1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad la digestión anaerobia es ampliamente usada no sólo como una alternativa en el tratamiento de los diferentes tipos de residuos (RSM, RSO, LR, etc.) sino como una alternativa forma de energía que puede ser económicamente viable.

La fermentación sólida puede ser definida como un cultivo de microorganismos adheridos a un soporte sólido poroso y humedecido en el cual el medio líquido está extendido en una capa muy fina en contacto con una interface aérea. Las bacterias, levaduras y hongos son los microorganismos que pueden crecer en fermentación sólida, pero la mayoría de las investigaciones se llevan a cabo con hongos filamentosos. A este proceso, por sus iníciales se le conoce como FES. Este tipo de digestión es económicamente atractiva en comparación con la práctica convencional de tratamiento de residuos sólidos municipales.

El proceso de la digestión anaerobia consiste en cuatro fases: hidrólisis (bacterias hidrolíticas), acidogénesis (acidogénicas), acetogénesis (acetogénicas) y la metanogénesis (metanogénicas).

Kalyuzhnyi et. al., 1999 desarrollaron un modelo matemático de la fermentación anaeróbica en estado sólido (FAES), en el cual profundizan a cerca de la transferencia de masa entre dos tipos de partículas y el requerimiento de éstas dos para que el proceso funcione mejor. En este trabajo se estudia dicho modelo, además de probarlo en el software Berkeley Madonna.

2. DESARROLLO

2.1 Etapas de la Fermentación Anaerobia en Estado Sólido

2.1.1 Hidrólisis

La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los microorganismosa menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la pared celular. Lahidrólisis es el primer paso necesario para la degradación anaeróbica de sustratos orgánicoscomplejos. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que proporciona sustratos orgánicos para ladigestión anaeróbica. La hidrólisis de estas moléculas complejas es llevada a cabo por la acciónde enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolíticos.La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todocuando se tratan residuos con alto contenido de sólidos. Además, la hidrólisis depende de latemperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición bioquímica delsustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas,del nivel de pH, de la concentración de NH 4+ y de la concentración de los productos de lahidrólisis.

2.1.2 Etapa fermentativa o acidogénica

Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles encompuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético,fórmico, H2) y compuestos orgánicos más reducidos (propiónico, butírico, valérico, láctico yetanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas en la siguienteetapa del proceso. La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no sólo radica enel hecho que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan posteriormente, si noque, además eliminan cualquier traza del oxígeno disuelto del sistema.Este grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaeróbicas obligadas,colectivamente denominadas bacterias formadoras de ácidos.

2.1.3 Etapa acetogénica

Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente porlos organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles y algunoscompuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, como acetato(CH3COO-) e hidrógeno (H2), a través de las bacterias acetogénicas. Representantes de losmicroorganismos acetogénicos son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos.Este tipo de bacterias son capaces de crecer heterotrófiamente en presencia de azúcareso compuestos monocarbonados (como mezcla H2/CO2) produciendo como único productoacetato. Al contrario que las bacterias acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como

resultado de su metabolismo, sino que lo consumen como sustrato. Según se ha estudiado, elresultado neto del metabolismo homoacetogénico permite mantener bajas presiones parcialesdel hidrógeno y, por tanto, permite la actividad de las bacterias acidogénicas y acetogénicas.Los principales microorganismos homoacetogénicos que han sido aislados son Acetobacteriumwoodii o Clostridium aceticum.

A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaeróbicas han extraído todo el alimentode la biomasa y, como resultado de su metabolismo, eliminan sus propios productos de desechode sus células. Estos productos, ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar comosustrato las bacterias metanogénicas en la etapa siguiente.

2.1.4 Etapa metanogénica

En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los productosresultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos pueden serconsiderados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios,ya que son los responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de losproductos de los grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general debiometanización.Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica mediantela formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbonounidos por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.Los organismos metanogénicos se clasifian dentro del dominio Archaea y tienen característicascomunes que los diferencian del resto de procariotas.Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del sustrato principalque metabolizan: hidrogenotrófios, que consumen H2/CO2 y fórmico y acetoclásticos, queconsumen acetato, metanol y algunas aminas.Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaeróbicos se forma apartir de la descarboxilación de ácido acético, a pesar de que, mientras todos los organismosmetanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sólo dos génerospueden utilizar acetato. Los dos géneros que tienen especies acetotrófias son Methanosarcinay Methanothrix. El metano restante proviene de los sustratos ácido carbónico, ácido fórmicoy metanol. El más importante es el carbónico, el cual es reducido por el hidrógeno, tambiénproducido en la etapa anterior.

2.2 Microorganismos involucrados en cada fase de digestión anaeróbica

Las especies de microorganismos involucrados en el proceso varían dependiendo de losmateriales que serán degradados. Los alcoholes, ácidos grasos, y los enlaces aromáticospueden ser degradados por la respiración anaeróbica de los microorganismos. En la Tabla 1.1 se presentan los microorganismos que participan en las cuatro etapas de la digestión.

Tabla 1.1 Bacterias que participan en el proceso de fermentación durante las cuatro fases

2.3 Ventajas de la Fermentación Anaerobia en estado sólido

Económicamente atractiva en comparación con las prácticas convencionales de tratamientos de residuos sólidos municipales (RSM)

Sustentablemente más barato que la incineración y los vertederos y no más caro que el compostaje anaeróbico.

Generación de fuentes de energía (metano)

Reducción de emisiones de CO2

2.4 Análisis del artículo Modelo de dos partículas (Two Particles Model)

• Kalyuzhnyi et. al., 1999 desarrollaron un modelo matemático de la fermentación anaeróbica en estado sólido (FAES), donde postulan la existencia de dos diferentes tipos de partículas dentro de la fermentación de masa sólida: las llamadas partículas “semilla” (material ya digestado) con baja biodegradabilidad y baja actividad metanogénica y las partículas “residuo” (Material de residuo fresco para ser digestado) con alta biodegradabilidad y baja actividad metanogénica.

El modelo incluye reacciónes múltiples de estequiometria, cinética de crecimiento microbiano, balances de matera, interacciones de líquido-gas y equilibrio químico en fase líquida. El modelo teórico concuerda en el nivel cualitativo con estudios experimentales existentes de ASSF. Simulaciones hipotéticas por ordenadores son presentadas para demostrar la influencia de biodegradabilidad y la intensidad de transferencia de masa en la estabilidad de ASSF. Sobre estas bases, posibles mediciones son propuestas para prevenir acumulación de ácidos grasos volátiles dentro de las “semillas” más allá de su capacidad metanogénica asimilativa.

Los objetivos de éste trabajo fueron:

1) Desarrollar un modelo matemático de ASSF tomando en cuenta múltiples reacciones de estequiometria y trasferencia de masa dentro del sistema;

2) Investigar con ayuda del modelo, posibles escenarios de procesos de desarrollo bajo varias condiciones.

2.4.1 Cinética

La cinética se basa en los siguientes supuestos y postulados:

1. Los pasos de hidrólisis proceden de acuerdo a la cinética de primer orden y la constante de hidrólisis k se expresa por la ecuación adaptada de Veeken et al. (2000) para TJEG de residuos orgánicos:

2. Para todos los pasos bacterianos, cinética de la reacción para el dióxido de carbono, amoníaco y el agua es de orden cero en sus concentraciones, ya que están presentes en concentraciones saturadas en el medio reactor.

3. El crecimiento de la biomasa procede de acuerdo con los llamados cinética basada en equilibrio (Hoh y Cordón-Ruwish, 1996) con modulación pH:

Donde M (m) j- (máximo) la tasa de crecimiento específico de bacteria j: Si-concentración de sustrato i; Saturación Ki-Monod constante para Sustrato i.

Ecuación de crecimiento basadas en el equilibrio se utilizó para predecir correctamente las tasas de crecimiento de AB cuando están debería ser cero debido a la variación de energía libre es cero. La forma general de I término inhibición en la ecuación. (18) se deriva de la relación de acción de masas y para el crecimiento única limitación de sustrato tiene una forma:

Dónde

4. El efecto del pH sobre las tasas de crecer se describe por una función de segundo grado pH Michaelis, normalizado para dar un valor de 1,0 como el valor central (Kalyuzhnyi, 1997):

Dónde pK1 y PKU-baja los valores de la bajada de pH superiores a la tasa de crecimiento, respectivamente, y.

5. Todas las formaciones de productos están acoplados directamente a la producción de biomasa debido a la naturaleza dissimilatory de la digestión anaerobia.

6. descomposición bacteriana es descrito por cinética de primer orden.

7. consumo de sustrato para el mantenimiento se incorpora en el rendimiento global de la biomasa.

2.4.2 Equilibrio químico de la fase líquida

Para el cálculo de los valores de pH y concentraciones de (des) disociado especies formas dentro de las partículas de ambos durante el proceso, se utilizó el método descrito anteriormente (Kalyuzhnyi, 1997). En resumen, el valor pH se calcula a partir de la ecuación de equilibrio iónico, que incluye todos los compuestos ionizados en la fase líquida de cada partícula,

La transferencia de masa entre partículas. Según nuestra hipótesis, la transferencia de masa de solutos entre las partículas es traído por difusión. De manera simplificada, la tasa de este transporte M i se puede presentar como:

Donde D I - coeficiente de difusión para el sustrato en el medio de partícula i, L s y L w -

longitudes de "enviar" (subíndice s) y los residuos por partículas (subíndice p), respectivamente.

Los balances de materia. Sobre la base de suposiciones sobre una mezcla completa dentro de dos partículas, un balance de materia general para cualquier componente no gaseoso en la fase líquida de reactor discontinuo se puede escribir como:

Para concentraciones líquidas de compuestos gaseosos GS i (de hidrógeno, dióxido de carbono metano) desde luego, la Ec. (22) debe contener un término adicional que describe una camiseta de la transferencia de masa i en la fase gaseosa, es decir,

Donde k L a - coeficiente de transferencia de masa del líquido a la fase gaseosa; Él i y p i -Henry coeffient y la presión parcial en la fase gaseosa por el sustrato i-gaseoso.

La presión parcial p i en el volumen de gas se calcula mediante un balance de componente alrededor de la fase de gas (presión total en el espacio de cabeza del reactor fue aceptada para ser igual a 1 atm):

Donde v i volumen específicas de sustrato i-gaseoso; V L y V g - volumed de fases líquidas reactor y gas, respectivamente.

Un saldo total da la velocidad de flujo volumétrico de gas G del reactor;

Los parámetros del modelo. Los parámetros del modelo físico-químicos fueron tomadas directamente de la literatura (Kalyuzhnyi, 1997). Parámetros del modelo bacterianas (Tabla 1) fueron adpted del modelo anterior (Veekend et al., 2000) o tomados para ser consistente con los datos de literatura (Pavlostathis y Giraldo-Gómez, 1991). Coeficiente de Difusión para el hidrógeno se tomó como 6,5. 6.10 cm 2 / s, para el resto de los solutos - como 2.0.10 -16 cm 2 / s. Por simplicidad, L s y L w fueron ACEPTED ser la misma (0,5 cm).

2.4.3 Conclusiones

Kalyuzhnyi et. al. concluyeron de la siguiente manera:

Según el modelo, el punto crucial para llegar a una ASSF "sana" en un proceso por lotes de una sola etapa consiste en la prevención de la acumulación de AGV en el interior de las partículas "semilla" más allá de su capacidad de asimilación metanogénica. Las medidas posibles pueden el incluir lo siguiente:

Reducir la biodegradabilidad de los residuos (por ejemplo, por dilución con materiales poco degradables)

Frenar el transporte de soluto (principalmente AGV) de "desechos" a las partículas de "semilla" (por ejemplo, la separación espacial de ambos tipos de partículas).

Uso de un reactor de flujo de pistón con la alimentación semi-continua.

Aunque no hemos podido encontrar todavía un conjunto adecuado de los datos experimentales para validar el modelo cuantitativo, el primer paso ha sido todavía emprendido en esta dirección. Sobre la base del modelo de dos partículas, Veeken y Halmers (2000) han desarrollado el modelo de reactor para interpretar sus experimentos sobre ASSF de residuos con recirculación de lixiviados. Se espera que se desarrollen más experimentos prácticos para confirmar el enfoque declarado.

3. Caso 4

En base al análisis del modelo propuesto por Kalyuzhnyi et. al. se procedió a simular en el software Berkeley Madonna, introduciendo el código de la siguiente manera:

De la corrida anterior se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 1. Código en Berkeley Madonna para para el grupo de bacterias X1

En ésta gráfica se puede observar que el biogás (mezcla de CO2, CH4, H2) aumenta en gran cantidad a medida que aumenta el tiempo. Esto puede ser un reflejo de que se ha controlado el problema de acidez provocado por la gran producción de AGVs. Además de que en la etapa de hidrólisis las moléculas no se encuentran accesibles a las bacterias por lo cual la producción de biogás al inicio es nula.

Figura 1.2 Gráfica GSisw vs Tiempo.

Figura 1.3 Gráfica GSisw, tisw1 vs Tiempo

De esta gráfica se observa que la transferencia de masa entre las dos partículas aumenta con el paso de los días, lo cual también contribuye en la producción de biogás.

4. Conclusión El modelo matemático de Kalyuzhnyi analizado ayuda en la simulación del proceso de

fermentación, ya que a través de éste se ha logrado contribuir al desarrollo de una fermentación estable.

Tal como Kalyuzhnyi pronosticó, el requerimiento de la partícula “semilla” es importante, ya que beneficia la producción de metano.

El aumento en la transferencia de masa entre las partículas analizadas contribuyó a una mayor producción de metano.

5. Bibliografía

• Díaz P., Daniel, (2009) Desarrollo de un inóculo con diferentes sustratos mediante fermentación solida sumergida.

• Kalyuzhnyi. 1997. Batch anaerobic digestion of glucose and itsmathematical modeling. I. Kinetic investigations. BIORESOURCE TECHNOLOGY. Vol. 59: 73-80.

• Kalyuzhnyi. 1997. Batch anaerobic digestion of glucose and itsmathematical modeling. I. Description, verification, and application of the model. BIORESOURCE TECHNOLOGY. Vol. 59: 249-258.

• Piña M., Oscar. (2007). Degradación y estabilización acelerada de residuos sólidos urbanos (RSU) por tratamientos aerobios y anaerobios.