Modelo cinético de la digestión anaerobia basado en la bioenergética de los microorganismos

Abstract

RESUMEN : Las aguas residuales, carbohidratos y residuos sólidos mediante tratamientos y condiciones de operación adecuadas permiten la transformación de la materia orgánica en una fuente de energía limpia en forma de hidrógeno y metano. Sin embargo, se deben establecer las posibles rutas metabólicas para estimar las eficiencias energéticas y los rendimientos de los productos de la digestión anaerobia. Para esto, se han desarrollado modelos generados desde la experimentación, ajuste de parámetros cinéticos y muchos de ellos parten desde el uso de la estequiometría ideal. Por tanto, el objetivo de este proyecto es el de proponer un modelo cinético con una estequiometría obtenida a través de un modelo biotermodinámico para los procesos anaeróbicos de la transformación de la materia orgánica utilizando como sustrato base la glucosa. Como primer resultado de esta investigación, se formuló un modelo cinético no estructurado/no segregado, continuo en el tiempo, sencillo y con gran aproximación a los resultados obtenidos con modelos de uso común como el logístico para biomasa, diferencial para sustrato y Luedeking-Piret para metano. Al comparar este modelo enfocado desde la perspectiva de la bioquímica (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) con uno desde la ingeniería de procesos como el elaborado por García (1999) que es un modelo no estructurado/ segregado que incluye diferentes fases con varias constantes cinéticas para cada una de ellas, permite obtener resultados similares y elaborar ecuaciones cinéticas de primer orden con un menor grado de complejidad y mayor comprensión de los fenómenos biocinéticos presentados en la conversión de la materia orgánica anaeróbicamente. Las correlaciones obtenidas con el modelo cinético desarrollado para biomasa total, consumo de sustrato y generación de metano fueron de 0.6818, 0.9702 y 0.9504 respectivamente. Como aporte o contribución se considera que los modelos construidos son capaces de reproducir datos experimentales de la digestión anaerobia con un poco más de precisión que el error experimental, partiendo desde la teoría y de la estequiometría de un modelo biotermodinámico como el desarrollado por Naranjo (2018) que incluye diferentes balances de masa y energía para estimar la producción celular y las eficiencias energéticas de las reacciones biológicas.

ABSTRACT: Wastewater, carbohydrates and solid waste through appropriate treatment and operating conditions allow the transformation of organic matter into a clean energy source in the form of hydrogen and methane. However, possible metabolic pathways need to be established to estimate energy efficiencies and yields of anaerobic digestion products. For this, models generated from experimentation, adjustment of kinetic parameters have been developed and many of them start from the use of ideal stoichiometry. Therefore, the objective of this project is to propose a kinetic model with a stoichiometry obtained through a biothermodynamic model for the anaerobic processes of the transformation of organic matter using glucose as the base substrate. As a first result of this research, an unstructured/non-segregated kinetic model was formulated, continuous in time, simple and with great approximation to the results obtained with commonly used models such as the logistic for biomass, differential for substrate and Luedeking-Piret. for methane. When comparing this model focused from the perspective of biochemistry (hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis) with one from process engineering such as the one elaborated by García (1999), which is an unstructured/segregated model that includes different phases with several constants kinetic equations for each one of them, allows to obtain similar results and to elaborate first order kinetic equations with a lower degree of complexity and greater understanding of the biokinetic phenomena presented in the conversion of organic matter anaerobically. The correlations obtained with the kinetic model developed for total biomass, substrate consumption and methane generation were 0.6818, 0.9702 and 0.9504, respectively. As a contribution, it is considered that the built models are capable of reproducing experimental data of anaerobic digestion with a little more precision than the experimental error, starting from the theory and the stoichiometry of a biothermodynamic model such as the one developed by Naranjo (2018). ) that includes different mass and energy balances to estimate cell production and energy efficiencies of biological reactions.