Resumen
Esta tesis doctoral se centra en la dinámica de la inhibición y la recuperación del proceso de digestión anaerobia de purines de cerdo para encontrar indicadores, predecir fallos del proceso, minimizar las pérdidas de metano (CH4) y evaluar las mejores prácticas de gestión a nivel de la planta de biogás.
Para cumplir con este objetivo, cinco ensayos fueron diseñados y ejecutados. En primer lugar, se diseñó un experimento para controlar los cambios físico-químicos y de emisión de gas de dos tipos de purines envejecidos durante 15 semanas de almacenamiento en condiciones de verano. En segundo lugar, diferentes concentraciones de sulfato (SO42-) fueron evaluadas en digestión anaerobia termofílica de purines de cerdo y vacuno controlando la producción de CH4 y los cambios fisicoquímicos en un ensayo en discontinuo. Así mismo, la degradación anaeróbica de la materia orgánica (MO) y el límite de inhibición de SO42- fueron investigados. En tercer lugar, los efectos de incluir purines de cerdo acidificados con SO42- en un codigestión anaerobia con purines de cerdo convencionales se estudió a dos escalas (a escala laboratorio y a gran escala), donde se evaluó el rendimiento del proceso. Así mismo, los indicadores clave del proceso fueron identificados. En cuarto lugar, una combinación de dos métodos, reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa en tiempo real (qPCR) y microscopía electrónica de barrido cualitativa (SEM) fueron utilizados para evaluar los cambios en la población microbiana de los digestores anaerobios durante la adición de los purines. Finalmente, el rendimiento de CH4, la composición físico-química y la estructura y dinámica de la comunidad microbiológica fueron evaluadas durante la puesta en marcha de la digestión anaerobia de purines de cerdo a escala de laboratorio. Se evaluaron cuatro estrategias de puesta en marcha: inanición y no inanición, seguida de una adición gradual o brusca de los purines.
Los resultados presentados en esta tesis doctoral permitieron concluir que en la degradación anaerobia de la MO de purines envejecidos, hay una transformación de MO más fácilmente degradable en MO soluble durante las tres primeras semanas de almacenamiento. Sin embargo, la producción de CH4 no se produjo hasta las cinco semanas de almacenamiento. En cuanto al uso de purines acidificados con SO42- en digestión anaerobia, concentraciones de SO42-en purines de cerdo superiores 2000 mg SO42-L-1 y concentraciones superiores a 1500 mg SO42-L-1 en purines de vacuno produjeron disminuciones importantes en la producción de CH4. Sin embargo, concentraciones de 500 mg SO42-L-1 en purines aumentaron la producción de CH4. Adicionalmente, en la digestión anaerobia de purines acidificados con SO42-, los parámetros más importantes a controlar fueron: la concentración de SO42-, los parámetros de alcalinidad y el contenido total de ácidos grasos volátiles (AGV), especialmente acético y butírico. La adición de purines de cerdo a digestores anaerobios no adaptados causó un deterioro del proceso de digestión anaerobia disminuyendo el pH del lodo, un aumento de la concentración de AGV, una disminución la degradación de los sólidos volátiles y una bajada de la producción de CH4. Durante el periodo de adaptación al cambio de sustrato en condiciones termofilicas, un aumento en el total de bacterias y arqueas se observó a través de qPCR, así como un cambio en morfotipos microbianos a través de SEM. En cuanto a las estrategias de puesta en marcha, la estrategia que mejor minimizó las pérdidas de CH4 fue la no inanición con un cambio brusco de sustrato, aunque las diferencias en la población microbiana entre las estrategias fueron bajas. Por otra parte, la principal vía metabólica de producción de CH4 durante la puesta en marcha y recuperación del proceso de digestión anaerobia fue la ruta hidrogenotrófica con todas las estrategias utilizadas. De hecho, en primer lugar las especies de Methanomicrobiales y posteriormente especies de Methanobacteriales fueron los órdenes de arqueas dominantes durante todo el período de recuperación, estos dos órdenes resultaron valiosos indicadores del proceso.
Esta tesis contiene información práctica y útil para el seguimiento de la digestión anaerobia de purines durante periodos de inhibición y recuperación del proceso.