Estructura y función de un lodo granular anaeróbico de un digestor de laguna capaz de biogasificar residuos de faena avícola, microalgas y glicerol
Fil: Miranda, Lucas S. Universidad Nacional de Luján; Argentina.
Guardado en:
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| Publicado: |
Universidad Nacional de Luján
2026
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I62-R168-rediunlu-37232026-02-04T18:31:21Z Estructura y función de un lodo granular anaeróbico de un digestor de laguna capaz de biogasificar residuos de faena avícola, microalgas y glicerol Miranda, Lucas S. Fernández-Velasco, Javier G. González, María Dolores Biogás Metano Digestor de laguna Iodo granular Microalgas Chlorella Gicerol Pirita framboidal Metagenómica Biogas Methane Lagoon digester Granular sludge Microalgae Chlorella Glycerol Famboidal pyrite Metagenomics Fil: Miranda, Lucas S. Universidad Nacional de Luján; Argentina. La digestión anaeróbica es una biotecnología sencilla para proveer energía sustentable y el biogás generado contiene principalmente metano. Se origina por una secuencia de reacciones metabólicas de diferentes grupos funcionales de microorganismos anaeróbicos que degradan materia orgánica. Este proceso se ve favorecido por la cercanía entre los microorganismos tal como por ejemplo ocurre en biofilms o gránulos. En este trabajo se describe un “lodo granular” metanógeno, hallado inesperadamente en un biodigestor anaeróbico de laguna cuyo diseño no debería favorecer el fenómeno de granulación. Este biodigestor está ubicado en la Provincia de Entre Ríos, Argentina y degrada los residuos del lavado de una planta faenadora de pollos. Los gránulos son ovoides, aplanados, de tamaños entre 0,5 a 11 mm y muy estables. Al corte presentan capas concéntricas, posiblemente de crecimiento, y en el centro generalmente hay estructuras de origen orgánico muerto, o inorgánico. En esta región se observa tejido vegetal leñoso o, en otros casos, agrupaciones cristalinas identificadas como piritas framboidales (FeS 2 ) junto, o separadamente, con otros cristales traslúcidos. El análisis de estos cristales con microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de energía dispersa confirma que los cristales framboidales están compuestos principalmente por hierro y azufre mientras que los traslúcidos están compuestos por silicio y oxígeno, posiblemente cuarzo. Los cristales de pirita framboidal pueden tener un origen biológico fuera o dentro del gránulo. Como la pirita framboidal se la encontró en el centro de los gránulos junto a otros cristales pudo haber servido como “nucleante” que facilitó el proceso de granulación, como es el caso del tejido vegetal. También podría haberse originado en el centro del gránulo por procesos de óxido-reducción a partir de óxidos, fosfatos y otros minerales férricos, sulfato y azufre elemental. Microorganismos reductores de sulfato y de hierro(III) pueden proveer los elementos, aunque no son los responsables de la morfología framboidal. Otra posibilidad es que las piritas framboidales se encuentren allí por ambos procesos. 3Por microscopía confocal de spinning-disk se estableció que la vitalidad celular en gránulos de aproximadamente 1 mm de diámetro es máxima, mientras que en gránulos mayores disminuye hacia la zona central. Mediante diversas microscopías se observó en todo el gránulo la presencia de organismos filamentosos extensos. Posiblemente, estos aporten a la gran estabilidad de los gránulos y faciliten la granulación en el biodigestor de laguna. De la misma manera se interpreta la presencia de material polimérico extracelular que se encuentra distribuido en todo el gránulo. El análisis metagenómico preliminar de dos gránulos con pirita y uno con tejido leñoso presentes en esos gránulos mostró que los tres comparten 30 géneros de bacterias que dan cuenta de la mayor parte de la abundancia microbiana relativa de cada uno de ellos. En la totalidad de géneros encontrados, los gránulos mostraron un porcentaje superior al 12 % de organismos filamentosos, junto a la presencia de reductores de sulfato, de azufre y de hierro(III), así como de microorganismos sintróficos. Otro aspecto estudiado en esta Tesis es la capacidad del “lodo granular” para biogasificar otros sustratos, además de los líquidos de lavado de la planta. Uno de esos sustratos es biomasa de microalgas, usando como organismo modelo a Chlorella vulgaris. Las microalgas son relevantes porque son una fuente de biomasa de 3 ra generación: no compiten por suelos cultivables ni por fertilizantes y presentan velocidades de crecimiento hasta 100 veces superiores a las de los cultivos típicos. Usar microalgas como fuente de biomasa para generar biogás es la estrategia más sencilla para generar biocombustibles a partir de ellas. Dado que el “lodo granular” en estudio no fue naturalmente seleccionado para digerir microalgas, se comparó al “lodo granular” con un lodo anaeróbico de tipo “limoso”, naturalmente adaptado a degradar microalgas, en la capacidad de digerir y biogasificar esa biomasa. Para varios propósitos, el “lodo limoso” es el control positivo de este estudio. Para ambos tipos de lodo el biogás mostró una concentración de metano ≥70 % mientras que la producción de biogás fue de 588 y 680 mL bioga s neto/g p.s. para el “lodo granular” y “limoso”, respectivamente. Por lo tanto, el 56 % y el 66 % del 4peso seco libre de cenizas de las microalgas es transformable en bioga s por cada uno de ellos. El “lodo limoso” mostro una Km ∼4 veces mayor que la Km del “lodo granular”, indicando menor afinidad por la biomasa de microalgas. Pero mostro la mayor Vmax, dependiendo de co mo se la normalice. Para ambos tipos de lodos hay una pequen a fraccio n de la totalidad de proteí nas, hidratos de carbono y lí pidos que son recalcitrantes a la biodigestio n. Las biomole culas que son casi totalmente indigeribles por ambos lodos por igual son los carotenoides. El otro sustrato estudiado es el glicerol. Surge como un subproducto de la producción de biodiesel, de jabón y de la manufactura de ácidos grasos y triglicéridos. Debido a los altos costos de purificación de este subproducto, junto a los grandes volúmenes generados, es importante investigar la biogasificación del glicerol como una manera sencilla de darle valor a ese residuo. En este trabajo, se utilizó el efluente de salida del biodigestor en estudio, para evaluar en ese medio la capacidad del “lodo granular” a biogasificar glicerol. De este modo se intensificaría el uso de residuos agroindustriales para la producción de biogás. Para ello se realizó un estudio preliminar de biogasificación utilizando glicerol p.a. El “lodo granular” puede biogasificar el 81 % del glicerol presente en concentraciones de hasta 0,4 % (v/v), produciendo un biogás con 65 % (v/v) metano. Concentraciones superiores a 0,2 % (v/v) de glicerol inducen inhibiciones transitorias de la producción de biogás que correlacionan con una caída también transitoria del pH. Tanto esas inhibiciones transitorias como la caída del pH pueden ser minimizadas por una pre-adaptación del lodo a biogasificar glicerol. In this work, a methanogenic “granular sludge” is described, unexpectedly found in an anaerobic lagoon biodigester whose design should not favor the granulation phenomenon. This biodigester is located in the Province of Entre Ríos, Argentina and degrades the washing wastes from a chicken slaughter plant. The granules are ovoid, flattened, with sizes between 0.5 to 11 mm and very stable. When cut, they present concentric layers, possibly of growth, and in the center there are generally structures of organic origin (e.g. wood), or inorganic. In this region, woody plant tissue is observed or, in other cases, crystalline groupings identified as framboidal pyrites (FeS 2 ) together, or separately, with other translucent crystals. Analysis of these crystals with scanning electron microscopy and energy- dispersive spectroscopy confirms that the framboidal crystals are composed mainly of iron and sulfur while the translucent ones of silicon and oxygen, possibly quartz. Framboidal pyrite crystals can have a biological origin outside or inside the granule. Cell vitality in granules of approximately ≤1 mm in diameter is complete, while in larger granules it decreases towards the central zone. Through various microscopies, the presence of extensive filamentous organisms was observed throughout the granule. Possibly, these contribute to the great stability of the granules and facilitate granulation in the lagoon biodigester. In the same way it is interpreted the presence of extracellular polymeric material that is distributed throughout the granule. Preliminary metagenomic analysis of two granules with pyrite and one with woody tissue present in those granules showed that all three share 30 genera of bacteria that account for most of the relative microbial abundance of each of them. In all the genera found, the granules showed a percentage greater than 12 % of filamentous organisms, along with the presence of sulfate, sulfur and iron(III) reducers, as well as syntrophic microorganisms. Another aspect studied is the capacity of the “granular sludge” to biogasify other substrates, in addition to the slaughter plant washing liquids. 6One of these substrates is microalgae biomass, using Chlorella vulgaris as a model organism. Since the “granular sludge” under study was not naturally selected to digest microalgae, the “granular sludge” was compared with a “silty” type anaerobic sludge, naturally adapted to degrade microalgae, in the capacity to digest and biogasify that biomass. For several purposes, the “silty sludge” is the positive control in this study. For both types of sludges, the biogas showed a methane concentration ≥70 % (v/v) while the biogas production was 588 and 680 mL net biogas/g d.w. for the “granular sludge” and the “silty sludge”, respectively. Therefore, 56 % and 66 % of the ash-free dry weight of the microalgae can be transformed into biogas by each of them. Unexpectedly, the “silty sludge” showed a Km for biogas production ∼4 times greater than the Km of the “granular sludge”, indicating for the former lower affinity for microalgae biomass. But it showed the highest Vmax, depending on how it is normalized. For both types of sludges there is a small fraction of the total proteins, carbohydrates and lipids that are recalcitrant to biodigestion. The biomolecules that are almost completely indigestible equally by both sludges are carotenoids. The other substrate studied is glycerol. It arises as a byproduct of the production of biodiesel, soap and the manufacture of fatty acids and triglycerides. The biodigester output effluent was used to evaluate in that medium the capacity of the “granular sludge” to biogasify glycerol p.a. The “granular sludge” can biogasify 81 % of the glycerol present in concentrations of up to 0.4 % (v/v), producing a biogas with 65 % (v/v) methane. Concentrations greater than 0.2% (v/v) of glycerol induce transient inhibitions of biogas production that correlate with a transient drop in pH. Both these transient inhibitions and the drop in pH can be minimized by pre-adaptation of the sludge to biogasify glycerol. 2026-02-04T17:57:25Z 2026-02-04T17:57:25Z 2023 Thesis info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/acceptedVersion http://ri.unlu.edu.ar/xmlui/handle/rediunlu/3723 spa es info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/ application/pdf application/pdf Universidad Nacional de Luján |