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Revista UNIMAR 34(1)- rev. UNIMAR.- 243-259.
ISSN: 0120-4327, ISSN Electrónico: 2216-0116,
Universidad Mariana, San Juan de Pasto, Nariño, Colombia, 2016.
Análisis del arranque y estabilización de un biodigestor anaerobio Taiwán en condiciones psicrólas en el SENA (Nariño-Colombia)
Análisis del arranque y estabilización de un biodigestor
anaerobio Taiwán en condiciones psicrófilas en el SENA
(Nariño-Colombia)*
Andrés Mauricio Enríquez Hidalgo**
Mario Alberto Jurado Eraso***
Cómo citar este artículo / To reference this article / Para citar este artigo: Enríquez, A. y Jurado, M. (2016).
Análisis del arranque y estabilización de un biodigestor anaerobio Taiwán en condiciones psicrólas en el
SENA (Nariño-Colombia). Revista UNIMAR, 34(1), 243-259.
Fecha de recepción: 24 de noviembre de 2015
Fecha de revisión: 02 de febrero de 2016
Fecha de aprobación: 30 de marzo de 2016
En este artículo se da a conocer el análisis del arranque y estabilización de un biodigestor como un proceso
de producción de biogás. El arranque de este biodigestor consistió en el análisis de un proceso de actividad
metanogénica especíca (AME) sobre tres lodos anaerobios, con el n de reconocer la capacidad máxima de
metano que se puede producir con un tipo de inóculo especíco. Se pudo concluir según análisis estadísticos,
que no hay diferencia en utilizar cualquiera de estos 3 lodos, por lo cual se procedió a elaborar un protocolo
de inoculación, teniendo en cuenta el caudal de aguas residuales generadas, los parámetros sicoquímicos
de mezcla entre sustrato e inóculo, y posteriormente, haciendo la medición de la eciencia del biodigestor
con la cantidad y calidad de biogás producido en comparación con la literatura técnica.
Palabras clave: Biodigestor anaerobio tipo Taiwán, biogás, condiciones psicrólas.
Analysis of the starting and stabilization of an anaerobic
biodigester under psychrophilic conditions at SENA
(Nariño-Colombia)
The article presents the analysis of the starting and stabilization of a biodigester, as a biogas production
process. The start of this biodigester consisted in the analysis of a specic methanogenic activity process
on three anaerobic sludges, in order to recognize the maximum methane capacity that can be produced
with a specic type of inoculum, which allowed to conclude, according to statistical analyzes, that there
is no dierence in using any of them, and proceeded to elaborate an inoculation protocol, taking into
account the generated wastewater ow, the physicochemical parameters of the mixture between substrate
and inoculum, and then, make the eciency measurement of the biodigester with the quantity and quality
of biogas produced compared to the technical literature.
Key words: anaerobic biodigester type Taiwan, biogas, psychrophilic conditions.
*
Artículo Resultado de Investigación. Hace parte de la investigación titulada: Arranque y estabilización de un biodigestor anaerobio tipo
Taiwán en condiciones psicrólas para la producción de biogás en el Centro Internacional de Producción Limpia (SENA), desarrollada desde el
01 de febrero de 2015 hasta el 25 de noviembre de 2015 en el municipio de Pasto, departamento de Nariño, Colombia.
**
Ingeniero Ambiental, San Juan de Pasto, Nariño, Colombia. Correo electrónico: m2112@hotmail.es
*** Ingeniero Químico. Énfasis en Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos; Especialista en Ingeniería Ambiental Área Sani-
taria; Magíster en Ingeniería. Énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Docente Universidad Mariana, San Juan de Pasto, Nariño,
Colombia. Correo electrónico: majuradoe@gmail.com
RESUMENABSTRACT
ISSN: 0120-4327, ISSN Electrónico: 2216-0116,
Universidad Mariana, San Juan de Pasto, Nariño, Colombia, 2016.
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ISSN: 0120-4327, ISSN Electrónico: 2216-0116,
Universidad Mariana, San Juan de Pasto, Nariño, Colombia, 2016.
Andrés Mauricio Enríquez Hidalgo, Mario Alberto Jurado Eraso
Análise do inicio e estabilização de um biodigestor anaeróbio
Taiwan em condições psicrólas no SENA (Nariño-Colômbia)
O artigo apresenta a análise de início e de estabilização de um biodigestor, como um processo da produção
de biogás. O início do biodigestor consistiu na análise de um processo de atividade metanogênica especíca
em três lamas anaeróbicas, a m de reconhecer a capacidade máxima de metano que pode ser produzido com
um tipo especíco de inoculo. A análise estatística permitiu concluir que não há nenhuma diferença no uso
de qualquer um destes três lamas, de modo que passou a desenvolver um protocolo de inoculação, tendo em
conta o uxo de águas residuais gerada, os parâmetros físico-químicos de mistura entre o substrato e inoculo,
e em seguida, fazer a medição da eciência do biodigestor com a quantidade e qualidade do biogás produzi-
do em comparação com a literatura técnica.
Palavras-chave: Biodigestor anaeróbio tipo Taiwan, biogás, condições psicrólas.
RESUMO
1. Introducción
“El Centro Internacional de Producción Limpia
Lope SENA (CIPL), se divide en dos sectores, el
sector agropecuario y el sector comercial, el pri-
mero de estos está conformado por actividades de
ganadería, porcicultura, avicultura, capricultura
y la formación académica de los aprendices y sus
funcionarios; el sector comercial se dedica a la dis-
tribución y venta de los productos derivados de las
actividades agropecuarias” (C.P. con J. Gamboa,
2015); estas actividades de desarrollo económico y
académico generan continuamente impactos nega-
tivos al CIPL y sus alrededores. Por consiguiente,
es necesario minimizar los impactos producidos a
través de estrategias de prevención y control para
generar soluciones aplicadas e integrales desde
menor escala que abarquen las actividades que
existen en los sectores del CIPL.
En este contexto, la crianza y mantenimiento de
porcinos y bovinos genera impactos de tipo atmos-
férico, hídrico y de suelos (Dirección Ambiental ge-
neral sectorial, 2002).
El CIPL tiene 116 porcinos; este número varía de-
pendiendo de la venta a externos, además de su na-
talidad y mortalidad, por lo cual están establecidas
medidas de mitigación de impactos como los sitios
de acopio, planta de tratamiento de Agua Residual
(AR), lavado en seco del estiércol vacuno y porcino,
y un lavado con agua de los residuos restantes como
medidas de control de aguas residuales.
A este respecto, en CIPL se ha construido un biodi-
gestor anaerobio tipo Taiwán con el n de producir
biogás y por ende, tratar el AR derivada de la acti-
vidad porcicultura. Sin embargo, debido a las con-
diciones de baja temperatura, donde se ha instalado
el sistema y como lo sugiere la literatura técnica, el
arranque, estabilización de este tipo de sistemas, es
una cuestión de investigación e interés actual, al-
rededor del mundo (Parra, 2010). Así pues, en esta
investigación se pretendió analizar el arranque y
la estabilización de este tipo de reactores anaero-
bios, teniendo en cuenta las condiciones psicrólas
del ambiente, a través de la selección de un inóculo
idóneo para la operación del sistema en tales condi-
ciones, así como el procedimiento apropiado para el
arranque de este tipo de sistemas.
Dicho lo anterior, esta tecnología es un método de
minimización de impactos ambientales, mas no de
eliminación total; lleva consigo ventajas como: la
disminución de carga contaminante de las aguas
residuales porcícolas, además de producción de
biogás con alto poder caloríco y de alto costo que
puede ser usado como fuente de energía renovable,
minimizando costos de operación (Torres, 2012;
Fuentes, 2014; Behling, Marín, Castro, Rincón y
Colina, 2014; Blumenstein, 2014).
2. Metodología
2.1 Metodología para seleccionar un inóculo con
la mayor actividad metanogénica especíca bajo
condiciones de operación psicrólas
Actividad Metanogénica Especíca (AME). La
AME permite cuanticar la máxima capacidad de
producción de metano por el grupo de microorga-
nismos presente en lodos anaerobios. La AME, ade-
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Análisis del arranque y estabilización de un biodigestor anaerobio Taiwán en condiciones psicrólas en el SENA (Nariño-Colombia)
más de ser usada para el monitoreo de la calidad del
lodo en reactores anaerobios, es una herramienta
que evalúa el comportamiento de la biomasa con-
taminada y determina la carga orgánica máxima
que puede aplicarse a un sistema, con el n de exa-
minar la degradabilidad de los sustratos y la posi-
bilidad de selección de inóculos. Esta herramienta,
ampliamente utilizada en diferentes países y desa-
rrollada hace más de dos décadas, no cuenta con
un protocolo estandarizado que facilite la compa-
ración de resultados.
Monitoreo de la cantidad y calidad del lodo. Las
características cuantitativas del lodo pueden eva-
luarse con la medición de Sólidos Totales y Sólidos
Volátiles Totales y los aspectos cualitativos con he-
rramientas como la AME, ensayos de sedimenta-
bilidad y perl de lodos. Por ende, la AME puede
denirse como la “máxima capacidad de produc-
ción de metano por un grupo de microorganismos
anaerobios, realizada en condiciones controladas
de laboratorio que permita la máxima actividad
bioquímica de conversión del sustrato orgánico
a metano” (Aquino, Chernicharo, Foresti, Floren-
cio y Monteggia, 2007, p. 6). El conocimiento de la
AME de un lodo permite establecer la capacidad
máxima de remoción de DQO de la fase líquida,
permitiendo estimar la carga orgánica máxima
que puede ser aplicada a un reactor, impidiendo
su desestabilización; asimismo, la AME también
“permite determinar la concentración mínima de
biomasa requerida en el reactor para garantizar la
reducción de la carga orgánica aplicada” (Aquino
et al., 2007, p. 9).
Para desarrollar el AME es necesario un montaje
sencillo, sin mayores requerimientos, como se ob-
serva en la Figura 1. Teniendo en cuenta la faci-
lidad de implementar mediciones de AME por el
método volumétrico, se enfatizó en este tipo de
medición, por su potencialidad de aplicación en
el contexto del medio. Por consiguiente, se deben
vericar micro fugas en el sistema para obtener un
dato representativo de volumen de metano, gene-
rado por un lodo anaerobio.
Figura 1. Montaje AME.
Fuente: adaptado de Field (1987), Pérez y Cajigas (2002)
y Chernicharo (2007).
El método volumétrico se basa en la cuanticación
del volumen de metano producido mediante el uso
de una sustancia desplazante, como el NaOH, en un
rango de 15 -20 g/L, por su propiedad de reaccionar
con el CO
2
presente en el biogás, permitiendo una
medición más aproximada del volumen de metano
producido. Se recomienda chequear que el pH del
NaOH sea superior a 12 unidades para garantizar que
éste secuestre el CO
2
producido. Las reacciones que se
presentan son las siguientes: (Field, 1987).
Inóculo o semilla. “Durante el ensayo AME se asu-
me que el sustrato y los nutrientes estarán presentes
en exceso, por lo que la concentración inicial de lodo
denirá la duración del ensayo” (Field, 1987, p. 14).
Para el ensayo se garantizó agitación, por lo cual se
recomiendan concentraciones de inóculo entre 2,0 a
5,0 g SVT/. Además “la concentración seleccionada
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mol de CH
4
consume dos moles de O
2
. Por lo tanto,
a condiciones normales de temperatura y presión
(T=273ºK; P=1atm), 22.4 litros de metano correspon-
den a 64 g de DQO, es decir, 0.35 litros de CH
4
por
gramo de DQO removida. Esta relación permite es-
timar la fracción de materia orgánica convertida en
metano a partir del volumen de metano producido
en el reactor, por unidad de tiempo. Como esta re-
lación es válida para condiciones normales de tem-
peratura y presión, para cualquier otra condición
el volumen obtenido debe ser corregido. El factor
de corrección por temperatura y presión puede cal-
cularse con la Ecuación 2 (Penna, 1994).
Ecuación 2. Factor de corrección por temperatura.
Donde:
K(t)= Factor de corrección (g DQO/L).
P= Presión atmosférica (atm).
R= Constante de los gases (0.08206 atm*L/mol*K).
K= Carga orgánica digerida correspondiente a un
mol de CH
4
(64 g DQO/mol).
T = Temperatura operacional del montaje (ºC).
Además, para hallar los gramos de DQOCH
4
remo-
vida y convertida en metano se utiliza la Ecuación 3.
Ecuación 3. Gramos de DQO removida convertida
en metano.
g DQOCH
4
=(DQO incial-DQO nal)*1 litro
Por ende, el volumen teórico de metano producido
es calculado con la Ecuación 4.
Ecuación 4. Volumen teórico de metano producido.
Donde.
VCH
4
= Volumen teórico de metano producido (L).
DQOCH
4
= Carga de DQO removida en R1 y conver-
tida en metano (g DQO).
Posterior a esto, se hace un seguimiento de NAOH
desplazado diariamente, hasta que los valores de
de inóculo debe garantizar un volumen no muy eleva-
do para poder garantizar el eciente contacto entre la
biomasa y el sustrato” (Pérez y Cajigas, 2002). El inóculo
deberá ser caracterizado previamente en términos de
los Sólidos Volátiles Totales (g SVT/L). El volumen de
lodo a adicionar se calcula considerando que la mezcla
de inóculo y sustrato no debe sobrepasar el 90% del
volumen útil del reactor biológico (Elermeyer). El volu-
men del lodo se calculó a través de la Ecuación 1.
Ecuación 1. Volumen de lodo anaerobio a adicionar.
Donde.
V
LODO
= Volumen de lodo a adicionar en el Erlenmeyer (L).
V
MEZCLA
= Volumen total de reacción o de mezcla (L).
C
ja
= Concentración jada (1,0 – 5,0 gSVT/L).
C
Inicial LODO
= Concentración de SVT inicial del lodo (g/L).
Por ende, la potencialidad de usar los ensayos de
AME como herramienta para evaluar diferentes
inóculos en la tratabilidad de un agua residual in-
dustrial, facilita la selección del inóculo más ade-
cuado para el tratamiento.
Sustrato. El ensayo de AME debe ser realizado con
exceso de sustrato y nutrientes para lograr que la
cinética de degradación se aproxime a una reacción
de orden cero, pasando a depender solo de la con-
centración de microorganismos presentes en el inó-
culo (Díaz, Espitia y Molina, 2002).
Temperatura. Teniendo en cuenta que los microor-
ganismos metanogénicos tienen mejores condicio-
nes de crecimiento entre 30 y 35ºC, es recomendable
el uso de un cuarto de calentamiento con tempera-
tura controlada que garantice una temperatura esta-
ble dentro del rango indicado anteriormente (Field,
1987; Pérez y Cajigas, 2002 y Chernicharo, 2007).
Producción de metano y cálculo de la AME. La
producción teórica de metano debe ser calculada
teniendo en cuenta las condiciones de temperatura
y presión atmosférica bajo las cuales son realizados
los montajes de AME.
Considerando la ecuación de combustión del meta-
no, teniendo una oxidación completa de éste, una
V
LODO
=
(V
MEZCLA
* C
ja
)
(C
Inicial
LODO
)
VCH
4
= DQOCH
4
K(t)
K(t) =
P * K
R * (273 + t)
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líquido se tornen constantes, con el n de obtener
una pendiente máxima en una curva de producción
(volumen acumulado CH
4
vs. tiempo), además para
efectuar el cálculo de la actividad metanogénica es-
pecíca se aplica la Ecuación 5.
Ecuación 5. Cálculo de la actividad metanogénica
especíca.
Donde:
AME = Actividad metanogénica especíca .
24 = Factor de conversión de horas a días.
VCH
4
= Volumen teórico de metano producido (L).
m = Pendiente en la curva de producción.
M = Masa de lodo (Volumen de lodo*SVT lodo).
2.2 Metodología para establecer un protocolo para
la inoculación de un biodigestor anaerobio tipo
Taiwán construido en el CIPL (SENA).
En el arranque del biodigestor anaerobio, el inicio
está caracterizado por una baja actividad biológi-
ca, relacionada con el crecimiento de las bacterias
acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas como
biomasa dispersa y adherida. Tradicionalmente, el
arranque es la etapa considerada más inestable y
crítica en el proceso anaerobio, por lo que debe ini-
ciarse con tiempos de retención hidráulicos (TRH)
elevados, “para asegurar una buena asimilación del
sustrato por parte de las bacterias y mantener una
carga orgánica inicial baja, la cual puede ir aumen-
tando a medida que el reactor se estabiliza” (Huls-
ho, 1987). Durante el arranque y operación de los
reactores anaerobios se recomienda el seguimiento
de algunos parámetros sicoquímicos y el uso de
herramientas que permitan evaluar su desempe-
ño. Los parámetros ambientales y de control son
variables que pueden afectar, mejorar o inhibir, el
funcionamiento del proceso de digestión anaerobia
(Aquino et al., 2007). En primer lugar, las altas car-
gas orgánicas proporcionan altas producciones de
metano, aunque también aumenta el riesgo de so-
brecargas puntuales que conllevan a la acidicación
del reactor, provocando un descenso del pH y el
posible que falle el sistema. El proceso de digestión
anaerobia es inhibido por la presencia de tóxicos en
el sistema. El nitrógeno amoniacal, el ácido sulí-
drico y los ácidos grasos volátiles son inhibidores
importantes de las bacterias metanogénicas, así
como los metales pesados a altas concentraciones.
Este tipo de sustancias pueden encontrarse como
componentes del sustrato de alimentación o como
subproductos de la actividad metabólica de los mi-
croorganismos del reactor.
Uno de los sistemas de control es la concentración
de ácidos grasos volátiles, productos intermedios
mayoritarios del proceso anaeróbico, ya que pue-
den indicar evolución del proceso por su rápida res-
puesta ante variaciones del sistema. Por tanto, un
aumento en la concentración de ácidos volátiles en
el sistema, siempre signica una desestabilización
del proceso y, en consecuencia, una disminución de
la producción de biogás. Además, otro compuesto
intermedio importante del proceso anaerobio es
el hidrógeno. Su acumulación en el medio, puede
provocar la inhibición de la acetogénesis, es decir,
la acumulación de ácidos grasos volátiles con más
de dos átomos de carbono (Aquino et al., 2007). Así
mismo, durante el proceso anaerobio, el nitróge-
no orgánico es hidrolizado dando lugar a formas
amoniacales, este es importante para el crecimiento
bacteriano, pero una concentración excesiva pue-
de limitar su crecimiento; este es el resultado de la
suma de ion amonio y del amoniaco, su concentra-
ción relativa de cada una depende del pH, la que
parece inhibir el proceso de digestión anaerobia es
el amoniaco libre, ya que se ha comprobado experi-
mentalmente que le efecto inhibitorio por amonio
aumentará a pH alcalinos (Aquino et al., 2007).
La cantidad de amoniaco libre depende de la con-
centración del sustrato, de la relación carbono/ni-
trógeno, de la capacidad tamponadora del medio y
de la temperatura de digestión (Aquino et al., 2007).
Otro inhibidor es la presencia de elevadas concen-
traciones de sulfato, en el sustrato se puede afectar
la etapa de la metanogénesis, ya que en presencia de
sulfatos, las bacterias metanogénicas compiten con
las sulfato-reductoras, haciendo así una competi-
ción que determinara la proporción de sulídrico y
metano en el biogás producido (Aquino et al., 2007).
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El sulfuro es también un inhibidor para muchos
grupos bacterianos. En general, los metanogénicos
son más sensibles que los ácidogénicos y acetogéni-
cos, comenzando a ser tóxica una concentración de
50mg/l si los microorganismos metanogénicos no
están aclimatados a los sulfuros. Por lo que, la inhi-
bición se favorece a pH bajos y a bajas temperaturas
(Aquino et al., 2007). Por tanto, la inhibición tiene
dos etapas, la primera debida a la competición por
el sustrato entre los microorganismos metanogéni-
cos y sulfato-reductores y la segunda, es una inhi-
bición directa del crecimiento metanogénico por la
presencia de sulfuros solubles. Por otra parte, los ca-
tiones y metales pesados alcalinos pueden provocar
toxicidad a los microorganismos a partir de un nivel
de concentración, generando la disminución de la
velocidad de crecimiento, que aumenta con el peso
molecular. El orden de toxicidad de los metales pe-
sados es: Ni>Cu>Cr=Cr>Pv>Zn (Aquino et al., 2007).
Por último, “se debe asegurar una adecuada mezcla
del contenido del biodigestor, esta es esencial y per-
sigue los siguientes objetivos” (Perrigault, Weather-
ford, Martí-Herrero y Poggio, 2012, p. 259), poner en
contacto el sustrato fresco con la población bacte-
riana y eliminar los metabolitos producidos por
los microorganismos metanogénicos al favorecer
la salida de los gases; proporcionar una densidad
uniforme de población bacteriana y por ende, pre-
venir la formación de espumas y sedimentación en
el biodigestor, también previene la formación de
espacios muertos que reduce el volumen efectivo
del reactor, y por último, eliminar la estraticación
térmica manteniendo la temperatura uniforme en
todo el reactor.
En conclusión, para arrancar y estabilizar los sis-
temas de biodigestores anaerobios, se debe tener
en cuenta los parámetros sicoquímicos del agua
residual porcícola, con el n de vericar si cum-
plen con condiciones óptimas para que se lleve a
cabo la digestión anaerobia que ingresa al sistema
(sustrato), medir la cantidad de inóculo que se uti-
liza para acelerar la producción de biogás, además
de la medición de la cantidad de caudal de agua
residual porcícola que ingresa el sistema. Las con-
diciones óptimas del proceso se pueden observar
en la Tabla 1.
Tabla 1.Condiciones óptimas para el proceso anaerobio
Parámetro Condición
Eciencia SST, (DQO), (DBO) y organismos patógenos
Estabilidad pH, AGV, Alcalinidad, Composición del biogás
Bacterias Equilibrio dinámico entre no metanogénicas y metanogénicas
Temperatura
Intervalo mesolico= 29-38°C
Intervalo termólo= 49-57°C
Medio Anaerobio, OD = 0
Nutrientes N,P, trazas de Ca, Mg, Fe, K, Ni, Co
DBO/N/P/S = 800/7/1/1 Para residuos con DQO > 2500 mg/L
DBO/N/P/S = 300/7/1/1 Para residuos con DQO < 2500 mg/L
pH 7,0 -7,2 (6,6-7,6) (pH >6,2)
Composición del gas 65% - 70% de metano
Producción de gas Anaerobio, OD = 0
Alcalinidad 1000 -5000 mg/L.
Ácidos volátiles < 500 mg/L- Ácido acético
Fuente: adaptado de Amarral (2008), Bouallagui (2003), Botero (1987), Elías, Campos y Flotats
(2012), Rimann (2001) y Sanz (2015).
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2.3 Metodología para determinar la eciencia del
biodigestor en la etapa de arranque y estabiliza-
ción en condiciones psicrólas
La producción y conversión de metano en el proce-
so anaerobio, es función de la cantidad de materia
orgánica estabilizada; el metano es poco soluble y
su pérdida de la solución representa remoción de
materia orgánica. Para la conversión completa de
metano a dióxido de carbono más agua, se requiere
oxígeno. La demanda de oxígeno del metano está
dada por la siguiente reacción (Romero, 2010):
Por tanto, un mol de metano es equivalente a dos
moles de oxígeno, o 16kg de metano requieren 64kg
de oxígeno, lo cual quiere decir que en la estabili-
zación anaerobia de 1kg de DBOU en condiciones
anaerobias seria:
En conclusión, 1kg de DBOU estabilizada anaeróbi-
camente e igual a 0,35m
3
de CH
4
o se interpreta di-
ciendo que 1kg de DQO removida anaeróbicamente,
produce 0,35m
3
de CH
4
. Cualquier reacción o condi-
ción que impida la formación de metano produce una
reducción de la eciencia en remoción de DBO en el
proceso anaerobio. Una de las reacciones que compi-
ten con la metanogénesis, es la reducción de sulfatos
a sulfuros por las bacterias reductoras de sulfato, esta
reducción consume DBOUC, que sería convertida en
metano. Existe una proporción alta de materia orgá-
nica/sulfatos, la reacción procede hasta los sulfuros,
cuando el es completamente reducido a sulfuros
cuando SO
4
, se consumen 2g de DBOUC/g de SO
4
,
por tanto, la presencia de bacterias reductoras de sul-
fatos y la consecuente respiración del sulfato afectan
adversamente la metanogénesis, ya que las bacterias
metanogénicas no toleran el ácido sulfúrico.
Para determinar la eciencia de producción de
biogás del biodigestor tipo Taiwán en la etapa de
arranque y estabilización, la medición de volumen
de biogás en el sistema, presión de biogás a la cual
está sometido y composición de este, son variables
que tiene como n conocer el caudal biogás que se
puede aprovechar para su posterior combustión.
Cabe resaltar que los biodigestores anaerobios tipo
Taiwán tienen presión baja, lo que indica que si no
hay presión suciente para que los biodigestores se
inen completamente, el biogás no podrá extraerse
(Aquino et al., 2007). Por otro lado, se debe tener en
cuenta la calidad del biogás dependiendo del por-
centaje de metano, conservando una superioridad
del 50% del total de biogás producido (Bernal, 2012).
3. Resultados
3.1 Seleccionar un inóculo con la mayor actividad
metanogénica especíca bajo condiciones de ope-
ración psicrólas. El montaje del test AME realizado
es un método volumétrico, por lo cual se presentaron
porcentajes de error que fueron necesarios de mi-
nimizar; la explicación de esto se debe a las micro
fugas presentadas en el montaje que causan margen
de error en la cuanticación del volumen de CH
4
. Di-
cho esto, se seleccionaron 3 tipos de lodos anaerobios
que debido a sus condiciones de temperatura y de
caracterización anaerobia optimizan el proceso en el
biodigestor, además cabe destacar que para cada test
AME se realizó el montaje tres veces para minimizar
el margen de error para cada lodo. Por consiguien-
te, se presentan los tres lodos anaerobios escogidos y
el resultado de estos en la Tabla 2 y su seguimiento
en las guras 2, 3 y 4 respectivamente; cabe destacar
que, no se analizó la fase de decaimiento del NaOH
debido a que dejó el ensayo para cuando las curvas
se tornen asintóticas (Torres, 2012).
Lodo anaerobio Frigovito. Para obtener este lodo
se hizo una visita a la planta de sacricio Frigovito
ubicada en el corregimiento de Jongovito, el cual se
encuentra ubicado a 4Km de la ciudad de Pasto; una
vez obtenida la muestra de lodo se procedió inme-
diatamente a hacer una caracterización de sólidos
volátiles totales (SVT) para calcular el volumen del
lodo que fue necesario para el test AME.
Porquinaza. La caracterización de la porquinaza es
un punto clave, ya que en el CIPL, genera alrededor
de 30 kg/día, por lo cual utilizar este tipo de inóculo
es factible por el aprovechamiento de residuos sólidos
generados por la porcicultura, la caracterización pre-
tende como en el anterior caso, conocer el volumen de
inóculo que se tendrá que utilizar para el test AME.
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Microrganismo eciente generado en la planta de
bioindustrialización en el CIPL. El microorganis-
mo eciente es una especie que conforma un cultivo
mixto de microorganismos benécos, obtenidos de
ecosistemas naturales y seleccionados por sus efectos
positivos en los cultivos. Fueron obtenidos en la Uni-
versidad de RyuKyu en Okinawa, Japón, a comien-
zos de los años ochenta, por el profesor Teruo Higa.
Tabla 2. Valores de AME para cada lodo en tres pruebas
AME g DQO / g SVT)*día)
Lodo
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
Frigovito 0,105 0,115 0,084
Microrganismo eciente 0,127 0,116 0,092
Porquinaza 0,079 0,096 0,105
Figura 2. Comportamiento del lodo anaerobio Frigovito durante el test AME.
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Figura 3. Comportamiento de la porquinaza durante el test AME.
Figura 4. Comportamiento del microrganismo eciente durante el test AME.
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3.2 Establecer un protocolo para la inoculación del biodigestor anaerobio tipo Taiwán. El protocolo se
dene en el siguiente diagrama de ujo.
Figura 5. Diagrama de ujo.
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Los resultados de la medición de los parámetros sicoquímicos del agua residual porcícola se describen
en la Tabla 3.
Tabla 3. Parámetros sicoquímicos aguas residuales porcícolas
Parámetro Método Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4
SST (mg/L) Gravimétrico 1416,66 1713,33 2000,4 2156,5
PH PH metro 7,61 7,94 8,41 8,75
AGV (meq/L) Titulación 24,8 22,1 20,5 18,9
Alcalinidad(mg/L) Titulación 957,8 905 1005,4 1324,4
O2 (mg/L) Titulación 0,045 0,036 0,029 0,041
DQO (mg/L) Fotometría 130548,6 154780,4 123964,2 99457,54
DBO (mg/L) Titulación 19546,45 24845,48 19478,7 18456,4
Nitrógeno total(mg/L) Titulación 760,16 780,15 846,45 775,45
Sulfatos(mg/L) Gravimétrico 31,868 36,4 56,45 47,49
La Ecuación 6 describe cómo calcular el volumen de mezcla en un biodigestor anaerobio tipo Taiwán.
Ecuación 6. Volumen de mezcla biodigestor anaerobio tipo Taiwán.
Donde:
Vm = Volumen de mezcla (m
3
).
VTb = Volumen total del biodigestor (m
3
).
30% = Porcentaje de sustrato más inóculo presente en el biodigestor.
La concentración jada es de 3,5g SVT/L, además se toma el valor de SVT de los microorganismos ecien-
tes. Dicho esto, según la Ecuación 1, es necesario inocular el sistema con 265 litros de microrganismos
ecientes al día, con el n de mejorar condiciones de digestión anaerobia y por ende, mejorar la calidad y
cantidad de biogás producido. Cabe destacar que el proceso de arranque del biodigestor es la etapa más
inestable del proceso de digestión anaerobia, por ende, para asegurar una asimilación adecuada del sustra-
to por parte de las bacterias (inóculo) se mantuvo una carga orgánica inicial baja (50 litros de microorga-
nismos ecientes durante los primeros 7 días); posterior a esto se, fue aumentando en un intervalo de 100
litros de microorganismos ecientes hasta llegar a los 265 litros.
3.3 Determinar la eciencia del biodigestor en la etapa de arranque y estabilización en condiciones
psicrofílas en el CIPL. En este contexto, se realizó la toma de la muestra de biogás para su posterior aná-
lisis cromatógraco como lo indica la Figura 6. El análisis cuantitativo de estos picos da como resultado el
porcentaje de cada componente que conforma el biogás; la altura de los picos se obtiene conectando la línea
de base de cada lado del pico por medio de una línea recta, midiendo la distancia perpendicular entre esta
línea y el pico. Por lo cual, se tiene como el 100% las 200 unidades en el eje Y, y posterior a esto, realizamos
una regla de 3 relacionando las alturas (CH
4
= 158 unidades en Y), (H
2
S = 12,5 unidades en Y) y (CO
2
= 28
unidades en Y) de obtenidas en cada pico para hallar el porcentaje. Los porcentajes obtenidos de metano =
79%, ácido sulídrico = 6,25%, dióxido de carbono = 14% (Espíndola
, 2011).
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Figura 6. Análisis cromatográco de biogás.
Posterior a esto, se calculó la masa molecular del biogás teniendo en cuenta el porcentaje de componentes
analizados del biogás (metano, dióxido de carbono y ácido sulídrico), además del peso molecular de cada
uno de estos componentes para aplicar la Ecuación 7.
Ecuación 7. Masa molecular de biogás.
Donde:
MmB = Masa molecular biogás (kg/mol).
%CH
4
= Porcentaje de metano en el biogás (%).
PmCH
4
= Peso molecular del metano (kg/mol).
%CO
2
= Porcentaje de dióxido de carbono en el biogás (%).
PmCO
2
= Peso molecular del dióxido de carbono (kg/mol).
%H
2
S = Porcentaje de ácido sulídrico en el biogás (%).
PmH
2
S = Peso molecular de ácido sulídrico (kg/mol).
Dicho esto se procedió a calcular la masa molecular del biogás.
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Análisis del arranque y estabilización de un biodigestor anaerobio Taiwán en condiciones psicrólas en el SENA (Nariño-Colombia)
Teniendo en cuenta el volumen del biodigestor descrito en la Tabla 4, se puede obtener el parámetro de
presión en el sistema.
Tabla 4. Parámetros de diseño biodigestores
Parámetro Biodigestor 1 Biodigestor 2 Total
Longitud 15m 15m 30m
Diámetro 1m 1m 2m
Volumen total biodigestor 11,781m
3
11,781m
3
23,562 m
3
Dicho esto, el biogás tiene una densidad de 1,08 kg/m
3
y en los biodigestores anaerobios ocupa del 60 al
70% del volumen total del biodigestor, por lo cual se procedió a encontrar la masa de biogás en el sistema
con un 70% del volumen total del sistema con la Ecuación 8.
Ecuación 8. Masa del biogás producido en el sistema.
Donde:
Vtr = Volumen total reactor (m
3
).
p = Densidad del biogas. (kg/m
3
).
Posterior a esto, se calcularon las moles reales del biogás en el sistema con la Ecuación 9.
Ecuación 9. Moles de biogás.
Después se calculó la presión barométrica, con una temperatura promedio interna de 28,25°C con la Ecua-
ción 10.
Ecuación 10. Presión manométrica biogás (gases ideales).
Por ende, se halló la presión absoluta del biogás en el sistema que será igual a la presión atmosférica más
la presión manométrica como lo describe la Ecuación 11.
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Ecuación 11. Presión absoluta del biogás.
Debido a la alta presión que se presenta en el sistema (2,013 atm), el biogás generado se tuvo que quemar
diariamente en un periodo de 10 a 15 minutos con el n de evitar que el aumento de esta presión provo-
que estallidos o fugas en el sistema; además, se pudo observar que este periodo es el promedio para que
los biodigestores disminuyan su presión y por ende, que la digestión anaerobia retome la producción de
biogás en el día siguiente.
4. Discusión
Los valores del test AME para cada lodo demostraron que se debe hacer un experimento unifactorial de
efectos jos completamente al azar, a través de una prueba no paramétrica (Kruskal Wallis), con un 95% de
conanza. Al realizar esta prueba estadística, se obtuvieron dos hipótesis, las cuales giran en torno a la
variable de agrupación de inóculo llamada “signicancia” (p). Si esta es mayor a 0,05 se acepta la primera
hipótesis (no hay diferencia al utilizar cualquiera de los 3 tipos de inóculos escogidos en la investigación);
y si esta es menor a 0,05 se acepta la segunda hipótesis (hay diferencia al utilizar los 3 tipos de inóculos
escogidos).
Los resultados arrojados por el test dan una signicancia (p) de 0,393 por lo cual se aceptó la primera
hipótesis, y se seleccionó el inóculo de preferencia que el investigador consideró, que en este caso fue el
microrganismo eciente.
Dicho esto se pudo realizar un protocolo de inoculación que en un n fue necesario para controlar el
proceso anaerobio y por ende, tener una buena producción de biogás; en este mismo sentido, la Tabla 5
representa las relaciones más importantes de los parámetros evaluados durante las cuatro semanas de
seguimiento del biodigestor.
Tabla 5. Relaciones de control en el biodigestor y su réplica
Relación Establecida Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4
DBO/N/S=800/7/1 800/31/1,3 800/25/1,5 800/35/1,5 800/34/1,6
AGV/alcalinidad > 0,8 0,026 0,014 0,020 0,024
Como se puede observar, la relación DBO/N/S no cumple con los estándares establecidos según la literatura téc-
nica para una DQO > 2.500 mg/L, debido a los valores del nitrógeno total exceden en un promedio de 4,5 veces
más al establecido; este es importante para el crecimiento bacteriano, pero una concentración excesiva puede
limitar el crecimiento; se puede explicar este desfase de relaciones debido a que el sistema trabaja a un pH que
tiende a ser más alcalino que acido.
Además, se puede conrmar esto debido a la relación AGV/ alcalinidad. Ya que en las 4 semanas de segui-
miento las relaciones se mantuvieron por debajo del valor de 0,8, por lo cual el sistema no tendrá posibili-
dades de trabajar en un medio acido si no alcalino, lo cual es bueno en parte, ya que un aumento en la con-
centración de ácidos volátiles en el sistema, signica una desestabilización del proceso y, en consecuencia,
una disminución de la producción de biogás, pero la alcalinización también puede causar inhibición, ya
que al aumentar el pH se va a favorecer la formación de amoniaco (por lo cual se explica un aumento del N
en la relación) que, en elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento microbiano ya mencionado.
Dicho lo anterior, fue necesario hacer seguimiento del pH para controlar el aumento de nitrógeno amoniacal
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y por ende, la inhibición en la digestión anaerobia que no supere el valor de 8, que en este caso, para las sema-
nas 3 y 4 no cumple con este ítem y como se observa en estas semanas, la alcalinidad también aumentó. Por
ello, se hace necesario reducir la periodicidad de inoculación en el sistema; por último tenemos los sulfatos,
que según la literatura técnica, valores entre 0 y 50mg/L aseguran una óptima digestión anaerobia, y que en
este caso, en la tercera semana superó este valor. Esto debe ser de alto cuidado, debido a la toxicidad que se
puede dar en el sistema, además, la digestión anaerobia se inhibe.
Ya puesto en marcha el sistema, se vericó la estabilidad; el cálculo de moles de biogás que son producidas
teóricamente fue de utilidad para comparar la relación de DBOU con el volumen de metano producido
en el sistema, por lo cual se hizo seguimiento de la DBOU de la mezcla durante las 4 semanas del mes de
junio. Los datos obtenidos se pueden observar en la Tabla 5; además, el volumen de metano en el sistema
fue calculado a través de la Ecuación 12.
Ecuación 12. Volumen de metano en los biodigestores.
Donde:
VCH
4
= Volumen de metano en el biodigestor (m
3
).
Vbiodigestor = Volumen de biodigestores (m
3
).
%biogás = porcentaje de biogás contenido en los biodigestores.
% CH
4
= porcentaje de metano contenido en el biogás.
Tabla 5. Parámetros sicoquímicos aguas residuales porcícolas
Parámetro Método Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4
DBOU (Kg/m
3
) titulación 14,2 17,2 14,3 15
Promedio DBOU
15,175 kg/m
3
La literatura técnica demuestra que 1kg/m
3
estabilizado anaeróbicamente va a producir 0,34 m
3
de CH
4
(Aquino et al., 2007), por lo cual se hizo un promedio de la DBOU medida para cada semana, con el n de
comprobar si la relación cumple, para esto se utilizó la Ecuación 13.
Ecuación 13. Volumen teórico de metano en el sistema
Donde:
VtbCH
4
= Volumen teórico de metano en el sistema (m
3
).
Prom DBOU = Promedio de DBOU en el mes de junio (kg/m
3
).
VtlCH
4
= Volumen total de metano por la literatura técnica (0,34m
3
).
lDBOU = concentración de DBOU dada por la literatura técnica (kg/m
3
).
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Con los cálculos anteriores se arma que el volumen real de metano producido en los biodigestores te-
niendo en cuenta la DBOU, es 2,52 veces mayor al metano que se debió estar produciendo teóricamente, la
explicación de esto, es que el sistema está expuesto a una alta tasa de desestabilización y grandes concen-
traciones de nitrógeno que conllevaron a una variabilidad entre los datos reales obtenidos y los datos que
teóricamente se deben obtener. Por ende, la eciencia de los biodigestores será mayor al doble que la dicha
por la literatura técnica y tendrá una calidad de biogás excelente, debido al porcentaje de metano que está
en un 79%.
5. Conclusiones
Los 3 lodos anaerobios analizados demostraron potencialidad a la hora de producir metano según el ensayo
AME; dicho esto el método estadístico de kruskall wallis demostró que no importa qué lodo anaerobio se escoja,
la cantidad producida de este será similar debido a la cantidad de sustrato que se debe aplicar.
Las condiciones psicrólas tienen la ventaja con respecto a condiciones mesolas o termólas, esto se debe a
la alta estabilización del sistema en el proceso de digestión anaerobia. Dicho esto, al cambiar estas condiciones
psicrólas a mesolas, se observa un aumento en la alcalinidad y pH del sistema, lo cual indica la presencia de
inhibidores de la digestión anaerobia y producción de ácido sulídrico que alteraron la calidad y cantidad de
producción de metano.
La presencia de nitrógeno excesivo en el sistema se debe al aumento de la alcalinidad, que por las diferen-
tes reacciones químicas presentes, transforman este elemento en nitrógeno amoniacal; trayendo como con-
secuencia la competición de las bacterias metanogénicas con las acetogénicas por el sustrato y por ende,
disminuyendo la cantidad de metano producido. Esto causa el aumento de dióxido de carbono en el biogás.
El análisis cromatográco arrojó resultados de un 79% de metano del total de biogás producido en el sis-
tema, lo cual indica que el sistema adecuó condiciones óptimas para llevar a cabo la digestión anaerobia
en sus cuatro fases.
La presión de salida del biogás es 2,013 atm, esto indica que por un tiempo de 1 a 15 minutos diarios, el
biodigestor puede producir la combustión del biogás. Después de este intervalo, la presión barométrica
disminuye causando disminución de la presión total de salida del biogás y en consecuencia, el desina-
miento de los biodigestores.
Según la hipótesis planteada, se concluye que la selección del M.E para inocular los biodigestores, fue una
forma óptima de reducir el tiempo en el cual los biodigestores se estabilizan, ya que según la literatura téc-
nica, se necesitan de periodos entre los 30 a 60 días para que los biodigestores adapten el régimen anaerobio,
y como se puede observar, los biodigestores anaerobios tipo Taiwán en el CIPL, lograron una estabilización
en un periodo de 3 semanas.
6. Conicto de intereses
Los autores de este artículo declaran no tener ningún tipo de conicto de intereses sobre el trabajo pre-
sentado.
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