Modelización de la digestión anaerobia: de una a varias poblaciones bacterianas

Los sistemas de digestión anaeróbica son procesos complejos que desafortunadamente a menudo sufren de inestabilidad. A fin de diseñar, optimizar y operar eficientemente estos sistemas es necesario desarrollar estrategias apropiadas de control. Estas estrategias requieren, en general del desarrollo de modelos matemáticos. El proceso de digestión anaerobia comprende una red compleja de reacciones secuenciales y paralelas de naturaleza bioquímica y fisicoquímica. Generalmente, estas reacciones contienen un paso en particular, denominado reacción-limitante el cual siendo el más lento, limita la tasa de reacción del proceso global. Los primeros intentos del modelado de la digestión anaerobia condujeron a modelos que describen este paso limitante. Sin embargo, en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, el paso limitante no siempre es el mismo. Este puede depender de las características de las aguas residuales, de la carga hidráulica, de la temperatura, etc. Es evidente que la "hipótesis del paso limitante" conduce a modelos simples y fácilmente utilizables. Sin embargo, estos modelos no describen muy bien el comportamiento del digestor, especialmente en condiciones transitorias de funcionamiento. Este trabajo revisa el estado del arte en modelización de la digestión anaerobia. Damos una breve descripción de los modelos clave de digestión anaerobia que se han desarrollado hasta el momento para describir sistemas con crecimiento de biomasa, incluyendo el modelo de digestión anaerobia No 1 (ADM1) de la Asociación Internacional del Agua (IWA) e identificamos las áreas que requieren esfuerzos futuros de investigación.

Abstract

Anaerobic digestion systems are complex processes that unfortunately often suffer from instability causing digester failure. In order to be able to design, optimizing and operate efficiently anaerobic digestion systems, appropriate control strategies need to be designed. Such strategies require, in general, the development of mathematical models. The anaerobic digestion process comprises a complex network of sequential and parallel reactions of biochemical and physicochemical nature. Usually, such reactions contain a particular step, the so called rate-limiting step which, being the slowest, limits the reaction rate of the overall process. The first attempts for modeling anaerobic digestion led to models describing only the limiting step. However, over a wide range of operating conditions, the limiting step is not always the same. It may depend on wastewater characteristics, hydraulic loading, temperature, etc. It is apparent that the "limiting step hypothesis" leads to simple and readily usable models. Such models, however, do not describe very well the digester behavior, especially under transient operating conditions. This work reviews the current state-of-the-art in anaerobic digestion modeling. We give a brief description of the key anaerobic digestion models that have been developed so far for describing biomass growth systems, including the International Water Association’s Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) and we identify the areas that require further research endeavors.