El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más efectivos para la reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados.

La producción de energía en una instalación de biogás es una reproducción acelerada y optimizada del ciclo natural: materias orgánicas en descomposición en ausencia de oxígeno.

La digestión anaerobia es un proceso natural que se produce en pantanos, lagos y ríos. Es un componente importante del ciclo biogeoquímico de carbono. La degradación anaerobia de la materia orgánica a su forma más reducida, el metano (CH4), es un proceso puramente biológico que se produce en tres pasos, con la asistencia de al menos cuatro grupos diferentes de bacterias en ausencia de oxígeno. En la primera etapa, llamado hidrólisis, el material sólido compuesto de sustratos de cadena larga y compleja, son degradados por las enzimas extracelulares de moléculas solubles que son asimilados por las bacterias. En la siguiente fase, la fermentación, los productos de hidrólisis son degradadas por la fermentación bacteriana, principalmente los ácidos grasos volátiles (AGV). En el último paso, aproximadamente 70% de metano se forma a partir de AGV y 30% de a partir del hidrógeno y el dióxido de carbono por bacterias metanogénicas.

Los límites termodinámicos de la digestión anaerobia son muy estrechos. La formación de metano se mantiene sólo mientras que el consorcio de bacterias se encuentre en condiciones óptimas. En consecuencia, hay algunos parámetros que permiten el control del proceso:

Temperatura:
La formación de metano se produce en la naturaleza a diferentes temperaturas. En aplicaciones técnicas, 3 rangos de temperatura se distinguen: temperatura psicrófilica (10 º C - 25 ° C), temperatura mesófilica (25 º C - 45 C), temperatuta termofílica (49 º C - 60 º C). Sin embargo, la actividad enzimática de las bacterias depende profundamente de la temperatura. La elección de una temperatura de trabajo resulta de un compromiso entre el volumen de gas a producir, el grado de fermentación y el tiempo de retención.

La mayoría de los biodigestores anaerobios han sido diseñado para actuar en el mesófilo, la temperatura ideal para el trabajo de 30 º C - 35 ° C, ya que los requisitos térmicos para el funcionamiento del sistema son menores en comparación con el rango termófilo.

Temperatura termófila se aplican, generalmente, en unidades de codigestión centralizada de gran escala donde se requieren medidas más estrictas de higiene.

Sin embargo, dada la ubicuidad de las bacterias metanogénicas en ambientes anaeróbicos pueden producirse cambios en la temperatura del rango termófilo al mesófilo, y viceversa, sin que este cambio sea problemático en los digestores de residuos animales, siempre que ello se produzca en un lento y gradual.

Tiempo de retención hidráulica (TRH):
La TRH describe el tiempo medio que permanece el sustrato en un digestor y se define dividiendo el volumen del digestor por el flujo de alimentación al día. En el caso de los residuos animales, la mayoría de la materia orgánica se encuentra en la fase sólida. Es conveniente, por lo tanto, que estos sólidos se queden en el sistema durante un periodo de tiempo grande, y tienen poca importancia a la retención de la fase líquida.

El tiempo de residencia de los materiales en el sistema sólo nos da indicaciones cualitativas del proceso, dado que la degradación de materia orgánica depende de la cantidad de microorganismos presentes y de la existencia de una población de microorganismos con una alta tasa de reproducción para permitir la rápida degradación de la materia orgánica, independientemente de los valores de los tiempos de retención de sólidos y / o hidráulico.

Dependiendo del tipo de digestión y del tipo de residuos, el tiempo de retención puede variar de 10 a 40 días.

Nutrientes:
Cualquier sistema biológico necesita almacenar macronutrientes como el nitrógeno y el fósforo. Estos nutrientes son esenciales para el crecimiento bacteriano, así como otros en cantidades más pequeñas. La falta de nutrientes específicos, necesarios para el crecimiento bacteriano, restringirá la producción de biogás.

Entre los macronutrientes, el nitrógeno desempeña un papel especialmente importante en la formación de proteínas. No obstante, el exceso de este elemento puede causar toxicidad del sustrato produciendo amoniaco. Por esta razón habrá que controlar la cantidad de micronutrientes, ya que pequeñas variaciones en la concentración de estas sustancias pueden comportar toxicidad. La relación de carbono a nitrógeno debe mantenerse entre 20:1 y 30:1.

Contenido de agua:
El contenido de agua en el digestor deberá oscilar entre el 60% al 90% del peso total del contenido. Tanto el exceso como la falta de agua es perjudicial. El contenido de agua varía de acuerdo a las diferencias presentadas en los residuos a tratar.

Alcalinidad y pH:
La alcalinidad de un sistema es la capacidad que tiene el sistema para neutralizar los ácidos. El resultado de la presencia de especies químicas alcalinas es lo que indica la capacidad tampón del sistema. La alcalinidad es una medida de la cantidad de carbonato en la solución, resultante del dióxido de carbono producido durante la digestión anaeróbica. La acidez o basicidad del medio se indica por el pH.

La alcalinidad es importante porque las bacterias producen ácidos, que implican disminución del pH. El carbonato reacciona con los ácidos, permitiendo controlar la acidez del medio (efecto tampón de carbonato).

Ventajas de la digestión anaerobia:

Hay varias ventajas de la digestión anaerobia como una tecnología de tratamiento de residuos y producción de biogás:

• Es un proceso natural para el tratamiento de residuos orgánicos.
• Requiere menos espacio que el vertedero o compostaje.
• Reduce el volumen de residuos que deben eliminarse.
• Puede reducir el olor del residuo en 80%.
• Es una fuente de energía renovable.
• Produce un combustible de alta calidad y ecológicamente correcto (combustión de metano produce sólo agua y dióxido de carbono, no genera gases tóxicos).
• Maximiza los beneficios del reciclaje / reutilización de la materia orgánica.
• Produce como residuo abono, rico en nutrientes y libre de microorganismos patógenos.

• Reduce significativamente la cantidad de emisión de dióxido de carbono y metano, gases que causan el efecto invernadero. El dióxido de carbono producido en la digestión anaeróbica de carbono es de ciclo corto, es decir, el carbono de la materia orgánica ha sido recientemente eliminado de la atmósfera, por lo que la energía producida en este proceso no se considera como una contribución al cambio climático.

• En la mayoría de los casos es una buena inversión económica ya que reduce el gasto energético.

Sin embargo, algunos pequeños inconvenientes también deben tenerse en cuenta:

Tiene en su composición el sulfuro de hidrógeno considerado un gas tóxico. Dependiendo del tipo de residuos, la cantidad de sulfuro de hidrógeno del gas será mayor o menor, y puede implicar un posible paso de la transformación del gas obtenido.
Su baja densidad significa que la temperatura y presión normales ocupa un mayor volumen de gas que los tradicionales. La licuefacción es físicamente difícil, lo que corresponde a algunas desventajas en términos de transporte, almacenamiento, distribución y uso.
Es necesario eligir el equipo adecuado en la construcción del digestor, ya que existe formación de gases corrosivos como el sulfuro de hidrógeno, que a largo plazo puede significar un costo adicional de mantenimiento.