Modelo Cinético de la Tranformación UNA PROPUESTA DE MODELO CINÉTICO PARA DIGESTIÓN ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS

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Óscar González del Río
hace 5 años
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1 UNA PROPUESTA DE MODELO CINÉTICO PARA DIGESTIÓN ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS Liliana Pena Naval, Félix Garcia-Ochoa Sória y Victória Eugenia Santos (Universidad Complutense de Madrid) Muchos Modelos han sido desarrollados para describir el proceso de digestión anaerobia, para la degradación de sustratos complejos. Varios de estos modelos se han caracterizado en dos grupos: uno en que el proceso es primariamente controlado por la concentración de H 2 en el reactor, y el otro caracterizado por la concentración de ácidos grasos volátiles. Estos Modelos son ampliamente usados porque predicen rápidamente fallos en el proceso. Durante el proceso de digestión anaerobia para los residuos ganaderos, pueden ocurrir cambios drástico en el ph, lo que conlleva a variaciones en las cantidades generadas de ácidos grasos, afectando al buen rendimiento del sistema. El efecto sobre las diferentes etapas del proceso es condicionante para lograr una completa transformación del sustrato. La presencia de otros compuestos intermedios puede afectar, además, a la acción de diferentes grupos tróficos, mediante procesos de tipo inhibitorio o mediante la modificación de las características físico-químicas del medio, que también puede afectar decisivamente la viabilidad de la operación de una determinada etapa (Lema y col., 1992). Teóricamente, la cantidad de metano producido está asociada a la cantidad de sustrato degradado. Considerando el proceso en estado estacionario, el sustrato que se elimine corresponderá al consumido en la formación del producto y de la masa microbiana. Sin embargo, hay que destacar que la transformación depende del tipo de sustrato utilizado y de los compuestos que posee, lo que puede determinar la velocidad de asimilación por los diferentes grupos de microorganismos. En un gran número de sistemas que operán en condiciones

2 anaerobias, se produce una variación en la oxidación de los compuestos, lo que conlleva la formación de otros productos, como el hidrógeno, sulfuro de hidrógeno e incluso nitrógeno. En este trabajo, se trató de plantear un modelo cin etico no-estructurado que fuera capaz de describir la evolución de: sustrato degradable (resíduo), ácidos volátiles, metano y biomasa. OBJETO DEL TRABAJO Se há abordado la descripción cuantitativa de la evolución del sistema, es decir, se propone un modelo cinético, relativamente simple, pero que permita acercarse a la descripción de la compleja realidad de los cultivos microbianos mixtos. METODOS Para el estudio de la evolución del sustrato y la formación de productos, se han tomado muestras del resíduo diariamente y se há procedido a su análisis de los varios parámetros, como: D.Q.O.; de la producción metano; de la cantidad de ácidos grasos volátiles, además del seguimiento de la biomasa. También antes del inicio del proceso se hecho una caracterización del residuo empleado, determinando la humedad, sólidos volátiles y fijos, el contenido en lípidos, el contenido en nitrógeno orgánico, amoniacal y total, y también la determinación de la lignina presente en el sustrato. Una vez caracterizado el resíduo y determinado las principales fases del proceso, se trató de plantear un modelo cinético no estructurado que fuera capaz de describir la evolución de: sustrato degradable (resíduo), ácidos volatiles (aplicando un lumping ), metano y biomasa.

3 RESULTADOS El modelo cinético obtenido esta formado por un esquema de reacciones y las ecuaciones cinéticas de cada una de las reacciones propuestas. Debido a la cantidad de sustrato accesible obtenido, a partir del residuo por via enzimática, que no es conocido, se há aplicado la suposición de estado pseudoestacionario. Para tener en cuenta las diferentes fases en el crecimento de los microorganismos, algunas ecuaciones varian a lo largo del tiempo. Para comprobar la bondad del modelo se realizó un ajuste de los datos experimentales, empleando para ello una regresión no lineal en múltiple respuesta, aplicando el algorítimo de Marquardt, al que fue necesário acoplar el algorítimo de Runge-Kutta de cuarto orden para la integración numérica de las ecuaciones diferenciales que forman er modelo. Todos los parametros del modelo són positivos y los valores de los parámetros estadisticos són muy buenos, superando al limite de confianza del 95% y los intervalos de confianza de los mismos en ningún caso incluyen el cero. Por fin se puede observar la reprodución que realiza el modelo de la evolución de la biomasa, así como la predición de la evolución de las bacterias acetogénicas y las metanogénicas. Se há obtenido un buen ajuste de los datos experimentales de la digestión anaerobia, proporcionado por el modelo propuesto CONCLUSIONES Como consecuencia del trabajo descrito, se pueden extraer las seguientes conclusiones. Finalmente, se ha establecido un Modelo Cinético que permite describir 4 respuestas: biomasa total, residuo, ácidos volátiles y metano. A partir de los resultados del ajuste de datos experimentales al modelo, se puede concluir: Las bacterias acetogénicas crecen empleando el sustrato denominado en este trabajo como "accesible", que corresponde con el hidrolizado del residuo empleado en la digestión. La cantidad del citado sustrato "accesible" se puede considerar constante a lo largo del proceso. Las bacterias acetogénicas consumen también el sustrato "accesible" para su mantenimiento en estado viable. Las bacterias acetogénicas producen ácidos volátiles de forma no asociada al crecimiento, ya que lo llevan a cabo durante la fase estacionaria del mismo.

4 Modelo Cinético de. la Tranformación El mantenimiento de las bacterias metanogénicas en estado viable se lleva a cabo consumiendo sustrato "accesible". La digestión Anaerobia, en las condiciones de trabajo de 35ºC, ph 7, controlado, agitación de 500 r.p.m., con 125 g/l de materia seca, responde al siguiente modelo cinético:

5 El esquema de reacción simplificado es: S ~ ---- ~S SUB { acc } ~ ~ ~ ~ r SUB 1 ~ S SUB { acc } ~ + ~ X SUB { ac } ~---- ~ (1,390 ~ +- ~ 0,01)~ X sub ac ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ r SUB 2 X SUB { ac } ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ # ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ S SUB { acc } ~ ~ ~ ~ (0,622 ~ +- ~ 0,01)~ AV ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ r SUB 3 ~ ~ X SUB { ac } ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ # ~ ~ S SUB { acc } ~ ~ ~ ~ Y sub {3}~ CO sub 2 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ r SUB 4 (3,158 ~+- ~0,235) ~AV ~+ ~X sub met ~ 2 ~ X sub met ~+ ~(9,619 ~ +- ~ 0,528)~ P ~ ~ ~ ~ r SUB 5 X sub met~ # ~ ~ ~ ~ ~ S sub acc ~ ~~ ~ ~ ~ ~ Y sub 6 ~ ~CO sub 2~ ~ ~ r SUB 6 Las ecuaciones cinéticas de cada reacción: r SUB 2 ~ = ~ (0,0619 ~+- ~0,0001) ~ CDOT ~ C SUB Xac r SUB 3 ~ = ~(1,093 ~+- ~0,001) ~ CDOT ~ C SUB Xac r SUB 4 ~ = ~ (0,646 ~+- ~0,010) ~ CDOT ~ C SUB { Xac } r SUB 5 ~ = ~ (0,0495 ~+- ~0,0001) ~ CDOT ~ C SUB { AV } ~ CDOT ~ C SUB { Xmet } r SUB 6 ~ = ~ (0,508 ~+- ~0,302) ~ CDOT ~ C sub Xmet ~ En consecuencia, las velocidades de producción de los componentes clave quedan: { dc SUB { s } } OVER { dt } ~ = ~ - ~ r SUB 1 ~ = ~ - ~ r SUB 2 ~ - ~ r SUB 3 ~- ~ r SUB 4 ~ - ~ r sub 6 { d C SUB { Sacc } } OVER { dt } ~ = ~ ~ r SUB 1 ~ ~ - ~ r SUB 2 ~ - ~ r SUB 3 ~- ~ r SUB 4 ~ - ~ r sub 6 ~= ~ 0 ~ { dc SUB AV } OVER { dt } ~ = ~ ~ ((0,622 ~+- ~0,010) ~ r SUB 3 ~ - ~ (3,158 ~ +- ~ 0,235)~ r SUB 5 { dc SUB P } OVER { dt } ~ = ~ ~ (9,619 ~ +- ~ 0,258)~ r SUB 5 { d ~ C SUB Xac } OVER { dt } ~ = ~ ~ (1,390 ~ +- ~ 0,010)~ r SUB 2 { dc SUB Xmet } OVER { dt } ~ = ~ r SUB 5

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