La tasa de dilución (D) es un parámetro operacional que brinda la relación existente entre el máximo caudal de entrada ( ) [m3/día] y el volumen líquido ( ) del biodigestor [m3] (ver Figura 2.5), la cual debe ser
tenida en cuenta en el diseño de este y cuidadosamente controlada, evitando una posible inhibición por lavado de biomasa (salida de un grupo microbiano activo). Por lo tanto, se tiene como condición de operación que D sea menor a la tasa de crecimiento de la especie más lenta, dando el tiempo suficiente a esta población microbiana para que pueda reproducirse dentro del biodigestor. De lo contrario, el proceso se verá inhibido por falta de microrganismos [65]. La tasa de dilución está definida matemáticamente por la ecuación (2.5).
Figura 2.5. Esquema general de un biodigestor tipo. Fuente: Autores
𝐷 = 𝑄𝐼𝑁
𝑉𝑙𝑖𝑞 [𝑑í𝑎
−1] (2.5)
Tasa de carga orgánica (TCO)
La tasa de carga orgánica TCO, es un parámetro operacional que indica la cantidad de materia orgánica seca o de solidos volátiles (SV) del afluente, con respecto al volumen del reactor y el tiempo transcurrido. Esta relación se muestra en la ecuación (2.6).
𝑇𝐶𝑂 = 𝑄𝐼𝑁∗ 𝜌𝐼𝑁∗ 𝑆𝑉𝐼𝑁
𝑉𝑙𝑖𝑞 [ 𝑘𝑔
𝑆𝑉
𝑚3𝑑í𝑎] (2.6)
Donde, 𝜌𝐼𝑁 es la densidad aparente del afluente [𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎⁄ ]𝑚3 y 𝑆𝑉𝐼𝑁 son los sólidos volátiles contenidos en el afluente [𝑘𝑔𝑆𝑉⁄𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎] [65]. Valores bajos de TCO conllevan a una concentración baja de carga orgánica en el afluente, así como un elevado tiempo de retención. Mientras que un incremento en la TCO, significa una reducción en la producción de biogás con respecto al material orgánico del afluente [36].
Por otro lado, la TCO también indica el esfuerzo ejercido por los microoganismos que hacen parte del proceso de DA para metabolizar los componentes orgánicos del sustrato. Esto afecta la DQO, la alcalinidad del efluente y la producción de biogás y su composición (porcentaje de CH4 y CO2) [64]. Este comportamiento se debe en
parte a que una elevada carga orgánica requiere una alta actividad de los microorganismos, y si existe un aumento de carga orgánica repentina, muy probablemente los microorganismos no serán capaces de biodegradarla, generando la inhibición e incluso un daño irreversible en el proceso de DA [66].
Tiempo de retención hidráulica (TRH)
El tiempo de retención hidráulica, TRH es el tiempo promedio de permanencia del sustrato dentro del biodigestor [36], [57]. Matemáticamente, la TRH es el cociente entre el volumen liquido del biodigestor y el caudal de salida de este (𝑄), como se muestra en la ecuación (2.7) [65]. Sin embargo, si se desarrolla la
aproximación mostrada en la ecuación (2.8) y la masa del biogás es menor a la masa del afluente ( ≪ ), se puede relacionar el TRH con como se observa en la ecuación (2.9). Donde el TRH está en [𝑑í𝑎𝑠] y Q es la tasa de flujo volumétrico del efluente [𝑚3⁄ ]𝑑í𝑎.
TRH = 𝑉𝑙𝑖𝑞 𝑄 ⁄ (2.7) 𝑄 ≈ 𝑄𝐼𝑁∗ (1 −𝑚𝑚𝑔𝑎𝑠 𝑎𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒) (2.8) TRH = 𝑉𝑙𝑖𝑞 𝑄𝐼𝑁∗ (1 − 𝑚𝑚𝑎𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑔𝑎𝑠 ) ≈ 𝑉𝑙𝑖𝑞 𝑄𝐼𝑁 (2.9)
Durante el proceso, se debe asegurar que la cantidad de microorganismos presentes en el sustrato interno del biodigestor sea mayor a la cantidad de microorganismos presentes en el efluente del mismo. En otras palabras, se debe garantizar que la población microbiana dentro del biodigestor no sea expulsada con el efluente, ya que podría llegar a disminuir la eficiencia del biodigestor e incluso podría llegar a detener la DA. Esto se logra garantizando un TRH lo suficientemente largo para que los microorganismo se dupliquen [57].
Adicionalmente, el TRH depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento del biodigestor pero no cuenta con un criterio unificado de cálculo. Debido a esto, en [37] se tuvo en cuenta una curva de tendencia logarítmica para obtener una valor aproximado del TRH con respecto a la temperatura de funcionamiento (T)
llegando a una correlación del 88,17%. Esta relación se muestra en la ecuación (2.10).
TRH ≈ −51,227 ∗ ln 𝑇 + 206,72 (2.10)
Tiempo de retención de solidos (TRS)
El TRS al igual que la TRH, es un parámetro importante a la hora de diseñar y mantener el buen funcionamiento de un biodigestor, ya que controla el tiempo en el que la masa microbiana debe permanecer en el reactor para alcanzar la estabilización de los residuos, logrando mantener estándares específicos junto con una velocidad adecuada para la buena biodegradación del afluente [64]. Entre más tiempo permanezcan los sólidos en el reactor más tiempo tendrán los microorganismos para degradarlos completamente.
Niveles altos de TRS o de TRH generan mayor estabilidad y tolerancia a componentes tóxicos y una rápida recuperación ante componentes de este tipo [64]. No obstante, altos niveles de TRS o de TRH conllevan una mayor inversión al hacer necesario un reactor de gran volumen [64]. En muchos sistemas de DA se ha preferido asumir los altos costos de inversión en la construcción del reactor para garantizar un alto TRS con un TRH bajo y sin riesgo de lavado de biomasa. Esto es posible instalando un tanque de sedimentación de lodos transitorio, para luego ser devuelto al reactor [64].
Debe tenerse en cuenta que en reactores que cuentan con agitación continua se supone que dentro del reactor la biomasa está distribuida de manera homogénea por lo que el TRS y TRH son iguales y pueden ser calculados de la misma forma que el TRH mostrado en la ecuación (2.9) [52].
Tiempo de inicio o puesta en marcha del biodigestor
La puesta en marcha es el periodo en el que los microorganismos de un cultivo previamente formado (inoculo) logran biodegradar el sustrato, hasta alcanzar condiciones de estado estable [61], [64]. Este parámetro es indicado por la tasa de crecimiento de los microorganismos que serán capaces de desarrollar el proceso de DA en el reactor, tasa que es bastante baja y depende directamente del tipo de materia orgánica que será utilizada como inoculo [64]. Durante el periodo de puesta en marcha se deben tener más precauciones que durante el resto del proceso de DA, ya que en esta etapa el proceso es altamente sensible a condiciones de inhibición y compuestos tóxicos [61].
Un periodo de puesta en marcha común es de 2 o 4 meses, en un rango de temperatura mesófila, mientras que en condiciones psicrófilas puede llegar a necesitar un periodo de hasta 1 año [64]. Sin embargo, este periodo puede ser disminuido si se tiene un gran porcentaje de inoculo (biomasa activa) en el sustrato inicial, ya que el inoculo contiene microorganismos necesarios en el proceso que inducen una velocidad más alta en la reacción de arranque del biodigestor [61], [64]. Un escenario ideal para el arranque de un sistema seria contar con un llenado completo de sustrato en estado estable (fase estacionaria de crecimiento microbiano) de un reactor que ya se encuentre en operación. El inoculo es tomado generalmente de los lodos de un reactor de aguas residuales que ya esté en funcionamiento [61].
Si no se cuenta con inoculo suficiente en algunas ocasiones se considera su dilución en agua, no optante en este caso los sistemas buffer (ver sección 3.1.3.1) se reducen a medida que se aumenta la dilución, generando mayor probabilidad de inhibición por desbalances y variación en el pH [54], [61]. Otra opción para utilizar como sustrato en la etapa de arranque es el estiércol bovino ya que contiende arqueas metanógenas que hacen que el proceso se estabilice por sí mismo de forma rápida. El estiércol de cerdos también es una buena opción como inoculo pero no tienen la misma cantidad de arqueas metanógenas que el bovino [61].
Para garantizar que la etapa de arranque del sistema de DA haya finalizado, primero se debe asegurar que los niveles de pH estén en neutro, que el porcentaje de producción de CH4 esté por encima del 50% y que los ácidos
grasos de cadena corta estén por debajo de 2000 mg/l. En condiciones practicas se tiene como referencia que el estado estable del proceso se logra después de un tiempo igual a tres veces el tiempo de retención del sustrato dentro del reactor [61].
Agitación
La agitación estimula el contacto directo de los microorganismos que desarrollan el proceso de DA con el sustrato, previene la separación térmica del sustrato y la formación de nata dentro del biodigestor [67]. También permite que los sólidos se mantengan suspendidos evitando la formación de solidos inorgánicos en el fondo que pueden llegar a generar zonas muertas en el reactor (sin poblaciones microbianas)[67]. A menudo se usan agitadores mecánicos para que el contenido del reactor sea homogéneo lo que facilita y acelera el proceso de DA. Estos sistemas electromecánicos suelen ser uno de los mayores gastos energéticos en la operación del reactor por detrás de los sistemas de calentamiento y bombeo [68].