Modelización de la dinámica de los microorganismos anaerobios sintróficos oxidantes del ácido acético (SAO)

Abstract

In the anaerobic digestion process, the most sensitive step is the methanogenesis. The main methane producing organisms are the acetoclastic methanogenic archaea that degrade the acetic acid to methane. These microorganisms are very sensitive to high concentrations of ammonia, which leads to operation problems. Recently, it has been studied a microorganism that also has the ability to degrade acetate, SAO bacteria, less sensitive to ammonia and favoring the methane production through the hydrogenotrophic methanogens. In the present project, a study of the SAO bacteria was made, in order toadd them in the ADM1 model. These microorganisms are able to oxidize acetic anaerobically to hydrogen and carbon dioxide. The reaction is very sensitive to the partial pressure of H2, needing the presence of hydrogenotrophic methanogenic archaea, which consume the H2 generated and transform to methane. Once the population SAO was implemented in the model, the kinetic parameters of these new bacteria were identified by using experimental data and optimizing the sum of the square of differences between these data and values predicted by the model. The experimental data came from simultaneous batch test with different initial concentrations of ammonium, acetate and hydrogen, using an inoculum from a biogas plant whose behavior suggested the possible presence of SAO. Moreover, the variable stoichiometry model was studied because the SAO organisms are very sensitive to the reaction thermodynamics. That model was compared with the ADM1 model, which in the results seems that could not fulfill the second law of thermodynamics, simulating reactions which are endergonic in the reality. The results indicate the interest of modifying the ADM1 model to consider the presence of the SAO microorganisms. The fitting to the experimental data, using the modified ADM1 model, corroborate the presence of an appreciable initial concentration of SAO in the samples, with higher concentrations than those of acetoclastic methanogenic archaea.

En la digestió anaeròbia una de les etapes més sensibles és la metanogènesi. Els principals organismes productors de metà, les arqueobacteris metanogènics acetoclástics, que degraden l'àcid acètic a metà, són molt sensibles a concentracions elevades d'amoníac, el que comporta problemes en el procés. Per intentar solucionar aquest inconvenient i comprendre millor el procés, recentment s'estan estudiant més a fons els bacteris SAO. Aquestes també tenen la capacitat de degradar l'acètic i són menys sensibles al amoníac. A diferència de les acetoclástiques, els SAO transformen l'acetat en hidrogen i diòxid de carboni. L'H2 produït és transformat en metà per arqueobacteris metanogènics hidrogenófils. A més, els SAO són molt sensibles a la pressió parcial d'hidrogen, pel que és imprescindible per al seu desenvolupament el consum d'H2 per part de les metanogènics hidrogenófils. En el present treball s'ha realitzat un estudi dels bacteris SAO, per tal de poder implementar la seva dinàmica en el model ADM1. Un cop implementada, es va procedir a la identificació de paràmetres utilitzant dades experimentals d'assaigs discontinus simultanis, amb diferents concentracions inicials d'amoni, acetat i hidrogen, utilitzant un inòcul procedent d'una planta de biogàs el comportament suggeria la possible presència de SAO. D'altra banda, com els organismes SAO són molt sensibles a la termodinàmica de la reacció, es va estudiar el model adoptant estequiometria variable i es va comparar amb el model ADM1. Aquest últim, segons els resultats, podria no complir el segon principi de la termodinàmica, produint reaccions endergòniques. Els resultats obtinguts indiquen l'interès en modificar el model de referència ADM1 perquè contempli la presència de microorganismes SAO. Els ajustos a les dades experimentals, realitzats mitjançant el model ADM1 modificat, corroboren la presència d'una concentració inicial apreciable de SAO en les mostres estudiades, amb concentracions superiors a les de arqueobacteris metanogènics acetoclástics.

En la digestión anaerobia una de las etapas más sensibles es la metanogénesis. Los principales organismos productores de metano, las arqueas metanogénicas acetoclásticas, que degradan el ácido acético a metano, son muy sensibles a concentraciones elevadas de amoniaco, lo que conlleva problemas en el proceso. Para intentar solucionar este inconveniente y comprender mejor el proceso, recientemente se están estudiando más a fondo las bacterias SAO. Estas también poseen la capacidad de degradar el acético y son menos sensibles al amoniaco. A diferencia de las acetoclásticas, SAO transforma el acetato en hidrógeno y dióxido de carbono. El H2 producido es transformado en metano por arqueas metanogénicas hidrogenófilas. Además, SAO son muy sensibles a la presión parcial de hidrógeno, por lo que es imprescindible para su desarrollo el consumo de H2 por parte de las metanogénicas hidrogenófilas. En el presente trabajo se ha realizado un estudio de las bacterias SAO, con el fin de poder implementar su dinámica en el modelo ADM1. Una vez implementada, se procedió a la identificación de parámetros utilizando datos experimentales de ensayos discontinuos simultáneos, con diferentes concentraciones iniciales de amonio, acetato e hidrógeno, utilizando un inóculo procedente de una planta de biogás cuyo comportamiento sugería la posible presencia de SAO. Por otra parte, como los organismos SAO son muy sensibles a la termodinámica de la reacción, se estudió el modelo adoptando estequiometría variable y se comparó con el modelo ADM1. Este último, según los resultados, podría no cumplir el segundo principio de la termodinámica, produciendo reacciones endergónicas. Los resultados obtenidos indican el interés en modificar el modelo de referencia ADM1 para que contemple la presencia de microorganismos SAO. Los ajustes a los datos experimentales, realizados mediante el modelo ADM1 modificado, corroboran la presencia de una concentración inicial apreciable de SAO en las muestras estudiadas, con concentraciones superiores a las de arqueas metanogénicas acetoclásticas.