Diseño de una planta piloto para la producción de biogás

Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato División de Ciencias Naturales Y Exactas. Departamento de Ingeniería Química Ciencia y Tecnología Ambiental IQ-31007 Dra. M. Irene Cano Rodríguez. Proyecto: “Diseño de Una Planta Piloto Para La Producción de Biogás” Roberto Gasca González

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13/Junio/2014

Introducción. En la actualidad el uso de la gasolina (fuentes de petróleo) es una de las formas mas utilizadas para la generación de energía. Se ha aproximado que a el paso que vamos este recurso se acabara antes de 40 años. Por lo tanto es de gran importancia buscar fuentes alternativas de generación de energía, así como el caso de la producción del Biogás. Sabemos que el biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal como son los desechos de humanos y de animales, residuos agrícolas, y en si de toda la materia orgánica. El algunas zonas del estado de Guanajuato se caracterizan por impulsar y priorizar el desarrollo de la actividad agrícola, ganadera y la explotación forestal; estas actividades productivas generan residuos los cuales no están siendo aprovechados adecuadamente en zonas rurales donde la población carece de fuentes energéticas (gas doméstico y energía eléctrica) para sus hogares. La utilización de los residuos provenientes de la ganadería, es una alternativa significativa para la obtención de gas natural (biogás) a través de los biodigestores los cuales reducirán esta demanda de energía. La creciente demanda en zonas urbanas y la carencia en zonas rurales de energía eléctrica a nivel regional es el principal factor para que se den nuevas alternativas para la producción de energía eléctrica que puedan suplir dicho aumento de la demanda. Los altos precios del combustible y las elevadas tarifas locales de la energía eléctrica son factores fundamentales para desarrollar plantas de biogás a nivel nacional y regional que produzcan energía, a partir del uso de los desechos de la producción agropecuaria y de otros desechos humanos. Uno de los objetivos principales de este proyecto es el correcto manejo de los residuos orgánicos que se logra a través de diferentes tratamientos que implican un reciclaje de estas materias orgánicas, transformándolas en productos con valor agregado. El reciclaje de materia orgánica ha recibido un fuerte impulso con el alto costo de los fertilizantes químicos, con la búsqueda de alternativas no tradicionales de energía, así como también, la necesidad de vías de descontaminación y eliminación de residuos. La población microbiana juega un importante papel en las transformaciones de estos residuos orgánicos especialmente si se considera que disponen de un amplio rango de respuestas frente a la molécula de oxígeno, componente universal de las células. Esto permite establecer bioprocesos en función de la presencia o ausencia de oxígeno, con el objeto de tratar adecuadamente diversos residuos orgánicos. Básicamente el proceso que se lleva acabo para convertir la materia orgánica en energía es llamado “Digestión Aeróbica” el cual consiste en procesos realizados por diversos grupos de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos que, en presencia de oxígeno actúan sobre la materia orgánica disuelta, transformándola en productos finales inocuos y materia celular.

Generalidades.

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El proyecto consiste en Diseñar e implementar una planta piloto en algún municipio del estado de Guanajuato que se definiría con estudios mas precisos, Para verificar que municipio genera mas deshechos al día, con la finalidad de producir Biogás. Con esto promover al desarrollo tecnológico y ayudar al medio ambiente para el manejo de todos los deshechos que se generan y que generamos. Que ventajas se tendrán con la producción de Biogás, habrá varias las entre las mas importantes están: 1. 2.

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Obtener una fuente de energía económica que permita disminuir costos asociados al consumo de la energía eléctrica o sistemas de gas convencionales. Reducción de olores: los sistemas de biogás reducen los olores ofensivos especialmente en aquellas zonas donde se producen y manejan grandes cantidades de estiércol debido a la explotación de ganado. Los sistemas de biogás reducen estos olores debido a que los ácidos orgánicos volátiles que causan los compuestos generadores de olor son consumidos por las bacterias productoras de ganado. Por otra parte se pudiera producir fertilizante de alta calidad. En el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno orgánico en el estiércol se convierte en gran proporción a amoniaco, el constituyente básico de fertilizante comercial, que es fácilmente disponible y utilizado por las plantas. Reducción de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas. El efluente del digestor es un producto más uniforme y manejable que el estiércol no tratado. La alta cantidad de amoniaco permite una mejor utilización de los cultivos y permite mejorar las propiedades físicas de los suelos. Una aplicación apropiada del efluente del digestor reduce la contaminación de aguas superficiales o subterráneas. Reducción de patógenos El calentamiento que ocurre en los digestores reduce las poblaciones de patógenos rápidamente en pocos días. La recuperación de biogás mejora los rendimientos económicos mientras mejora la calidad del medio ambiente.

Como en cualquier el proceso industrial o químico siempre tendremos retos, para mejorar el proceso o para que el proceso en verdad sea de gran ayuda para la sociedad y no contraproducente. 1.

Uno de los retos mas importantes para este proyecto es contar con el recurso económico, en un inicio para poder adquirir un biodigestor que genera 80Kw/día que cuesta alrededor de los 4 millones de pesos, y ya después ir consiguiendo poco a poco lo necesario. 2. Por otra parte tener el lugar adecuado para realizar el proceso. 3. De igual manera es importante considerar un Balance energético y prevenir la contaminación hacia la atmosfera. Para obtener este balance es necesario calcular cuánta energía se debió invertir en su producción, hasta la energía consumida por la planta de procesamiento o su transporte al lugar final de su consumo. 4. Aunque estos combustibles son más limpios al quemarse, también hay dos posturas frente a qué tanto contaminan los biocombustibles cuando se compara la cantidad de gases de efecto invernadero emitida en el ciclo completo de

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producción y consumo con la que se requiere para procesar y transportar combustibles fósiles. 5. Que el proceso este generando los recursos necesarios para que sea sustentable y se cumpla el objetivo de satisfacer una necesidad, siendo amigable con el medio del medio ambiente y por otra parte generar recurso económico. Estos serían unos de los principales retos que se presentarían ya que en cualquier proceso se puede aplicar una mejora continua conforme la marcha, pero para un inicio, creo que serían los que nos interesarían Metodología Para empezar con las bases de este proyecto es necesario saber como se piensa hacer, lo anteriormente propuesto: 1. El primer paso y uno de los mas importantes es tener amplios conocimientos acerca del tema de estudio que es “Digestión Aeróbica”. 2. Conocer cada etapa del proceso.

En seguida se muestra un esquema muy básico acerca de la producción de biogás, Para partir de lo General a lo particular:

3.- Uno de los factores determinantes para que el proceso tenga buenos resultados es la elección del Biodigestor, debido a que hay diferentes tipos para cada caso de estudio en particular. Sabemos que un biodigestor es una maquina simple que convierte las materias primas en subproductos aprovechables, en este caso gas metano, y abono. El principio básico por el cual se rigen estos biodigestores es el mismo que tienen todos los animales, en descomponer los alimentos en compuestos mas simples para su absorción mediante bacterias con condiciones controladas de humedad, temperatura y nivel de acidez.

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Como hemos comentado anteriormente existen diferentes tipos de biodigestores y también podemos hacer trabajar a las bacterias en determinados rangos para maximizar el rendimiento, por lo tanto tenemos los tipos de biodigestores son: 1. Optimizados para generar gas. 2. Optimizados para generar Agua. 3. Optimizados para líquidos cloacales (reactores biológicos). En nuestro caso en particular es un biodigestor para producir gas, y por lo tanto hay dos tipos de biodigestores:  Biodigestores Continuos: Los cuales tienen las ventajas:  Permitir controlar la digestión, con el grado de precisión que se quiera.  Permite corregir cualquier anomalía que se presente en el proceso, en cuanto es detectada.  Permite manejar las variables relacionadas como carga especifica, tiempo de retención y temperatura voluntad, dentro de los limites conocidos.  Sólo en periodos prologados, exigen ser vaciados y limpiados. Estos periodos son de 10 años.  Las operaciones de carga y descarga, de material a procesar y procesados, no requieren ninguna operación especial. Entre las desventajas de estos biodigestores se encuentran:  La baja concentración de sólidos que admiten  No poseer un diseño apropiado para tratar materiales fibrosos, o aquellos cuyo peso especifico sea menor que el del agua.  Problemas de limpieza de sedimentos, espuma e incrustaciones.  Un alto consumo de Agua. Por otra parte nos encontramos con los  Biodigestores Discontinuos. Los cuales tienen las siguientes ventajas:

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Pueden procesar una gran cantidad de materiales. La carga puede juntarse en campo abierto porque, aunque tenga tierra u otro inerte mezclado, no entorpece la operación.  Admiten cargas secas, que no absorben humedad, así como se materiales que flotan en el agua.  Su trabajo en ciclos, los hace especialmente aptos para los casos en que la disponibilidad de materia prima no sea continua, sino periódica.  Prácticamente no requieren ninguna atención diaria.  

La principal desventaja es:  La carga y descarga requieren un paciente y considerable trabajo. Para este proyecto sería conveniente un Biodigestor continuo debido a que no se le da un mantenimiento durante un periodo de tiempo considerable y permite corregir anomalías en cualquier momento del proceso, por otra parte sabemos que requiere un alto consumo de agua, lo que se podría hacer es proporcionar un agregado de orinas lo cual podría ser un sustituto, para no gastar demasiada agua, ya que no sería bueno para el medio ambiente y mucho menos para nuestro bolsillo. Por otra parte sería necesario definir el tamaño del biodigestor, y la cantidad de energía que se quiere producir. En esta parte del proceso es donde se puede dar una gran aportación debido, a que aquí es donde se va a estar transformando la materia, y donde hay una transformación un ingeniero químico tiene una gran oportunidad. Primeramente es importante definir que microorganismos se utilizaran como catalizador, teniendo esto se podrá estudiar la cinética de la reacción y proponer un mecanismo, en caso de que fuera un enzima sería muy bueno realizar un mecanismo de enzima-sustrato, para poder describir las etapas de la reacción y los mas importante la velocidad de reacción. Y también sería útil calcular el tiempo de residencia, de igual forma se podrían realizar balances de materia y energía pare verificar que el proceso sea sustentable y calcular cuanto se quiere producir, para en un momento determinado se pueda realizar un escalamiento y se pueda producir a una escala mayor. 4.- El siguiente paso seria tener las optimas condiciones para la producción de biogás en el digestor: Estar a una temperatura entre los 20 ºC y 60ºC. Tener un pH alrededor de 7. Obviamente tener ausencia de Oxigeno. Tener un nivel de humedad considerable. Que la materia Prima se encuentre en trozos lo mas pequeños posibles. Inducir el equilibrio entre el carbono / nitrógeno. En el caso de la alimentación se puede introducir todos estos tipos de deshechos:

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Para el caso del equilibrio Carbono / nitrógeno. Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser sometida a fermentación anaeróbica. La calidad y la cantidad del biogás producido dependerán de la composición y la naturaleza del residuo utilizado. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes. El carbono y el nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de las bacterias metanogénicas. El carbono constituye la fuente de energía y el nitrógeno es utilizado para la formación de nuevas células. Estas bacterias consumen 30 veces más carbono que nitrógeno, por lo que la relación óptima de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de 30:1 hasta 20:1. Temperatura. Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a mayores producciones de biogás. La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaeróbica. Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden gatillar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura. Rango de pH y alcalinidad. El proceso anaeróbico es afectado adversamente con pequeños cambios en los niveles de pH (que se encuentran fuera del rango óptimo). Los microorganismos metanogénicos son más susceptibles a las variaciones de pH que los otros microorganismos de la comunidad microbiana anaeróbica. Los diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestión anaeróbica presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a la neutralidad. El óptimo es entre 5.5 y 6.5 para

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acidogénicos y entre 7.8 y 8.2 para metanogénicos. El pH óptimo para cultivos mixtos se encuentra en el rango entre 6.8 y 7.4, siendo el pH neutro el ideal. De antemano sabemos que hay muchos mas parámetros que hay que considerar pero estos son los básicos simplemente para poner los cimientos de este proyecto. 5.-Despues de que revisamos algunos parámetros y condiciones a las cuales se estará produciendo el biogás, es de gran importancia saber en donde se estará almacenando. La producción de gas de un digestor anaeróbico es continua a lo largo de las 24 horas del día; no ocurre lo mismo con el consumo que por lo general está concentrado en una fracción corta de tiempo. Por este motivo será necesario almacenar el gas producido durante las horas en que no se consuma. La dispersión del consumo y su intensidad determinará el volumen de almacenamiento requerido. Por lo tanto cuanto más concentrado esté el consumo en un período de tiempo corto, mayor será la necesidad de almacenaje. Por lo general el volumen de almacenamiento no baja del 50% de la producción diaria. El contenido de energía de 1 m 3 de biogas (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6 kWh/m3. Esta energía puede ser almacenada en diferentes formas (gas a baja presión, media o alta), agua caliente o energía eléctrica. Debido a que el gas en si mismo constituye la forma más directa de energía se debe intentar almacenarlo: para ello existen varias formas posibles. La forma más simple es almacenar el gas tal cual se obtiene, a baja presión, para ello se utiliza generalmente gasómetros. Las posibilidades son básicamente cuatro: I. Los digestores totalmente cerrados almacenan el gas a presión constante y presión variable. su capacidad es reducida y son muy poco usados. II. Los digestores con campana gasométrica que puede flotar sobre el líquido en fermentación o estar separado del digestor flotando sobre agua formando un sello hidráulico, muy usado en los reactores del tipo Hindú: en este caso el gas se almacena a presión constante (la que se puede variar colocando contrapesos sobre la campana) y a volumen variable. III. El tercer tipo posee una cúpula fija y una cámara de hidropresión que permite el desplazamiento del sustrato en fermentación a medida que se acumula el gas, este sistema es muy empleado en los digestores de tipo Chino; en este caso el gas se almacena a volumen y a presión variables. IV. Por último se han difundido en años recientes almacenadores de gas del tipo gasómetro plástico inflable. Este contenedor plástico puede cubrir el digestor en su parte superior como una campana o estar separado, almacenando a presión constante y volumen variable. En este tipo también se puede variar la presión de la misma forma que en el de campana gasométrica.

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Este sería un proyecto muy resumido de lo que es todo el proceso de la generación del biogás, pero cabe de destacar que aquí se describen los aspectos básicos para comprender la producción del biogás y a que nos referimos con los biodigestores. Aportaciones 

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Anteriormente se había hecho la aportación de proponer el mecanismo de reacción enzima-sustrato para describir cada etapa de la reacción al igual que la velocidad de reacción. Con esto nos referimos a describir la cinética de la reacción. Otra aportación importante en el campo de la cinética, sería que se podría determinar la selectividad de la reacción es decir podríamos observar la relación que tienen los productos: el Biofertilizante y el biogás. Otra aportación que se podría implementar, con la energía que se esta produciendo, se pudiera reservar alguna para mantener la temperatura de operación y así ahorrarnos ese gasto de energía. En estos sistemas es necesario implementar un sistema de mezclado con la finalidad de remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanogénicas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación de costra que se forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios “muertos” sin actividad biológica que reducirían el volumen efectivo del reactor y prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor. Con esto de igual manera logramos que la concentración en cualquier punto del biodigestor sea la misma. Este sistema de agitación nosotros lo pudiéramos diseñar, en primer lugar podríamos calcular el volumen necesario que ocuparía, con el uso de ecuaciones de diseño, por otra parte podríamos usar una correlación de transferencia de masa, para calcular el coeficiente de transferencia de masa y de esta manera ver que tan rápido se esta transfiriendo la masa, es decir verificar que haiga una buena difusión de las especies, y de antemano podríamos diseñar nuestro sistema de agitación que esto anteriormente calculado. El Biofertilizante que se esta produciendo como producto secundario se puede vender o también, nos podemos dedicar a la agricultura, y con esto también podríamos tener animales que nos generen la materia prima. Como una ultima aportación sería muy bueno medir parámetros de contaminación como son la DBO, DQO, Alcalinidad total, solidos sedimentados, nitrógeno orgánico entre otros. Y verificar que nuestro proceso haga un bien a la sociedad y no todo lo contrario.

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Conclusiones A través de la tecnología del biogás podemos convertir los residuos orgánicos y basura, en energía eléctrica, térmica, fertilizantes orgánicos, y/ó biocombustibles. Se puede decir que la energía renovable es una inversión estratégica de negocio con buenos rendimientos, sostenibilidad ambiental y compromiso social. La producción del biogás tiene como finalidad sustituir a los recursos generadores de energía como el petróleo que en unos cuantos años se acabara. Por lo tanto el biogás se aplicara en: 1. Producción de calor y vapor: El uso más simple del biogás es para la obtención de energía térmica (calor). En aquellos lugares donde los combustibles son escasos, los sistemas pequeños de biogás pueden proporcionar la energía calórica para actividades básicas como cocinar y calentar agua. Los sistemas de pequeña escala también se pueden utilizar para iluminación. 2. Generación de electricidad o combinación de calor y electricidad: Los sistemas combinados de calor y electricidad utilizan la electricidad generada por el combustible y el calor residual que se genera. Algunos sistemas combinados producen principalmente calor y la electricidad es secundaria. Otros sistemas producen principalmente electricidad y el calor residual se utiliza para calentar el agua del proceso. En ambos casos, se aumenta la eficiencia del proceso en contraste si se utilizara el biogás sólo para producir electricidad o calor.

3. Combustible para vehículos: El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace bastante tiempo. Para esto, el biogás debe tener una calidad similar a la del gas natural, para usarse en vehículos que se han acondicionado para el funcionamiento con gas natural. La mayoría de vehículos de esta categoría han sido equipados con un tanque de gas y un sistema de suministro de gas, además del sistema de gasolina normal de combustible. El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.

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Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas:  A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión (200 a 300 bar); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.  La conversión de los motores es costosa (instalación similar a la del gas natural) y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehículos.  Por último la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la compresión a gran escala de este tipo de uso. Si viene cierto la producción del biogás no es una de las mejores alternativas para remplazar a la gasolina en el uso de combustible de automóviles, pero es una opción que a lo mejor en unos cuantos años se tendrá que usar, no solamente para la automóviles sino para actividades cotidianas que requieren cualquier tipo de energía.

Referencias Bibliográficas. 1. http://inta.gob.ar/documentos/manual-para-la-produccion-debiogas/at_multi_download/file/Manual%20para%20la%20producción%20de %20biogás%20del%20IIR.pdf 2. http://ceur.usac.edu.gt/Biocombustibles/87_3_Panel_I_Biogas.pdf 3. http://www.olade.org/sites/default/files/CIDA/Biocomustibles/FAO/manual_bioga s.pdf 4. http://www.bvsde.paho.org/bvsaar/e/fulltext/gestion/biogas.pdf 5. http://www.biogasmaxx.com/spanish/downloads/Residuos_y_biogas_Es.pdf Nota: los párrafos en letra negrita son las aportaciones mas importantes al proyecto.

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