de butilo y agrafes metálicos se deben colocar agujas hipodérmicas en cada extremo de la manguera corta, de lo contrario no se requiere. Se debe tener precaución que no queden fugas en los pegues de las mangueras para evitar errores de lectura. (ver Figura 1).

3. Conectar el recipiente que contiene la solución de desplazamiento, sea NaOH o NaCl con el recipiente colector utilizando otra de las mangueras. Si el recipiente recolector no está graduado para medición de volumen, el líquido desplazado se debe medir después con una probeta.

4. En el caso de usar NaOH, el CO del biogás reacciona 2

con el NaOH y queda atrapado en la solución. El CH 4

no reacciona con la solución y pasa hasta la parte superior de la botella, desplazando un volumen equivalente de solución alcalina, la cual sale por la manguera corta hasta la probeta. Anotar el volumen desplazado en mL

5. En el caso de usar NaCl, el biogás total generado en el reactor se acumula en el fondo de la botella desplazando un volumen equivalente de solución salina, la cual sale por la manguera corta hasta el recipiente colector o probeta. Anotar el volumen desplazado en mL

29

Foto 5. Montaje experimental vista lateral

Foto 6. Montaje experimental vista Superior.

30

A fin de comparar la producción de biogás y por tanto el redimiendo, es necesario llevar el volumen de biogás a condiciones normalizadas -VNTP-, con la siguiente ecuación:

V = V * P - PNTP O V

P * Tatm

En donde:

V = Volumen de gas en condiciones normalesNTP

de temperatura y presión (mL)

V = Volumen de gas generado (mL)

P = Presión del Ch en condiciones normales (mbar)1O

P = Presión del vapor de agua (mbar)V

P = Presión atmosférica (mbar)atm

T = Temperatura al momento de medir (K)

31

Monitoreo del BiogasPara la cuantificación del biogás producido se realiza la instalación de dos elementos claves.

Un gasómetro o medidor de flujo y una válvula anti retroceso. Este conjunto permite contar con una medida más acertada de la cantidad de biogás que el sistema genera.

El diagrama de la válvula anti retroceso y su montaje en Colombia se describe a continuación:Diagrama 1. Sistema para medición de gas

Para la conexión de la válvula anti retroceso: el tubo que entra queda 3 cm por debajo del nivel de agua que marca el tubo de abajo. El gas entra burbujea en el agua y busca la salida por el tubo de 10 cm que marca el nivel de agua y fluye hacia el reservorio -

Gráfica 3. Sistema para medición de gas

32

Fotos 7, 8 y 9. Válvula anti retroceso con sus materiales, respectivos tubos y neumático en los empaques

En la primera válvula anti retroceso (tubo naranja) tuvimos problemas de escape así que tuvimos que hacerla de nuevo. Teniendo mucho cuidado para hacer el hueco por donde entra el adaptador macho, para que, entre forzado, roscado. Se usó un empaque de neumático y un empaque plástico que normalmente es usado en tanques. (No se usaron los dos empaques transparentes pues son gruesos y no se podía enroscar bien el adaptador hembra y macho. Antes de pegar se hicieron pruebas con agua para estar seguros de que no hubiese escape.

Fotos 10 11 y 12. Tapon de 4” de la válvula anti retroceso con empaque y neumático, segunda válvula anti retroceso y prueba de agua.

33

Después de la válvula an� retroceso se puso una llave para evacuar agua que se condense y para asegurar que el gas está pasando y quemando.

Foto 13. Llave para evacuar el agua que se condensa y para

asegurar paso de gas

Foto 14. Sistema de medición montado: Medidor de gas,

válvula de seguridad o alivio y válvula anti retroceso.

Foto 15. Sistema completo instalado y

en producción – reservorios llenos

Montaje de la válvula anti retroceso en Costa Rica.

Foto 16. Dauren con válvula anti retorno Foto 17. Profesora Alex Gilman y Daurenarmando el medidor de gas

En las imágenes se muestra la preparación de la válvula de an�-retroceso y el mediador de biogás.

34

Foto 18 y 19. Sistema de medición instalado en la Universidad EARTH, FPI y FIO.

Monitoreo de producción de biogás

La producción de biogás de los 4 biodigestores fue registrada en los dos países y a continuación se presentan avances de los resultados.

35

Grá

fica 4

. Pro

ducc

ión a

cum

ula

da d

e b

iogas

de “G

uanenta

”en C

olo

mbia

alim

enta

do c

on e

stié

rcol B

ovi

no

36

Este biodigestor está dando una media de producción de 50litros de biogás por kg de Solidos Totales.

Resultados para los residuos domiciliarios

Grá

fica

5.

Bio

dig

est

or

”XIU

A”,

To

soly

, C

olo

mb

ia, A

lime

nta

do

co

n r

esi

du

os

org

án

ico

s d

om

icili

ario

s

37

A continuación, se presentan los datos de producción de biogás en Costa Rica.

Gra

fica

6. P

roducc

ión a

cum

ula

da d

e b

iogás

de “

Elv

is”

Fin

ca Inte

gra

da O

rgánic

a, U

niv

ers

idad

EA

RT

H, C

ost

a R

ica a

limenta

do c

on e

stié

rcol d

e c

erd

o

38

Y en el siguiente grafico se muestran los resultados para residuos domiciliarios en Costa Rica.

Gra

fica 7

. P

roducc

ión a

cum

ula

da d

e b

iogás

de “

Fra

kie”

Fin

ca P

ecu

aria Inte

gra

da,

Univ

ers

idad E

AR

TH

, C

ost

a R

ica a

limenta

do c

on

resi

duos

dom

icili

arios

39

Protocolo de campo para la toma de muestras de biogásde residuos domiciliarios y estiércol bovino.

Análisis de biogás.

Con el objetivo de determinar la composición química de la mezcla de biogás del biodigestor de estiércol bovino y el bodigestor de residuos domiciliarios se diseñó un sistema de almacenamiento del gas para su posterior transporte al laboratorio de cromatografía de la Universidad Industrial de Santander.

El sistema de recolección de la muestra de gas consta de los siguientes elementos Bolsa de suero medicinal vacía.· 1 equipo de venoclisis medicinal.· 1 adaptador de pvc hembra.· 1 racor metálico de ½ pulgada y salida de 3/16.· 2 válvulas tipo cheque.· Manguera plástica transparente de polietileno 3/16· Una jeringa plástica de 50 ml.

1. Biodigestor 2. Racor metálico adaptado a la salida

del biogás.3. Válvula tipo cheque.4. Te plástica de 3/16.5. Jeringa plástica de 50 ml6. Válvula tipo cheque.7. Equipo de venoclisis medicinal.Bolsa de suero medicinal

40

Procedimiento de toma de muestra del biogás.Una vez el sistema es instalado se abre la válvula de salida de biogás de biodigestor y le acciona la jeringa la cual funciona como una bomba aspirante – impelente y permite trasferir el biogás hasta la bolsa de suero medicinal.Se realiza el llenado y vaciado de la bolsa de suero tres veces antes de la toma de la muestra de biogás final, esto con el fin de realizar una purga de la bosa y garantizar que su contenido es totalmente biogás.La muestra de biogás en la bolsa es sellada por medio de la válvula que tiene el equipo de venoclisis finalmente la manguera es sellada con calor para su traslado al laboratorio.

Foto 20. Montaje del sistema para laextracción de la muestra de biogás,Vista frontal

Foto 21. Montaje del sistema para la extracción de lamuestra de biogás, Vista Lateral.

Foto 22. Muestras selladas con la válvula delequipo de venoclisis y calor.

Foto 23. Embalaje y transporte al laboratoriode cromatografía

41

A continuación, se presentan los resultados de tres análisis realizados en la universidad EARTH en Costa Rica en el biogás proveniente de “Frankie” biodigestor alimentado con residuos domiciliarios.

En la siguiente tabla se muestran los resultados de los análisis de biogás realizados para los biodigestores XIUA (Residuos domiciliarios) y Guanenta (Estiércol Bovino) en Colombia en el laboratorio de Cromatografía y Espectrometría de Masas de la Universidad Industrial de Santander. La técnica usada fue la de “HeadSpace” estático HP769 4E Hewlett Packard Palo Alto, California, EE.UU.

Tabla #. Resultados análisis de biogás en Colombia (muestreo de acuerdo a protocolo de campo mencionado anteriormente.

NMC- Nivel minimo de cuantificacio. * Promedio de dos mediciones.

42

• Anderson G., Yang G., 1992. Determination of bicarbonate and total volatile acid concentration in anaerobic digesters using a simple titration. Water Environment Research

• APHA - American Public Health Association, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Edition 20th. Washington, USA, 1998.

• Arrieta Vargas H., Barrantes Leiva M., 2013. Metodología de análisis de suelos y foliares de la Escuela de Agricultura de la Region Tropical Humeda. Guacimo, Costa Rica (CR): EARTH. 77p.

• Boone D., Whitman W., Rouvi’ere P., Diversity and taxonomy of methanogens. Methanogenesis: Ecology, Physiology, Biochemistry and Genetics. Chapman and Hall Inc. New York, USA. 1993, p. 35–80.

• Bulock J., Kristlansen B., Basic Biotechnology. in: Hawakes, F., Hawakes, D., Anaerobic Digestion. Academic Press, First Edition. London, United Kingdom, 1989, pp 337-358.

• Cioabla A., Lonel L., Dumitrel G-A., Popescu F., 2012. Comparative study on factors affecting anaerobic d igest ion o f agr icu l tura l vegeta l res idues. Biotechonolgoy for Biofuels, vol. 5, no. 39. http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/5/1/39

• Díaz-Báez M., Espitia S., Molina F., Digestión Anaerobia: Una aproximación a la tecnología. First Edition. Universidad Nacional de Colombia Editorial. Bogotá D.C., Colombia 2002.

• Fernández J., Pérez M., Romero L., (2008). Effect of substrate concentration on dry mesophilic anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste

Referencias

43

(OFMSW). Bioresource Technology 99 (2008) 6075–6080.

• J, Bélaich. M, Bruschi. J, Garcia. Microbiology and biochemistry of strict anaerobes involved in interspecies hydrogen transfer. 54 Symposium Federation of European Microbiological Societies. 1989. Marseille, France. ISBN: 0-306-43517-9.

• Khanal S., Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production. Principles and Applications, First Edition. Blackwell Publishing. Hawaii, USA, 2008, pp 29-63. ISSN: 978-0-813-82346-1 on line.

• Madigan M., Martinko J., Parker J., BROCK Biología de los Microorganismos. Eighth Edition, Prentice Hall Iberia., Madrid, España, 2004, pp 501-517.

• Moreno-Varnero MT. 2011. Manual for biogas production. Roma (IT): FAO, Oficina de Intercambio de Conocimientos, Investigación y Extensión. ISBN 978-9 5 - 3 0 6 8 9 2 - 0 . 1 2 0 p . http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf

• Rojas O., (1986) La alcalinidad como parámetro de control de AGV en digestores anaeróbicos. En la web: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cd68/000866/000866d.pdf (último acceso: 19 de junio de 2017)

• Vandevivere,P., De Baere, L. & Verstraete, W. (2003) Biomethanization of the organic fraction of municipal solid wastes. p.111-140.

• Veeken A.,(2005). Digestion and composting of domestic and market biodegradable waste in Kotte MC (Greater Colombo, Sri Lanka). Consultancy for UN-Habitat-SCP-BUS project, demo city Kotte.

• Zinder S., Anguish T., y Cardwell S., 1984. Effects of Temperature on Methanogenesis in a thermophilic (58°C) anaerobic digester. Applied and Environmental Microbiology, vol. 47, no. 4, p808-813.

44