Biogas start-up guide/es

¡Tienes un biodigestor, enhorabuena! Las condiciones son propicias para que el biogás salve al mundo, y tú, como nuevo propietario, estás a la vanguardia. Pero antes de producir biogás, es necesario establecer una comunidad microbiana en el biodigestor de tanque/bolsa/cúpula de bambú que acabas de construir, comprar o heredar. Por suerte, establecer los microbios necesarios para este proceso es sencillo si sabes lo que haces. Pero antes de centrarte en la puesta en marcha, es necesario responder a algunas preguntas:

• ¿Su biodigestor retiene agua donde debe hacerlo?
• ¿Su biodigestor mantiene el gas por debajo de la presión diseñada?

Una vez establecidas estas dos importantes consideraciones estructurales, los siguientes pasos son sencillos. 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 indicará cuándo se empieza a producir gas combustible. El pH indica el estado del biodigestor.

• Rango de pH óptimo: 6,8-7,5. Un biodigestor anaeróbico generalmente opera en un rango de pH específico (6,8-7,5). A este pH, la actividad productora de metano elimina los subproductos inhibidores que inhiben el proceso.
• pH demasiado bajo: inferior a 6.0. Durante el arranque, los microbios productores de ácido e hidrolizadores podrían sobrepasar a los metanógenos, lo que provocaría una bajada del pH. Si el pH baja de 6.8, se inhibirá el crecimiento de metanógenos. Si baja de 6.0, se recomienda limpiar y reiniciar el biodigestor.
• pH demasiado alto: superior a 7,5 Cuando el pH es demasiado alto entonces hay un problema con lo que estás alimentando al biodigestor, este problema puede surgir por usar "agua dura" para biodigerir material orgánico demasiado rico en proteínas o amoníaco.

La digestión anaeróbica se lleva a cabo mediante una comunidad de microbios hidrolizadores (que convierten sólidos en solubles), productores de ácido, acetato y metano (metanógenos). Numerosos otros subproductos constituyen una parte importante del proceso. Comprender algunos conceptos científicos puede mejorar el proceso de puesta en marcha y facilitar la resolución de problemas. Si no está familiarizado con 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 internet, en tiendas de artículos para piscinas o acuarios. También se pueden usar indicadores naturales como la col lombarda en lugar de los medidores de pH. Al elegir un instrumento, asegúrese de elegir al menos un medidor con rangos de pH de 6 a 8.

¿Qué haces en qué tipo de biodigestor?

Esta es una pregunta de dos componentes. Existe una considerable diversidad en el diseño de biodigestores y estos pueden tener diferentes maneras de arrancar. Sin embargo, en su mayor parte, trataremos con 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 un digestor de flujo pistón sería el digestor Salchicha o de bolsas de polietileno, mientras que la mayoría de los biodigestores de domo flotante y de estilo indio serían reactores de tanque. Si tiene un biodigestor anaeróbico de película fija o de flujo ascendente con manta de lodos, probablemente sepa que esos biorreactores probablemente necesitarán un arranque diferente al de los reactores de flujo pistón o de tanque. El arranque para estos diferentes sistemas puede ser similar, aunque la instalación, la tasa de carga y la gestión del digestor pueden variar. Lo que esté alimentando al digestor afectará el procedimiento de arranque que se utilice. La consideración de la alimentación se vuelve especialmente importante cuando se desvía de la materia prima común de estiércol de cerdo/vaca. El estiércol, por ejemplo, suele contener poblaciones más grandes de organismos productores de metano, llamados metanógenos (especialmente mamíferos rumiantes, como vacas, cabras, ovejas, etc.). Es posible que el sustrato de alimentación no tenga una alta concentración de metanógenos si se trata de residuos frescos de alimentos, subproductos de procesos u otros desechos, ¡pero no se preocupe! Quizás solo necesite establecer una comunidad de biodigestores (utilizando uno de los diversos métodos) antes de cargarlo como lo haría normalmente. Conocer el tipo de biodigestor y lo que está alimentando le ayudará a poner en práctica los siguientes métodos de inicio.

Comenzando con el purín del biodigestor y los biodigestores "en reposo"

La forma más fácil y segura de poner en marcha un biodigestor de flujo tapón o de tanque es simplemente llenarlo con el contenido o lodos de otro biodigestor. La proximidad y la disponibilidad son los principales problemas de este proceso, pero suponiendo que exista disponibilidad, el biodigestor debe alimentarse con una cantidad menor de sustrato y el pH debe monitorearse, a diario si es posible, hasta alcanzar rápidamente la tasa de carga diseñada. Esto es especialmente cierto si el biodigestor que se está poniendo en marcha utilizó un sustrato diferente al del biodigestor en funcionamiento. Muchos manuales de construcción de biodigestores son tan partidarios de este método que recomiendan sembrar un "inóculo" o "semilla" incluso antes de construir el biodigestor. Esto se puede hacer de muchas maneras. Una forma es llenar un tambor de 55 galones con una parte de estiércol y una parte de agua y dejar que se desarrolle una comunidad de microorganismos para la digestión anaeróbica. Es recomendable monitorear el pH del tambor de vez en cuando para asegurar que el lodo se desarrolle correctamente. Por supuesto, conviene comprobar el pH antes de añadir el purín a un biodigestor.

Un biodigestor puede dejarse inactivo (es decir, dejarlo solo durante, por ejemplo, una temporada de crecimiento) y luego reiniciarse de la misma manera (con menor cantidad de sustrato y monitoreo del pH). Es importante monitorear la combustibilidad de los gases al inicio; sin embargo, al usar 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 "inicio del agua"

Suponiendo que no se disponga de lodos ni de su contenido, el siguiente método más sencillo para iniciar un biodigestor sería el Water Start. Las instrucciones son sencillas: llene el biodigestor con agua y cárguelo con estiércol a un ritmo regular. La idea es que el agua diluya los intermediarios inhibidores (ácidos) y los subproductos hasta que la población productora de metano haya tenido tiempo de recuperarse. A menudo, esto puede hacerse sin demasiada supervisión ni complicaciones. 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 el estiércol fresco. Algunos estiércoles que podrían no ser tan aplicables pueden incluir estiércol de aves de corral y posiblemente humano. Este método debe considerarse especialmente para biodigestores de flujo de tapón.

El estiércol es el uso más común para la digestión anaeróbica, pero, como se mencionó anteriormente, no es el único. Cualquier material orgánico biodegradable puede convertirse en biogás. Algunos materiales son mejores que otros. Para iniciar un biodigestor que degrade los residuos de alimentos, conviene alimentarlo con estiércol, como se describió anteriormente, con el agua de arranque. Una vez que el biodigestor empieza a producir metano (pruébelo encendiendo el gas), empieza a alimentarse con residuos de alimentos a un ritmo menor, aumentando gradualmente hasta alcanzar la tasa de alimentación diseñada.

Enriquecimiento cultural y comienzo con una

En términos generales, iniciar un biodigestor anaeróbico consiste en proporcionar una población de metanógenos para eliminar los subproductos inhibidores de los procesos de hidrólisis y acidificación, que crecen con mayor rapidez. Cabe recordar que la digestión anaeróbica la lleva a cabo una comunidad de microbios hidrolizadores, acidificantes, productores de acetato y metanógenos. Existen numerosas maneras de iniciar un biodigestor y aquí analizaremos algunos de los métodos menos utilizados. Básicamente, se puede cargar el biodigestor con una población de metanógenos de un entorno donde ya existen. Los metanógenos se pueden encontrar en suelos hídricos (humedales), sedimentos acuáticos, rumenes de animales, respiraderos termales, zonas anóxicas del océano, diversas partes del cuerpo de muchos organismos, vertederos y otros entornos anaeróbicos. De estos, dos se han utilizado comúnmente para iniciar un biodigestor anaeróbico, generalmente en el laboratorio. El lixiviado de vertederos y el rumen son algunos métodos comunes para iniciar un biodigestor en el laboratorio.

Debido a los problemas de toxicidad con el lixiviado de vertedero, el rumen es una fuente preferible de una población metanogénica. Los animales rumiantes se definen como animales que ablandan los alimentos 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 metanógena de lodos anaeróbicos en un tanque o digestor de estiércol de flujo tapón. Para iniciar un tanque o biodigestor de flujo tapón con un rumen, se removería 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 tasa calculada y, en unos pocos días, se esperaría que se produzca biogás.

Otra opción es cultivar metanógenos artificialmente y añadir el lodo del enriquecimiento del cultivo a su biodigestor. Esto es lo que está comprando cuando compra un cultivo ya envasado, por ejemplo, de Europa. Sin embargo, con tiempo, diligencia y habilidad, ¡usted también puede hacerlo! La manera más fácil es cultivar una muestra de un ambiente anaeróbico y alimentar el cultivo en un ambiente cerrado con hidrógeno, dióxido de carbono, acetato y ácido fórmico, o compuestos orgánicos solubles que se descomponen fácilmente en estos productos. Mientras tanto, necesitará monitorear el pH, la temperatura y la combustibilidad/contenido de gases. Luego, necesita calcular el tiempo de duplicación de los metanógenos, estimar la concentración inicial y cultivar su lodo hasta una capacidad suficiente. Querrá agregar un 10% de lodo metanógeno al 10% del volumen de lodo inicial del biodigestor. También puede querer enriquecer un cultivo para degradar un compuesto particular de interés, como la celulosa (material leñoso). Una regla general similar de un inóculo de volumen del 10-20 % (dependiendo de qué tan rápido desea que sea el proceso) funciona bien al iniciar procesos anaeróbicos por lotes (a diferencia de la alimentación continua), sin embargo, es más una consideración operativa y está fuera del alcance de esta guía.

Comenzando con lodo (proceso por lotes)

Otra forma posible de iniciar un biodigestor anaeróbico es llenarlo con un 5-20% de estiércol y agua, y luego dejar reposar el purín en un proceso discontinuo. Cuando el biogás comience a desprenderse del purín, podrá comenzar a alimentar el biodigestor a la tasa recomendada. Es importante cuidar y monitorear el pH, ya que el método de arranque discontinuo puede sobrecargar y desequilibrar fácilmente el biodigestor, provocando una bajada del pH.

Como alternativa al uso de purines, puede empezar con un biodigestor vacío y añadir el purín poco a poco. Es importante tener en cuenta la posibilidad de una cúpula flotante (por ejemplo, ¿se formará un sello de agua al añadirlo por primera vez?). Esta opción inicial puede ser especialmente recomendable si su biodigestor es propenso a fugas. Se utiliza un proceso similar para crear un inóculo para su biodigestor antes de la construcción, como se menciona en la sección de llenado y ralentí.

Efectos de la temperatura

Ya sabes (¡ojalá!) que la temperatura influye en la cantidad de materia orgánica que se puede cargar en un biodigestor, pero ¿sabías que también influye en el arranque? En general, los metanógenos pueden superar en número a los organismos productores de ácido (con el sustrato disponible) a temperaturas más altas, mientras que a temperaturas más bajas, los productores de ácido pueden superar a los metanógenos.

Esto significa que arrancar un biodigestor a una temperatura más baja, como en las montañas, puede ser más difícil y propenso a colapsar que hacerlo en un entorno tropical de baja altitud. Una solución podría ser aumentar la dilución, optar por una técnica más segura, como el arranque con agua, o reducir la tasa de carga inicial.

El papel de los nutrientes

Los nutrientes desempeñan un papel importante en la formación de lodos anaeróbicos, y su disponibilidad facilita el proceso de digestión anaeróbica en general. Se recomienda añadir nitrógeno, fósforo, azufre, calcio, magnesio, hierro, níquel, cobalto y zinc como suplemento para un biodigestor anaeróbico. Muchos fertilizantes contienen estos compuestos, y si el biodigestor que se está poniendo en marcha es un sistema de tanque o de flujo tapón (que no requiere largos tiempos de retención de lodos anaeróbicos), la suplementación con nutrientes puede acelerar el proceso de arranque. La suplementación con nutrientes también puede facilitar el arranque de 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 referencias 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 biodigestor 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 aportan mucha energía para la producción de biomasa. Esto es similar a la función que cumplen los atletas al consumir pastas y otros carbohidratos para la "carga de carbohidratos" antes de una carrera o evento. La adición de almidones puede ser una de las razones por las que un régimen de biodigestor, como el del Appropriate Rural Technology Institute, ha logrado tiempos de retención hidráulica tan bajos. El papel de los nutrientes y los metales traza en los biodigestores anaeróbicos dependientes de la biopelícula y la granulación se analizará en la siguiente sección.

Otro problema con los nutrientes puede ser un exceso de un nutriente, como la toxicidad por amoníaco, o una deficiencia de un nutriente y la necesidad de un suplemento. Existen métodos para evaluar tanto la falta de nutrientes (ensayos de deficiencia de nutrientes) como los problemas de toxicidad (ensayos de toxicidad anaeróbica). También existen métodos para aliviar estos problemas. Algunos métodos sencillos podrían ser, si se trata de problemas de toxicidad (por ejemplo, la digestión de desechos ricos en nitrógeno, como el estiércol de aves de corral), diluir la toxina del sistema. Complementar el afluente con un sustrato rico en nutrientes, como desechos de alimentos. Los 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 corroer y "precipitar" los nutrientes, el uso de agua rica en iones que pueden fijar algunos nutrientes, o una combinación de estos factores. Sin embargo, antes de atribuir un arranque fallido a problemas de toxicidad o deficiencia de nutrientes, debo señalar que deben ser el último recurso, ya que probablemente no sean el problema.

¿Cuánto tiempo va a tardar esto?

Bueno, la respuesta a esta pregunta, para los diseños más simples mencionados anteriormente, es compleja. El tiempo de arranque 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 rumiante, mediante cualquiera de los métodos mencionados, un biodigestor puede iniciarse en un plazo de unos pocos días a un máximo de unas pocas semanas.

En cualquier caso, si está iniciando un biodigestor simple y tarda más de un mes, su método de arranque podría fallar (la única excepción podría ser un clima excepcionalmente frío, donde probablemente necesite algún tipo de calefacción activa o pasiva, o la digestión anaeróbica no sería apropiada). También puede optar por añadir nutrientes, tal vez algunos carbohidratos, o intentar acelerar el proceso de arranque con otros métodos (NO intente aumentar la temperatura solo para el arranque, ya que colapsará el biodigestor cuando entre en funcionamiento normal). El único inconveniente es que la solución de "aceleración" que no haya probado antes podría colapsar o inhibir el biodigestor. El tiempo de arranque para diseños más avanzados se analizará en la siguiente sección.

Inicio de la biopelícula y la granulación

Esta sección puede ser omitida o leída por la mayoría de los lectores. No se trata de una guía de instrucciones, sino de un punto de partida para la puesta en marcha de un biodigestor anaeróbico de retención de lodos. Algunos biorreactores anaeróbicos retienen lodos para obtener numerosas ventajas, como un tiempo de retención hidráulica extremadamente bajo (se han reportado menos de 6 horas), mayor contenido de metano, bajo volumen del biodigestor, resistencia a factores de estrés, facilidad de ralentí, mayor velocidad de digestión, menor mantenimiento y baja o nula presencia de lodos en el efluente.

Sin embargo, mientras que un biodigestor más simple puede requerir un máximo de dos semanas para iniciar una biopelícula, un biodigestor de lodos granulados puede tardar cuatro meses o más. Los diseños y procesos más simples también prescinden de ciertos materiales costosos, como bombas y soportes para medios de cultivo. Dicho esto, los mecanismos de adhesión y granulación microbiana no están completamente dilucidados, pero se ha invertido mucha investigación en su estudio. Los microbios se adhieren a sí mismos o a soportes para medios de cultivo a menudo como mecanismo de respuesta al estrés ambiental o mediante filtración física. La formación de biopelículas puede ocurrir en entornos estresados, como cuando los nutrientes son limitados o bajo estrés, como un alto movimiento (insuficiente para "cortar"), que puede aliviarse mediante la adhesión. El aumento de la superficie, como el grabado o el crecimiento de biopelículas sobre carbón activado, facilita la formación. Algunos investigadores han descubierto que las aplicaciones de calcio pueden facilitar la formación de biopelículas; se teoriza que los depósitos de calcio pueden aumentar la superficie. Dicho esto, a largo plazo, los depósitos de calcio podrían obstruir los medios de cultivo.

La formación de biopelículas suele requerir el crecimiento de una población u organismo "colonizador", mientras que otros microbios se adhieren a la superficie viva. La granulación se produce en diversas condiciones y, al igual que la formación de biopelículas, tarda bastante tiempo. Existen diferentes procesos y, si bien el calcio no tiene el mismo papel en la granulación, se requiere la suplementación con otros nutrientes como K+, N, P y Mg₂. Otra consideración importante para la granulación es el aumento gradual del flujo para garantizar que los gránulos no se desprendan durante el desarrollo. Una forma sencilla, y probablemente la única y rápida, de poner en marcha el reactor de granulación más popular, un manto de lodos anaeróbicos de flujo ascendente (UASB), es retirar los gránulos de un reactor y colocarlos en otro. Aclarar estos procesos microbianos de adhesión es fundamental no solo para los biotecnólogos, sino también para la ecología microbiana o aplicada. Se pueden encontrar muchos más detalles en los excelentes recursos que se indican en la sección de referencias.

Solución de problemas

Muchos factores pueden fallar al poner en marcha un biodigestor anaeróbico. Muchos de estos factores se abordan o detallan en esta guía. En general, la resolución de problemas debe realizarse paso a paso. Medir el pH del biodigestor, comprobar la presión del gas dentro del biodigestor y comprobar su combustibilidad son los tres métodos más rápidos y efectivos para detectar un problema. Una vez identificado el motivo por el que su biodigestor no produce gas, debe descartar lógicamente las posibles causas y abordarlas a medida que surjan. Si no sabe qué hacer con los posibles problemas biológicos, es recomendable revisar su estructura física. La resolución de problemas debe realizarse mediante la eliminación de errores para garantizar que no se realice trabajo adicional. Muchos de los aspectos mencionados en este manual pueden considerarse posibles problemas durante el arranque (por ejemplo, el arranque en un clima más frío que en uno más cálido, la función de los nutrientes, la posible inhibición por amoníaco, etc.).

Conclusión

Esta guía está dirigida a personas con conocimientos suficientes sobre biodigestores para fabricarlos, dimensionarlos y diseñar un régimen de alimentación. Esperamos que la información proporcionada sea lo suficientemente detallada como para interesar al científico y no confundir al biogás casero. La guía también puede utilizarse como un documento de resolución de problemas para identificar algunos de los pasos que podrían haber dificultado la replicación de la experiencia con el biodigestor en una situación diferente. Además, este es un documento de código abierto y las críticas constructivas son bienvenidas y solicitadas activamente. Envíe cualquier pregunta o comentario a the.biogas.project@gmail.com. Puede encontrar más información detallada en los recursos que se encuentran en las referencias; gran parte de la información se generó a partir de profesores, la experiencia y las referencias mencionadas.

Referencias

• van Haandel, AC, Lettinga, G. Tratamiento anaeróbico de aguas residuales: una guía práctica para regiones con clima cálido J Whiley 1994
• House, D. El manual completo de biogás, 3.ª edición, 2007 www.completebiogas.com
• Speece, RE Biotecnología anaeróbica para aguas residuales industriales Archae Press 1996
• Wilkie, AC, Colleran E. Puesta en marcha de filtros anaeróbicos con diferentes materiales de soporte utilizando sobrenadante de purín de cerdo. Biotechnology Letters, vol. 6, número 4, noviembre de 2004.
• Wilkie, AC, Goto M., Bordeaux, RM, Smith, PH, Mejora de la metanogénesis anaeróbica del pasto Napier mediante la adición de micronutrientes a la biomasa, vol. 11, 1986

Enlaces

AIDG Biogás - www.aidg.org