Incorporación del concepto de bioaccesibilidad de sustratos recalcitrantes (estiércol) en el modelado matemático de la producción de biogás.

Miramontes Martínez, Luis Ramiro (2017) Incorporación del concepto de bioaccesibilidad de sustratos recalcitrantes (estiércol) en el modelado matemático de la producción de biogás. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En México se generan 360 millones de toneladas de estiércol bobino al año, su logística se han convertido en uno de los principales problemas para el medio ambiente, debido a la generación de emisiones de gases de efecto invernadero (EGEI). El estiércol bobino representa el 8% (7.55 millones de t de CO2 eq) del total de las EGEI del sector agrícola en el país. Una alternativa para su tratamiento es la digestión anaerobia y su co-digestión con residuos de origen vegetal. Estos procesos se consideran como sistemas reactivos heterogéneos catalizados por una diversa comunidad de microorganismos, los cuales transforman sustratos insolubles hasta moléculas simples como CH4 , CO2 e H2 . Engeneral estos procesos pueden considerarse como una secuencia de múltiples etapas, denominadas desintegración, hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis, acidogénesis y metanogénesis. Analizar los procesos de co-digestión de estiércol con las múltiples opciones de cosustratos que maximicen los rendimientos de biogás, requiere de diversos ensayos experimentales en sistemas con elevados tiempos de operación de por lo menos 40 días. Los modelos matemáticos de digestión anaerobia se han convertido en una útil herramienta debido a que permiten mejorar y optimizar estos procesos. El Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) es un modelo cinético de aplicación universal que permite la descripción matemática de la digestión anaerobia de diferentes tipos de sustratos, sin embargo el ADM1 no es capaz de representar los procesos de co-digestión, pues no tiene una distinción matemática entre los diferentes tipos de sustratos presentes en el sistema. Otra limitación del ADM1 es considerar que las etapas de desintegración e hidrólisis, no están asociadas a la acción directa de los microorganismos presentes en el digestor. En este trabajo se propone un nuevo modelo cinético de las etapas de desintegración e hidrólisis, y del proceso de co-digestión, siguiendo la estructura del ADM1. En el modelo propuesto, las relaciones sustrato-microorganismo se representan utilizando la ecuación de Contois en lugar de los modelos de primer orden usados previamente para representar la degradación de los sustratos insolubles. El nuevo modelo también incluye una estructura matemática para evaluar el proceso de co-digestión a través de un conjunto de ecuaciones diferenciales y algebraicas, que evalúan el cambio en las fracciones constitutivas de carbohidratos, proteínas, grasas e inertes en la materia orgánica. Este modelo se validó mediante la producción de biogás a partir de la codigestión de vegetales (V) y estiércol (E) con variaciones periódicas en la relación V/E en la alimentación. Los mayores rendimientos de biogás se obtuvieron cuando la relación de alimentación fue 50/50 V/E. Estos resultados fueron reproducidos mediante del ADM1 original y modificado. El ADM1 original explica la baja biodegradabilidad del estiércol como sustrato en la producción de biogás como consecuencia de una etapa de desintegración o hidrólisis lenta, que dependen exclusivamente de las constantes cinéticas de primer orden utilizadas. El nuevo modelo ofrece una explicación más fenomenológica; asume relaciones desfavorables sustrato-microorganismo, que hacen que la desintegración se convierta en un factor limitante en el proceso. Además, la producción de biogás en el nuevo modelo se asocia principalmente con la degradación de carbohidratos, así como con bajas concentraciones y un rápido consumo de metabolitos intermedios, que no favorecen la proliferación de comunidades metanogénicas.

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