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

• Main Author: Campos Pozuelo, Elena
• Other Authors: Flotats i Ripoll, Xavier
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Spanish
• Published: Universitat de Lleida 2001
• Subjects: digestió anaeròbia; purins; química orgànica; 547; 631; 67
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/8229; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:8469008463

La digestió anaeròbia de purins de porc pot ser una bona opció per a lavalorització econòmica d'aquests residus. Una clara opció per a millorar laproducció de metà i, per tant, la viabilitat econòmica de les plantes dedigestió anaeròbia, consisteix en l'introducció, com cosubstrats, de residusorgànics de l'indústria agroalimentaria. La introducció de cosubstrats en unreactor pot comportar problemes de inhibició i sobrecàrrega orgànica i sercapaç de preveure-els pot ser vital per al funcionament d'una planta detractament. Per aquest motiu els models capaços de predir el comportamentdinàmic dels reactors anaerobis son de gran interès. El pH és una variablefonamental en els sistemes anaerobis, i el seu comportament dinàmic téinfluència en multitud dels processos que ocòrren en un reactor anaerobi,tant biològics com físico-químics. Per tant, un model dinàmic estructurat hade ser capaç de simular de manera dinàmica aquesta variable, essent aquestauna assignatura pendent en els models que es troben a la bibliografia.Es va construir un algorisme de simulació dinàmica del pH en sistemesanaerobis, basat en l'equació del balanç de càrrega. Aquest algoritme pot serincorporat a un model dinàmic de simulació, tractant el pH com una variabled'estat del sistema i no com un paràmetre a calcular en cada pas de laintegració. L'algorisme de càlcul de pH es va validar per sistemes aquosossenzills, havent obtingut bons ajusts a dades experimentals. El algoritme decàlcul de pH es va introduir a un model dinàmic, previ, de digestió anaeròbiade substrats complexos. Es va incorporar, a més, la simulació dinàmica de lesvariables de la fase gasosa. Aquest model general de digestió anaeròbia, quèutilitza paràmetres de la bibliografia, resulta una eina útil per preveure laresposta del sistema a la introducció de cosubstrats, a estats de sobrecàrregao de introducció de components inhibidors.Es van realitzar assaigs en discontinu de viabilitat de mescles de purí ambresidus de la elaboració de sucs de fruites (residu pera) i del refinat d'oli d'oliva (terres decolorants d'oli d'oliva). L'experiment va ser desenvolupat enels rangs termofílic i mesofilic (35º i 55º). En general, els resultats enmesofilic van ser millors que en termofílic, donat que a 55ºC van patir unaimportant inhibició per amoni. En ambdós rangs de temperatura laproducció de metà en termes absolutes va millorar per l'addició de residu depera com cosubstrat. La màxima producció de metà va ser obtinguda amb lacodigestió de purí amb terres decolorants d'oli d'oliva (95% de purí i 5%terres), en el rang mesofílic, què va ser 2,4 vegades la producció de purí sol,disminuint en augmentar la proporció de terres decolorants. En contrast, enel rang termofílic, la codigestió amb terres decolorants va donar lloc aproduccions de metà menors que el control.Amb l'objectiu de confirmar els resultats obtinguts en discontinu per a lesmescles de purí i terres decolorants d'oli d'oliva, es van posar en marxaResumen xquatre reactors anaerobis en règim semicontinu, de 5 litres de capacitat, dosdels quals treballaven en el rang mesofílic (35ºC) i els altres dos entermofílico (55ºC). En el rang mesofílic els reactors que es van alimentaramb terres decolorants d'oli d'oliva van millorar àmpliament els resultatsobtinguts amb purí sol. A pesar de la millora en la producció de gas, es vaobservar acumulació d'àcids grassos volàtils, indicant la inhibició parcial delsistema. En el rang termofílic, els resultats van ser, en tots els casos, pitjorsque en mesofílic, amb una forta acumulació d'àcids grassos volàtils,especialment d'àcid acétic, mostrant que el sistema estava fortament inhibitper les altes concentracions d'amoni i d'àcids grassos de cadena llarga.La codigestió apareix com una opció interessant per a incrementar lesproduccions de gas a partir de purins, possibilitant el tractament d'algunsresidus industrials, però s'ha d'estudiar prèviament les condicions òptimes demescla. === La digestión anaerobia de purines de cerdo puede ser una buena opciónpara la valorización económica de estos residuos. Una clara opción paramejorar la producción de metano, y por tanto la viabilidad económica de lasplantas de digestión anaerobia, es la introducción como cosubstrato deresiduos orgánicos de la industria agroalimentaria. La introducción decosubstratos en un reactor puede comportar problemas de inhibición ysobrecarga orgánica, y ser capaz de preverlo puede ser vital para elfuncionamiento de una planta. Por ello, los modelos capaces de predecir elcomportamiento dinámico de reactores anaerobios son de gran interés. ElpH es una variable fundamental en los sistemas anaerobios, cuyocomportamiento dinámico influye en multitud de procesos que ocurren enun reactor anaerobio, tanto biológicos como físico-químicos. Por tanto, unmodelo dinámico estructurado debe ser capaz de simular de forma dinámicaesta variable, siendo esta una asignatura pendiente en los modelos que seencuentran en la bibliografía.Se construyó un algoritmo de simulación dinámica del pH en sistemasanaerobios, basado en la ecuación del balance de cargas. Este algoritmopuede ser incorporado a un modelo dinámico de simulación, tratando el pHcomo una variable de estado del sistema y no como un parámetro a calcularen cada paso de integración. El algoritmo de cálculo de pH se validó parasistemas acuosos sencillos, habiendo obtenido buenos ajustes a datosexperimentales. El algoritmo de cálculo de pH se introdujo en un modelodinámico, previo, de digestión anaerobia de substratos complejos. Seincorporó, además, la simulación dinámica de las variables de la fase gaseosa.Este modelo general de digestión anaerobia, que utiliza parámetrosobtenidos de la bibliografía, ha resultado una herramienta útil para prever larespuesta del sistema ante la introducción de cosubstratos, los estados desobrecarga o la introducción de componentes inhibidores.Se realizaron ensayos de viabilidad en discontinuo de mezclas de purín conresiduos de la elaboración de zumos de frutas (pulpa de pera) y con residuosdel refinado de aceite de oliva (tierras decolorantes). El experimento fuedesarrollado en los rangos termofílico y mesofílico (35º y 55º). En general,los resultados en mesofílico fueron mejores que en termofílico, ya que a55ºC mostraron una importante inhibición por amonio. En ambos rangos detemperatura la producción de metano en términos absolutos mejoró por laadición de residuo de pera como cosubstrato. La producción máxima demetano respecto a sólidos volátiles se obtuvo para la mezcla con un 5% deResumen viiiTDO y 95% de purín, en el rango mesofílico, que alcanzó un valor 2,4mayor que la producción de purín sólo, disminuyendo la producción demetano conforme aumentó la proporción de TDO. En el rango termofílico,en contraste, la codigestión con tierras decolorantes resultó en produccionesde metano más bajas que el control.Con el objetivo de confirmar los resultados obtenidos en discontinuo paramezclas de purín y TDO, se pusieron en marcha cuatro reactores anaerobiosen régimen semicontinuo, de 5 litros de capacidad, dos de ellos trabajando enel rango mesofílico (35ºC) y otros dos en termofílico (55ºC). En el rangomesofílico el reactor alimentado con mezcla de purín y TDO mejoróampliamente los resultados obtenidos en el reactor con purín sólo. A pesarde la mejora en la producción de gas, se observó acumulación de AGV,indicando la inhibición parcial del sistema. En el rango termofílico, losresultados fueron en todos los casos peores que en mesofílico, con fuerteacumulación de AGV, especialmente acético, mostrando que el sistemaestaba fuertemente inhibido por las altas concentraciones de amonio y deácidos grasos de cadena larga.La codigestión se muestra como una opción interesante para incrementarlas producciones de gas de purines, posibilitando el tratamiento de algunosresiduos industriales, pero debe estudiarse previamente las condicionesóptimas de mezcla. === Anaerobic digestion of pig slurry can be a good option to valorise thiswaste. The use of organic wastes from food industry as cosubstrate is aninteresting option to increase methane production and the economicfeasibility of anaerobic plants. The addition of cosubstrates in an anaerobicreactor may involve inhibition and overloading problems. Being able toforesee these problems is very important for the plant running. Therefore,models capable of predicting the dynamic behaviour of anaerobic reactorsare very interesting. pH is a very important parameter in anaerobic systems,and its dynamic behaviour largely influences physic-chemical and biologicalprocesses that take place in an anaerobic reactor. Therefore, a structureddynamic model must be able of simulating pH in a dynamic way, however nomodel in literature has considered it before.A mathematical algorithm was built for anaerobic dynamic simulation ofpH in anaerobic systems, based on the charge balance. This algorithm can beadded to a dynamic simulation model, treating pH as a system state variable,not as a parameter to be calculated in every step of integration. Thealgorithm of pH calculation was validated for a simple aqueous system,obtaining high regression coefficients for the experimental data. The pHcalculation algorithm has been inserted in a previous anaerobic digestionmodel of complex substrates. The dynamic simulation of gas phase variableswas also inserted. This general model of anaerobic digestion, which useskinetic parameters from literature, has been a useful tool in order to foreseethe system behaviour when adding cosubstrates, when overloading or whenintroducing inhibitors.Batch experiments of mixtures of pig slurry and wastes from juice factory(pear waste) and with wastes from refining oil factory (olive oil bleachingearth) were done. The experiment was developed at thermophilic andmesophilic temperatures (55ºC and 35ºC). In general, the mesophilic resultswere better than the thermophilic one. At 55ºC there was an importantinhibition by ammonium. In both ranges of temperature, accumulatedmethane production was improved by the addition of pear waste ascosubstrate. The treatment with 5% of olive oil bleaching earth and 95% ofpig slurry, in the mesophilic range, got the maxim methane yield (mL ofCH4/g VS), which was 2,4 times the methane yield for pig slurry. Themethane yield decreased with increasing olive oil bleaching earthproportions. In contrast, at the thermophilic range, the codigestion of pigslurry and olive oil bleaching earth resulted in methane yields lower than thecontrol.Resumen xiiWith the aim of confirming the batch results, four anaerobic reactors of 5litres of useful capacity were started up, in semicontinous regime. Two ofthem ran at mesophilic (35ºC) and other two in thermophilic (55ºC)temperatures. At mesophilic temperatures, the reactor fed with a mixture ofslurry and olive oil bleaching earth showed better results than the controlreactor, fed with pig slurry. In spite of improving methane production,volatile fatty acids accumulated, showing a partial inhibition of the system. Inboth thermophilic reactors, the results were worse than those at mesophilictemperature. A strong accumulation of volatile fatty acids, especially acetate,was observed, showing that the system was inhibited by the highconcentration of ammonium and long chain fatty acids.Codigestion is an interesting option to increase the gas production frompig slurry, improving the feasibility of the treatment of some kinds ofindustrial wastes, but it is necessary to study the optimum conditions ofmixture.