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1. Rivas Solano, Olga; Faith Vargas, Margie; Guillén Watson, Rossy.
Biodigestores: factores químicos, físicos y biológicos relacionados con su productividad
Tecnología en Marcha, Vol. 23, N.° 1, Enero-Marzo 2010, P. 39-46
Biodigestores: factores químicos,
físicos y biológicos relacionados con
su productividad
Olga Rivas Solano1
Fecha de recepción: 01/04/2009 Margie Faith Vargas2
Fecha de aceptación: 20/06/2009 Rossy Guillén Watson3
Los biodigestores son Palabras clave planteó investigar sobre los métodos que
sistemas diseñados para existen para acelerar la descomposición de
Biogás, biodigestor, productividad de
optimizar la producción la materia prima durante la producción del
metano, sustratos, bacterias metanogénicas.
de biogás por medio
gas. Para elaborar el presente artículo se
de desechos orgánicos,
hizo una revisión con el fin de establecer
lo que permite obtener Key words
energía limpia, los parámetros matemáticos implicados
renovable y de bajo Biogas, Biodigestor, methane productivity, en la estimación de la productividad de
costo. substrates, methanogenic bacteria. un biodigestor. Posteriormente, se indagó
la influencia de los factores químicos
en la producción del mismo, entre ellos
Resumen
la composición de los sustratos y sus
Los biodigestores son sistemas diseñados
combinaciones, la adición de grasas y la
para optimizar la producción de biogás
presencia de inhibidores. Luego se estudió
por medio de desechos orgánicos, lo que
el efecto de factores físicos como la
permite obtener energía limpia, renovable
y de bajo costo. En el ITCR se efectuó, temperatura, la remoción de los sólidos y
durante el año 2008, una actividad de de las proteínas de los lodos y la separación
fortalecimiento de la investigación con de las fases de la digestión anaerobia
el propósito de desarrollar un sistema de la materia orgánica. Finalmente, se
electrónico e inalámbrico de control y investigó el papel de factores biológicos
protección para la producción de biogás. como la adición de bacterias termofílicas y
Como parte de los objetivos específicos se la importancia de los metanógenos.
1. Centro de Investigación en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica.
Correo electrónico: orivas@itcr.ac.cr
2. Estudiante de Ingeniería en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica.
Correo electrónico: margiefaith@gmail.com
3. Estudiante de Ingeniería en Biotecnología. Escuela de Biología. Instituto Tecnológico de Costa Rica.
Correo electrónico: gosy16@gmail.com
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2. Abstract Además, el aprovechamiento del biogás
Biodigestors are designed to optimize impulsa la reducción de emisiones de gases
biogas production using organic wastes, de efecto invernadero como el metano
which permits to obtain clean, low-cost (CH4), cuyo potencial de calentamiento
renewable energy. During 2008 a group global es 23 veces mayor que el del
of researchers of the ITCR worked in dióxido de carbono (CO2) (Campero,
the development of a wireless electronic Kristine, Cuppens, Mizme, 2008).
system for control and protection of biogas En algunos países como Alemania y Francia,
production. One of the specific objectives el biogás se emplea como combustible para
consisted in finding information about automotores, sin embargo, en Costa Rica y
methods to augment biogas production. In en otros países en vías de desarrollo, el uso
this review we established the mathematic del biogás se ha visto limitado al sitio donde
parameters related to biogas estimation se produce, en el cual se puede emplear de
of productivity. Then we focused in forma directa para combustión con fines
the influence of chemical factors such de cocción e iluminación, o bien se puede
as substrate composition, substrate utilizar indirectamente, para alimentar
combinations, addition of fat and presence motores de combustión interna que generan
of inhibitors. We also studied the effect fuerza motriz o eléctrica (Kapdi, Vijay,
of physical factors like temperature, solid Rajesh, Prasad 2004; Ilyas, 2006).
En la presente revisión removal, protein exclusion and phase
se describen los En el Instituto Tecnológico de Costa Rica
separation during anaerobic digestion (ITCR), se desarrolló, durante el año 2008,
parámetros matemáticos
of organic matter. Finally we tried to una actividad de fortalecimiento financiada
relacionados con
determine the role of biological factors such por la Vicerrectoría de Investigación (VIE)
la productividad de
as the addition of thermophilic bacteria con el propósito de desarrollar un sistema
un biodigestor y se
and the importance of methanogens. electrónico e inalámbrico de control y
comentan algunos de
los factores químicos, protección para monitorear la producción,
físicos y biológicos compresión y almacenamiento del biogás
Introducción
que intervienen en el proveniente de un biodigestor. Como parte
proceso.
La producción de biogás es un proceso de los objetivos específicos se planteó
natural que ocurre en forma espontánea investigar sobre métodos para acelerar
en un entorno anaerobio, es decir, carente la descomposición de la materia prima y
de oxígeno. Dicho proceso lo realizan aumentar la producción del gas.
microorganismos como parte del ciclo
biológico de la materia orgánica, el cual En la presente revisión se describen los
involucra la fermentación o digestión parámetros matemáticos relacionados con
de materiales orgánicos para obtener el la productividad de un biodigestor y se
biogás. comentan algunos de los factores químicos,
físicos y biológicos que intervienen en el
Los biodigestores, por su parte, son sistemas proceso.
diseñados para optimizar la producción
de biogás a partir de desechos agrícolas, Parámetros matemáticos
estiércol o efluentes industriales, entre relacionados con la productividad
otros, los cuales permiten así la obtención de un biodigestor
de energía limpia y de bajo costo a partir Uno de los parámetros que permite
de una fuente renovable. El uso de esta estimar la producción de biogás en un
tecnología no es nuevo, pero en los últimos biodigestor es la productividad de metano o
años ha cobrado gran interés debido a productividad metanoica, la cual se define
la actual crisis energética producto del como la cantidad de metano generado en la
agotamiento de los combustibles fósiles. unidad de tiempo con respecto a la materia
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3. dispuesta en el reactor. De esta manera, digestión anaerobia, ya que no contienen
la expresión matemática que permite contaminantes, patógenos, ni metales
calcular la productividad de metano de un pesados.
determinado resto orgánico en un tiempo
La presencia de nutrientes como carbono,
dado, es la siguiente (Sogari, 2003):
nitrógeno y azufre, así como algunos
elementos traza, es necesaria para el
desarrollo de las comunidades microbianas
encargadas de la producción de biogás. La
relación carbono-nitrógeno debe estar en
una proporción de entre 20 y 30 partes
Donde VCH4 es el volumen de metano del primer elemento por cada parte del
generado; Vreactor es el volumen de materia segundo. Si la proporción de nitrógeno
dispuesta en el recinto fermentador y t es aumenta la producción de biogás puede
el tiempo considerado. disminuir debido a la formación de amonio,
La producción de metano, tiene un límite el cual se genera durante la degradación
que depende fundamentalmente de la anaeróbica de urea o proteínas. El
Lo ideal es por el naturaleza de la materia dispuesta en el amonio libre puede ser inhibitorio para la
contrario, combinar sistema digestor. La fórmula que permite fermentación anaeróbica y tóxico para las
materiales ricos en estimar la máxima generación de metano bacterias metanogénicas (Guevara, 1996;
nitrógeno con materiales para un producto determinado, es la Gallert y Winter, 1997; Cui y Jahng,
abundantes en carbono siguiente (Sogari, 2003): 2006).
para obtener un buen
En este sentido no se recomienda utilizar
balance de nutrientes
un solo tipo de sustrato. Lo ideal es por
que promueva el
el contrario, combinar materiales ricos
adecuado crecimiento
en nitrógeno con materiales abundantes
de los microorganismos
en carbono para obtener un buen balance
que degradan la materia
Donde VCH4 es el volumen de metano de nutrientes que promueva el adecuado
orgánica dentro del
generado y Sorg total es la cantidad de crecimiento de los microorganismos que
biodigestor y, de esta
materia orgánica total utilizada en todo el degradan la materia orgánica dentro del
manera, aumentar la
proceso. biodigestor y, de esta manera, aumentar
productividad del mismo
la productividad del mismo (Guevara,
(Guevara, 1996). Seguidamente se profundiza acerca de 1996).
la influencia, en la productividad de los
biodigestores, de factores químicos como Combinaciones de sustratos
la composición y las combinaciones de
Desde 1999, las plantas alemanas
sustratos, la adición de grasas y la presencia
productoras de biogás mezclan las excretas
de inhibidores.
animales con residuos industriales de
Factores químicos alimentos, de la agricultura, de mercados,
de restaurantes y del sector municipal.
Composición química del sustrato El rendimiento de las excretas vacunas
Los sustratos ideales para la digestión y porcinas al utilizarlas como biomasa
anaerobia en biodigestores son los desechos oscila entre 25 y 36 m3/t de masa fresca,
orgánicos húmedos de origen agrícola, debido a que el contenido de materia
industrial, doméstico y municipal, así como seca orgánica de las mismas es bajo (2%
las excretas de origen humano y animal. a 10%). Además, su relación carbono
Los residuos de la industria alimentaria y nitrógeno es inferior a 25:1, es decir,
de las actividades agrícolas en particular, son ricos en nitrógeno. Por otra parte, la
son excelentes como sustratos para la producción de biogás a partir de cosechas
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4. como remolachas de forraje, maíz, sorgo conforme aumentó el porcentaje de aceite.
dulce y cebada, se encuentra entre 600 y El tratamiento con 0% de aceite presentó
1000m3 por tonelada de masa orgánica un volumen de 244 litros de biogás, el
seca. La relación carbono-nitrógeno de tratamiento con 2,5% de aceite presentó
estos sustratos es superior a 30:1, por lo un volumen de 342 litros, y el tratamiento
que son ricos en carbono. La co-digestión con 5 % de aceite agregado presentó un
de estas cosechas da como resultado no sólo volumen de 477 litros (Dias, Kreling,
un fuerte incremento de la productividad Botero y Murillo, 2007).
del biogás, sino también una disminución
Martínez (2008) advierte que el empleo de
del contenido de oligoelementos de los
grasas de origen animal podría aumentar
residuos digeridos (Martínez, Böttinger,
el riesgo de transmitir enfermedades.
Oechsnr, Kanswohl, Schlegel, 2008;
Además, sugiere realizar un pretratamiento
Gleixner, 2007; Weiland, 2000; Guevara,
a los residuos provenientes de restaurantes,
1996).
mercados y el área municipal para reducir
Por otra parte, Rodríguez y colaboradores el tamaño de partícula, separar los posibles
(1997) analizaron la productividad de una contaminantes del proceso de digestión y
combinación de estiércol con la planta facilitar la aplicación al suelo de los residuos
Eichornia crassipes y también de ambos tratados anaeróbicamente. Con respecto a
sustratos por separado, y se encontró que esto último, recomienda un tratamiento de
los digestores cargados con E. crassipes pasteurización a 70ºC durante una hora,
presentaron el mayor rendimiento, para eliminar los gérmenes patógenos.
mientras que los de menor productividad
De esta manera, la utilización de grasas
fueron aquellos que contenían estiércol.
vegetales junto con la combinación de
En cuanto a la mezcla de ambos sustratos,
sustratos ricos en nitrógeno y abundantes
los autores encontraron que la adición de
en carbono permite elevar la productividad
E. crassipes mejoró el rendimiento del
de los biodigestores.
estiércol.
Estos estudios refuerzan la recomendación Inhibidores de la producción de
anterior con respecto a la combinación de biogás
diferentes tipos de sustratos para balancear Además del amonio libre, según García
la proporción de nutrientes disponibles para y sus colaboradores (2006), el sulfonato
las comunidades microbianas encargadas linear del alquilbenceno (LAS) es el
de la producción de biogás. surfactante aniónico más importante en
agentes limpiadores de hogares e industrias.
Adición de grasas En la mayoría de los digestores, la adición
Las grasas vegetales poseen un alto potencial de surfactantes causa una disminución de
energético debido a su composición la tasa de producción de biogás.
química y elevado contenido de lípidos
Esto debe ser tomado en cuenta a la hora de
degradables por bacterias anaeróbicas.
adicionar residuos domésticos e industriales
Cuando se agregan a los biodigestores
a un biodigestor en funcionamiento, ya
pueden aumentar en hasta un 2400% la
que la productividad, lejos de aumentar se
productividad de biogás. En un estudio
podría ver afectada.
realizado en Costa Rica por investigadores
de la EARTH, se probaron tres tratamientos Factores físicos
que consistieron en la adición de 0%, 2,5%
y 5% de aceite a un biodigestor alimentado Temperatura
con excreta porcina y vacuna, y se obtuvo La biodigestión anaerobia puede ocurrir
un incremento directo de la producción en un amplio rango de temperaturas
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5. que van desde los 5°C hasta los 60°C. la subsecuente remoción de proteínas,
Las bacterias metanogénicas son más la generación de biogás mejoró
sensibles a la temperatura que los demás significativamente y el contenido de
microorganismos de un biodigestor, debido metano en el biogás producido a partir de
a que su velocidad de crecimiento es más lodos desproteinizados también aumentó
lenta. El proceso de digestión anaerobio no de 55,6% (v/v) (control) a 74,8%. Esto se
se ve afectado si la temperatura aumenta debe a que entre el 40% y el 50% del peso
en unos pocos grados; sin embargo, un seco de una célula microbiana corresponde
decrecimiento podría retardar la producción a las proteínas que generan amonio. Como
de metano, sin perjudicar la actividad de se indicó anteriormente el amonio libre
las bacterias acidificantes, lo cual permite inhibe la producción de biogás ya que es
una excesiva acumulación de ácidos y tóxico para las bacterias metanogénicas.
una posible falla en el biodigestor. En Por este motivo la eliminación de proteínas
este sentido, se debe procurar mantener de los lodos puede optimizar tanto la
un microclima cálido en el biodigestor producción como la calidad del biogás.
para conservar una tasa de producción de
Los autores de este estudio efectuaron
biogás alta (Bidlingmaie, 2006; Osorio,
la desproteinización de los lodos
Ciro y González, 2007).
mediante tratamientos térmicos a
Una estrategia para
Una estrategia para aumentar la temperatura 121 ºC, por sonicación (aplicación de
aumentar la temperatura
del biodigestor y, a la vez, mantenerla más ondas ultrasónicas) y también por
del biodigestor y, a la
constante consiste en la construcción de desnaturalización a pH alcalino. De todas
vez, mantenerla más
una estructura liviana forrada con plástico estas alternativas la menos factible de
constante consiste en
de invernadero, la cual también contribuye aplicar en nuestro país es la sonicación ya
la construcción de
a restringir el acceso de animales que que implica la adquisición de un equipo
una estructura liviana
puedan dañarlo. costoso.
forrada con plástico
de invernadero, la cual Separación de sólidos Separación de fases
también contribuye a
restringir el acceso de
Las impurezas como plásticos o arena El porcentaje de biomasa que es convertido
animales que puedan
se deben separar mediante técnicas de a metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2)
dañarlo. flotación y sedimentación. Además, una es de, aproximadamente, 70%. Para que éste
reducción de tamaño de los desechos sólidos aumente, se requiere una separación de las
a partículas de 10 a 40 mm es necesaria para fases que componen la digestión anaerobia
lograr una mejor accesibilidad biológica y de la materia orgánica, a saber la hidrólisis
con mejor flujo de sustrato en el proceso (degradación de compuestos orgánicos
(Weiland, 2000). De acuerdo con Kasapgi complejos en compuestos simples), la
y sus colaboradores (2001), el uso de acidogénesis (obtención de ácidos grasos),
membranas tubulares sin soporte para la la acetogénesis (producción de acetato) y
ultrafiltración, acopladas al biodigestor la metanogénesis (generación de metano).
como una unidad externa, permite lograr De esta manera se puede optimizar las
un incremento significativo en la cantidad condiciones del pH y de la temperatura
de biogás con valor energético. en cada proceso (Gleixner, 2007; Antoni,
Esta es una medida de bajo costo que se Zyerlov y Schwarz 2007; Park, Hong,
puede implementar fácilmente a la entrada Cheon, Hidaka y Tsuno 2008).
de cualquier biodigestor. Kon y colaboradores (2006) desarrollaron
un sistema modificado de tres etapas de
Remoción de proteínas de los lodos fermentación de metano. En la primera
Cui y Jahng (2006), encontraron que se concentraron los procesos de hidrólisis
mediante la desintegración de lodos y y acidogénesis semianaeróbica, en
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6. la segunda se realizó la acidogénesis un gran potencial como tratamiento rentable
estrictamente anaeróbica y, por último, para acelerar la digestión anaeróbica de
en la tercera se efectuó la metanogénesis desechos biológicos. La adición de 5%
estricamente anaeróbica. El fluido ácido (v/v) de lodos TA al lodo metanogénico
emanado del fermentador acidogénico aumentó la producción de biogás con una
secundario fue utilizado como sustrato concentración de metano de 50-67%. Esto
y el fluido metanogénico emanado del se debe a que, durante la solubilización
fermentador metanogénico fue empleado de lodos, las enzimas de bacterias TA
como inóculo. Los microorganismos excretadas influenciaron la hidrólisis de
usados en la fermentación acidogénica los lodos durante la digestión anaeróbica.
fueron especies de Clostridium. En la
fermentación metanogénica se utilizó una No obstante para trabajar con TA, se
mezcla de bacterias aisladas de suelo y necesita una temperatura de operación
abono de vaca. En la reacción se colocaron cercana a los 65 ºC, lo cual eleva el costo
8 litros de la mezcla de sustrato con inóculos del proceso.
(1:1) dentro del reactor metanogénico.
Importancia de los metanógenos
Cada reactor se operó a temperaturas
crecientes de 30 a 55 °C a intervalos Según Demirel y Scherer (2008), las
de 5 °C. Se monitorearon los cambios diferencias en las condiciones ambientales
en el pH, la DQOs y la producción de y de operación afectan el comportamiento
gas. Como resultado se incrementaron de los metanógenos acetotróficos e
las tasas de hidrólisis, acidogénesis y hidrogenotróficos presentes en un digestor
El rendimiento de
metanogénesis sin afectar el pH, y se dio de biogás. Los metanógenos acetotróficos
un biodigestor está
una alta producción de metano. son anaerobios obligados que convierten
ligado principalmente
el acetato en metano (CH4) y dióxido
a la estructura de la Sin embargo, a pesar de las ventajas
de carbono (CO2). Su actividad y
comunidad microbiana mencionadas en otros estudios, la mayoría
presente en el mismo. de las plantas agrícolas de biogás utilizan funcionamiento son de gran importancia
la tecnología de una sola fase debido a que durante la conversión anaeróbica del
su instalación y mantenimiento son más acetato. La actividad de los metanógenos
económicos. hidrogenotróficos, por su parte, es crucial
para un funcionamiento estable y eficiente
Factores biológicos del biodigestor, aunque la disponibilidad
de hidrógeno puede ser un factor limitante
Adición de bacterias termofílicas
para estos microorganismos.
El rendimiento de un sistema de digestión
anaeróbico está ligado, principalmente, a Para promover un aumento en la
la estructura de la comunidad microbiana productividad de los biodigestores es
presente en el digestor. Los parámetros posible inocularlos con fuentes conocidas
ambientales y de operación del proceso de microorganismos metanógenos como
afectan el comportamiento, rendimiento y, el rumen de vaca, lo cual representa una
eventualmente, el destino de la comunidad alternativa eficiente y de bajo costo.
microbiana en los digestores anaeróbicos.
Es más, la naturaleza e influencia de los
lodos usados para la inoculación también Conclusión
deben ser tomadas en cuenta (Demirel y El rendimiento de un biodigestor está
Scherer, 2008). Por ejemplo, de acuerdo ligado principalmente a la estructura de
con Miah y sus colaboradores (2005), la comunidad microbiana presente en el
la adición de una pequeña cantidad de mismo. Además, la producción de metano
bacterias termofílicas aeróbicas (TA) tiene tiene un límite que depende también de la
44 Vol. 23, N.° 1 2010

7. naturaleza de la materia dispuesta en el biomass to methane: A review. Rev Environ
sistema digestor. Sci Biotechnol. 7,173–190.
Dias E.D., Kreling J.C., Botero R., Murillo J.V.
Sin embargo, mediante la manipulación de (2007). Evaluación de la productividad y
los factores químicos, físicos y biológicos del efluente de biodigestores suplementados
presentados en esta revisión, se puede con grasas residuales. Tierra Tropical 3(2),
adaptar, de un modo sencillo, la producción 149-160.
de biogás a la demanda actual de energía. Gallert C., J. Winter. (1997). Mesophilic and
Entre estos factores cabe resaltar los que thermophilic anaerobic digestion of source-
resultan de bajo costo, como por ejemplo sorted organic wastes: effect of ammonia on
la combinación de sustratos, la adición glucose degradation and methane production.
Appl Microbiol Biotechnol. 48, 405-410.
de grasas, la separación de los sólidos y
la inoculación de los biodigestores con Garcia M.T., Campos, E., Dalmau, M., Illa´
microorganismos metanogénicos. n, P., Sánchez-Leal, J. (2006). Inhibition
of biogas production by alkyl benzene
Actualmente en el ITCR se continúa sulfonates (LAS) in a screening test for
investigando sobre este tema por medio de anaerobic biodegradability. Biodegradation.
un proyecto multidisciplinario financiado 17, 39–46.
por la VIE, el cual pretende darle continuidad Gleixner A. (2007). Fermentation of Distiller’s
a la actividad de fortalecimiento. Para ello Wash in a Biogas Plant. Utilization of
se tiene planeado, en una primera etapa, By-Products and Treatment of Waste in the
Food Industry. Springer, 99-108.
construir un biodigestor de polietileno
para poder efectuar pruebas de campo. Guevara A. (1996). Fundamentos básicos
Más adelante se planea investigar acerca para el diseño de biodigestores anaeróbicos
rurales. Producción de gas y saneamiento de
de métodos para la purificación del biogás efluentes. Centro Panamericano de Ingeniería
con el fin de obtener metano de alta pureza Sanitaria y Ciencias del Ambiente. División
que pueda ser envasado y transportado. de Salud y Ambiente. Oficina Regional de
la Organización Panamericana de la Salud.
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