N2 Aplicado · Lección 4 de 8 · 28 min

Operar un digestor estable: carga, tiempo de retención e inhibición

Conversión bioquímica

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Calcular la carga orgánica volumétrica y el tiempo de retención hidráulico (aplicar).
Estimar el amoníaco libre a partir del nitrógeno amoniacal, el pH y la temperatura (aplicar).
Diagnosticar una inhibición por amoníaco y proponer acciones (evaluar).

Conviene saber antes

Lección «El ensayo de potencial bioquímico de metano (BMP)».

En un digestor continuo, dos parámetros de diseño mandan: cuánto alimento entra por unidad de volumen y por día (carga orgánica volumétrica, OLR) y cuánto tiempo permanece el líquido dentro (tiempo de retención hidráulico, TRH). Si la carga es demasiado alta o el TRH muy corto, las bacterias acidogénicas, que crecen rápido, producen ácidos más rápido de lo que las arqueas metanogénicas, más lentas, los consumen: el pH cae y el proceso «se agria».

\mathrm{OLR}=\frac{Q\,C_{SV}}{V_R}\qquad \mathrm{TRH}=\frac{V_R}{Q}

Carga orgánica volumétrica y tiempo de retención hidráulico de un digestor de mezcla completa.

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$Q$	caudal de alimentación	m³ d⁻¹
$C_{SV}$	concentración de sólidos volátiles en la alimentación	kg SV m⁻³
$V_R$	volumen útil del reactor	m³
$OLR$	carga orgánica volumétrica	kg SV m⁻³ d⁻¹
$TRH$	tiempo de retención hidráulico	d

Ejemplo resuelto 1

Dimensionar el volumen para un residuo de banano

Se quieren digerir 10 t/d de cáscara de banano (9,7 % ST, 86,29 % SV sobre ST; Khan et al., 2016) con una OLR de diseño de 2,5 kg SV/(m³·d) (valor de diseño supuesto). Densidad de la alimentación ≈ 1 t/m³. ¿Qué volumen y qué TRH resultan?

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$\dot m$	10	t d⁻¹	supuesto
$ST, SV$	9,7 %; 86,29 %	masa	Khan et al. (2016)
$OLR$	2,5	kg SV m⁻³ d⁻¹	supuesto de diseño

SV alimentados por día:
$\dot m_{SV}=10\,000\times0{,}097\times0{,}8629=837\ \mathrm{kg\,SV\,d^{-1}}$
Volumen útil:
$V_R=\frac{837}{2{,}5}=335\ \mathrm{m^3}$
Tiempo de retención con Q ≈ 10 m³/d:
$\mathrm{TRH}=\frac{335}{10}=33\ \mathrm{d}$

Resultado

V_R\approx335\ \mathrm{m^3},\quad\mathrm{TRH}\approx33\ \mathrm{d}

Interpretación: Con un sustrato tan diluido, la OLR y el TRH se mueven juntos: no se puede subir uno sin cambiar el otro. Un TRH de 33 días suele ser cómodo para sustratos lentos.

La inhibición más frecuente en residuos ricos en proteína (estiércol, vinazas, residuos de matadero) es la del amoníaco. Lo tóxico no es el nitrógeno amoniacal total (NAT), sino su forma libre (NH₃), que atraviesa la membrana celular (Chen et al., 2008). El equilibrio NH₄⁺/NH₃ depende del pH y de la temperatura; la fórmula usual es la de Anthonisen et al. (1976), empleada en estudios de digestión como el de Hansen et al. (1998).

\mathrm{NH_3\text{-}N}=\frac{\mathrm{NAT}\cdot10^{\mathrm{pH}}}{e^{6344/(273+T)}+10^{\mathrm{pH}}}

Nitrógeno amoniacal libre en función del nitrógeno amoniacal total, el pH y la temperatura (Anthonisen et al., 1976).

Variables de la ecuación 2
Símbolo	Significado	Unidad
$\mathrm{NH_3\text{-}N}$	amoníaco libre, expresado como N	g N L⁻¹
$NAT$	nitrógeno amoniacal total (NH₄⁺ + NH₃)	g N L⁻¹
$T$	temperatura del digestor	°C

Ejemplo resuelto 2

Amoníaco libre a 37 °C frente a 50 °C

Un digestor tiene 3,0 g N/L de NAT y pH 7,8. Calcula el amoníaco libre a 37 °C (mesófilo) y a 50 °C (termófilo).

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$NAT$	3	g N L⁻¹	supuesto
$pH$	7,8	—	supuesto

Término de temperatura a 37 °C:
$e^{6344/310}=772\,016\,228;\quad 10^{7{,}8}=63\,095\,734$
Fracción libre y NH₃-N a 37 °C:
$f=\frac{10^{7{,}8}}{e^{6344/310}+10^{7{,}8}}=0{,}0756;\quad \mathrm{NH_3\text{-}N}=3{,}0\times0{,}0756=0{,}227\ \mathrm{g\,L^{-1}}$
Lo mismo a 50 °C:
$f_{50}=0{,}1570;\quad \mathrm{NH_3\text{-}N}=3{,}0\times0{,}1570=0{,}471\ \mathrm{g\,L^{-1}}$

Resultado

\frac{\mathrm{NH_3}_{50}}{\mathrm{NH_3}_{37}}\approx2{,}1

Interpretación: Con el mismo nitrógeno y el mismo pH, el reactor termófilo tiene más del doble de amoníaco libre. Por eso los residuos ricos en proteína suelen digerirse mejor en régimen mesófilo.

Figura 1Pérdida de metano según el nitrógeno amoniacal (digestor termófilo, 50 °C)

Entre 2,9 y 5,1 g N/L de NAT, la pérdida de metano pasa de 24 % a 66 %: por encima de ≈3 g/L el digestor rara vez entrega su potencial completo.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Pérdida de metano según el nitrógeno amoniacal (digestor termófilo, 50 °C)
NAT	NH₃ libre	Reducción de metano
2,9	0,7	24
3,6	1,1	30
4,4	1,5	52
5,1	1,8	66

Fuente: Sutaryo, Ward y Møller (2014), J. Indonesian Trop. Anim. Agric. 39(2), 83–90: estiércol de vacuno, cinco reactores continuos, 50 °C.

Figura 2Fracción de amoníaco libre según pH y temperatura

Cada 0,2 unidades de pH multiplican el amoníaco libre por ≈1,6; pasar de 35 °C a 55 °C lo multiplica por ≈3,5.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 2: Fracción de amoníaco libre según pH y temperatura
pH	35 °C	55 °C
7	1,12	3,83
7,2	1,77	5,94
7,4	2,77	9,09
7,6	4,32	13,68
7,8	6,68	20,08
8	10,19	28,48
8,2	15,24	38,69

Fuente: Derivado con la ecuación de Anthonisen et al. (1976), tal como la usan Hansen et al. (1998).

Tabla 1 Síntomas y respuestas ante la inestabilidad
Síntoma	Causa probable	Acción
Cae el % de CH₄ y sube el CO₂	Sobrecarga orgánica: acumulación de AGV	Bajar la OLR y medir AGV y alcalinidad
Producción estable pero baja, AGV isovalérico e isobutírico altos	Inhibición por amoníaco	Diluir, codigerir con un sustrato pobre en N o bajar la temperatura
Espuma y caída brusca	Grasa en exceso o cambio súbito de sustrato	Alimentar de forma gradual y homogénea

Fuente: Síntesis docente a partir de Chen et al. (2008) y Sutaryo et al. (2014).

Figura 3Digestor de mezcla completa en corte, con sus entradas, salidas y puntos de medición.

Lo que no es evidente. El termófilo es más rápido, pero no siempre mejor. Con el mismo nitrógeno y el mismo pH, a 50 °C hay más del doble de amoníaco libre que a 37 °C (ejemplo anterior), y Sutaryo et al. (2014) midieron 24 % menos metano ya con 2,9 g N/L. En residuos proteicos, la temperatura «óptima» de la cinética puede ser la peor para la estabilidad.

Ejercicios

Cálculo●○○
Un digestor de 1.200 m³ recibe 40 m³/d con 30 kg SV/m³. Calcula la OLR y el TRH.
Ver la solución
$\mathrm{OLR} = 40 \times 30 \div 1.200 = 1{,}0\ \mathrm{kg\ SV/(m^3\cdot d)}$ ; $\mathrm{TRH} = 1.200 \div 40 = 30\ \mathrm{d}$ .
Cálculo●●●
Con NAT = 4,0 g N/L, ¿qué pH máximo mantiene el amoníaco libre por debajo de 0,3 g N/L a 37 °C?
Ver la solución
Se necesita $f \le 0{,}075$ . De $f = \dfrac{10^{\mathrm{pH}}}{e^{6344/310} + 10^{\mathrm{pH}}}$ se despeja $10^{\mathrm{pH}} = \dfrac{f\,e^{6344/310}}{1 - f} = \dfrac{0{,}075 \times 772.016.228}{0{,}925} \approx 62.595.910$ , así que $\mathrm{pH} \approx 7{,}80$ .
Criterio●●○
Un operador sube la temperatura de 37 °C a 52 °C para «acelerar» un digestor de estiércol de gallina. Al mes, el metano cae. Explica la causa más probable.
Ver la solución
El estiércol de gallina es rico en nitrógeno. Al subir la temperatura sube la fracción libre del amoníaco (≈2,1 veces entre 37 y 50 °C a pH 7,8, y algo más hasta 52 °C), y el NH₃ libre inhibe a las metanogénicas. Hay que volver al régimen mesófilo, diluir o codigerir con un sustrato pobre en N.

Autoevaluación

¿Qué forma del amoníaco es la principal responsable de la inhibición?
1. El ion amonio NH₄⁺
2. El amoníaco libre NH₃
3. El nitrato
4. El nitrógeno orgánico
Ver la respuesta
Respuesta: B. El NH₃ libre atraviesa la membrana celular; su proporción crece con el pH y la temperatura.
Si se duplica el caudal con el mismo volumen de reactor, el TRH…
1. se duplica
2. se reduce a la mitad
3. no cambia
4. se cuadruplica
Ver la respuesta
Respuesta: B. TRH = V/Q: con el doble de Q, la mitad del tiempo.
En Sutaryo et al. (2014), ¿qué pérdida de metano se midió con 5,1 g N/L de NAT?
1. 5 %
2. 24 %
3. 66 %
4. 100 %
Ver la respuesta
Respuesta: C. 66 %, con 1,8 g/L de amoníaco libre a 50 °C.

Referencias

Chen, Y., Cheng, J. J., & Creamer, K. S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresource Technology, 99(10), 4044–4064. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.057
Hansen, K. H., Angelidaki, I., & Ahring, B. K. (1998). Anaerobic digestion of swine manure: Inhibition by ammonia. Water Research, 32(1), 5–12. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(97)00201-7
Sutaryo, S., Ward, A. J., & Møller, H. B. (2014). Ammonia inhibition in thermophilic anaerobic digestion of dairy cattle manure. Journal of the Indonesian Tropical Animal Agriculture, 39(2), 83–90. https://doi.org/10.14710/jitaa.39.2.83-90
Khan, M. T., Brulé, M., Maurer, C., Argyropoulos, D., Müller, J., & Oechsner, H. (2016). Batch anaerobic digestion of banana waste: Energy potential and modelling of methane production kinetics. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 18(1), 110–128. https://cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/3244

Para profundizar

Chen, Y., Cheng, J. J., & Creamer, K. S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresource Technology, 99(10), 4044–4064. — Revisión de referencia de los inhibidores de la digestión: amoníaco, sulfuro, metales y orgánicos.
Sutaryo, S., Ward, A. J., & Møller, H. B. (2014). Ammonia inhibition in thermophilic anaerobic digestion of dairy cattle manure. Journal of the Indonesian Tropical Animal Agriculture, 39(2), 83–90. — Datos experimentales claros de cuánto metano se pierde a cada nivel de amoníaco en régimen termófilo.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Operar un digestor estable: carga, tiempo de retención e inhibición (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión bioquímica»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-bioquimica/estabilidad-del-digestor/

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