ESTUDIO DE LA PRODUCCION DE METANO A PARTIR DE …

ESTUDIO DE LA PRODUCCION DE METANO A PARTIR DE POLLINAZA VIA DIGESTION ANAEROBIA

DIANA CAROLINA RAMOS FALLÚ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTA D.C. -COLOMBIA 2010

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DIANA CAROLINA RAMOS FALLÚ

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERÍA AMBIENTAL

ASESOR: Msc. MARIO ANDRÉS HERNÁNDEZ PARDO

COASESOR Msc. DIANA CAROLINA CALVO MARTINEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA D.C. - COLOMBIA

2010

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A mis papás, hermana, primos, tía.

Muchas gracias por su apoyo incondicional.

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AGRADECIMIENTOS

Presento mis sinceros agradecimientos al Msc. Mario Andrés Hernández

Asesor de este trabajo, ya que sus aportes y su ayuda incondicional, siempre

oportuna, me permitieron llevar a cabo este proyecto. A la Msc. Diana

Carolina Calvo, co-asesora del proyecto por su valiosa cooperación para la

realización de esta tesis. A CoopVencedor, en cabeza de su Gerente, el Ing.

Carlos Paz, por la confianza y el apoyo que me brindó y su colaboración para

el suministro de la materia prima necesaria para los montajes del proyecto.

Asimismo, agradezco al Médico-Veterinario David Villa quien siempre estuvo

dispuesto a proporcionarme información importante. Finalmente, a los

integrantes del Laboratorio de Ingeniería Civil y Ambiental quienes me

colaboraron en la realización de los diferentes ensayos de laboratorio

necesarios para este trabajo.

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 7

1. MARCO TEÓRICO ................................................................................... 8

1.1. Introducción ....................................................................................... 8

1.2. Proceso de digestión ....................................................................... 10

1.3. Factores que influyen en la producción de biogás. .......................... 13

1.3.1. Temperatura ................................................................................. 13

1.3.2. pH ................................................................................................. 15

1.3.3. Toxicidad ...................................................................................... 15

1.4. Sistemas de digestión anaerobia: reactores. ................................... 17

1.4.1. Reactores tipo Batch .................................................................... 18

1.4.2. Reactor de flujo continuo (CSTR) ................................................. 19

1.4.3. Reactores de flujo pistón con y sin turbulencia ............................. 20

1.5. Potencial de producción de biogás por medio de sustratos agroalimentarios. ....................................................................................... 21

1.5.1. Co-digestión ................................................................................. 23

1.5.2. Potencial de producción de biogás a partir de pollinaza ............... 24

1.5.3. Pollinaza como sustrato para digestión anaerobia ....................... 25

1.5.4. Pollinaza utilizada en el estudio: residuos procesos de engorde Granjas Pollos Vencedor ........................................................................... 27

1.5.4.1. Características propias de la Granja Barlovento ....................... 27

2. DISEÑO EXPERIMENTAL ..................................................................... 31

2.1. Metodología experimental ................................................................... 31

2.1.1. Ensayos preliminares....................................................................... 32

2.1.2. Ensayos planteados ........................................................................ 32

2.2. Montaje de ensayos ............................................................................ 33

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2.2.1. Descripción del montaje................................................................... 33

2.2.2. Parámetros del proceso ................................................................... 35

2.2.2.1. Sustrato ........................................................................................ 35

2.2.2.2. Temperatura ................................................................................. 36

2.2.2.3. Agitación ....................................................................................... 36

2.2.2.4. Inóculo .......................................................................................... 37

2.2.3. Medición de variables ...................................................................... 38

2.2.3.1. Análisis de la fase gaseosa .......................................................... 38

2.2.3.2. Análisis de la fase líquida ............................................................. 39

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................ 40

3.1. Ensayos preliminares .......................................................................... 40

3.2. Análisis de montajes planteados ......................................................... 47

3.2.1. Montaje 1 (15% de sólidos y 50 mL de inóculo) .............................. 47

3.2.2. Montaje 2 (15% de sólidos y 100 mL de inóculo) ............................ 52

3.2.3. Montaje 3 (25% de sólidos y 50 mL de inóculo) .............................. 57

3.2.4. Montaje 4 (25% de sólidos y 100 mL de inóculo) ............................ 60

3.3. Compilación resultados producción de biogás y metano .................... 62

4. PROYECCIONES .................................................................................. 63

CONCLUSIONES ......................................................................................... 64

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 66

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INTRODUCCIÓN

Las empresas del sector avícola en su empeño por reducir el impacto

ambiental, producido por los subproductos del proceso, han venido

desarrollado técnicas para el tratamiento y utilización de estos residuos.

Entre las alternativas se tiene el uso como materia prima para la producción

de alimento para la misma industria o insumos para otras industrias que

utilizan subproductos orgánicos (aceite de pollo) para la producción de

cosméticos.

En el caso concreto del proceso de levante y engorde de pollos, se originan

residuos producto de la mezcla de los materiales que conforman el piso de

cada galpón y el estiércol de las aves, durante el tiempo de permanencia en

los galpones. Esta mezcla p , una vez terminado el

levante de cada lote, se desinfecta y se utiliza para otros dos lotes, después

de los cuales se retira y se utiliza como abono orgánico.

En las dos primeras semanas del proceso de levante del pollo, se requiere

mantener a cierta temperatura el ambiente donde crecen los pollitos desde

su primer día de nacimiento. Esto se logra actualmente, mediante la

utilización de quemadores que utilizan gas licuado del petróleo (GLP).

Este proyecto, tiene como objetivo analizar a nivel de laboratorio, la

capacidad de producción de gas metano de la pollinaza mediante un proceso

de digestión anaerobia y de esta manera analizar la factibilidad de reemplazo

del combustible actualmente utilizado (propano), para el calentamiento del

ambiente

perteneciente a la Cooperativa Pollos Vencedor.

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1. MARCO TEÓRICO

1.1. Introducción

La digestión anaerobia consiste en la degradación de la materia orgánica por

medio de diferentes microorganismos en ausencia de oxígeno.

Generalmente, los principales productos del proceso son metano (50-80%),

dióxido de carbono (20-50%), pequeñas cantidades de amoniaco y ácido

sulfhídrico y un lodo estabilizado1. Esta mezcla de productos gaseosos es

llamada comúnmente biogás.

La producción de biogás, se da de forma natural y ocurre en diferentes

ambientes anaerobios. Estos ambientes incluyen sedimentos de agua marina

y dulce, drenaje urbano, lodo etc. Este biogás puede ser utilizado para

generar diferentes formas de energía (calor y electricidad) así como

combustible, ya que su poder calorífico oscila entre 4500-6000 kcal/m3.

El proceso de biogás se ha utilizado por muchos años, pero especialmente

después de 1970 cuando los precios de la energía incrementaron

dramáticamente, se vio la necesidad de buscar formas alternativas de

energía para poder reducir la dependencia en los combustibles fósiles.

Aunque los precios energéticos disminuyeron a partir de 1985, el interés en

la generación de biogás sigue creciendo debido a los beneficios ambientales

de la degradación anaerobia de residuos.

La degradación anaerobia se usa generalmente para la producción de

energía y para el tratamiento de residuos. Es usado en sistemas cerrados,

con condiciones óptimas y controladas, para que los microorganismos

puedan establecerse. El proceso puede ser utilizado para la degradación

1 Pascual A. & Ruiz V, Digestión Anaerobia de Pollinaza, AINIA Centro Tecnológico, 1999.

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rápida y eficiente de diferentes residuos. La degradación anaerobia es usada

en la actualidad en cuatro sectores de tratamiento de residuos (Angelidaki &

Ellegaard, 2003):

Tratamiento primario y secundario de lodo producido durante el

tratamiento aerobio de aguas residuales municipales. El proceso es

utilizado para estabilizar y reducir la cantidad final de lodo y al

mismo tiempo, producir biogás que puede ser utilizado parcialmente

para cubrir las necesidades energéticas de la planta de tratamiento.

Tratamiento del agua residual industrial producida por biomasa,

procesamiento de comida o en procesos de fermentación.

Generalmente, este tipo de aguas residuales exceden los límites

permisibles de la normatividad, por lo que el tratamiento anaerobio

es una buena opción antes de disponerlas directamente al ambiente

o al sistema de drenaje. El biogás producido puede ser usado para

generación de energía.

Tratamiento de residuos de ganadería para producir energía y para

mejorar las cualidades de fertilizante del estiércol. Debido a la

problemática de uso, almacenamiento y disposición de este residuo,

esta aplicación está creciendo especialmente en lugares donde la

ganadería predomina.

Un uso relativamente nuevo del proceso anaerobio es el tratamiento

de la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales. El

objetivo principal de este proceso es reducir la cantidad de residuos

en rellenos sanitarios o en los procesos de incineración.

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1.2. Proceso de digestión

El proceso de degradación en el que se produce biogás, que puede durar

entre 30 y 45 días, ocurre en cuatro etapas: desintegración e hidrólisis,

acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Cada proceso es diferente, por

lo que las bacterias que intervienen en cada uno no son iguales.

La desintegración e hidrólisis son procesos biológicos extracelulares que

permiten el rompimiento y solubilización de compuestos orgánicos complejos

a sustratos solubles. Entre esos sustratos se encuentran los lípidos,

carbohidratos y proteínas. Asimismo, los productos de la desintegración

enzimática de estos tres compuestos son los monosacáridos, aminoácidos y

ácidos grasos de cadena larga. Cada proceso es catalizado por enzimas que

son producidas directamente por el organismo beneficiándose de los

productos solubles.

El siguiente proceso, la acidogénesis (fermentación) es definido como la

producción de ácido por medios microbianos. Esto incluye la degradación de

azúcares solubles y aminoácidos en productos más simples como los ácidos

grasos volátiles (AGV ).

Durante la acetogénesis son convertidos en acetato por medio de

las bacterias acetogénicas e hidrógeno por algunas bacterias del género

Clostridia.

Finalmente, en la metanogénesis, las bacterias acetoclásticas e

hidrogenofílicas actúan para convertir el ácido acético y el hidrógeno

producidos en durante la acetogénesis en metano. En la Figura 1 se

presenta el modelo esquemático del proceso de digestión anaerobia.

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Figura 1: Modelo conceptual ADM1 (Batstone, et al., 2002)

Los sustratos usados en la digestión anaerobia, pueden ser usados

directamente o tener tratamiento previo (Figura 2). En los últimos años, se ha

venido realizando diferentes estudios para encontrar formas de optimizar el

desempeño de los digestores que tratan diferentes residuos. Estos han

encontrado una relación directa entre el pre-tratamiento y la producción de

biogás. (Mata-Alvarez, et, al. 2000)

Existen diversas opciones de pre-tratamiento entre los cuales se encuentran

métodos mecánicos (separación manual, corte, mezcla), térmicos, químicos,

biológicos, enzimáticos y de higienización (i.e. residuos de matadero)

(Pascual & Ruiz, 2006).

Entre los métodos biológicos se encuentra el pre-compostaje. Un caso

específico es el del compostaje de la lodo seco proveniente de pulpa

(Capela, Azeiteiro, Arroja, & Duarte, 1999). Este estudio demostró que el

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compostaje previo a la digestión anaerobia aumenta la producción de metano

y a su vez reduce la cantidad de sólidos a comparación del lodo no tratado.

Por otro lado, Hasegawa & Katsura (1999) reportaron un incremento del

50% en la cantidad de biogás al exponer el lodo solubilzado a temperaturas

temofílas (>45°C) en condiciones aerobias antes de seguir con el tratamiento

anaerobio.

Rademacher et, al. (1999) estudiaron la adición de enzimas complejas a los

lodos del drenaje urbano; demostraron que añadir estas enzimas, la etapa de

hidrólisis mejora significativamente. Sin embargo, no se estudió la viabilidad

económica, que es uno de los puntos claves cuando se realiza un pre-

tratamiento.

Uno de los pre-tratamientos mecánicos más utilizados es la separación de

partículas de mayor tamaño dejando las más pequeñas. Esto mejora

significativamente la producción de gas, especialmente en sustratos que

contienen altas cantidades de fibra y baja degradabilidad. También, la

reducción de tamaño ayuda a agilizar la degradación. (Palmowski & Muller,

1999). Por otro lado, Hartmann et, al. (1999) encontraron que al macerar el

estiércol de ganado (que tiene alto contenido en fibra) se obtiene un

incremento del 25% en la producción de biogás. Los autores recomiendan

este método por el aumento en la degradabilidad de la fibra y por su bajo

costo de operación.

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Figura 2: Proceso genérico digestión anaerobia (Pascual & Ruiz, 2006)

1.3. Factores que influyen en la producción de biogás.

El proceso de biogás es un proceso biológico complejo y está influenciado

por diversos factores ambientales.

La interdependencia de las bacterias es un factor clave en el proceso de

biogás. En condiciones de operación inestables, productos intermedios como

interfiriendo así en la producción del gas. Los factores más importantes que

pueden influir en la producción de biogás son el pH, la temperatura, la

composición del sustrato y las toxinas.

1.3.1. Temperatura

La temperatura es uno de los principales factores ambientales que afectan el

crecimiento de las bacterias. Las bacterias anaerobias se afectan de la

misma manera que las aerobias. Las tasas de crecimiento incrementan con

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el incremento de la temperatura hasta cierto límite mientras que se acercan a

ese límite, tienden a decrecer lentamente. Además, la temperatura influencia

parámetros físicos como la viscosidad, tensión superficial y la transferencia

de masa. Asimismo, es de suma importancia tener una estabilidad en la

temperatura ya que un cambio relativamente pequeño en la temperatura

puede resultar en una caída de la eficiencia del proceso perdiendo así la

adaptación previamente alcanzada.

El tratamiento de residuos en reactores anaerobios se lleva normalmente en

dos rangos de temperaturas: entre 25 y 40°C (rango mesófilo) y mayores a

45°C (termófilas). En temperaturas superiores a 45°C la rata de digestión es

mayor por lo que se requieren menores tiempos de retención, reactores de

menores volúmenes son necesitados para tratar la misma cantidad del

residuo, mayor eficiencia en la etapa de la hidrólisis y mayor destrucción de

patógenos.

La temperatura tiene un efecto positivo en la tasa de digestión por lo que se

generan mayores cantidades volumétricas de metano. Se ha encontrado que

la tasa de producción de metano incrementa 2.6 veces cuando la

temperatura se incrementa de ambiente a 30°C y 3 veces más si se

incrementa de de 30 a 40°C (Angelidaki & Ellegaard, 2003).

Sin embargo, cuando se está trabajando con residuos netamente orgánicos,

los cambios en la temperatura no afectan en gran proporción la producción

de metano y los cambios sólo pueden ser apreciables si se disminuyen los

tiempos de retención disminuyen.

El proceso de metanogénesis también es posible a temperaturas menores de

25°C pero la producción de biogás es muy lenta. Las bacterias anaerobias se

pueden adaptar fácilmente a bajas temperaturas y algunos ensayos han

demostrado alta eficiente en el tratamiento de residuos.

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1.3.2. pH

La digestión anaerobia, está limitada a un intervalo relativamente pequeño de

pH interno entre (6.0-8.5); un pH por fuera de este rango genera problemas

en la degradación.

Cada uno de los grupos microbianos involucrados en el proceso de

degradación tiene un pH óptimo y pueden crecer en un rango de pH

específico. Las bacterias metanogénicas y acetogénicas tienen un pH óptimo

entre 6,7 y 7,4 mientras que las acidogénicas de 6. En pH menor a 6.6, las

bacterias metanogénicas crecen lentamente.

En reactores anaerobios, la inestabilidad puede llevar a una acumulación de

capacidad amortiguadora de algunos sustratos. En estiércol predomina la

que afecte el pH. Esto significa que cuando en el reactor se presenten bajos

pH, la concentración de ácidos grasos volátiles puede ser muy alta por lo que

el proceso puede haber sido afectado.

Existen muchos factores que afectan el pH. Ácidos orgánicos y dióxido de

carbono los que bajan el pH, mientras que el amoniaco ayuda a subir el pH.

Otros compuestos que pueden afectar el pH son el ácido sulfhídrico y los

fosfatos.

1.3.3. Toxicidad

Diversos compuestos son tóxicos para los microorganismos anaerobios. Las

bacterias metanogénicas son muy sensibles a la toxicidad de los

microorganismos en un proceso de digestión anaerobia. Sin embargo, el

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proceso se puede aclimatar y mayores concentraciones de compuestos

tóxicos pueden ser toleradas después de un periodo de adaptación. El

inhibidor más común es el amoniaco. En la digestión anaerobia, el amónico

se origina del amoniaco soluble del efluente, de la degradación de las

proteínas y otros compuestos como urea. Muchos sustratos usados para el

tratamiento de anaerobio contienen amoniaco en concentraciones tóxicas.

Entre esos sustratos se encuentran el estiércol de cerdo y de aves, residuos

de mataderos, papas, jugos, aguas residuales de la licuefacción del carbón,

entre otros. Los niveles de amoniaco como inhibidor son difíciles de controlar

ya que depende también de la temperatura, el pH y del inóculo. Se sabe que

el pH tiene un efecto importante en la inhibición por amoniaco. La Figura 3

muestra dicho efecto para diferentes temperaturas.

Figura 3: Influencia de la temperatura y el pH en la disociación del NH3 (Angelidaki & Ellegaard,

2003)

Por otro lado, la relación entre el carbono y nitrógeno es importante para la

estabilidad del proceso. Una relación entre 25 y 32 puede tener un efecto

positivo en la generación de metano. Una relación baja entre estos dos

componentes (mayor concentración de nitrógeno), puede generar una

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inhibición en el proceso. Residuos con una concentración alta de Demanda

Química de Oxígeno (DQO) y bajo contenido de nitrógeno como los efluentes

de las fábricas de aceites de oliva, se ha demostrado que no se pueden

degradar sin ayuda de otro sustrato.

Tratamiento anaerobio de aguas residuales que contienen altas

concentraciones de sulfatos pueden llegar a ser tóxicas para el proceso.

obstante, la presencia de material particulado puede aumentar la resistencia

son absorbidos por las diferentes

partículas haciendo que estos no actúen como inhibidores.

Otros compuestos orgánicos como fenoles, cloroformo y metales pesados

(concentraciones entre 10-3 y 10-4 M) pueden afectar a los microorganismos

anaerobios.

1.4. Sistemas de digestión anaerobia: reactores.

El proceso de digestión anaerobia se realiza en digestores anaerobios

(ausencia de oxígeno) cuyo diseño varía dependiendo de las necesidades

del proceso. Por ejemplo, si el sustrato es muy húmedo, se usarán sistemas

de digestión húmeda, normalmente de mezcla completa o si por el contario,

es de digestión seca, el diseño se basará en sistemas de flujo pistón. Otra

variable es el tiempo retención, lo cual puede generar otro tipo de diseño:

sistemas continuos o discontinuos. También la temperatura puede variar por

lo que pueden ser sistemas que trabajen en el rango mesófilos (35-40°C) o

termófilos (alrededor de 55°C). Por otro lado, el proceso se puede separar en

diferentes reactores (menor tiempo de degradación) o simplemente en un

reactor. A continuación se presentan algunos ejemplos de reactores y sus

principales características:

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Tabla 1: Características de los reactores ideales (Gujer, 2008)

1.4.1. Reactores tipo Batch

Este tipo de reactor, tiene un volumen y mezcla (homogénea) constantes. No

tiene entradas ni salidas y el intercambio de materia con el exterior es muy

limitado, lo cual no afecta el volumen dentro del reactor. Los reactores Batch

son probados en tubos de laboratorio (generalmente en sistemas cerrados).

La Figura 4 muestra de forma esquemática cómo es este tipo de reactor.

Figura 4: Representación esquemática de reactor Batch (Gujer, 2008)

Asimismo, una secuencia de reactores Batch (SBR) o reactores de flujo

continuo de volumen variable, tienen diferentes caudales de entrada y de

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salida por lo que su volumen es variable. Generalmente, las variaciones de

los caudales de entrada y de salida son controladas. Durante el primer

periodo, el sustrato puede llenar el reactor y el afluente es almacenado.

Después, sin necesidad de volver a alimentar el reactor, las reacciones

dentro de este se dejan proseguir hasta que se necesite y luego el reactor es

vaciado. El contenido del reactor está mezclado constantemente por lo que

no hay gradientes en las variables de estado.

Figura 5: Representación esquemática de SBR (Gujer, 2008)

Este tipo de reactor es particularmente aplicable al proceso de lodos

activados donde la generación de aguas residuales es intermitente

(poblaciones pequeñas o industrias). Sin embargo, se puede hacer a gran

escala usando muchos reactores en paralelo. (Rodriguez, 2009)

1.4.2. Reactor de flujo continuo (CSTR)

Análogamente con el reactor tipo Batch, el reactor CSTR (Figura 6) tiene

volumen constante, mezcla completa, los caudales de entradas son iguales a

las salidas y la concentración de salida es igual a la concentración que se

presenta dentro del reactor.

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Figura 6: Representación esquemática del reactor CSTR (Gujer, 2008)

Una serie de varios , que combinados funcionan como uno

solo, se llaman reactores de flujo cascada. Este es usado generalmente en el

tratamiento de aguas. Cada reactor es un subsistema y si se unen más de 6

reactores en paralelo (Gujer, 2008), el sistema funciona igual que un reactor

de flujo pistón (1.4.3)

Figura 7: Representación esquemática del reactor en cascada (Gujer, 2008)

1.4.3. Reactores de flujo pistón con y sin turbulencia

Los reactores de flujo pistón sin turbulencia (Figura 7) difieren con los otros

reactores en que los procesos internos de transporte van en la dirección de

flujo por lo que predomina la advección. Por lo anterior, se considera que hay

mezcla completa sólo en la dirección transversal de flujo.

Figura 8: Representación esquemática del reactor de flujo pistón (Gujer, 2008)

Por otro lado, en los reactores de flujo pistón con turbulencia (), en la

dirección de flujo, ocurre advección y se tiene un grado limitado de mezcla

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por la turbulencia. Generalmente, los reactores son afectados por la

turbulencia y la dispersión inducida en el proceso, por lo que se puede

producir fenómenos como aireación, floculación y sedimentación que afectan

el resultado esperado. Para mejorar esta situación se puede hacer

recirculación.

Figura 9: Representación esquemática de un reactor de flujo pistón con turbulencia (Gujer,

2008)

1.5. Potencial de producción de biogás por medio de sustratos

agroalimentarios.

Casi todos los residuos de la industria de alimentos agrícolas tienen un alto

potencial de producción de biogás. En la Figura 10 se muestra la producción

de biogás para diferentes sustratos de la industria agroalimentaria.

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Figura 10: Producción de Biogás a partir de sustratos agroalimentarios

Sin embargo, para que estos sustratos puedan producir cierta cantidad de

biogás, deben cumplir diversas condiciones, pero la principal es que sean

rápidamente degradables en condiciones anaerobias. Residuos como la

madera, cuyos componentes principales son la lignina y la celulosa son muy

difíciles de degradar por lo que no se recomienda utilizarlo como sustrato.

Por otro lado, si se quiere transportar el sustrato mediante bombas, el

porcentaje de sólidos debe estar entre 2 y 15%. Si supera este porcentaje

debe tener un tratamiento previo, por lo que se recomienda (por facilidad y

costos) hacer una dilución del sustrato (Murillo, 1999). Asimismo, el

contenido de nutrientes debe ser estable para favorecer la producción de

bacterias metanogénicas. Como se mencionó en la sección 1.3.2, el pH debe

estar

producidos en la fase de acetogénesis sean estabilizados. De la misma

manera, para que el proceso se dé de forma estable, no deben existir en los

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sustratos, bactericidas ni sustancias inhibidoras (sección 1.3.3). En cuanto a

factores económicos, se debe garantizar que la producción del residuo sea

constante y que esté próxima al sitio de utilización.

1.5.1. Co-digestión

Una opción interesante para aumentar la producción de biogás de la

digestión anaerobia de diferentes residuos es la co-digestión. Esto es, el uso

de un co-sustrato, que la mayoría de los casos, favorece la obtención del gas

dado que se genera una sinergia positiva entre el medio de digestión y el

suministro de nutrientes por parte del co-sustrato. Adicionalmente, el uso de

co-sustrato ayuda a mantener la humedad en el digestor.

La co-digestión de estiércol y residuos de la agroindustria ha sido tratado

ampliamente en Dinamarca donde alrededor de 20 plantas aplican la co-

digestión de diferentes sustratos desde 1980. (Mata-Alvarez, et. al, 2000).

Por otro lado, se ha usado los co-digestión para resolver diferentes

problemas de inhibición de sustancias. Por ejemplo, Krylova et. al, (1997)

utilizaron estiércol de ganado para solucionar el problema de inhibición por

amoniaco durante la digestión anaerobia de estiércol de pollo. Muchos

autores han experimentado con estiércol de ganado y otros residuos

orgánicos. En términos de producción de biogás, la co-digestión de desechos

de frutas y verduras y desperdicios de la industria pesquera, producen

mayores cantidades de biogás si se hace una co-digestión con estiércol de

ganado.

Actualmente, es común en países como Alemania y Austria (Pascual & Ruiz,

2006) que la digestión anaerobia se realice combinando dos o más residuos.

Esto debido a que en ciertos lugares hay limitación de un producto o

simplemente para acelerar el proceso o generar mayor producción de biogás.

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El uso habitual del biogás es la producción de electricidad y calor mediante

su uso en motores de cogeneración. En los últimos años se ha venido

utilizando como combustible para vehículos, en pilas de combustible y como

inyección en la red de gas natural. Para que sea posible el uso, el biogás

debe presentar ciertas características. Estas se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2: Características del biogás requeridas en función de su uso (Pascual & Ruiz, 2006)

1.5.2. Potencial de producción de biogás a partir de pollinaza

Se denomina pollinaza al estiércol de los pollos, generado en el proceso de

engorde del mismo. Un pollo produce aproximadamente 45 g/estiércol por

día (Bellver & Quattrini, 2003).

El contenido de humedad de la pollinaza en aves criadas en piso se

encuentra generalmente en un 15 y un 25% (Murillo, 1999). Dependiendo de

la época del año (meses de lluvia o secos), esta puede aumentar o disminuir.

En granjas donde los galpones tienen bebederos automáticos, la humedad

es menor porque estos bebederos impiden el desperdicio de agua.

Asimismo, si los galpones están dotados con techos en buen estado, durante

época de lluvia impide, el paso del agua, por lo que la humedad baja.

La cantidad de pollinaza tiende a ser menor cuando las aves están en piso

ya que estas contienen

diferentes materiales (cascarilla de arroz, aserrín o viruta) que aumentan el

volumen de la pollinaza. Estos materiales puede afectar la composición

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química del material. A continuación (Tabla 3) se presentan análisis físico-

químicos de gallinaza y pollinaza.

Tabla 3: Análisis químico de pollinaza y gallinaza con diferentes materiales usados como cama.

(Murillo, 1999)

1.5.3. Pollinaza como sustrato para digestión anaerobia

Tabla 4: Parámetros fisicoquímicos de la Pollinaza (Estrada Pareja, 2002)

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La pollinaza tiene un gran contenido de nitrógeno por lo que durante el

proceso de digestión anaerobia se produce una gran cantidad de amoniaco

que puede llegar a inhibir la producción de biogás (usando entre 6-10% de

sólidos las cantidades máximas de amoniaco deben oscilar entre 1750 y

2730 mg/l para que la producción de metano sea mayor a 59% (Webb &

Hawkes, 1985))

que se suma al efecto inhibidor del nitrógeno. Estos dos factores hacen difícil

la utilización de la pollinaza como sustrato por lo que se recomienda la co-

digestión con otro sustrato (sección 1.5.1).

En plantas agroindustriales donde se utiliza la pollinaza como sustrato, la

proporción de este en la mezcla se encuentra entre el 3,5 y el 28%. No suele

ser el único sustrato empleado, también se utiliza estiércol porcino, bovino y

otros sustratos de origen vegetal.

Como se mencionó anteriormente, los co-sustratos que generalmente se

emplean son estiércol bovino o porcino, aunque en países como Alemania,

se utilizan todo tipo de residuos orgánicos. En algunos casos se usan

residuos agroalimentarios como grasas y restos vegetales.

que el manejo de éste es más sencillo. Normalmente la pollinaza se

encuentra en forma sólida, por lo que para facilitar el proceso, las plantas de

biogás se ponen en funcionamiento con estiércol líquido vacuno. Además,

una parte de esta mezcla se recircula (aproximadamente 10%) (Pascual &

Ruiz, 2006) manteniendo el sustrato en forma líquida, a pesar que este sea

introducido de forma sólida.

En la literatura se plantea la gran dificultad para degradar un sustrato como

la pollinaza sin ayuda de algún tipo de inóculo. Bujoczek, et. al, (2000),

IAMB 200920 20


27

realizaron un estudio utilizando pollinaza como sustrato y como inóculo, lodo

de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Manitoba-Canadá,

presentando así menores tiempos en la producción de biogás.

La productividad de las plantas de biogás que utilizan pollinaza como

sustrato oscila entre 0,7 y 3,4 3 á / y la cantidad

correspondiente a metano en condiciones normales (15°C y 1 atm) se

encuentra entre 0,3 y 1,9 3/

1.5.4. Pollinaza utilizada en el estudio: residuos procesos de

engorde Granjas Pollos Vencedor

Este proceso se realiza en granjas compuestas por galpones a los cuales

llegan los pollitos de 1 día de nacidos y mediante procesos de temperatura

controlada, se logra su crecimiento hasta lograr el peso requerido para el

sacrificio aproximadamente 6 semanas después.

Durante las primeras dos semanas los pollitos deben estar a una

temperatura ambiente no inferior a 31

funcionamiento entre 13 y 21 días, dependiendo de la altura sobre el nivel del

mar y la temperatura ambiente de la granja.

1.5.4.1. Características propias de la Granja Barlovento

La granja Barlovento (granja de estudio del proyecto) se encuentra ubicada

en la Vereda Santa Teresa del Municipio de Sasaima. Cuenta con 8

galpones completamente automáticos y cada uno con una capacidad para

30.000 pollos durante 6 semanas. Cada galpón en promedio tiene 125 m de

largo por 16 m de ancho por 0.2 m de profundidad. Estos 20 cm de

IAMB 200920 20


28

profundidad corresponden a la altura del piso del galpón que consiste en una

camilla de cascarilla de arroz o viruta.

Ilustración 1: Galpón Granja Barlovento. Fuente Propia.

Cada galpón contiene comederos mecánicos, silos cónicos, distribuidores de

alimento, bebederos, ventilación de presión negativa (extractores de gas),

criadoras infrarrojas y cortinas para cierre lateral y para cielo raso. Todos

estos equipos son automáticos.

El alimento es una mezcla de diferentes componentes: maíz, torta de soya,

harina de viseras, aceite de palma, gluten de maíz, carbonato de calcio, sal

de mar y lisina. Estos se combinan y luego son expuestos a altas

temperaturas para lograr la consistencia de concentrado requerida.

IAMB 200920 20


29

Ilustración 2: comederos, bebederos, cortinas laterales y cielo raso. Fuente Propia.

En esta granja, lo pollitos necesitan calefacción constante durante los

primeros 13 días: los 3 primeros días tienen que estar a 31 C y cada 3 días

se baja la temperatura 1 C para que al final de este periodo los pollitos estén

a una temperatura de 21 C. Para esto se cuenta con 20 criadoras infrarrojas

por galpón y con 4 tanques de propano (GLP) cada uno de 2000 gal.

Ilustración 3: Criadoras infrarrojas. Fuente Propia

Como se mencionó anteriormente, al final de las seis semanas, los pollos son

llevados a la planta de sacrificio y la camilla que contiene el estiércol

IAMB 200920 20


30

(POLLINAZA), es retirada. Algunas veces estos residuos se desinfectan y se

vuelven a colocar en los galpones (reutilización del material por falta de sitio

de disposición) de lo contrario, se regalan a fincas aledañas como abono. En

total, se genera 3200 m3 de pollinaza cada seis semanas. Sin embargo,

muchas veces no existe como tratar este residuo, por lo que la disposición de

estos ocasiona un problema.

IAMB 200920 20


31

2. DISEÑO EXPERIMENTAL

A continuación se presenta la explicación de la metodología de trabajo, del

montaje experimental, de los parámetros controlados y las variables medidas

durante el proceso.

2.1. Metodología experimental

La metodología para este estudio fue planteada en dos etapas (Figura 11).

En la primera etapa se realizaron ensayos previos para visualizar el

comportamiento de la pollinaza, es decir, que tan rápido se daba la

producción de biogás con o sin la presencia de algún tipo de inóculo, y en la

segunda etapa se tienen los montajes finales del proyecto.

Figura 11: Montaje experimental

IAMB 200920 20


32

2.1.1. Ensayos preliminares

Los ensayos preliminares contemplaron dos tipos de pruebas. La primera

dirigida a la evaluación de la pollinaza como inóculo propio para la

producción de metano (ensayos metanogénesis). Se realizaron dos ensayos

de metanogénesis; en el primer ensayo se realizó un montaje con 1 g de

pollinaza y en el segundo se desarrollaron tres montajes con 1, 3 y 5 g de

pollinaza.

El segundo grupo de pruebas estaba encaminado a tener unos resultados

que evaluaran la viabilidad de los ensayos en cuanto a su operación, montaje

y desarrollo teniendo en cuenta las condiciones de extremo 25% de sólidos y

100 mL inóculo y 25% de sólidos sin inóculo. Para los montajes con inóculo

se decidió utilizar inóculo lodo de la Planta de Tratamiento de Aguas

Residuales (PTAR) de Bogotá.

2.1.2. Ensayos planteados

Dado la gran cantidad de residuo (pollinaza) que se produce en la granja de

Barlovento, se quería determinar cuánto era la cantidad de metano que se

podía producir a partir de este estiércol y así poder aprovechar este residuo

para la obtención de biocombustible, de utilidad dentro de la actividad

avícola. Debido a la falta de información acerca de esta pollinaza se decidió

realizar diferentes mezclas de sustrato y de inóculo para determinar la

variación en la producción de metano. Finalmente, se realizaron cuatro

montajes, cada uno con una cantidad de sustrato (15 o 25%) y de inóculo (50

o 100 mL) específica. C .

Este se hizo con el objetivo de mirar en cuanto tiempo se degradaba el

sustrato sin la ayuda de inóculo.

IAMB 200920 20


33

2.2. Montaje de ensayos

En esta parte del trabajo se plantea la forma en que se realizaron los

ensayos, los parámetros considerados y las variables medidas.

2.2.1. Descripción del montaje

Cada montaje (ver Ilustración 4) constaba de 1 erlenmeyer de 500 mL en

donde se introducía la mezcla (con la cantidad de sustrato e inóculo

correspondiente) junto con la perla de agitación; de la parte superior se

desprendía una manguera plástica y a esta se conectaba una bolsa Tedlar

para la recolección del gas producido. Esta bolsa era previamente purgada

con nitrógeno para evitar interferencias en la composición del biogás. Este

montaje se ubicaba sobre una plancha de agitación magnética para

garantizar una mezcla homogénea. Todos los ensayos se conservaron en

una incubadora a una temperatura fija. La Ilustración 4 muestra el montaje

experimental y sus partes.

Ilustración 4: Montaje experimental

IAMB 200920 20


34

Para la realización de la mezcla del montaje 1 (15% de sustrato y 50 mL de

inóculo) y del montaje 2 (15% de sustrato y 100 mL de inóculo) se utilizó una

pollinaza proveniente de galpones en los cuales se utilizó cascarilla de arroz

como cama. El procedimiento experimental para la realización de dichas

mezclas consistió en tomar 75 g de pollinaza como sustrato. De esta muestra

se retiró la mayor cantidad de cascarilla ya que actuaba como material inerte

en el proceso y posiblemente interfería en los procesos involucrados en la

degradación del sustrato. De acuerdo a esto, se calculó el porcentaje de

remoción de cascarilla, y finalmente, de esta se tomó una muestra de 60 g.

En el montaje 3 (25% de sustrato y 50 mL de inóculo) y 4 (25% de sustrato y

100 mL de inóculo), la pollinaza contenía pequeñas partículas de aserrín, por

lo que no se realizó remoción de dicho material. Para estos montajes, se

tomo una muestra de 100 g. La Figura 12 plantea el proceso experimental

anteriormente presentado.

IAMB 200920 20


35

Figura 12: Proceso experimental detallado

2.2.2. Parámetros del proceso

Como se mencionó en el marco teórico, para garantizar el buen desarrollo

del experimento se tienen que tener en cuenta muchas variables que pueden

afectar el proceso. En este tipo de ensayos se necesita tener un manejo

adecuado del pH, temperatura, sustrato, agitación, inóculo, entre otros ya

que cambios mínimos en estos pueden afectar la producción de biogás.

2.2.2.1. Sustrato

El sustrato utilizado para los ensayos fue recolectado de los galpones de

pollos de la Granja Barlovento perteneciente a la empresa Pollos Vencedor.

Es importante aclarar que siempre que se tomaba la muestra, esta estaba sin

desinfectar evitando así que los microorganismos responsables de la

IAMB 200920 20


36

degradación, presentes en el inóculo, fueran afectados durante la operación

de los montajes. Para los dos primeros ensayos (50 y 100 mL de inóculo y

15% de sustrato), se utilizó pollinaza proveniente de galpones en los que se

utilizaba cascarilla de arroz como parte de la cama. Por lo que antes de

introducir el sustrato al erlenmeyer, se decidió retirar manualmente, la mayor

cantidad de cascarilla para agilizar e evitar interferencias en la degradación

del estiércol.

Para realizar la remoción de la cascarilla, se tomo una cantidad mayor a la

necesaria y se retiro la cascarilla. Luego, se peso la cantidad removida y se

obtuvo el porcentaje de remoción. Finalmente, de la muestra sin cascarilla,

se obtenía la cantidad requerida. Los últimos ensayos, se desarrollaron con

pollinaza que contenía aserrín en la cama. Dado que el tamaño de las

partículas del aserrín era muy pequeño, no se retiro este material del

sustrato.

2.2.2.2. Temperatura

Como se mencionó anteriormente, la temperatura era controlada

directamente en la incubadora. Diversos autores (Bujoczek et. al, , 2000;

Murillo, 1999; Webb & Hawkes, 1985) coinciden en que la mejor temperatura

para la degradación de residuos agrícolas se encuentra entre los 35 y 55°C.

Con base a esta información, la temperatura de la incubadora se mantuvo

entre 35 y 40°C.

2.2.2.3. Agitación

Dado que la pollinaza es un sustrato completamente sólido, el control de este

parámetro fue importante para garantizar una mezcla completa de este con

el inóculo para asegurar la degradación. Esta se hizo mediante agitadores

IAMB 200920 20


37

magnéticos de 3 cm y planchas de agitación a una velocidad de 10

revoluciones/minuto.

2.2.2.4. Inóculo

Anteriormente, se planteo la necesidad de utilizar inóculo para acelerar el

proceso de degradación del sustrato. Es por esto que se decidió usar lodo de

la PTAR Salitre para los ensayos. Se usó lodo madurado (salida) y lodo de la

entrada de los digestores de la PTAR. La relación utilizada fue de 3:1, es

decir, se uso 75% de lodo madurado y 25% del lodo de la entrada de la

PTAR. Asimismo, en la Tabla 5 se presentan las características del lodo

utilizado como inóculo en este estudio.

Tabla 5: Características físicas lodo PTAR SALITRE (ARAQUE, 2006)

El lodo tiene ciertas características químicas que pueden favorecer o afectar

la degradación de la pollinaza y por ende la producción de biogás. Elementos

(Tabla 6) como el calcio, hierro, magnesio y potasio son importantes porque

son nutrientes que pueden favorecer el desarrollo de microorganismos

facilitando la degradación del sustrato, mientras que metales pesados como

el plomo, mercurio, cromo y cadmio pueden inhibir el proceso; sin embargo

los valores son bajos por lo que no se esperaría inhibición por parte de estos

elementos.

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38

Tabla 6: Características químicas lodo PTAR SALITRE (ARAQUE, 2006)

2.2.3. Medición de variables

Para el desarrollo de los ensayos, se realizó una medición de diferentes

variables al inicio y fin de cada montaje. Estos ensayos se realizaron tanto

para la fase líquida como para la gaseosa (sólo al finalizar los montajes).

Dado que el montaje no se podía destapar sin perder las condiciones de

anaerobiosis, no se pudo realizar análisis del líquido durante el proceso.

2.2.3.1. Análisis de la fase gaseosa

Las bolsas Tedlar que contenían el biogás producido eran desocupadas

mediante una bomba de flujo conocido, esto para obtener el volumen de la

bolsa. Este volumen se obtuvo utilizando una relación de tiempo volumen

que se calculo para la bomba. La ecuación utilizada para dicho cálculo fue

= 0,0291 2 + 13,95 142,33 mL

en segundos.

Al mismo tiempo que se realizaba la medición de volumen, el gas pasaba a

través a un analizador de gas infrarrojo (Geotechnical Instruments MK IIC)

para determinar las concentraciones de biogás producido. Este equipo

registraba las concentraciones de metano, dióxido de carbono (en

IAMB 200920 20


39

porcentaje), ácido sulfhídrico, monóxido de carbono (en ppm) e hidrógeno

(niveles alto, medio y bajo).

2.2.3.2. Análisis de la fase líquida

Como se mencionó anteriormente, los análisis de la fase líquida se realizaron

al inicio y al final de los montajes. Los análisis realizados fueron ST, STV,

DBO, NTK, NH3 Estos se realizaron para determinar la

evolución y las características de los ensayos. Asimismo, se realizaron

ensayos microbiológicos de los diferentes montajes con el fin de entablar una

relación entre la producción de biogás y las colonias de microorganismos

presentes en cada experimento.

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40

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1. Ensayos preliminares

3.1.1. Ensayos de metanogénesis

Ensayo de metanogénesis con 1g de pollinaza

El primer ensayo, cuya duración fue de dos semanas, produjo un volumen

acumulado de 25 mL de metano (Figura 14). Sin embargo, estos resultados

se vieron afectados por la variación de la temperatura que fluctuó durante el

tiempo en el que se realizó el ensayo (Figura 13). De aquí que no se

presentaron las condiciones adecuadas para que el crecimiento y la actividad

de las bacterias se desarrollaran normalmente (temperaturas entre a 35 y

55°C).

P1: Montaje 1 con Pollinaza

P2: Duplicado

BCO: Blanco

Figura 13: Producción metano en el tiempo y relación con temperatura

IAMB 200920 20


41

Se pudo apreciar que la mayor producción de metano ocurrió cuando se

presento un incremento en la temperatura desde 25 hasta 31 °C, esto

refuerza el planteamiento anterior. A esta temperatura, la producción máxima

fue de 6,5 mL de metano (Figura 13). Asimismo, la cantidad de metano

producida es consistente con la temperatura presente en el ensayo ya que a

bajas temperaturas, la producción de metano es escasa.

P1: Montaje 1 con Pollinaza

P2: Duplicado Figura 14: Volumen de soda acumulado ensayo 1 g

Como se mencionó anteriormente, las temperaturas adecuadas para que se

dé una producción de metano constante deben ser superiores a 35°C y

viendo que la producción aumentaba a medida que la temperatura se

acercaba a este valor, para el segundo ensayo sé trato de garantizar que las

temperaturas fueran superiores a 35°C.

Ensayos de metanogénesis con 1, 3 y 5 g de pollinaza

En este segundo grupo de ensayos tuvo una duración aproximada de un mes

y medio. Durante los primeros 25 días la producción de metano fluctuó ya

IAMB 200920 20


42

que la temperatura de la incubadora no fue contaste. Es por esto que en la

Figura 15 se presente un patrón creciente y decreciente en la producción de

metano. Sin embargo, cuando la temperatura de los montajes se mantuvo

por encima de los 30 °C, durante los últimos días del ensayo, esto permitió

que la producción de metano mostrara una tendencia creciente, la cual al

final decreció para algunos montajes. Esto posiblemente cuando ya la

cantidad de nutrientes el montaje había disminuido.

En este ensayo se utilizó diferentes cantidades de sustrato (1, 3 y 5 g). La

Figura 15 muestra que el rango de temperatura en el que se produjo la

mayor cantidad de metano diaria fue entre 39 y 41°C (Punto rojos). Además,

se puede apreciar que en estas temperaturas, la mayor producción la

presenta el montaje con 5 g y es menor en el de 1 g, lo que indicaría que a

mayor cantidad de inóculo mayor producción de metano.

IAMB 200920 20


43

BCO: Blanco, P11: Montaje con 1g Pollinaza, P12: Duplicado con 1g Pollinaza. P31 Montaje con 3g Pollinaza, P32:

Duplicado con 3g Pollinaza, P51 Montaje con 5g Pollinaza, P52: Duplicado con 5g Pollinaza

Figura 15: Temperaturas adecuadas para la producción de metano a partir de pollinaza

Finalmente se pudo apreciar que la cantidad máxima de metano producida

fue de 169 mL/mL de glucosa, valor que corresponde al ensayo con 5 g de

pollinaza (Figura 16 y Tabla 7). Asimismo, el montaje con 1g produjo una

cantidad de metano menor a la del montaje de 5 g (110 mL/mL de glucosa);

este valor se esperaba ya que su contendido de pollinaza era menor. Su

duplicado tuvo un valor similar confirmando los resultados para este ensayo.

Además se encuentran por encima del valor obtenido en el blanco mostrando

que si se presento actividad por parte de los microorganismos presentes en

la pollinaza. Por otro lado, el ensayo de 3 g no muestra resultados confiables

ya que los valores obtenidos en el montaje y su duplicado difiere en un rango

amplio.

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44

Tabla 7: Producción acumulada de Metano

BCO: Blanco, P11: Montaje con 1g Pollinaza, P12: Duplicado con 1g Pollinaza. P31 Montaje con 3g Pollinaza, P32:

Duplicado con 3g Pollinaza, P51 Montaje con 5g Pollinaza, P52: Duplicado con 5g Pollinaza

Figura 16: Ensayo de Metanogénesis

Con lo valores reportados en la Tabla 7 se puede expresar que en

condiciones apropiadas de temperatura (39-41°C), la pollinaza como inóculo

tiene un alto potencial para aportar microorganismos capaces de efectuar la

Ensayo pollinaza (g) Producción CH4(ml/ml de glucosa)

BCO - 68

P11 1 110

P12 1 109

P31 3 99

P32 3 133

P51 5 169

P52 5 152

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45

degradación anaerobia de la materia y a su vez promover la producción de

metano.

3.1.2. Pruebas preliminares de los montajes

Montaje con 100 g de pollinaza sin inóculo

Este montaje carente de un inóculo externo no produjo biogás, lo anterior se

puede relacionar a una dificultad de los microorganismos presentes para

lograr la degradación de este sustrato en tiempos cortos, a diferencia de lo

observado en los ensayos de metanogenesis donde el sustrato era glucosa.

Cabe mencionar también que la pollinaza contenía una alta cantidad de

residuos de madera (aserrín) y se sabe que para que este se degrade de

forma natural toma muchos meses, incluso años (Murillo, 1999). Asimismo, la

pollinaza pudo tener problemas para degradarse ya que la temperatura a la

que fue expuesta fue menor a 35°C y como se pudo evidenciar en el ensayo

de metanogénesis, la temperatura adecuada para la producción de metano

estuvo entre 39 y 41 °C. Por otro lado, el ensayo de metanogénesis mostró

que a partir del día 20 en el montaje, la producción de biogás mostro una

tendencia clara de incremento; sin embargo, este ensayo se mantuvo por

dos semanas, por lo que no era tiempo suficiente para que el sustrato se

degradara. Aunque se esperaba una mínima actividad en la producción de

biogás, razón por la cual no se continuo con este ensayo preliminar.

Montaje con 100 g de pollinaza y 100 mL de inóculo sin agitación

En cuanto a este ensayo con inóculo pero sin agitación, este se demoró en

producir aproximadamente un litro de biogás, una semana y media, lo que

corresponde a un flujo de 3,8 mL/día. Los resultados de la concentración de

gases se presentan en la Tabla 8. Sin embargo, este tiempo se encontraba

IAMB 200920 20


46

entre el observado durante los ensayos de metanogénesis para alcanzar la

producción de biogás.

Como el ensayo no contó con agitación constante, el sustrato sólido

(pollinaza) se separó de la fase líquida limitando la transferencia del biogás y

la interacción entre los microorganismos y el sustrato, retrasando el proceso

de degradación. Además, la temperatura de la incubadora no se encontraba

por encima de 35°C por lo que las condiciones no eran óptimas para la

degradación del sustrato y retrasaban la generación de biogás.

Tabla 8: Concentración gases: ensayo preliminar (100g y 100mL de inoculo)

Estudios realizados por Fantozzi y Buratti (2009) utilizando estiercol de pollo,

en un reactor con agitación constante a una temperatura de 35°C,

encontraron que a los 10 primeros días de iniciado el ensayo, se había

producido 8 litros aproximadamente de biogás. Por otro lado, Webb y

Hawkes (1985) y Bujoczek, et. al, (2000) usando montajes similares a

realizados por Fantozzi y Buratti, encontraron que en una semana se

producía aproximadamente 4 y 10 litros de biogás respectivamente.

Dada la baja producción de biogás obtenida en el ensayo y comparando con

los resultados obtenidos por los autores antes mencionados, los cuales

presentaban agitación permanente en sus montajes, se decidió realizar los

Días Transcurridos 5

CH4 0,9

CO2 91,36

O2 3,2

Bal 4,54

H2 Med

CO 1,1

H2S >>>

Pa

rám

etr

os

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47

ensayos definitivos con agitación constante para garantizar que el sustrato se

mezclara con el inóculo y en la misma vía facilitar la producción de gas.

3.2. Análisis de montajes planteados

3.2.1. Montaje 1 (15% de sólidos y 50 mL de inóculo)

Parámetros fisicoquímicos

En la Tabla 9 se presentan las condiciones iniciales y finales de la mezcla de

pollinaza y lodo realizado para el montaje 1 de este estudio. Chen, el, al.

(2008) encontraron en su estudio que el pH óptimo para la producción de

biogás se encontraba entre 6,7 y 7,4 por lo que en general desde el inicio

del ensayo se tuvo un valor de pH adecuado (7,2) para el desarrollo del

ensayo. Asimismo, indican que valores de NTK entre 4051 5734 mg/l

afectan el proceso de producción de metano en un 56.5%. Los resultados

tanto al inicio como al final de este estudio se encontraron por debajo de

estos valores por lo que durante todo el ensayo se tuvieron condiciones

apropiadas para el desarrollo de la digestión anaerobia. Al finalizar el ensayo,

Tabla 9: Condiciones iniciales y finales para el montaje 1

Se realizó una comparación con diferentes estudios (Tabla 10) en los cuales

se utilizaba pollinaza como sustrato y lodo de plantas de tratamiento de

aguas residuales como inóculo (Bujoczek et. al, 2000 y Webb et. al, 1985) o

ganado (Callaghan et. al, 1999).

Ensayo\Parámetro pH ST (%) SVT (%) DQO (g/L) NTK (g/L-N) NH3 (g/L-N) AGV's (mg/L)

Inicio 7,2 15 - 32,09 3,16 0,76 2763

Final 7,6 1,27 0,04 - 1,38 0,38 1209

ENSAYOS 15% y 50ml

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48

Al comparar el valor inicial de NTK para este estudio con los resultados

obtenidos en la investigación realizada por Bujoczek, et. al, (2000), se

encuentra que el valor inical es muy parecido. Al finalizar el estudio, el valor

de NTK fue de 1380 mg/l resultado inferior al encontrado por los autores. Sin

embargo, el valor elevado de este parámetro (6320 mg/l) presentó inhibición

en la producción de metano. Esto explicaría la mayor producción de biogás

obtenida en este estudio que la obtenida por los autores (Tabla 12).

Tabla 10: Condiciones iniciales y finales otros autores

Por otro lado

al los valores obtenidos por Webb y Hawks (1985). Estos autores no

presentaron ningún tipo de inhibición durante el proceso por lo que no se

esperaría que en este estudio se presentara problemas en la producción de

metano.

Producción de biogás

Al principio del ensayo, la concentración de CO2 fue elevada probablemente

como respuesta al proceso acidogénico al interior del montaje, sin embargo,

al transcurrir los días este valor fue disminuyendo hasta que llego un punto

en que la concentración de este gas fue menor que la concentración de

está directamente relacionado con la generación de CO2.

inicial final inicial final

pH - - 7,1 7,6

ST(%) 10 2 7,5 3,5

NTK(g/L-N) 3,07 6,32 2,73 3,25

NH3 (g/L-N) 0,23 0,64 0,13 0,263

AGV's (mg/L) 22631 10146 3345 2470

Bujoczek G. et al 2000 (9,9% y 10% ARD) Webb & Hawks, 1985 (7,5% y 10% Estiercol de cerdo) Parámetros\Ensayos

IAMB 200920 20


49

Este ensayo fue el que presentó la mayor producción de biogás acumulado

(80 días). La concentración final de metano fue de 51%, la de CO2 de 48% y

la de oxígeno 0,02% (Figura 17).

Figura 17: Concentración gases (50mL y 15%)

Dado que la concentración de metano fue creciente en el tiempo y no

disminuyó en ningún momento, se puede constatar que los valores

encontrados en parámetros fisicoquímicos eran adecuados y no presentaron

inhibición para la producción de biogás.

En la Tabla 11 se presenta la producción de biogás y de metano en cada

lectura y la producción final.

IAMB 200920 20


50

Tabla 11: Producción final de biogás y de metano

En la tabla anterior se puede ver que la producción de biogás disminuyó a

medida que transcurrían los días. Esto se debe a que el inóculo consumía

gradualmente el sustrato y al final la cantidad de sustrato disponible era

mínima (Tabla 10). Sin embargo, la producción de metano aumentaba por lo

que las condiciones eran más favorables para el desarrollo de la actividad de

las bacterias metanogénicas.

Comparando con otros estudios (características similares a este montaje), en

los que se utilizaban reactores semi-batch, con temperaturas controladas de

35°C y con cargas cada 21 días, la producción de biogás fue similar a la

encontrada en este estudio. Cabe aclarar que en el estudio de Webb y

Hawkes (1985) se utilizó estiercol vacuno para acelerar el proceso, por lo que

probablemente obtuvo mayor cantidad de biogás y por consiguiente de

metano. En la Tabla 12 se presentan los resultados obtenidos por otros

autores.

Tabla 12: Producción de biogás y metano otros autores.

Días Transcurridos Producción Biogás (ml/gr Pollinaza) Producción CH4(ml/gr Pollinaza)

2 17,3 0,003

12 16,3 3,42

48 14,6 6,1

52 5,8 7,8

TOTAL 54,0 17,3

Estudio Producción Biogás (ml/gr Pollinaza) Producción CH4(ml/gr Pollinaza)

Este estudio 54 17,3

Fatma et Al, 2009 (75 días) 10 2,5

Bujoczek et Al, 2000 (75 días) 34 10

Webb et Al, 1985 (120 días) 310 103

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51

Microbiología

La producción de biogás concuerda con los recuentos microbiológicos

realizados. Al inicio del ensayo el recuento de las colonias negras (bacterias

sulfato reductoras) era mayor que al final del ensayo. Esto indica que al final

del proceso las bacterias que actuaban eran probablemente metanogénicas.

Esto concuerda con las lecturas de H2S ya que los niveles pasaron del alto a

niveles bajos lo que indica que las bacterias sulfatoreductoras disminuyeron.

Asimismo estos resultados coinciden con las lecturas de las concentraciones

de oxígeno ya que los recuentos muestran una tendencia a un proceso

anaerobio.

Tabla 13: Recuentos microbiológicos

La Ilustración 5 e Ilustración 6 muestran el cambio microbiológico presente

en el montaje 1.

Ilustración 5: Muestras microbiológicas iniciales

colonias negras 12*10^2ufc/ml

colonias blancas 10*10^4ufc/ml

colonias negras 50ufc/ml


Recuentos de Colonias 15% y 50 ml

inicio

final

IAMB 200920 20


52

Ilustración 6: Muestras microbiológicas finales



En la Tabla 14 se presentan los resultados fisicoquímicos para la mezcla del

montaje 2. Anteriormente se planteo que lo valores óptimos de pH para que

la producción de metano no fuese inhibida estaban entre 6,7 y 7,4. El pH

obtenido al inicio del estudio disminuyó al transcurrir el tiempo, sin embargo,

estos superaron los valores óptimos por lo que se pudo presentar inhibición

durante la etapa metanogénica. Además, los valores encontrados para NTK

están por debajo de los valores para generar inhibición al proceso de

metanogénesis.

Tabla 14: Parámetros fisicoquímicos iniciales y finales

En la Tabla 15 se presentan los resultados de dos estudios realizados por los

mismos autores de la Tabla 10. A diferencia de esta tabla, la Tabla 15

presenta una cantidad de inóculo mayor para poder compararlo con las

Ensayo\Parámetro pH ST (%) SVT (%) DQO (g/L) NTK (g/L-N) NH3 (g/L-N) AGV's (mg/L)

Inicio 7,9 15 - 38,76 2,37 1,08 3160

Final 7,6 2,39 0,06 - 3,55 1,27 2765

ENSAYOS 15% y 100ml

IAMB 200920 20


53

características del montaje 2 el cual tenía la misma cantidad de ST que el

montaje 1 pero mayor proporción de inóculo.

Así como ocurrió en el montaje 1, los valores para este experimento se

encuentran por debajo de los valores obtenidos para NTK y NH3 encontrados

por los autores. Sin embargo, estos no produjeron la cantidad esperada de

metano debido a los valores elevados de estos parámetros. Asimismo, en el

estudio de Webb y Hawks (1985), aunque si se produjo metano, el valor

elevado del pH influyó en la producción diaria. Es por esto que

probablemente el valor elevado que se tuvo al inicio de este estudio de pH

(7,9) demoro el inicio de la degradación de la pollinaza o genero algún tipo

de inhibición en la obtención de metano.

Tabla 15: Parámetros fisicoquímicos otros autores


Al realizar la primeras lecturas del biogás, la concentración mayor era la del

CO2 debido a , sin

embargo, a medida que transcurrieron los días bajó como consecuencia al

inicio de la actividad metanogénica, la cual usa CO2 para la formación de

metano. Por otro lado, aunque el valor del CH4 tuvo una tendencia creciente,

nuca alcanzó a sobrepasar el valor del CO2. Dado que en los parámetros

el proceso, la causa de la baja producción de metano pudo involucrar


pH - - 7,8 8

ST(%) 10 2 15 3,5

NTK(g/L-N) 3,25 6,16 3,5 8,8

NH3 (g/L-N) 0,17 0,62 0,06 1,07

AGV's (mg/L) 20209 2860 6678 3190

Bujoczek G. et al 2000 (9,9% y 60% ARD) Webb & Hawks, 1985 (7,5% y 10% Estiercol de cerdo) Parámetros\Ensayos

IAMB 200920 20


54

variaciones en el pH, condiciones facultativas o una variación en los

microorganismos del proceso.

En este ensayo la concentración máxima de metano fue del 36% y como

ocurrió en el ensayo de 50mL de inóculo y 15% de pollinaza, la

concentración de oxígeno disminuyo aunque se mantuvo en valores del 2,5%

(Figura 18). A partir de la última medición (día 17), la producción de biogás

se estancó. Al ver los valores de NTK presentes en la Tabla 14, se puede

apreciar que este parámetro tiene una tendencia creciente, pasa de tener un

valor de 2,37 g/L a 3,55 g/L; este valor se acerca al rango de inhibición por lo

que probablemente la producción de metano disminuyo notablemente.

Además, es importante resaltar que al finalizar este ensayo, la cantidad de

materia orgánica (SVT) era mínima por lo que esto también pudo limitar la

producción de biogás.

Figura 18: Concentración gases (100mL y 15%)

IAMB 200920 20


55

En la Tabla 16 se presenta la producción de biogás y de metano en cada

lectura y la producción final.

Tabla 16: Producción final de biogás

A pesar que la producción se vio afectada por los valores de NTK y de pH, se

produjeron casi 48 mL de biogás/g de pollinaza en los 34 días que duró el

experimento. Comparando estos valores con la producción de biogás

obtenida en otros estudios (Tabla 17) los valores están alejados de los

obtenidos en estas investigaciones. Por lo que si se pudo ver que hubo

inhibición por parte del nitrógeno y que el valor de pH era alto influenciando

posiblemente la actividad de las bacterias metanogénicas.

Tabla 17: Producción biogás otros autores

Microbiología

Así como ocurrió en el montaje 1, las colonias sulfatoreductoras (colonias

negras) disminuyeron (Tabla 18) notablemente al final del ensayo por lo que

probablemente había más bacterias metanogénicas en el montaje. Sin

embargo, las colonias blancas que correspondían a colonias aerobias

aumentaron lo que pudo afectar significativamente el ensayo y por ende la

producción de biogás ya que no se contaba con las condiciones necesarias

de anaerobiosis. Este aumento en las colonias aerobias se pudo deber a que


2 17,1 0,18

3 17,3 0,20

34 13,1 4,65

TOTAL 47,5 5,03

Estudio Producción Biogás (ml/gr Pollinaza) Producción CH4(ml/gr Pollinaza)

Fatma et Al, 2009 (30 días) 20 4,3

Bujoczek et Al, 2000 (30 días) 81 42

Webb et Al, 1985 (50 días) 124 68

IAMB 200920 20


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el proceso de digestión se encontraba en una fase de transición a la de

metanogénesis.


La Ilustración 7 e Ilustración 8 muestran el comportamiento microbiológico

que tuvo este ensayo.



colonias negras 23*10^5ufc /ml





inicio

final

IAMB 200920 20


57



En la Tabla 19 se presentan los resultados fisicoquímicos obtenidos para el

montaje 3. El pH se mantuvo constante en el transcurso del ensayo sin

embargo, este era superior comparado con el óptimo (6,7-7,4). Por otro lado,

los valores de NTK encontrados al inicio como al final fueron de 76, 5 mg/L y

32,65 mg/L respectivamente. Estos valores se encuentran dentro de un

rango muy bajo para la producción de metano ya que los valores adecuados

se encuentran entre 1750 y 2730 mg/L (Webb & Hawkes, 1985). Estos

valores pudieron significar una limitación en el desarrollo de la actividad de

las bacterias, de esta forma junto con el valor un poco elevado del pH

pudieron causar inhibición del proceso.

Tabla 19: Parámetros obtenidos en este estudio y por otros autores

Comparando los resultados obtenidos en este estudio con el estudio

realizado por Fatma, et. al, (2009) quienes utilizaron la misma cantidad de

estiercol de pollo para su estudio, se puede apreciar que aunque los valores

encontrados para ST son iguales, los valores obtenidos para NTK, NH3 y

traron.

Esto indica que las cantidades requeridas de nitrógeno son muy bajas para

que la degradación se de adecuadamente. Asimismo, el pH de este estudio

es muy alto para garantizar la producción de metano.


pH 7,6 7,6 7,2 7,2

ST(%) 25 18,29 25 -

NTK mg/L-N(mg/kg-N) 76,5 (8851,2) 32,65 (5258,4) - 87000

NH3 mg/L-N (mg/kg-N) 23,2 (4601,1) 21, 65 (1134,5) - 11000

AGV's (mg/L) 3032 2970 10970 8723

Parámetros\EnsayosEste estudio Fatma et, Al. 2009 (25% sólidos)

IAMB 200920 20


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Durante los 42 días que duró este ensayo, solo se pudo realizar una lectura

mediante infrarrojo esto debido a la escasa producción de biogás. La

concentración máxima de metano obtenida fue de 35% (Tabla 20) y el

volumen máximo de biogás encontrado durante este tiempo fue de 3,7 mL/g

de pollinaza. Esta producción es baja comparada con la producción obtenida

en el montajes 1 (54 mL/g de pollinaza) y en el montaje 2 (47,5 mL/g de

pollinaza) y esto se debe a diversos factores. Primero, la cantidad de

nitrógeno era muy baja para las condiciones optimas requeridas de nitrógeno

para la degradación anaerobia, segundo, el pH no se encontraba en el rango

adecuado para la actividad metanogénica y finalmente, la separación del

montaje en una fase sólida y liquida dificultando la interacción entre sustrato

e inóculo y además limitando el paso del biogás que se producía hacia la

superficie. Esto explica la baja producción encontrada en este montaje. La

Tabla 21 muestra la única lectura realizada y la cantidad correspondiente de

biogás y de metano producida.

Tabla 20: Concentración gases

Dia Día 42

CH4 35

CO2 20,3

O2 4,9

Bal 40,5

H2 low

CO 4

H2S 10

Pa

rám

etr

os

IAMB 200920 20


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Tabla 21: Producción final de biogás y metano

Microbiología

Como se muestra en la Tabla 22, las colonias negras y blancas disminuyeron

significativamente sin embargo, la producción de metano fue mínima

comparada con los montajes por lo que la disminución pudo deberse a las

dificultades que tuvo el reactor en la etapa de arranque. Probablemente, las

condiciones microbiológicas eran adecuadas para la producción de metano,

sin embargo, la falta de nitrógeno evito la continuación de las poblaciones de

microorganismos involucrados en el proceso.


A continuación se presentan ilustraciones del comportamiento

microbiológico del montaje 3.



42 3,7 3,640

TOTAL 3,7 3,6






inicio

final

IAMB 200920 20


60



Parámetros fisicoquímicos y producción de biogás

Este fue el único ensayo que no produjo biogás. Esto pudo relacionarse a

que a medida que transcurrieron los días, el nitrógeno (Tabla 23) se degrado

demasiado rápido en las primeras etapas del proceso, tal vez desviándose al

desarrollo de otro tipo de microorganismos, por lo que no se contaba con las

especies requeridas para la generación de metano. Así como ocurrió en el

montaje 3, la limitación en la agitación hizo que la fase sólida se separara de

la fase liquida sin embargo, en este montaje no se veía producción de

biogás.

Tabla 23: Parámetros fisicoquímicos iniciales y finales

Ensayo\Parámetro pH ST (%) SVT (%) DQO (g/L) NTK g/L-N (mg/kg) NH3 g/L-N (mg/kg) AGV's (mg/L)

Inicio 7,7 25 36,34 39,88 2,96 1,14 3186

Final 7,6 15,35 2,14 - 0,022 (4966,7) 0,011 (1187.2) 2312

ENSAYOS 25% y 100ml

IAMB 200920 20


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Microbiología

La explicación de la falta de producción de biogás se ve claramente en el

recuento microbiológico (Tabla 24). En este se muestra que al comienzo del

ensayo las colonias negras tenían un valor muy bajo lo que favorece la

producción de metano, sin embargo, al finalizar el montaje, estas colonias

presentaron un aumento significativo por lo que había un recuento mayor de

sulfato reductoras que al mismo tiempo compiten con las bacterias

metanogénicas por lo que la producción de metano se pudo ver afectada.

Por otro lado, puede que el reactor se haya demorado en estabilizar y el

incremento de los recuento indique el inicio de la actividad. La Ilustración 11

y la Ilustración 12 muestran el desarrollo de las colonias negras durante el

ensayo.



colonias negras 30ufc /ml





inicio

final

IAMB 200920 20


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3.3. Compilación resultados producción de biogás y metano

En resumen (Tabla 25), los mejores resultados se obtuvieron con el montaje

1 que contenía 15% de pollinaza y 50 mL de inóculo. La producción de

biogás en este ensayo fue alta debido a que se conto con las condiciones

adecuadas para la producción de metano. El montaje 2 tuvo la segunda

mayor producción de metano y fue más baja a la de montaje 1

probablemente porque el pH era elevado para la actividad metanogénica. El

montaje 3 tuvo una producción muy baja de metano debido a la escasa

cantidad de nitrógeno presente en la mezcla. Finalmente, el montaje 4 no

produjo biogás.

Tabla 25: Resultados finales

Montaje Características Producción total Biogás (ml/g Pollinaza) Producción total CH4(ml/g Pollinaza)

1 15% ST y 50ml inóculo 54 17,3

2 15% ST y 100ml inóculo 47,5 5,03

3 25% ST y 50ml inóculo 3,7 3,6

4 25% ST y 100ml inóculo - -

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4. PROYECCIONES

Este proyecto tenía como objetivo principal estudiar la capacidad de

producción de gas metano de la pollinaza mediante la degradación anaerobia

y de esta manera analizar la factibilidad de reemplazo del combustible

utilizado en los galpones de pollos de engorde. Si este proyecto se quiere

explorar a una mayor escala, se recomienda la utilización de un reactor semi-

batch, el cual permite hacer recargas de sustrato o inóculo, tiene control de

pH y de temperatura. Además este equipo es adecuado para la intermitencia

en la generación del residuo. Durante la operación se pueden realizar purgas

para la medición de diferentes variables importantes para el proceso de

Asimismo, el reactor debe contar con un agitador de eje vertical para

garantizar la mezcla entre la fase sólida y liquida y así optimizar el proceso

de degradación de la pollinaza.

De acuerdo con los resultados obtenidos, las temperaturas óptimas para la

degradación de la pollinaza se encuentran entre 39 y 41°C por lo que es

importante que se garantice esas temperaturas en el reactor. Asimismo el pH

debe encontrarse entre 6,7 y 7,4 para la que la digestión del sustrato se

realice sin inhibición.

Con base a la mayor producción de metano obtenido (17,5 mL/ gr de

pollinaza) y teniendo en cuenta que un galpón requiere 2000 galones de

combustible cada seis semanas para el calentamiento de los pollitos, se

requeriría aproximadamente 500 kg de pollinaza para reemplazar el propano

utilizado en la granja.

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64

CONCLUSIONES

Para la degradación anaerobia de la pollinaza se encontró que las

temperaturas optimas para la degradación del sustrato se encuentran entre

39-41°C, por lo que si se quiere realizar el ensayo a una escala mayor, se

recomienda garantizar que la temperatura del reactor se encuentre entre ese

rango.

La mayor producción de biogás y de metano se encontró en el montaje 1

(15% sólidos y 50 mL de inóculo) con valores de 54 y 17 mL/ g de pollinaza

respectivamente. Estos valores coinciden con los valores obtenidos por

diferentes autores para la digestión anaerobia de pollinaza. Asimismo, la

agitación constante ayudo a garantizar la mezcla completa entre la fase

sólida y líquida por lo que se facilitó la degradación del sustrato.

Los valores óptimos de pH para la degradación de la pollinaza se encuentran

entre 6,9 y 7,4. Asimismo, se encontró que si se trabaja con valores elevados

de sólidos totales, el rango adecuado de NTK que permite la degradación

óptima del sustrato está entre 2500 y 3550 mg/l.

Es importante controlar los valores de pH, N

que el montaje tenga las condiciones adecuadas para la degradación del

sustrato. Para esto es importante contar con un reactor tipo Semi-Batch en el

cual se pueden monitorear diversas variables sin afectar las condiciones de

anaerobiosis previamente adquiridas.

Dado el alto contenido de sólidos, es trascendental que se cuente con una

agitación constante que garantice la mezcla completa del sustrato con el

inóculo. Si se utilizan un reactor Semi-Batch, es importante que se cuente

con un agitador de eje vertical para los sólidos se mezclen con el inóculo y

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así no se impida la transferencia del biogás producido a la superficie, como

ocurrió en los montajes 3 y 4.

Si se quisiera reemplazar el combustible (2000 gal GLP) que actualmente se

utiliza en los Galpones de la Granja Barlovento, se necesitaría

aproximadamente 84 kg de pollinaza/semana como sustrato para generar

esa cantidad de metano. Esto es viable si se utiliza la condición del montaje

1, 15% de pollinaza y 50 mL de inóculo.

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