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Este archivo se carga para apoyar la iniciativa del Club de conocimiento libre de la Universidad de Periyar, Salem, Coordinador: Dr.Thamizhpparithi Maari.

Esta es una guía para comenzar con los biodigestores anaeróbicos.

Tienes un biodigestor

¡Felicidades! Las condiciones son buenas para que el biogás salve al mundo y usted, un nuevo propietario de un biodigestor, está a la vanguardia. Pero antes de producir biogás, es necesario establecer una comunidad de microbios en el biodigestor de tanque/bolsa/cúpula de bambú que acaba de construir, comprar o heredar. Por suerte establecer los microbios para llevar a cabo este proceso es sencillo si sabes lo que estás haciendo. Pero antes de centrarse en la puesta en marcha, es necesario responder algunas preguntas:

• ¿Su biodigestor retiene agua donde necesita retenerla?
• ¿Su biodigestor retiene el gas bajo la presión de gas diseñada?

Una vez establecidas estas dos importantes consideraciones estructurales, los siguientes pasos son fáciles. Hay algunos materiales importantes que se deben tener a mano una vez que todo esté sellado y estructuralmente funcional; un encendedor y una prueba de pH. Un encendedor dará la señal cuando comience a producir un gas combustible. El pH significa la salud del biodigestor.

• Rango de pH óptimo: 6,8- 7,5. Un biodigestor anaeróbico opera en su mayor parte bajo un rango de pH específico (6,8-7,5). A este pH, la actividad productora de metano elimina los subproductos inhibidores que inhibirán el proceso.
• pH demasiado bajo: inferior a 6,0. Al principio, los microbios productores de ácido e hidrolizantes pueden superar a los metanógenos, provocando una caída del pH. Si el pH alguna vez cae por debajo de 6,8, se inhibirá el crecimiento de metanógeno y si el pH alguna vez cae por debajo de 6,0, es posible que desee considerar limpiar y reiniciar el biodigestor.
• pH demasiado alto: por encima de 7,5 Cuando el pH es demasiado alto, entonces hay un problema con lo que se está alimentando al biodigestor, este problema puede surgir del uso de "agua dura" para biodigerir material orgánico demasiado rico en proteínas o amoníaco.

La digestión anaeróbica la lleva a cabo una comunidad de microbios hidrolizantes (que convierten sólidos en solubles), productores de ácido, de acetato y de metano (metanógenos). Muchos otros subproductos constituyen una parte importante del proceso. Comprender un poco de la ciencia puede mejorar el proceso de puesta en marcha y ayudar a solucionar problemas. Si es nuevo en la jerga de los biodigestores o desea una actualización rápida, consulte el glosario para familiarizarse con algunos términos.

NOTA

Hay numerosos medidores de pH y papel tornasol disponibles en la web o en su tienda local de suministros para piscinas o acuarios; También se pueden utilizar indicadores naturales como la col lombarda en lugar de la disponibilidad de medidores de pH. Al seleccionar un instrumento, asegúrese de seleccionar como mínimo un medidor con rangos de pH de 6 a 8.

¿Qué estás haciendo en qué tipo de biodigestor?

Esta es una pregunta de dos componentes. Existe una considerable diversidad de diseños de biodigestores y los biodigestores pueden tener diferentes formas de ponerse en marcha. Sin embargo, en su mayor parte, nos ocuparemos de reactores de tanque y de flujo pistón, por lo que nos centraremos en ellos hasta el final, cuando se discutirán diseños más avanzados. Un ejemplo de digestor de flujo pistón sería el digestor de Salchicha o de bolsa de plástico, mientras que la mayoría de los biodigestores de domo flotante y de estilo indio serían reactores de tanque. Si tiene un biodigestor de película fija o de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente, probablemente sepa que esos biorreactores probablemente necesitarán un arranque diferente al de los reactores de flujo pistón o de tanque. La puesta en marcha de estos diferentes sistemas puede ser similar, aunque la instalación, la tasa de carga y la gestión del digestor pueden diferir. Lo que esté alimentando al digestor afectará el procedimiento de inicio que se utilice. La consideración de la alimentación se vuelve especialmente importante cuando se desvía del material de alimentación común de estiércol de cerdo o vaca. El estiércol, por ejemplo, tiende a tener poblaciones más grandes de organismos productores de metano llamados metanógenos (especialmente los de los mamíferos "rumiados", es decir, vacas, cabras, ovejas, etc.). Es posible que su sustrato de alimentación no sea uno de los lugares favoritos del metanógeno para vivir si se trata de desechos de alimentos frescos, un subproducto del proceso o una serie de otros desechos, ¡pero no se preocupe! Es posible que solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (usando uno de los diversos métodos) antes de cargar el biodigestor de la forma en que normalmente lo alimentaría. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de puesta en marcha. tiende a tener poblaciones más grandes de organismos productores de metano llamados metanógenos (especialmente los de los mamíferos "rumiados", es decir, vacas, cabras, ovejas, etc.). Es posible que su sustrato de alimentación no sea uno de los lugares favoritos del metanógeno para vivir si se trata de desechos de alimentos frescos, un subproducto del proceso o una serie de otros desechos, ¡pero no se preocupe! Es posible que solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (usando uno de los diversos métodos) antes de cargar el biodigestor de la forma en que normalmente lo alimentaría. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de puesta en marcha. tiende a tener poblaciones más grandes de organismos productores de metano llamados metanógenos (especialmente los de los mamíferos "rumiados", es decir, vacas, cabras, ovejas, etc.). Es posible que su sustrato de alimentación no sea uno de los lugares favoritos del metanógeno para vivir si se trata de desechos de alimentos frescos, un subproducto del proceso o una serie de otros desechos, ¡pero no se preocupe! Es posible que solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (usando uno de los diversos métodos) antes de cargar el biodigestor de la forma en que normalmente lo alimentaría. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de puesta en marcha. Es posible que su sustrato de alimentación no sea uno de los lugares favoritos del metanógeno para vivir si se trata de desechos de alimentos frescos, un subproducto del proceso o una serie de otros desechos, ¡pero no se preocupe! Es posible que solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (usando uno de los diversos métodos) antes de cargar el biodigestor de la forma en que normalmente lo alimentaría. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de puesta en marcha. Es posible que su sustrato de alimentación no sea uno de los lugares favoritos del metanógeno para vivir si se trata de desechos de alimentos frescos, un subproducto del proceso o una serie de otros desechos, ¡pero no se preocupe! Es posible que solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (usando uno de los diversos métodos) antes de cargar el biodigestor de la forma en que normalmente lo alimentaría. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de puesta en marcha.

Comenzando con lodo del biodigestor y biodigestores "inactivos"

La forma más fácil y segura de poner en marcha un biodigestor de flujo pistón o de tanque es simplemente llenarlo con el contenido y/o lodos de otro biodigestor. La proximidad y la disponibilidad son los mayores problemas con este proceso, pero suponiendo que haya disponibilidad, el biodigestor debe alimentarse con una cantidad menor de sustrato y el pH debe controlarse, diariamente si es posible, hasta alcanzar rápidamente la tasa de carga diseñada. Esto es especialmente cierto si el biodigestor que se está poniendo en marcha funcionó sobre un sustrato diferente al del biodigestor en funcionamiento. Muchos manuales de construcción de biodigestores son tan fanáticos de este método que recomiendan poner en marcha un "inóculo" o "semilla" incluso antes de construir el biodigestor. Esto se puede hacer de numerosas maneras. Una forma es llenar un bidón de 55 galones con una parte de estiércol y una parte de agua y permitir que desarrolle una red de microorganismos de digestión anaeróbica. Es una buena idea controlar el pH del tambor de vez en cuando para asegurarse de que la lechada se haya desarrollado correctamente; ciertamente, desea verificar el pH antes de agregar la suspensión al biodigestor.

Un biodigestor puede "inactivo" (es decir, dejarse solo durante, digamos, una temporada de crecimiento) y luego reiniciarse de la misma manera (reducción de la cantidad de sustrato y monitoreo del pH). Es importante monitorear la combustibilidad del gas en el arranque; sin embargo, cuando se utilizan lodos anaeróbicos, la combustibilidad rara vez es un problema. En las primeras fases del proceso anaeróbico, se produce dióxido de carbono y es importante saber cuándo comienza a producirse metano, ya que ese es el punto probable de estabilidad del biodigestor (es decir, los ácidos se eliminan tan rápido como se producen).

El "comienzo del agua"

Suponiendo que no haya disponibilidad de lodos y contenidos del biodigestor, el siguiente método más sencillo para poner en marcha un biodigestor sería el inicio con agua. Las instrucciones son simples: llene el biodigestor con agua y cárguelo a una velocidad regular de estiércol. La idea es que el agua diluya los intermedios inhibidores (ácidos) y los subproductos hasta que la población productora de metano haya tenido tiempo de ponerse al día. Muchas veces esto se puede hacer sin demasiada supervisión ni problemas. Las desventajas son que el proceso puede llevar tiempo y se limita realmente a sustratos con una gran población de organismos productores de metano, como estiércol fresco. Algunos estiércol que podrían no ser tan aplicables pueden incluir estiércol de aves y posiblemente humano. Este método debe considerarse especialmente para biodigestores de flujo pistón.

El estiércol es el uso popular para la digestión anaeróbica, pero como se mencionó anteriormente, ciertamente no es el único uso. Cualquier material orgánico biodegradable se puede convertir en biogás. Algunos materiales son mejores que otros. Para iniciar un biodigestor que degradará los desechos de alimentos, es una buena idea alimentar el biodigestor con estiércol como se describió anteriormente con el inicio del agua. Una vez que el biodigestor comienza a producir metano (pruebe esto encendiendo el gas), comienza a alimentarse con desechos de alimentos a un ritmo más bajo, aumentando lentamente hasta alcanzar el ritmo de alimentación diseñado.

Enriquecimiento del cultivo y comienzo con el rumen.

En un sentido muy general, poner en marcha un biodigestor anaeróbico consiste en proporcionar una población de metanógenos para eliminar los subproductos inhibidores de los procesos de hidrolización y producción de ácido de crecimiento más rápido. Recuerde que la digestión anaeróbica la lleva a cabo una comunidad de microbios hidrolizantes, productores de ácido, productores de acetato y productores de metano. Existen numerosas formas de iniciar un biodigestor y aquí discutiremos algunos de los métodos menos utilizados. Básicamente, puedes cargar el biodigestor con una población de metanógenos de un entorno donde ya existen. Los metanógenos se pueden encontrar en suelos hídricos (suelos de humedales), sedimentos acuáticos, rumen de animales, respiraderos térmicos, zonas anóxicas en el océano, varias partes del cuerpo de muchos organismos, vertederos y otros ambientes anaeróbicos. Fuera de estos, dos se han utilizado habitualmente para poner en marcha un biodigestor anaeróbico, normalmente en el laboratorio. Los lixiviados de vertedero y los rumenes son algunos métodos comunes para iniciar un biodigestor en el laboratorio.

Debido a problemas de toxicidad con los lixiviados de los vertederos, el rumen es una fuente preferible de población metanogénica. Los animales rumiantes se definen como animales que ablandan el alimento con su primer estómago; ejemplos serían vacas, cabras, ovejas, búfalos y llamas. Puede obtener un rumen de un matadero o, si hay una unidad de ciencias lácteas disponible, de una vaca fistulada. El contenido del rumen de la vaca puede contener de la mitad a una cuarta parte de la población de metanógenos del lodo anaeróbico en un tanque o digestor de estiércol de flujo pistón. Para iniciar un biodigestor de tanque o de flujo pistón con rumen, se eliminaría el contenido de un rumen para llenar el 10% del volumen del biodigestor y el otro 90% con agua del grifo (cualquier agua excepto destilada o desionizada). Alimente el biodigestor a la velocidad calculada y, en unos pocos días, se esperaría que se produzca biogás.

Otra opción es cultivar metanógenos artificialmente y agregar el lodo del enriquecimiento del cultivo a su biodigestor. Esto es lo que estás comprando cuando compras un cultivo ya envasado, digamos de Europa. Sin embargo, con tiempo, diligencia y habilidad, ¡usted también puede hacer esto! La forma más sencilla es cultivar una muestra de un entorno anaeróbico y alimentar el cultivo en un entorno cerrado con hidrógeno, dióxido de carbono, acetato y ácido fórmico. O compuestos orgánicos solubles que se descomponen fácilmente en esos productos. Mientras tanto, deberá controlar el pH, la temperatura y la combustibilidad/contenido de gas. Luego es necesario calcular el tiempo de duplicación de los metanógenos, estimar la concentración inicial y hacer crecer el lodo hasta una capacidad suficiente. Querrá agregar un 10 % de lodo metanogénico al 10 % del volumen de lodo inicial del biodigestor. También es posible que desee enriquecer un cultivo para degradar un compuesto de interés particular, como la celulosa (material leñoso). Una regla general similar de 10-20 % de volumen de inóculo (dependiendo de qué tan rápido desea que vaya el proceso) funciona bien al iniciar procesos anaeróbicos por lotes (en contraposición a la alimentación continua), sin embargo, eso es más una consideración operativa y fuera del alcance de esta guía.

Comenzando con lechada (proceso por lotes)

Otra forma posible de iniciar un biodigestor anaeróbico es llenarlo con entre un 5% y un 20% de estiércol y agua y luego dejar reposar el lodo en una especie de proceso "por lotes". Cuando el biogás comience a desprenderse del lodo, entonces podrá comenzar a alimentar el biodigestor a la velocidad recomendada. Se debe tener en cuenta el cuidado y el control del pH porque el uso del método de arranque "por lotes" puede sobrecargar y desequilibrar fácilmente el biodigestor, provocando una caída del pH.

En una variación de comenzar con lechada, puede comenzar usando un biodigestor vacío y agregar la lechada poco a poco. Es necesario tener en cuenta las consideraciones para un domo flotante (es decir, ¿se producirá un sello de agua en la primera adición?). Esta opción de puesta en marcha podría ser especialmente conveniente si su biodigestor es propenso a sufrir fugas. Se utiliza un proceso similar al crear un inóculo para su biodigestor antes de la construcción, como se menciona en la sección de llenado y ralentí.

Efectos de la temperatura

Usted sabe (¡con suerte!) que la temperatura afecta la cantidad de material orgánico que se puede cargar en un biodigestor, pero ¿sabía que la temperatura también afecta el arranque? En un sentido general, los metanógenos pueden crecer más que los organismos productores de ácido (dado el sustrato disponible) a temperaturas más altas, mientras que a temperaturas más bajas los productores de ácido pueden crecer más que los metanógenos.

Lo que esto significa es que iniciar un biodigestor a una temperatura más baja, como en las montañas, puede ser más difícil y más propenso a colapsar que iniciar un biodigestor en un ambiente tropical de baja altitud. Una solución podría ser aumentar la dilución, pasar a una técnica más segura como el inicio con agua o reducir la tasa de carga inicial.

Papel de los nutrientes

Los nutrientes juegan un papel importante en la creación de lodos anaeróbicos y su disponibilidad puede facilitar el proceso de digestión anaeróbica en general. Los suplementos recomendados para un biodigestor anaeróbico son nitrógeno, fósforo, azufre, calcio, magnesio, hierro, níquel, cobalto y zinc. Muchos fertilizantes contendrán estos compuestos y si el biodigestor que está iniciando es un tanque o un sistema de flujo pistón (uno que no tiene largos tiempos de retención anaeróbica de lodo), una suplementación de nutrientes puede acelerar el proceso de inicio. Los suplementos de nutrientes también pueden ayudar a poner en marcha algunos biodigestores donde se produce la precipitación de nutrientes.

Los digestores anaeróbicos pueden estimularse con los siguientes metales traza: hierro, cobalto, níquel, cobre, manganeso, selenio, boro, tungsteno, molibdeno y zinc. Consulte la sección de referencia para obtener más información sobre la suplementación con nutrientes y metales traza (especialmente Speece y Wilkie). Otro factor que influye en el funcionamiento de su comunidad de biodigestores es la fuente de carbono. Algunos compuestos orgánicos tienen mayor capacidad que otros para producir biomasa celular en condiciones anaeróbicas; un ejemplo importante son los carbohidratos, que tienen mucha energía disponible para la producción de biomasa. Esto es similar al papel que los atletas consumen muchas pastas y otros carbohidratos para "cargarse de carbohidratos" antes de una carrera o evento. La adición de almidones puede ser una de las razones por las que un régimen de biodigestores, como el del Appropriate Rural Technology Institute, ha conseguido tiempos de retención hidráulica tan bajos. En la siguiente sección se analizará el papel de los nutrientes y los metales traza en un biodigestor anaeróbico que depende de la biopelícula y la granulación.

Otro problema con los nutrientes puede ser un exceso de un nutriente, como la toxicidad del amoníaco, o una cantidad insuficiente de un nutriente y la necesidad de un suplemento nutricional. Existen métodos para probar tanto la falta de nutrientes (ensayos de deficiencia de nutrientes) como problemas de toxicidad (ensayos de toxicidad anaeróbica). También existen métodos para aliviar estos problemas. Algunas simples podrían ser, si se trata de problemas de toxicidad (es decir, digerir desechos ricos en nitrógeno, como el estiércol de aves), diluir la toxina fuera del sistema. Complementando su afluente con un sustrato rico en nutrientes como los residuos de alimentos. Los tipos de sistemas que podrían ser propensos a la deficiencia de nutrientes podrían ser sustratos ricos en un tipo de material orgánico, la presencia de metales que podrían estar corroyendo y "precipitando" los nutrientes, el uso de agua rica en iones que pueden fijar algunos nutrientes, o una combinación de estos factores. Sin embargo, antes de culpar de un inicio fallido a problemas de toxicidad o deficiencia de nutrientes, debo señalar que deberían ser el último recurso porque probablemente no sean el problema.

Cuanto va a durar esto?

Bueno, la respuesta a esta pregunta, para los diseños más simples mencionados anteriormente, es complicada. El tiempo de inicio depende de la temperatura, la concentración inicial de microbios, la concentración de microbios en la materia prima y la disponibilidad de nutrientes. Dicho esto, en un clima cálido, utilizando estiércol de un mamífero rumiado, utilizando cualquiera de los métodos mencionados anteriormente, se puede iniciar un biodigestor desde unos pocos días hasta, como máximo, unas pocas semanas.

In any case, there is something wrong with your start-up method if you are starting a simple biodigester and it is taking more than a month (the only exception might be an exceptionally cold climate where you would probably want to provide some form of active or passive heating or anaerobic digestion wouldn't be appropriate anyways). You may also get fancy and add nutrients, maybe some carbohydrates or attempt to speed up the start-up procedure with some other methods (DO NOT try increasing the temperature just for start-up, you will collapse the biodigester when it goes under normal operations). The only drawback is that your "speed up" solution that you haven't tried before may collapse or inhibit the biodigester. The start-up time for more advanced designs will be discussed in the next section.

Biofilm and granulation start-up

This section for the majority of readers can be skipped or read for interest. This isn't an instruction guide, but more of a starting point for the start-up of a "sludge retaining" anaerobic biodigester. Some anaerobic bioreactors will retain sludge to gain numerous benefits such as extremely low hydraulic retention time (< 6 hours have been reported), increased methane content, low biodigester volume, resistance to stress factors, ease of idling, increased speed of "digestion," lower maintenance, and low to no sludge in the effluent.

However, while a simpler biodigester might require 2 weeks at most to start up a biofilm or granulated sludge biodigester might take 4 months or more. More simple designs and processes also do without certain expensive materials such as pumps and media support. That said mechanisms of microbial attachment and granulation aren't entirely elucidated but much work and research have gone into studying these processes. Microbes attach to themselves or to support media oftentimes as a response mechanism to environmental stress or through physical filtration. Biofilm formation can occur in stressed environments such as when nutrients are limited or some stress such as high movement (not enough to "sheer") that can be alleviated through attachment. Increased surface area such as etching or growing biofilms on activated carbon facilitates formation. Some researchers have found that applications of calcium may facilitate biofilm formation, it is theorized that calcium deposits may increase surface area. That said calcium deposits in the long run might clog up your growth media.

Biofilm formation usually requires the growth of a "colonizing" population or organism while other microbes will attach to the living surface. Granulation occurs under numerous conditions and takes quite a long time like biofilm formation. There are different processes and while calcium won't have the same role in granulation other nutrient supplementation such as K+, N, P and Mg 2+. Another important consideration for granulation is the gradual increase of flow to ensure granules aren't knocked out when developing. One way to simply and probably the only quick way to start the most popular granulation reactor, an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB), is to remove granules from one reactor and put them into another. Making clear these microbial processes of attachment is a holy grail not only for biotechnologists but also for microbial or applied ecology. Many more details can be found in the excellent resources noted in the reference section.

Troubleshooting

Many factors can go wrong when starting up an anaerobic biodigester. A large number of these factors are addressed or detailed in this guide. In general troubleshooting needs to be done in a step by step process. Take the pH of your biodigester, test the gas pressure within the biodigester and test the gas in the biodigester for gas combustibility are the three quickest most effective methods for indicating something is wrong. Once you have identified why your biodigester isn't producing gas you need to logically eliminate possibilities of why and address them as they come. If you are stumped on the possible biological issues it is a good idea to take a look at your physical structure. Troubleshooting needs through the process of elimination to ensure that extra work is not being made, many of the things mentioned in this manual can be used as a possible problem with start up (i.e. start up in a colder versus warmer climate, the role nutrients play, possible inhibition from ammonia, etc.).

Conclusion

This guide was meant to target people who know enough about a biodigester to fabricate, size and come up with a feeding regimen. Hopefully enough detail was provided to interest the scientist and not confound the backyard biogaser. The guide should also be used as a troubleshooting document to hopefully identify some of the steps that may have stumped the person replicating their biodigester experience in a different situation. Also this is an open source document and constructive criticism is not only welcome but actively solicited. Please forward any questions or comments to the the.biogas.project@gmail.com. More information, in more detail can be found in the resources located in the references, much information was generated from teachers, experience, and the listed references.

References

• van Haandel, A.C., Lettinga, G. Anaerobic Sewage Treatment: A Practical Guide for Regions with a Hot Climate J Whiley 1994
• House, D. The Complete Biogas Handbook 3rd Ed 2007 www.completebiogas.com
• Speece, R. E. Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters Archae Press 1996
• Wilkie, A.C., Colleran E. Start-up of Anaerobic Filters Containing Different Support Materials Using Pig Slurry Supernatant Biotechnology Letters Vol 6 Number 4 Nov 2004
• Wilkie, A. C., Goto M., Bordeaux, R. M., Smith, P. H., Enhancement of Anaerobic Methanogenesis from Napiergrass by Addition of Micronutrients Biomass Vol 11 1986

Links

AIDG Biogas- www.aidg.org