Biorreactor estricto anaeróbico para producción de Biogás y abono biológico Genérico o formulado - Primera Parte

1. Para todos aquellos que hablan de la necesidad de diseño para pequeños o muy pequeños productores, si existen, con una buena relación de costos-beneficios, pero los resultados son proporcionales a su tamaño por lo cual no se pueden denominar sistemas industriales, sobre estos, indicare diseños y requerimientos en mi segunda entrega, sin embargo, encuentro muy apropiada y favorable la sugerencia del ingeniero Montanaro, en que agruparse o unirse es positivo para los muy pequeños productores.
   
   
2. El tema de producción de Biogás, es profundo, el que quiera obtener resultados interesantes en este campo, debe comprender y manejar con propiedad y profundidad los fenómenos bioquímicos de degradación anaeróbica, y la microbiología, no digo con esto que no se puedan obtener resultados sin tanta profundidad en estas disciplinas, basados en conocimientos, experiencias y diseños propios o exógenos, pero si afirmo, que quien quiera evolucionar en este campo, debe conocer la bioquímica y microbiología de estos procesos con rigurosidad.
   
   
3. La producción de Biogás, debe llevarse paralelamente en el sentido de desarrollo técnico y eficiencia, con la optimización del efluente generado al producir el biogás, siendo la producción de abono biológico genérico o formulado, la mejor de ellas a mi parecer.
   
   
4. Nuestros países suramericanos, centroamericanos, contamos con los recursos naturales y el potencial humano para estar a la vanguardia en este tipo de desarrollos, y esto lo corrobora los artículos anteriormente presentados por Roberto Montanaro y Pablo Infante, de quienes aprendí mucho, y presento mis respetos, por sus altos conocimientos en el tema, y sus desarrollos presentados, por lo tanto invito a que unamos esfuerzos para seguir desarrollando tecnologías de punta en este campo, con el fin de favorecer a nuestros agricultores pequeños o grandes y quienes manejan producción animal o de alguna forma, residuos orgánicos biodegradables, independientemente de su tamaño.

Presentación:

Biorreactor Estricto Anaeróbico


Instalado en la ciudad de Pitalito, Huila, Colombia

Vista de la Cámara de gas - Parte Superior



Capacidad de Manejo: 16 Toneladas día

Producción Efectiva de Efluente: 5 Toneladas día de abono Biológico formulado

Tiempo de Retención: 48 a 72 horas

Producción de Metano: 315 m3 día

Sistema Operativo: Continuo, por división de cámaras según fases principales de degradación, hidrolítica, acidogénica, metanógena

Tipo de Proceso: Estricto anaeróbico

Técnicas propias

· Inoculación forzada de complejos de enzimas, microorganismos, sustratos, inhibidores y otros
· Membranas de retención para microorganismos, y factores enzimáticos
· División de proceso por fases de degradación principales, Hidrolítica, Acidogénica, metanógena
· Purificación de biogás a metano por cascada para eliminación de humedad, H2S, CO2, y otros
· Acondicionamiento de biomasa por paso en molino desintegrador para entrega de material coloidal al Biorreactor, para mayor eficiencia en transferencia de masa.
· Variación de rangos de temperatura en cámaras, por medio de intercambiadores térmicos difusores.
· Aplicación y manejo de fenómenos electrogénicos

Sistema de Control: Electrónico, computarizado, totalmente automatizado

Sistema de medición y monitorizació: Electrónico computarizado, para pH, conductancia, conductividad, potencial de oxireducción, ión específico, acidez específica, temperatura, humedad, y otros.

Sentido Económico – Costos - Beneficio: El retorno de capital (costo de inversión del sistema) no supera lo 2 años


Objeto principal:

Convertir todas las basuras o residuos sólidos orgánicos biodegradables, municipales, agrícolas, industriales, etc., en abono biológico genérico y formulado en 48 a 72 horas como máximo, además de la producción de energía renovable a partir del biogás generado durante los procesos de degradación del Biorreactor, subproducto de grandísima importancia en esta época de crisis energética mundial, donde las fuentes de energía no renovables como el petróleo, carbón y otras se están agotando, fenómeno que demanda al mundo la necesidad de emplear y generar energías renovable y limpias como las que produce el Biorreactor, energía que puede ser convertida en electricidad mediante turbinas o generadores, utilizarla directamente como combustible en calderas, hornos, secadores y cualquier sistema de combustión a gas, en motores estacionarios (bombas, plantas, etc.,) o vehículos como tractores, automóviles, camiones, volquetas, y otros efectuando la debida adecuación en los sistema de combustión, como lo hacen los vehículos que emplean el ya conocido gas natural.

Dar a Colombia y otros países el potencial y capacidad de producir los llamdos “Cultivos verdes”, que están demandándose en los países desarrollados, subdesarrollados, etc., entregando un verdadero abono biológico para los cultivos y agro nacional, que permite generar este tipo de cultivo cumpliendo todas las normas internacionales para tal efecto, creemos y afirmamos con toda seguridad, que el buen futuro del agro y desarrollo económico de nuestros países latinoamericanos, se centrará y logrará en el grado que nuestros países entren en el campo de los “Cultivos verdes” lo que implica el uso de tecnologías limpias y ecológicas como la que presentamos.

Vista lateral del Biorreactor



Se observa el sistema de calefacción o calentamiento de biomasa, los tanques de inoculación de complejos enzimáticos y de microorganismos (tanque pequeño naranja y verde con sus respectivas bombas y electro válvulas, y las tres cámaras divididas, Hidrolítica (verde), Acidogénica (naranja) y Metanógena (azul).


Bases operativas del Biorreactor

El Biorreactor presentado opera sobre las siguientes bases en secuencia:

1. La biomasa o material orgánico a tratar se pasa por un molino desintegrador diseñado para entregar el material en forma coloidal al Biorreactor, con el fin de lograr una mejor y mayor transferencia de masa en los fenómenos de biosíntesis o degradación.

Vista del Molino Desintegrador

2. Una vez pasada por el molino, cae a una cámara de recepción, donde mediante una bomba de tipo estercolera se envía al Biorreactor.


Cámara de recepción de material orgánico y alimentación al Biorreactor



En esta cámara cae el material ya molido convertido en coloide y pasa por medio de esta bomba al Biorreactor, la alimentación se hace en secuencias a cada cámara, y opera conjuntamente con el sistema de homogenización interno.

Lo que quiere decir que cuando el material esta entrando a cada cámara, internamente se comienza a homogenizar en todo el Biorreactor.

El tamaño de las partículas recibidas en esta cámara, fluctúa entre 0.5mm a 1mm como máximo.

La bomba para automáticamente cuando las cámaras están llenas ya que el sistema cuenta con controles de nivel automatizados.


Vista lateral del Biorreactor donde se aprecian los tanques de recepción del efluente final



En esta vista, también se aprecian las tuberías que van a cada cámara, como los otros tanques de inoculación (amarillos y azul) a lado medio e inferior del Biorreactor.

3. Una vez enviada la biomasa al Biorreactor, pasa primero por la cámara hidrolítica, donde sucede el primer paso de degradación, efectuando hidrólisis enzimática exsocelular, para llevar los polímeros de alto peso molecular a monómeros de bajo peso molecular en la etapa acidogénica, esta hidrólisis enzimático exocelurar es acompañada por la inoculación en esta fase de complejos de microorganismo acidogénicos y enzimas específicas para acelerar este proceso de rompimiento molecular,. el primer rompimiento de azucares en la fermentación es a ácido piruvico con liberación de hidrógeno en forma de un complejo portador de hidrógeno, este hidrógeno puede luego ser usado para reducir el ácido piruvico a ácido propiónico, aunque también puede ser reducido a etanol.

4. En todas las fases se inoculan complejos de microorganismos y enzimas para acelerar el proceso, de lo contrario no se podría lograr los resultados en 72 horas, o sea que en la fase acidogénica el segundo paso, se da la generación de estos ácidos mencionados anteriormente, donde los productos de la hidrólisis son metabolizados para formar diversos ácidos grasos orgánicos volátiles, predominando el ácido acético y el propiónico, también fórmico, butírico y valérico

C3 H4 O3 + 2H ® C2 H6 O + CO2 (piruvico a etanol)
o a ácido láctico C3 H4 O3 + 2H ® C3 H6 O3
o a butírico 2 C3 H4 O3 ® C4 H8 O2 + 2CO2
o a ácido succínico C3 H4 O3 + CO2 + 2H ® C4 H6 O4 + H2 O
ácido acético del piruvico C3 H4 O3 + H2 O ® C2 H4 O2 + H2 + CO2

4H2 + CO2 ® CH4 + 2H2O

* Conversión del dióxido de carbono y del hidrógeno en metano y agua
- 4H2 + CO2 ® CH4 + 2H2 O

* Conversión del formiato y del acetato en metano, agua y CO
- 4HCOOH ® CH4 +3CO2 +2H2O

- CH3 COOH ® CH4 + CO2

4CH3 OH ® 3CH4 + CO2 + 2H2 O

4(CH3 )N + CH2 O ® 9CH4 + 3CO2 + 4NH3

4CO + 2H2 O ® CH4 + 3CO2

1. La temperatura en la cámara hidrolítica se mantiene entre 42 a 45 grados centígrados
   
   
2. En la etapa acidogénica, se aplican dos pisos térmicos, para efecto de que las bacterias termófilas e hipertermófilas que algunas veces se inoculas puedan operar y no quedar en estado de latencia, esto sin que afecte las mesófilas, naturalmente esto se logra utilizando un intercambiador térmico – difusor, que en su base genera entre 55 a 65 grados centigrados o mas, según se desee, pero mediante el difusor, no se permite elevar la temperatura en el resto de la cámara acidogénica.

Vista de un intercambiador térmico con difusores internos y bloque termófilo (no se ve el difusor externo ya que es una toma externa antes de instalarse).



Existen unas colmenas que se ubican en la parte inferior, las cuales operan conjuntamente con un difusor interno y ahí se inoculan y mantienen las termófilas

Los difusores externos al intercambiador que no se observan en esta vista, tienen un flujo constante de agua sobre la cual se maneja un delta T específico para cada colmena y sector de la cámara acidogénica.

En todas las cámaras, también están las membranas de retención de microorganismos, sustratos, etc., las cuales son cilíndricas también, con una estructura de entre 9 (nueve) a 12 (doce) pisos, según su función, donde se encuentras capas de biopolímeros, sistemas porosos reguladores, separadores biológicos, etc., para generar fenómenos de retención bacterial.

En estas membranas, se van formando colonias de bacterias, utilizando los fenómenos quimiotaxicos naturales de ellas, donde se cumple su crecimiento logarítmico adecuadamente.

En cada cámara se encuentran seis membranas diferentes de retención, cada una de ellas con función especifica, ya sea para antagonismo, competencia, inhibición o cualquier otra función que se quiera implementar dentro de los procesos de biosíntesis de los microorganismos.

Durante las 72 horas que dura como máximo el proceso total de degradación en el Biorreactor, todos los pasos y operaciones son controladas automáticamente mediante el controlador electrónico computarizado, que mediante censores específicos, le envían señales al controlador, el cual las interpreta y da la orden a las válvulas que se abran, o a las bombas para que operen, recirculen, homogenicen o alimenten el Biorreactor, o inoculen complejos enzimáticos o de bacterias, etc.,

Sensor de ORPSensor de Acidez Bombas Externas

La inoculación de bacterias, enzimas, sustratos y otros es vital para el proceso, se hace por medio forzado utilizando bombas dosificadores, las cuales son controladas por el sistema de control computarizado, que interpreta las señales, y además cuenta con un software especial con mas de 254 rutinas diferentes, que todos los días se incrementan y agregan según investigación y procesos requeridos.


Sistema de Control Electrónico Computarizado



Este sistema permite la total automatización de los procesos.

Características principales Del Biorreactor:

1. Produce como efluente, abono biológico formulado o recuperador de suelos.

2. Produce biogás a nivel industrial, el cual se purifica y lleva a metano (CH4).

3. No necesita comenzarse o iniciar con estiércoles, puede iniciarse con cualquier material orgánico, ya que cuenta con las cepas de microorganismos, enzimas, sustratos e inóculos específicos y necesarios para los fenómenos de degradación anaeróbicos.

4. Es totalmente automatizado

5. Tiempo de retención máximo de 72 horas

6. Se puede llevar a cualquier escala, en el momento se esta construyendo uno para 300 toneladas día.

a) Tipo de susceptibilidad inhibitoria o tipo de interferencia (síntesis de la pared celular, metabolismo intermediario, síntesis de proteínas, síntesis de ácidos nucleicos, agente inactivador, etc.)

b) Cinética de saturación

c) Cinética de crecimiento

d) Cinética de fermentación

e) Metabolito activo

f) Aporte enzimático

g) En membrana de inhibición de acuerdo a las bacteriocinas o ionóforo utilizado

h) Termo habilidad (mesófilas, termófilas, delta T crítico, etc.)

i) Canales iónicos (donde se conocen)

j) Toxicidad (por morbilidad, sensibilidad al O2, fenómenos de oxireducción, etc.)

k) Gradiente electroquímico

l) Rutas metabólicas

m) Ubicación en membranas independientes según función

n) Otros

a) Se seleccionan grupos de cepas de acuerdo a la función u objeto especifico a lograr, siendo más claros, no compartimos la metodología general de operación donde se aplica o utiliza una cepa determinada como único medio de operación para obtener un resultado deseado en la biosíntesis o procesos de metabolización en una biomasa o efluente, los microorganismos pueden lograr efectos sorprendentes por si solos si se conocen en detalle y son aplicados adecuadamente en el proceso de degradación, pero para obtener resultados mas eficientes en cuanto a velocidad de reacción, volúmenes de producto esperado (metanol, etanol, metano, butanol, un ácido, y otros), no es correcto basarse solo en los resultados obtenidos con una cepa o dos, realizadas en cultivos con medios específicos, los cuales por lo general presentan limitantes en relación al numero de variables a considerar, y variables posibles a evaluar, los medios reales de aplicación por lo general son mas complejos que los creados en laboratorio, y no es apropiado ponderar los resultados con una cepa u otra en un medio exclusivo, a medios más complejos como los son los efluentes o biomasas a tratar, por tal razón, dichas cepas o microorganismos como biones que son, actúan en conjunto con todos los microorganismos y condiciones fisicoquímicas totales del medio en que se encuentran, como conclusión lógica, se infiere que a las cepas utilizadas para determinado fin, se les debe aportar otra serie de microorganismos y factores adicionales (catalizadores, etc.) como soporte y ayuda en los procesos de biosíntesis que se quieren obtener, la mayoría de cepas solo utilizan una serie de enzimas, pero otras no, tienen limitantes en actividad enzimática, y la mayoría de efluentes o biomasas contienen diversos polímeros a degradar, factor que no se puede lograr con una sola cepa, es entonces estrictamente necesario, trabajar con grupos de cepas apropiados para tal efecto, además de aportar enzimas o catalizadores exógenos a estos, como también considerar rigurosamente factores de cometabolización y otros cofactores implícitos en los fenómenos de degradación.

b) Otras técnicas empleadas en nuestro proceso con fines más específicos, son utilizadas en la producción y establecimiento de nuestras cepas a inocular y fijar en las membranas, las consideraciones principales sobre estas son:

b)1. Se varía el equilibrio electroquímico a nivel de membrana para efectos de transporte

b)2. Se varía las regulaciones osmóticas del volumen celular para modificar fenómenos de permeabilidad

b)3. Se aporta energía por medio electrógeno para variar el gradiente electroquímico, determinando las diferencias de potencial entre el exterior e interior del microorganismo, calculado por las propiedades eléctricas moleculares constitutivas de este.

b)4. Se buscan los catalizadores exógenos a nivel extracelular más apropiados con relación al filtro de selectividad y su mecanismo obturador

b)5. Se aportan iones y cationes específicos

b)6. Se toman consideraciones específicas sobre el donador primario de electrones, especialmente en los fijadores (aplicados en el efluente final) ya que este varía según el tipo de microorganismo y determina el suministro de ATP, ferredoxina u otros según tipo de reacción (fosforoclástica del piruvato, u otra de acuerdo al microorganismo).

b)7. En la inoculación de microorganismos en el efluente final, una vez dada la etapa metanogénica, se seleccionan los inóculos de acuerdo al metabolito especifico que pueda facilitar (dentro del efluente ya como abono) la liberación en el suelo de nutrientes específicos, además de la adecuada asimilación a nivel radicular de estos por intercambio catiónico y iónico.

b)8. Se analizan y utilizan los fenómenos de transformación bacterial tanto naturales como artificiales, el exogenote y endogenote, degradación por nucleasas citoplasmáticas, bajo técnicas de electroporación.

- Acetogenic bacteria
- Homoacetogenic bacteria
- Hydrolitic bacteria
- Methanobacterium formicium
- Methanobacterium arborphilicum
- Methanosarcina barkeri
- Methanobacterium ruminatium
- Methanococcus vanniellic
- Acetilobitillum
- Methanobacterium thermoautotrophicum
- Butyrivibrio fibrisolvens
- Butyrivibrio crossotus
- Lactobacullus plantarum
- Clostridium
- C Desulforibrio
- Nitrosomas
- Nitrobacter
- Klebsiella
- OTRAS

a) Tipo de enzima (mecanismos de acción, especificidad, enlace, etc.)

b) Función extracelular o intracelular

c) Factores coenzimáticos

d) Energía de activación y desactivación en microorganismos

e) Propiedades de desnaturalización (térmicas y otras)

f) Fase de degradación (hidrolítica, acidogénica, metanogénica).

g) Medios de aporte enzimáticos (microorganismos, enzimas semipurificadas y purificadas, etc.), los medios son seleccionados en razón a su potencial de actividad.

h) La termodinámica del transporte de membrana pasivo y activo, como las propiedades conformativas de la membrana en los microorganismos utilizados, son rigurosamente tomados en cuenta para la inclusión de enzimas como catalizadores específicos, iones y cationes de aporte.

i) Otras más

1. Tipificación del mismo de acuerdo a su contenido de nutrientes y microorganismos metabolizantes, fijadores, simbióticos, etc., además de su estado físico (coloidal, líquido, etc.)

2. Control de tasas tensiométricas de asimilación

3. Relación con el equilibrio catiónico del suelo donde se aplica

4. Velocidad y rango de asimilación bajo consideraciones in situ (tipo de suelo, clima, flora microbiana exógena, control de plagas, epipedión, etc.).

5. Turgencia, transpiración, fenómenos de floema y otras partes operante en la asimilación de nutrientes por la planta o cultivo donde se va a emplear el abono biológico.

6. Se determina todos los rangos de toxicidad e inhibición posibles a los componentes microbiológicos del abono en relación a la aplicación de químicos de plaguicidas químicos empleados en el cultivo, enmiendas y otros aportes de carácter perjudicial para la actividad y composición del abono biológico.

7. Factores edáficos de donde se va a aplicar el abono, epipedión, etc.