UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA -

DIVISION : CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE LA SALUD

4

COORDINACION DE SEWEC=IQS DOCUMENTALES - BIf3lIOTECA

DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGIA

REPORTE DEL PROYECTO DE SERVICIO SOCIAL,

TEMA~DIGESTION ANAEROBIA EN DOS ETAPASJ

ALUMNA: ACELA DEL ROSARIO LAGUNA LOPEZ

ASESOR: M. en C. OSCAR MONROY HERMOSILLO

mavo de 1995

AGRADECIMIENTOS 2 2 2 4 2 8

A mis mamas Berha y Cuca por darme siempre el amor y fuerza necesaria para lograr una de mis mas importantes metas de mi vida.

A mi hermano Isradque siempre ha estado conmigo brindandome su apoyo para seguir adelante.

A mis tíos Jorge y Victoria que me dieron su cariño y un buen consejo cuando lo necesité.

Y a toda mi familia por creer y confiar en mí.

ACELA 1995.

DIGESTION ANAEROBIA EN DOS ETAPAS

INTRODUCION

La digestión anaerobia es una serie de procesos metabólicos,los cuales degradan la materia

metano y dióxido de carbono como productos finales. Una característica importante para que se lleve a cabo es que exista una anaerobiosis estricta,así como potenciales de óxido-reducción inferiores a -33OmV ( Guyot y Monroy 1993 ).

al,1981. :-C

. orgánica (proteínas,lípidos,carbohidratos) en ausencia de oxígeno molecular,formando

c,"= .Y : il(

35 * I. .-J

",.u.m

La digestión anaeobia se lleva a cabo en tres etapas que heron descritas por Mc. Inerney et "I

iz ", ;.=

"Y f *. .. +

t "

*. ' 'Y 5 p 2: "1

Primera Etapa: Hidrólisis y Fermentación. t i 7

En la primera etapa los polimeros de alto peso molecular como celulosa,pectina,proteínas ó u,> fwu

de bajo peso molecular aminoácidos,sacáridos,lípidos etc. son hidrolizados y fermentados c y 4 por las bacterias anaerobias facultativas produciendo ácidos carboxílicos principalmente r"li m ácidos grasos volátiles (AGV),alcoholes y hidrógeno. 2:.

-.

Segunda Etapa: Acetogénica. En ésta etapa los productos obtenidos en la hidrólisis acidogénica principalmente los AGV (acetato,propionato,butirato) son transformados a ácido acético,hidrogeno y dióxido de carbono, por un grupo de bacterias acetogénicas productoras obligadas de hidrógeno (OHPA),las cuales deben tener una relación sintrófica con las bacterias hidrogenofilicas, las cuales remueven el hidrógeno que producen las OHPA para evitar que se acumule y esto ocacione una inhibición de la digestión anaerobia.

Tercera Etapa: Metanogénica. En ésta última etapa las bacterias metanogénicas acetoclásticas descarboxilan el ácido acético,para obtener metano y dióxido de carbono,y las bacterias metanohidrogenotróficas reducen el C 0 2 con el hidrógeno para formar el metano.Estas bacterias necesitan estar a pH 7 y requerimientos nutricionales adecuados para que puedan realizar estas reacciones.

Digestión anaerobia en dos etapas: Las distintas condiciones fisicoquímicas para llevar a cabo la digestión anaerobia y la fisiología de las bacterias involucradas en el proceso favorecen la posibilidad de trabajar con dos reactores en serie operando bajo condiciones óptimas cada uno.Esto permite tener una mejor eficiencia; ya que el primer reactor operado a pH bajos y TRH cortos efectúa la acidogénesis y el segundo reactor operado a pH 7 y TRH largos favorece la metanogénesis.Bajo éstas condiciones se puede aumentar la carga máxima alimentada al sistema y se puede lograr una mejor estabilidad.(Kisaalita et al, 1989).

Reactor anaerobio de lecho de Iodos de flujo ascendente (UASB) Se utilizó un reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket); el cuál opera con flujo ascendente,esto permite tener cierta selectividad sobre los microorganismos presentes favoreciéndo la formación de un lodo con buenas propiedades de floculación y sedimentación dando como resultado una cama de lodos en la parte inferior del eactor. En la parte superior del reactor existe un sistema para la captación del biogas formado, el cual evita la salida de los sólidos suspendidos en el efluente, y favorece la evacuación del gas formado. El efluente residual se introduce en la base del reactor y atraviesa el lecho de lodos; durante el trayecto la materia orgánica entra en contacto con los microorganismos y se efectua la degradación de ésta produciendose el biogas. (Ramirez 1992, Kuppusamy et al 1993).

OBJETIVO Estudiar la respuesta del reactor acidogénico y metanogénico a diferentes cargas orgánicas volumétricas ( 1gDQOfl.d , 2gDQOA.d ,4gDQO/l.d).

MATERIALES Y METODOS 1 .- Reactores Se trabajó con dos reactores UASB conectados en serie (Fig. 1).

Reactor Acidogefico

Figura 1. Sistema de reactores en serie de la digestión anerobia en dos etapas. ( l . Bomba peristáltica, 2.

Recipiente para la salida del reactor metanogénico, 3. Matraz de recirculación, SRA=Salida del reactor

acidogénico, ERM=Entrada al reactor metanogénico y SRM=Salida del reactor metanogénico).

El reactor acidogénico con un volumen de operación de 0.340 1 y el reactor metanogénico con un volumen de operación de 1.349 1. El inóculo de lodos de cada reactor y los gssvll variaron en los experimentos realizados(Tab1a 1).

Reactor Acidogénico Reactor metanogénico

En la parte superior de cada reactor se colocó una campana para separar el gas-sólido- 1íquido.El gas fue separado y enviado a un colector de gas conectado a cada reactor. A cada reactor se le colocó una columna de vidrio que contenía solución salina saturada a pH menor que 4 para evitar la disolución de gas. La columna para el reactor acidogénico tiene las siguientes dimenciones h=37cm d=5cm y h=60cm d=6.5cm para el reactor metanogénico.

2.-Medio de Alimentación El reactor acidogénico fue alimentado diariamente con medio mineral RAMM (Shelton and Tiedje,1984) y lactosa como sustrato que se varió de lgA, 2gA y 4gA, manteniendo un pH 7. (ver Anexo 1).

3.- Condiciones de Operación Los reactores se conectaron en serie operando el acidogénico a un TRH = 0.25 d y el metanogénico a un TRH = 1 d. Del efluente del reactor metanogénico se hizo una recirculación para que se mezclara con la salida del reactor acidogénico con el objeto de aumentar el pH y disminuir la carga de la entrada del reactor metanogénico.

4.- Muestreo. Diariamente se tomaron muestras de 120ml a la entrada y salida de cada reactor y 5ml de muestra de biogas de cada colector.

5.- Métodos Analíticos La lactosa se midió como demanda química de oxígeno (DQO) por el método colorimétrico de reflujo cerrado. (ver Anexo 2).

La acidez total y la producción de bicarbonato fue medida con la técnica de titulación retrotitulación (Powell and Archer 1989). Su diferencia en meq/l fue determinada como potencial de amortiguamiento (PA). (ver Anexo3).

El biogas ( metano y C02 ) se analizó por cromatografia de gases con un detector de condutividad térmica y una columna de Carbosphere, bajo las siguientes condiciones. Temperatura de la columna 140 OC Temperatura del detector 190 OC Temperatura del inyector 170 OC Corriente de los filamentos 120 mA Presion del Helio 50 psi Flujo de helio 30 mVmin

2 2 2 4 2 8

La producción de AGV se determinó por cromatografia de gases utilizando un detector de ionización de flama y una columna capilar ,bajo las siguientes condiciones. Temperatura del inyector 170 OC Temperatura del detector 170 OC Temperatura de la columna 130 OC a 170 OC Rango 15 OC/min Temperatura inicial 6 min Rango 5 Atenuación 3 Volumen de inyección 2microlitros

Para analizar las muestras se centrifugó (1 ml) a 13000 rpm/ 10 f in . Del sobrenadante se toman 0.5 m1 y se le adicionan 0.5 ml de ácido fórmico al 30%.

5.- Diseño Experimental Se estudió el comportamiento de los reactores acidogénico y metanogénico a diferentes cargas orgánicas y para cada experimento se determinó la carga orgánica masica y volumétrica dando una variación al aumentar la carga ( Tabla 2 ).

REACTOR ACIDOGENICO REACTOR METANOGENICO Experimentos Bx I c o v Bx I c o v

RESULTADOS Y DISCUSION

En la fig 1 se muestra el comportamuento del DQO a lo largo de los cuatro experimentos. Se observa que la eficiencia del reactor acidogénico fue baja aproximadamente en un (30%) en los dos primeros experimentos y siendo aún más baja en los dos últimos, de (lo%), esto debido al incremento en la concentración de la alimentación.

Y en el reactor metanogénico en los tres primeros experimentos se observa una eficiencia alta de aproximadamente un @O%), pero en el cuarto experimento al aumentar la alimentada disminuyó en un (70%).

3500

m 2500

m 1500

! bl

carga

O 10 3 3 40 50 60 70 80 90 100 110 13 13 140

Figura 1 . Remoción de DQO

En la figura 2 muestra el comportamiento del pH en los diferentes experimentos. La alimentación del reactor acidogénico se mantuvo a pH 7 porque se ajustó el medio de alimentación. El pH de salida del reactor acidogénico h e de (3.81),en los cuatro experimentos esto debido a la fermentación de la lactosa y a la formación de AGV (fig 3). El pH del reactor metanogénico en los dos primeros experimentos fue de ( 7 ),pero cuando se incrementó la concentración de la lactosa en los experimentos tres y cuaro disminuyó con mayor frecuencia , por lo que h e necesario agregarle bicarbonato de sodio para subir el pH y mantenerlo arriba de 6.

PH 9 s

8.5

7,5

6,s

5,s

4-5

3,s

2 3 O 10 20 30 40 50 €0 70 00 90 100 110 120 130 140

Tiempo (d)

-C- entrada acidogénico salida acidogénico "- salida metanogénico

Figura 2. Relación de pH

En la fig 3 se muesra la producción de AGV en el reactor acidogénico en los cuatro experimentos. Se observa que la producción de acetato en los primeros tres experimentos h e de aproximadamente ( 7.0 mM ), y al incrementar la carga en el último experimento disminuyó a ( 3.3 mM ).La concentración del propiónico en los dos primeros experimentos h e muy baja al igual que el butírico; sin embargo en el experimento tres y cuatro se incrementaron , esto debido a que la lactosa ya no se estaba degradando y por lo tanto paso al reactor metanogénico y ahí se produjo una mayor cantidad de AGV. (fig 4 ).

O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 0 0 110 120 130 140

Tiempo (d)

i acetato propi6nico -t- butirico

Figura 3. Productos de la fermentación de la lactosa,analizados por cromatografia de gases

En la fig 4 se muestra el comportamiento de los AGV por titulación durante el desarrollo de los experimentos . Se observa que la salida del reactor acidogénico en los primeros tres experimentos iba en aumento, pero en el último disminuy6.Y la salida del reactor metanogénico en los tres experimentos la producción de AGV fue baja, pero al incrementar la carga alimentada en el último experimento ,aumentó considerablemente la concentración de AGV.

O” AGVt (es I I) x

0,os

0,04

0,03

0,02

0.01’

O O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

Tiempo (d)

90 100 110 120 130 140

I - salida acidoghico - salida metanoghico ’ I Figura 4. Producción de AGV por titulación

En la fig 5 se muestra el comportamiento del potencial de amortiguamiento (PA). Se observa que en los dos primeros experimentos la salida del reactor acidogénico presenta un PA de aproximadamente 4.7 eq/l,mientras que en el tercer y cuarto experimento da un valor negativo. Y la salida del reactor metanogénico en los dos primeros experimentos fue de aproximadamente 9 eq/l, y en los dos últimos experimentos disminuyó a 1.24 eq/l.

PA (eq I I)

0.035

0.025 t 0,02

0.015

0,Ol

0,005

O

-0,005

-0,Ol

Tiempo (d)

I - salida acidogénico salida rnetanogénico I Figura 5. Potencial de Amortiguamiento (PA)

La fig 6 muestra el comportamiento de la acidogénesis,acetogénesis y remoción de DQO en el reactor acidogénico con relación al aumento de la carga orgánica volumétrica. Se observa que la acidogénesis ( fig 7 ) h e en aumento hasta una carga de 8 y después disminuyó, al igual que la acetogénesis,sin embargo el % de remoción f ie bajo en los tres experimentos y en el último dismiyó más.

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

COv (g W0ll.d)

1 "I- Acidogénesis - Acetogénesis -" DQOrernoción I Figura 6. Eficiencia de remoción DQO,acidogénesis,acetogénesis.

En la fig 7 muestra la producción de AGV con relación al aumento de la carga orgánica volumétrica en el reactor acidogénico. Se observa que la concentración de acetato al ir aumentando la carga hasta 8 gDQO/l.d se incrementó, sin embargo al duplicar la carga dismunuyó.La concentración de propionato y butirato también se incrementaron pero en menor proporción,pero a una carga de 15 gDQ0A.d disminuyeron .Esto pudo ser porque la carga del reactor era alta y entonces la lactosa no se estaba degradando totalmente y pasaba al otro reactor donde se producía una mayor cantidad de AGV.

O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

COv (gDQ0ll.d)

Acetato Propionato - Butirato

Figura 7. Productos de la fermentación de la lactosa. \ . I >

En la fig 8 muestra el DQO como AGV. Se observa que en los dos primeros experimentos el DQO es casi similar al DQO como AGV; sin embargo al incrementar la carga en el tercer experimento hay una diferencia mas grande y en el último experimento la diferencia es más esto es debido a que la produción de AGV en el reactor acidogénico h e menor al ir incrementando la carga,y por tanto no se degradó en su totalidad la lactosa.

REACTOR ACIDOGÉNICO DQa (mgll)

4000

3500

3ooo

2500

2000

1500

1000

500

O O 10 20 30 40 50 60 7'0 80 90 100 110 120 130 140 150

TIEMPO (d) - m0 - AGV como DQO

Figura 8. DQO y AGV como DQO en el reactor acidogénico

En la fig 9 muestra los 1 CH4A.d téorico y experimental del reactor metanogénico. Se observa que en los dos primeros experimentos el metano téorico se mantuvo casi a la misma relación que el experimental, pero en el tercer experimento el téorico aumentó un poco y el experimental disminuyó, y en el último experimento el metano téorico aumentó más mientras que el experimental se incrementó un poco más que el anterior . Esto pude ser por la disminución del pH ,ya que esto ocacionna una baja catividad de las bacterias y por consiguiente una menor producción de gas.

REACTOR ACIDOGENICO ICH4ll.d

I ,2

1

0.8

0,6

04

02

O O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 410 120 1 3 0 140

Tiempo (d)

I - Téorico - Experimental

Figura 9. Comportamiento del CH4 teórico y experimental en el reador metanogénico.

En la fig 10 muestra el % de metano en el desarrollo de los experimentos en el reactor acidogénico. Se observa que en los tres primeros hay aproximadamente el 80% y en el último disminuyó a 65% ; y en la fig 11 muestra el % de metano en el reactor metanogénico ,se observa que en los tres primeros se produjó 90% mientras que en el último disminuyó a 60%.

46 REACTOR ACIDOGENICO

100

90 --

80

70

"

--

60 --

50 "

40

" 20

" 30

--

10 O. O " m . ; 10 20 30 40 50 60 Tiempo %r 70 (d) 80 90 100 110

F l Figura 10. Composición de biogas en el reactor acidogénico

REACTOR METANOGENICO %

120 7

20

T

2 2 2 4 2 8

120 130 140

O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Tiempo (d)

Figura 1 l . Composición del biogas en el reactor metanogénico.

CONCLUSION

La producción de AGV en el reactor acidogénico disminuyó al ir incrementando la carga orgánica alimentada, esto debido a que simultaneamente en otro experimento se realizaban analisis del número mas probable y se tomaban muestras de lodos, lo cual en cierta forma afectó al reactor porque en el último experimento el volumen de lodos era muy pequeño en comparación a la carga alimentada que era alta,por tal motivo el reactor estaba sobrecargado.Por lo que es importante medir en cada cambio de carga el volumen de lodos así como la cantidad de SSV y mantenerlos. Así pues al disminuir la producción de AGV en el reactor acidogénico esto ocacionó que la lactosa entrara como tal al reactor metanogénico haciendo que se fermentara ahí y se produjeran más AGV y se acidificara el reactor, disminuyendo el pH; sin embargo esto no afectó en la producción de gas en ambos reactores,pues se obtuvo de 80 a 90% de gas, y no bajo más del 60%,por lo tanto se obtuvo una alta producción de gas.También la eficiencia de remoción h e alta en el reactor metanogénico y baja en el acidogénico, esto es lo que se esperaba. Así pues las condiciones de salida del reactor acidogénico afectan directamente la estabilidad del reactor metanogénico.

RECOMENDACIONES

Para que se lleve a cabo un buen hncionamiento de los dos reactores en serie es necesario:

Mantener el volumen adecuado de lodos de cada reactoqpara evitar que haya una sobre carga ,ya que al disminuir el volumen de lodos y aumentar la carga puede ocacionar una inhibición de la metanogénesis.

También determinar la cantidad de sólidos suspendidos totales antes de cada cambio de carga.

Y medir el pH de cada reactor y procurar mantenerlos a las condiciones que requiere cada uno .Y para subir el pH agregar bicarbonato de sodio al reactor.

BIBLIOGRAFIA

l.-APHA,AWWA,WPCF,1989. Standard Methods for the examination of water and wastewater, 16th edition. p.p 532-538.

2.- GUYOT, J.P. 1992. Introducción a la microbiología de los digestores anaerobios . Bioprocesos anaerobios para el tratamiento de efluenttes industriales, Curso organizado por UAM-I, ORSTOM, IMP. Méxic0,D.F.

3 .-GUYOT, J.P.,MONROY, O. 1993. Bases fisiológicas del control de los digestores anaerobios. V Congreso Nacional de Biotecnología. México, D.F.

I 4.-ILANGOVAN KUPPUSAMY Y CARMEN DURAN de BAZUA,1993. Primer mini simposio internacional sobre remoción de contamintes de aguas y suelos . U N A M .

5.- KISSALITA, W.S, Lo, K.V and PINDER, K.L (1989). I' Influence of Dilution rate on the acidogenic phase productcts distribution during two phase lactose anaerobiosis". Biotech and Bioeng, vol 34, p.p 1235-1250.

6.- MC INERNEY M.J. AND BRYANT M.P. ( 198 l), Basic principles of bioconversions in anaerobic digestion and methanogenesis". In: S.S. Sofer and 0 . R Zabrosky (ed). Biomass conversion process for energy and fbels. Plenum Publishing Corporation, p.p 277-296.

7.- POWELL,G.A. and Archer.D.A (1989). "One Line Tritration Method for Monitoring Buffer Capacity and Total Volatile Fatty Acid Leves in Anaerobic Digesters". Biotechnology and Bioengineering, vol 33 p.p 570-577.

8.-RAMIREZ, F. (1992).Degradación Anaerobia de Acetamida, Tesis de maestría ,UAM-I.

ANEXO 1

COMPOSICION DEL MEDIO MINERAL RAMM

El medio mineral contiene 4 soluciones en la siguiente proporción:

Solución mineral 1 Solución mineral 2 Solución mineral 3 Solución mineral 4

50mV1 5 0 d 1 lmvl 1 O m v l

Cada solución esta constituida por los siguientes compuestos:

Solución mineral 1

Solucion mineral 2

m 2 p 0 4 5.4g/l NH4Cl 10.6g/l CaC1.2H20 1.5gIl MgC1.6H20 2.0g/l

Solución mineral 3 ( oligoelementos )

Mnc12.4H20 ZnC12 H3B04 cuc12

. Na2Mo04.2H20 NiC12.6H20 Na2. Se03 CoC1.6H20

Solución 4

FeC12.4H20

ANEXO 2

METODO COLORIMETRIC0 DE REFLUJ.0 CERRADO

Demanda Química de Oxígeno. La determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) es usada como una medida del contenido de oxígeno equivalente de la materia orgánica de una muestra suceptible a oxidación por un oxidante químico fuerte. Para muestras de una fbente específica, el DQO puede estar relacionado empiricamente con la DBO, carbono orgánico ó materia orgánica.

Muchos tipos de materia orgánica son oxidados a ebullición por una mezcla de dicromato de potasio ( K2C1-207 ) y ácido sulfürico . Una muestra es reflujada en solución fbertemente ácida con exceso conocido de dicromato

3

S .b -a

de potasio. El oxígeno consumido es medido con un espectrofotómetro a 620 nm

"- S Reactivos: Solución standar de dicromato de potasio 0.016M ó 0.01ON 52 En un matraz volumétrico de lOOOml, disolver (9.826g) de K2Cr207 grado reactivo (previamente secado a103 C por 2h ) en 500ml de H20 destilada, adicionar 167ml de 5 H2SO4 y 33.3g de HgS04 Disolver lentamente, enfriar a temperatura ambiente y diluir hasta 1000ml. .:+

on

. .3

Solución de ácido sulfürico con sulfato de plata ( 5.5g de Ag2SOqKg de H2SO4) En un matraz volumétrico de lOOOml, agragar aproximadamente 3 0 0 d de H2SO4 concentrado, dejar reposar por 2 días para que el Ag2SO4 se disuelva y después completar el volumen con H2SO4 concentrado hasta 1000ml.

Preparación de la muestra En un tubo con tapón de rosca ,adicionar 2.5ml de muestra, 1.5ml de solución digestora de (K2Cr207) y 3.5ml de solución de H2SO4 con sulfato de plata, todos los reactivos se adicionan lentamente y cuidando de que resvalen por las paredes. Tapar bien los tubos y agitar en un vortex para que los reactivos se mesclen perfectamente . Colocar los tubos en una parrilla digestora a 150 C para reflujar durante 2 horas. Enfriar los tubos 20 min. y después leer la absorvancia en un espectrofotómetro a 620 m.

Para realizar los cálculos se hizo una curva standar de biftalato de potasio, utilizando la ecuación de la recta. (y = mx + b ).

CURDQO.XLS Chart 3

2 2 2 4 2 8

DQO método UAM

1000 - 900 "

800 --

700 600

--

--

ng 500 --

400 --

300 --

I

O 0.05 0.1 0.1 5 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

DO (620nm)

Página 1

ANEXO 3 4

METODOS DE TITULACION Y RETROTITULACION ( Archer y Powell)

1 .-Tomar un volumen de muestra (Vm) de lOOml y medir su pH. 2.- Añadir NaOH (O. 1N) hasta que pH2 = 11.8 3.- Titular con HCl (O. 1N) hasta pH3 = 9.4. Anotar la cantidad de ácido necesario V2 3 para titular de pH2 a pH3. 3.1- Titular con HC1 hasta pH4 = 6.9 3.2-Continuar la titulación ácida y anotar V4 5 el volúmen para pasar de pH4 a pH5 . ( pH4 = 6.9 a pH5 = 3.8, pK carbonato = 10733 ) 3.3- Continuar la titulación ácida hasta pH6 = 2.2 que es cuando todo elCO3" y HCO3 se ha convertido a C 0 2 4.- Detener la titulación en pH =2.2.Burbujear el matraz con aire para eliminar el C 0 2 de la solución (quedará aproximadamente 0.0 15mM C02 pero esta contaminación no afectará el experimento. 5.- Retrotitular con NaOH de V7 8 volúmen necesario para pasar de pH7 = 3.8 a pH 8 = 6.9 en donde todo el AGV esta efectivamente actuando como amortiguador. (pK acético = 4.75, pK propiónico = 4.87, pK n-butírico = 4.81)

Con estos volumenes se pueden calcular carbonatos totales,bicarbonatos,AGV,PA. (pKbic = 6.35, pKAGV = 4.74)