MEJORAMIENTO Y MODELIZACIÓN CINÉTICA DEL POTENCIAL DE BIOMETANIZACIÓN DE LA GALLINAZA DE JAULA A PARTIR DE

CODIGESTIÓN ANAEROBIA CON GLICEROL RESIDUAL

Informe final

JOSE DANIEL MARÍN BATISTA

Estudiante de Ingeniería Química

Director: Liliana Castro Molano

Ing. Química Ph.D

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA-CARTAGENA

Grupo de Investigación en ciencias de Ingeniería - GICI

Cartagena

2013

IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO

TÍTULO DEL

PROYECTO

Mejoramiento de la producción de metano a partir de

Gallinaza de jaula mediante codigestión anaerobia,

utilizando glicerol como cosustrato

RESPONSABLE

José Daniel Marín Batista

LUGAR DE

EJECUCIÓN Laboratorio de Biotecnología

Universidad Industrial de Santander-UIS

VIGENCIA

Fecha de Inicio: 17 de octubre de 2012.

Fecha de finalización: 19 de Julio de 2013.

INFORMACIÓN DEL DIRECTOR

NOMBRE LILIANA CASTRO MOLANO

IDENTIFICACIÓN

(c.c.) CC 63. 520. 246 de Bucaramanga

DIRECCIÓN Universidad Santo Tomas, Laboratorio de Materiales, Cr

18 9-27. Bucaramanga-Santander.

E- MAIL Pilicasmo84@gmail.com

TELÉFONO Cel: 300 808 9528

INFORMACIÓN DEL ESTUDIANTE RESPONSABLE DEL PROYECTO

NOMBRE JOSÉ DANIEL MARÍN BATISTA

IDENTIFICACIÓN

(c.c.) CC 1.143.354.782 de Cartagena

DIRECCIÓN Urbanización quintas del manantial Mz C, Lt 3

E- MAIL Jdmbatista05@hotmail.com

TELÉFONO Cel: 301 575 54 70

FECHA DE ENTREGA DE DOCUMENTO 1 de octubre del 2013

RESUMEN EJECUTIVO

Las explotaciones avícolas en Colombia representan el 40% del área total

destinada a las actividades pecuarias, generando 3.436.204 ton/año de estiércol

(Gallinaza) que a su vez se convierten en uno de los residuos orgánicos más

representativos de este sector productivo por su cantidad. La gallinaza de Jaula se

compone de una mezcla de plumas, deposiciones sólidas y deyecciones líquidas

de las aves, que requiere de tratamientos de estabilización para evitar

contaminación por malos olores (Escalante Hernández, Orduz Prada, & Zapata,

2010) (Estrada Pareja, 2005).

En el departamento de Santander, una de las empresas más representativas del

sector ha realizado grandes esfuerzos por aprovechar mediante la tecnología del

compostaje los 50,260.5 Ton/año de gallinaza de Jaula generados durante las

actividades de explotación avícola. Esta tecnología no ha sido suficiente para

estabilizar la cantidad de residuo generado a diario en la empresa generando

inconvenientes en la disposición final sumado al elevado consumo de combustible

fósil como el ACPM, gas propano y gasolina empleados en el sistema de

calefacción de las criadoras y del cocinador que permite convertir a las aves

muertas en harina como suplemento alimenticio para el ganado. Por tanto, nace la

necesidad de estudiar una alternativa que permita satisfacer las insuficiencias del

sector avícola en cuanto a la disipación final a la gallinaza de jaula (Revista-

Dinero, 2005) (Sierra Rios, 2013).

El alto contenido de materia orgánica biodegradable, humedad e importante poder

calórico de la gallinaza de jaula hace posible el aprovechamiento de este residuo

mediante la tecnología de la digestión anaerobia. Los procesos de bioconversión

anaerobia son producto de la acción de una matriz microbiana que permiten

estabilizar la biomasa a bajo costo operacional, disminuir su impacto ambiental

(reducción de olores y emisiones de gases efecto invernadero) y obtener un

producto de valor agregado energético, denominado biogás (metano y dióxido de

carbono) (Castro Molano & Guzmán Luna, 2012) (Ward, Hobbs b, Holliman, &

Jones, 2008). (Moncallo, G, 2011)

La máxima producción especifica de metano obtenible mediante digestión

anaerobia de la gallinaza de jaula corresponde 0.43 m3 CH4/kg Sólidos Volátiles

adicionados. De acuerdo con la caracterización fisicoquímica del sustrato, la

gallinaza de Jaula posee un bajo contenido de Carbono y alto contenido de

Nitrógeno en forma de proteínas, que al ser biodegradadas anaerobiamente

liberan un exceso de iones amonios inhibidores del consorcio microbiano, lo cual

dificulta alcanzar un valor en la producción de metano cercano al valor máximo de

producción especifica (Sierra Rios, 2013) (Abouelenien, Fujiwara, Namba, &

kosseva, 2010).

Por lo anterior, se estableció a la codigestión anaerobia como alternativa de

mejoramiento de la producción de biogás a partir de gallinaza de jaula. La

codigestión anaerobia consiste en la adición de un residuo complementario que

genera una mezcla de sustratos con características más apropiadas para su

biodegradación anaerobia. El cosustrato seleccionado fue el glicerol residual

teniendo en cuenta su alto contenido de carbono orgánico de fácil biodegradación,

que al ser mezclado con gallinaza de jaula permite incrementar la relación C/N

representándose en un aumento de la producción neta de biogás (Mata-Alvarez,

Dosta, Macé, & Astals, 2011).

Los procesos de biodegradación anaerobia se llevan a cabo en cuatro etapas: (a)

hidrólisis, (b) Acidogénesis (c) acetogénesis y (d) metanogénesis. Estas etapas

son desarrolladas por la acción de un consorcio microbiano aportado por un

inóculo que debe ser seleccionado de acuerdo al potencial para desarrollar cada

una de las etapas anteriores (Quintero, Castro, Ortiz, Guzmán, & Escalante,

2012). En el caso de la gallinaza de Jaula la metanogénesis corresponde a la

etapa limitante del proceso. No obstante, la primera actividad de esta investigación

correspondió a la selección de un consorcio microbiano apropiado para la

biodegradación anaerobia de la gallinaza de jaula.

Dentro de la oferta de inóculos que presenta el departamento de Santander, El

lodo estiércol de cerdo, el estiércol bovino estabilizado y el lodo de un sistema de

tratamiento de aguas residuales domésticas fueron evaluados mediante actividad

hidrolítica (indicador del potencial del inóculo para hidrolizar proteínas, lípidos y

carbohidratos hasta sustancias menos complejas tales como amino ácido, ácidos

grasos y monosacáridos) y actividad metanogénica (Indicador del potencial del

inóculo para convertir hasta metano los compuestos reducidos durante la etapa

acetogénica) (Barrera, Salas, Castro, Ortiz, & Escalante, 2009). En base a los

resultados se seleccionó al estiércol bovino estabilizado como el inóculo idóneo

para la realización de ensayos de biometanización para la gallinaza de Jaula.

Estos resultados reposan en la memoria de una tesis de maestría: Sierra Ríos,

2013.

Para conocer el potencial de biometanización de la gallinaza de Jaula se

realizaron ensayos de biometanización a relaciones de inóculo/sustrato de 0.5, 1 y

1.5 (g-SV/g-SV). Todos los ensayos se realizaron por duplicado en biodigestores

de 500 ml utilizando un volumen de reacción de 350 ml. Los ensayos de

biometanización se llevaron a cabo en condiciones mesofílicas de temperatura

(39°C) con un tiempo de biodegración anaerobia de 8 días. Los azucares

reductores, ácidos grasos volátiles y volumen de metano correspondieron a las

variables de respuesta del proceso, La capacidad buffer del sistema y el pH

correspondieron a las variables de control del proceso. La relación de

inóculo/sustrato de 1 y 1.5 presentaron comportamientos apropiado de acuerdo

con los rangos establecidos para digestión anaerobia en cuanto a pH y estabilidad

del reactor. Esta actividad permitió seleccionar una relación de mezcla entre el

inóculo y sustrato para ensayos posteriores de codigestión anaerobia. La relación

inóculo/sustrato de 1 con potencial de biometanización de 0.07 m3-CH4/kg SV add,

se seleccionó como la relación más idónea.

La codigestión anaerobia se estudió mediante ensayos de biometanización con

biodigestores anaerobios de 50 ml y un volumen de reacción de 35 ml. La

operación se llevó a cabo en batch en condiciones mesofílicas de temperatura

(39°C). Se llevaron a cabo diferentes proporciones glicerol residual - gallinaza de

Jaula de 0:100 (control), 3:97, 5:95 y 10:90 a una relación inóculo/sustrato de 1, la

evolución del proceso para cada proporción se evaluó mediante el potencial de

biometanización alcanzado durante 30 días de biodegradación anaerobia. Los

resultados obtenidos en esta experimentación preliminar no fueron favorables. Se

optó por diluir el glicerol residual a concentraciones de 50 g/L, 25 g/L y 10 g/L

para ser mezcladas con gallinaza de Jaula a las mismas proporciones anteriores.

Los potenciales de biometanización alcanzados por la proporción de 5: 95 glicerol

residual diluido a 10 g/L y gallinaza de jaula presentó el mayor potencial de

biometanización. Los azucares reductores, ácidos grasos volátiles, volumen de

metano, capacidad buffer y pH correspondieron a las variables de respuesta y

control del proceso. La adición de glicerol residual a la gallinaza de jaula permitió

incrementar la producción específica de metano en un 54%.

El glicerol residual utilizado por esta investigación posee un pH de 4.3, humedad

de 38.2 %, concentración de sodio y potasio, 8.3 y 0.5 g/L, respectivamente. La

elevada concentración de metales pesado en el cosustrato propició estudiar su

incidencia sobre el potencial de biometanización mediante un ensayo de

biometanización a una proporción de 5: 95 glicerol sintético diluido a 10 g/L y

gallinaza de jaula. Sin embargo, el glicerol sintético incrementó la producción

especifica de metano de la gallinaza de jaula en un 43%, un 11% menos que el

glicerol residual permitiendo concluir que no el contenido de metales pesados en

el glicerol residual no presentó incidencia alguna sobre la producción de metano.

Para el estudio de la inhibición por iones amonios presentes en la biodegradación

anaerobia de la gallinaza de jaula, se aplicó el modelo anaerobic digestion model 1

(ADM1) el cual fue desarrollado para hacer aproximaciones del comportamiento

de plantas pilotos, operación de reactores y optimización de procesos. El modelo

permite establecer valores de inhibición por amonio libre en un rango de cero a

uno, donde el cero indica total inhibición en el proceso y uno indica un proceso

libre de inhibición. Los valores de inhibición establecidos para la gallinaza de Jaula

como único sustrato, mezcla gallinaza-glicerol sintético y mezcla gallinaza-glicerol

residual fueron 0.45, 0.59 y 0.62, respectivamente. Estos valores permiten

evidenciar que la adición de glicerol a la gallinaza de jaula permitió incrementar el

potencial de biometanización a causa de una disminución en la liberación de iones

amonios durante el proceso.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

Objetivo General

Mejorar la producción de metano a partir de Gallinaza de Jaula mediante

codigestión anaerobia, usando glicerol residual como cosustrato. Adicionalmente,

establecer los parámetros cinéticos para el modelamiento del PBM y la inhibición

por iones amonios.

Objetivos específicos

Determinar la producción especifica de metano a partir de gallinaza de Jaula

mediante ensayos de biodegradabilidad anaerobia.

Determinar la producción específica de metano mediante ensayos de

biodegradabilidad anaerobia para la mezcla gallinaza Jaula y glicerol.

Aplicar el modelo Anaerobic digestión model 1(ADM1) para describir la inhibición

por amonio.

Tabla de Indicadores de logros específicos

Objetivo Específico Tipo de resultado Resultado Indicador de logro Responsable %Cumplimiento

Determinar la producción

especifica de metano a partir de gallinaza de Jaula mediante

ensayos de biodegradabilidad

anaerobia

Generación de nuevo conocimiento o

desarrollo tecnológico

Caracterización fisicoquímica del

sustrato e inóculos

Selección de un consorcio microbiano

para la digestión anaerobia de la

gallinaza de jaula.

Radicación Artículo científico para la revista INGENIETOR de la Universidad San Buenaventura Seccional Cartagena (ANEXO 1).

Presentación de resultados en un congreso nacional (XIII Seminario

Internacional del Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible) (ANEXO 2)

Memoria tesis trabajo de grado

José Daniel Marín

100

Selección de una relación inóculo sustrato para determinación del

potencial de Biometanización de la

gallinaza de Jaula

Radicación Artículo científico para publicar en una revista indexada (Revista Colombiana de Biotecnología) (ANEXO 3)

Determinar la producción

específica de metano mediante ensayos de

biodegradabilidad anaerobia para la mezcla gallinaza Jaula y glicerol.

Generación de nuevo conocimiento o

desarrollo tecnológico

Mejoramiento de la producción de metano a

partir de gallinaza de Jaula

Memorias trabajo de grado

José Daniel Marin

100

Aplicar el modelo Anaerobic digestión model 1(ADM1) para describir la inhibición

por amonio

Generación de nuevo conocimiento o

desarrollo tecnológico

Determinación de rangos de inhibición por iones amonios libres en

la digestión y codigestión anaerobia de la gallinaza de jaula

José Daniel Marin

100

CONCLUSIONES

La digestión anaerobia de la gallinaza de jaula a 39°C y utilizando una relación

inóculo /sustrato de 1, alcanzó una producción de metano del 0.37 m3 de biogás/

kg SV de sustrato adicionado; correspondiente a un 85% de la máxima producción

neta de metano.

La producción específica de metano a partir de gallinaza de Jaula se puede

mejorar en un 54% mediante codigestión anaerobia utilizando glicerol residual

como cosustrato.

Los parámetros cinéticos calculados mediante la ecuación de Gompertz e

inhibición por iones amonios descriptas en el ADM1 confinan que la adición de

glicerol residual mejora el proceso de digestión anaerobia de la gallinaza de Jaula.

RECOMENDACIONES

Evaluar la digestión anaerobia de la Gallinaza de Jaula en operación continua, con

agitación y a temperatura ambiente; como alternativa tecnológica de menor costo

de operación.

Evaluar la codigestión de Gallinaza de Jaula glicerol en operación continua, con

agitación, temperatura ambiente; como alternativa industrial para la estabilización

de la gallinaza de jaula.

Implementar los parámetros cinéticos calculados por esta investigación en un

modelo de procesos anaerobios.

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7940.

ANEXO 1. ARTICULO PARA REVISTA INGENIATOR.

MEJORAMIENTO DEL ARRANQUE DEL PROCESO DE

DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LA GALLINAZA DE JAULA

J. M-Batista1, L. Castro1*, H. Escalante2*

Programa de Ingeniería química. Grupo de investigación en ciencias de la ingeniería, Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia 1.

Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia2.

RESUMEN

La Gallinaza de Jaula (GJ) se considera como el subproducto más representativo

del sector avícola en cuanto a cantidad. Este hecho representa un problema para

el sector que actualmente realiza esfuerzos por buscar alternativas de disposición

para la GJ. La digestión anaerobia (DA) es una tecnología poco utilizada en el

sector avícola, capaz de estabilizar la biomasa residual y obtener un subproducto

de valor agregado energético denominado biogás. La DA de la GJ requiere de un

consorcio microbiano capaz de adaptarse rápidamente ante los cambios en la

concentración de compuestos intermedios productos de la biodegradación del

sustrato. Por tanto, el propósito de este estudio fue evaluar la actividad hidrolítica

(AH) y actividad metanogénico especifica (AME) de tres inóculos con el fin de

seleccionar un consorcio microbiano adecuado para la DA de la GJ. El inóculo con

mayor AH y AME fue el Lodo Estiércol Bovino (LEB) con valores de 4.95 y 0.74 g

DQO/g SSV dias, respectivamente. La efectividad del LEB se evaluó mediante un

ensayo de biometanización durante 30 dias usando GJ como sustrato, el potencial

de biometanización alcanzado fue de 0.37 m3CH4/kg sólidos volátiles adicionados.

Palabras claves: Digestión anaerobia, actividad hidrolítica, actividad metanogénica

específica.

ANEXO 2. CARTA DE ACEPTACIÓN A CONGRESO DE BIOTECNOLOGÍA

ANEXO 3. ARTICULO PARA LA REVISTA COLOMBIANA DE

BIOTECNOLOGÍA.

Influencia de la relación inóculo/sustrato sobre el potencial de biometanización de la gallinaza de jaula Titulo corto: Potencial de biometanización de la gallinaza de jaula Título en ingles: "Influence of inoculum/substrate ratio on methane yield of chicken manure"

J.M. Batista1*, G. Portal 2, L. Castro1, H. Escalante2

1 Programa de ingeniería química. Grupo de Investigación en Ciencias de la Ingeniería. Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia. *Correspondencia: jdmbatista05@hotmail.com 2 Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia.

Resumen

El propósito de este estudio fue evaluar la influencia de la relación Inóculo/sustrato (RIS) sobre el potencial de biometanización de la gallinaza de jaula usando como inóculo estiércol bovino estabilizado. Se llevaron a cabo ensayos de biodegradación anaerobia a temperatura mesofílica de 39°C. Los azucares reductores totales, Ácidos volátiles totales y el volumen acumulado de metano fueron medidos para las RIS evaluadas de 0.5, 1.0 y 1.5. El mayor potencial de biometanización (0.13 m3-CH4/kg-SV add) se alcanzó cuando la biodegradación anaerobia se llevó a cabo con una RIS de 1.5. Los resultados obtenidos demuestran que la gallinaza es un sustrato potencial para ser degradado por digestión anaerobia y el rendimiento del proceso es directamente proporcional a la relación inóculo-sustrato. Por otra parte, para aplicaciones a gran escala, utilizando como sustrato la gallinaza de jaula, se recomienda el proceso de co digestión anaerobia.

Palabras claves: Digestión Anaerobia, gallinaza de jaula, potencial de biometanización, relación inoculo/sustrato.

ANEXO 3. ARTICULO PARA LA REVISTA BIOSOURCE TECNOLOGY

Mejoramiento y modelización cinética del potencial de biometanización de la gallinaza de jaula a partir de codigestión anaerobia con glicerol residual

Resumen

La digestión anaerobia es una tecnología capaz de estabilizar la biomasa residual y obtener un producto de valor energético agregado denominado biogás. Durante los proceso de explotación avícola se genera gallinaza como la principal biomasa residual del sector. La producción de biogás a partir de gallinaza de jaula es afectada por la liberación en exceso de iones amonios. En este estudio la producción de biogás a partir de gallinaza de Jaula fue mejorada por codigestión anaerobia con glicerol residual. El potencial de biometanización de la gallinaza de jaula se incremento desde 0.37 a 0.57 m3 CH4/kg SV adicionados por suplemento de glicerol residual en una proporción en pesos 95:5 gallinaza de jaula y glicerol residual. La adición de glicerol residual también permitió reducir la concentración de amonio al final de la experimentación lo cual se evidenció en los parámetros cinéticos calculados a través de la ecuación de Gompertz e inhibición por amonio descrita en el ADM1.

J.M., Batista1*, G. Portal2, L. Castro1, H. Escalante2

1 Programa de ingeniería química. Grupo de Investigación en Ciencias de la Ingeniería. Universidad de San Buenaventura- Cartagena. Calle Real de Ternera No. 30-966. Cartagena, Colombia. *Correspondencia: jdmbatista05@hotmail.com. 2 Escuela de Ingeniería Química, Centro de estudios e investigaciones ambientales, Universidad Industrial de Santander, AA, 678 Bucaramanga, Colombia.