Optimización de la digestión anaerobia de purines de cerdo mediante codigestión con residuos orgánicos de la industria agroalimentaria

Abstract

La digestió anaeròbia de purins de porc pot ser una bona opció per a la<br/>valorització econòmica d'aquests residus. Una clara opció per a millorar la<br/>producció de metà i, per tant, la viabilitat econòmica de les plantes de<br/>digestió anaeròbia, consisteix en l'introducció, com cosubstrats, de residus<br/>orgànics de l'indústria agroalimentaria. La introducció de cosubstrats en un<br/>reactor pot comportar problemes de inhibició i sobrecàrrega orgànica i ser<br/>capaç de preveure-els pot ser vital per al funcionament d'una planta de<br/>tractament. Per aquest motiu els models capaços de predir el comportament<br/>dinàmic dels reactors anaerobis son de gran interès. El pH és una variable<br/>fonamental en els sistemes anaerobis, i el seu comportament dinàmic té<br/>influència en multitud dels processos que ocòrren en un reactor anaerobi,<br/>tant biològics com físico-químics. Per tant, un model dinàmic estructurat ha<br/>de ser capaç de simular de manera dinàmica aquesta variable, essent aquesta<br/>una assignatura pendent en els models que es troben a la bibliografia.<br/>Es va construir un algorisme de simulació dinàmica del pH en sistemes<br/>anaerobis, basat en l'equació del balanç de càrrega. Aquest algoritme pot ser<br/>incorporat a un model dinàmic de simulació, tractant el pH com una variable<br/>d'estat del sistema i no com un paràmetre a calcular en cada pas de la<br/>integració. L'algorisme de càlcul de pH es va validar per sistemes aquosos<br/>senzills, havent obtingut bons ajusts a dades experimentals. El algoritme de<br/>càlcul de pH es va introduir a un model dinàmic, previ, de digestió anaeròbia<br/>de substrats complexos. Es va incorporar, a més, la simulació dinàmica de les<br/>variables de la fase gasosa. Aquest model general de digestió anaeròbia, què<br/>utilitza paràmetres de la bibliografia, resulta una eina útil per preveure la<br/>resposta del sistema a la introducció de cosubstrats, a estats de sobrecàrrega<br/>o de introducció de components inhibidors.<br/>Es van realitzar assaigs en discontinu de viabilitat de mescles de purí amb<br/>residus de la elaboració de sucs de fruites (residu pera) i del refinat d'oli d'<br/>oliva (terres decolorants d'oli d'oliva). L'experiment va ser desenvolupat en<br/>els rangs termofílic i mesofilic (35º i 55º). En general, els resultats en<br/>mesofilic van ser millors que en termofílic, donat que a 55ºC van patir una<br/>important inhibició per amoni. En ambdós rangs de temperatura la<br/>producció de metà en termes absolutes va millorar per l'addició de residu de<br/>pera com cosubstrat. La màxima producció de metà va ser obtinguda amb la<br/>codigestió de purí amb terres decolorants d'oli d'oliva (95% de purí i 5%<br/>terres), en el rang mesofílic, què va ser 2,4 vegades la producció de purí sol,<br/>disminuint en augmentar la proporció de terres decolorants. En contrast, en<br/>el rang termofílic, la codigestió amb terres decolorants va donar lloc a<br/>produccions de metà menors que el control.<br/>Amb l'objectiu de confirmar els resultats obtinguts en discontinu per a les<br/>mescles de purí i terres decolorants d'oli d'oliva, es van posar en marxa<br/>Resumen x<br/>quatre reactors anaerobis en règim semicontinu, de 5 litres de capacitat, dos<br/>dels quals treballaven en el rang mesofílic (35ºC) i els altres dos en<br/>termofílico (55ºC). En el rang mesofílic els reactors que es van alimentar<br/>amb terres decolorants d'oli d'oliva van millorar àmpliament els resultats<br/>obtinguts amb purí sol. A pesar de la millora en la producció de gas, es va<br/>observar acumulació d'àcids grassos volàtils, indicant la inhibició parcial del<br/>sistema. En el rang termofílic, els resultats van ser, en tots els casos, pitjors<br/>que en mesofílic, amb una forta acumulació d'àcids grassos volàtils,<br/>especialment d'àcid acétic, mostrant que el sistema estava fortament inhibit<br/>per les altes concentracions d'amoni i d'àcids grassos de cadena llarga.<br/>La codigestió apareix com una opció interessant per a incrementar les<br/>produccions de gas a partir de purins, possibilitant el tractament d'alguns<br/>residus industrials, però s'ha d'estudiar prèviament les condicions òptimes de<br/>mescla.

La digestión anaerobia de purines de cerdo puede ser una buena opción<br/>para la valorización económica de estos residuos. Una clara opción para<br/>mejorar la producción de metano, y por tanto la viabilidad económica de las<br/>plantas de digestión anaerobia, es la introducción como cosubstrato de<br/>residuos orgánicos de la industria agroalimentaria. La introducción de<br/>cosubstratos en un reactor puede comportar problemas de inhibición y<br/>sobrecarga orgánica, y ser capaz de preverlo puede ser vital para el<br/>funcionamiento de una planta. Por ello, los modelos capaces de predecir el<br/>comportamiento dinámico de reactores anaerobios son de gran interés. El<br/>pH es una variable fundamental en los sistemas anaerobios, cuyo<br/>comportamiento dinámico influye en multitud de procesos que ocurren en<br/>un reactor anaerobio, tanto biológicos como físico-químicos. Por tanto, un<br/>modelo dinámico estructurado debe ser capaz de simular de forma dinámica<br/>esta variable, siendo esta una asignatura pendiente en los modelos que se<br/>encuentran en la bibliografía.<br/>Se construyó un algoritmo de simulación dinámica del pH en sistemas<br/>anaerobios, basado en la ecuación del balance de cargas. Este algoritmo<br/>puede ser incorporado a un modelo dinámico de simulación, tratando el pH<br/>como una variable de estado del sistema y no como un parámetro a calcular<br/>en cada paso de integración. El algoritmo de cálculo de pH se validó para<br/>sistemas acuosos sencillos, habiendo obtenido buenos ajustes a datos<br/>experimentales. El algoritmo de cálculo de pH se introdujo en un modelo<br/>dinámico, previo, de digestión anaerobia de substratos complejos. Se<br/>incorporó, además, la simulación dinámica de las variables de la fase gaseosa.<br/>Este modelo general de digestión anaerobia, que utiliza parámetros<br/>obtenidos de la bibliografía, ha resultado una herramienta útil para prever la<br/>respuesta del sistema ante la introducción de cosubstratos, los estados de<br/>sobrecarga o la introducción de componentes inhibidores.<br/>Se realizaron ensayos de viabilidad en discontinuo de mezclas de purín con<br/>residuos de la elaboración de zumos de frutas (pulpa de pera) y con residuos<br/>del refinado de aceite de oliva (tierras decolorantes). El experimento fue<br/>desarrollado en los rangos termofílico y mesofílico (35º y 55º). En general,<br/>los resultados en mesofílico fueron mejores que en termofílico, ya que a<br/>55ºC mostraron una importante inhibición por amonio. En ambos rangos de<br/>temperatura la producción de metano en términos absolutos mejoró por la<br/>adición de residuo de pera como cosubstrato. La producción máxima de<br/>metano respecto a sólidos volátiles se obtuvo para la mezcla con un 5% de<br/>Resumen viii<br/>TDO y 95% de purín, en el rango mesofílico, que alcanzó un valor 2,4<br/>mayor que la producción de purín sólo, disminuyendo la producción de<br/>metano conforme aumentó la proporción de TDO. En el rango termofílico,<br/>en contraste, la codigestión con tierras decolorantes resultó en producciones<br/>de metano más bajas que el control.<br/>Con el objetivo de confirmar los resultados obtenidos en discontinuo para<br/>mezclas de purín y TDO, se pusieron en marcha cuatro reactores anaerobios<br/>en régimen semicontinuo, de 5 litros de capacidad, dos de ellos trabajando en<br/>el rango mesofílico (35ºC) y otros dos en termofílico (55ºC). En el rango<br/>mesofílico el reactor alimentado con mezcla de purín y TDO mejoró<br/>ampliamente los resultados obtenidos en el reactor con purín sólo. A pesar<br/>de la mejora en la producción de gas, se observó acumulación de AGV,<br/>indicando la inhibición parcial del sistema. En el rango termofílico, los<br/>resultados fueron en todos los casos peores que en mesofílico, con fuerte<br/>acumulación de AGV, especialmente acético, mostrando que el sistema<br/>estaba fuertemente inhibido por las altas concentraciones de amonio y de<br/>ácidos grasos de cadena larga.<br/>La codigestión se muestra como una opción interesante para incrementar<br/>las producciones de gas de purines, posibilitando el tratamiento de algunos<br/>residuos industriales, pero debe estudiarse previamente las condiciones<br/>óptimas de mezcla.

Anaerobic digestion of pig slurry can be a good option to valorise this<br/>waste. The use of organic wastes from food industry as cosubstrate is an<br/>interesting option to increase methane production and the economic<br/>feasibility of anaerobic plants. The addition of cosubstrates in an anaerobic<br/>reactor may involve inhibition and overloading problems. Being able to<br/>foresee these problems is very important for the plant running. Therefore,<br/>models capable of predicting the dynamic behaviour of anaerobic reactors<br/>are very interesting. pH is a very important parameter in anaerobic systems,<br/>and its dynamic behaviour largely influences physic-chemical and biological<br/>processes that take place in an anaerobic reactor. Therefore, a structured<br/>dynamic model must be able of simulating pH in a dynamic way, however no<br/>model in literature has considered it before.<br/>A mathematical algorithm was built for anaerobic dynamic simulation of<br/>pH in anaerobic systems, based on the charge balance. This algorithm can be<br/>added to a dynamic simulation model, treating pH as a system state variable,<br/>not as a parameter to be calculated in every step of integration. The<br/>algorithm of pH calculation was validated for a simple aqueous system,<br/>obtaining high regression coefficients for the experimental data. The pH<br/>calculation algorithm has been inserted in a previous anaerobic digestion<br/>model of complex substrates. The dynamic simulation of gas phase variables<br/>was also inserted. This general model of anaerobic digestion, which uses<br/>kinetic parameters from literature, has been a useful tool in order to foresee<br/>the system behaviour when adding cosubstrates, when overloading or when<br/>introducing inhibitors.<br/>Batch experiments of mixtures of pig slurry and wastes from juice factory<br/>(pear waste) and with wastes from refining oil factory (olive oil bleaching<br/>earth) were done. The experiment was developed at thermophilic and<br/>mesophilic temperatures (55ºC and 35ºC). In general, the mesophilic results<br/>were better than the thermophilic one. At 55ºC there was an important<br/>inhibition by ammonium. In both ranges of temperature, accumulated<br/>methane production was improved by the addition of pear waste as<br/>cosubstrate. The treatment with 5% of olive oil bleaching earth and 95% of<br/>pig slurry, in the mesophilic range, got the maxim methane yield (mL of<br/>CH4/g VS), which was 2,4 times the methane yield for pig slurry. The<br/>methane yield decreased with increasing olive oil bleaching earth<br/>proportions. In contrast, at the thermophilic range, the codigestion of pig<br/>slurry and olive oil bleaching earth resulted in methane yields lower than the<br/>control.<br/>Resumen xii<br/>With the aim of confirming the batch results, four anaerobic reactors of 5<br/>litres of useful capacity were started up, in semicontinous regime. Two of<br/>them ran at mesophilic (35ºC) and other two in thermophilic (55ºC)<br/>temperatures. At mesophilic temperatures, the reactor fed with a mixture of<br/>slurry and olive oil bleaching earth showed better results than the control<br/>reactor, fed with pig slurry. In spite of improving methane production,<br/>volatile fatty acids accumulated, showing a partial inhibition of the system. In<br/>both thermophilic reactors, the results were worse than those at mesophilic<br/>temperature. A strong accumulation of volatile fatty acids, especially acetate,<br/>was observed, showing that the system was inhibited by the high<br/>concentration of ammonium and long chain fatty acids.<br/>Codigestion is an interesting option to increase the gas production from<br/>pig slurry, improving the feasibility of the treatment of some kinds of<br/>industrial wastes, but it is necessary to study the optimum conditions of<br/>mixture.