Área de ingenierÍa quÍmica - buleria principal
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UNIVERSIDAD DE LEOacuteN
Instituto de Medio Ambiente Recursos Naturales y Biodiversidad
AacuteREA DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
ESTUDIO DE LA CO-DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
DE RESIDUOS GANADEROS CON OTROS
SUBSTRATOS AGROINDUSTRIALES
STUDY OF THE ANAEROBIC CO-DIGESTION OF LIVESTOCK
WASTES WITH AGROINDUSTRIAL SUBSTRATES
Aacutelvaro Lobato Fuertes
Leoacuten 2012
UNIVERSIDAD DE LEOacuteN
Instituto de Medio Ambiente Recursos Naturales y Biodiversidad
AacuteREA DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
ESTUDIO DE LA CO-DIGESTIOacuteN ANAEROBIA DE
RESIDUOS GANADEROS CON OTROS SUBSTRATOS
AGROINDUSTRIALES
STUDY OF THE ANAEROBIC CO-DIGESTION OF LIVESTOCK
WASTES WITH AGROINDUSTRIAL SUBSTRATES
Tesis presentada por Directores
Aacutelvaro Lobato Fuertes Xiomar Arleth Goacutemez Barrios
Para optar al grado de Doctor Daniel Blanco Cobiaacuten
Agradecimientos
Antes de avanzar en este trabajo quisiera expresar mi agradecimiento a los directores de
Tesis a Dntildea Xiomar Goacutemez Barrios por la continua disposicioacuten de su experiencia y
conocimiento y a D Daniel Blanco Cobiaacuten por su constante asesoramiento y su apoyo
incondicional Sin ellos no podriacutea haber completado este trabajo Igualmente debo
expresar mi sincero agradecimiento a D Antonio Moraacuten Palao por haberme brindado la
oportunidad de colaborar en este equipo de investigacioacuten y de manera muy especial por
su cercaniacutea y confianza demostradas en estos antildeos
Quiero remarcar mi profundo agradecimiento a todos los compantildeeros de laboratorio con
quien he tenido la oportunidad de compartir tantos momentos en este trayecto
investigador Quisiera comenzar mencionando a Marta Elena por la experiencia
compartida en la liacutenea de termofusibilidad de cenizas Seguidamente debo agradecer a
Adriaacuten a Diego y a Laura por tantos momentos de trabajo y compantildeerismo en el mundo
de la electroliacutesis biocataliacutetica Es aquiacute donde se me ofertoacute la oportunidad de compartir
experiencias con D Boris Tartakovski con Guido Santoyo y con Silvia Prado en
Montreal Finalmente en el campo de la digestioacuten anaerobia debo expresar mi
agradecimiento por todos los consejos y apoyo recibidos a Mordf Joseacute Joseacute Israel Vanesa
Camino Judith David Julio Rubeacuten G Rubeacuten M y Begontildea pero especialmente debo
remarcar este agradecimiento a Nuria Martiacutenez por tantas horas y horas de trabajo
compartido y por tu cercaniacutea en momentos buenos y malos
Quisiera extender tambieacuten este agradecimiento al personal del departamento que en estos
antildeos he tenido la oportunidad de conocer Luisfer Olegario Carlos Ana y especialmente
a Juan y Fernando C por su simpatiacutea y continuo apoyo logiacutestico
Por uacuteltimo quisiera agradecer a Teresa Vicky Eliacuteas Dani M Lorena Rebeca Marcia
Iris Luis Susana y Roberto Fernando G Carla Vanesa Domingo Natalia y Guillermo
el tiempo que hemos pasado juntos
Iacutendice General
Iacutendice General I
Iacutendice de Figuras VII
Iacutendice de Tablas XI
Resumen XIII
Abstract XV
CAPIacuteTULO 1 ENERGIacuteA Y RESIDUOS HACIA UNA GESTIOacuteN RESPONSABLE
1
11 Introduccioacuten 3
12 Las energiacuteas renovables 4
13 Los residuos agroindustriales la industria ganadera agroalimentaria y bioenergeacutetica8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica 9
1311 Puriacuten porcino 10
1312 Estieacutercol ovino 11
1313 Estieacutercol bovino 12
132 Los residuos agroalimentarios 13
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina 13
14 El biogaacutes 16
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes 16
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes 17
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes 19
15 Bibliografiacutea 22
CAPIacuteTULO 2 ANTECEDENTES Y OBJETIVOS 27
21 Antecedentes 29
211 Historia de la digestioacuten anaerobia 30
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia 31
I
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia35
2131 Temperatura 36
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo 36
2133 Agitacioacuten37
2134 Ph38
2135 Nutrientes38
2136 Toacutexicos e inhibidores38
214 Co-digestioacuten de biorresiduos42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos 43
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten 44
22 Objetivos49
221 Objetivo general 49
222 Objetivos especiacuteficos49
223 Planificacioacuten del trabajo 51
23 Bibliografiacutea 52
CAPIacuteTULO 3 MATERIAL Y MEacuteTODOS 61
31 Substratos empleados63
311 Residuos ganaderos 63
312 Otros residuos agroindustriales 63
313 Inoacuteculo64
32 Ensayos de digestioacuten anaerobia en discontinuo65
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano 65
33 Ensayos de digestioacuten anaerobia en semicontinuo66
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros 68
34 Teacutecnicas analiacuteticas 69
341 Anaacutelisis rutinarios69
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad70
3421 DBO 70
3422 Anaacutelisis Termogravimeacutetrico 72
II
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
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)
0
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3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
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80
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2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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26
2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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59
60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
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77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
46 BIBLIOGRAFIacuteA
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
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137
138
6 Improvement of biogas production by
co-digestion of swine manure and
residual glycerine
Biofuels 1 (2010) 59-68
A Lobato MJ Cuetos X Goacutemez A Moraacuten
Chemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41
Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
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production in high-solids sludge digestion Water Research 31 - 6 1518 - 1524 Otero M Calvo LF Estrada B Garciacutea AI Moraacuten A 2002 Thermogravimetry as
a technique for establishing the stabilization progress of sludge from wastewater treatment plants Thermochimica Acta 389 (1 - 2) 121 - 132
Pietro M Paola C 2004 Thermal analysis for the evaluation of the organic matter
evolution during municipal solid waste aerobic composting process Thermochimica Acta 413 (1-2) 209 - 214
Said-Pullicino D Gigliotti G 2007 Oxidative biodegradation of dissolved organic
matter during composting Chemosphere 68 - 6 1030 - 1040 Seca AML Cavaleiro JAS Domingues FMJ Silvestre AJD Evtuguin D
Neto CP 2000 Structural characterization of the lignin from the nodes and internodes of Arundo donax reed Journal of Agricultural and Food Chemistry 48 817 - 824
Utsunomiya A Watanuki T Matsushita K Tomita I 1997 Toxic effects of linear
alkylbenzenesulfonate and quaternary alkylammonium chloride on Dunaliella sp as measured by 1H RMN analysis of glycerol Chemosphere 35 1215 - 1226
Vivas N Nonier MF Pianet I Vivas de Gaulejac N Bouquet Eacute 2006 Structure
of extracted lignins from oak heartwood (Quercus petraea Liebl Q Robur L) Comptes Rendus Chimie 9 1221 - 1233
Xia Z Yoshida T Funaoka M 2003 Enzymatic degradation of highly phenolic
lignin-based polymers (lignophenols) European Polymer Journal 39 909 - 914 Xu F Sun JX Sun RC Fowler P Baird MS 2006 Comparative study of
organosolv lignins from wheat straw Industrial Crops and Products 23 180 - 193
189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
UNIVERSIDAD DE LEOacuteN
Instituto de Medio Ambiente Recursos Naturales y Biodiversidad
AacuteREA DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
ESTUDIO DE LA CO-DIGESTIOacuteN ANAEROBIA DE
RESIDUOS GANADEROS CON OTROS SUBSTRATOS
AGROINDUSTRIALES
STUDY OF THE ANAEROBIC CO-DIGESTION OF LIVESTOCK
WASTES WITH AGROINDUSTRIAL SUBSTRATES
Tesis presentada por Directores
Aacutelvaro Lobato Fuertes Xiomar Arleth Goacutemez Barrios
Para optar al grado de Doctor Daniel Blanco Cobiaacuten
Agradecimientos
Antes de avanzar en este trabajo quisiera expresar mi agradecimiento a los directores de
Tesis a Dntildea Xiomar Goacutemez Barrios por la continua disposicioacuten de su experiencia y
conocimiento y a D Daniel Blanco Cobiaacuten por su constante asesoramiento y su apoyo
incondicional Sin ellos no podriacutea haber completado este trabajo Igualmente debo
expresar mi sincero agradecimiento a D Antonio Moraacuten Palao por haberme brindado la
oportunidad de colaborar en este equipo de investigacioacuten y de manera muy especial por
su cercaniacutea y confianza demostradas en estos antildeos
Quiero remarcar mi profundo agradecimiento a todos los compantildeeros de laboratorio con
quien he tenido la oportunidad de compartir tantos momentos en este trayecto
investigador Quisiera comenzar mencionando a Marta Elena por la experiencia
compartida en la liacutenea de termofusibilidad de cenizas Seguidamente debo agradecer a
Adriaacuten a Diego y a Laura por tantos momentos de trabajo y compantildeerismo en el mundo
de la electroliacutesis biocataliacutetica Es aquiacute donde se me ofertoacute la oportunidad de compartir
experiencias con D Boris Tartakovski con Guido Santoyo y con Silvia Prado en
Montreal Finalmente en el campo de la digestioacuten anaerobia debo expresar mi
agradecimiento por todos los consejos y apoyo recibidos a Mordf Joseacute Joseacute Israel Vanesa
Camino Judith David Julio Rubeacuten G Rubeacuten M y Begontildea pero especialmente debo
remarcar este agradecimiento a Nuria Martiacutenez por tantas horas y horas de trabajo
compartido y por tu cercaniacutea en momentos buenos y malos
Quisiera extender tambieacuten este agradecimiento al personal del departamento que en estos
antildeos he tenido la oportunidad de conocer Luisfer Olegario Carlos Ana y especialmente
a Juan y Fernando C por su simpatiacutea y continuo apoyo logiacutestico
Por uacuteltimo quisiera agradecer a Teresa Vicky Eliacuteas Dani M Lorena Rebeca Marcia
Iris Luis Susana y Roberto Fernando G Carla Vanesa Domingo Natalia y Guillermo
el tiempo que hemos pasado juntos
Iacutendice General
Iacutendice General I
Iacutendice de Figuras VII
Iacutendice de Tablas XI
Resumen XIII
Abstract XV
CAPIacuteTULO 1 ENERGIacuteA Y RESIDUOS HACIA UNA GESTIOacuteN RESPONSABLE
1
11 Introduccioacuten 3
12 Las energiacuteas renovables 4
13 Los residuos agroindustriales la industria ganadera agroalimentaria y bioenergeacutetica8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica 9
1311 Puriacuten porcino 10
1312 Estieacutercol ovino 11
1313 Estieacutercol bovino 12
132 Los residuos agroalimentarios 13
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina 13
14 El biogaacutes 16
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes 16
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes 17
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes 19
15 Bibliografiacutea 22
CAPIacuteTULO 2 ANTECEDENTES Y OBJETIVOS 27
21 Antecedentes 29
211 Historia de la digestioacuten anaerobia 30
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia 31
I
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia35
2131 Temperatura 36
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo 36
2133 Agitacioacuten37
2134 Ph38
2135 Nutrientes38
2136 Toacutexicos e inhibidores38
214 Co-digestioacuten de biorresiduos42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos 43
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten 44
22 Objetivos49
221 Objetivo general 49
222 Objetivos especiacuteficos49
223 Planificacioacuten del trabajo 51
23 Bibliografiacutea 52
CAPIacuteTULO 3 MATERIAL Y MEacuteTODOS 61
31 Substratos empleados63
311 Residuos ganaderos 63
312 Otros residuos agroindustriales 63
313 Inoacuteculo64
32 Ensayos de digestioacuten anaerobia en discontinuo65
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano 65
33 Ensayos de digestioacuten anaerobia en semicontinuo66
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros 68
34 Teacutecnicas analiacuteticas 69
341 Anaacutelisis rutinarios69
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad70
3421 DBO 70
3422 Anaacutelisis Termogravimeacutetrico 72
II
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
300
400
500
600
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Pote
nci
a in
stal
ada
(MW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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26
2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
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77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
46 BIBLIOGRAFIacuteA
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
55 REFERENCES
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138
6 Improvement of biogas production by
co-digestion of swine manure and
residual glycerine
Biofuels 1 (2010) 59-68
A Lobato MJ Cuetos X Goacutemez A Moraacuten
Chemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41
Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
76 BIBLIOGRAFIacuteA
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Said-Pullicino D Gigliotti G 2007 Oxidative biodegradation of dissolved organic
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organosolv lignins from wheat straw Industrial Crops and Products 23 180 - 193
189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
Agradecimientos
Antes de avanzar en este trabajo quisiera expresar mi agradecimiento a los directores de
Tesis a Dntildea Xiomar Goacutemez Barrios por la continua disposicioacuten de su experiencia y
conocimiento y a D Daniel Blanco Cobiaacuten por su constante asesoramiento y su apoyo
incondicional Sin ellos no podriacutea haber completado este trabajo Igualmente debo
expresar mi sincero agradecimiento a D Antonio Moraacuten Palao por haberme brindado la
oportunidad de colaborar en este equipo de investigacioacuten y de manera muy especial por
su cercaniacutea y confianza demostradas en estos antildeos
Quiero remarcar mi profundo agradecimiento a todos los compantildeeros de laboratorio con
quien he tenido la oportunidad de compartir tantos momentos en este trayecto
investigador Quisiera comenzar mencionando a Marta Elena por la experiencia
compartida en la liacutenea de termofusibilidad de cenizas Seguidamente debo agradecer a
Adriaacuten a Diego y a Laura por tantos momentos de trabajo y compantildeerismo en el mundo
de la electroliacutesis biocataliacutetica Es aquiacute donde se me ofertoacute la oportunidad de compartir
experiencias con D Boris Tartakovski con Guido Santoyo y con Silvia Prado en
Montreal Finalmente en el campo de la digestioacuten anaerobia debo expresar mi
agradecimiento por todos los consejos y apoyo recibidos a Mordf Joseacute Joseacute Israel Vanesa
Camino Judith David Julio Rubeacuten G Rubeacuten M y Begontildea pero especialmente debo
remarcar este agradecimiento a Nuria Martiacutenez por tantas horas y horas de trabajo
compartido y por tu cercaniacutea en momentos buenos y malos
Quisiera extender tambieacuten este agradecimiento al personal del departamento que en estos
antildeos he tenido la oportunidad de conocer Luisfer Olegario Carlos Ana y especialmente
a Juan y Fernando C por su simpatiacutea y continuo apoyo logiacutestico
Por uacuteltimo quisiera agradecer a Teresa Vicky Eliacuteas Dani M Lorena Rebeca Marcia
Iris Luis Susana y Roberto Fernando G Carla Vanesa Domingo Natalia y Guillermo
el tiempo que hemos pasado juntos
Iacutendice General
Iacutendice General I
Iacutendice de Figuras VII
Iacutendice de Tablas XI
Resumen XIII
Abstract XV
CAPIacuteTULO 1 ENERGIacuteA Y RESIDUOS HACIA UNA GESTIOacuteN RESPONSABLE
1
11 Introduccioacuten 3
12 Las energiacuteas renovables 4
13 Los residuos agroindustriales la industria ganadera agroalimentaria y bioenergeacutetica8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica 9
1311 Puriacuten porcino 10
1312 Estieacutercol ovino 11
1313 Estieacutercol bovino 12
132 Los residuos agroalimentarios 13
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina 13
14 El biogaacutes 16
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes 16
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes 17
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes 19
15 Bibliografiacutea 22
CAPIacuteTULO 2 ANTECEDENTES Y OBJETIVOS 27
21 Antecedentes 29
211 Historia de la digestioacuten anaerobia 30
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia 31
I
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia35
2131 Temperatura 36
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo 36
2133 Agitacioacuten37
2134 Ph38
2135 Nutrientes38
2136 Toacutexicos e inhibidores38
214 Co-digestioacuten de biorresiduos42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos 43
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten 44
22 Objetivos49
221 Objetivo general 49
222 Objetivos especiacuteficos49
223 Planificacioacuten del trabajo 51
23 Bibliografiacutea 52
CAPIacuteTULO 3 MATERIAL Y MEacuteTODOS 61
31 Substratos empleados63
311 Residuos ganaderos 63
312 Otros residuos agroindustriales 63
313 Inoacuteculo64
32 Ensayos de digestioacuten anaerobia en discontinuo65
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano 65
33 Ensayos de digestioacuten anaerobia en semicontinuo66
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros 68
34 Teacutecnicas analiacuteticas 69
341 Anaacutelisis rutinarios69
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad70
3421 DBO 70
3422 Anaacutelisis Termogravimeacutetrico 72
II
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
300
400
500
600
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Pote
nci
a in
stal
ada
(MW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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26
2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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during shock loads ndash influence of formate production and H2 kinetics Water Research 35 1831 - 1841
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treatment of mixed abattoir wastes Process Biochemistry 38 1267 - 73 Zeeman G Wiegant WM Koster-Treffer M-E Lettinga G 1985 The influence
of the total ammonia concentration of the thermophilic digestion of cow manure Agricultural Wastes 14 19 - 35
Zinder SH 1984 Microbiology of anaerobic conversion of organic wastes to
methane recent developments ASM News 50 294 - 298
59
60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
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Leoacuten Sanders JKM Hunter BK 1994 Modern NMR spectroscopy (A guide for
chemists) 2nd ed Oxford University Press Oxford UK Sialve B Bernet N Bernard O 2009 Anaerobic digestion of microalgae as a
necessary step to make microalgal biodiesel sustainable Biotechnology Advances 27 - 4 409 - 416
Veeken A de Wilde V Hamelers H 2002 Passively aerated composting of straw-
rich pig manure effect of compost bed porosity Compost Science and Utilization 10 114 -128
University of Hartford wwwhartfordedu [fecha de consulta octubre de 2011] Agilent Technologies wwwvarianinccom [fecha de consulta noviembre de 2011]
77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
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with UF-membrane separation and recycling of permeate after free ammonia stripping Water Science Technology 52 531 - 536
Speece RE 1987 Nutrient requeriments of anaerobic digestion of biomass Elsevier
Appield Science LTD Tchobanoglous G Burton FL 1995 Ingenieriacutea sanitaria Tratamiento evacuacioacuten y
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Zeeman G Wiegant WM Koster-Treffer ME Lettinga G 1985 The influence of
the total ammonia concentration on the thermophilic digestion of cow manure Agricultural Wastes 14 19 - 35
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
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138
6 Improvement of biogas production by
co-digestion of swine manure and
residual glycerine
Biofuels 1 (2010) 59-68
A Lobato MJ Cuetos X Goacutemez A Moraacuten
Chemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41
Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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anaerobic co-digestion of sewage sludge and pig manure Journal of Environmental Management 70 101 - 107
Oleszkiewicz JA Kosiarski S 1981 Management and treatment of wastes from
large piggeries Agricultural Wastes 3 123 - 144 Patni NK Jui PY 1985 Volatile fatty acids in stored dairy cattle slurry
Agricultural Wastes 13 159 - 178
163
164
Paul JW Beauchamp EG 1989 Relationship between volatile fatty acids total ammonia and pH in manure slurries Biological Wastes 29 313 - 318
Pavlostathis SG Giraldo-Goacutemez E 1991 Kinetics of anaerobic treatment Water
Science and Technology 24 - 8 35 - 59 Ren NQ Liu M Wang AJ Ding J Hong M 2003 Organic acids conversion in
methanogenicndashphase reactor of the two phase anaerobic process Environmental Science 24 - 4 89 - 93
Robbins JE Gerhard SA Kappel TJ 1989 Effects of ammonia in anaerobic
digestion and an example of digestor performance from cattle manure protein mixtures Biological Wastes 27 1 - 14
Siegert I Banks C 2005 The effect of volatile fatty acid additions on the anaerobic
digestion of cellulose and glucose in batch reactors Process Biochemistry 40 - 11 3412 - 3418
Steinfeld H Gerber P Wassenaar T 2006 Livestockrsquos long shadowndash
environmental issues and options FAO 390 Vieitez ER Ghosh S 1999 Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic
fermentation Biomass and Bioenergy 16 299 - 309 Wang Y Zhang Y Meng L Wang J Zhang W 2009 Hydrogenndashmethane
production from swine manure Effect of pretreatment and VFAs accumulation on gas yield Biomass and Bioenergy 33 1131 - 1138
Yeole TY Gokhale S Hajarnis SR Ranade DR 1996 Effect of brackish water
on biogas production from cattle dung and methanogens Bioresource Technology 58 - 3 323 - 325
7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
76 BIBLIOGRAFIacuteA
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organosolv lignins from wheat straw Industrial Crops and Products 23 180 - 193
189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
Iacutendice General
Iacutendice General I
Iacutendice de Figuras VII
Iacutendice de Tablas XI
Resumen XIII
Abstract XV
CAPIacuteTULO 1 ENERGIacuteA Y RESIDUOS HACIA UNA GESTIOacuteN RESPONSABLE
1
11 Introduccioacuten 3
12 Las energiacuteas renovables 4
13 Los residuos agroindustriales la industria ganadera agroalimentaria y bioenergeacutetica8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica 9
1311 Puriacuten porcino 10
1312 Estieacutercol ovino 11
1313 Estieacutercol bovino 12
132 Los residuos agroalimentarios 13
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina 13
14 El biogaacutes 16
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes 16
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes 17
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes 19
15 Bibliografiacutea 22
CAPIacuteTULO 2 ANTECEDENTES Y OBJETIVOS 27
21 Antecedentes 29
211 Historia de la digestioacuten anaerobia 30
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia 31
I
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia35
2131 Temperatura 36
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo 36
2133 Agitacioacuten37
2134 Ph38
2135 Nutrientes38
2136 Toacutexicos e inhibidores38
214 Co-digestioacuten de biorresiduos42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos 43
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten 44
22 Objetivos49
221 Objetivo general 49
222 Objetivos especiacuteficos49
223 Planificacioacuten del trabajo 51
23 Bibliografiacutea 52
CAPIacuteTULO 3 MATERIAL Y MEacuteTODOS 61
31 Substratos empleados63
311 Residuos ganaderos 63
312 Otros residuos agroindustriales 63
313 Inoacuteculo64
32 Ensayos de digestioacuten anaerobia en discontinuo65
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano 65
33 Ensayos de digestioacuten anaerobia en semicontinuo66
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros 68
34 Teacutecnicas analiacuteticas 69
341 Anaacutelisis rutinarios69
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad70
3421 DBO 70
3422 Anaacutelisis Termogravimeacutetrico 72
II
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
300
400
500
600
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Pote
nci
a in
stal
ada
(MW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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surface and subsurface flow from pasture applied poultry litter and composted poultry litter Nutrient Cycling Agroecosystem 50 287 - 290
25
26
2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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59
60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
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77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
46 BIBLIOGRAFIacuteA
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
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6 Improvement of biogas production by
co-digestion of swine manure and
residual glycerine
Biofuels 1 (2010) 59-68
A Lobato MJ Cuetos X Goacutemez A Moraacuten
Chemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41
Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
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189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia35
2131 Temperatura 36
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo 36
2133 Agitacioacuten37
2134 Ph38
2135 Nutrientes38
2136 Toacutexicos e inhibidores38
214 Co-digestioacuten de biorresiduos42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos 43
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten 44
22 Objetivos49
221 Objetivo general 49
222 Objetivos especiacuteficos49
223 Planificacioacuten del trabajo 51
23 Bibliografiacutea 52
CAPIacuteTULO 3 MATERIAL Y MEacuteTODOS 61
31 Substratos empleados63
311 Residuos ganaderos 63
312 Otros residuos agroindustriales 63
313 Inoacuteculo64
32 Ensayos de digestioacuten anaerobia en discontinuo65
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano 65
33 Ensayos de digestioacuten anaerobia en semicontinuo66
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros 68
34 Teacutecnicas analiacuteticas 69
341 Anaacutelisis rutinarios69
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad70
3421 DBO 70
3422 Anaacutelisis Termogravimeacutetrico 72
II
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
300
400
500
600
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Pote
nci
a in
stal
ada
(MW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2010a Caracterizacioacuten del
sector vacuno de carne en Espantildea antildeo 2009 Subdireccioacuten General de Productos Ganaderos Madrid MARM
Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2010b El Sector del Biogaacutes
Agroindustrial en Espantildea Direccioacuten General de Recursos Agriacutecolas y Ganaderos Madrid MARM
Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2010c Encuestas de sacrificio
de ganado Secretariacutea General Teacutecnica Subdireccioacuten General de Estadiacutestica Madrid MARM
Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2010d Industria alimentaria
2009 - 2010 Direccioacuten general de industria y mercados alimentarios Subdireccioacuten general de fomento industrial e innovacioacuten Madrid MARM
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Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2010e Resultados de las
encuestas de ganado bovino de noviembre 2010 Secretariacutea General Teacutecnica Subdireccioacuten General de Estadiacutestica Madrid MARM
Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino 2011 El sector de la carne de
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25
26
2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
35 BIBLIOGRAFIacuteA
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77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
46 BIBLIOGRAFIacuteA
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
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Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
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189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
3423 Espectroscopiacutea de Resonancia Magneacutetica Nuclear 73
35 Bibliografiacutea 76
CAPIacuteTULO 4 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN DE ESTIEacuteRCOL OVINO CON
RESIUDOS DE UNA INDUSTRIA DE PROCESADO DE PATATAS 79
41 Introduccioacuten 81
42 Objetivos 83
43 Material y meacutetodo 83
431 Substratos utilizados 83
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de
Buswell 85
433 Ensayos de biodegradabilidad 85
434 Ensayos en semicontinuo 86
435 Teacutecnicas analiacuteticas 89
44 Resultados y discusioacuten 89
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano 89
442 Ensayos de biodegradabilidad 90
443 Ensayos en semicontinuo 92
45 Conclusiones 104
46 Bibliografiacutea 105
CAPIacuteTULO 5 DIGESTION OF CATTLE MANURE UNDER MESOPHILIC AND
THERMOPHILIC CONDITIONS CHARACTERIZATION OF ORGANIC
MATTER APPLYING THERMAL ANALYSIS AND 1HNMR 109
Abstract 113
Resumen 113
51 Introduction 114
52 Material and methods 115
521 Substrates and digestion characteristics 115
III
522 Kinetic analysis 116
523 Analytical techniques 116
53 Results and discussion 118
531 Anaerobic digestion118
532 Thermal Analysis 121
533 1H NMR spectroscopy125
54 Conclusions132
Acknowledgements132
55 References133
CAPIacuteTULO 6 IMPROVEMENT OF BIOGAS PRODUCTION BY CO-
DIGESTION OF SWINE MANURE AND RESIDUAL GLYCERINE 139
Abstract 143
Resumen143
61 Introduction144
62 Materials and methods 146
621 Substrates and batch digestion 146
622 Anaerobic digestion148
623 Analytical techniques 149
63 Results 150
631 Batch digestion tests of swine manure 150
632 Co-digestion of swine manure and residual glycerine 151
64 Conclusions160
65 Executive summary161
66 Future perspective 161
67 References162
IV
CAPIacuteTULO 7 ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DEL EFLUENTE DE
DIGESTIOacuteN DE PURIacuteN - GLICERINA 165
71 Introduccioacuten 167
72 Objetivos 168
73 Material y meacutetodo 169
731 Procedimiento experimental 169
732 Substratos utilizados 170
733 Teacutecnicas analiacuteticas 171
74 Resultados y discusioacuten 171
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos 171
742 Espectrometriacutea 1H RMN 175
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico 175
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental 183
75 Conclusiones 187
Agradecimientos 187
76 Bibliografiacutea 188
ANEXO 71 191
CAPIacuteTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES 193
81 Respecto a los ensayos de digestioacuten en discontinuo y los co-substratos empleados195
82 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de estieacutercol
ovino - residuo de patata 196
83 Respecto a los ensayos de digestioacuten y co-digestioacuten en semicontinuo de puriacuten porcino
- glicerina 196
84 Respecto a los ensayos de estabilizacioacuten de efluentes de digestioacuten anaerobia 197
V
VI
Iacutendice de Figuras
CAPIacuteTULO 1
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010 4
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010 5
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose) 6
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte 7
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW 18
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes 21
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes 21
CAPIacuteTULO 2
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas 32
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja 35
Figura 23 Esquema general de trabajo 51
CAPIacuteTULO 3
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros 67
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores 68
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido 71
VII
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza73
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)74
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear 75
CAPIacuteTULO 4
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b) 86
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales 87
Figura 43 Cronograma de los ensayos 89
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados91
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano94
Figura 46 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y el rendimiento maacuteximo teoacuterico104
Figura 47 Correlacioacuten entre la destruccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de produccioacuten de metano 104
CAPIacuteTULO 5
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems119
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure 122
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic
(a b c) and thermophilic (d e f) digestion processes 123
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure127
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and
thermophilic digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c)
Thermophilic 16d (d) Thermophilic 77d 128
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples131
VIII
CAPIacuteTULO 6
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
151
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2 152
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2 155
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 156
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8 157
CAPIacuteTULO 7
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8 172
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
173
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8 174
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle
del final del proceso 175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim) 176
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0) 176
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1) 176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2) 177
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim) 183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0) 184
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1) 184
IX
X
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)184
Iacutendice de Tablas
CAPIacuteTULO 1
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes 17
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes 20
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales 20
CAPIacuteTULO 3
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo primario utilizado en el estudio 64
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes 66
CAPIacuteTULO 4
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados 84
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de los substratos 85
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema 88
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas 88
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano 93
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente 95
Tabla 47 Contenido en metano 96
Tabla 48 Contenido en ST y SV 96
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido 98
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH 98
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO 101
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5 101
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO refractaria 102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas 103
XI
XII
CAPIacuteTULO 5
Table 51 Chemical composition of the substrate 119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems 120
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present
study 125
CAPIacuteTULO 6
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of
residual glycerine used as co-substrate 148
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures 151
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine 153
CAPIacuteTULO 7
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten170
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN 178
Resumen
La obtencioacuten de energiacutea es un factor clave para el desarrollo de la actividad humana En
las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto mayoritariamente con fuentes de caraacutecter
foacutesil y no renovable cuestionando la sostenibilidad del sistema econoacutemico global Por
otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
incrementado la produccioacuten y complejidad de los residuos Esta problemaacutetica ambiental
ha de afrontarse para lograr un bienestar social compatible con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La digestioacuten anaerobia aplicada a residuos orgaacutenicos es una opcioacuten adecuada de gestioacuten y
valorizacioacuten econoacutemica gracias al aprovechamiento del biogaacutes producido y a la
estabilizacioacuten del residuo Sin embargo este proceso fermentativo suele estar dificultado
por diversos factores relativos a la naturaleza del substrato como pueden ser el balance de
nutrientes el pH o la presencia de toacutexicos e inhibidores La inclusioacuten de un co-substrato
puede ser una opcioacuten valida para conseguir un substrato-mezcla adecuado al proceso
Entre los residuos orgaacutenicos destacan los del sector agroindustrial por su volumen y
complejidad ofreciendo muacuteltiples posibilidades de valorizacioacuten conjunta Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos (ovino vacuno y porcino) considerando
residuos de la industria alimentaria (peladura de patata y patata frita) y bioenergeacutetica
(glicerina) como posibles co-substratos
En concreto se llevaron a cabo ensayos de digestioacuten mesofiacutelica en reacutegimen discontinuo de
los residuos ganaderos y de procesado de patata Dentro de los residuos ganaderos el
mayor potencial de biometanizacioacuten se detectoacute en el puriacuten porcino Asimismo la patata
frita residual demostroacute un potencial de produccioacuten de biogaacutes elevado coherente con su
contenido lipiacutedico En el caso del estieacutercol vacuno se realizoacute una comparativa del proceso
en reacutegimen mesofiacutelico y termofiacutelico La cineacutetica del proceso resultoacute maacutes elevada en el
ensayo termofiacutelico sin embargo el proceso degradativo fue maacutes eficiente en el sistema
mesofiacutelico
XIII
En cuanto a la co-digestioacuten se realizoacute un estudio de digestioacuten de estieacutercol ovino con
patata residual en continuo comprobaacutendose la mejora significativa en la produccioacuten de
gas en el control de los paraacutemetros de proceso y en la degradacioacuten de la materia orgaacutenica
con la adicioacuten de los co-substratos Tambieacuten se evaluoacute la co-digestioacuten de puriacuten porcino
suplementado con glicerina a tres relaciones de mezcla observaacutendose un incremento en la
metanizacioacuten conforme aumenta el contenido en glicerina Sin embargo pese a la mejor
relacioacuten CN conseguida con el aporte de co-substrato el contenido de amoniaco superoacute
los niveles considerados como inhibitorios La concentracioacuten de AGVs del lecho de
digestioacuten se elevoacute conforme al contenido en glicerina contribuyendo a la incapacidad de
los sistemas para alcanzar condiciones estables
Finalmente se llevoacute a cabo el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten de los efluentes
de digestioacuten mediante anaacutelisis teacutermico y espectrometriacutea de RMN Con ello se persiguioacute
evaluar el grado de estabilizacioacuten del efluente y determinar la aplicabilidad de las teacutecnicas
mencionadas El anaacutelisis teacutermico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la densificacioacuten de componentes
termoestables complejos nitrogenados y estructuras aromaacuteticas conforme avanzaba el
proceso de estabilizacioacuten Dada la sencillez de la termogravimetriacutea es una opcioacuten
aplicable al seguimiento y control del proceso de estabilizacioacuten Por el contrario el
elevado coste de la espectrometriacutea de RMN uacutenicamente permite su aplicacioacuten en el aacutembito
del estudio e investigacioacuten del proceso La evolucioacuten del conjunto de paraacutemetros fiacutesico-
quiacutemicos posibilitaron estimar cualitativamente el grado de estabilizacioacuten alcanzado
XIV
Abstract
Obtaining energy is a key factor for the development of human activity In recent decades
demand has been met mostly with no renewable fossil nature sources questioning the
sustainability of the global economic system On the other hand increased consumption of
all types of materials for todays society has increased the production and its complexity of
wastes This environmental problem has to be faced to achieve social welfare compatible
with environmental capacity to absorb the impacts
Applying anaerobic digestion to organic waste is an appropriate choice of management
and economic recovery through the use of biogas produced and the stabilization of the
waste However this fermentative process is generally hampered by various factors
relating to the nature of the substrate such as nutrient balance pH or the presence of
toxics and inhibitors The inclusion of a co-substrate may be an option to get a substrate-
mixture appropriate to the process
Among the organic wastes agribusiness residues are distinguished by their size and
complexity So many possibilities for economic recovery are offered managing them
together This work focuses on the management of livestock waste (sheep cattle and
pigs) considering food industry waste (peel potato and potato chip) and bioenergetics
(glycerin) as potential co-substrates
Specifically batch mesophilic digestion of livestock and processing potato wastes tests
were performed Among livestock wastes the largest biomethanation potential was
localized in pig manure Also the residual chip demonstrated high potential for biogas
production consistent with their lipid content In the case of cattle manure a comparative
process was carried out in mesophilic and thermophilic regime The kinetics of the process
was higher in the thermophilic test however the degradative process was more efficient in
the mesophilic system
Sheep manure digestion and its co-digestion with residual potato in continuous was
studied proving the significant improvement in the gas production control of the process
XV
XVI
parameters and in the degradation of organic matter with the addition of co-substrates
Also the co-digestion of pig manure supplemented with glycerol at three mixing ratios was
evaluated observing an increase in the methanation with increasing glycerin content
However despite the better CN ratio achieved by the provision of co-substrate the
ammonia content exceeded the levels of inhibition The concentration of VFAs on
digestion bed was increased according to glycerine content contributing to the failure of
the systems to achieve stable conditions
Finally monitoring of the stabilization process of the digestion effluent was carried out by
thermal analysis and NMR spectrometry This was pursued evaluate their own
stabilization degree of the effluent and determine the applicability of the mentioned
techniques Thermal analysis and NMR spectrometry applied to cattle manure and slurry-
glycerine digestates allowed to show the densification of thermostable components
nitrogen complexes and aromatic structures as stabilization process progressed Given the
simplicity of thermogravimetry it is an option applicable to the monitoring and control of
the stabilization process In contrast the high cost of NMR spectrometry allows only its
application in the field of study and research of the process The evolution of the set of
physicochemical parameters enabled qualitatively estimate the degree of stabilization
achieved
1 Energiacutea y Residuos
Hacia una gestioacuten responsable
11 INTRODUCCIOacuteN
La energiacutea es necesaria para el desarrollo de la actividad humana bien en forma
mecaacutenica eleacutectrica o teacutermica En las uacuteltimas deacutecadas su demanda se ha cubierto
mayoritariamente con fuentes de caraacutecter foacutesil como el carboacuten el gas natural y el
petroacuteleo La sobreexplotacioacuten de estos recursos no renovables estaacute cuestionando la
sostenibilidad del sistema econoacutemico global Si a este factor unimos que los combustibles
foacutesiles constituyen el aporte de carbono externo al ciclo de la biosfera y por tanto
contribuyen al calentamiento global se comprende el intereacutes hacia los programas de
desarrollo de fuentes de energiacuteas renovables que permitan cubrir parte de la demanda
futura en condiciones econoacutemicas viables
Por otro lado el aumento de consumo de todo tipo de materias por la sociedad actual ha
generado un notable incremento de la produccioacuten y complejidad de los residuos Este
hecho constituye en siacute mismo el centro de una problemaacutetica ambiental que ha de
considerarse para lograr un bienestar social coherente con la capacidad del medio de
absorber los impactos producidos
La valorizacioacuten energeacutetica es una forma de gestioacuten de residuos mediante la cual se
aprovecha el potencial energeacutetico almacenado en los mismos y se reduce la cantidad de
3
materia a ser desechada finalmente Tal es el caso de la digestioacuten anaerobia aplicada a
residuos orgaacutenicos que permite generar una corriente de biogaacutes (biocombustible)
reduciendo el contenido orgaacutenico Se trata por tanto de una teacutecnica que auacutena esfuerzos
para una gestioacuten energeacutetica y de residuos racional
12 LAS ENERGIacuteAS RENOVABLES
Los sistemas econoacutemicos occidentales han incrementado en los uacuteltimos antildeos el
abastecimiento energeacutetico mediante energiacuteas alternativas Esta tendencia presenta un
doble origen por un lado estaacute la voluntad de minimizar los impactos sobre el medio
ambiente y por otro la necesidad de incrementar el autoabastecimiento energeacutetico
reduciendo la dependencia exterior En la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE marca
los objetivos a cumplir en introduccioacuten de energiacuteas renovales hasta 2020 El seguimiento
en el cumplimiento de los objetivos se establece por bienios siendo la cuota de energiacutea
renovable para Espantildea en el antildeo 2020 del 20
Las Figuras 11 y 12 resumen la situacioacuten de partida de Espantildea en cuanto a consumo
final bruto de energiacutea y estructura de la produccioacuten eleacutectrica para conseguir los objetivos
perseguidos en la Directiva 200928CE
Fuente MITyC 2010b
Figura 11 Consumo final bruto de energiacutea en 2010
4
Fuente MITyC 2010b
Figura 12 Estructura de produccioacuten eleacutectrica en 2010
La aportacioacuten de las energiacuteas renovables al consumo final bruto en Espantildea se fija para el
antildeo 2020 en un 20 mientras que el aporte de las renovables a la produccioacuten de energiacutea
eleacutectrica debe alcanzar el 40 Ademaacutes el seguimiento para el cumplimiento de la
directiva establece que el consumo final bruto de energiacutea renovable seraacute del 1096 en
2012 1209 en 2014 1379 en 2016 y 1605 en 2018
En base a esto y seguacuten se expone en la Figura 11 el resultado de 2010 sobrepasa el
objetivo marcado por la Directiva 200928CE para el bienio 2013 ndash 2014 De hecho el
Informe de Previsioacuten del Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro Energeacutetico (IDAE)
estima que el avance en el cumplimiento del actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas
Renovables permitiraacute en 2020 contar con una participacioacuten de las energiacuteas renovables en
el consumo final bruto del 227 y un 423 de participacioacuten de las energiacuteas renovables
en la produccioacuten eleacutectrica (MITyC 2010a)
La planificacioacuten de la estructura de produccioacuten eleacutectrica recogida en el Plan de Accioacuten
Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash 2020 es la expuesta en las Figuras 13 14 y 15
De todos modos la actual crisis econoacutemica puede alterar la evolucioacuten de estas previsiones
5
Fuente MITyC 2010b
Figura 13 Consumo final bruto de electricidad renovable (desglose)
Fuente MITyC 2010b
Figura 14 Consumo final bruto de energiacuteas renovables para calefaccioacuten refrigeracioacuten
6
Fuente MITyC 2010b
Figura 15 Consumo final de energiacuteas renovables en el transporte
Seguacuten estas previsiones el consumo final bruto de electricidad renovable experimentaraacute
un crecimiento del 70 pasando de 85149 GWh en 2010 a 144825 GWh en 2020
Destaca la aparicioacuten en escena de la solar termoeleacutectrica y del grupo compuesto por la
eoacutelica marina la geoteacutermica la energiacutea del mar y el biogaacutes En teacuterminos absolutos la
energiacutea renovable que mayor incremento en consumo final bruto experimente seraacute la
eoacutelica terrestre
En el sector calefaccioacuten ndash refrigeracioacuten se preveacute un aumento del aporte de las energiacuteas
renovables del 36 destacando el incremento del 350 en el caso de la energiacutea solar
teacutermica En teacuterminos absolutos el mayor incremento lo experimentaraacute el sector de la
biomasa
Por uacuteltimo seguacuten se indica en la Figura 15 el incremento de las energiacuteas alternativas en
el sector del transporte seraacute del 209 correspondiendo al uso del biodiesel el mayor
avance en teacuterminos absolutos
7
13 LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES LA INDUSTRIA GANADERA
AGROALIMENTARIA Y BIOENERGEacuteTICA
La agroindustria se define como el conjunto de actividades de manufacturacioacuten mediante
las cuales se elaboran materias primas y productos derivados del sector agriacutecola Por tanto
la agroindustria se refiere a la transformacioacuten de productos procedentes de la agricultura
la ganaderiacutea la actividad forestal y la pesca (FAO 1997)
Es evidente que las actividades acogidas a esta definicioacuten forman un grupo muy variado
desde la extraccioacuten de las materias primas hasta la produccioacuten de artiacuteculos manufacturados
como textiles transformados alimentarios o papel
Una primera clasificacioacuten de la agroindustria distingue entre industrias alimentarias e
industrias no alimentarias (FAO 1997) El primer grupo engloba tareas maacutes o menos
homogeacuteneas relacionadas con la conservacioacuten de las cosechas o criacutea de animales y la
elaboracioacuten de la amplia gama de productos alimenticios En contraposicioacuten la
agroindustria no alimentaria cumple cometidos muy dispares requiriendo generalmente
un alto grado de elaboracioacuten
Pese a su importante contribucioacuten al desarrollo de una sociedad la agroindustria puede
tener tambieacuten efectos colaterales perjudiciales para el medio ambiente Como cualquier
actividad productiva sin un adecuado control y gestioacuten la agroindustria puede entrantildear
riesgos ecoloacutegicos o generar impactos ambientales de todo tipo vertidos perjudiciales en
los medios hiacutedricos o edaacuteficos emisiones toacutexicas o degradativas de la calidad del aire
produccioacuten de importantes voluacutemenes de residuos o generacioacuten de ambientes de trabajo
peligrosos para la seguridad y salud de los operarios
En Espantildea las estimaciones de produccioacuten de residuos vegetales residuos de la
transformacioacuten de productos agriacutecolas y ganaderos y los residuos generados por la
industria de biocarburantes superaron los 45 millones de toneladas en el antildeo 2008 En el
caso del sector ganadero se superaron los 742 millones de toneladas de estieacutercoles y
purines lo que da idea de la problemaacutetica en su gestioacuten (MARM 2010b)
8
131 Los residuos ganaderos y su problemaacutetica
La gestioacuten de los subproductos animales desde el momento en que se generan hasta su uso
final valorizacioacuten o destruccioacuten estaacute regulada para garantizar que durante la misma no se
generan riesgos para la salud humana la sanidad animal o el medio ambiente y
especialmente para garantizar la seguridad de la cadena alimentaria humana y animal Asiacute
pues el Reglamento (CE) Nordm 10692009 que regula el manejo de los SANDACH1 y sus
derivados los clasifica en tres categoriacuteas atendiendo a su grado de peligrosidad
En este estudio se va a considerar como residuos ganaderos aquellos restos orgaacutenicos
procedentes de las explotaciones ganaderas intensivas y que podriacutean ser susceptibles de
valorizacioacuten energeacutetica conforme al mencionado Reglamento (CE) nordm 10692009 Se
tratariacutea de SANDACH tales como estieacutercoles lisieres purines gallinaza y similares
ademaacutes de las aguas residuales de limpieza que se unen a ellos y en algunos casos las
aguas de lluvia por su vertido en balsas Por tanto se identifican los siguientes tipos (JCyL
2010)
Puriacuten o purines Deyecciones fluidas de los alojamientos del ganado y aguas de
limpieza El puriacuten se suele identificar con las deyecciones porcinas El puriacuten es
quizaacute el maacutes conocido por su problemaacutetica en las explotaciones intensivas que no
disponen de terreno suficiente para su valorizacioacuten agronoacutemica
Estieacutercol y lisieres Deyecciones liacutequidas soacutelidas y la mezcla de las camas y
aguas de lavado Se suelen identificar con la producida por el ganado vacuno
Gallinaza Deyecciones soacutelidas y liacutequidas restos de alimentos plumas y huevos
rotos de las granjas
Los sistemas de produccioacuten ganadera tienden a la intensificacioacuten de las explotaciones
producieacutendose enormes cantidades de residuos A esta circunstancia debe antildeadirse la
heterogeacutenea distribucioacuten geograacutefica que en determinadas regiones llega a colapsar la
capacidad del medio agriacutecola para integrar los residuos ganaderos como fertilizantes
1 Subproductos Animales No Destinados al Consumo Humano
9
Las deyecciones ganaderas deben ser gestionadas bajo apropiadas teacutecnicas que minimicen
los riesgos sanitarios y los impactos ambientales tales como emisiones atmosfeacutericas
dispersioacuten de olor o dantildeos en aguas y suelos (Burton y Turner 2003) Entre las emisiones
atmosfeacutericas hay que destacar los gases de efecto invernadero tiacutepicos de residuos
ganaderos como son el metano y el oacutexido nitroso A su vez los impactos de estieacutercoles y
purines sobre aguas y suelos se concentran principalmente en la dispersioacuten de amoniaco y
nitratos por su potencial efecto de acidificacioacuten del medio o eutrofizacioacuten de aguas
(Vervoort et al 1998)
Dada la dimensioacuten de esta problemaacutetica ambiental se hace cada vez maacutes necesario el
tratamiento intensivo de los residuos ganaderos planteaacutendose su valoracioacuten energeacutetica
como la mejor solucioacuten para su gestioacuten
A continuacioacuten se exponen los distintos tipos de residuos ganaderos que se van a utilizar
en este estudio
1311 Puriacuten porcino
Este residuo ganadero se genera a partir de las deyecciones animales restos de alimentos
agua en proporcioacuten variable y en su caso restos de materiales de lecho Todos estos
componentes proceden del sistema productivo aplicado en cada explotacioacuten porcina
resultando un residuo de consistencia fluida con un contenido en materia seca
normalmente inferior al 5
La intensificacioacuten de la industria porcina europea ha concentrado las explotaciones en
aacutereas limitadas para reducir costes de produccioacuten Espantildea produce unos 40 millones de
cerdos al antildeo centraacutendose dicha produccioacuten en las provincias de Zaragoza Huesca
Leacuterida Murcia Barcelona Segovia y Teruel (MARM 2010c) Dicha produccioacuten generoacute
4452 millones de euros en 2010 lo que supuso el 352 de la produccioacuten final ganadera
(PFG) (MARM 2011) El Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino cifra la
produccioacuten de puriacuten porcino en 46 millones de toneladas anuales lo que supone el 352
del total de residuos ganaderos y el 619 si se considera uacutenicamente los purines y
estieacutercoles generados en ganaderiacutea intensiva (MARM 2010b)
10
Una gran parte de los purines se gestiona como fertilizante orgaacutenico vertido directamente
sobre la superficie agriacutecola Y es que aplicado en su justa medida constituyen una
adecuada enmienda orgaacutenica incrementando el rendimiento de los cultivos No obstante
el contenido en nutrientes del puriacuten es muy heterogeacuteneo (Scotford et al 1999 Moral et
al 2005) Su contenido en nitroacutegeno (N) foacutesforo (P) y potasio (K) variacutea en funcioacuten del
reacutegimen de estabulacioacuten el tipo de alimentacioacuten la raza la configuracioacuten de las
instalaciones el tiempo de permanencia en la balsa o la eacutepoca de aplicacioacuten
De todos modos la mencionada tendencia de las instalaciones a intensificar la produccioacuten
supone una ventaja para aplicar tecnologiacuteas especiacuteficas de tratamiento de residuos en
aquellos casos en que no se dispone de superficie agriacutecola suficiente en las inmediaciones
de la granja (Tregaro y Lossouarn 2004 Bernet y Beacuteline 2009)
1312 Estieacutercol ovino
La mayor parte del censo ovino mundial es explotado en base a la utilizacioacuten de zonas de
pastoreo es decir en reacutegimen extensivo lo que supone la integracioacuten de recursos vegetales
no utilizables directamente por el hombre en el ciclo econoacutemico (Morley 1981) Espantildea
con 374 millones de hectaacutereas susceptibles de alguacuten tipo de aprovechamiento pasciacutecola
(Montoya 1983) es uno de los paiacuteses donde la ganaderiacutea ovina es fundamentalmente
extensiva (MARM 2010b) por lo que gran parte de la produccioacuten de deyecciones se
integra en el medio al dispersarse por los pastizales (San Miguel 2002) De todas formas
existen ganaderiacuteas ovinas intensivas tanto de ordentildeo como caacuternicas donde la produccioacuten
de estieacutercoles requiere su gestioacuten
El sector ovino espantildeol representa el 8 de la produccioacuten final del sector ganadero con
una cabantildea ganadera de 185 millones de cabezas (MARM 2009a) Se calcula que la
produccioacuten diaria de deyecciones liacutequidas y soacutelidas por unidad de ganado ovino se situacutea
entre 15 y 25 kg (MAPA 1994) Esta cifra debe incrementarse al menos un 20 si se
considera el material de encamado (Buxadeacute 1996) situaacutendose la produccioacuten unitaria de
estieacutercol maacutexima en 48 kg diarios (Garciacutea Lara 1986)
De forma global seguacuten datos del MARM (2009a) la produccioacuten de estieacutercol ovino total
durante el antildeo 2008 se estima en 115 millones de toneladas (89 de los residuos
11
ganaderos totales) Y es que la produccioacuten y las caracteriacutesticas de este residuo dependen
del tipo y calidad de racioacuten ingerida el material de cama aportado la proporcioacuten de orina
y liacutequidos el reacutegimen de estabulacioacuten las caracteriacutesticas de las instalaciones el tiempo de
almacenamiento o el grado de fermentacioacuten (Buxadeacute 1996)
1313 Estieacutercol bovino
El sector bovino en Espantildea ha experimentado la tendencia propia de los paiacuteses
industrializados en que el sector productivo empujado por la globalizacioacuten de los
mercados agriacutecolas y el aumento de la competencia han experimentado un cambio hacia
la especializacioacuten e incremento del tamantildeo de las explotaciones (Sorensen et al 2006)
Este es el origen de la marcada diferenciacioacuten de los sistemas productivos caacuternico y
lechero de los uacuteltimos antildeos El sector lechero pese a estar bajo produccioacuten limitada por la
Poliacutetica Agraria Comuacuten generoacute en 2009 en torno a 3000 millones de euros lo que supuso
el 237 de la PFG A su vez el sector caacuternico de vacuno generoacute 1930 millones de euros
que suponen el 152 de la PFG en dicho antildeo (MARM 2010a)
Seguacuten el censo de ganado bovino en noviembre de 2010 la cabantildea ganadera de vacuno
espantildeola se situaba en 6075 millones de animales destinaacutendose a la produccioacuten de leche
un 30 y a la produccioacuten caacuternica el 70 restante (MARM 2009b y MARM 2010e) La
produccioacuten unitaria de estieacutercol es diferente en ambos sistemas productivos Seguacuten
caacutelculos realizados a partir de estudios de Krich (2005) las vacas lecheras generan una
media de 2120 kg de estieacutercol seco por animal y antildeo Considerando un contenido medio
en soacutelidos del 15 se tiene una produccioacuten aproximada de 14133 Kg por animal y antildeo o
387 kg por animal y diacutea Este valor es similar al recogido por otras fuentes de 40 l por
animal y diacutea (Brown et al 2007 USDA 1992) A su vez Row y Neabel (2005) fijan en
1200 kg la produccioacuten de estieacutercol seco por animal y antildeo en el caso especiacutefico de ganado
vacuno de carne
Seguacuten datos del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino la produccioacuten de
estieacutercol estimada para la cabantildea vacuna espantildeola en 2008 fue de 646 millones de
toneladas y antildeo lo que supone el 495 de la produccioacuten total de estieacutercoles y purines
Puesto que el verdadero problema de gestioacuten lo plantea el residuo generado por la
ganaderiacutea intensiva la produccioacuten de estieacutercol se reduce entonces a 265 millones de
12
toneladas anuales 185 millones de toneladas anuales provenientes de las explotaciones
lecheras y 80 millones de toneladas anuales de las instalaciones caacuternicas intensivas lo
que supone respectivamente el 249 y 108 del total de estieacutercol y puriacuten generados por la
industria ganadera intensiva (MARM 2010b MARM 2010c)
132 Los residuos agroalimentarios
La industria agroalimentaria es la principal actividad de la industria manufacturera
europea representando el 13 de su facturacioacuten total y un valor superior a 965000
millones de euros (CIAA 2009)
Igualmente en Espantildea la Industria de productos alimentarios y de bebidas es la primera
rama industrial seguacuten la Encuesta Industrial de Empresas del INE (2009) Desempentildea un
papel clave como principal consumidor del sector agrario aportando valor antildeadido a la
produccioacuten primaria Representa el 201 de las ventas netas de producto y el 166 del
empleo industrial En datos absolutos el importe total de la industria agroalimentaria en
2009 deparoacute 80177 millones de euros empleando a 445475 personas
En Castilla y Leoacuten la produccioacuten de residuos por la industria agroalimentaria se estima en
209 millones de toneladas para el antildeo 2011 de las que 022 millones de toneladas podriacutean
ser valorizables energeacuteticamente (JCyL 2010)
En este estudio se va a trabajar con fracciones residuales de patata procedente de una
industria de elaboracioacuten de aperitivos
133 Los residuos de los biocombustibles el biodiesel y la glicerina
Biocombustibles son aquellos combustibles obtenidos directa o indirectamente a partir de
biomasa fabricados con el intereacutes de optimizar la planificacioacuten energeacutetica Una primera
clasificacioacuten establece los siguientes tres grupos atendiendo al estado de su materia (JCyL
2010)
Biocombustibles soacutelidos Se utilizan baacutesicamente para producir energiacutea teacutermica
destacando el carboacuten vegetal resultado de una combustioacuten parcial de la misma y el
pellet obtenido mediante triturado secado molido y granulado de biomasa
13
Biocarburantes liacutequidos se pueden integrar junto a los combustibles liacutequidos
convencionales siendo su orientacioacuten principal la automocioacuten El biodiesel
procede de semillas oleaginosas o directamente de aceite vegetal y el bioetanol de
materia vegetal azucarada amilaacutecea o lignoceluloacutesica
Biocombustibles gaseosos el biogaacutes con muacuteltiples oriacutegenes y composiciones se
obtiene de tratamientos bioquiacutemicos y su utilizacioacuten es posible en cualquiera de las
tres aplicaciones energeacuteticas destacando la generacioacuten eleacutectrica
El tipo de biocombustible su disponibilidad en cantidad calidad y precio la tecnologiacutea
aplicable y las necesidades energeacuteticas del usuario final son los factores determinantes a
la hora de derivar cada material de partida hacia un uso energeacutetico determinado
De acuerdo con los datos de la Agencia Internacional de la Energiacutea (AIE) los
biocarburantes cubrieron en 2010 el 208 de la oferta mundial de petroacuteleo Los
principales mercados de bioetanol son el norteamericano y el brasilentildeo mientras que el
mayor consumo de biodiesel se produce en la Unioacuten Europea (MITyC 2010b)
En el marco de la Unioacuten Europea la Directiva 200928CE establece las bases para el
fomento de biocarburantes y combustibles renovables persiguiendo el objetivo del 10 al
finalizar el antildeo 2020
En Espantildea la capacidad de produccioacuten instalada a finales de 2010 superoacute los 4 millones
de tep repartidos en 464000 toneladas de bioetanol (4 plantas) y 4318400 toneladas de
biodieacutesel producidas en 47 plantas (MITyC 2010a) Sin embargo el sector ha atravesado
durante los uacuteltimos antildeos una difiacutecil situacioacuten que ha llevado a grandes importaciones y a
una produccioacuten nacional de algo maacutes de 14 millones de tep
Puesto que en este estudio se va a trabajar con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel se procede a describir brevemente el contexto de este
biocarburante
14
Se denomina biodiesel al combustible renovable obtenido por transesterificacioacuten de
aacutecidos grasos procedentes de aceites vegetales yo grasas animales En Espantildea sus
especificaciones teacutecnicas se recogen en las normas UNE-EN 14213 (referida a biodieacutesel
para uso en calderas) y en UNE-EN 14214 (referida a vehiacuteculos de motor)
Haciendo alusioacuten a su siacutentesis se distingue entre biodiesel de transesterificacioacuten etiacutelica
denominado FAEE (Fatty Acid Ethyl Ester) y el maacutes habitual biodiesel de
transesterificacioacuten metiacutelica denominado FAME (Fatty Acid Methyl Ester)
En la reaccioacuten 11 se muestra un ejemplo de transesterificacioacuten para obtencioacuten de
biodiesel
De esta reaccioacuten se deriva que la fabricacioacuten de biodiesel genera glicerina en proporcioacuten
de 11 partes en peso por cada 100 de biocarburante Dada la aplicacioacuten del glicerol en la
industria de cosmeacuteticos la produccioacuten simultaacutenea de este subproducto comenzoacute siendo un
aliciente econoacutemico para la fabricacioacuten del biocombustible producieacutendose biodiesel como
producto principal y generaacutendose una segunda liacutenea de ingresos con la venta de la
glicerina Sin embargo considerando que en el antildeo 2010 la capacidad de produccioacuten de
biodiesel instalada en Espantildea fue de 4318400 toneladas la capacidad de produccioacuten de
glicerina es de 475024 toneladas Pese a que esta produccioacuten no esteacute a pleno rendimiento
se ha colapsado el mercado de la glicerina provocando el hundimiento de su precio y
convirtieacutendose en un nuevo residuo a gestionar
15
14 EL BIOGAacuteS
Por biogaacutes se entiende el biocombustible generado a partir de la degradacioacuten bioloacutegica de
sustratos orgaacutenicos Seguacuten esta definicioacuten la produccioacuten de biogaacutes constituye en siacute un
apoyo a la solucioacuten de la problemaacutetica energeacutetica y de gestioacuten de residuos expuesta en este
capiacutetulo
Asiacute pues el biogaacutes obtenido a partir de residuos ricos en materia orgaacutenica como son los
residuos ganaderos agriacutecolas o derivados es una fuente de energiacutea renovable que utiliza
la energiacutea contenida en la biomasa proveniente de la fotosiacutentesis y por tanto del sol La
combustioacuten del metano para generacioacuten teacutermica o eleacutectrica libera CO2 procedente de
formas de carbono biosfeacuterico por lo que el aprovechamiento de biogaacutes tendraacute idealmente
una emisioacuten nula de este gas Y aunque en la praacutectica dicha emisioacuten no sea nula el
balance es menor que en la generacioacuten energeacutetica mediante combustibles foacutesiles De
forma paralela a las emisiones evitadas de CO2 debe situarse el beneficio econoacutemico por
reduccioacuten de los costes de la compra de derechos de emisioacuten para el cumplimiento de los
compromisos de Espantildea en relacioacuten con el Protocolo de Kyoto Y es que el biogaacutes es un
recurso energeacutetico que convenientemente impulsado puede contribuir a un desarrollo
econoacutemico agriacutecola y rural sostenible y a la proteccioacuten del medio ambiente como asiacute
reconoce el Parlamento Europeo (2008) en el Informe sobre la agricultura sostenible y el
biogaacutes
141 Caracterizacioacuten del biogaacutes
El teacutermino biogaacutes engloba la mezcla de gases producidos en las etapas del proceso de
digestioacuten de la materia orgaacutenica y en las que intervienen una poblacioacuten heterogeacutenea de
microorganismos Fundamentalmente el biogaacutes esta compuesto por metano y dioacutexido de
carbono mezclado en menor proporcioacuten con distintas gases como se refleja en la Tabla
11
16
Tabla 11 Composicioacuten orientativa del Biogaacutes
Metano (CH4) 50 ndash 75
Dioacutexido de carbono (CO2) 25 ndash 45
Vapor de agua (H2O) 1 ndash 2
Monoacutexido de carbono (CO) 0 ndash 03
Nitroacutegeno (N2) 1 ndash 5
Hidroacutegeno (H2) 0 ndash 3
Sulfuro de hidroacutegeno (H2S) 01 ndash 05
Oxiacutegeno (O2) 01 ndash 10 Fuente MARM 2010b
Se puede establecer una clasificacioacuten del biogaacutes dependiendo en primer lugar de las
instalaciones de generacioacuten ndash captacioacuten y en segundo lugar del substrato orgaacutenico del que
proceda (MITyC 2010b)
Biogaacutes de vertedero Estas instalaciones permiten su aprovechamiento una vez
establecido un adecuado sellado En este apartado se consideran uacutenicamente los
vertederos de residuos soacutelidos urbanos (RSU)
Biogaacutes de digestores Los digestores son instalaciones disentildeadas exclusivamente para
acometer la degradacioacuten del substrato mediante digestioacuten anaerobia Dependiendo del
origen de los sustratos a digerir se consideran tres tipologiacuteas principales
o Biogaacutes de estaciones depuradoras aguas residuales urbanas que se genera a
partir de la digestioacuten anaerobia de los fangos
o Biogaacutes procedente de la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos soacutelidos urbanos
(FORSU)
o Biogaacutes procedente de residuos agriacutecolas ganaderos o de la industria de su
transformacioacuten que se puede agrupar como biogaacutes agroindustrial
142 Evolucioacuten histoacuterica y situacioacuten actual del biogaacutes
Hasta los antildeos 90 el aprovechamiento del biogaacutes tuvo su mayor referente en instalaciones
para desgasificacioacuten de vertederos A partir de entonces comenzoacute el desarrollo de
instalaciones especiacuteficas para aprovechamiento y produccioacuten de biogaacutes procedente de
17
residuos orgaacutenicos En paiacuteses emergentes como China o India se estaacute utilizando el biogaacutes
como herramienta de desarrollo rural que permite el acceso a la energiacutea en zonas
desfavorecidas habieacutendose desarrollado tanto plantas industriales para tratamiento de
deyecciones ganaderas como digestores de uso domeacutestico A nivel supranacional la
inclusioacuten de los proyectos relacionados con este biocombustible en los mecanismos de
desarrollo limpio del Protocolo de Kioto puede facilitar el acceso al gran potencial
existente (MITyC 2010b)
En la Figura 16 se indica la capacidad instalada de generacioacuten eleacutectrica con biogaacutes en
paiacuteses de la Organizacioacuten para la cooperacioacuten y el Desarrollo Econoacutemicos (OCDE)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2003 2004 2005 2006 2007
MegaW
atios
Resto OCDE
Europa
Fuente MITyC 2010b
Figura 16 Capacidad energeacutetica de biogaacutes instalada en paiacuteses de la OCDE en MW
En Europa la energiacutea primaria procedente del biogaacutes rozoacute en 2008 las 8 Mtep superando
en 2009 las 83 Mtep El biogaacutes de vertedero contribuyoacute con un 361 del total seguido
por las plantas depuradoras (tanto urbanas como industriales) con un 119 quedando el
520 restante para plantas que tratan residuos ganaderos agriacutecolas la FORSU y
similares Alemania y Reino Unido copan maacutes del 70 de la produccioacuten primaria si bien
con modelos completamente distintos promovieacutendose el desarrollo de plantas de
tratamiento de residuos agroindustriales y cultivos energeacuteticos en el primer caso e
implantando la desgasificacioacuten de vertederos en el caso de Reino Unido
18
En cuanto a la generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes en la UE se produjeron en 2009
251706 GWh siendo de nuevo Alemania y Reino Unido los mayores productores con el
499 y el 222 del total respectivamente (EurObservacuteER 2010)
Considerando las actuales estrategias comunitarias en materia de gestioacuten de residuos se
preveacute el descenso de los residuos biodegradables destinados a vertedero por lo que la
tendencia actual es promover donde haya potencial que el biogaacutes agroindustrial pase a ser
el principal protagonista
En Espantildea la generacioacuten eleacutectrica mediante biogaacutes en 2010 fue de 186 Ktep y la
generacioacuten para usos teacutermicos se situoacute en 34 Ktep La potencia eleacutectrica instalada con
biogaacutes en dicho antildeo ascendioacute a 177 MW correspondiendo alrededor del 65 de la
potencia instalada y del 70 de la generacioacuten a biogaacutes de vertedero Sin embargo estos
porcentajes han mostrado una evolucioacuten descendente a favor del biogaacutes producido en
digestores desde la publicacioacuten del Real Decreto 6612007 en el que se recogiacutea un cambio
significativo en el reacutegimen tarifario de las instalaciones de digestioacuten anaerobia
143 Potencial de los residuos agroindustriales para la produccioacuten de biogaacutes
Para evaluar la capacidad de produccioacuten de biogaacutes hay que diferenciar entre potencial
total que considera la produccioacuten completa de materias primas susceptibles de ser
degradadas y potencial disponible que no contabilizariacutea los materiales cuya recogida y
transporte es inviable ni aquellos que presentan formas alternativas de gestioacuten maacutes
adecuadas
En la planificacioacuten de las estrategias para la valorizacioacuten del biogaacutes se hace preciso
conocer las perspectivas reales de desarrollo del sector a fin de poder establecer objetivos
Asiacute pues para la redaccioacuten del Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables 2011 ndash
2020 (MITyC 2010b) se ha realizado un estudio teacutecnico del potencial de generacioacuten de
biogaacutes existente en el paiacutes a fin de definir la estrategia y objetivos para el desarrollo de
este recurso En la Tabla 12 se expone a modo de resumen el resultado de esta evaluacioacuten
19
Tabla 12 Potencial de generacioacuten de biogaacutes
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Biogaacutes Agroindustrial 34675 14251
Biogaacutes de FORSU 7781 1245
Biogaacutes de lodos EDAR 1644 1233
Biogaacutes de vertedero 9579 1456
Total 45898 18185 Fuente Pascual et al 2011
Para calcular la capacidad total de generacioacuten de biogaacutes hay que hacer notar que los
potenciales totales del biogaacutes procedente de la FORSU y de vertedero son excluyentes
por lo que no es correcto su sumatorio Sin embargo siacute es correcta la suma de los
potenciales disponibles ya que han sido calculados considerando usos competitivos
Por lo tanto la capacidad actual de generacioacuten de biogaacutes en Espantildea se situacutea en 18 Mtep
dentro del cual el biogaacutes agroindustrial aporta el 78 de ese potencial Dentro del
conjunto de residuos agroindustriales susceptibles de valorizacioacuten como biogaacutes se
distinguen cuatro categoriacuteas deyecciones ganaderas residuos de la industria alimentaria
(incluidos SANDACH) residuos de plantas de biocombustibles liacutequidos y residuos de
distribucioacuten alimentaria y HORECA2
En la Tabla 13 se exponen los potenciales de generacioacuten de biogaacutes a partir de substratos
residuales de las industrias agroalimentarias
Tabla 13 Potencial de biogaacutes procedente de residuos agroindustriales
Potencial total (Ktep) Potencial disponible (Ktep)
Deyecciones ganaderas 29255 11303
Residuos industria alimentaria 3675 2112
Plantas biocombustible 933 187
Gran distribucioacuten y HORECA 812 649
Total 34675 14251 Fuente Pascual et al 2011
2 Residuos de hoteles restauracioacuten y catering
20
De estos resultados se deriva que soacutelo 41 del potencial total de los residuos
agroindustriales en Espantildea son susceptibles de valorizacioacuten por digestioacuten y dentro de
estos el 793 corresponde a residuos ganaderos
Basaacutendose en estos resultados el actual Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables
establece los objetivos de implantacioacuten del aprovechamiento de biogaacutes para el periodo
2011 ndash 2020 En las Figuras 17 y 18 se detalla la evolucioacuten de la potencia instalada y la
generacioacuten bruta perseguida tanto en el sector eleacutectrico como el sector calefaccioacuten ndash
refrigeracioacuten para cumplir los objetivos propuestos
0
100
200
300
400
500
600
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Pote
nci
a in
stal
ada
(MW
)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Gen
erac
ioacuten B
ruta
(G
Wh)
Potencia instalada (MW)
Generacioacuten bruta (GWh)
Fuente MITyC 2010b
Figura 17 Evolucioacuten de la potencia instalada y la generacioacuten bruta de electricidad
perseguida por el PANER 2011 ndash 2020 en el aacuterea de biogaacutes
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
En
erg
iacutea t
eacuterm
ica
(kte
p)
Fuente MITyC 2010b
Figura 18 Objetivo de generacioacuten para usos teacutermicos basada en biogaacutes
21
La evolucioacuten prevista para las instalaciones de generacioacuten eleacutectrica a partir de biogaacutes tiene
en cuenta que el biogaacutes agroindustrial jugaraacute un papel predominante y que su actual
escasa implantacioacuten iraacute aumentando de forma sustancial a lo largo del periodo de vigencia
del plan hasta suponer maacutes del 50 del total en el antildeo 2020 Ademaacutes se indica la
necesidad de co-digestioacuten de las deyecciones ganaderas con otro tipo de sustratos
agroindustriales disponibles en sus proximidades para optimizar la valorizacioacuten
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2 Antecedentes y objetivos
21 ANTECEDENTES
Las dos teacutecnicas bioloacutegicas utilizadas habitualmente para biodegradacioacuten de residuos
orgaacutenicos son el compostaje y la digestioacuten anaerobia Ambos estaacuten basados en procesos
naturales de reciclado de materia-nutrientes propios de ecosistemas edaacuteficos o de
ambientes anoacutexicos como es el caso de los ecosistemas bentoacutenicos de cursos de agua o
lacustres (Megonigal et al 2003)
El compostaje estaacute enfocado hacia la estabilizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante
humificacioacuten es decir persigue la conversioacuten de la materia orgaacutenica residual en sustancias
huacutemicas complejas de gran estabilidad bioquiacutemica A su vez en el proceso de digestioacuten
anaerobia las moleacuteculas orgaacutenicas complejas son descompuestas en condiciones anoacutexicas
a biogaacutes y otras moleacuteculas sencillas por la accioacuten microbiana constituyeacutendose como un
modo adecuado de reducir el contenido orgaacutenico de los biorresiduos generando energiacutea si
se dispone de sistemas de valorizacioacuten de biogaacutes De esta forma aunque la digestioacuten
anaerobia presenta mayor demanda energeacutetica media que el compostaje el balance
29
energeacutetico final es positivo constituyeacutendose como una fuente renovable de energiacutea
(Blanco 2009)
Por otro lado el compostaje y la biometanizacioacuten no son alternativas excluyentes al
tratamiento de residuos sino que pueden ser complementarias La aplicacioacuten del
compostaje tras la metanizacioacuten permite obtener secuencialmente biogaacutes y compost
aunque la cantidad de eacuteste uacuteltimo se reduciriacutea en el orden de un 5 disminuyendo asiacute
mismo la demanda de oxiacutegeno la emisioacuten de calor y la cineacutetica del proceso (Santildea 1999
Blanco 2009)
211 Historia de la digestioacuten anaerobia
El desarrollo de la tecnologiacutea de digestioacuten anaerobia tiene lugar a principios del siglo XIX
vinculaacutendose a la escasez de combustibles En Europa florece despueacutes de la Segunda
Guerra Mundial siendo los tratamientos bioloacutegicos y los tratamientos terciarios los
principales potenciadores de los incipientes procesos de tratamiento de residuos A causa
de la crisis energeacutetica de los setenta la digestioacuten anaerobia crecioacute significativamente
orientada hacia la produccioacuten de biogaacutes como alternativa al petroacuteleo En la actualidad
China e India son los mayores consumidores de biogaacutes del mundo alcanzando gran auge
en las comunidades rurales donde se producen grandes cantidades de combustible y
fertilizante a partir de residuos agroganaderos y domeacutesticos (MITyC 2010)
A pesar de que se trata de un proceso complejo que exige un proyecto y una explotacioacuten
adecuada y profesional su uso para el tratamiento de los residuos orgaacutenicos y la
estabilizacioacuten de biorresiduos se ha incrementado notablemente (Hansen et al 1999
Bolzonella et al 2003) Actualmente el intereacutes de estas tecnologiacuteas estaacute motivado
ademaacutes de por el elevado precio de los combustibles foacutesiles por el empobrecimiento de
los suelos agriacutecolas en materia orgaacutenica por el encarecimiento de los fertilizantes
minerales y por la creciente sensibilizacioacuten social hacia los problemas del medio
ambiente
Hay diferentes configuraciones de los procesos de digestioacuten La primera en ser estudiada
fue la digestioacuten en una fase o sencilla es decir aquella en la que todas las etapas de la
digestioacuten tienen lugar dentro del mismo medio comuacuten Posteriormente comenzoacute el
30
desarrollo de la digestioacuten en dos fases dividieacutendose las etapas del proceso en dos
compartimentos independientes Por otro lado atendiendo al contenido en humedad del
sustrato a degradar se consideran dos grandes grupos procesos huacutemedos o de baja
concentracioacuten de soacutelidos y procesos secos o de alta concentracioacuten de soacutelidos
En los procesos anaeroacutebicos de baja concentracioacuten de soacutelidos o huacutemedos la
concentracioacuten de soacutelidos suele estar en el intervalo alrededor del 4 al 15 de soacutelidos
totales (ST) Es un proceso muy empleado para tratar la fraccioacuten orgaacutenica de los residuos
urbanos residuos animales y residuos agriacutecolas Esta alternativa es interesante cuando se
dispone de fangos de depuracioacuten de aguas residuales que se quieren estabilizar Los
sistemas en huacutemedo y una sola fase han estado en uso durante deacutecadas para la
estabilizacioacuten anaerobia de los biosoacutelidos producidos en las plantas de tratamiento de
aguas residuales urbanas (Cuetos 2007)
En los procesos anaeroacutebicos de alta concentracioacuten de soacutelidos o secos la concentracioacuten
de soacutelidos suele estar en el intervalo 20 ndash 40 de ST asiacute que soacutelo los substratos muy
secos (gt50 ST) necesitan ser diluidos con agua del proceso Esta mayor concentracioacuten
de soacutelidos estaacute ligada a una menor necesidad de agua Por otra parte la produccioacuten de gas
por unidad de volumen de reactor es mayor Esta tecnologiacutea partioacute de la empleada para la
digestioacuten de estieacutercol orgaacutenico demostraacutendose que la produccioacuten de biogaacutes en sistemas
donde los residuos eran mantenidos en su estado soacutelido original era similar a aquellos
diluidos con agua (Cuetos 2007)
212 Etapas de la digestioacuten anaerobia
La degradacioacuten anaerobia es un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos
microbianos de manera coordinada y secuencial para descomponer la materia orgaacutenica en
condiciones anoacutexicas El principal producto obtenido es el biogaacutes cuya riqueza en metano
va a depender del residuo degradado y del propio proceso (Coombs 1990) Ademaacutes el
producto liacutequido o soacutelido remanente (denominado digerido o digestato) contiene los
componentes orgaacutenicos difiacuteciles de degradar junto con el nitroacutegeno foacutesforo y otros
elementos minerales presentes inicialmente en la biomasa (Mata-Aacutelvarez 2002)
31
La interaccioacuten cooperativa de varios grupos fisioloacutegicos de procariotas permite la
formacioacuten de metano a partir de sustancias de elevado peso molecular tales como
polisacaacuteridos proteiacutenas y grasas Los precursores inmediatos del metano son el hidroacutegeno
el dioacutexido de carbono (metanogeacutenesis hidrogenotroacutefica) y el aacutecido aceacutetico
(metanogeacutenesis aceticlaacutestica) los cuales se generan por las actividades de los
fermentadores anaerobios (Cuetos 2007)
El proceso bioquiacutemico de la digestioacuten anaerobia se puede representar mediante la reaccioacuten
21
CmHnOp rarr r CH4 + s CO2 + H2O (21)
Donde r + s = m
Esta simple expresioacuten de degradacioacuten de la materia orgaacutenica refleja en realidad un
conjunto de etapas en serie o serieparalelo en las que estaacuten implicadas un nuacutemero
considerable de especies bacterianas (Baraza et al 2003)
Tradicionalmente la degradacioacuten anaerobia ha sido considerada como un proceso en dos
etapas tal y como muestra el esquema representado en la Figura 21 en primer lugar se
produce la hidroacutelisis y fermentacioacuten de la materia orgaacutenica compleja fraccionaacutendose en
aacutecidos orgaacutenicos simples e hidroacutegeno A continuacioacuten tiene lugar la conversioacuten de aacutecidos
orgaacutenicos en metano (metanogeacutenesis) En base a esto se determina la existencia de dos
grandes grupos bacterianos las bacterias formadoras de aacutecidos o acidogeacutenicas y las
bacterias formadoras de metano o metanogeacutenicas (McCarty 1981)
Complejos orgaacutenicos
Aacutecidos orgaacutenicos + hidroacutegeno
Metano + Dioacutexido de carbono
Fuente Cuetos 2007
Figura 21 Esquema del proceso de digestioacuten descrito en dos etapas
Sin embargo una descripcioacuten maacutes detallada del proceso obliga a considerar hasta cuatro
etapas sucesivas (Breure 1986 Romero 2002)
32
- La hidroacutelisis
Las bacterias celuloliacuteticas bacterias hidroliacuteticas y bacterias acidoacutegenas excretan
exoenzimas que provocan la ruptura de los poliacutemeros orgaacutenicos hasta subunidades maacutes
pequentildeas faacutecilmente transportadas al interior celular De este modo las proteiacutenas son
hidrolizadas fundamentalmente por las proteasas de las especies de Clostridium a
proteosas peptonas peacuteptidos y aminoaacutecidos las grasas por lipasas a traveacutes de la β-
oxidacioacuten a aacutecidos grasos de cadena larga (AGCL) y moleacuteculas de glicerol o galactasa y
los policarbohidratos a azuacutecares y alcoholes Despueacutes las bacterias fermentativas
convierten a estos intermediarios en aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV) hidroacutegeno y dioacutexido
de carbono (Zinder 1984 Koster 1989 Pavlostathis y Giraldo-Goacutemez 1991 Salminen y
Rintala 2002a) La hidroacutelisis es una etapa indispensable dado que los microorganismos
de las etapas posteriores soacutelo son capaces de actuar sobre la materia orgaacutenica disuelta
pudiendo considerarse que la velocidad de produccioacuten de biogaacutes es proporcional a la
velocidad de solubilizacioacuten de materia orgaacutenica (Fernaacutendez-Polanco 2000) por lo que
esta etapa siendo la primera es generalmente el paso limitante de todos los procesos de
digestioacuten anaerobia si el substrato estaacute en forma soacutelida (Vavilin et al 2001) o con altas
concentraciones de materia orgaacutenica particulada Por otra parte los residuos
lignoceluloacutesicos se caracterizan por ser un material refractario a la hidroacutelisis ya que
contienen complejas matrices de celulosa hemicelulosa y lignina que tienen efecto
limitante en la actividad de los microorganismos o sus enzimas para degradar raacutepidamente
estos materiales en especial la lignina (Jimeacutenez et al 1990 Fermor 1993) Los
poliacutemeros de cadena larga de la celulosa y hemicelulosa se hidrolizan a mono o
disacaacuteridos por enzimas holoceluloacuteticas extracelulares (Tong et al 1990)
- La fase aacutecida o fermentacioacuten acidogeacutenica
Las bacterias acidificantes transforman la materia orgaacutenica disuelta originando una gran
variedad de productos de fermentacioacuten Los productos finales son principalmente AGV
(acetato propionato butirato sucinato) asiacute como pequentildeas cantidades de aacutecido laacutectico y
etanol dioacutexido de carbono e hidroacutegeno La cineacutetica del proceso es relativamente raacutepida y
el pH oacuteptimo bajo Estos procesos son la base energeacutetica de las poblaciones no
metanogeacutenicas (Cuetos 2007)
33
- La acetogeacutenesis
Los componentes maacutes reducidos de la fermentacioacuten acidogeacutenica son oxidados bajo
condiciones anaerobias a aacutecido aceacutetico dioacutexido de carbono e hidroacutegeno que sirven de
sustrato a bacterias metanogeacutenicas Asiacute los AGV (con tres o maacutes carbonos) y los AGCL
son oxidados a aceacutetico hidroacutegeno y dioacutexido de carbono Esta conversioacuten es soacutelo posible si
la presioacuten parcial de hidroacutegeno se mantiene en valores bajos con presiones parciales
menores de 10-3 atm (Zinder 1984) Esta oxidacioacuten es llevada a cabo por bacterias
facultativas que viven en estrecha colaboracioacuten con las bacterias metanogeacutenicas Son
bacterias sintroacuteficas denominadas ldquoacetoacutegenasrdquo u ldquoorganismos protoacuten-reductores
obligadosrdquo (McCarty 1981) Se produce tambieacuten la respiracioacuten acetogeacutenica de
bicarbonato por bacterias homoacetogeacutenicas Estas bacterias catabolizan mezclas de
dioacutexido de carbono e hidroacutegeno a compuestos de carbonos muacuteltiples Pueden producir
aacutecido aceacutetico pero las bacterias metanogeacutenicas compiten con ellas por el hidroacutegeno
- La fase metanogeacutenica
Es la etapa final del tratamiento que implica dos tipos de reacciones aquellas en las que
el dioacutexido de carbono e hidroacutegeno se combinan para producir metano y agua y las que
convierten el acetato en metano y dioacutexido de carbono Los microorganismos responsables
de la primera etapa suelen denominarse utilizadores de hidroacutegeno o ldquohidrogenotroacuteficosrdquo
mientras que los responsables de la segunda transformacioacuten se denominan
ldquoacetoclaacutesticosrdquo
La Figura 22 representa el diagrama completo de la digestioacuten anaerobia incluyeacutendose los
principales grupos de microorganismos que intervienen en los diferentes procesos
34
Fuente Masseacute y Droste 2000
Figura 22 Esquema de reacciones de la digestioacuten anaerobia de materia orgaacutenica
compleja
213 Factores que afectan al proceso de digestioacuten anaerobia
Para el correcto funcionamiento del proceso de degradacioacuten anaerobia es necesario que las
velocidades de transformacioacuten metaboacutelica de los diferentes grupos bacterianos esteacuten
equilibradas ya que los productos finales de una etapa son consumidos en la siguiente
dando lugar a una relacioacuten simbioacutetica que estabiliza el proceso La tolerancia a
determinados factores de los diferentes grupos bacterianos implicados es desigual asiacute las
bacterias metanoacutegenas son mucho maacutes sensibles frente a cualquier modificacioacuten del
medio por lo que al producirse distorsiones sobre los paraacutemetros de control del sistema
sobreviene una acumulacioacuten de productos intermedios (en general AGV AGCL e
35
hidroacutegeno) que provocan la acidificacioacuten del medio y en consecuencia se produce la
paralizacioacuten del proceso global (Romero et al 2002)
Aunque no existe unanimidad entre los investigadores sobre las condiciones oacuteptimas y los
rangos de oscilacioacuten de las variables que afectan a la digestioacuten anaerobia a continuacioacuten
de describen brevemente algunos de los paraacutemetros que afectan al proceso de digestioacuten
2131 Temperatura
La estabilidad de la temperatura es de vital importancia para la adecuada interaccioacuten y
equilibrio de diferentes poblaciones de microorganismos a lo largo del proceso Una
variacioacuten de 2-3 ordmC puede producir un cambio en el sistema de hecho los diferentes
rangos de temperatura determinan poblaciones de bacterias totalmente diferentes mayores
que un cambio en la poblacioacuten bacteriana inicial Muchos organismos pueden sobrevivir
soacutelo en rangos estrictos de temperatura de modo que eacutesta deberiacutea ser cuidadosamente
medida De modo general los procesos mesofiacutelicos operan en el rango de 30-40 ordmC
mientras que los procesos termofiacutelicos lo hacen en el rango de 45-60 ordmC siendo los
oacuteptimos cercanos a 37 y 55 ordmC respectivamente (Van Lier et al 2001 Cecchi et al
2002)
2132 Caracteriacutesticas del substrato y del inoacuteculo
Para el substrato se consideran clave las siguientes propiedades
Solubilidad mejora la accesibilidad de los microorganismos
Granulometriacutea y humedad determinan las posibilidades de bombeo tipo y
tamantildeo del digestor
Biodegradabilidad si el substrato es poco biodegradable precisaraacute mayores
tiempos de resistencia para su degradacioacuten lo que repercutiraacute en los costes de
operacioacuten
36
Concentracioacuten de substrato en la corriente de entrada al digestor la dilucioacuten del
substrato permitiraacute ajustar el contenido de soacutelidos y nutrientes oacuteptimos en el
alimento para el funcionamiento del proceso
Estructura y composicioacuten quiacutemica el conocimiento de la composicioacuten quiacutemica
permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso ya que las
poblaciones bacterianas involucradas en la digestioacuten requieren un aporte de
nutrientes suficiente para poder crecer
En cuanto al inoacuteculo es necesario emplear un cultivo bacteriano viable que contenga un
amplio espectro de microorganismos ya que el inoacuteculo se reproduce hasta alcanzar una
poblacioacuten microbiana lo suficientemente importante como para poner en oacuteptimo
funcionamiento el proceso de arranque del reactor (Peacuterez et al 1997)
2133 Agitacioacuten
Los objetivos que se pretenden alcanzar con la agitacioacuten son (Noone 1990)
Poner en contacto el influente con la masa bacteriana y eliminar los metabolitos
producidos por la metanogeacutenesis favoreciendo la salida de los gases
Prevenir la formacioacuten de espumas asiacute como la sedimentacioacuten en el reactor
Intentar evitar la formacioacuten de zonas muertas que reduciriacutean el volumen efectivo
del reactor y la formacioacuten de caminos preferenciales en funcioacuten de la hidraacuteulica
del sistema
Eliminar la estratificacioacuten teacutermica manteniendo una temperatura uniforme en todo
el digestor
La velocidad de agitacioacuten es un factor que puede influir en el desarrollo del proceso
siendo necesario un equilibrio entre la buena homogeneizacioacuten y la correcta formacioacuten de
agregados bacterianos (Campos 2001b) Una velocidad de agitacioacuten alta por encima de
37
700 rpm puede disminuir ligeramente la produccioacuten de biogaacutes (Stafford 1982) por rotura
de los agregados bacterianos o floacuteculos de bacterias
2134 pH
Para los sistemas anaerobios el rango de pH en el que se considera que un proceso es
estable estaacute entre 66 y 76 Sin embargo los rangos de pH estaacuten determinados por la
aclimatacioacuten de las poblaciones microbianas y puede conseguirse un proceso estable a
valores mayores aunque el valor oacuteptimo de actividad para las bacterias metanogeacutenicas se
encuentra en torno a 68 (Lay et al 1997) El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico
de los sistemas anaerobios Sin embargo hay que tener en cuenta que en el caso de que
existan desequilibrios en los sistemas anaerobios la medida del pH no permite
anteponerse o predecir futuros fallos ya que nos informa de problemas en los digestores
una vez que estos se hayan producido Su papel es fundamental en el equilibrio amonio -
amoniaco por ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogeacutenicas
(Zeeman et al 1985)
2135 Nutrientes
El proceso anaerobio se caracteriza por los bajos requerimientos de nutrientes frente al
aerobio debido baacutesicamente a los bajos iacutendices de produccioacuten de biomasa que presenta A
pesar de ello la biomasa requiere para su desarrollo del suministro de una serie de
nutrientes minerales ademaacutes de una fuente de carbono y energiacutea Entre los nutrientes
minerales del sistema anaerobio destacan nitroacutegeno azufre foacutesforo hierro cobalto
niacutequel molibdeno selenio riboflavina y vitamina B12 (Speece 1987) Estos nutrientes
deben estar en forma directamente asimilable por los microorganismos Los principales
nutrientes son nitroacutegeno y foacutesforo (Fernaacutendez-Polanco y Garciacutea 2000) consideraacutendose
que la relacioacuten CN debe oscilar entre 15-351 (Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-
Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
2136 Toacutexicos e inhibidores
La magnitud de la toxicidad es funcioacuten de diversos factores destacando concentracioacuten
antagonismos y sinergismos formacioacuten de complejos y aclimatacioacuten (Kugelman y Chin
38
1971) por lo que una misma substancia puede considerarse toacutexico o substrato
Frecuentemente la concentracioacuten es el uacutenico factor que usualmente se considera lo que
lleva a afirmaciones absolutistas en ocasiones erroacuteneas (Campos 2001a)
A continuacioacuten se describe brevemente los compuestos que maacutes comuacutenmente presentan
problemas de inhibicioacuten en la digestioacuten de los residuos utilizados
- Hidroacutegeno
Muchos autores consideran que el seguimiento de la concentracioacuten de H2 en el sistema
permite predecir desequilibrios en las poblaciones microbianas Sin embargo Voolapalli y
Stuckey (2001) afirman que se ha dado demasiado eacutenfasis a la importancia del H2 como
paraacutemetro de control La acumulacioacuten de hidroacutegeno inhibe la β-oxidacioacuten (Novak y
Carlson 1970) ya que eacutesta soacutelo ocurre si la presioacuten parcial de hidroacutegeno es baja Se cree
que una concentracioacuten de hidroacutegeno de maacutes de 40middot10-9M es crucial en la regulacioacuten del
flujo de carbono durante la mineralizacioacuten de la materia orgaacutenica (Pauss et al 1990)
Concentraciones de hidroacutegeno mayores dirigiraacuten el flujo de electrones de la produccioacuten de
metano a la produccioacuten de butirato propionato lactato o el etanol (Mosey 1983 Schink
1997)
- Liacutepidos
La acumulacioacuten de liacutepidos en el medio de degradacioacuten puede convertirse en un obstaacuteculo
para el proceso de digestioacuten siendo frecuentemente los AGCL y los AGV el origen del
colapso El efecto inhibidor de los liacutepidos puede ser contrarrestado por la adaptacioacuten de
los microorganismos oxidadores de los AGCL y AGV los cuales degradan dichos
compuestos a medida que se van produciendo (Angelidaki y Ahring 1992)
Durante el proceso de hidroacutelisis las lipasas extracelulares liberadas por bacterias
acidogeacutenicas comienzan la degradacioacuten de los liacutepidos (Masse et al 2003) pudieacutendose
generar altas concentraciones transitorias de AGCL Una acumulacioacuten de estas moleacuteculas
puede causar la inhibicioacuten del proceso de digestioacuten por su toxicidad para acetoacutegenos y
metanoacutegenos precisamente los dos grupos principales en la oxidacioacuten de los AGCL a
AGV (Hanaki et al 1981 Hwu et al 1997 Salminen y Rintala 2002a)
39
Por otro lado la acumulacioacuten de AGCL tambieacuten puede inhibir la digestioacuten anaerobia
como consecuencia de la adsorcioacuten de estos compuestos alrededor de las partiacuteculas de
biomasa (Alves et al 2001 Masse et al 2002) afectando a los procesos de transporte
por flotabilidad de la biomasa en el reactor (Cirne et al 2007 Hatamoto et al 2007) e
incluso formacioacuten de espumas y estratificacioacuten del reactor (Broughton et al 1998
Salminen et al 2001)
Los AGV constituyen una herramienta importante en la monitorizacioacuten y control de
reactores anaerobios mostrando raacutepidas respuestas ante variaciones en el sistema como
sobrecargas orgaacutenicas o introduccioacuten de toacutexicos (Ahring et al 1995) El aumento de su
concentracioacuten estaacute relacionado con la disminucioacuten en la produccioacuten de biogaacutes (Hill et al
1987) Y es que diversas citas bibliograacuteficas relacionan el acuacutemulo de aacutecidos grasos
volaacutetiles con inhibicioacuten de varios puntos del proceso de metanogeacutenesis
La acumulacioacuten de propioacutenico y de aceacutetico en el reactor puede provocar inhibicioacuten en la
acetogeacutenesis (Fukuzaki et al 1990) A su vez Barredo y Evison (1991) vinculan la
acumulacioacuten de propioacutenico con inhibicioacuten de la metanogeacutenesis acetoclaacutestica mientras que
Ahring y Westermann (1988) relacionan la acumulacioacuten de aceacutetico con inhibicioacuten de la
acetogeacutenesis a partir de butiacuterico Sin embargo son necesarias concentraciones de aceacutetico
superiores a 4000 mgmiddotl-1 para afectar la produccioacuten de metano (Stafford 1982 Ahring et
al 1995)
- Nitroacutegeno
La inhibicioacuten de la digestioacuten anaerobia de residuos de alta carga orgaacutenica suele estar
tambieacuten causada por altas concentraciones de amonio (Gallert et al 1998 Hansen et al
1998) producido en la degradacioacuten proteica de residuos ricos en nitroacutegeno (Wang y
Banks 2003) La dificultad para degradar residuos con gran contenido en nitroacutegeno se
atribuye a su alto contenido de amoniaco total (NH+4 + NH3) que aunque es un nutriente
necesario para las bacterias que intervienen en el proceso de digestioacuten cuando su
concentracioacuten excede de un cierto liacutemite puede inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al
1985 Angelidaki y Ahring 1994) La concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) se ha
propuesto como un componente activo causante de la inhibicioacuten por amonio El nivel de la
40
concentracioacuten total de amonio recogido en la literatura depende de diferentes condiciones
como el inoacuteculo el sustrato el periodo de operacioacuten el pH y la temperatura A su vez la
relacioacuten entre amoniaco libre y total (reaccioacuten 22) depende del pH y la temperatura de
acuerdo con la expresioacuten del equilibrio quiacutemico de la disolucioacuten (Angelidaki y Ahring
1992 1993 1994 Hansen et al 1998 Calli et al 2005)
1
T
922729090180
pH
3
3
10
101
]totalNH[
]NH[
(22)
Donde T es la temperatura en K
Se ha demostrado que poblaciones adaptadas permiten tolerancias de amoniaco de 40 gmiddotl-1
(Angelidaki y Ahring 1993) Tchobanoglous y Burton (1995) y Siegrist et al (2005)
sentildealan que concentraciones de amonio de hasta 50 ndash 80 gmiddotl-1 pueden ser toleradas por
los microorganismos si el pH es suficientemente bajo
Sawayama et al (2004) encontraron que la produccioacuten de metano decrece a
concentraciones de amonio de 60 gmiddotl-1 en el seno del digestor confirmando una mayor
toxicidad para los metanoacutegenos frente al resto de poblaciones bacterianas Hashimoto
(1986) situacutea el umbral de toxicidad en 25 gmiddotl-1 de amoniaco total en poblaciones no
adaptadas Por otra parte Hansen et al (1998) y Angelidaki y Ahring (1993) recogen que
la metanogeacutenesis es inhibida a concentraciones iniciales de amoniaco libre del rango de
01 a 11 gmiddotl-1 mientras que Braun et al (1981) situaron como umbral de toxicidad por
amoniaco libre 015 ndash 020 gmiddotl-1
Dos mecanismos diferentes se atribuyen a la inhibicioacuten de los metanoacutegenos por amonio
En primer lugar el mecanismo de las enzimas sintetizadoras de metano estaacute directamente
inhibido por amoniaco libre y en segundo lugar el amoniaco libre difunde pasivamente al
medio intracelular convirtieacutendose en amonio dadas las condiciones de pH (Calli et al
2005) Para evitar posibles inhibiciones o colapsos por amonio los residuos orgaacutenicos
generalmente se diluyen con agua lo que se traduce en un aumento en el tamantildeo y costes
del reactor (Cuetos 2007) Asimismo para mejorar la eficiencia del proceso conviene
41
evitar el aporte de materia con alto contenido de nitroacutegeno al lecho de digestioacuten (Tada et
al 2005)
- Desinfectantes y antibioacuteticos
Proceden de las tareas de limpieza y desinfeccioacuten y su toxicidad depende baacutesicamente de
su concentracioacuten su biodegradabilidad y del tiempo transcurrido desde su uso hasta la
puesta en marcha del sistema Es conocido que los restos de penicilina y tetraciclina tienen
un efecto inhibidor sobre el proceso anaerobio aunque parece existir una buena
aclimatacioacuten a su presencia (Masseacute y Droste 2000)
214 Co-digestioacuten de biorresiduos
La descompensacioacuten de los factores que afectan al proceso de digestioacuten puede provocar su
colapso Frecuentemente la problemaacutetica reside en un inadecuado balance de nutrientes en
el medio de biodegradacioacuten Para solucionar este problema muchos autores han propuesto
la co-digestioacuten de distintos substratos para obtener mejores balances de nutrientes en la
mezcla resultante
Los beneficios de la co-digestioacuten incluyen (Sosnowski et al 2003)
Dilucioacuten del potencial toacutexico de algunos compuestos
Mejora del balance de nutrientes
Efectos sineacutergicos entre los microorganismos
Posibilidad de modulacioacuten de la carga orgaacutenica biodegradable
Mejora del rendimiento de produccioacuten de biogaacutes
La co-digestioacuten presenta un gran intereacutes desde el punto de vista teacutecnico ya que
permitiendo el uso de las instalaciones existentes incrementa enormemente la produccioacuten
de biogaacutes lo que se traduce en una mayor cantidad de energiacutea producida en las unidades
de cogeneracioacuten
42
215 Estabilizacioacuten maduracioacuten y humificacioacuten de los residuos orgaacutenicos
En el proceso de degradacioacuten de residuos mediante digestioacuten se genera un efluente de
digerido con una menor carga orgaacutenica que la materia alimentada derivada del propio
tratamiento fermentativo Uno de los posibles usos de este efluente es la aplicacioacuten como
enmienda orgaacutenica para suelos de cultivo (Del Borghi et al 1999 Poggi-Varaldo et al
1999) Sin embargo la aplicacioacuten de un substrato bioloacutegicamente inestable o inmaduro
puede entrantildear graves riesgos para los cultivos donde se aplica como pueden ser el
crecimiento de poblaciones fuacutengicas y bacterianas fitopatoacutegenas que mermen la
germinacioacuten de las semillas reduzcan el crecimiento de las plantas o dantildeen los cultivos
por la competencia por oxiacutegeno (Said-Pullicino y Gigliotti 2007) Ademaacutes la estabilidad
bioloacutegica tambieacuten afecta al potencial de generacioacuten de olor y de recrecimiento de
patoacutegenos y a la produccioacuten residual de biogaacutes (Adani et al 2006)
La estabilidad y madurez de los biorresiduos puede relacionarse con el nivel de actividad
microbiana de la biomasa o incluso con el grado de humificacioacuten del material ya que en el
proceso de estabilizacioacuten la materia orgaacutenica evoluciona hacia estructuras aromaacuteticas
complejas relacionadas con los aacutecidos huacutemicos y fuacutelvicos
Los teacuterminos estabilidad y madurez a pesar de que con frecuencia se emplean
indistintamente en la literatura no son sinoacutenimos la madurez de un biosoacutelido se refiere al
grado de humificacioacuten del material mientras que la estabilidad se refiere al nivel de
actividad microbiana de la biomasa (Boulter-Bitzer et al 2006) Haug (1993) define la
estabilidad como paraacutemetro inverso a la velocidad de degradacioacuten microbiana de la
materia orgaacutenica en condiciones aerobias
De todos modos a diacutea de hoy no existe un paraacutemetro indicador de la estabilidad aceptado
universalmente debido sobre todo a la gran variabilidad que presentan las caracteriacutesticas
quiacutemicas de los diferentes biorresiduos Por otro lado la mayoriacutea de los meacutetodos aplicados
en la evaluacioacuten de la madurez de los biosoacutelidos principalmente el compost no son
concluyentes dadas la complejidad del proceso y la falta de comprensioacuten o apreciacioacuten de
muchos de sus aspectos (Boulter-Bitzer et al 2006)
43
Lasaridi y Stentiford (1998) clasificaron y enumeraron los meacutetodos para medir la
estabilidad en compost clasificacioacuten que puede ser extrapolada a los meacutetodos para medir
estabilidad en biorresiduos de forma geneacuterica Es la siguiente
Fiacutesicos temperatura de la pila demanda de aireacioacuten olor y color densidad oacuteptica
del extracto acuoso etc
Quiacutemicos soacutelidos volaacutetiles relacioacuten CN DQO polisacaacuteridos sustancias huacutemicas
etc
Bioloacutegicos medidas de respiracioacuten (consumo de O2 produccioacuten de CO2
generacioacuten de calor) actividad enzimaacutetica (contenido en ATP germinacioacuten de
semillas y crecimiento de plantas) etc
216 Legislacioacuten aplicable al sector del biogaacutes de residuos agroindustriales Breve
revisioacuten
En este apartado se pretende dar una visioacuten baacutesica de los condicionantes normativos
relativos al contexto de desarrollo del biogaacutes en Espantildea y en Europa la gestioacuten de
residuos valorizables mediante tratamientos bioloacutegicos y el aprovechamiento de los
digeridos como enmiendas edaacuteficas
La Directiva 200928CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009
relativa al fomento del uso de energiacutea procedente de fuentes renovables y por la que
se modifican y se derogan las Directivas 200177CE y 200330CE establece un marco
comuacuten de uso de energiacutea procedente de fuentes renovables con el fin de limitar las
emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar un transporte maacutes limpio
De esta forma cada Estado miembro tiene fijado un objetivo relativo a la cuota de energiacutea
obtenida de fuentes renovables en el consumo final bruto de energiacutea para 2020 siendo el
objetivo para el coacutemputo global de la unioacuten un 20 Por otra parte la cuota de energiacutea
procedente de fuentes renovables en el sector del transporte debe alcanzar al menos el
10 del consumo final de energiacutea en la misma fecha
44
A tal efecto los estados miembros han debido establecer un plan de accioacuten nacional para
2020 que determine la cuota de energiacutea procedente de fuentes renovables consumida en el
transporte la electricidad y la produccioacuten de calor
El Plan de Accioacuten Nacional de Energiacuteas Renovables de Espantildea 2011 - 2020 dirige la
estrategia para la consecucioacuten de los objetivos marcados por la Directiva 200928CE que
en el caso de Espantildea coinciden con los objetivos globales de la Unioacuten una participacioacuten
de las fuentes renovables en el consumo final bruto del 20 y un 10 en el sector del
transporte
El Real Decreto 6612007 de 25 de mayo por el que se regula la actividad de
produccioacuten de energiacutea eleacutectrica en reacutegimen especial ha establecido un reacutegimen juriacutedico
y econoacutemico para la produccioacuten energeacutetica en instalaciones de aprovechamiento solar
eoacutelico geoteacutermico o marino centrales hidroeleacutectricas de potencia inferior a 50 MW
instalaciones que utilicen como energiacutea primaria la biomasa biocombustibles o residuos
susceptibles de valorizacioacuten energeacutetica e instalaciones de cogeneracioacuten Asiacute los sistemas
de biogaacutes son incentivados por viacutea de la remuneracioacuten de la energiacutea volcada a la red
eleacutectrica
En la clasificacioacuten de las fuentes de energiacutea renovables considerada en este Real Decreto
destacan por su vinculacioacuten a la temaacutetica de este trabajo la Categoriacutea b7 relativa a
centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estieacutercoles
biocombustibles o biogaacutes procedente de la digestioacuten anaerobia de residuos agriacutecolas y
ganaderos de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de
depuracioacuten de aguas residuales asiacute como el recuperado en los vertederos controlados y
la Categoriacutea d) relativa a instalaciones que utilizan la cogeneracioacuten para el tratamiento y
reduccioacuten de residuos de los sectores agriacutecola ganadero y de servicios siempre que
supongan un alto rendimiento energeacutetico
La aplicacioacuten de esta norma se ha visto truncada recientemente con la publicacioacuten del
Real Decreto-ley 12012 de 27 de enero donde se establece una moratoria a los
procedimientos de preasignacioacuten de retribucioacuten y a los incentivos econoacutemicos para nuevas
instalaciones de produccioacuten de energiacutea eleacutectrica a partir de cogeneracioacuten fuentes de
energiacutea renovables y residuos con el objeto de corregir el desequilibrio entre los costes de
45
produccioacuten y el valor de las primas asignadas a la produccioacuten de energiacutea en reacutegimen
especial
Como normativa europea de intereacutes en el mercado del biogaacutes debe citarse la Directiva
200973CE de 13 de julio la cual tiene como objetivo establecer normas comunes en
materia de transporte distribucioacuten suministro y almacenamiento de gas natural gas
natural licuado (GNL) biogaacutes y gas obtenido a partir de la biomasa en los estados
miembros
Por otro lado la Directiva 200898CE se establece con el fin de actualizar la poliacutetica de
gestioacuten de residuos Con esta herramienta legal la Unioacuten Europea establece un marco
juriacutedico para controlar todo el ciclo de los residuos desde su produccioacuten a su eliminacioacuten
centraacutendose en la valorizacioacuten y el reciclaje
En Espantildea la Ley 222011 de 28 de julio de residuos y suelos contaminados transpone
la anterior normativa comunitaria al aacutembito nacional
Ambos coacutedigos establecen la denominada ldquojerarquiacutea de residuosrdquo consistente en ordenar
las posibilidades de gestioacuten seguacuten el siguiente orden de prioridad
1ordm) Prevencioacuten
2ordm) Preparacioacuten para la reutilizacioacuten
3ordm) Reciclado
4ordm) Otro tipo de valorizacioacuten incluida la valorizacioacuten energeacutetica
5ordm) Eliminacioacuten
El aacutembito de aplicacioacuten de ambas normas excluye
Las aguas residuales
Las materias fecales paja y otro material natural agriacutecola o silviacutecola no peligroso
utilizado en explotaciones agriacutecolas y ganaderas en la silvicultura o en la produccioacuten
de energiacutea a base de esta biomasa
Los subproductos animales cubiertos por el Reglamento (CE) Nordm 10692009 del
Parlamento Europeo y del Consejo de 21 de octubre de 2009 por el que se establecen
las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados
46
no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) Nordm
17742002 No se incluyen en esta excepcioacuten y por tanto se regularaacuten por esta Ley
los subproductos animales y sus productos derivados cuando se destinen a la
incineracioacuten a los vertederos o sean utilizados en una planta de biogaacutes o de
compostaje
Por tanto la nueva Directiva y Ley de Residuos uacutenicamente son de aplicacioacuten a los
subproductos de origen animal cuando van a ser procesados en una planta de biogaacutes y
tambieacuten es de aplicacioacuten al digestato resultante del proceso de metanizacioacuten Se desprende
tambieacuten que a un subproducto de origen animal como el estieacutercol no le son de aplicacioacuten
dichas normativas cuando es valorizado directamente en la agricultura pero siacute le seriacutean de
aplicacioacuten al digestato procedente de la metanizacioacuten del estieacutercol
Por otro lado la Ley de Residuos y Suelos Contaminados define biorresiduo como aquel
biodegradable de jardines y parques residuos alimenticios y de cocina procedentes de
hogares restaurantes servicios de restauracioacuten colectiva y establecimientos de venta al
por menor asiacute como residuos comparables procedentes de plantas de procesado de
alimentos Se antildeade tambieacuten que las autoridades ambientales deben promover su recogida
separada para destinarlos al compostaje o a la digestioacuten anaerobia en particular de la
fraccioacuten vegetal los biorresiduos de grandes generadores y los biorresiduos generados en
los hogares
El mencionado Reglamento (CE) Nordm 106920091 marca las condiciones especificas que
deben cumplir los subproductos de origen animal clasificaacutendolos en tres categoriacuteas
atendiendo al riesgo para la salud puacuteblica y la salud animal Asiacute mismo se contempla la
posibilidad de utilizar estos residuos como materias primas para la obtencioacuten de biogaacutes
Para ello se especifican los requisitos relacionados con los pretratamientos necesarios para
su utilizacioacuten como substrato metanizable los paraacutemetros de transformacioacuten y las
condiciones y destinos posibles del digestato obtenido en funcioacuten de la categoriacutea de las
materias primas utilizadas
1 Las disposiciones de aplicacioacuten del Reglamento (CE) Nordm 10692009 se recogen en el Reglamento (UE) Nordm 1422011
47
El marco legal europeo en materia de fertilizantes estaacute constituido por el Reglamento
(CE) Nordm 20032003 del Parlamento Europeo y del Consejo de 13 de octubre de 2003
relativo a los abonos En Espantildea este Reglamento se ha traspuesto a la normativa
nacional mediante el Real Decreto 8242005 de 8 de julio sobre productos
fertilizantes constituyendo ademaacutes el marco de coordinacioacuten con las comunidades
autoacutenomas Hay que mencionar que la aplicacioacuten de lodos de depuracioacuten en suelos
agriacutecolas esta regulada por la Directiva 86278CEE traspuesta a la normativa espantildeola
mediante el Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de
lodos de depuracioacuten en el sector agrario
Dentro de los objetivos de este Real Decreto 8242005 estaacute la definicioacuten y tipificacioacuten de
los productos fertilizantes que pueden utilizarse en la agricultura y la jardineriacutea definir sus
especificaciones teacutecnicas prevenir los riesgos para la salud y el medio ambiente y crear un
Registro de productos fertilizantes disponibles en el mercado
Resulta de especial intereacutes los tres condicionantes expuestos en el Artiacuteculo 4 relativo a los
requisitos de los productos fertilizantes Son los siguientes
a) Que aporte nutrientes a las plantas de manera eficaz o mejore las propiedades del
suelo
b) Que se disponga para el producto de meacutetodos adecuados de toma de muestras de
anaacutelisis y de ensayo para poder comprobar sus riquezas y cualidades
c) Que en condiciones normales de uso no produzca efectos perjudiciales para la salud y
el medio ambiente
Para ello se fijan en los anexos del Real Decreto 8242005 los contenidos miacutenimos de
nutrientes de cada tipo de fertilizante la normativa de anaacutelisis a aplicar y el procedimiento
de etiquetado de abonos y enmiendas
48
22 OBJETIVOS
En el capiacutetulo introductorio ha quedado patente la necesidad de optimizar la gestioacuten de
residuos del sector agroindustrial los cuales se caracterizan por su enorme diversidad y la
tendencia a concentrarse en modernas instalaciones y aacutereas concretas Este trabajo estaacute
enfocado a la gestioacuten de los residuos ganaderos ya que suponen en torno al 90 del total
generado por la agroindustria en Espantildea
221 Objetivo general
El objetivo general de este trabajo es la aplicacioacuten de la biometanizacioacuten de residuos
ganaderos suplementados con co-substratos procedentes de otras agroindustrias locales
(patata y glicerina residuales) evaluando tanto la capacidad de produccioacuten de biogaacutes como
el grado de estabilizacioacuten alcanzado por el producto digerido
222 Objetivos especiacuteficos
Las actividades desarrolladas en este trabajo se han realizado con el fin de dar respuesta a
los siguientes objetivos
Determinar el rendimiento real y teoacuterico de metanizacioacuten de los diferentes substratos
empleados
Estudio de la digestioacuten anaerobia de estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de
patata y patata frita residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y
carga orgaacutenica aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten
de biogaacutes
Estudio de la digestioacuten anaerobia de puriacuten porcino y su co-digestioacuten con glicerina
residual en continuo con diferentes proporciones de mezcla y carga orgaacutenica
aportadas Evaluacioacuten de la influencia del co-substrato en la produccioacuten de biogaacutes
49
Determinar el potencial de produccioacuten de biogaacutes de los digestatos en fase de
estabilizacioacuten
Comparacioacuten del anaacutelisis teacutermico (TA) y la espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica
nuclear (RMN) como teacutecnicas de evaluacioacuten y estudio del proceso de estabilizacioacuten de
biosoacutelidos
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el estieacutercol vacuno
durante el proceso de digestioacuten en discontinuo tanto en reacutegimen mesofilico como en
termofiacutelico
Seguimiento y evaluacioacuten del grado de estabilidad alcanzado por el digerido de la
mezcla puriacuten - glicerina durante el proceso de estabilizacioacuten tanto en mesofiacutelico como
en reacutegimen teacutermico ambiental
50
223 Planificacioacuten del trabajo
En la Figura 23 se representa el esquema general seguido en la elaboracioacuten del presente
trabajo y su distribucioacuten por capiacutetulos
Material y meacutetodo (Capiacutetulo 3)
Ensayos de co-digestioacuten de puriacuten con glicerina residual (Capiacutetulo 6) Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una industria de procesado de patatas (Capiacutetulo 4)
Caracterizacioacuten de los substratos
Evaluacioacuten del potencial teoacuterico y real de produccioacuten de metano
Control del proceso de digestioacuten
Estudio de la influencia de la co-digestioacuten en el desarrollo del proceso en la produccioacuten de biogaacutes y en la degradacioacuten del residuo
Figura 23 Esquema general de trabajo
Ensayos de digestioacuten de estieacutercol vacuno bajo condiciones mesofiacutelicas y termofiacutelicas (Capiacutetulo 5)
Caracterizacioacuten de los substratos
Control del proceso de digestioacuten
Evaluacioacuten del rendimiento de biometanizacioacuten
Ensayos de caracterizacioacuten de la materia orgaacutenica mediante Anaacutelisis Teacutermico y 1H RMN (Capiacutetulo 5)
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante Anaacutelisis Teacutermico
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten ndash glicerina (Capiacutetulo 7)
Control del proceso de estabilizacioacuten
Caracterizacioacuten del digerido y su evolucioacuten
Evaluacioacuten de la biometanizacioacuten durante la estabilizacioacuten
Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido mediante 1H RMN
Conclusiones generales (Capiacutetulo 8)
51
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59
60
3 Material y meacutetodos
31 SUBSTRATOS EMPLEADOS
311 Residuos ganaderos
Los residuos ganaderos fueron el substrato principal de todos los ensayos realizados en
este trabajo Se utilizoacute puriacuten porcino y estieacutercol ovino y vacuno Los residuos ganaderos
fueron generados a partir de deyecciones restos de alimentos material de encamado y
agua en proporciones variables de lo que se deriva una caracterizacioacuten praacutecticamente
exclusiva para cada lote de puriacuten y estieacutercol que seraacute tratada en cada experimento
312 Otros residuos agroindustriales
En este estudio se va a trabajar con patata residual procedente de una industria de
transformacioacuten agroalimentaria y con glicerina excedentaria de una faacutebrica de
produccioacuten de biodiesel Ambos residuos se comentaraacuten en sus respectivos capiacutetulos
63
313 Inoacuteculo
Por inoacuteculo se entiende una suspensioacuten de microorganismos que se transfieren a un medio
de cultivo para facilitar su colonizacioacuten En biodegradacioacuten de residuos la inoculacioacuten
mejora el rendimiento de los procesos al instalar poblaciones microbianas adaptadas en
este caso a la fermentacioacuten anaerobia En este trabajo va ha ser preciso arrancar tres
grupos de ensayos para lo que se utilizan diferentes lotes de lodo digerido provenientes de
la estacioacuten depuradora de aguas residuales (EDAR) de Leoacuten Esta instalacioacuten trata un
caudal promedio de 4400 m3middoth-1 dando servicio a aproximadamente 185000 habitantes y
a aacutereas industriales de Leoacuten y su alfoz de manera que en total las aguas depuradas
equivalen a una poblacioacuten de 350000 habitantes (Saleal Necso y Pridesa 2003)
El lodo digerido se toma de la conduccioacuten que comunica los sedimentos primarios con el
espesador por gravedad Presenta una concentracioacuten promedio en origen de 15 ndash 5 de
soacutelidos totales (ST) aunque el inoacuteculo utilizado para los arranques puede presentar mayor
contenido por decantacioacuten del mismo El contenido en soacutelidos volaacutetiles (SV) es
aproximadamente un 70 respecto a los soacutelidos totales (ST) El contenido en metales
pesados y microelementos del lodo se encuentra dentro de los rangos permitidos en la
Directiva 86278CE1 y Real Decreto 1310902 En la Tabla 31 se presenta un anaacutelisis de
los mismos
Tabla 31 Caracteriacutesticas quiacutemicas del lodo digerido utilizado en el estudio
Materia seca () 24 Sodio (mgmiddotkg-1) 856pH 55 Hierro (mgmiddotkg-1) 2209Conductividad (dSmiddotm-1) 172 Manganeso (mgmiddotkg-1) 381Materia orgaacutenica () 3130 Cinc (mgmiddotkg-1) 895Nitroacutegeno total () 415 Cobre (mgmiddotkg-1) 181Relacioacuten CN 44 Boro (mgmiddotkg-1) 75Foacutesforo total () 183 Mercurio (mgmiddotkg-1) 154Calcio () 333 Plomo (mgmiddotkg-1) 81Magnesio () 046 Niacutequel (mgmiddotkg-1) 30Potasio () 082 Cadmio (mgmiddotkg-1) 092 Cromo (mgmiddotkg-1) 91
1 Directiva 86278CEE del Consejo de 12 de junio de 1986 relativa a la proteccioacuten del medio ambiente y en particular de los suelos en la utilizacioacuten de los lodos de depuracioacuten en agricultura 2 Real Decreto 131090 de 29 de octubre por el que se regula la utilizacioacuten de lodos de depuracioacuten en el sector agrario
64
32 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN DISCONTINUO
En estos ensayos los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e inoacuteculo
degradaacutendose el substrato con la consiguiente formacioacuten de biogaacutes La produccioacuten de
biogaacutes tiene un comportamiento parejo al crecimiento de las poblaciones bacterianas en el
que se distingue una fase de adaptacioacuten al medio (fase lag) la fase de crecimiento
exponencial la fase estacionaria y una fase de declive o muerte celular tal como se
muestra en la Figura 33
Los ensayos en discontinuo llevados a cabo en este trabajo son mantenidos hasta que no se
detecte produccioacuten de biogaacutes es decir hasta alcanzar la fase de declive
Los reactores utilizados tienen un volumen de 025 l oacute 1 l dependiendo del ensayo
rellenaacutendose con inoacuteculo y substrato en proporciones deseadas antildeadiendo agua hasta
alcanzar el volumen de trabajo
Los reactores de menor volumen o baja produccioacuten de gas van a requerir el montaje de
dos reacuteplicas una para medicioacuten de volumen y composicioacuten de gas y otra para anaacutelisis de
digerido Aparte de esto se precisa la instalacioacuten de un blanco o control negativo rellenado
uacutenicamente con inoacuteculo y agua
La termorregulacioacuten del proceso se logra por inmersioacuten de los reactores en bantildeos de agua
termostatizada A su vez la homogenizacioacuten se consigue con agitadores magneacuteticos en los
reactores de 025 l y con agitacioacuten manual en los de 1 l
321 Ensayos de biodegradabilidad Produccioacuten maacutexima y teoacuterica de metano
La produccioacuten maacutexima de metano que un determinado material orgaacutenico puede
proporcionar mediante digestioacuten anaerobia se puede determinar experimentalmente
mediante el ensayo de biodegradabilidad (Gunaseelan 2007) Consiste en un proceso de
digestioacuten en discontinuo donde los reactores se llenan una uacutenica vez con residuo fresco e
inoacuteculo y se produce el proceso de degradacioacuten hasta completar la biometanizacioacuten Por
tanto este ensayo permite determinar el rendimiento uacuteltimo (Bo) de produccioacuten de metano
(Moller et al 2004)
65
El rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano (Bu) se puede calcular mediante una
aproximacioacuten teoacuterica basada en la foacutermula de Buswell (Buswell y Neave 1930 Moller et
al 2004 y Sialve et al 2009) Dicha expresioacuten considera los iacutendices estequiomeacutetricos
promediados de las biomoleacuteculas y supone la degradacioacuten total de los componentes
orgaacutenicos fermentables Estos iacutendices son n referido al carbono a referido al hidroacutegeno
y b referido al oxiacutegeno
La expresioacuten es la siguiente
422b16an12
4
b
8
a
2
n
kgSVlCHB 14u
(31)
Los estudios realizados por Moller et al (2004) se reflejan en la Tabla 32 Consideran la
siguiente composicioacuten promedio y el potencial de produccioacuten bioquiacutemica de metano para
las distintas moleacuteculas de intereacutes En estos resultados se puede apreciar el elevado
potencial asignado a los liacutepidos
Tabla 32 Composicioacuten promedio y potencial de produccioacuten bioquiacutemica de CH4 de las
principales moleacuteculas de intereacutes
Liacutepidos C57H104O6 B0 = 1014 lCH4middotkgSV-1
Proteiacutenas C5H7O2N B0 = 496 lCH4middotkgSV-1
Carbohidratos C6H10O5 B0 = 415 lCH4middotkgSV-1
AGVs C2H4O2 B0 = 370 lCH4middotkgSV-1
33 ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN ANAEROBIA EN SEMICONTINUO
En este estudio se han empleado dos modelos de reactores de mezcla completa conocidos
por sus siglas en ingleacutes como CSTR (Continuous Stirred Tank Reactors) Ambos modelos
difieren en el material de fabricacioacuten vidrio y metacrilato y en el volumen efectivo 3 y 5
l respectivamente Los digestores se mantienen agitados mecaacutenicamente y termostatizados
en reacutegimen mesofiacutelico (en torno a 35 ordmC) Cada reactor estaacute provisto de una toma de fondo
y otra superior para la salida de digerido y aporte diario de substrato Ademaacutes otra salida
66
superior independiente a la de alimentacioacuten permite la evacuacioacuten del gas producido
conducieacutendolo al sistema de medicioacuten de volumen
331 Banco de ensayos con reactores de 5 litros
Este banco de ensayos estaacute constituido por tres reactores de mezcla completa (CSTR) de 5
l de capacidad individual agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada
reactor estaacute provisto de agitadores modelo RZR 2020 de la casa Heidolph y constan de un
dispositivo para la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten
Figura 31 Imagen del banco de ensayos con reactores de 5 litros
Los reactores son de vidrio transparente de 4 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante Estaacuten provistos de un encamisado exterior por el que circula agua
de calefaccioacuten que permite mantener el sistema a una temperatura controlada Cada
reactor tiene una toma de fondo y otra superior para la salida de digerido y aporte diario
de sustrato
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior independiente a la de
alimentacioacuten y es conducido a un medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se
realiza mediante medidores de desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a
contadores de contacto huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
67
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 30 l en el que el agua es calentada a la
temperatura deseada con una resistencia eleacutectrica JPSelecta SA de 1 kW de potencia y
controlador digital El agua de calefaccioacuten es permanentemente recirculada hacia las
camisas con una bomba peristaacuteltica de Dosiper de 45 lmiddoth-1 de caudal
332 Banco de ensayos con reactores de 3 litros
Se trata de un banco de ensayos constituido por cinco reactores CSTR de 3 l de capacidad
cada uno agitados mecaacutenicamente y termostatizados a 35 plusmn 1 ordmC Cada reactor estaacute
provisto de agitadores de tipo RZR 1 de la casa Heidolph y constan de un dispositivo para
la regulacioacuten de la velocidad de agitacioacuten Varios temporizadores regulan la distribucioacuten
de los intervalos de agitacioacuten
Figura 32 Esquema del banco de ensayos con reactores de 3 litros y detalle de uno de
sus reactores
Los reactores son de metacrilato transparente de 5 mm de espesor montados sobre una
estructura autoportante de acero inoxidable Un encamisado exterior por el que circula
agua de calefaccioacuten permite mantener el sistema a temperatura controlada Cada reactor
tiene una toma de fondo una apertura superior y una apertura lateral para la salida de la
muestra y por donde el sustrato es aportado diariamente todas ellas dotadas de vaacutelvulas de
esfera
68
El gas producido en cada reactor se recoge por una abertura superior y es conducido a un
medidor en liacutenea La medicioacuten del volumen de biogaacutes se realiza mediante medidores de
desplazamiento de agua de volumen reversible asociados a contadores de contacto
huacutemedo que registran el conteo en la consola de control
El sistema de calefaccioacuten dispone de un depoacutesito de 60 l en el que el agua es calentada con
una resistencia eleacutectrica de 25 kW de potencia La temperatura en el depoacutesito se mide con
una sonda Pt-100 y se regula mediante un controlador digital PID El agua de calefaccioacuten
es permanentemente bombeada hacia las camisas con una bomba centriacutefuga EBAR
modelo JESX de 037 kW de potencia y desde eacutestas vuelve al depoacutesito
34 TEacuteCNICAS ANALIacuteTICAS
341 Anaacutelisis Rutinarios
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevaron a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH soacutelidos totales (ST) soacutelidos volaacutetiles (SV)
alcalinidad DQO amonio produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes generado y
concentracioacuten de aacutecidos grasos volaacutetiles (AGV)
Los anaacutelisis de amonio ST SV y las mediciones de pH fueron determinados conforme al
meacutetodo estandarizado APHA (1998) Las concentraciones de amoniaco libre se calcularon
usando las expresiones propuestas por Hansen et al (1998) y Cali et al (2005) El pH fue
medido con un pHmetro Crison GLP22 Para el anaacutelisis de la DQO las muestras fueron
homogeneizadas y digeridas en presencia de dicromato a 150 ordmC durante 2 h en un
digestor Hanna C9800 Posteriormente este paraacutemetro se determinoacute bien de forma manual
mediante el meacutetodo titulomeacutetrico de sal de Mohr o bien mediante un fotoacutemetro
multiparaacutemetro Hanna Instruments Series C99 La produccioacuten de biogaacutes se midioacute
generalmente utilizando contadores de desplazamiento reversible de liacutequido aunque
tambieacuten fueron utilizados gasoacutemetros de botella La composicioacuten del biogaacutes se midioacute
baacutesicamente mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) con un cromatoacutegrafo de gases Varian
CP-3800 GC equipado con un detector de conductividad teacutermica (TCD) La columna
utilizada era de 4 m de longitud modelo HayeSep Q 80100 seguida de una columna de
69
tamiz molecular de 1 m de longitud modelo Molecular Sieve 13 x 80100 Mesh (10 m x
18rsquorsquox 20 m) Las columnas separan metano (CH4) dioacutexido de carbono (CO2) nitroacutegeno
(N2) hidroacutegeno (H2) y oxiacutegeno (O2) El gas portador fue helio y se operoacute a 331 kPa y a
una temperatura de 50 ordmC Aparte de esta teacutecnica de cromatografiacutea se utilizoacute de forma
puntual un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA basado en sensores infrarrojos
para el anaacutelisis de la composicioacuten de biogaacutes
El contenido en AGV (C2 ndash C7) se determinoacute en el anterior cromatoacutegrafo de gas
utilizando el autosampler (Varian chrompack 8200 autosampler) el cual estaacute equipado
con un detector de ionizacioacuten de llama y una columna capilar Nukol (30 m x 025 mm x
025 m) de Supelco Para ello las muestras de aacutecidos grasos volaacutetiles se prepararon
mediante centrifugado a 3500 x g durante un tiempo condicionado por el tipo de muestra y
filtrando el sobrenadante con filtros de celulosa de 045 microm La temperatura del inyector y
del detector fueron 200 y 250 ordmC respectivamente La temperatura del horno fue de 150 ordmC
durante los 3 minutos iniciales incrementaacutendose posteriormente hasta 180 ordmC Se utilizoacute
helio como gas portador La calibracioacuten se llevoacute a cabo con una mezcla de AGV de
Supelco para anaacutelisis de aacutecidos grasos C2 ndash C7 El liacutemite de deteccioacuten en los anaacutelisis de
AGV fue de 50 mgmiddotl-1
Para el manejo de datos y anaacutelisis estadiacutestico se emplearon las aplicaciones informaacuteticas
Microsoft Office Excel 2003 e IBM SPSS Statistics 19
342 Teacutecnicas de anaacutelisis de estabilidad
3421 DBO
El consumo de oxiacutegeno demandado por una muestra es un paraacutemetro indicador de
estabilidad bioloacutegica de aguas relacionaacutendose dicho oxiacutegeno demandado con la eficiencia
de degradacioacuten del substrato
Esta analiacutetica determina la cantidad de materia susceptible de ser degradada (oxidada) por
meacutetodos bioloacutegicos a traveacutes de la determinacioacuten del oxiacutegeno consumido La cantidad de
oxiacutegeno demandada por un lote de muestra durante el proceso de degradacioacuten bioloacutegica
depende del propio tiempo de reaccioacuten tal como se muestra en la Figura 33 La evolucioacuten
70
de esta cantidad de oxiacutegeno demandada ha de coincidir con la derivada de la curva tiacutepica
de crecimiento bacteriano De esta manera la demanda de oxiacutegeno comienza a hacerse
patente al comienzo de la fase de crecimiento estabilizaacutendose el incremento durante la
fase de madurez y presentando un comportamiento asintoacutetico al avanzar en la fase de
declive Es preciso por tanto estandarizar un tiempo de ensayo que haga aplicable esta
teacutecnica Para ello se ha considerado la cantidad de oxiacutegeno consumida tras cinco diacuteas de
anaacutelisis (DBO5)
tiempo
Po
bla
cioacute
n
Oxiacute
gen
o d
eman
dad
o
oxiacutegeno demandado
crecimiento bacteriano
Fase de madurez
Fase de crecimiento exponencial
Fase de muerte o declive
Fase lag
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 33 Ejemplo de una curva de crecimiento de la poblacioacuten bacteriana instalada
sobre un substrato y evolucioacuten del oxiacutegeno consumido
Para la medicioacuten de este paraacutemetro se utilizoacute el sistema Oxitopreg el cual consiste en un
conjunto de incubadores cerrados hermeacuteticamente por un sistema-tapoacuten capaz de atrapar
el CO2 generado mediante una trampa de sosa medir la depresioacuten originada en el interior
del incubador y relacionar dicha depresioacuten con el oxiacutegeno consumido por la muestra En
los incubadores se ha de introducir la muestra diluida en un medio nutritivo cuya foacutermula
es una adaptacioacuten de la propuesta por Chica et al (2003) Su composicioacuten es la siguiente
tiourea como inhibidor de la nitrificacioacuten (1000 gmiddotl-1) Na2HPO5middot12H2O (1339 gmiddotl-1)
K2HPO4middot3H2O (334 mgmiddotl-1) NH4Cl (51 mgmiddotl-1) CaCl2middot3frac12H2O (328 mgmiddotl-1) Cl3Fe (663
mgmiddotl-1) y MgSO4middot7H2O (328 mgmiddotl-1)
71
La cantidad de muestra a introducir en el incubador se estima a partir del consumo
especiacutefico de oxiacutegeno previsto considerando que el nivel de O2 en la fase gaseosa no
puede ser inferior al 10 (Veeken et al 2003) ya que niveles inferiores convierten la
velocidad de difusioacuten de O2 a la fase acuosa en factor limitante del ensayo Siguiendo este
criterio se prepara una mezcla de 18 ml de muestra y 47 ml de medio nutritivo La
incubacioacuten de la materia se realiza durante 5 diacuteas a 20 plusmn 1 ordmC y en ausencia de luz
3422 Anaacutelisis termogravimeacutetrico
Los anaacutelisis teacutermicos abarcan una serie de teacutecnicas en las que se mide una propiedad fiacutesica
de una sustancia en funcioacuten de la temperatura Para ello se somete una muestra a un
programa de temperatura determinado y en atmoacutesfera controlada Se distinguen varios
meacutetodos teacutermicos destacando la termogravimetriacutea (TG) y el anaacutelisis teacutermico diferencial
(DTA)
El anaacutelisis termogravimeacutetrico ha sido utilizado para investigar la valoracioacuten energeacutetica de
residuos (Diacuteez 2003) para estudiar la evolucioacuten de la materia orgaacutenica durante el
compostaje (Melis and Castaldi 2004) y en este trabajo va a servir como herramienta para
evaluar el grado de estabilidad de los digestatos tras la digestioacuten anaerobia (Otero et al
2002 Goacutemez et al 2005 Goacutemez 2006 Cuetos 2007) La termogravimetriacutea informa de
la ganancia o peacuterdida de masa de la muestra cuantificando esta variacioacuten mientras que el
DTA informa si un proceso es endoteacutermico o exoteacutermico y a menudo es capaz de medir la
variacioacuten de energiacutea teacutermica que se cuantifica utilizando la calorimetriacutea diferencial de
barrido (DSC)
La termogravimetriacutea es una teacutecnica en la cual la masa de una muestra se mide
continuamente en funcioacuten de la temperatura mientras que la muestra estaacute sometida a un
programa controlado de calentamiento o enfriamiento El registro continuo de estos datos
permite obtener la curva TG La termogravimetriacutea derivada (DTG) es una forma de
representar los resultados de TG por medio de la primera derivada de la curva en funcioacuten
de la temperatura o el tiempo La curva DTG representa por tanto la velocidad de
variacioacuten de la masa frente a la temperatura o el tiempo (Goacutemez 2006)
72
El anaacutelisis teacutermico bajo atmoacutesfera oxidante se realizoacute utilizando una termobalanza de TA
Instruments modelo SDT2960 que registra simultaacuteneamente medidas de TG-DTA En la
Figura 34 se presenta un esquema del instrumento que consta de una balanza de
precisioacuten un horno en el que se controla la temperatura y un sistema de registro de la
sentildeal
a) b)
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 34 a) Esquema de la termobalanza utilizada b) Esquema del horno de la
termobalanza
3423 Espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear
La espectroscopiacutea de RMN es una teacutecnica analiacutetica que basada en propiedades mecaacutenico
cuaacutenticas de los nuacutecleos atoacutemicos permite la determinacioacuten de determinadas estructuras
moleculares Buddrus et al (1989) realizoacute un estudio mediante RMN bidimensional
aplicado a sustancias huacutemicas A su vez Fernaacutendez et al (2008) compararon las
propiedades moleculares y estructurales de los aacutecidos huacutemicos aislados de lodos de aguas
residuales haciendo uso de espectroscopiacutea 13C RMN en conjunto con anaacutelisis teacutermico
resultando una importante presencia de componentes alquilo Un estudio previo (Goacutemez et
al 2010) propuso las teacutecnicas de espectroscopiacutea de fluorescencia anaacutelisis teacutermico y 1H
NMR como herramientas analiacuteticas aptas para seguimiento de las transformaciones
sufridas por la materia orgaacutenica durante la digestioacuten de residuos de comida bajo
condiciones de operacioacuten en semi-continuo y meso y termofiacutelico
73
Los nuacutecleos de los isoacutetopos que poseen un nuacutemero impar de protones un nuacutemero impar de
neutrones o ambos exhiben un efecto mecaacutenico de espin asociado al momento angular
Seguacuten se refleja en la Figura 35 si los nuacutecleos son irradiados con radiacioacuten
electromagneacutetica de la frecuencia adecuada aquellos que se encuentren en el estado de
baja energiacutea absorberaacuten un quantum y pasaraacuten al estado de alta energiacutea Cuando esta
transicioacuten ocurre se dice que el nuacutecleo estaacute en resonancia con la radiacioacuten aplicada de
aquiacute el nombre de resonancia magneacutetica nuclear
b) a)
Fuente wwwhartfordedu
Figura 35 Estado inicial de los nuacutecleos (a) y alineamiento seguacuten la orientacioacuten del
campo magneacutetico (H0) pasando al estado de alta energiacutea (b)
Las diferentes sentildeales de los espectros de RMN se distribuyen en funcioacuten del
desplazamiento quiacutemico (δ) propiedad que describe la dependencia de los niveles de
energiacutea magneacutetica del nuacutecleo con el ambiente electroacutenico de la moleacutecula (Sanders amp
Hunter 1994)
Los principales nuacuteclidos de intereacutes para deteccioacuten de estructuras moleculares orgaacutenicas
mediante esta teacutecnica son el protoacuten 1H y el carbono 13C Adani et al (2006) seleccionaron
la RMN como herramienta analiacutetica capaz de identificar estructuras orgaacutenicas y comparar
las distintas concentraciones de los principales grupos funcionales
74
La parte fundamental del espectroacutemetro RMN es el ldquoimaacutenrdquo En su eje interior se situacutea el
vial de introduccioacuten de muestras Consta de un generador de radiofrecuencia y un
electroimaacuten capaz de producir un campo magneacutetico de alta intensidad y extremadamente
homogeacuteneo Ambos produciraacuten las condiciones necesarias para la resonancia magneacutetica
nuclear Un Amplificador unido al detector de radiofrecuencia transforma las pequentildeas
variaciones de energiacutea en corriente eleacutectrica A continuacioacuten el inscriptor transcribe la
sentildeal eleacutectrica a espectrografiacuteas
En la Figura 36 se representa un modelo de espectroacutemetro de resonancia magneacutetica
nuclear
Consola de control
Imaacuten
Sonda (Seccioacuten)
Muestra
Vial
Estacioacuten de trabajo
Fuente wwwvarianinccom
Figura 36 Esquema de un espectroacutemetro de resonancia magneacutetica nuclear
Para la realizacioacuten de las espectrometriacuteas de RMN se utilizoacute un equipo Bruker Avance
600 spectrometer (5mm TCi cryoprobe de deteccioacuten inversa) Las frecuencias nominales
fueron 60013 MHz para 1H y 15090 MHz para 13C Se utilizoacute DMSOd6 como patroacuten
interno en todos los espectros El desplazamiento quiacutemico (δ) a 298 K de DMSOd6 estaacute
situado en los ensayos 1H NMR en torno a 249 ppm en el caso de ensayos 13C NMR en
torno a 395 ppm)
75
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77
78
4 Ensayos de digestioacuten de estieacutercol
ovino con residuos de una industria de
procesado de patatas
41 INTRODUCCIOacuteN
El tratamiento de residuos orgaacutenicos mediante digestioacuten anaerobia persigue la obtencioacuten
de biogaacutes valorizable energeacuteticamente la disminucioacuten del residuo generado su
estabilizacioacuten y el control de patoacutegenos (Salminen y Rintala 1999) Sin embargo un
inadecuado balance de nutrientes en el substrato puede causar problemas y ser una
limitacioacuten para la digestioacuten anaerobia Tal es el caso de residuos con inadecuada relacioacuten
CN caso tiacutepico de las deyecciones ganaderas o con elevado contenido lipiacutedico (Blanco et
al 2010)
La biometanizacioacuten de residuos del sector agroindustrial parece ofrecer buenas
expectativas de desarrollo si se considera la enorme cantidad de residuos producidos asiacute
81
como su diversidad que permitiriacutea un amplio abanico de opciones de co-digestioacuten En este
experimento pretendemos estudiar la co-digestioacuten de estieacutercol ovino con patata residual
La eleccioacuten de estos substratos se justifica por un lado por su disponibilidad y necesidad
de gestioacuten a nivel local La cabantildea ganadera ovina en la provincia de Leoacuten se situacutea en
500000 cabezas que equivalen a una produccioacuten estimada de estieacutercol de 293000 t
anuales (JCyL 2010a JCyL 2010b) Asiacute mismo la empresa Aperitivos Gus SL procesa
el 14 de la patata frita comercializada en Espantildea produciendo 9000 t anuales de
aperitivos Como subproductos del proceso aparece una produccioacuten anual de 200 t de
peladuras de patata y 600 t de patata frita rechazadas por su sistema de control de calidad
Por otro lado la inclusioacuten de estos dos tipos de residuos como co-substratos en la
digestioacuten de estieacutercol ovino puede albergar consecuencias positivas para el proceso
debido fundamentalmente a la mejora de la relacioacuten CN del medio de digestioacuten Para su
estudio se pretende calcular el rendimiento teoacuterico y real de produccioacuten de metano asiacute
como determinar rendimientos en ensayos de digestioacuten en reacutegimen semicontinuo
Para evaluar el efecto de la co-digestioacuten de estieacutercol con peladuras de patata y con patata
frita residual es precisa la optimizacioacuten del modo operativo La carga orgaacutenica es uno de
los paraacutemetros principales que se pretende optimizar Tambieacuten se debe fijar el contenido
en ST Seguacuten Da Costa et al (2008) las plantas de biogaacutes alimentadas soacutelo o
principalmente con estieacutercol y operadas en mesofiacutelico funcionan con cargas de 2 a 3
kgSVmiddotm-3middotd-1 pero se dimensionan para 35 a 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 En la praacutectica es posible
alcanzar cargas mayores pero para ello es necesario un control de proceso maacutes intensivo
El contenido oacuteptimo de ST del reactor debe ser de 8 - 9 (Da Costa et al 2008) Para
conseguirlo Cuetos (2007) y Kaparaju et al (2007) diluyen con agua las alimentaciones
Ademaacutes debe optimizarse la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata ya que un exceso de
estieacutercol generariacutea problemas de inhibicioacuten amoniacal y dada la elevada
biodegradabilidad de la patata su exceso generariacutea inhibicioacuten o inestabilidad por
desajustes cineacuteticos de las etapas de digestioacuten Se considera que la relacioacuten CN adecuada
para procesos fermentativos debe oscilar entre 15 y 35 (Hawkes 1980 Speece 1987
Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988)
82
42 OBJETIVOS
Los objetivos de este capiacutetulo son
Determinar el rendimiento uacuteltimo y teoacuterico de metanizacioacuten asiacute como los
rendimientos de produccioacuten de biogaacutes en reacutegimen semicontinuo para cada mezcla de
estieacutercol-patata
Determinar el modo operativo oacuteptimo para la produccioacuten de biogaacutes a partir de la co-
digestioacuten de estieacutercol ovino con residuos de una empresa de fritura de patata
especialmente en cuanto a carga orgaacutenica y relacioacuten de mezcla idoacutenea
Realizar un estudio comparativo del efecto de la inclusioacuten de patata cruda o patata frita
residuales en el proceso de fermentacioacuten anaerobia de estieacutercol ovino
43 MATERIAL Y MEacuteTODO
431 Substratos utilizados
El estieacutercol utilizado en este estudio provino de una instalacioacuten ganadera ubicada en La
Bantildeeza (Leoacuten) perteneciente a la sociedad ganadera Maragata de Vacuno S C L El
estieacutercol recogido procediacutea a partes iguales de cordero y oveja de raza assaf en reacutegimen de
produccioacuten caacuternica Este residuo presentoacute un contenido medio en soacutelidos totales (ST) de
234 07 en peso de los cuales un 747 14 corresponden a soacutelidos volaacutetiles (SV)
La demanda quiacutemica de oxiacutegeno (DQO) fue de 1335 53 gmiddotl-1
El residuo de la industria de procesado de patata fue obtenido en la faacutebrica de Aperitivos
Gus SL situada en Riego de la Vega (Leoacuten) Se utilizaron dos modalidades de este
residuo restos de patata cruda generada en la fase de pelado y patata frita rechazada tras
la fase de freiacutedo El primer substrato se caracterizoacute por un contenido en ST de 123 03
en peso de los cuales un 865 09 corresponde a SV y una DQO de 254 50 gmiddotl-1 A
83
su vez la patata frita residual presentoacute un contenido en ST de 858 01 de los que un
947 02 son SV La DQO analizada fue de 14484 37 gmiddotl-1
Para el arranque de los reactores se utilizoacute como inoacuteculo lodo digerido proveniente del
digestor anaerobio de la estacioacuten depuradora de aguas de Leoacuten Dicho digestor procesa
una mezcla de lodo primario y lodo activo en reacutegimen mesofiacutelico y 26 diacuteas de TRH Este
inoacuteculo presentoacute una concentracioacuten de ST de 18 01 de los cuales un 661 02 son
SV
En la Tabla 41 se recoge la caracterizacioacuten fiacutesico - quiacutemica de los substratos utilizados
Tabla 41 Caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos empleados
Estieacutercol Patata cruda Patata frita
Materia orgaacutenica () 6397 8324 9054
C orgaacutenico () 2864 3726 4053
Nitroacutegeno total () 306 201 124
Relacioacuten CN 1217 2404 4253
Calcio (cmol(+)middotkg-1) 1616 887 032
Potasio (cmol(+)middotkg-1) 7001 9371 2491
Magnesio (cmol(+)middotkg-1) 1498 874 257
Sodio (cmol(+)middotkg-1) 4546 176 036
Cobre (mgmiddotkg-1) 483 270 223
Hierro (mgmiddotkg-1) 8793 571 592
Manganeso (mgmiddotkg-1) 3745 2988 1369
Zinc (mgmiddotkg-1) 8356 667 791
Foacutesforo total (mgmiddotl-1) 4400 2117 1405
Grasa () - 048 4425
pH 843 545 584
Densidad (gmiddotml-1) 104 101 112
Cenizas () 827 145 223
DQO (gmiddotl-1) 1335 254 14484
N ndash NH3 total (mgmiddotl-1) 104503 893 958
N ndash NH3 libre (mgmiddotl-1) 29297 00004 00068
ST (gmiddotl-1) 2337 1228 8581
SV (gmiddotl-1) 1745 1062 8126
Analiacutetica en base fresca
84
432 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano Foacutermula de Buswell
Para obtener el rendimiento teoacuterico de produccioacuten bioquiacutemica de metano se utiliza la
foacutermula de Buswell Para ello se precisa determinar la proporcioacuten de liacutepidos proteiacutenas
carbohidratos faacutecilmente degradables (excluyen a la lignina) y aacutecidos grasos volaacutetiles
Esta analiacutetica es aportada para el caso de la peladura de patata y la patata frita residual por
el laboratorio de Aperitivos Gus SL En el caso del estieacutercol se consideran las analiacuteticas
aportadas por el Instituto Nacional de Investigacioacuten Agronoacutemica de Francia (INRA 2011)
basado en una amplia base de datos En la Tabla 42 se expone el contenido en liacutepidos
proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs de las materias empleadas en este
experimento
Tabla42 Contenido en liacutepidos proteiacutenas carbohidratos faacutecilmente degradables y AGVs
de los substratos
Liacutepidos
(gmiddotkgSV-1)Proteiacutenas
(gmiddotkgSVl-1) Carbohidratos
(gmiddotkgSV-1) AGVs
(gmiddotkgSV-1)
Peladuras de patata 6 180 813 -
Patata frita 338 77 567 -
Estieacutercol 68 150 433 36
433 Ensayos de biodegradabilidad
Se empleoacute como inoacuteculo lodo digerido de la EDAR de Leoacuten y como substratos estieacutercol
ovino (BdE) peladuras de patata (BdPa) y patata frita residual (BdPf)
Como reactores se emplearon matraces erlenmeyer de 250 ml (Figura 41) Cada uno se
rellenoacute con 5 oacute 10 g de patata o estieacutercol respectivamente y la cantidad de inoacuteculo
correspondiente para obtener una relacioacuten de SV inoacuteculoalimentacioacuten de 1
85
a b
Figura 41 Fotografiacuteas de reactores (a) y detalle del montaje del bantildeo utilizado (b)
Los reactores se introdujeron en un bantildeo termostatizado a 34 plusmn 2 ordmC con agitadores
magneacuteticos (200 rpm) y se mantuvieron en funcionamiento hasta que no se detectoacute ni
produccioacuten de gas ni AGV en el efluente analizado (Chynoweth et al 1993) En los
ensayos se emplearon dos reacuteplicas una para llevar a cabo los anaacutelisis rutinarios de la fase
liacutequida y otra para medir el volumen diario de biogaacutes producido y su composicioacuten Al
mismo tiempo existioacute otro reactor adicional empleado como control negativo (blanco)
Los anaacutelisis rutinarios para el control del proceso de digestioacuten anaerobia medidos en el
liacutequido extraiacutedo perioacutedicamente fueron volumen y composicioacuten del biogaacutes producido ST
SV pH y concentracioacuten de AGV
434 Ensayos en semicontinuo
Los ensayos de co-digestioacuten de estieacutercol y patata se llevaron a cabo en el banco de
ensayos descrito en el epiacutegrafe 331
Para optimizar la relacioacuten de mezcla estieacutercol - patata se ha considerado como antecedente
el trabajo realizado por Blanco et al (2010) elaboraacutendose las alimentaciones de estieacutercol -
peladuras de patata y estieacutercol - patata frita residual a razoacuten de mezcla 31 en soacutelidos
volaacutetiles
Durante el proceso de digestioacuten anaerobia se llevan a cabo una serie de anaacutelisis de modo
perioacutedico para el control del proceso pH ST SV alcalinidad DQO DBO amonio
86
produccioacuten y composicioacuten del biogaacutes producido y concentracioacuten de AGV Estos
paraacutemetros fueron medidos cada tres diacuteas a excepcioacuten de la DQO que fue medida 2 veces
por semana y la produccioacuten y composicioacuten de gas que fue medida diariamente Asiacute
mismo se aplicoacute este conjunto de analiacuteticas a cada lote de alimentacioacuten preparada
Para optimizar la carga orgaacutenica a introducir en los sistemas se fijaron tres niveles de
estudio 25 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 Se dispuso de 3 reactores en dos de los cuales se
modificoacute el reacutegimen de operacioacuten resultando los 5 sistemas expuestos en la Figura 42 De
esta manera se permitioacute la comparacioacuten secuencial de los mismos
Figura 42 Disentildeo experimental por comparativas secuenciales
La nomenclatura de los reactores es la siguiente el sistema E corresponde con el ensayo
de Estieacutercol a carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 EPa denomina los sistemas de co-
digestioacuten estieacutercol-peladuras de patata atribuyeacutendole con los nuacutemeros 1 y 2 las cargas
orgaacutenicas de 25 y 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente Los sistemas de estieacutercol
suplementado con patata frita se denominan EPf atribuyeacutendole los nuacutemeros 1 y 2 las
cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente
En la planificacioacuten de los ensayos hay que considerar una fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
de aproximadamente 20 diacuteas Tras ella tiene lugar el arranque inicial en el que se redujo
progresivamente el TRH1 de 50 a 19-329 diacuteas en funcioacuten de la carga orgaacutenica deseada
Una vez conseguidas las condiciones estacionarias de operacioacuten se desecharon los anaacutelisis
del primer TRH ya que suele presentar un comportamiento inestable
1 Tiempo de retencioacuten hidraacuteulica
87
Considerando las experiencias realizadas por Da Costa et al (2008) Cuetos (2007) y
Kaparaju et al (2007) las mezclas alimentadas a cada uno de los reactores contienen un
10 de ST modulando la cantidad de aporte (y en consecuencia el TRH) para conseguir
la carga orgaacutenica deseada En la Tabla 43 se exponen los TRH de cada uno de los
ensayos
Tabla 43 Tiempos de retencioacuten hidraacuteulica aplicados a cada sistema
TRH
E 299 diacuteas
EPa1 329 diacuteas
EPa2 235 diacuteas
EPf1 216 diacuteas
EPf2 19 diacuteas
En la Tabla 44 se muestra la caracterizacioacuten de las alimentaciones introducidas en los 5
experimentos
Tabla 44 Caracterizacioacuten de las alimentaciones utilizadas
E EPa1 EPa2 EPf1 EPf2
ST gmiddotl-1 1042 plusmn 02 1030 plusmn 03 1030 plusmn 03 1031 plusmn 01 1031 plusmn 01
SV 724 plusmn 12 771 plusmn 20 771 plusmn 20 771 plusmn 01 771 plusmn 01
Relacioacuten CN 122 140 140 152 152
pH 843 plusmn 004 782 plusmn 002 782 plusmn 002 767 plusmn 003 767 plusmn 003
Alcalinidad total (gmiddotl-1)
045 plusmn 005 069 plusmn 006 069 plusmn 006 044 plusmn 004 044 plusmn 004
Amoniaco total (mgmiddotl-1)
4300 plusmn 124 3247 plusmn 142 3247 plusmn 142 2857 plusmn 111 2857 plusmn 111
Amoniaco libre (mgmiddotl-1)
9545 plusmn 27 2007 plusmn 09 2007 plusmn 09 1346 plusmn 05 1346 plusmn 05
DQO (gO2middotl-1) 5493 plusmn 218 4585 plusmn 241 4585 plusmn 241 3785 plusmn 018 3785 plusmn 018
DBO (gO2middotl-1) 1030 plusmn 051 1301 plusmn 079 1278 plusmn 073 2234 plusmn 103 2223 plusmn 092
88
A continuacioacuten se expone el cronograma de los ensayos observaacutendose que los sistemas
EPf1 y EPf2 parten de reactores activados evitaacutendose la fase de aclimatacioacuten del inoacuteculo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Tiempo de ensayo (d)
Hitos principales TRH R1 TRH R2 T RH R3
Arranque (2ordm)
Arranque (1ordm)
4 T
RH
Aclimatacioacuten
1 T
RH
0 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
EPf1
1 T
RH
0 T
RH
EPf2
3 T
RH
2 T
RH
1 T
RH
5 T
RH
0 T
RH
EPa2
2 T
RH
1 T
RH
0 T
RH
E
EPa1
Figura 43 Cronograma de los ensayos
435 Teacutecnicas analiacuteticas
De forma general para las analiacuteticas de este experimento se siguen las pautas recogidas en
el Capiacutetulo 3 de Material y Meacutetodo citaacutendose en este epiacutegrafe las diferencias especiacuteficas
Asiacute pues la composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos de digestioacuten en
semicontinuo fue analizada utilizando un analizador modular Mono-Gasreg PRONOVA
basado en sensores infrarrojos La composicioacuten del biogaacutes producido en los ensayos en
discontinuo se midioacute mediante cromatografiacutea gaseosa (GC) seguacuten lo expuesto en la
metodologiacutea general
44 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
441 Rendimiento teoacuterico de produccioacuten de metano
La aplicacioacuten de la ecuacioacuten de Buswell a los 3 substratos aquiacute tratados refleja las
siguientes producciones maacuteximas teoacutericas de metano
89
Estieacutercol ovino 3366 l CH4 middot kg SValim- 1
Peladuras de patata 4331 l CH4 middot kg SValim- 1
Patata frita residual 8258 l CH4 middot kg SValim- 1
En estos resultados destaca el elevado potencial de produccioacuten de metano calculado para
ambos residuos de patata por lo que su inclusioacuten como co-substrato en la digestioacuten de
estieacutercol incrementaraacute la productividad especiacutefica de este gas Asimismo es destacable el
elevado rendimiento teoacuterico calculado para la patata frita residual el cual radica en su
contenido lipiacutedico dado que seguacuten Moller et al (2004) se obtendriacutean 1014 l CH4 por cada
kgSV de liacutepidos alimentado
442 Ensayos de biodegradabilidad
Como puede observarse en la Tabla 41 de caracterizacioacuten fiacutesico quiacutemica de los substratos
se trata de residuos orgaacutenicos con un alto porcentaje de materia orgaacutenica Sin embargo el
estieacutercol presenta una relacioacuten CN de 122 inferior por tanto al oacuteptimo referenciado
(Hawkes 1980 Speece 1987 Llabreacutes-Luengo y Mata-Aacutelvarez 1988) A su vez la patata
frita residual es deficitaria en nitroacutegeno (relacioacuten CN de 425) Esta circunstancia hace
que a priori las mezclas de estos residuos puedan ser substratos adecuados para la
digestioacuten anaerobia Cabe destacar el alto contenido en grasas de la patata frita que
sugiere que seraacute un residuo con problemas en el control de su digestioacuten pero del que se
esperan altas producciones de biogaacutes
En la Figura 44 se representan las graacuteficas de la produccioacuten diaria acumulada de biogaacutes
obtenido durante los ensayos La prolongada fase de retardo o lag del sistema BdPf hasta
que comenzoacute la produccioacuten de biogaacutes puede estar relacionada con la tendencia a la
acidificacioacuten
El biogaacutes producido en los sistemas presentoacute un contenido en metano de 65 - 70 para
BdE y BdPa y 78 para BdPf La mayor concentracioacuten registrada en el sistema de patata
frita puede atribuirse al mayor potencial de metanizacioacuten derivado del contenido lipiacutedico
de este residuo
90
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
0
BdE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 5
Tiempo (d)
l C
H4 k
g S
V
0
BdPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (d)
l C
H4 k
gS
V
BdPf
Figura 44 Produccioacuten diaria acumulada de gas de los residuos ensayados
91
Para hacer comparables los sistemas se calculoacute la produccioacuten acumulada de metano por
unidad de SV alimentados Los valores que se obtuvieron fueron 308 l CH4middotkg SValim-1
para el reactor BdE 207 l CH4middotkg SValim-1 para BdPa y 784 l CH4middotkg SValim
-1 para el
sistema BdPf
Asiacute pues el resultado de los ensayos de biodegradabilidad reflejan rendimientos
respectivos para el estieacutercol y la patata frita un 9 y 5 inferiores respecto al maacuteximo
teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Sin embargo en el caso de las peladuras de
patata el resultado de la prueba de biodegradabilidad es un 52 inferior Hay que destacar
que los carbohidratos son el principal constituyente de la patata y seguacuten Moller et al
(2004) se obtendriacutean 415 l CH4 por cada kgSV de estos carbohidratos Por otro lado
Gunaseelan (2007) obtuvo un rendimiento maacuteximo de metano de 267 l CH4middotkgSV-1 Estas
circunstancias evidencian el colapso sufrido en la fermentacioacuten probablemente por
acidificacioacuten del substrato
El pH del sistema BdE se mantuvo en torno a 75 una vez estabilizado En el caso de BdPa
se observoacute un comportamiento inestable durante todo el ensayo precisando un control
continuo del pH para que se mantuviera en torno a 7 y no se acidificara Por uacuteltimo el
sistema BdPf requirioacute control del pH en el comienzo del ensayo estabilizaacutendose
posteriormente en torno a 78
443 Ensayos en semicontinuo
- Produccioacuten de CH4
La produccioacuten de metano de los cinco sistemas se expone en la Tabla de rendimientos 45
y en la Figura 45 Comparando los sistemas E y EPa1 se tiene que a igual carga orgaacutenica
la adicioacuten del co-substrato eleva la produccioacuten volumeacutetrica y la produccioacuten especiacutefica de
metano un 216 respecto al sistema de estieacutercol
92
Tabla 45 Rendimiento de produccioacuten de metano
Produccioacuten volumeacutetrica de metano
(l CH4 middot m-3 middot d-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano
(l CH4 middot kgSV-1)
E 3411 1358
EPa1 7354 2936
EPa2 9769 2776
EPf1 13075 3844
EPf2 13478 3275
Comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata se tiene que en el ensayo EPa2
con un 40 maacutes de carga orgaacutenica tiene una produccioacuten volumeacutetrica de metano un 328
superior Esto supone que la produccioacuten especiacutefica de metano sea un 54 mayor en el
sistema de co-digestioacuten alimentado a 25 kgSVmiddotm-3 frente al de 35 kgSVmiddotm-3 Dicho de
otro modo el aumento de carga orgaacutenica de 25 kgSVmiddotm-3 a 35 kgSVmiddotm-3 reduce la
productividad del substrato alejaacutendola de su maacuteximo pero aumenta la productividad del
sistema de digestioacuten
Analizando los resultados de los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados ambos con la misma
carga orgaacutenica se puede comparar el rendimiento relativo de ambas mezclas Seguacuten se
muestra en la Tabla 45 la produccioacuten volumeacutetrica de metano es un 38 superior en el
sistema alimentado con estieacutercol-patata frita El incremento en la produccioacuten especiacutefica de
metano es similar ya que se parte de sistemas alimentados con la misma carga orgaacutenica
Este resultado estaacute en consonancia con los altos valores de metano potencial de la patata
frita obtenidos en los ensayos de biodegradabilidad
Finalmente comparando los dos sistemas de co-digestioacuten de patata frita a distinta carga
orgaacutenica se tienen similares producciones volumeacutetricas pese a la mayor carga de EPf2
siendo la produccioacuten especiacutefica de metano un 17 menor en dicho sistema Dicho de otro
modo aunque con ambas cargas orgaacutenicas (35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1) el aprovechamiento de
los digestores es similar en teacuterminos de produccioacuten volumeacutetrica de gas la carga orgaacutenica
maacutes baja permite mejor aprovechamiento de la energiacutea del residuo operando en
condiciones maacutes alejadas de la inestabilidad
93
E
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa1
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPa2
0
100
200
300
400
500
600
0 25 50 75 100 125 150 175Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf1
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150Tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
EPf2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170tiempo (d)
l meta
no
kg S
V
Figura 45 Tasa de produccioacuten especiacutefica de metano
94
La expresioacuten de Buswell aplicada a los distintos substratos alimentados en los sistemas y
sus respectivas producciones especiacuteficas de metano se muestran en la Tabla 46 Ademaacutes
se incluye la relacioacuten entre ambos paraacutemetros que se constituye como indicador de la
eficiencia de la produccioacuten de metano
Tabla 46 Rendimiento maacuteximo teoacuterico seguacuten Buswell y el obtenido experimentalmente
Rendimiento maacuteximo teoacuterico (l CH4middotkgSV-1)
Produccioacuten especiacutefica de metano (l CH4middotkgSV-1)
Eficiencia de produccioacuten de metano
E 3364 1358 040
EPa1 3841 2936 076
EPa2 3841 2776 072
EPf1 4013 3844 096
EPf2 4013 3275 082
Asiacute pues la produccioacuten de metano en el sistema E supone una eficiencia del 040 (en tanto
por uno) respecto al maacuteximo teoacuterico marcado por la expresioacuten de Buswell Los sistemas
suplementados con patata presentan una eficiencia de produccioacuten de metano de 076 y
072 respecto al mencionado rendimiento maacuteximo teoacuterico y en los casos de los sistemas
con patata frita la eficiencia asciende al 096 y 082
- Riqueza en CH4
El contenido en metano del biogaacutes producido en los diferentes sistemas se muestra en la
Tabla 47 Pese a que la riqueza en CH4 es muy similar el anaacutelisis de varianza2 demuestra
que los sistemas suplementados con patata frita (EPf1 y EPf2) y el sistema EPa2 presentan
concentraciones en metano significativamente mayores que los sistemas E y EPa1 Esto
aparentemente indica que la inclusioacuten de la patata frita por un lado y el aumento de
carga por otro incrementan la concentracioacuten de metano Esta circunstancia estaacute en
2 Para el estudio de las variables se ha realizado un anaacutelisis de varianza (ANOVA) Se
utilizoacute el test DMS con un nivel de confianza del 95 (Plt005) Este anaacutelisis ha sido
realizado con el programa estadiacutestico IBM SPSS Statistics 19
95
consonancia con los resultados de los ensayos de biodegradabilidad en los cuales se
detectoacute que la patata frita generoacute mayor riqueza de metano en el biogaacutes
Tabla 47 Contenido en metano
CH4 ()
E 4856 plusmn 342
EPa1 4759 plusmn 352
EPa2 5137 plusmn 449
EPf1 5235 plusmn 149
EPf2 5343 plusmn 318
- ST y SV
Se analizoacute el contenido en ST y SV de los efluentes de los 5 sistemas mostrando estos
resultados en la Tabla 48 junto con los porcentajes de destruccioacuten de SV
Comparando estos valores con los expuestos para el influente se observa que el sistema
alimentado uacutenicamente con estieacutercol presenta la destruccioacuten de SV maacutes baja (355) A
su vez los sistemas de co-digestioacuten presentan tasas de destruccioacuten de volaacutetiles
sensiblemente maacutes elevadas destacando el sistema EPa1 con un 663 de SV destruidos
Tabla 48 Contenido en ST y SV
ST (gmiddotl-1)
(Influente) ST (gmiddotl-1) SV ()
(Influente) SV () Destruccioacuten de
SV () E 1042 plusmn 02 660 plusmn 13 724 plusmn 12 709 plusmn 10 355 plusmn 01 EPa1 1030 plusmn 03 375 plusmn 36 771 plusmn 20 693 plusmn 13 663 plusmn 04 EPa2 1030 plusmn 03 618 plusmn 44 771 plusmn 20 698 plusmn 18 440 plusmn 02 EPf1 1031 plusmn 01 636 plusmn 33 771 plusmn 01 715 plusmn 11 410 plusmn 01 EPf2 1031 plusmn 01 648 plusmn 17 771 plusmn 01 711 plusmn 11 403 plusmn 01
Hay que sentildealar en primer lugar que el estieacutercol es materia generada tras una degradacioacuten
bioquiacutemica previa presentando mayor contenido en materia de difiacutecil degradacioacuten
Secundariamente la propia co-digestioacuten puede tener como efecto el incremento de la
destruccioacuten de SV ya que al mejorarse el balance de nutrientes se potencia el proceso
degradativo
96
En los sistemas de co-digestioacuten los diferentes resultados en la proporcioacuten de SV destruidos
son explicables por la idoneidad de la mezcla primeramente en lo que a la naturaleza y
composicioacuten de los residuos se refiere (estieacutercol ovino - peladuras de patata y estieacutercol
ovino - patata frita residual) y por otro lado en lo referido a la carga orgaacutenica ya que en
niveles bajos permite un mayor TRH y consecuentemente maacutes tiempo para progresar en la
degradacioacuten anaerobia
Es esperable que a mayor destruccioacuten de SV se obtengan tambieacuten mayores destrucciones
de DQO durante el proceso Sin embargo hay que tomar esta afirmacioacuten con cautela ya
que el comportamiento en ambos paraacutemetros no ha de ser estrictamente parejo
- pH
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en el manejo de procesos fermentativos
consideraacutendose que un proceso es estable cuando se opera en rangos de pH de 66 - 76
(Lay et al 1997) En este grupo de ensayos se ha trabajado con valores de pH en torno a
745 en los sistemas de estieacutercol y estieacutercol-patata siendo ligeramente inferiores en los dos
sistemas de co-digestioacuten estieacutercol-patata frita (pH = 730) (Ver Tabla 410)
- AGV
El seguimiento del contenido de AGVs en todos los reactores mostroacute incremento en la
concentracioacuten de aceacutetico y propioacutenico durante el arranque y una raacutepida degradacioacuten
posterior En la Tabla 49 se expone el contenido promedio de AGVs registrado en el
lecho de digestioacuten Seguacuten Ahring et al (1995) la metanogeacutenesis puede ser inhibida con
concentraciones de AGVs superiores a 35 gmiddotl-1 A su vez Kryvoruchko et al (2009) citan
como nivel de inhibicioacuten en la digestioacuten de peladuras de patata concentraciones de AGVs
superiores a 30 gmiddotl-1 o concentraciones de propioacutenico superiores a 03 gmiddotl-1 Comparando
estas referencias con estos resultados puede decirse que no hay inhibicioacuten causada por
AGVs
97
Tabla 49 Concentracioacuten de AGV registrada en el digerido
Total (mgmiddotl-1)
Aceacutetico (mgmiddotl-1)
Propioacute-nico
(mgmiddotl-1)
Isobu-tiacuterico
(mgmiddotl-1)
Butiacuterico (mgmiddotl-1)
Isova-leacuterico
(mgmiddotl-1)
Valeacuterico (mgmiddotl-1)
Isoca-proico
(mgmiddotl-1)
Hepta-noico
(mgmiddotl-1)
E 99 plusmn 24 74 plusmn 19 6 plusmn 5 3 plusmn 2 7 plusmn 5 4 plusmn 2 1 plusmn 2 2 plusmn 1 2 plusmn 2
EPa1 36 plusmn 18 31 plusmn 11 1 plusmn 1 1 plusmn 1 1 plusmn 1 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 2 plusmn 1
EPa2 40 plusmn 15 31 plusmn 10 3 plusmn 3 1 plusmn 1 5 plusmn 3 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf1 42 plusmn 17 30 plusmn 13 5 plusmn 3 1 plusmn 2 6 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0
EPf2 41 plusmn 13 31 plusmn 10 3 plusmn 2 1 plusmn 1 5 plusmn 2 0 plusmn 0 0 plusmn 0 0 plusmn 0 1 plusmn 1
- N-NH3
La degradacioacuten de los substratos ricos en nitroacutegeno eleva la concentracioacuten de N-NH3
pudiendo inhibir la metanogeacutenesis (Zeeman et al 1985 Angelidaki y Ahring 1994) El
nivel considerado inhibitorio depende de las diferentes condiciones de operacioacuten Asiacute pues
seguacuten Calli et al (2005) se detecta inhibicioacuten con concentraciones de N-NH3 superiores
a 30 gmiddotl-1 aunque poblaciones adaptadas han tolerado concentraciones superiores a 40 gmiddotl-
1 (Angelidaki y Ahring 1993) e incluso concentraciones de 50 - 80 gmiddotl-1 pueden ser
toleradas si el pH es suficientemente bajo (Tchobanoglous y Burton 1995 Siegrist et al
2005) De todos modos se ha propuesto la concentracioacuten de amoniaco libre (NH3) como el
componente activo causante de la inhibicioacuten situaacutendose el umbral de tolerancia a 01 - 11
gmiddotl-1 (Hansen et al 1998 Angelidaki y Ahring 1993)
En la siguiente tabla se expone el contenido de N-NH3 registrado en el influente e efluente
de los reactores
Tabla 410 Contenido en N-NH3 y pH
N-NH3 Total (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Total (mgmiddotl-1)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1) (Influente)
N-NH3 Libre (mgmiddotl-1)
pH
E 4300 plusmn 124 7569 plusmn 348 9545 plusmn 27 242 plusmn 36 746 plusmn 012
EPa1 3247 plusmn 142 4741 plusmn 226 2007 plusmn 09 126 plusmn 23 742 plusmn 011
EPa2 3247 plusmn 142 7402 plusmn 353 2007 plusmn 09 243 plusmn 41 747 plusmn 009
EPf1 2857 plusmn 111 7077 plusmn 429 1346 plusmn 05 169 plusmn 26 730 plusmn 009
EPf2 2857 plusmn 111 8668 plusmn 472 1346 plusmn 05 200 plusmn 43 730 plusmn 010
98
Dos son las variables baacutesicas que pueden explicar la variabilidad del contenido de N-NH3
entre los lechos de digestioacuten por un lado la carga orgaacutenica alimentada al reactor y por otro
el N-NH3 contenido en el influente
Comparando los sistemas con igual carga orgaacutenica se puede determinar el efecto de los
diferentes substratos alimentados (Ver su caracterizacioacuten en la Tabla 44) De esta forma
el sistema E alimentado con estieacutercol ovino (4300 plusmn 124 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente)
presenta un contenido de N-NH3total en el digerido de 7569 plusmn 348 mgmiddotl-1 A su vez el
sistema EPa1 con 3247 plusmn 142 mg N-NH3totalmiddotl-1 influente presenta un contenido en N-
NH3 en el digerido de 4741 plusmn 226 mgmiddotl-1 El incremento en la concentracioacuten de N-NH3 es
resultado de la degradacioacuten del N-orgaacutenico contenido en la alimentacioacuten La patata es un
co-substrato con una relacioacuten CN que duplica a la presentada por el estieacutercol (240 frente
a 122) por lo que la inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten diluye el N-orgaacutenico de la
mezcla Asiacute pues el reactor E presenta una relacioacuten CN de 122 en el influente mientras
que en el reactor EPa1 dicha relacioacuten es de 140 lo que supone un contenido en N 13
inferior Tras el proceso de digestioacuten el contenido en N-NH3 del reactor E es un 59
superior al sistema de co-digestioacuten EPa1 Este resultado nos permite comprobar que la
inclusioacuten de patata en la alimentacioacuten constituye una teacutecnica de control del N-NH3
reduciendo el riesgo de inhibicioacuten por amonio A su vez comparando el contenido de N-
NH3 de la alimentacioacuten frente al efluente dentro de un mismo reactor se observa un
incremento del 76 en el reactor E y del 46 en el EPa1
La misma comparacioacuten puede efectuarse entre los sistemas EPa2 y EPf1 alimentados con
35 KgSVmiddotm-3middotd-1 de estieacutercol - patata y estieacutercol - patata frita Ambos sistemas presentan
un contenido en N-NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 y 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 respectivamente
incrementaacutendose durante la degradacioacuten hasta los 7402 plusmn 353 y 7077 plusmn 429 mgN-NH3middotl-
1 para EPa2 y EPf1 Considerando una relacioacuten CN de 140 en el influente del reactor
EPa2 y una relacioacuten CN de 152 en el influente de EPf1 se deriva que el sistema
suplementado con patata frita residual presenta un contenido en N 8 menor que el
sistema suplementado con residuo de patata Comparando el contenido en N-NH3 del
efluente de ambos reactores se constata una concentracioacuten en el reactor EPf1 4 inferior
frente al digerido de EPa2 Asimismo comparando el contenido de N-NH3 de la
alimentacioacuten frente al efluente se observa un incremento del 127 en el reactor EPa2 y
del 147 en el EPf1 Este recorte en las diferencias entre ambos sistemas indica que el
99
control del N-NH3 del lecho es relativamente mejor en el ensayo suplementado con
peladura de patata que con patata frita residual
A continuacioacuten se procede a comparar sistemas con distinta carga orgaacutenica pero igual
mezcla alimentada Los sistemas EPa1 y EPa2 alimentados con estieacutercol - peladuras de
patata a una carga orgaacutenica de 25 y 35 KgSVmiddotm-3middotd-1 presentan una concentracioacuten de N-
NH3 de entrada de 3247 plusmn 142 mgmiddotl-1 Dicha concentracioacuten se incrementoacute durante el
proceso fermentativo hasta los 4741 plusmn 226 y 7402 plusmn 353 mgmiddotl-1 respectivamente por lo
que el aumento supuso un 46 y un 128 para EPa1 y EPa2 respectivamente Por otro
lado considerando caudales y concentraciones de influentes y efluentes se tiene que el
aporte de N-orgaacutenico al reactor es un 40 superior en el sistema EPa2 Sin embargo la
cantidad de N-NH3 evacuado en dicho sistema resultoacute ser un 119 mayor que en EPa1 lo
que indica que en una operacioacuten prolongada puede generarse acumulacioacuten de N-NH3
En cuanto a los sistemas EPf1 y EPf2 la situacioacuten de partida es similar alimentados con
la misma mezcla a cargas orgaacutenicas de 35 y 4 kgSVmiddotm-3middotd-1 respectivamente presentan
una concentracioacuten de N-NH3 a la entrada del reactor de 2858 plusmn 111 mgmiddotl-1 La corriente
de salida muestra un contenido de 707 plusmn 429 mgmiddotl-1 en EPf1 y 8668 plusmn 472 mgmiddotl-1 en EPf2
lo que indica un incremento en la concentracioacuten de N-NH3 de 147 y 203
respectivamente Por otro lado comparando los balances de materia en ambos sistemas
tenemos que el influente en EPf2 aporta un 143 maacutes N-orgaacutenico que en EPf1 mientras
que en el efluente el N-NH3 detectado fue un 40 mayor De nuevo este incremento en las
diferencias de contenido amoniacal entre aportes y efluentes de ambos sistemas supone
una aproximacioacuten a condiciones adversas en cuanto a acumulacioacuten de N-NH3 en el
sistema EPf2
- DQO
Analizando la DQO de los efluentes de los reactores (Tabla 411) se observa que de nuevo
la mayor destruccioacuten de DQO se consiguioacute en el sistema EPa1 mientras que la menor se
obtuvo en el sistema de digestioacuten de estieacutercol
100
Tabla 411 Anaacutelisis de DQO
DQO influente (gmiddotl-1) DQO final (gmiddotl-1) DQO destruida ()
E 5493 plusmn 218 3342 plusmn 30 3916 plusmn 009
EPa1 4585 plusmn 241 1698 plusmn 19 6282 plusmn 012
EPa2 4585 plusmn 241 2576 plusmn 48 4361 plusmn 019
EPf1 3785 plusmn 018 2837 plusmn 20 5747 plusmn 007
EPf2 3785 plusmn 018 2631 plusmn 54 6056 plusmn 021
- DBO5
En la Tabla 412 se exponen los resultados promedio del ensayo DBO5 Este paraacutemetro es
ampliamente utilizado en anaacutelisis de aguas residuales empleaacutendose como indicador de
estabilidad bioloacutegica de las aguas Ademaacutes el porcentaje de DBO5 destruida se relaciona
con la eficiencia de degradacioacuten del substrato De esta manera se tiene que tras el proceso
fermentativo el efluente maacutes estable bioloacutegicamente es el procedente del sistema EPa1
asiacute mismo las mayores estabilizaciones se consiguen en los sistemas EPa1 y en los
suplementados con patata frita Este resultado es acorde a lo expuesto en el apartado de ST
y SV y parejo a la evolucioacuten de los resultados de los anaacutelisis de DQO
Tabla 412 Resultados de los ensayos DBO5
DBO5 alimentacioacuten (gmiddotl-1) DBO5 digerido (gmiddotl-1) DBO5 destruida
E 1030 plusmn 051 525 plusmn 057 489 plusmn 01
EPa1 1301 plusmn 079 364 plusmn 064 718 plusmn 02
EPa2 1278 plusmn 073 562 plusmn 051 565 plusmn 01
EPf1 2234 plusmn 103 626 plusmn 041 713 plusmn 01
EPf2 2223 plusmn 092 645 plusmn 028 715 plusmn 01
- DBO5 DQO e iacutendice de biodegradabilidad
La DBO5 mide la cantidad de materia susceptible de ser degradada bioquiacutemicamente por
lo que seguacuten esta afirmacioacuten seraacute siempre inferior al anaacutelisis de DQO es decir a la
cantidad de materia susceptible de ser degradada por agentes quiacutemicos Existe entonces
101
una fraccioacuten de la DQO que se constituye como materia oxidable quiacutemicamente pero no
bioloacutegicamente en condiciones del ensayo DBO5 A esta fraccioacuten se denomina DQO no
biodegradable cumplieacutendose que el sumatorio de la demanda de oxiacutegeno biodegradable y
la DQO no biodegradable equivale a la DQO total Durante el proceso de digestioacuten
anaerobia tiene lugar una degradacioacuten bioloacutegica del substrato que podriacutea ser maacutes elevada
que la expresada en los anaacutelisis DBO5 ya que la temperatura y el tiempo de residencia de
los sistemas son maacutes elevados y la ruta de degradacioacuten es distinta a los del ensayo
respiromeacutetrico
Experimentalmente se obtiene que la fraccioacuten DQO no biodegradable se modifica tras el
proceso fermentativo lo cual se expone en la Tabla 413
Tabla 413 Resultados de la fraccioacuten DQO no biodegradable
DQO no biodegradable alimentacioacuten (gO2middotl
-1) DQO no biodegradable
digerido (gO2middotl-1)
Destruccioacuten de la DQO no biodegradable ()
E 446 282 369
EPa1 327 133 592
EPa2 329 201 388
EPf1 444 221 502
EPf2 445 199 553
Se observa que la destruccioacuten de la DQO no biodegradable se incrementa al suplementar
la alimentacioacuten con peladuras de patata o patata frita residual Era predecible que la
inclusioacuten de ambas formas de patata en los reactores aumente la degradacioacuten de los
substratos introducidos al contener la patata mayor proporcioacuten de materia faacutecilmente
degradable Se observa que la variacioacuten en el grado de destruccioacuten de la fraccioacuten DQO no
biodegradable no responde linealmente al aumento de biodegradabilidad de la mezcla
introducida En la Tabla 414 se muestra el iacutendice de biodegradabilidad de las distintas
alimentaciones aportadas y de los digeridos efluentes de los reactores Este paraacutemetro se
define como el cociente DBO5DQO Si se analiza el porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad tras el proceso fermentativo se obtiene que en el sistema de digestioacuten
unitaria de estieacutercol la transformacioacuten es del 16 mientras que en los sistemas EPa1
EPa2 EPf1 y EPf2 la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad supone un 25 22 34 y
26 respectivamente
102
Tabla 414 Iacutendice de biodegradabilidad de los influentes y efluentes de los sistemas
DBO5DQO Alimentacioacuten Digerido Reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad
E 0187 0157 16
EPa1 0285 0215 25
EPa2 0280 0218 22
EPf1 0335 0221 34
EPf2 0333 0245 26
- Reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad produccioacuten maacutexima teoacuterica de metano y
eficiencia de produccioacuten de metano
Se estudioacute la correlacioacuten bivariada lineal simple entre las variables reduccioacuten del iacutendice de
biodegradabilidad y produccioacuten maacutexima teoacuterica seguacuten Buswell Se empleoacute el coeficiente
de Pearson el cual es un estadiacutestico que permite cuantificar el grado de relacioacuten entre dos
variables La prueba de significacioacuten es bilateral e indica la probabilidad de obtener
coeficientes tan alejados de cero o maacutes que el valor obtenido Se rechaza la hipoacutetesis nula
de independencia lineal cuando el nivel criacutetico es menor que el nivel de significacioacuten
establecido en = 001
Aplicando este estadiacutestico (Figura 46) se concluye que no existe relacioacuten lineal
significativa entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad por digestioacuten anaerobia y
la proporcioacuten de materia biodegradable existente en las distintas mezclas Dicho de otro
modo el incremento en la proporcioacuten de materia biodegradable de un substrato-mezcla
no modifica en igual proporcioacuten la degradacioacuten de ese substrato sino que la idoneidad de
la mezcla puede potenciar la eficiencia de la degradacioacuten perseguida
103
Figura 46 Correlacioacuten entre la reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico
Por otro lado aplicando el estudio de correlacioacuten bivariada lineal simple a las variables
porcentaje de reduccioacuten del iacutendice de biodegradabilidad y a la eficiencia en la produccioacuten
de metano definida como el cociente entre la produccioacuten especiacutefica de metano y el
rendimiento maacuteximo teoacuterico tenemos el resultado expuesto en la Figura 47
La correlacioacuten es significante al nivel 005 (bilateral)
Figura 47 Correlacioacuten entre la reduccioacuten de biodegradabilidad y la eficiencia de
produccioacuten de metano
104
Esto nos indica que existe correlacioacuten entre ambas variables a un nivel de significacioacuten de
005 por lo que en consonancia con el anterior razonamiento la produccioacuten de metano de
una mezcla no sigue un comportamiento aditivo conforme se elabora dicha mezcla sino
que la idoneidad de los co-substratos puede potenciar la produccioacuten de biogaacutes de forma
sineacutergica
45 CONCLUSIONES
Tanto la peladura de patata como la patata frita son co-substratos aptos para la
digestioacuten de este residuo ganadero obtenieacutendose mejores resultados en cuanto a
destruccioacuten de SV y de DQO en sistemas de co-digestioacuten frente a sistemas unitarios
El incremento en materia biodegradable de un substrato no aumenta
proporcionalmente la degradacioacuten de ese substrato sino que la eficiencia de dicha
degradacioacuten depende del sinergismo derivado de la naturaleza de los substratos-
mezcla
En base a la eficiencia en la produccioacuten de metano se tiene que la carga orgaacutenica
oacuteptima se situacutea a 35 kgSVmiddotm-3middotd-1 si se trabaja con estieacutercol - patata frita
Empleando la mezcla estieacutercol - peladura de patata se considera la carga orgaacutenica
oacuteptima a 25 kgSVmiddotm-3middotd-1
La concentracioacuten de N-NH3 registrada en los digestatos no alcanzan niveles de
inhibicioacuten metanogeacutenica evidenciaacutendose no obstante la mayor resistencia de los
sistemas de co-digestioacuten Por otro lado la comparacioacuten de los sistemas de co-
digestioacuten de igual carga orgaacutenica indica un mayor control del N-NH3 en el sistema
de estieacutercol suplementado con peladura de patata frente al suplementado con patata
frita residual
105
El anaacutelisis de DBO indica que el mayor grado de estabilizacioacuten se consigue en el
efluente de los sistemas de co-digestioacuten (concretamente en EPa1 EPf1 y EPf2)
siendo el digerido del sistema EPa1 el maacutes estable bioloacutegicamente
46 BIBLIOGRAFIacuteA
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107
108
5 Digestion of cattle manure under
mesophilic and thermophilic conditions
Characterization of organic matter applying
Thermal analysis and 1HNMR
Biodegradation 22 (2011) 623-635
X Goacutemeza D Blancoa A Lobatoa A Callejab F Martiacutenez-Nuacutentildeezc
J Martin-Villacortaa
aChemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41 Leoacuten 24071 Spain bAnimal Production Department University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain cLaboratorio de Teacutecnicas Instrumentales University of Leoacuten Campus de Vegazana SN Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Digestion of cattle manure collected from a livestock farm together with bedding material (straw)
has been studied under mesophilic and thermophilic conditions in batch reactors The digestion
was carried out for a prolonged period with the aim of evaluating the changes undergone by the
organic matter The mesophilic digestion carried out revealed a greater capacity to produce gas and
transform organic matter while a higher conversion rate but a lower gas yield was obtained under
thermophilic conditions Degradation of the organic matter was evaluated by means of thermal
analysis and 1H NMR Stabilisation through anaerobic digestion (either mesophilic or
thermophilic) resulted in an increase in the quality of the organic matter as characterised by an
enrichment in thermostable compounds and an accumulation of long chain aliphatic materials
The experiments performed demonstrated the transformation of organic matter into complex
materials under anaerobic conditions with an accumulation of aliphatic components under both
types of conditions tested Degradation through mesophilic digestion in comparison to the
thermophilic process resulted in a greater destruction of straw particles
Keywords Cattle manure stabilisation anaerobic digestion Thermal analysis 1HNMR
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten de estieacutercol vacuno en reacutegimen discontinuo y bajo condiciones mesofiacutelicas
y termofiacutelicas El residuo ganadero procede de una explotacioacuten intensiva incluyeacutendose el material
de encamado (paja) La digestioacuten se llevoacute a cabo durante largo periodo con el objetivo de evaluar
los cambios sufridos por la materia orgaacutenica El ensayo en mesofiacutelico demostroacute mayor produccioacuten
de gas y transformacioacuten de la materia orgaacutenica mientras que el reactor en termofiacutelico presentoacute
mayor velocidad de conversioacuten pero menor produccioacuten acumulada de gas La degradacioacuten de la
materia orgaacutenica se evaluoacute mediante anaacutelisis teacutermico y 1H RMN La estabilizacioacuten mediante
digestioacuten anaerobia (tanto en mesofiacutelico como en termofiacutelico) mejoroacute la calidad de la materia
orgaacutenica caracterizada por un enriquecimiento en componentes termoestables y una acumulacioacuten
de materia alifaacutetica de cadena larga Ambos experimentos demostraron la transformacioacuten de la
materia orgaacutenica en materiales complejos bajo condiciones anaerobias La degradacioacuten mediante
digestioacuten mesofiacutelica mostroacute mayor destruccioacuten de partiacuteculas de paja frente a lo observado en el
ensayo en termofiacutelico
Palabras clave Estieacutercol vacuno estabilizacioacuten digestioacuten anaerobia anaacutelisis teacutermico 1HRMN
113
51 INTRODUCTION
Composting and anaerobic digestion are biological treatment processes intended to
stabilize organic matter with the digestion process presenting the additional benefit of
obtaining biogas as a valuable end product However composting is the technical process
available for conversion of waste organic matter into humic substances with a high content
in aromatic structures Humification of biomolecules provides the environmental benefit
of carbon sequestration through the reduction in CO2 release caused by mineralization
(Smidt and Tintner 2007) Despite these apparent benefits the composting process entails
a long maturation stage to attain humification of organic matter
The treatment of biowastes by the anaerobic digestion process is characterised by a long
period of permanence inside the reactor around 20 to 40 d This time requires to be
optimised in order to increase the economic feasibility of the digestion treatment plant by
achieving a reduction in the volume of the reactor needed In this sense contrary to the
composting process the lack of a maturation stage is a particularity of the digestion
process Assessment of the quality of the digestate obtained under anaerobic conditions
has been studied by different authors (Tambone et al 2009 Bartoszek et al 2008
Goacutemez et al 2005) as well as the subsequent degradation of digestate through
composting (Amir et al 2006) and sludge aeration (Smidt and Parravicini 2009) as a
means of increasing the quality of the organic matter
The study of the transformations suffered by the organic matter during biological
degradation is not an easy task Different parameters have been proposed for evaluating
the quality of organic matter with special attention given to the thermogravimetric
behaviour of the samples when heated up to a desired temperature as in the case of
Thermal Analysis (TA) Owing to the simplicity of sample preparation and the short time
needed to obtain results this technique of analysis has proven simple fast and yet reliable
when dealing with the characterization of organic matter (Melis and Castaldi 2004) On
these lines thermal characterization of organic matter has been studied by several authors
(Goacutemez-Rico et al 2005 Otero et al 2002 Font et al 2001 DellrsquoAbate et al 1998)
TA and Differential Scanning Calorimetry (DSC) have also been applied to the study of
the degradation of organic mater during composting (Klammer et al 2008 Smidt and
Lechner 2005) and to the assessment of compost stability (DellrsquoAbate et al 1998)
114
1H and 13C NMR spectroscopy has been selected as an analytical tool thanks to its
capacity for the selective identification of different types of C and H moieties and for
comparing differences in concentrations of main functional groups (Adani et al 2006)
The humic substances (HS) two-dimensional (2D) NMR study was introduced by Buddrus
et al (1989) Solid-state 13C NMR spectroscopy in conjunction with thermal analysis has
been used for comparing the molecular and structural properties of humic acids isolated
from sewage sludges and for determining changes in amended soils As an example
humic acids in thermally dried sewage sludge showed an important presence of alkyl and
ON-alkyl compounds (Fernaacutendez et al 2008) In our previous study (Goacutemez et al
2010) TA fluorescence spectroscopy and 1H NMR were proposed as analytical tools for
characterisation of the organic matter transformations during the digestion of food wastes
under semi-continuous operation at mesophilic and thermophilic conditions As result
enrichment in aliphatic components was observed under both conditions studied although
the degradation attained at thermophilic temperatures was faster with a higher content in
aromatic structures remaining in the thermophilic digestate while under mesophilic
conditions degradation of these structures was observed
The aim of this study was to assess the transformations taking place during the digestion
process of cattle manure under mesophilic and thermophilic conditions during prolonged
stabilisation TA and 1H NMR were used as analytical tools for studying the degradation
of organic matter
52 MATERIAL AND METHODS
521 Substrates and digestion characteristics
The inoculum used for starting up the reactors was obtained from the wastewater
treatment plant of the city of Leoacuten (Spain) The concentrations of total solids (TS) and
volatile solids (VS) in the inoculum used were 462 gmiddotl-1 and 257 gmiddotl-1 respectively Cattle
manure originated from a local livestock farm Straw was used as bedding material on the
farm gathering liquid and solid dejections together The cattle manure presented an initial
concentration of TS of 172 gmiddotkg-1 with a percentage of VS of 827 (wt)
115
The digestion was carried out in triplicate using static reactors (under batch conditions)
with a working volume of 1 L and thermostatised at 34 plusmn 1 and 55 plusmn 1 ordmC The reactors
were loaded with 300 g of fresh manure 200 mL of inoculum and 500 mL of tap water In
each case a blank containing only inoculum and tap water was used
522 Kinetic analysis
Final cumulative biogas produced was fitted to the modified Gompertz equation
(Zwietering et al 1990) (1) which is a suitable model for describing the process of
cumulative biogas production in batch experiments (Sung and Liu 2003)
1)(
expmax)( max
maxexp t
P
eR
t PP (1)
where P(t) is the cumulative biogas production (l) Pmax is the biogas production potential
(l) Rmax is the maximum biogas production rate (lmiddotd-1) λ is lag-phase time (d) and e is
2718 Data analysis was performed using Origin 61 software
523 Analytical techniques
Cattle manure used as substrate was characterised by the following chemical analysis
electrical conductivity and pH were determined using a sample diluted in de-ionized water
in the proportion 125 (wv as gmL) shaken for 30 min Total organic carbon was
determined on the basis of Walkey-Black method (Walkey and Black 1934) N-Kjeldahl
was determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) The extract for
determination of cations and phosphorus was obtained by wet digestion carried out with
HNO3 65 in a pressurized microwave oven at 170-200 ordmC for 20 min Total phosphorus
and cation content in the extract was quantified by inductively coupled plasma-atomic
emission spectroscopy (ICP-AES) using Perkin Elmer Optima 2000 DV Ammonium
nitrogen (NH4+-N) was determined from the extract after submitting the sample to one
hour of agitation with 20 mL of 2 M KCl solution and quantified by Keeney and Nelson
(1982) Cellulose hemicellulose and lignin content were estimated by analysis of neutral
detergent fibre (NDF) acid detergent fibre (ADF) and crude fibre (Van Soest et al 1991)
using ground samples in duplicate with an Ankom 200 Fibre Analyser
116
TS VS chemical oxygen demand (COD) ammonium and pH were analysed during the
digestion process These parameters were determined in accordance with APHA Standard
Methods (1989) Daily gas production was measured using a liquid displacement device
Biogas composition was analysed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A four-metre-long column packed with
HayeSep Q 80100 followed by a one-metre-long molecular sieve column were used to
separate CH4 CO2 N2 H2 and O2 The carrier gas was Helium and the columns were
operated at 331 kPa and a temperature of 50 ordmC
Thermogravimetry (TG) and differential thermogravimetry (DTG) are based on a
programmed heating of samples in controlled atmospheres providing qualitative and
quantitative information regarding the organic content of the sample (Melis and Castaldi
2004) Differential thermal analysis (DTA) is based on the temperature change in the
sample as compared to that in an inert sample submitted to the same programmed heating
TG curves are usually represented in terms of the percentage of the weight loss
experienced by the sample while DTG curves are obtained from the first derivative of TG
profiles thus representing the rate of weight loss (Goacutemez et al 2007) DTA data are
represented by the difference between the temperature of the sample and that of the
reference material The higher the temperature at which weight loss occur the more
resistant and ordered structurally is the organic fraction which is burning (Otero et al
2002)
Sampling on days 17 and 33 were taken from only one of the 3 reactors of the
experimental set-up (half of the total volume each time) The other 2 reactors were used
for gas measurement and analysis as well as for sampling on day 77 (at the end of the
experiment) using the whole content The experimental methodology was based on
previous work (Goacutemez et al 2007) for monitoring organic matter conversion by TA
Samples were divided into two fractions with the aid of a 3 mm mesh for separating straw
particles of greater size which do not undergo changes in VSTS percentage over the
course of the digestion process The two fractions thus obtained were dried at 105 ordmC
Prior to drying TS VS ammonium and COD were analysed (by triplicate) in the slurry
fraction not retained by the mesh The straw particles retained by the mesh were washed
with deionised water with any small particles passing through the mesh being added to
117
the slurry previously obtained The dried solids from the slurry were subsequently ground
with a ball mill Retch 200MM In the case of the sample taken at the end of the
experiments a composite sample was obtained from the two reactors used for gas
measurements A sub-sample selected from the ground material was then submitted to TA
using a TA Instruments SDT2960 thermobalance The heating rate applied was 10 ordmCmiddotmin-
1 up to 700 ordmC with a flow-rate of 100 mlmiddotmin-1 of synthetic air
Ground samples were extracted using dimethyl sulfoxide d6 (DMSOd6) as proposed by
Francioso et al (2007) for 24 h and the extract obtained after centrifugation was then
analysed by 1H NMR NMR spectra were recorded with a Bruker Avance 600
spectrometer (5mm TCi cryoprobe inverse detection) Nominal frequencies were 60013
MHz for 1H and 15090 MHz for 13C An internal lock on DMSOd6 was used for all
spectra The chemical shifts (δ) at 298 K were referred to DMSOd6 (δ for 1H 249 and δ
for 13C 395)
53 RESULTS AND DISCUSSION
531 Anaerobic digestion
The chemical characteristics of the substrate used in this study are presented in Table 51
(chemical analyses were expressed in dry basis) CH4 production for thermophilic and
mesophilic systems is presented in Figure 51 A larger volume of gas was produced at
mesophilic temperature although thermophilic reactors presented a higher rate of gas
production (see Table 52) Production of gas started on the first day of the experiments
with maximum gas rate obtained between days 6 and 7 for thermophilic reactors and
around day 20 for their mesophilic counterpart Thermophilic systems presented a reduced
lag phase (Table 52) although reactors were inoculated with mesophilic microflora The
start up of thermophilic digestion systems has also been studied by Chachkhiani et al
(2004) on the treatment of cattle manure reporting fast microbial growth and a maximum
gas rate on day 10 of experimentation with the dominant species being the thermophilic
microorganisms originally presented on cattle manure (a mesophilic ecosystem) at a
subdominant level which quickly became dominant under thermophilic conditions
118
Table 51 Chemical composition of the substrate
Parameter Substrate
pH 75
Conductivity (mSmiddotcm-1) 757
Organic carbon () 325
Total Kjedahl nitrogen () 224
Ammonium - N () 023
Total phosphorus (mgmiddotkg-1) 9310
K (mgmiddotkg-1) 33800
Ca (mgmiddotkg-1) 4010
Mg (mgmiddotkg-1) 984
Na (mgmiddotkg-1) 5182
Cellulose () 106
Hemicellulose () 131
Lignin () 74
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 5
Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H4
(ml)
0
Mesophilic Thermophilic
Model mesophilic Gompertz Model Thermophilic Gompertz
Figure 51 Methane production for thermophilic and mesophilic systems
119
Table 52 Characteristics of batch digestion systems
Substrate characteristics
Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 369 plusmn 03
VS (gmiddotl-1) 281 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 426 plusmn 35
Organic carbon () 285 plusmn 15
Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 181 plusmn 06
VS 91 plusmn 2
Batch digestion systems
Mesophilic Thermophilic
Gompertz kinetic parameters
Pmax (mL) 10620 plusmn 85 6599 plusmn 64
Rmax (mLmiddotd-1) 435 plusmn 39 487 plusmn 91
λ (d) 57 plusmn 01 14 plusmn 02
R2 0997 0966
Digestate at day 77 Liquid fraction with particles of size less than 3mm
TS (gmiddotl-1) 255 plusmn 02 209 plusmn 02
VS (gmiddotl-1) 167 plusmn 04 143 plusmn 04
COD (gmiddotl-1) 357 plusmn 16 301 plusmn 18
Organic carbon () 227 plusmn 18 254 plusmn 15
Cumulative gas production (L) 175 plusmn 11 134 plusmn 09
Digestate at day 77 Solids retained by 3 mm sieve
Mass (g) 34 plusmn 01 56 plusmn 02
VS 92 plusmn 3 91 plusmn 2
Mass Removal 82 plusmn 53 69 plusmn 58
Mesophilic (35 ordmC) and thermophilic (60 ordmC) digestion of cattle manure have been studied
by Saacutenchez et al (2000) under batch conditions for a 33 day period reporting a reduction
in the methane yield with the increase of temperature In the present study digestion was
maintained until day 77 Gas production was measured until total stoppage of gas
generation The methane yield obtained was 234 plusmn 19 and 159 plusmn 17 ml middotg-1 VS added for
120
mesophilic and thermophilic digesters Table 52 also presents the characteristics of the
substrate based on the separation of particles by the 3 mm sieve together with those of the
digestates obtained under each set of conditions evaluated Thermophilic digestate was
characterized by a lesser removal of particles of a size greater than 3 mm thus explaining
the lower methane yield achieved In consonance the total volume of gas produced was
also in accordance with this behaviour with the termophilic reactor presenting a lower
cumulative gas production
Degradation of the particulate substrate was in accordance with the behaviour of gas
production which was adjusted to the modified Gompertz model This equation was
developed by dividing gas accumulation into two fractions one arising from rapidly
fermentable feed and the other from slowly fermentable feed (France et al 2005) The
reduction in the amount of particulate substrate may be seen as relating to the slowly
fermentable organic matter thus presenting thermophilic microflora a limited capacity to
assimilate this fraction which in turn leads to a lower biogas yield
The systems presented low variability in pH measurements In the initial state of digestion
the pH value was 74 with a reduction to 66 by day 3 Thereafter the pH of the
mesophilic reactor returned to its initial value while the thermophilic reactor reached a
higher value (78) by the end of the experiments NH4+ content did not reach inhibitory
values (Henze and Harremoes 1983 Siegrist et al 2005) Initial content of NH4+-N was
359 mgmiddotl-1 increasing to 882 mgmiddotl-1 in mesophilic reactors and 707 mgmiddotl-1 in the
thermophilic reactors by the end of experimentation
532 Thermal analysis
Thermal profiles of the fresh cattle manure are presented in Figure 52 These profiles are
characterised by a three step pattern as reported by Mondini et al (2003) Thermal profile
of fresh cattle manure has been analysed previously (Saacutenchez et al 2008) The profile
was characterised by two main peaks once the water released is disregarded The peak at
around 300 ordmC is associated with labile components of organic matter while the peak at
higher temperatures is associated with aromatic structures (Flaig et al 1975) Although
the intensity of the second exothermic peak in DTG profile was lower than that of the first
peak (indicating a lower release of mass) a similar intensity for both peaks was observed
121
in the DTA profile indicating that a higher temperature is reached with the oxidation of
complex compounds
Figure 52 Thermal profiles of the fresh cattle manure
TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic and
thermophilic digestion processes are presented in Figure 53 The profiles maintained the
thermal characteristics of fresh manure Dehydration reactions take place at low
temperatures (DellrsquoAbate et al 1998) just as in the previous case (the fresh cattle manure
sample) The two exothermic peaks representing the fractions of different thermal
stability can be distinguished However a reduction in the intensity of the first peak was
registered for both digestates (mesophilic and thermophilic) indicating no relevant effect
of the temperature on stabilisation whenever readily oxidized materials are concerned The
thermophilic sample at day 33 presents a similar thermal pattern at low temperature (300
ordmC) to that of the mesophilic sample at the end of digestion This behaviour may be
122
indicative of a higher velocity of the thermophilic microflora for degrading labile
components
Figure 53 TG DTG and DTA profiles for digestates curves obtained from mesophilic (a
b c) and thermophilic (d e f) digestion processes
The continuous weight loss in the temperature range of 350 ndash 450 ordmC may be associated
with the combustion of char formed at lower temperatures This process has been reported
by Font et al (2001) and Zhu et al (2007) in the thermogravimetric study of sewage
sludge and landfill sludge In relation to the second exothermic peak thermophilic and
mesophilic systems are well differentiated Thermophilic digestates were characterised by
lower intensity peaks in the high temperature range This second exothermic peak was
found in the feed sample and was also registered in digestate samples with the peak of
the mesophilic digestate registering a delay as the stabilisation proceeded This peak has
been used for the characterisation of the maturity of compost using DSC profiles
(Klammer et al 2008) and may be associated with lignin components which are reported
to present exothermic peaks around 476 ordmC (Xu et al 2006) Since it is well-known that
lignin is not degraded under anaerobic conditions the digestion of manure in both cases
resulted in a digestate enriched with lignin components which present a complex structure
DTA curve corroborates this fact by the increase in the temperature difference signal
which is related to the accumulation of these compounds
The samples taken from the digestion process at different intervals presented an increment
of the mineral content as the substrate was digested The initial content for the feed was
123
221 increasing to 248 at day 16 and to 383 at the end of the mesophilic digestion
while increasing to 275 and 335 under thermophilic conditions Although the rate of
destruction of the organic matter and posterior transformation into biogas was higher
during thermophilic digestion process this was not linked to a greater degree of
mineralisation
Distortions in DTG profiles have been observed by the presence of a mineral matrix in the
sample (Rovira and Vallejo 2000) The content and composition of ashes presented in the
organic matter are known to delay the combustion process Rubiera et al (2002) and
Vamvuka et al (2006) reported that de-mineralized samples presented lower burn-out
temperatures than those of their parent fuels In the thermal analysis of concentrated olive
mill wastewater with a high mineral content an increase in the burn-out temperature was
reported by Miranda et al (2008) In the present study the higher mineralisation content
of digestates samples from mesophilic systems may account for the shift to the right on the
temperature scale of the peak registered around 450 ndash 500ordmC
The increase in the time for stabilisation led to the presence of high temperature peaks in
samples evaluated under both temperature conditions A mass loss registered above 500
ordmC was also reported by Lopez-Capel et al (2006) this being associated with
polycondensation and the formation of increasingly stable C and N forms in the study of
the fungal degradation of wheat straw The formation of complex molecules containing N
has also been reported by Cuetos et al (2009 2010) in the study of anaerobic digestion of
slaughterhouse wastes with thermal profiles presenting high intensity peaks centred at
around 550 ordmC The digestate sample obtained on day 33 of stabilisation from the
thermophilic reactor presented a peak of particularly high intensity associated with these
stable molecules However a peak of lesser intensity was registered at the end of the
stabilisation with this fact also being a characteristic of the mesophilic digestate sample
The DTA signal confirmed that the release of mass at this high temperature is an
exothermic process Hence components being oxidized were able to generate an
important increase in the temperature difference signal In this context stability should not
be exclusively related to the presence of C and N complex molecules
124
533 1H NMR spectroscopy
1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure sample is presented in Figure
54 (a) The signal at 25 ppm corresponds to DMSO-d6 The spectrum is dominated by
sharp signals in the aliphatic region ascribed to terminal methylic and aliphatic chains
Unsaturated compounds were also identified in two regions one ascribed to methylenic
protons in proximity to the double bond and the other corresponding to protons in the
ethylenic group (see Table 53) Methylic protons in acetic acid present a chemical shift at
208 ppm The region at 30 ndash 40 ppm cannot be perfectly characterised due to
overlapping of signals derived from the presence of water in the sample
Table 53 Signal identification of 1H NMR spectrum of samples taken in the present study
Signal (ppm) Components References
06 ndash 084 Terminal methylic chain Francioso et al 2007
122 ndash 142 Aliphatic chains [(CH2)n] Guilleacuten et al 2006
194 ndash 214 Methylenic protons in relation to one double bond(unsaturated compounds)
Guilleacuten et al 2006
504 Methoxy groups in aromatic rings Larghi and Kaufman 2006
53 ndash 54 Protons in the ethylenic group Aursand et al 1998
64 ndash 86 Aromatic protons Xia et al 2003 Adani et al 2006
737 Aromatic protons positions 2 and 6 in structures containing a Cα=O group and in p-coumaric and ferulic acids
Seca et al 2000
803 ndash 85 Aromatic amides Chang and Liou 2007
Signal intensities in the range of 62 ndash 80 ppm are an indirect method of monitoring the
level of substitution on the aromatic ring of lignin (Xu et al 2006) The intensity of
signals in the aromatic region of the spectrum was low compared to those obtained in the
aliphatic region thus indicating either a low content in aromatic components or a high
level of substitution (Adani et al 2006) The complexity of the organic matter shown by
the 1H NMR spectra was associated with the thermal profile obtained by TG analysis
125
Aromatic components gave rise to mass loss at high temperature hence lignin
components identified in 1H NMR were probably responsible for the mass release reported
around 470 ordmC in thermal analysis Protons in the aromatic ring of substituted aromatic
amides were identified in the spectrum of Fig 4a However C and N stable forms were
identified in digestate samples but not in the substrate sample (by the mass loss
experienced above 500 ordmC) in DTG profiles This result may indicate possible
transformation of the aromatic compounds containing nitrogen into components of greater
complexity which were subsequently identified by thermal analysis
Figure 54 (b) shows 1H 13C HSQC spectra of the fresh cattle manure sample The
unsaturated region which could not be observed in 1H NMR spectra due to overlapping
with water signal is now clearly discernible allowing the identification of polysaccharide
and protein region being associated with signals between 60 to 110 ppm Side-chain
groups (oxygenated Cα Cβ and Cγ carbon) of the phenylpropane lignin structural unit
provide a minor contribution to this region (Kolodziejski et al 1982 Haw et al 1984
Xu et al 2006) The signals peaking at 56 and 71 ppm suggest that aromatic moieties
have a high content of N-alkyl and O-alkyl carbons (Adani et al 2006) The main
contributions giving rise to 1H resonance signals at 375ndash392 ppm are likely to arise from
CHOH and CH2OH functional groups which may indicate the presence of
methoxyphenylpropyl repeating unit which typically occur in lignin and lignin-like matter
(Yasuda et al 1999) andor the presence of polysaccharides moieties (Adani et al 2006)
Signals around 72 to 74 ppm (34 and 32 in 1H NMR) are due to C2 C3 and C5 of
cellulose as well as carbons from xylans (Sosanwo et al 1995 Hatcher 1987) C=C and
aromatic rings give rise to signals around 120 and 130 ppm in 13C NMR spectra
coinciding with signals at around 7 ppm in 1H NMR sprectrum indicative of sysringyl and
guaiacyl units (Vivas et al 2006 Xu et al 2006) and signals at 503 and 530 ppm
ascribed to unsaturated compounds The signal at 85 in 1H NMR spectrum is associated
with 166 signal in 1H 13C HSQC spectrum corroborating the presence of nitrogen
heteroaromatic compounds
126
Figure 54 (a) 1D 1H NMR spectrum obtained from the fresh cattle manure (b) 1H 13C
HSQC spectra of the fresh cattle manure
Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic digestates
are represented in Figure 55 No major differences were observed in the aliphatic region
at an early stage of the mesophilic processes (Fig 55a) Prolonged stabilisation under
mesophilic conditions led to modifications in the aliphatic components of the organic
127
matter presenting an important relative increase in signals at 06 and 08 ppm in relation
to that at 122 ppm this being indicative of enrichment in terminal methylic groups (Fig
55b) The great intensity of signals registered in the aliphatic region of the 1H NMR
spectrum may be explained by components in the extract which are resistant to microbial
degradation The presence of these components was confirmed by results obtained from
thermal analysis in which a continuous mass loss was registered in the DTG profile
around 350 ndash 400 ordmC The pyrolysis of components may be attributed to the large aliphatic
content of the samples Results were in accordance to those previously reported by Goacutemez
et al (2007) in the study of cattle and poultry manure digestion where an important
presence of CH2 groups was found in digestate samples
Figure 55 Spectra obtained from samples at 16 and 77 d for mesophilic and thermophilic
digestates (a) Mesophilic 16d (b) Mesophilic 77d (c) Thermophilic 16d (d)
Thermophilic 77d
128
The signal at 178 ppm in the fresh sample spectrum was displaced to 18 ppm in that of
the digestate sample This modification may be rationalized by changes in substitutions of
the main chain due to the degradation of organic matter There is an important reduction
of this signal when its relative intensity is compared with that at 122 ppm of final
digestate spectrum (Fig 55b) indicating a decrease in the amount of unsaturated
components this being in accordance with the reduction in signal intensity at 53 ppm
The aromatic region presented low-intensity signals and was characterized by the absences
of signals ascribed to coumaric and ferulic acids and also by the persistence of signals at
708 and 746 which were ascribed to guaiacyl and syringyl units of lignin With regard to
the spectra obtained form mesophilic digestates an increase in the intensity of signals at
725 and 784 ppm relative to that at 53 ppm of unsaturated compounds was observed at
day 16 of the digestion process These signals may be derived from those initially
registered in the fresh cattle manure spectrum at 737 and 792 ppm As previously stated
the signal recorded in the aromatic region was ascribed to lignin fractions and their higher
intensity may be rationalized by a preferential degradation leading to an accumulation of
complex components This statement was in accordance with results obtained from
thermal analysis indicating a reduction in the content of readily oxidized components
thus favoring an increase in the content of complex organic matter Additionally the
energy release from the thermal degradation of these complex materials was higher as the
time of experimentation increased with results being coincident with those reported by
Rovira et al (2000) suggesting an increase in the quality of organic matter as biological
degradation takes place as it was evident from the enrichment of thermostable fractions
(indicated by the mass loss registered at temperatures higher than 450 ordmC in thermal
profiles) The increase in the time of stabilisation resulted in the formation of organic
components of C and N stable forms as it was indicated from TG-DTG analysis and 1H
NMR spectrum in which a low intensity signal a 102 ppm was registered This signal
was neither initially presented in the fresh cattle manure sample nor in the digestate
sample at an early stage of stabilisation and was attributed to amidic protons (In and Kim
2005)
In relation to thermophilic digestates spectra obtained showed a similar trend to those
previously analysed (Fig 55c and 55d) However the thermophilic digestate presented a
great degree of conversion at an early stage in stabilisation (day 16) with almost the total
129
volume of biogas being produced during this period The degradation of unsaturated
compounds needed a longer time even at thermophilic conditions as it is shown in Fig
55d by the persistent presence of signal at 186 ppm
Lignin derived units presented a lower intensity signal in contrast to results obtained from
the mesophilic digestate at day 16 (these aromatic doublets placed around 748 and 706
ppm have a 3JHH of 73 Hz) At the end of the thermophilic digestion it was possible to
observe a relative increase of the signal ascribed to N-complex compounds (85 ppm) in
relation to that of lignin units
HSQC spectra obtained in the final stage of digestion are presented in Figure 56 for
mesophilic and thermophilic samples The HSQC fingerprints for both digestates are
similar presenting an accumulation of signals in the aliphatic region at around 20 - 30
ppm These aliphatic components present resemblance with suberin and cutin biopolymers
(Moire et al 1999) which are considered to be the protective layers of higher plants
Suberin and cutin are considered to be polyesters with similar structures (composed of
fatty acids) differing in their chain length and their substitution patterns Suberin contains
in contrast to cutin lignin-like aromatic components covalently linked to the aliphatic
chain by ester bonds (Kolattukudy 1980)
The main differences were a decrease in signals ascribed to unsaturated compounds at
around 52 and 53 ppm in 1H NMR coupled with 120 and 123 ppm in HSQC in
thermophilic digestate This digestate also presented a major contribution to signals
ascribed to the polysaccharide region Although thermophilic digestion of cattle manure
presented a higher rate of stabilisation the degradation of the organic matter under
mesophilic conditions revealed a higher destruction of cellulose (decrease in signal at
around 72 and 74 ppm) when digestion time was prolonged
130
(a)
(b)
Figure 56 HSQC spectra obtained in the final stage of digestion for mesophilic (a) and
thermophilic (b) samples
131
54 CONCLUSIONS
Results obtained from the digestion process showed a higher degradation of particulate
material under mesophilic conditions Transformation of the organic matter was
evaluated by means of thermal analysis and 1H NMR These analytical techniques
demonstrated that prolonged stabilisation at constant temperature resulted in an
increase in the quality of the organic matter as characterised by the accumulation of
thermostable compounds N-complex and long chain aliphatic structures Results
demonstrated the initial degradation of readily oxidised components with the consequent
accumulation of the complex fraction and posterior transformation into stable
compounds
The advantages of the use of thermal analysis are based on the easiness of application
sample preparation and short time needed for the analysis In this sense this technique
may be useful for control and improvement of process performance by identification
of overloading problems associated to the amount of readily oxidised materials On the
other hand 1H NMR spectroscopy allows the identification of functional groups
resulting in a better characterisation of the transformation suffered at different
stabilisation times by digestate samples However the wide application of this technique is
limited by the higher analytical cost of the equipment needed thus recommending this
analysis for obtaining detailed information related to the transformations undertaken by
biological stabilisation processes Future research in this area should focus in determining
relationships between expected gas production and thermal behaviour of substrates
reactor operating conditions and quality of digestate attained as well as assessing the
quality of the organic matter when land application of the stabilised wastes is the disposal
option selected
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank collaboration of the WWTP of Leoacuten-SALEAL (mancomunidad
municipal para el saneamiento integral de Leoacuten y su alfoz)
They also would like to thank Dr Margarida Gairiacute (NMR Facility at Parc Cientific de
Barcelona) for access to 600 MHz spectrometer
132
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6 Improvement of biogas production by
co-digestion of swine manure and
residual glycerine
Biofuels 1 (2010) 59-68
A Lobato MJ Cuetos X Goacutemez A Moraacuten
Chemical Engineering Area University of Leon IRENA-ESTIA Avda de Portugal 41
Leoacuten 24071 Spain
Abstract
Anaerobic digestion of swine manure supplemented with residual glycerine from a biodiesel
production plant was investigated as a means for increasing biogas production on livestock farms
treating residues by the anaerobic digestion process Two different manures were tested
proceeding from two local facilities being evaluated under batch digestion Semi-continuous co-
digestion was studied using single-stage completely mixed anaerobic digesters Mixtures were
prepared at 2 5 and 8 (VV) of glycerine Improvement of biogas was observed with the
increment in the content of residual glycerine fed to the digester increasing the biogas production
from 21 to 54 lmiddotd-1 Inhibition by ammonium was presented in all systems evaluated (with free
ammonia concentrations above 300 mgmiddotl-1) resulting in volatile fatty acids build-up being higher
as the content of glycerine was increased in the feeding mixture Although systems were submitted
to a 30 d adaptation period and the time of study was performed until completing three times the
hydraulic retention time volatile fatty acids measurements presented great variability being
indicative that a time greater than three volumes turnovers is needed if conditions of steady state
are to be set
Key words Anaerobic digestion biogas swine manure glycerine
Resumen
Se estudioacute la digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina residual como teacutecnica de
incremento de la produccioacuten de biogaacutes en instalaciones de tratamiento de residuos ganaderos por
digestioacuten Se utilizaron 2 lotes de puriacuten procedentes de 2 explotaciones locales evaluaacutendose
primeramente en reacutegimen continuo A continuacioacuten se llevoacute a cabo un estudio de co-digestioacuten en
reacutegimen semicontinuo utilizando reactores de digestioacuten en una fase y mezcla completa Se
alimentaron con mezclas preparadas al 2 5 y 8 (VV) de glicerina observaacutendose un incremento
en la produccioacuten de biogaacutes de 21 a 54 lmiddotd-1 conforme al aumento del contenido en glicerina Se
detectoacute inhibicioacuten por amonio en todos los sistemas evaluados (con concentraciones de amoniaco
libre superiores a 300 mgmiddotl-1) provocando una acumulacioacuten de AGVs mayor conforme al aumento
del contenido en glicerina de la alimentacioacuten Aunque los sistemas fueron sometidos a un periodo
de adaptacioacuten de 30 d y el tiempo de estudio se prolongoacute durante 3 TRH completos las medidas
de AGVs presentaron gran variabilidad indicando la necesidad de un periodo superior para
alcanzar condiciones de estabilidad
Palabras clave digestioacuten anaerobia biogaacutes puriacuten porcino glicerina
143
61 INTRODUCTION
Organic wastes which are potentially valuables as fertilizers or amendments must be
considered as resources to be managed adequately instead of pollutants to be removed
Following this simple concept manure has to be considered as a by-product of livestock
production and when required processed in accordance with the objective of optimal
management within the context of the farm (Flotats et al 2009) Traditional biological
treatments for organic waste materials are composting and anaerobic digestion being this
last process an adequate way of reducing the organic content of bio-wastes and obtaining
energy when valorization of biogas is intended Anaerobic digestion is frequently the most
cost-effective due to its high energy recovery and its limited environmental impact
especially with respect to the greenhouse effect (Mata-Aacutelvarez et al 2000) It is estimated
that up to 20 reduction of global warming may be achieved by utilizing discarded
biomass and waste for the production of biofuels and chemicals (Vieitez and Ghosh
1999)
Swine manure (SM) is an organic waste presenting a high load which makes it suitable for
treatment under anaerobic digestion The ever increasing size of pig farm which creates a
problem of disposing SM (Oleszkiewicz and kosiarski 1981) may result in an advantage
when digestion is the treatment option selected European pig production is mainly
developed in eight zones Denmark Belgium The Netherlands Northern Germany
Brittany (France) Catalonia and Aragon (Spain) and Po valley (Italy) (Bernet and Beacuteline
2009) In relation to Spain yearly generation of nitrogen by livestock farming corresponds
to an average charge of 21 kg Nha (Flotats et al 2009) Agriculture and manure
management are involved in gas emissions ammonia (NH3) and two green house gases
nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) Livestock are responsible for 64 of
anthropogenic NH3 emissions 37 of anthropogenic CH4 and 65 of anthropogenic N2O
(Steinfeld 2006) In this sense the treatment of waste by anaerobic digestion not only
allows energy recovery by gas valorization but also by reducing the impact over the
environment by allowing odour control reduction in NH3 release and green house gases
emissions
144
One of the general problems arising when treating SM by anaerobic digestion is the high
nitrogen content of this substrate which may lead to inhibition associated to high
concentrations of ammonium and pH resulting in toxic levels of free ammonia Although
microbial population can be adapted to increase the tolerance to high levels of this ion a
threshold always possesses limits for a stable process performance Hansen et al (1998)
reported a threshold for free ammonia in the anaerobic digestion of swine manure of 11 g-
Nmiddotl-1 in batch culture at pH 80 Inhibition related to nonadapted microflora has been
observed to commence at 25 g-Nmiddotl-1 of total ammonium (Hashimoto 1986)
The addition of a co-substrate is a viable option to give suitable values of CN ratios and
also a way of handling different wastes in a centralized facility Co-digestion process with
SM may take advantage of the highly buffer systems attained inside the digesters (Murto
et al 2004) Co-digestion of SM with different co-substrates has been tested by different
authors (Kaparaju and Rintala 2005 Gelegenis et al 2007 Liu et al 2009) Specific gas
production was considerably increased (approximately twofold) in the digestion of
mixture of swine feces urine and garbage when compared to the single digestion of swine
feces (Feng et al 2008) Murto et al (2004) studied the digestion of pig manure with
slaughterhouse and agricultural wastes reporting a stable process performance due to high
alkalinity associated to high levels of ammonium although VFA accumulation (mainly
acetic acid) was found
An alternative for increasing biogas production in existing facilities presenting either a
low organic load or inadequate CN ratio may be the addition of residual glycerine as co-
substrate Biodiesel production plants are generating large amount of low quality glycerine
which is not susceptible to upgrading due to saturation of the market Thus biodiesel
producers may affront with handling a waste instead of dealing with a valuable by-
product Glycerol is a readily digestible substance which can also be easily stored over a
long period These advantages make glycerol an ideal co-substrate for the anaerobic
digestion process (Fountoulakis and Manios 2009) The increase in biogas generated from
the supplementation of glycerine may account for a greater amount of valuable biofuel
production while the use of an existing facility which may not need great modifications
may result in increasing efficiencies in biogas production
145
The addition of glycerine to pig manure has been tested by Amon et al (2006) The
supplementation of glycerine led to an increase in CH4 production demonstrating a co-
fermentation effect with the methane yield of the combined mixture being higher than
those of the single substrates (a 6 supplementation of glycerine to pig manure and maize
silage resulted in an increase in CH4 production from 569 to 679 Nl CH4middotkg VS-1) Ma et
al (2008) reported an increase of 074 l biogasmiddotml-1 glycerol (added) when treating potato
processing wastewater in a UASB reactor Fountoulakis and Manios (2009) studied the
addition of glycerol to the digestion process of the organic fraction of municipal solid
wastes with a TS content of 4 reporting a 50 increment in the biogas yield with the
addition of the co-substrate (the mesophilic reactor treating the organic fraction of
municipal solid waste produced 1400 ml CH4middotd-1 before the addition of glycerol and 2094
ml CH4middotd-1 after the addition of glycerol by adding 1 vv crude glycerol to the feed)
(Fountoulakis and Manios 2009)
The aim of the present study was the assessment under continuous operation of the
anaerobic digestion process using residual glycerine as co-substrate in the degradation of
swine manure (SM) Tests were carried out using SM from two different livestock farms
evaluating the biogas potential of the single waste and semi-continuous digestion process
at different levels of residual glycerine in the feeding mixture
62 MATERIALS AND METHODS
621 Substrates and batch digestion
The SM used in this study was obtained from two different livestock farms close to the
city of Leoacuten (Spain) The SM obtained from the farm located at Alcoba de la Ribera
(denominated SM_A) presented a total and volatile solid (TS VS) content of 207 01
and 136 02 gmiddotl-1 respectively with a chemical oxygen demand (COD) value of 275
04 gmiddotl-1 The SM proceeding from Morales del Vino (SM_M) presented a solid content of
462 02 and 321 02 gmiddotl-1 of TS and VS respectively and 587 04 gmiddotl-1 of COD
Differences encountered between substrates were based on the cleaning operation of the
146
farm (total amount of flushing water used and the type of swine species The farm at
Morales del Vino is dedicated to the production of pigs of Iberian type while the farm at
Alcoba de la Ribera to the breeding of Large-White swine
The residual glycerine was obtained from a local biodiesel industry located at San
Cristobal de Entrevintildeas Before utilization the glycerine was evaporated at 80 ordmC for 3 h
to eliminate any residual content of methanol Physicochemical characterization is
presented in Table 61 For determination of chemical elements 03 g of sample was
digested in 10 ml of nitric acid at 65 in a microwave oven at 100 ordmC for 5 min and
subsequently at 190 ordmC for 30 min A PerkinElmer Optima 2000 DV inductively-coupled
plasma (ICP) atomic emission spectrometer was used for determination of the remaining
elements A LECO CHN ndash 600 apparatus was used to analyze C H and N in accordance
with ASTM Standard D-5373 Total sulphur was determined on a LECO SC-132 in
accordance with ASTM Standard D-4239 Ash content was determined using a LECO
MAC-300 thermogravimetric analizer (TGA) The pH was measured with a Crison
GLP22 pH meter and electrical conductivity with a WTW LF330 conductivity meter
These parameters were determined diluting the sample in de-ionized water (110 wv as
gmiddotml-1)
Digested sludge from the digester of the wastewater treatment plant (WWTP) of the city
of Leoacuten with a TS and VS concentration of 113 01 and 70 01 gmiddotl-1 respectively was
used as inoculum The digester treated a mixture of primary sludge and waste activated
sludge The temperature of the digestion process was 32 ordmC and the average hydraulic
retention time (HRT) was 26 d
Batch experiments were performed to determine the gas produced from the SM used in the
study Experiments were carried out for 35 days The batch reactors (Erlenmeyers flasks
of 250 ml) were filled with 125 ml of inoculum and the corresponding amount of SM in
order to attain a proportion of VS of 11 between SM and the inoculum Tap water was
added to complete 250 ml volume in all batch reactors Two reactors were used for
measurement of the gas production and composition A batch reactor containing only
inoculum was used as blank The biogas produced by this reactor was subtracted from the
corresponding tests The temperature of digestion was 34 ordmC being controlled by a water
bath Agitation was provided by means of magnetic stirrers The gas volumes were
147
measured using bottle gasometers and corrected to a standard temperature (0ordmC) and
pressure (760 mmHg) (STP)
Table 61 Physicochemical characterization metals and phosphorus content of residual
glycerine used as co-substrate
Parameter Value
pH 101 01
Conductivity (S) 461 03
Density (gmiddotml-1) 1052 01
Water content () 43 02
Ashes () 72 04
COD (gmiddotl-1) 262 9
Element Content
Cd (ppb) lt 5
Hg (ppb) lt 120
Fe (ppm) 113
Cu (ppm) 064
Ni (ppm) 122
Al (ppm) lt 15
Cr (ppm) 155
Mn (ppm) 059
Zn (ppm) 169
Pb (ppm) 044
P (ppm) 451
Ca (cmolmiddotkg-1) 004
Mg (cmolmiddotkg-1) lt 005
Na (cmolmiddotkg-1) 493
K (cmolmiddotkg-1) lt005
148
622 Anaerobic digestion
The co-digestion process was carried out in completely mixed reactors provided with
mechanical stirrers The working volume was 3 l and the systems were thermostatized at a
temperature of 34 1 ordmC The reactors treating SM and glycerine were evaluated at a HRT
of 30 days during three consecutive HRT periods All processes evaluated were initially
adapted to a low feeding regime starting at a HRT of 50 days The acclimation was carried
out for a total period of 30 d increasing the feeding volume untill the desired HRT
Digestion of SM_A was performed only with a mixture at 2 (VV) of residual glycerine
(based on results obtained) Evaluation of the liquid phase of this reactor was started on
day 40 of operation due to the great variability found in the biogas production of the
system during the start-up phase and first HRT SM_M was evaluated under continuous
operation with mixtures at 2 5 and 8 content of residual glycerine The feeding of the
systems was manually performed once a day Before feeding an equivalent amount was
withdrawn from the reactor Nomenclature used to designate digesters involves the type of
SM used and proportion of glycerine added
623 Analytical techniques
TS VS ammonium and pH were monitored during the digestion process These
parameters were determined in accordance with the APHA Standard Methods (1989) Free
ammonia concentration was calculated on expressions suggested by Hansen et al (1998)
and Calli et al (2005) The chemical oxygen demand (COD) was determined using a
Hanna Instruments Series C99 multi-parameter photometer The homogenized sample was
digested in the presence of dichromate at 150 ordmC for 2 h in a Hanna C9800 reactor The
production of biogas was measured using a reversible liquid displacement apparatus and
biogas composition was analyzed using a gas chromatograph (Varian CP 3800 GC)
equipped with a thermal conductivity detector A packed column (HayeSep Q 80100 4
m) followed by a molecular sieve column (1 m) was used to separate CH4 CO2 N2 H2
and O2 The carrier gas was helium and the columns were operated at a pressure of 331
kPa and a temperature of 50 ordmC
149
Volatile fatty acids (VFAs) were determined on the same gas chromatograph using a
flame ionization detector (FID) equipped with a Nukol capillary column (30m times 025mm
times 025m) from Supelco The carrier gas was helium Injector and detector temperatures
were 220 and 250ordmC respectively The oven temperature was set at 150ordmC for 3 min and
thereafter increased to 180ordmC The detection limit for VFA analysis was 50 mgmiddotl-1 The
system was calibrated with a mixture of standard volatile acids from Supelco (for the
analysis of fatty acids C2ndashC7) Samples were previously centrifuged (10 min 3500 times g)
and the supernatant filtrated through 045 μm cellulose filters
63 RESULTS
631 Batch digestion tests of SM
Digestion of individual substrates was performed under batch conditions Cumulative CH4
production is presented on Figure 61 for both substrates tested The total amount of
biogas produced is clearly higher for SM_M although the content of VS of the feed added
to the batch reactors was the same The results obtained may be indicative of a more
severe inhibition problem affecting methanogens involved due to the longer lag phase
experienced by SM_A system Biochemical methane potential obtained from the batch
experiments were 014 001 l CH4middotg-1 COD (276 10 ml CH4middotg
-1 VSadded) for SM_A and
028 01 l CH4middotg-1 COD for SM_M (512 19ml CH4middotg
-1 VSadded) Values obtained for
SM_M are coincident with those reported in literature under batch conditions However
this is not the case for SM_A corroborating the hypothesis of inhibition Gonzaacutelez ndash
Fernaacutendez et al (2008) reported a value of 026 l CH4middotg -1 COD and Chae et al (2008)
reported a value of 403 ml CH4middotg-1 VSadded when digesting SM under mesophilic
conditions
150
0
200
400
600
0 10 20 30 40Time (d)
Cu
mu
lati
ve C
H 4
(m
l)SM_M
SM_A
Figure 61 Cumulative CH4 produced under batch tests digestion of SM_A and SM_M
632 Co-digestion of SM and residual glycerine
The characteristics of the feed used for each digestion system is presented in Table 62
Only one system using SM_A was evaluated during semi-continuous digestion with
residual glycerine due to the prolonged lag phase presented from results obtained under
batch conditions and results obtained under operation at the 2 mixture Under
continuous operation the mixture with this SM at 2 was evaluated in order to assess the
performance of the microbial population when the readily degradable co-substrate was
added to the process
Table 62 Physicochemical characteristics of the co-digestion mixtures
Substrate TS (gmiddotl-1) VS (gmiddotl-1) COD (gmiddotl-1)
SM_A2 498 03 369 04 813 25
SM_M2 734 05 535 03 1298 43
SM_M5 916 05 720 04 1707 57
SM_M8 1030 04 845 04 1952 52
COD Chemical oxygen demand SM Swine manure TS Total solid VS Volatile Solid
151
The daily production of biogas is presented in Figure 62 for the digestion of this mixture
Increments on biogas production were observed during the acclimation period of the
inoculum to the feed and subsequently associated with the gradual increase of the organic
loading rate (OLR) until 30 days HRT was reached (from 49 01 to 81 03 g CODmiddotd-
1) The average gas production obtained was 150 03 lmiddotd-1 (period corresponding to days
30 ndash 120 at HRT of 30 days) although there is a marked decrease in the gas production
around day 40 The average methane content was 62 3 although lower values (557)
were observed around day 40 which was associated with the decrease in biogas
production of the system
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
Daily
Bio
gas P
roduction (m
ld)
Figure 62 Daily biogas production of co-digestion system SM_A2
The theoretical amount of methane produced can be calculated using the Buswell formula
(Buswell and Neave 1930) and assumptions proposed by Fountoulakis and Manios
(2009) The methane produced from the exclusive utilization of glycerine as substrate for
a mixture at 2 (vv) would be 896 ml CH4middotd-1 which approximates to the total amount
the reactor was producing from the organic matter content in the feeding mixture clearly
indicating that the substrate was not completely utilized Additionally from results
obtained under batch digestion the methane yield was 014 plusmn 001 l CH4middotg-1 COD while
the SMP for the reactor under continuous operation supplemented with 2 of glycerine
was lower Differences between methane yield under batch digestion and continuous
operation has also been reported by Hansen et al (1998) in the thermophilic digestion of
SM with the results of biochemical methane potential being much lower than those
obtained at continuous operation The methane produced under batch digestion was 300
ml CH4middotg-1 VS while the SMP at continuous operation was 67 ml CH4middotg
-1 VS
152
Performance parameters of reactors evaluated are presented in Table 63 Although
average values are presented for the period studied analyses corresponding to this
particular system were performed from day 40 on Higher values of soluble COD were
found close to day 40 and were in correspondence with the initial decrease in the volume
of biogas produced With the increment in the production of gas there was an associated
decrease in the mean value of this parameter Although the deterioration of performance
parameters is a temporal circumstance this result may be rationalized either by an
inadequate acclimation period or by a high COD supplemented from the glycerine with
respect to the COD of the SM However this type of transient variation may be common
in systems presenting inhibitory factors and any attempt to explain erratic changes from
single-value observations is undertaken with care
Table 63 Performance parameters of digester treating different mixtures of SM and
glycerine
Parameter SM_A2 SM_M2 SM_M5 SM_M8
pH 77 85 84 83
SMP (l CH4middotg-1 COD) 011 010 014 017
TS (gmiddotl-1) 261 492 569 572
VS (gmiddotl-1) 177 313 378 387
NH4+ (gmiddotl-1) 53 47 47 40
Alkalinity (gmiddotl-1) 142 178 189 166
COD sol (gmiddotl-1) 257 512 683 600
VS dest 520 415 475 542
Regarding the evolution of VFA for this digestion system (Figure 63) it is observed that
at the moment measurements were carried out high concentrations of acetic and propionic
acids were found in the digester effluent Around day 55 there was a continuous decrease
in the concentration of acetic acid being coincident with the improvement in biogas
production However this is not the case for propionic acid presenting a minor decrease
close to the end of experimentation Although digestion was carried out for three HRT
from VFA evolution is observed that steady state was not attained thus results confirm the
statement by Hashimoto et al (1986) that even after three to four volumes turnovers
153
assuming steady state may lead to erroneous conclusions when inhibitory substances are
present in the substrate
Mineralization of organic matter under methanogenic conditions proceeds in a number of
steps carried out by different groups of bacteria (Harper and Pohland 1986) When easily
degradable substrate are being degraded as it is the case of glycerine hydrolysis is not the
limiting step and oxidation of VFAs and methanogenesis which are low-energy yielding
are often the rate-limiting steps in anaerobic reactors (Pavlostathis and Giraldo-Goacutemez
1981) thus explaining VFA accumulation Although high values of VFAs were found in
the present study no modifications in the pH were observed during the experimentation
The alkalinity is mainly dependent on the bicarbonate and VFA-concentrations (minuslog[acid
dissociation constant] [pKa] values of 635 and 475 respectively) and in some processes
the ammonium concentration (pKa value of 94) (Jantsch and Mattiasson 2004) where the
content of this ion in the reactor is high When proteins are degraded ammonium is
released forming ammonium bicarbonate which results in additional buffering of the
reactor liquid (Gallert et al 1998) Georgacakis et al (1982) and Patni and Jui (1985)
reported the pH of manure slurries to be determined by the strength of the HCO3-CO3
=
and NH4+NH3 buffer systems and the concentration of VFA The increase in the
concentration of VFA in swine manure digesters reduces the importance of the HCO3-
CO3= buffer system with the pH of the slurry being determined primarily by VFA and
ammonia concentrations (Georgacakis et al 1982 Paul and Beauchamp 1989)
Total ammonium content was at high levels in the digester liquor giving rise to high free
ammonia concentrations Setting the limits of inhibitory to microbial population at
approximately 150ndash200 mgmiddotl-1 (Braun et al 1981) the calculated concentration of free
ammonia in SM_A2 digester was above this threshold with mean values around 396 27
mgmiddotl-1 In this sense incapability of VFA degradation may be explained by inhibitory
effects caused by high free ammonia concentrations Although a strong inhibitory effect
over aceticlastic methanogens has been reported (Hansen et al 1998 Robbins et al
1989) a major propionic build-up was observed in the present study while acetate
concentration in the reactor could be finally reduced Propionic accumulation has also
been reported by Arbeli et al (2006) in the treatment of high-strength dairy wastewater
154
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
40 50 60 70 80 90 100 110
Time (d)
VFA
(m
gl)
Acetic Propionic Butyric
Figure 63 VFA evolution for co-digestion system SM_A2
The biogas production of SM_M2 is shown in Figure 64A registering a constant increase
corresponding to the increase in the OLR (from 78 02 to 13 04 g CODmiddotd-1) Once
conditions for assessment were established (HRT of 30 days) biogas production remained
steady Average gas production in this case was 213 02 lmiddotd-1 (calculated for the period
at constant HRT from day 30 to the end of experimentation) being higher than the one
obtained in the previous system studied with an average CH4 content of 626 24 The
higher production obtained was in relation to the greater content of VS of the SM used
since SMP for the system was similar to the one obtained with its homologous digester
using SM_A
Evolution of VFAs for co-digestion with SM_M2 is presented in Figure 65A In contrast
to the previous SM evaluated once the HRT of 30 days had been reached a low content
of VFA was initially observed (during the adaptation period and the following days) but
continuous feeding of the digester led to an increase of acetic and propionic acid although
no compassing effect was associated with the gas evolution Close to the end of
experimentation period both acids were continuously reduced having previously reached
peak concentrations probably indicating that microbial populations could adapt under
varying conditions
The total ammonium concentration in the reactor effluent registered an increase as the
experimentation proceeds with an initial concentration of 33 plusmn 01 gmiddotl-1 The mean value
of free ammonia obtained (discarding values from the adaptation period) was 1061 plusmn 46
155
mgmiddotl-1 Although values should be consider inhibitory after a three HRT of evaluation
acclimation of microflora to such conditions was observed as indicated by a reduction in
VFA concentrations at the end of the digestion This different behaviour in relation to
VFA accumulation may be indicating that in the previous case (SM_A2) the propionic
build-up might be a consequence of the lower proportion of VS supplemented by the SM
and not a result of either improper adaptation or inhibitory levels of free NH3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(a)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(ml
d)
(b)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 12
Time (d)
Dai
ly B
iog
as P
rod
uct
ion
(m
ld
)
(c)
0
Figure 64 Daily biogas production of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
156
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100
Tiempo (diacuteas)
AG
V (
mg
L)
Acetic
Propionic
Butyric
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20 40 60 80 10
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(a)
(b)
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60 80 100 120
Time (d)
VF
A (
mg
l)
(c)
HRT Hydraulic retention time VFA Volatile fatty acids
Figure 65 VFA concentrations of co-digestion systems with SM_M and residual
glycerine (A) SM_M2 (B) SM_M5 (C) SM_M8
The effect of an increment in the content of residual glycerine to 5 and 8 when digesting
SM_M on gas production is observed in Figure 64B amp C As in the previous reactors
with the continuous increment of the OLR (from 102 03 to 171 06 g CODmiddotd-1 in the
case of SM_M5 and from 117 03 to 195 05 g CODmiddotd-1 for SM_M8) biogas
157
production was increased showing slight variations in the generation of gas during the
complete time of experimentation The average production was higher in each reactor in
relation to the higher glycerine content of the feed SM_M5 presented a mean production
of 384 03 lmiddotd-1 while this value for SM_M8 was 537 03 lmiddotd-1 The average
concentration of CH4 in the biogas was 624 21 in both cases indicating no
deterioration of the quality with the increase in the amount of co-substrate added
Additionally an increase in the SMP was obtained with the higher OLR applied to the
different systems This increase may be rationalized by a synergistic co-fermentation
effect during the treatment of both substrates rather than a simple increase in the
production of gas due to the higher amount of readily degradable substrate available to
microorganisms in the reactor Although an improvement in the biogas production (in the
digestion of SM) has not been corroborated when glycerine is added as co-substrate since
only SM was evaluated as single substrate under batch conditions The addition of
glycerine under continuous operation resulted in higher SMP with the increase of the
amount of glycerine added to the feeding mixture However as in the previous case
evaluated (SM_A2) the theoretical value of methane produced was similar to the total
volume of methane produced from the mixture at 5 and 8 (vv glycerine addition)
which may be used as an indicator of incomplete utilization of substrates
Figures 65B amp C show VFA profiles during the experiment As in the cases of SM_M2
the system working with a 5 content of glycerine presented an initial reduction of the
content of these acids However as the continuous process was evaluated there was a
permanent increase in the concentration of acetic and propionic acids resulting in higher
concentrations when compared to the previous system at 2 of residual glycerine
indicating that the generation of these intermediaries derived primarily from the glycerine
added At the end of experimentation reductions were not observed as was the case of the
previous systems analyzed indicating that microorganisms were unable to use the
substrate completely In this case propionic and acetic degradation were inhibited during
operation of the digester
Before being degraded to CH4 VFA are first degraded to acetic acid therefore
accumulation of propionic acid always result in failure of methanogenesis (Wang et al
2009) VFA concentrations above 20 gmiddotl-1 have caused inhibition of cellulose degradation
(Siegert and Banks 2005) while VFA values above 40 gmiddotl-1 only caused feeble inhibition
158
of glucose degradation (Yeole et al 1996) During digestion at 5 glycerine total VFA
values were above 40 gmiddotl-1 indicating that degradation of some complex substrates may be
inhibited but it may be considered that the effect on simple substrates as glycerol may be
disregarded In fact SMP of this system was higher than the one obtained for the digestion
system at lower glycerine content indicating that although the digester was suffering from
an inhibition problem the effect over conversion of glycerine to CH4 was low explaining
thus the increase of SMP with the increase in the content of glycerine in the mixture
As in the case of reactor SM_M2 with lower glycerine content a constant increase in the
total ammonium concentration was observed in SM_M5 reactor until a steady behaviour
was attained from day 40 onward of operation The initial value was 34 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1
while the mean value obtained during the three periods studied at constant HRT was 47 plusmn
08 NH4+ gmiddotl-1 (Table 63) Free ammonia content in this reactor was 1013 plusmn 75 mgmiddotl-1 an
average value similar to that obtained from SM_M2 Although in the previous system
studied VFA could be reduced when experimentation was coming to an end in SM_M5
acetic and propionic acid presented an increasing trend In this sense regarding ammonia
toxicity both systems confront similar circumstances However the higher content of
VFA in the digester effluent may be translated into a longer time needed for
microorganisms to be able to reduce VFA accumulated in the digester
An increase in the content of glycerine to the co-digestion mixture (to 8) revealed an
earlier build-up of acetic and propionic acid concentrations Although acetic was
continuously reduced during the acclimation period this is not the case for propionic acid
Thus the microbial population is facing high concentrations of this acid in an earlier
stage which was not the case in the previous digesters Since higher values of VFA were
found with every increase in the proportion of glycerine to the system the hypothesis of
accumulation of these acids by the addition of the co-substrate is corroborated
Additionally with the time of experimentation propionic acid concentration keeps its
increasing trend until reaching a peak around day 90 with a value close to 40 gmiddotl-1 The
persistent build-up in all reactors studied may be explained by the lower degradation rate
of propionic acid by methanogens compared with acetic and butyric acid degradation
(Braun et al 1981 Ren et al 2003) However in this case in which microflora face a
prolonged stage at high concentrations the final consequence from the long acclimation is
the degradation of the intermediary close to the end of the digestion
159
From the three reactors evaluated it was observed that VFA accumulated as the glycerine
content was increased indicating the existence of a threshold Amon et al (2006) reported
an increase in the CH4 yield from anaerobic digestion of protein-dominated substrates
(maize silage rapeseed meal and pig manure) with the addition of glycerine
recommending that the amount of this co-substrate should not exceed 6 (vv) for a stable
digestion process In the present study is observed from Figure 64C a trend to decrease
biogas production with the digestion time In this sense the statement that a suitable
threshold should be a value lower than 8 (vv) may be accepted Additionally the study
of a final maturation stage should also be considered in a future research work if land
disposal is the selected option for recycling nutrients from the digestate obtained in order
to attain a reduction in VFA concentrations
The evolution of ammonium concentration in the digester SM_M8 is similar to that
reported for the previous reactors with an initial value of 294 plusmn 01 NH4+ gmiddotl-1 with
increasing concentrations being registered as the system operated However the increase
in glycerine content of the feeding mixture allows an increase of the CN ratio which is
translated into a lower value of total ammonium in the reactor during the period of study
at constant HRT (Table 63) Since microbial population experience lower free ammonia
levels in this digester (695 plusmn 52 mgmiddotl-1) it seems plausible to assume that this lower level
allowed the conversion of VFA by reducing the factor of ammonia toxicity over
methanogens in the transformation of acetic and propionic acid into methane
64 CONCLUSIONS
The anaerobic co-digestion of swine manure (SM) and residual glycerine proved to be a
feasible option for increasing biogas production and thus efficiency of existing facilities
The average gas and the specific methane production of systems evaluated increased with
the increasing content of residual glycerine in the mixture However the supplementation
of residual glycerine also caused an increase in the content of volatile fatty acids (VFAs)
in the digester effluent although an adaptation period was introduced in the start-up phase
of all reactors evaluated Propionic build-up was persistent in the different digestions
systems evaluated
160
The content of free ammonia in the reactors was higher than those reported as inhibitory
perhaps contributing to the inability of the system to achieve stable conditions during the
period of study (equivalent to three HRTs)
65 EXECUTIVE SUMMARY
Co-digestion of glycerine and swine manure (SM) under semi-continuous operation was
tested in single-phase completely stirred tank reactors The addition of this co-substrate
allowed an increase in biogas and specific methane production with the increase in the
content of residual glycerine in the mixture Although systems presented steady gas
production during the period of evaluation a propionic and acetic acid build-up resulted as
consequence of the conjunctions factors of a high COD supplemented by the readily
degradable substrate (glycerine) and high free ammonia concentration in the reactor
Attaining a reduction in volatile fatty acid concentrations should be considered in a further
study by means of a maturation stage if land disposal is the final option of the digestate in
order to attain the aim of recycling nutrients
66 FUTURE PERSPECTIVE
Anaerobic digestion of livestock waste will be in the near future a leading option for the
treatment of high strength organic waste materials since it allows the recovery of energy
(by means of biogas valorization) from biomass with high water content and prevents
pollution caused by the uncontrolled release to water bodies of nitrogen and organic
matter The increasing size of pig farms poses a problem due to the lack of available land
to dispose the total amount of pig manure generated especially in the winter period
Additionally the choice of anaerobic digestion as an alternative for treating pig manures
increases the percentage of renewable energy in the total energy supply However many
assignments are still pending as it is stable policies and the removal of local constraints
that may allow the digestion of co-substrates resulting in an increase of the economic
feasibility of treatment plants
161
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7 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de
digestioacuten de puriacuten ndash glicerina
71 INTRODUCCIOacuteN
En el proceso de digestioacuten anaerobia tratado en el capiacutetulo anterior tiene lugar la
degradacioacuten bioloacutegica de purines porcinos suplementados con glicerina residual Como
consecuencia de la biometanizacioacuten se genera un nuevo efluente que potencialmente
podraacute ser utilizado como fertilizante o enmienda orgaacutenica en suelos Como se ha
mencionado anteriormente existen riesgos inherentes a la aplicacioacuten de biosoacutelidos no
estables o inmaduros1 (Said-Pullicino y Gigliotti 2007 Adani et al 2006) por lo que en
este capiacutetulo se pretende estudiar la evolucioacuten de la etapa de estabilizacioacuten a fin de
optimizar el proceso
1 La madurez de un biosoacutelido se refiere al grado de humificacioacuten del material La estabilidad se refiere al nivel de actividad microbiana de la biomasa
167
El estudio de la transformacioacuten sufrida por la materia orgaacutenica durante los procesos
bioloacutegicos no resulta sencillo Se han propuesto diferentes paraacutemetros de evaluacioacuten de las
cualidades de la materia orgaacutenica resultando de intereacutes los anaacutelisis termogravimeacutetriacutecos y
espectroscoacutepicos (Otero et al 2002 Gomez-Rico et al 2005) En este estudio se va a
hacer uso de la espectroscopiacutea de RMN Seguacuten Chen (2003) las metodologiacuteas de anaacutelisis
espectral son las que permiten avanzar en el entendimiento de los procesos de degradacioacuten
de la materia orgaacutenica En ellas los niveles energeacuteticos en los cuales aparecen las bandas
dependen de las propiedades de las moleacuteculas asociaacutendose las bandas individuales con
grupos quiacutemicos especiacuteficos A su vez las magnitudes de dichas bandas individuales
dependen de las concentraciones permitiendo realizar anaacutelisis cuantitativos
La RMN es una teacutecnica muy potente para determinar la estructura molecular de muestras
puras Sin embargo en anaacutelisis de materias no purificadas debido a la complejidad de los
resultados se impide la determinacioacuten precisa de las estructuras quiacutemicas presentes No
obstante atendiendo a las regiones geneacutericas de los espectros pueden vislumbrarse las
principales estructuras orgaacutenicas que componen las muestras
En este estudio se realizoacute el seguimiento de la estabilizacioacuten del contenido de dos
reactores de digestioacuten anaerobia de puriacuten suplementado con glicerina empleaacutendose para
ello teacutecnicas de espectrometriacutea de resonancia magneacutetica nuclear (RMN)
72 OBJETIVOS
Este capiacutetulo estaacute enfocado al seguimiento de la estabilizacioacuten del digerido de puriacuten
glicerina mediante el estudio de paraacutemetros fiacutesico-quiacutemicos y determinar el tiempo
miacutenimo del proceso
En este experimento se pretende obtener los espectros de resonancia de 1H de las muestras
extraiacutedas durante el progreso de la estabilizacioacuten para visualizar sentildeales caracteriacutesticas de
grupos funcionales que puedan aportar informacioacuten acerca de las estructuras moleculares
mayoritarias Asimismo se compara la evolucioacuten de un reactor estabilizado en reacutegimen
mesofiacutelico y otro en condiciones ambientales
168
73 MATERIAL Y MEacuteTODO
731 Procedimiento experimental
Este estudio se desarrolloacute a partir del efluente resultante del proceso fermentativo descrito
en el Capiacutetulo 6 ya que el presente experimento estaacute vinculado secuencialmente
Se consideraron los contenidos resultantes de los reactores SM_M5 y SM_M8 los cuales
fueron alimentados con puriacuten suplementado con glicerina al 5 y 8 (vv) respectivamente
Ambos digeridos se almacenaron en botellas de vidrio de 3 l sin aporte de alimentacioacuten y
conectados a un gasoacutemetro de botella para evaluacioacuten de la produccioacuten residual de biogaacutes
El contenido del reactor SM_M5 se mantuvo termostatizado en bantildeo de agua en reacutegimen
mesofiacutelico (34 1 ordmC) El digerido SM_M8 se mantuvo a temperatura ambiente en una
dependencia exterior (Ver Anexo 71 Grafico de temperatura media diaria del periodo de
experimentacioacuten)
El distinto contenido en la glicerina alimentada a ambos reactores durante la etapa
fermentativa no se ha considerado una variable a introducir en el experimento ya que se
supone la degradacioacuten completa del glicerol al comenzar la etapa de estabilizacioacuten Esta
suposicioacuten se confirmaraacute con el anaacutelisis de RMN de la primera muestra de digerido en
estabilizacioacuten
En cada reactor de estabilizacioacuten (SM_M5 y SM_M8) se extrajeron 3 muestras de 200 ml
de contenido para posteriores analiacuteticas una vez finalizada la digestioacuten (SM_M5_0 y
SM_M8_0) otra a los tres meses de comenzar el proceso de estabilizacioacuten (SM_M5_1 y
SM_M8_1) y una uacuteltima a los 10 meses (SM_M5_2 y SM_M8_2)) Ademaacutes se tomoacute una
muestra de las uacuteltimas alimentaciones introducidas en ambos digestores (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) Todas las muestras fueron secadas a 105 ordmC en estufa durante 2 diacuteas y se
almacenaron hermeacuteticamente a temperatura ambiente
Las muestras secas procedentes de los reactores SM_M5 y SM_M8 se trituraron en un
molino de bolas (modelo Mixer Mill type MM200 de Retdch GMBH amp Co) a 30100 rpm
durante 4 minutos En el caso de las muestras de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
169
SM_M8_Alim) el triturado se vio dificultado por una posible hidratacioacuten de la muestra
durante el almacenado por lo que se procedioacute a un nuevo secado a 105 ordmC durante 3 diacuteas
Tras esto la muestra se trituroacute sin dificultad
732 Substratos utilizados
El substrato de este experimento es la materia resultante del proceso de digestioacuten
anaerobia de los reactores SM_M5 y SM_M8 En la Tabla 71 se exponen las
caracterizaciones baacutesicas analizadas de la mezcla de alimentacioacuten (SM_M5_Alim y
SM_M8_Alim) y del digerido al comenzar la estabilizacioacuten (SM_M5_0 y SM_M8_0)
Tabla 71 Caracterizacioacuten baacutesica de las mezclas de alimentacioacuten y contenido de los
reactores SM_M5 y SM_M8 al comenzar la estabilizacioacuten
SM_M5_Alim SM_M5_0
ST (gmiddotl-1) 916 05 569 03
SV (gmiddotl-1) 720 04 378 02
pH 80 019 84 010
NH4+ (gmiddotl-1) 47 06 47 07
DQO (gO2middotl-1) 1707 57 683 25
SM_M8_Alim SM_M8_0
ST (gmiddotl-1) 1030 04 572 04
SV (gmiddotl-1) 845 04 387 03
pH 79 002 83 018
NH4+ (gmiddotl-1) 43 06 40 06
DQO (gO2middotl-1) 1952 52 600 29
Anaacutelisis de las alimentaciones introducidas durante la fase de digestioacuten
Anaacutelisis del digerido al finalizar la fase de digestioacuten
170
733 Teacutecnicas analiacuteticas
La produccioacuten de biogaacutes fue medida utilizando un gasoacutemetro de botella por evacuacioacuten de
liacutequido
Para el anaacutelisis de DQO la muestra homogeneizada fue oxidada en presencia de
dicromato a 150 ordmC durante 2 horas en un digestor Hanna C9800 A continuacioacuten fue
valorada mediante el meacutetodo titulomeacutetrico con sal de Mohr
Para el seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido se sometieron las muestras
extraiacutedas a espectroscopiacutea de resonancia magneacutetica nuclear de protoacuten (1H-RMN)
La muestras a introducir en el equipo de RMN deben estar en fase liquida por lo que se
tomaron 100 mg de muestra soacutelida y se mezclaron con 1 ml de dimetil sulfoacutexido (DMSO)
Se agitaron repetidas veces de forma manual durante 2 horas para poner en contacto la
muestra con el disolvente Posteriormente se centrifugaron a 13000 rpm durante 35
minutos se extrajeron 600microl de sobrenadante y se depositaron en el tubo porta-muestras a
introducir en el equipo Bruker Avance 600 MHz NMR Spectrometer
Finalmente se obtuvieron los espectros de la alimentacioacuten del digerido al finalizar la
digestioacuten y de las muestras del digerido a los 3 y 10 meses del proceso de estabilizacioacuten
Se identificaron las sentildeales de resonancia y se llevoacute a cabo una comparacioacuten cualitativa y
cuantitativa mediante el soporte informaacutetico MestReNova y Microsoft Office Excel 2003
74 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
741 Paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos
Los paraacutemetros fiacutesico - quiacutemicos pueden utilizarse como iacutendices de la estabilidad del
residuo tratado (Bartoszek et al 2008) En base a este principio se exponen los resultados
de las caracterizaciones analizadas durante la experimentacioacuten
171
Atendiendo a los SV y ST se produce una disminucioacuten con respecto a la fase de digestioacuten
estabilizaacutendose en 302 34 gSVmiddotl-1 y 516 48 gSTmiddotl-1 para el SM_M5 y en 379 19
gSVmiddotl-1 y 593 09 gSTmiddotl-1 para el SM_M8 a partir de los 2 meses de experimentacioacuten
En la Figura 71 se representa la evolucioacuten de los SV en ambos reactores en fases de
digestioacuten y estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
(gl)
SM_M5 SM_M8
Figura 71 Evolucioacuten de los SV en los reactores SM_M5 y SM_M8
A su vez analizando la relacioacuten entre ambos paraacutemetros (Figura 72) se aprecia un
descenso relativo del cociente (SVST) de entorno al 10 al finalizar la estabilizacioacuten
Comparando los reactores SM_M5 y SM_M8 entre siacute podemos apreciar coacutemo el
descenso y estabilidad de la relacioacuten SVST se alcanza maacutes raacutepido a reacutegimen teacutermico
mesofilico retrasaacutendose este descenso y estabilidad en el SM_M8 debido probablemente a
las bajas temperaturas registradas entre el primer y cuarto mes de estabilizacioacuten (Ver
Anexo 71 de temperaturas medias registradas durante la experimentacioacuten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo(diacuteas)
SV
ST (
)
SM_M5 SM_M8
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 72 Evolucioacuten de la relacioacuten SVST en los reactores SM_M5 y SM_M8
172
El pH es uno de los paraacutemetros de diagnoacutestico en sistemas anaerobios debiendo situarse
en valores de 66 - 76 aunque por aclimatacioacuten de las poblaciones bacterianas se pueden
estabilizar a valores superiores (Lay et al 1997) lo cual es frecuente en el tratamiento de
residuos ganaderos En este caso se operoacute a valores de pH de 84 01 y 83 02 para
SM_M5 y SM_M8 durante la digestioacuten obtenieacutendose valores promedio de 82 03 y 81
01 respectivamente durante la estabilizacioacuten
Durante el proceso fermentativo de substratos orgaacutenicos ricos en N (caso de las
deyecciones ganaderas) suele producirse un aumento en la concentracioacuten de N-amoniacal
derivado de la degradacioacuten del propio substrato En la Figura 73 se expone la evolucioacuten
de NH4+ durante el ciclo de operacioacuten de SM_M5 y SM_M8 En ambos reactores se
detiene el aumento de NH4+ en torno a los dos meses de comenzar la fase de
estabilizacioacuten
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (diacuteas)
mg
l
SM_M5 SM_M8
Figura 73 Evolucioacuten del contenido en N-amoniacal en los reactores SM_M5 y SM_M8
El anaacutelisis de DQO de forma paralela a lo ocurrido con los soacutelidos muestra una
disminucioacuten evidente al suspenderse el aporte de nueva alimentacioacuten El paraacutemetro se
estabiliza tras 1 mes de almacenamiento en ambos reactores (Figura 74)
173
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Tiempo (diacuteas)
mgl
SM_M5 SM_M8
Figura 74 Evolucioacuten de la DQO en los reactores SM_M5 y SM_M8
Seguacuten Adani et al (2006) la produccioacuten residual de biogaacutes es un indicador adecuado de la
estabilidad bioloacutegica En la Figura 75 se evidencia esta cuestioacuten interrumpieacutendose la
produccioacuten de biogaacutes al agotarse la materia faacutecilmente biodegradable Hay que observar
que la produccioacuten de biogaacutes finaliza correlativamente a la estabilizacioacuten de los SV y de la
DQO
Por otro lado el reactor SM_M8 estaacute sometido al reacutegimen teacutermico ambiental Observando
las temperaturas medias diarias durante su periodo de estabilizacioacuten (ver Anexo 71) se
comprende la brusca detencioacuten en la metanizacioacuten no registraacutendose produccioacuten de gas
hasta el aumento de temperaturas al finalizar el invierno (ver detalle en Figura 75)
Asiacute pues la produccioacuten residual de biogaacutes en SM_M5 se estabiliza en torno a 120 lmiddotd-1middotm-
3 de reactor a partir del segundo mes En el caso de SM_M8 dado el colapso producido
por la baja temperatura se considera uacutenicamente los uacuteltimos 5 meses del proceso
resultando una produccioacuten en torno a 54 lmiddotd-1middotm-3 de reactor Estos datos comparados con
las producciones de biogaacutes durante la etapa de digestioacuten representan niveles de 09 y
03 para SM_M5 y SM_M8
174
Fase digestioacuten Fase estabilizacioacuten
Figura 75 Produccioacuten de biogaacutes residual en los reactores SM_M5 y SM_M8 Detalle del
final del proceso
El seguimiento de la composicioacuten del gas no pudo desarrollarse ya que los bajos caudales
registrados conforme avanzoacute el experimento no consiguen purgar de forma eficaz el aire
introducido en el reactor durante los muestreos de digerido
742 Espectrometriacutea 1H RMN
7421 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen mesofiacutelico
Una primera aproximacioacuten a los espectros de las Figuras 76 77 78 y 79 indica que
todas las muestras presentan estructuras aromaacuteticas reflejadas en las sentildeales existentes en
el intervalo de desplazamientos quiacutemicos de 64 a 86 ppm (Adani et al 2006) La
multitud de sentildeales distribuidas en el intervalo 25 a 05 ppm reflejan una elevada
complejidad de estructuras alifaacuteticas (Francioso et al 2007 Guilleacuten et al 2006) Por otro
lado la amplia sentildeal de agua situada a 35 ppm en los espectros de digerido indica una
desecacioacuten parcial o hidratacioacuten durante el preparado - almacenamiento de las muestras A
su vez el agudo triplete en torno a 25 ppm marca la posicioacuten del DMSO-d6
175
Figura 76 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M5_Alim)
Figura 77 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M5_0)
Figura 78 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M5_1)
176
Figura 79 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M5_2)
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
Centraacutendose en el espectro de la muestra de alimentacioacuten por considerarlo referencia y el
maacutes completo en cuanto a sentildeales detectadas destacan dos picos preponderantes en la
regioacuten de los compuestos alifaacuteticos la primera con un desplazamiento quiacutemico de 082
ppm indica los H unidos a metilos terminales (Francioso et al 2007) y la situada a 12
ppm muestra los metilenos de las cadenas alifaacuteticas (Guilleacuten et al 2006) (Ver Tabla 72
de identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H NMR) Prosiguiendo en el
intervalo de metilenos alifaacuteticos aparecen las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm que
se corresponden con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical
carboxilo
Dentro del grupo de sentildeales emplazado entre 19 a 20 ppm se puede relacionar el pico
situado en torno a 196 ppm con metilenos contiguos a insaturaciones (Guilleacuten et al
2006) Esta propuesta estaacute en concordancia con la intensidad de sentildeal registrada a 224
ppm referida a metilos terminales ligados a insaturaciones y con el pico del intervalo 52 a
535 ppm referido a los propios protones de la insaturacioacuten (Xu et al y Vivas et al 2006)
La sentildeal situada a 205 ppm corresponde a los metilenos beta ligados a grupos carboxilo y
por tanto emparentada con la ya mencionada sentildeal a 142 - 146 ppm referida a metilenos
gamma de grupos carboxilo
177
Tabla 72 Identificacioacuten de sentildeales del espectro de resonancia 1H RMN
Sentildeal (ppm) Estructura molecular relacionada Referencias
06 - 084 Metilos terminales de cadenas alifaacuteticas [ ndashCH3] Francioso et al 2007
122 - 142 Metilenos de cadenas alifaacuteticas [(ndashCH2)n] Guilleacuten et al 2006
142 - 146 Metilenos de carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
Universidad de Barcelona
16 - 168 Protones de radicales sulfhidrilos Cardonas et al 2003
194 - 214 Metilenos contiguos a insaturaciones Guilleacuten et al 2006
205 Metilenos beta ligados a grupos carboxilo Universidad de Barcelona
224 Metilos ligados a insaturaciones Universidad de Barcelona
234 - 258 DMSO-d6
310 - 335 Grupos amino metino o metilenos unidos a amidas Adani et al 2006
35 - 384 Glicerol Pionnier et al 1997
362 Radical etil eter o grupo etilo unido al grupo amida (ndash NHCOR)
Guimaraes et al 2001
377 - 391 Metilos unidos a grupos ndashORrsquo o ndashOCORrsquo (Rrsquo = fenol)
Guimaraes et al 2001
402 - 42 Metilenos unidos a los grupos ndashOCOR (donde R es un radial alkilo) ndashOCORrsquo o ndashORrsquo
Guimaraes et al 2001
504 Grupos metoxi en anillos aromaacuteticos Larghi amp Kauman 2006
52 - 535 Protones en insaturaciones Xu et al 2006 y Vivas et al 2006
64 - 86 Protones aromaacuteticos Xia et al 2003 Adani et al 2006
782 Protones benceacutenicos Castillo et al 2001
Sugerencia aportada por el personal de la Unitat de RMN de la Universidad de Barcelona
Prosiguiendo en la lectura del espectro aparece la sentildeal del dimetil sulfoacutexido
hexadeuterado (DMSO-d6) empleado como disolvente la cual estaacute compuesta por un
triplete en las posiciones 234 246 y 258 ppm
178
A 315 - 320 ppm aparece una sentildeal que podriacutea relacionarse con grupos amino metino o
con metilenos unidos a amidas (Adani et al 2006)
El espectro del glicerol presenta una silueta compuesta por un quintuplete seguido de dos
cadrupletes donde la caracteriacutestica distorsioacuten en las alturas de sus picos permite identificar
inequiacutevocamente esta moleacutecula Seguacuten datos bibliograacuteficos el glicerol aparece en el
intervalo 35 - 384 ppm (Pionnier et al 1997) Sin embargo en los anaacutelisis aquiacute
expuestos las tres sentildeales mencionadas aparecen centradas respectivamente a 328 332 y
337 ppm Esta variacioacuten en el desplazamiento quiacutemico se debe sencillamente a la
diferente electronegatividad del patroacuten interno utilizado en el anaacutelisis de RMN ya que en
el estudio considerado en la bibliografiacutea se trabajoacute con N N-tetrametilurea y en nuestro
caso se empleoacute dimetil sulfoacutexido
Guimaraes et al (2001) llevoacute a cabo un estudio de caracterizacioacuten de aacutecidos huacutemicos
derivados de vermicompostaje mediante espectroscopiacutea de 1H RMN utilizando como
patroacuten interno NaOD en agua deuterada Comparando los espectros resultantes se
comprueba que los desplazamientos quiacutemicos en las sentildeales detectadas son similares a los
aquiacute obtenidos utilizando DMSO-d6 Por tanto se podraacute suponer con cierta cautela el
origen de las sentildeales reflejadas en el intervalo 35 a 40 ppm
Asiacute pues la sentildeal situada a 358 ppm podriacutea reflejar los protones de un radical etil eacuteter
aunque dado el elevado contenido en N de la muestra esta sentildeal tambieacuten podriacutea estar
reflejando un grupo etilo unido al grupo amida (ndashNHCOR) La sentildeal situada a 385 ppm
podriacutea reflejar metilos unidos a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico
Y por uacuteltimo las sentildeales situadas entorno a 398 ppm pueden reflejar los grupos metilenos
unidos a los grupos ndashOCO-R (donde R es un radial alquilo) ndashOCO-Rrsquo o ndashO-Rrsquo (donde
Rrsquo es un radical fenoacutelico) (Guimaraes et al 2001) Todo esto estariacutea en consonancia con
sustituyentes propios de la materia lignoceluloacutesica
En torno a los 504 ppm aparece una ligera perturbacioacuten de la liacutenea base del espectro de
alimentacioacuten que podriacuteamos relacionar con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (Larghi
amp Kauman 2006) los cuales forman parte de los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes
de la lignina Otra posibilidad es asociar esta sentildeal a grupos metoxi presentes en la materia
179
estabilizada que hubiera podido sintetizarse durante el almacenamiento del puriacuten previo a
la recogida
Dentro de la regioacuten de los protones en estructuras aromaacuteticas tenemos la sentildeal maacutes
resentildeable en torno a 718 ppm que de nuevo se relaciona con unidades de materia
lignoceluloacutesica como pueden ser los radicales siringil y guayacil (Xu et al y Vivas et al
2006) y tambieacuten se relacionariacutea con anillos aromaacuteticos presentes en el coloide de la
materia humificada
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M5 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
En este apartado se analizaraacute la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas
anteriormente por lo que se consideraraacute el conjunto de espectros derivados del ensayo
SM_M5 estabilizado a temperatura 34 ordmC
Comenzando en el intervalo de los metilos terminales de cadenas alifaacuteticas (06 - 08
ppm) se comprueba como la aguda sentildeal detectada en el espectro de la muestra de
alimentacioacuten se modifica a un conjunto maacutes diverso de sentildeales cuya intensidad conjunta
disminuye durante la digestioacuten y vuelve a expandirse conforme progresa la fase de
estabilizacioacuten Asiacute pues la superficie integrada de las sentildeales del intervalo 09 - 06 se
contrae un 13 tras el proceso de digestioacuten expandieacutendose un 61 durante la fase de
estabilizacioacuten Esto indica que los grupos metilo terminales aumentan su presencia
apareciendo en entornos moleculares maacutes complejos Observando el incremento de las
sentildeales en torno a 09 ppm es de suponer un aumento de los metilos terminales cercanos a
sustituyentes electronegativos como pudieran ser O oacute N
Al comparar los espectros de SM_M5_Alim y SM_M5_0 en el intervalo de los metilenos
en cadenas alifaacuteticas (122 - 142 ppm) se aprecia una clara destruccioacuten de estas
estructuras durante el proceso de digestioacuten reducieacutendose la superficie de la sentildeal un 90
A los 3 y 10 meses de haber comenzado el proceso de estabilizacioacuten la intensidad y perfil
de las sentildeales en este intervalo disminuye de nuevo un 12 y 14 respecto a la sentildeal
detectada en SM_M5_0 Todo esto sugiere que las cadenas alifaacuteticas se deterioran en un
180
porcentaje amplio durante la digestioacuten frenaacutendose esta degradacioacuten durante el proceso de
estabilizacioacuten
Las sentildeales localizadas a 142 y 146 ppm en el espectro de alimentacioacuten se han
relacionado con hidroacutegenos ligados al carbono gamma no terminal de un radical carboxilo
pudiendo presentar dos picos por dos entornos de diferente electronegatividad Ambas
sentildeales estaraacuten relacionadas con la situada a 205 ppm asimilada al carbono beta no
terminal de dichos radicales carboxilos Considerando la condicioacuten del carbono aquiacute
tratado se entiende que al menos debe existir un mismo nuacutemero de Carbonos no
terminales formando parte de dicho radical carboxilo Esta premisa puede contrastarse
analizando el aacuterea de las sentildeales implicadas resultando que el sumatorio de las sentildeales a
142 y 146 ppm es superior a la intensidad registrada a 205 ppm y uacutenicamente la sentildeal
situada a 142 ppm presenta un aacuterea similar al de la sentildeal a 205 ppm (1093) motivo por
lo que se consideraraacute que esta sentildeal representa a los carbonos aquiacute mencionados
Analizando la evolucioacuten de estas sentildeales en la serie de espectros se observa que
uacutenicamente estaacuten presentes en SM_M5_Alim degradaacutendose estas estructuras durante el
proceso de digestioacuten Una uacuteltima cuestioacuten relativa a esta estructura carboxiacutelica es localizar
el propio grupo carboxiacutelico que debe aparecer de 10 a 13 ppm Dicho intervalo estaacute vaciacuteo
de sentildeales sin embargo se tiene la certeza de la existencia de grupos carboxiacutelicos en las
muestras ya que los anaacutelisis de cromatografiacutea indican un contenido en AGVs C2 - C7 de
63 gmiddotl-1 y 32 gmiddotl-1 en las muestras SM_M5_Alim y SM_M5_0 y estos AGVs deberiacutean
estar disueltos en la fraccioacuten extraiacuteda por el DMSO-d6 Por lo tanto se sugiere que los
protones ligados a los grupos carboxiacutelicos se encuentran sustituidos
La sentildeal emplazada en el intervalo 16 - 168 ppm no estaacute presente en las muestras de
alimentacioacuten correspondieacutendose probablemente con protones de grupos sulfhidrilos
sintetizados durante la digestioacuten - estabilizacioacuten
Analizando las sentildeales relativas a las insaturaciones (196 224 y 527 ppm) se observa
una disminucioacuten de protones de 84 durante el proceso de digestioacuten lo que sugiere una
casi completa destruccioacuten de estos dobles enlaces permaneciendo su abundancia
invariable durante el proceso de estabilizacioacuten
181
La sentildeal asimilada a grupos amino metino o metilenos unidos a amidas (315 - 320 ppm)
presenta una ligera variacioacuten en su desplazamiento quiacutemico a lo largo del experimento lo
que sugiere alguacuten cambio en el entorno molecular de estos protones A su vez el
incremento en la intensidad de la sentildeal indica una densificacioacuten de estas estructuras lo
que podriacutea representar un almacenamiento de nitroacutegeno durante el proceso de
estabilizacioacuten del digerido
La evolucioacuten de la sentildeal del glicerol refleja la raacutepida degradacioacuten de este co-substrato
durante la fase de digestioacuten de manera que apenas se aprecian los multipletes en el
espectro SM_M5_0 Hay que considerar que pese a la interferencia ocasionada por los
restos de agua dado el efecto sumatorio de las sentildeales en caso de persistir resto de
glicerol durante la estabilizacioacuten se veriacutea reflejado sobre la base de la sentildeal del agua
Del mismo modo las sentildeales situadas en el intervalo 35 - 40 ppm identificadas con
protones de radicales metilo etilo y metilenos unidos a amidas eacuteter ndashO-Rrsquo ndashOCO Rrsquo y ndash
OCO-R (donde R es un radial alkilo y Rrsquo = fenol) desaparecen de los espectros tras el
proceso de digestioacuten a excepcioacuten de una deacutebil sentildeal registrada a 382 ppm (relacionada
con metilos ligados a grupos ndashO-R o ndashOCO-R donde R sea un radical fenoacutelico) que
permanece invariable en los tres espectros de digerido
Los grupos metoxi en anillos aromaacuteticos identificados a 504 ppm aparecen ampliamente
en la naturaleza constituyendo aacutecidos hidroxicinaacutemicos como el feruacutelico o el sinapiacutenico
que aparecen repetidamente en la materia lignoceluloacutesica (Seca et al 2000)
Considerando el caraacutecter recalcitrante de esta materia seriacutea esperable una amplia
presencia en los espectros desde el inicio del seguimiento Sin embargo los anaacutelisis RMN
apenas detectan sentildeal en la muestra de alimentacioacuten incrementaacutendose durante los
procesos de digestioacuten y de estabilizacioacuten Este resultado sugiere el enmascaramiento de
estos protones propios de la lignina ocasionado por ejemplo por un alto grado de
sustitucioacuten (Adani et al 2006) Por contra su aparicioacuten conforme avanza el experimento
podriacutea explicarse por el propio proceso de maduracioacuten ligado a la estabilizacioacuten ya que
este tipo de estructuras son frecuentes en los coloides de la materia humificada
Esta sentildeal a 504 ppm estaraacute ligada a la evolucioacuten de las sentildeales en la regioacuten de los
aromaacuteticos (64 - 86 ppm) Asiacute pues la sentildeal detectada en torno a 718 ppm asimilada a
182
protones aromaacuteticos presentes en la lignina o en sustancias huacutemicas aparece en los cuatro
espectros presentando un incremento en la intensidad de sentildeal con respecto a la muestra
de alimentacioacuten de 18 durante el proceso de digestioacuten 42 a los tres meses de
estabilizacioacuten y 110 al finalizar la estabilizacioacuten De forma anaacuteloga a lo comentado en
los grupos metoxi identificados previamente este resultado sugiere una amplia sustitucioacuten
de los protones de la materia lignoceluloacutesica debieacutendose el incremento de la sentildeal a la
formacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten Finalmente dentro de esta
regioacuten de los protones aromaacuteticos aparece la sentildeal de los protones benceacutenicos (782 ppm)
la cual aumenta su intensidad conforme a lo explicado
7422 Evolucioacuten del proceso de estabilizacioacuten en reacutegimen teacutermico ambiental
Al analizar los espectros de las Figuras 710 711 712 y 713 se pueden identificar las
principales sentildeales descritas en el experimento anterior mostrando asiacute mismo una
similitud en la evolucioacuten detectada mediante 1H RMN
Figura 710 Espectro 1H RMN de la alimentacioacuten introducida en el reactor
(SM_M8_Alim)
183
Figura 711 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido (SM_M8_0)
Figura 712 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 3 meses
(SM_M8_1)
Figura 713 Espectro 1H RMN de la muestra de digerido estabilizado durante 10 meses
(SM_M8_2)
184
- Identificacioacuten de las sentildeales en los anaacutelisis 1H RMN
La identificacioacuten de las sentildeales de los espectros SM_M8 es anaacuteloga a la descrita para el
caso SM_M5 por lo que soacutelo se citaraacuten las diferencias con respecto a este uacuteltimo
Asiacute pues a 142 ppm aparece una sentildeal aislada sin detectarse ninguacuten pico a 146 ppm
(como en el caso de SM_M5) lo que confirmariacutea nuevamente su equivalencia con los
carbonos gamma no terminales de radicales carboxiacutelicos Esta sentildeal estaraacute por tanto
relacionada con la situada a 204 ppm identificada con los metilenos beta ligados a grupos
carboxilo
- Seguimiento del proceso de estabilizacioacuten del digerido de SM_M8 mediante
espectroscopiacutea de 1H RMN
Analizando la evolucioacuten de las estructuras quiacutemicas identificadas en este conjunto de
espectros de SM_M8 se comprueba como la afilada sentildeal de los metilos alifaacuteticos
terminales (082 ppm) desaparece dando lugar a un conjunto de sentildeales distribuidas en el
intervalo 055 - 095 ppm El aacuterea de esta sentildeal retrocede respecto a SM_M8_Alim tras el
proceso de digestioacuten posteriormente la sentildeal se incrementa conforme avanza la
estabilizacioacuten
La sentildeal a 122 ppm (relativa a los metilenos alifaacuteticos) disminuye un 95 durante el
proceso de digestioacuten y un 2 adicional durante la estabilizacioacuten
La sentildeal situada a 142 ppm y relacionada con los carbonos gamma no terminales estaacute en
sintoniacutea con la detectada a 204 ppm (1097 respectivamente) con lo que de nuevo se
cumple la premisa apuntada en el apartado homoacutelogo del reactor SM_M5 Sin embargo
en contraposicioacuten de este no aparece la sentildeal indeterminada a 146 ppm
Estas estructuras carboxiacutelicas aparecen solo en el espectro SM_M8_Alim sugiriendo su
degradacioacuten durante la digestioacuten
De forma anaacuteloga al caso anterior la sentildeal del propio grupo carboxiacutelico (10 - 13 ppm) no
es detectada teniendo seguridad en la presencia de estos grupos en las muestras ya que
185
los anaacutelisis de AGVs C2 - C7 indican un contenido de 52 gmiddotl-1 y 31 gmiddotl-1 en las muestras
SM_M8_Alim y SM_M8_0
La sentildeal de los metilenos contiguos a insaturaciones (19 ppm) estaacute uacutenicamente visible en
el espectro de SM_M8_Alim A su vez la intensidad de sentildeal de los propios protones de
la insaturacioacuten (52 a 535 ppm) disminuye un 88 durante la digestioacuten permaneciendo el
remanente estable durante el proceso de estabilizacioacuten
La sentildeal relacionada con grupos amino metino o con metilenos unidos a amidas (315 -
320 ppm) se incrementa conforme evoluciona el proceso digestioacuten - fermentacioacuten lo que
de modo similar a lo comentado en el reactor SM_M5 podriacutea ser un reflejo del
almacenamiento de N en el digerido
La sentildeal de glicerol obtenida en la muestra SM_M8_Alim presenta una intensidad muy
inferior a la detectada en su homoacutelogo SM_M5_Alim Esta diferencia se debe a una
peacuterdida de la muestra original que obligoacute a tomar una segunda muestra del lote de
alimentacioacuten del SM_M8 varios meses despueacutes lo que explica esta degradacioacuten del
glicerol detectada en el espectro En los anaacutelisis aplicados al digerido apenas puede
apreciarse la sentildeal lo que evidencia la raacutepida degradacioacuten del glicerol durante la
digestioacuten
La sentildeal vinculada a metilos unidos a grupos ndashO-Rrsquo o ndashOCO-Rrsquo donde Rrsquo sea un radical
fenoacutelico (382 ppm) parece incrementarse durante la digestioacuten permaneciendo invariable
durante la estabilizacioacuten De forma general el intervalo 35 - 40 ppm presenta una menor
densificacioacuten de sentildeales con respecto a SM_M5_Alim lo cual pudiera relacionarse con
una degradacioacuten del lote de alimentacioacuten posterior al ensayo
Las sentildeales relacionadas con grupos metoxi en anillos aromaacuteticos (495 - 515 ppm)
podriacutean corresponder a los aacutecidos hidroxicinaacutemicos constituyentes de la lignina sin
embargo dado el aumento continuo en la intensidad de sentildeal a lo largo del seguimiento
podriacutea reflejar el incremento en estructuras aromaacuteticas durante la maduracioacuten
sugirieacutendose asiacute mismo un enmascaramiento de los protones de la materia
lignoceluloacutesica
186
Del mismo modo las sentildeales identificadas como protones en estructuras aromaacuteticas (705 -
730 ppm) y los protones benceacutenicos (782 ppm) se incrementan un 5 durante el proceso
de digestioacuten y un 15 y 16 a los 3 y 10 meses de comenzar la estabilizacioacuten
75 CONCLUSIONES
La produccioacuten residual de biogaacutes disminuye hasta anularse durante el ensayo de
estabilizacioacuten
En base a la evolucioacuten del N-amoniacal registrada durante el proceso completo puede
considerarse la conservacioacuten del contenido en nitroacutegeno orgaacutenico durante el
almacenamiento
El periodo miacutenimo de estabilizacioacuten considerado para este residuo es de 2 meses ya
que los paraacutemetros fiacutesico ndash quiacutemicos analizados durante el seguimiento del ensayo
consigue estabilizarse en torno a este periodo de proceso
El seguimiento de la evolucioacuten del digerido mediante 1H RMN evidencia la
degradacioacuten de los compuestos alifaacuteticos durante la digestioacuten y la posterior formacioacuten y
densificacioacuten de estructuras aromaacuteticas durante la estabilizacioacuten
La maduracioacuten del digerido registrada mediante 1H RMN es superior en el reactor
mesofilico frente al estabilizado en condiciones teacutermicas ambientales lo que demuestra la
idoneidad de la primera teacutecnica al menos en estaciones friacuteas
AGRADECIMIENTOS
Se desea agradecer la colaboracioacuten de la Unitat de RMN del Parc Cientific de Barcelona
por el acceso al espectroacutemetro de RMN Bruker Avance 600 MHz y de manera especial a
Dr Margarida Gairiacute
187
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organosolv lignins from wheat straw Industrial Crops and Products 23 180 - 193
189
190
ANEXO 71
(Graacutefico de temperatura media diaria del periodo de estabilizacioacuten de SM_M8)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
tiempo (d)
Tem
per
atu
ra m
edia
(ordmC
)
191
192
8 Conclusiones generales
La realizacioacuten del trabajo experimental de digestioacuten y co-digestioacuten de residuos
agroindustriales permite extraer las siguientes conclusiones
81 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN EN DISCONTINUO Y LOS
CO-SUBSTRATOS EMPLEADOS
Dentro de los residuos ganaderos analizados en este trabajo y bajo condiciones
mesofiacutelicas el puriacuten porcino presentoacute el mayor potencial de produccioacuten de metano
obtenieacutendose en el caso del lote SM_M un rendimiento de 512 l CH4 middot kgSV-1 frente a
los 308 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol ovino y los 234 l CH4 middot kgSV-1 del estieacutercol
vacuno
La peladura de patata la patata frita residual y la glicerina utilizadas son co-substratos
aptos para la digestioacuten de residuos ganaderos en cuanto a produccioacuten de metano y
estabilidad del proceso ademaacutes una fermentacioacuten unitaria de estos subproductos
agroindustriales puede ser inestable o inviable
195
82 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE DIGESTIOacuteN Y CO-DIGESTIOacuteN EN
SEMICONTINUO DE ESTIEacuteRCOL OVINO - RESIDUO DE PATATA
La digestioacuten anaerobia del estieacutercol ovino y su co-digestioacuten con peladuras de patata y
patata frita residual se llevaron a cabo satisfactoriamente con aportes de carga
orgaacutenica comprendidos entre 25 y 4 KgSVmiddotm-3middotd-1 consiguiendo rendimientos de
produccioacuten de metano de 1358 l CH4 middot kgSV-1 en el sistema de estieacutercol y valores
comprendidos entre 2776 y 3844 l CH4 middot kgSV-1 en los sistemas de co-digestioacuten
Paralelamente al incremento en la metanizacioacuten la co-digestioacuten mejoroacute el proceso de
degradacioacuten aumentando la destruccioacuten de SV y la DQO eliminada
Aunque el incremento en la carga orgaacutenica aportada al reactor aumenta la produccioacuten
de metano la eficiencia de la biometanizacioacuten depende del sinergismo derivado de la
naturaleza de los substratos-mezcla
En base a los resultados experimentales se considera como carga orgaacutenica oacuteptima 35
kgSVmiddotm-3middotd-1 para la mezcla estieacutercol ovino - patata frita residual y 25 kgSVmiddotm-3middotd-1 en
el caso de emplear la mezcla estieacutercol ovino - peladura de patata
83 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE CO-DIGESTIOacuteN EN SEMICONTINUO DE
PURIacuteN PORCINO - GLICERINA
La co-digestioacuten anaerobia ha probado ser una opcioacuten adecuada para incrementar la
produccioacuten de biogaacutes apreciaacutendose un incremento en el rendimiento conforme
aumenta el contenido en glicerina de la mezcla aportada Los reactores suplementados
con un 2 5 y 8 presentaron una produccioacuten de metano de 2492 3328 y 3966 l
CH4 middot kgSV-1 respectivamente (equivalentes a 010 014 y 017 l CH4 middot gCOD-1)
Pese a la mejora en la relacioacuten CN conseguida con el aporte de glicerina el contenido
de amoniaco libre superoacute los valores considerados inhibitorios contribuyendo a la
incapacidad de los sistemas para lograr condiciones estables durante el periodo de
estudio
196
A parte del rendimiento de metanizacioacuten en la determinacioacuten de la relacioacuten de mezcla
oacuteptima deben considerarse aspectos relativos a la estabilidad del proceso de digestioacuten
que minimice los costes de operacioacuten El aumento del contenido en glicerina supuso
un incremento en la produccioacuten de metano pero tambieacuten en la concentracioacuten de AGVs
del lecho de digestioacuten
84 RESPECTO A LOS ENSAYOS DE ESTABILIZACIOacuteN DE EFLUENTES DE
DIGESTIOacuteN ANAEROBIA
El anaacutelisis termogravimeacutetrico y la espectrometriacutea de RMN aplicada a los digestatos de
estieacutercol vacuno y puriacuten-glicerina permitieron comprobar la degradacioacuten inicial de los
componentes faacutecilmente oxidables y su posterior transformacioacuten en materiales
estables Conforme avanza el proceso de estabilizacioacuten o degradacioacuten-estabilizacioacuten se
produce un incremento en la calidad de la materia orgaacutenica caracterizado por la
formacioacuten y densificacioacuten de componentes termoestables complejos nitrogenados y
estructuras aromaacuteticas
197
198
- 00 Portada Tesis
- A Iacutendice General
- B Iacutendice de Figuras
- C Iacutendice de Tablas
- D Resumen-Abstract
- PortCap1
- 01 Introduccioacuten
- PortCap2
- 02 Antecedentes y Objetivos
- PortCap3
- 03 Material y Meacutetodo
- PortCap4
- 04 Digestioacuten en Fase Liacutequida de Estieacutercol ovino y residuos de patata
- PortCap5
- 05 Ensayos de digestioacuten estieacutercol meso-termofiacutelico
- PortCap6
- 06 Ensayos de codigestioacuten de sistemas de puriacuten - glicerina
- PortCap7
- 07 Ensayos de estabilizacioacuten del efluente de digestioacuten de puriacuten glicerina
- PortCap8
- 08 Conclusiones
-
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