ciencias básicas e ingeniería ingeniería química proyecto...
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Ciencias Básicas e Ingeniería
Ingeniería Química
Proyecto Terminal III
Reporte 3:
Proceso continuo para la producción de electricidad a partir
de la digestión anaerobia de materia orgánica
Profesor:
Ing. Uriel Aréchiga Viramontes
Asesor:
Dr. Gustavo Ariel Fuentes Zurita
Alumnos:
Cortés Baledón Francisco
Hernández Hernández Elmer
García Becerril Sabas Eduardo
Grupo: CJ01.
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Resumen ejecutivo........................................................................................................................................................................................ 3
1. Definición del proyecto ............................................................................................................................................................................. 4
Capacidad y ubicación de la planta .......................................................................................................................................................... 5
Almacenamiento de materias primas y productos .................................................................................................................................. 6
Diagrama preliminar del proceso ............................................................................................................................................................ 6
2. Aspectos de seguridad ............................................................................................................................................................................. 7
Estudio toxicológico................................................................................................................................................................................. 8
Leyes y reglamentos .............................................................................................................................................................................. 10
3. Estudio de mercado ............................................................................................................................................................................... 12
4. Revisión de procesos existentes y síntesis preliminar de nuevos esquemas de procesamiento ............................................................. 16
Innovación y/o modificación de los procesos existentes ....................................................................................................................... 18
5. Balances de materia y energía preliminares .......................................................................................................................................... 22
6. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................................................................. 24
7. ANTECEDENTES ................................................................................................................................................................................ 24
a. Digestión Anaerobia en dos etapas ........................................................................................................................................... 24
b. Reactor UASB ............................................................................................................................................................................. 26
8. OBJETIVOS DE SECCIÓN EXPERIMENTAL ......................................................................................................................................... 27
a. Objetivo General ........................................................................................................................................................................ 27
b. Objetivos Particulares. Sistema batch (pre-tratamiento bacteriano) ....................................................................................... 27
c. Objetivos Particulares. Sistema continuo .................................................................................................................................. 27
9. PLAN DE ACTIVIDADES .................................................................................................................................................................... 28
a. Sistema batch ............................................................................................................................................................................. 28
b. Sistema Continuo ....................................................................................................................................................................... 29
10. MÉTODOS EXPERIMENTALES ..................................................................................................................................................... 30
a. Sistema batch ............................................................................................................................................................................. 30
b. Sistema Continuo ....................................................................................................................................................................... 31
c. Curva de calibración de metano ................................................................................................................................................ 33
11. RESULTADOS PARCIALES Y DISCUSIÓN ...................................................................................................................................... 34
a. Sistema batch ............................................................................................................................................................................. 34
b. Sistema continuo ....................................................................................................................................................................... 34
12. SINTESIS DEFINITIVA DEL PROCESO ........................................................................................................................................... 36
Diagrama de flujo .................................................................................................................................................................................. 36
Balances de Materia y Energía............................................................................................................................................................... 36
13. DISEÑO DE EQUIPO Y OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO ................................................................................................................ 39
Dimensionamiento de equipo. .............................................................................................................................................................. 39
Tuberías ................................................................................................................................................................................................. 42
Modo de operación ............................................................................................................................................................................... 43
14. ANÁLISIS DE RIESGOS EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIOGAS ......................................................................................... 47
15. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROCESO ................................................................................................................................. 52
ANEXO 1. Cromatogramas .......................................................................................................................................................................... 54
REFERENCIAS .............................................................................................................................................................................................. 56
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PROCESO CONTINUO PARA LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE
LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE MATERIA ORGÁNICA
Resumen ejecutivo
La producción de metano mediante un proceso de fermentación bacteriana en ausencia de
oxígeno, denominado “digestión anaerobia” ha constituido, en los últimos años, una de las fuentes
de producción de energía alterna con mayor auge a nivel mundial. Este gas presenta diversas
oportunidades de aprovechamiento, siendo una de ellas precisamente, la generación de
electricidad a partir de su combustión.
La producción de biogás, dentro del cual se encuentra el metano, depende directamente de la
fermentación anaerobia de la materia orgánica. Dicha fermentación, a la cual se refiere este
proyecto, se lleva a cabo por medio de diferentes metabolismos bacterianos, los cuales suceden
de forma secuencial bajo diferentes condiciones de operación.
El procesamiento en continuo representa una muy buena alternativa para llevar a cabo la
degradación de los materiales orgánicos, debido al volumen diario de desechos que se confinan
en el sitio de disposición final seleccionado y a las condiciones necesarias para operar de forma
óptima el sistema de tratamiento anaerobio.
En este trabajo se presenta el diseño de una planta química con fines de producción de biogás a
partir de la fermentación anaerobia de desechos orgánicos municipales. El diseño de esta planta
involucró el análisis teórico y experimental para determinar las variables más relevantes en la
producción de biogás.
Mediante la implementación de este sistema de tratamiento de residuos en el sitio de disposición
final llamado “La estación”, ubicado en el municipio de San Antonio la Isla en el Estado de México;
en principio se tendría la capacidad de generar alrededor de 25 GJ al año, a través de una
inversión inicial de US$7’713,158 con lo cual se podría tener una ganancia neta de hasta 1.8
millones de dólares por año, incluido el valor económico que se percibe por parte de los llamados
“bonos de carbono” bajo la iniciativa del Protocolo de Kyoto. Esto hace del proyecto una solución
muy atractiva al tratamiento de residuos municipales.
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1. Definición del proyecto
El objetivo principal de este proyecto es el de diseñar y optimizar un proceso continuo de
fermentación anaerobia, por el cuál mediante la degradación de desechos orgánicos residenciales,
se obtenga metano; y a partir de éste generar energía eléctrica. Los desechos orgánicos a tratar
serán los provenientes del municipio de San Antonio la Isla en el Estado de México.
Durante muchos años los combustibles fósiles han sido la fuente de producción de energía
principal. En la actualidad presentan fundamentalmente dos problemas: por un lado son recursos
finitos, y se prevé el agotamiento de las reservas (principalmente de petróleo) en plazos más o
menos cercanos. Por otra parte, la quema de estos combustibles libera a la atmósfera grandes
cantidades de CO2, el cual es uno de los principales causantes del efecto invernadero. Por estos
motivos, se estudian distintas opciones para sustituir la quema de combustibles fósiles por otras
fuentes de energía alterna.
Dentro de la gran variedad de fuentes alternativas existentes, hay una que ha demostrado tener
un gran auge a nivel mundial debido a su potencial energético, esta es precisamente la que
aprovecha el gas metano (CH4), el cual se encuentra dentro de una mezcla de gases denominada
“biogás”, producido mediante la fermentación anaerobia de material orgánico de desecho. Se
calcula que tan solo en Alemania la cantidad de energía eléctrica instalada asciende a 2000 MW
mediante la construcción de poco más de 8000 plantas, siendo este el mayor productor a nivel
mundial. Particularmente en América Latina esta tecnología no está siendo aún muy utilizada,
aunque poco a poco se ha ido iniciando la construcción de pequeñas plantas con volúmenes de
fermentación de alrededor de 2-10 m3.
El llamado biogás es en realidad una mezcla de varios gases como CH4, CO2, H2O, CO y H2S, siendo
el CH4 el mayor componente (50-70%) seguido por CO2 (30-50%), producido bajo un ambiente
químicamente deficiente de O2. Esta descomposición es catalizada por un grupo de bacterias las
cuales se encuentran presentes en vegetales putrefactos, depósitos de agua estancada y lodos de
agua contaminada, así como también en el tracto digestivo de algunos animales.[11]
En décadas anteriores el biogás era visto meramente como un subproducto del proceso de
descomposición anaerobia. En la actualidad se sabe que tiene un valor energético muy alto
debido a su composición química, la cual permite su aprovechamiento para diversos procesos o
servicios, como por ejemplo: calefacción o gas para casas habitación, gas para procesos
industriales y generación de energía eléctrica.[11]
Sabiendo que un m3 promedio de metano tiene un valor energético de 10kWh y que el dióxido de
carbono no tiene nada, es que se le atribuye el contenido energético del biogás directamente al
metano. Por lo tanto si el biogás alcanza una composición de 60% de metano es posible producir
6 kWh/m3 de biogás. [4]
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La cantidad de biogás producido depende de muchos factores, tales como: tipo de sustrato,
temperatura, pH, % de humedad, % de sólidos degradables, etc. Siendo el tipo de sustrato el que
en mayor proporción afecta el volumen producido. En el caso de la materia orgánica proveniente
de los desechos residenciales de alimentos, se estima que en promedio se tiene un volumen de
producción de biogás de 130 m3/tonelada de material fresco, con una composición típica de 60-
65% de CH4.[4].
Dentro del contexto nacional, los proyectos que en la actualidad se están llevando a cabo en esta
materia, extraen el biogás generado en rellenos sanitarios; ya sea para producir electricidad o
simplemente quemar el metano producido para prevenir la acumulación de gases. Este proceso
implica varios años de adaptación microbiológica y por lo tanto de producción de metano. Por otra
parte este tipo de proyectos se encuentran limitados por el tiempo de vida del relleno.
La alternativa planteada en este trabajo, es el de operar un sistema de digestión anaerobia en el
cual los desechos no sean introducidos en un relleno, sino en un sistema de reactores anaeróbicos
que operen de forma continua. De esta forma es posible incrementar la tasa de producción de
metano mediante la separación de los metabolismos involucrados.
El proyecto busca demostrar la viabilidad tecnológica y económica para aprovechar el biogás
generado en un sitio de disposición final de residuos sólidos. En este sitio de disposición final se
instalara una planta de generación de electricidad a partir de la fermentación anaeróbica continua
de los desechos orgánicos que en él se depositen.
Se debe de lograr un equilibrio entre la cantidad de material que se quiere procesar, en función de
las necesidades energéticas de los municipios adyacentes, y las dimensiones de la planta que se
requieren para llevar a cabo dicho procesamiento.
Capacidad y ubicación de la planta
Se plantea ubicar la planta en el municipio de San Antonio la Isla en el Estado de México,
aprovechando el sitio de disposición de basura que se encuentra en esta zona, llamado “La
estación”.
En este sitio se tiene estimado el ingreso en promedio 450 toneladas de residuos orgánicos al día.
Cuenta con un terreno de 10.52 hectáreas. Los municipios que depositan sus residuos sólidos son:
Lerma, Malinalco, Metepec, Tenancingo, Toluca, Zumpahuacan y recolectores privados [10].
Se busca que inicialmente la planta tenga una capacidad instalada de 8MW y producir alrededor
de 25 GWh/año netos para contribuir con las necesidades de electricidad del alumbrado público
de los municipios adyacentes, las cuales ascienden a 48.9 GWh/año y en términos económicos
representan 78 millones de pesos al año.[12]
La economía de generación con el biogás de rellenos sanitarios depende fuertemente de las
inversiones que para ello deban hacerse. Si el relleno ya existe, las inversiones consideran la
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perforación de los pozos de extracción o la construcción de biodigestores, la construcción de la red
de recolección, de la planta de tratamiento del gas y del bloque de potencia. En tales casos, los
costos de generación se estiman entre tres y seis centavos de dólar por kWh. [5]
Por lo tanto análogamente para producir los 25 GWh/año, el costo de generación de electricidad a
partir del biogás, ascendería a 18.8 millones de pesos. Sabiendo que actualmente se pagan 39.9
millones de pesos por la parte proporcional de alumbrado público en los municipios
anteriormente citados; sería posible obtener una ganancia bruta de 21.1 millones de pesos/año.
En cuanto a las emisiones de CO2, actualmente se producen 36,250 toneladas de CO2/año
correspondientes a 25GWh/año, generados por la quema de combustibles fósiles. Con la
implementación de la planta cogeneradora de electricidad a partir de biogás se podrían reducir
alrededor de 28,613 toneladas de CO2/año, lo cual representa una reducción del 78.9% de las
emisiones actuales. Con este ahorro es posible obtener ganancias que ascienden a los 4.4 millones
de pesos/año derivados de bonos de carbono.
Una alternativa a largo plazo sería la de la expansión de la planta, mediante el procesamiento
total de desechos orgánicos que ingresan al tiradero, los cuales se calculan alrededor de 164 mil
toneladas por año. De ésta manera la electricidad producida ascendería a 128 GWh/año, y se
tendría una ganancia bruta de alrededor de 108 millones de pesos/año. A ésta cantidad se le
sumarían 22.5 millones de pesos/año que corresponden a los bonos de carbono asociados a las
146,500 toneladas de CO2/año que se dejarían de emitir.
Almacenamiento de materias primas y productos
El sitio de disposición ya está diseñado para el almacenamiento de la basura, por otra parte la
producción del biogás es continua a lo largo de las 24 horas del día, por lo que la electricidad
generada debe de enviarse a un banco de energía mediante la interconexión con la red eléctrica
de CFE.
En cuanto al almacenamiento del biogás se debe considerar un tanque de almacenamiento con
capacidad de guardar por lo menos 20% del gas generado en un día a una presión de 30 bar,
dependiendo de la capacidad de la planta [3]. Esto con el fin de almacenar el gas en los momentos
en que se hagan trabajos de mantenimiento en el generador eléctrico.
Diagrama preliminar del proceso
En la primera etapa de la planta se reciben los desechos orgánicos y éstos se trituran hasta
obtener una pasta, la cual se diluye con agua y posteriormente pasa al proceso de digestión
anaerobia. En esta etapa se lleva a cabo la descomposición de la materia orgánica por medio de
bacterias anaerobias, produciendo el biogás. El biogás se almacenará en un tanque a presión de
30 bar, para después ser transferido a la unidad de generación eléctrica. Mientras que los lodos
que se producen se enviarán a una laguna de aireación para ser degradados totalmente y eliminar
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patógenos. De ésta manera se obtendrán los sólidos degradados y el agua producida por el
mecanismo de digestión anaerobia.
Figura 1. Diagrama preliminar del proceso de digestión anaerobia
2. Aspectos de seguridad
Este proyecto cumple con lo que estipula la prevención de la contaminación (P2), ya que el sustrato utilizado en el proceso son residuos orgánicos, los cuales son degradados en condiciones anaerobias, en lugar de dejarlos descomponer en un tiradero donde pueden ser focos de infecciones, para las personas que viven en los alrededores del tiradero y foco de contaminación atmosférica.
Mediante el aprovechamiento energético del biogás se deja de liberar a la atmósfera metano, el
cual se produce de forma natural en los tiraderos, y se reducen considerablemente las emisiones
de dióxido de carbono en comparación con la generación eléctrica a partir de la quema de
hidrocarburos (alrededor de 78% menos).
La composición de biogás depende de varios factores tales como: la población bacteriana que lleva
a cabo los metabolismos de degradación, la naturaleza y composición del sustrato que se digiere,
tiempos de residencia en los digestores, temperaturas de operación, etc. La siguiente tabla
muestra las propiedades características del biogás que se produce mediante digestión anaerobia.
Biogás Cantidad Rango
Metano %volumen 60-70
Dióxido de carbono %volumen 30-40
Sulfuro de hidrogeno ppm 0-2000
Amoniaco ppm 100
Cloro mg/m3 de biogás 0-5
Tabla 1. Composición del biogás [4]
8
Para los rangos que puede tener la composición del biogás, los límites de inflamabilidad inferior y
superior son de 14.3-22.9 % de volumen de biogás en aire respectivamente.
Estudio toxicológico
METANO
EFECTOS POTENCIALES A LA SALUD
Inhalación: La exposición a elevadas concentraciones de metano puede causar asfixia por
desplazamiento de oxígeno; se manifiestan síntomas como pérdida del conocimiento y de la
movilidad; a bajas concentraciones puede causar narcosis, vértigos, dolor de la cabeza, náuseas y
pérdida de coordinación.
MEDIDAS CONTRA INCENDIO
Punto de inflamación: -187.8 °C (-306 °F)
Temperatura de autoignición: 537 °C (999 °F)
Límites de Inflamabilidad (en aire por volumen, %): Inferior:
5%Superior: 15%
Riesgo general
Gas altamente inflamable que puede formar una gran variedad de mezclas explosivas fácilmente
con el aire. En caso de incendio, puede producir gases tóxicos incluyendo monóxido de carbono y
dióxido de carbono.
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
Densidad relativa de gas a 15 °C (59° F), 1 atm: 0.671 kg/m3 (0.0419 lb/ft3)
Punto de ebullición a 1 atm: -161.49° C (-258.64º F)
Punto de fusión a 1 atm: -182.48° C (-296.42º F)
Peso molecular: 16.043
Gravedad específica a 15.6 °C (60° F), 1 atm: 0.554
Volumen especifico del gas a 15.6° C (60° F) 1 atm: 1.474 m3/kg (23.6113 ft3/lb)
Temperatura de combustión (en aire) 1957º C (3554.6º F)
Temperatura de combustión (en oxígeno) 2810º C (5090º F)
Presión de vapor: No aplica
Apariencia y color: Gas incoloro e inoloro.
Condiciones a evitar Mantener el almacenaje de metano lejos de fuentes de ignición y de las
descargas electrostáticas. Si el contenedor está expuesto a temperaturas altas o llamas directas
pueden romperse o estallar violentamente.
INFORMACIÓN TOXICOLÓGICA
Concentración Síntomas de exposición
12-16% Oxígeno: Aumenta el ritmo de la respiración y el pulso. Disturbios leves en la coordinación
muscular10-14% Oxígeno: Trastorno emocional, fatiga, respiración interrumpida.6-10% Oxígeno:
Nausea y vómito, colapso y pérdida de la conciencia. Por debajo del 6%: Movimientos convulsivos,
posible colapso respiratorio y muerte
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INFORMACIÓN ECOLÓGICA
No se espera ningún efecto ecológico. El metano no contiene ningún químico Clase I o Clase II que
reduzca el ozono. No se anticipa ningún efecto en la vida de las plantas. El metano es un
combustible muy limpio comparado con los combustibles tradicionales, lo que facilita el
cumplimiento de las exigentes normas ambientales.
DIÓXIDO DE CARBONO
IDENTIFICACIÓN DE PELIGROS
Resumen de emergencia
Gas ligeramente tóxico, inoloro e incoloro con sabor suavemente ácido. El peligro primordial a la
salud asociado con escapes de este gas es asfixia por desplazamiento del oxígeno. Este gas no se
quema y no alimenta la llama. El gas carbónico es 1.5 veces más pesado que el aire. Es un gas
condensable. Debido a su baja presión de vapor a temperatura ambiente, este es acondicionado
en los cilindros de forma líquida en equilibrio con una fase gaseosa.
Efectos potenciales para la salud
Inhalación: Asfixiante y un poderoso vasodilatador cerebral. Si la concentración de dióxido de
carbono alcanza el 10% o más, causa sofocación en minutos. A concentraciones más bajas dióxido
de carbono puede causar nausea, mareo, sudor, dolor de cabeza, confusión mental, aumento de la
presión sanguínea, respiración agitada, palpitaciones al corazón, respiración dificultosa, disturbios
visuales y temblores. Las concentraciones altas resultan en narcosis y muerte.
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
Densidad de gas a 21.1°C (70°F), 1 atm: 1.833 kg/m3 (0.1144 lbs/ pies3)
Temperatura de sublimación –78.5°C (-109.3°F)
pH: 3.7 a 1atm (forma ácido carbónico)
Peso especifico (aire = 1) a 21.1°C (70°F): 1.522
Peso molecular: 44.01
Solubilidad en agua vol/vol a 20°C (68°F) y
1 atm:0.90
Volumen especifico del gas (ft3/lb): 8.76
Presión de vapor a 21.1°C (70°F): 838 psig (5778 kPa)
Coeficiente de distribución agua / aceite: No aplica.
Apariencia y color: Dióxido de Carbono es un gas incoloro que no tiene olor. Como este gas es
ligeramente ácido, algunos individuos pueden notar un leve olor y sabor punzante.
REACTIVIDAD
Productos de descomposición: El dióxido de carbono producirá monóxido de carbono y oxígeno
cuando se expone a temperaturas más altas de 1648°C (3000°F).
INFORMACIÓN TOXICOLÓGICA
Datos de toxicidad: El dióxido de carbono es un gas asfixiante el cual tiene efectos fisiológicos en
humanos a concentraciones altas. En humanos se presentan los siguientes síntomas:
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Tabla2. Efectos toxicológicos de dióxido de carbono
INFORMACIÓN ECOLÓGICA
El dióxido de carbono (CO2) es un gas incoloro de olor penetrante y sabor ácido. Es un
componente minoritario de la atmósfera (aproximadamente 3 partes por 10.000). Proviene de la
combustión de hidrocarburos, de la fermentación y de la respiración animal. El dióxido de carbono
no puede considerarse como contaminante en sentido estricto, ya que no es tóxico y se halla en la
atmósfera de modo natural y es imprescindible para el desarrollo de la vida en el planeta, ya que
posibilita la existencia de la fotosíntesis de las plantas y el clima actual. No obstante, se incluye
dentro de las sustancias contaminantes ya que impide que una parte de la energía radiante que
recibe la Tierra vuelva al espacio, produciendo el llamado efecto invernadero. En la actualidad su
concentración ha llegado a 359 ppmv (partes por millón volumen), producto de quema de
combustibles fósiles, quema de biomasa y manufactura de cemento. El aumento de dióxido de
carbono en la atmósfera es el responsable del calentamiento global en la baja atmósfera.
Leyes y reglamentos
Ley para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía
En dicha ley, se establecen las bases que permiten la instrumentación de acciones en materia de aprovechamiento sustentable de la energía, entendida como el uso óptimo de ésta, en todos los procesos y actividades para su explotación, producción, transformación, distribución y consumo, incluyendo la eficiencia energética.
La LASE, tiene como objeto, propiciar un aprovechamiento sustentable de la energía mediante el
uso óptimo de la misma en todos sus procesos y actividades, desde su explotación hasta su
consumo. A efecto de conseguir el objetivo planteado en la mencionada Ley, se establece la
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creación de un Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía, en el que
se señalan las estrategias, objetivos, acciones y metas tendientes a promover la aplicación de
tecnología y el uso de equipos, aparatos y vehículos eficientes energéticamente
Se busca también, que los bienes y servicios a cargo de las dependencias y entidades de la
Administración Pública Federal se presten con mejores prácticas de eficiencia energética y se
apliquen criterios de aprovechamiento sustentable de las energías en las adquisiciones,
arrendamientos, obras y servicios que contraten. Para conseguir los objetivos planteados se
establece la creación de un Consejo Consultivo conformado por el titular de la Secretaría de
Energía (SENER) y seis investigadores académicos.
Los equipos y aparatos que requieran del suministro de energía para su funcionamiento y que
cumplan con determinados criterios, deberán de incluir de forma clara y visible información sobre
su consumo energético.
Reglamento de la Ley de Promoción y Desarrollo de los bioenergéticos
Dentro del Reglamento se abordan temas de interés como aquellos relacionados con: (i) la
conservación del suelo, (ii) protección a la biodiversidad, áreas naturales protegidas, vida silvestre
y su hábitat, (iii) preservación y mejoramiento de la disponibilidad y calidad del agua. Así, el
RLPDBE pretende regular con mayor amplitud las actividades que conllevan la utilización de
insumos para la producción de Bioenergéticos.
Con la Ley ya mencionada así como con su Reglamento, se cuenta hoy en día con un marco
regulatorio que pretende adentrar a México en el mercado de los Bioenergéticos. Lo antes dicho,
no es fundamento para asegurar, en primera instancia, que México ocupará los primeros lugares
de producción de estos Biocombustibles y, en segundo lugar, que esta producción, no va a generar
efectos negativos en el sector alimentario así como afectaciones importantes al medio ambiente.
Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía 2009–2012 El Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía 2009-2012 (Programa)
identifica oportunidades para lograr el óptimo aprovechamiento de la energía y generar ahorros
sustanciales para el país en el mediano y largo plazo. El Programa define una estrategia integral
para abordar y capturar el impacto mediante acciones identificadas en el consumo final de la
energía, priorizando las medidas que concentran el grueso del impacto potencial.
Este programa se concentra en estrategias de aprovechamiento sustentable en los usos finales de
la energía. El desarrollo de estrategias de aprovechamiento sustentable en la transformación y
recirculación de energéticos, que representan casi 40% del consumo de energía del país, será
abordado por la Estrategia Nacional de Energía (ENE), ya que las oportunidades de eficiencia
energética en estas áreas tienen implicaciones importantes en elementos clave que definen la
política energética del país y que, de acuerdo a lo que estipula el artículo 33 de la Ley Orgánica de
la Administración Pública Federal (APF), deberá ser enviada al Congreso de la Unión en febrero de
2010. Se espera que en la ENE, los principales responsables de la generación y transformación de
energía, Petróleos Mexicanos (PEMEX) y Comisión Federal de Electricidad (CFE), propongan
objetivos, metas, estrategias y líneas de acción para lograr el aprovechamiento sustentable de la
energía en los procesos de transformación y recirculación de productos energéticos.
12
3. Estudio de mercado
Actualmente en nuestro país se tiene una demanda de energía eléctrica de 181 mil GWh/año, la
cual se distribuye entre el 96.85% de la población que tiene acceso a este recurso.[9]
Al término del año 2009 según datos de la CFE, se registró una generación bruta 231 mil GWh, de
la cual, como se muestra en la figura 3, la mayor parte se produjo a partir de hidrocarburos. Como
consecuencia de éste factor se tiene la siempre latente volatilidad de costos, los cuales van desde
$0.71 hasta $2.48 por kWh consumido. Dicha volatilidad se debe a la inestabilidad de los precios
internacionales de los combustibles fósiles. [9]
Figura3. Distribución de las principales fuentes generadoras de energía eléctrica en México (2009).
Como se puede observar en la figura anterior se tiene también un gran porcentaje de energía
eléctrica generada por productores independientes. De éste total se sabe que el 61.34% se
produce a partir de tecnología de gas natural.
A finales del 2005 la CRE había autorizado 54 permisos para la generación de energía eléctrica a
partir de fuentes renovables (Tabla 3), bajo las modalidades de autoabastecimiento, cogeneración
y exportación, de los cuales, 37 ya están en operación. [7]
Energético Permisos Capacidad (MW) Energía (GWh/año)
Viento 7 956.73 3,645.31
Agua 12 159.08 736.33
Bagazo de Caña 4 70.85 205.30
Biogás 3 19.28 120.80
Híbridos 28 248.68 475.40
Tabla 3. Permisos aprobados hasta el 2005 para la generación de energía eléctrica. [7]
Particularmente la generación de electricidad a partir de la descomposición de desechos orgánicos
representa en la actualidad un porcentaje muy inferior a las formas comúnmente utilizadas de
producción de electricidad. El caso más exitoso y que actualmente opera de manera eficiente en
nuestro país, es el del proyecto Bioenergía de Nuevo León, S. A. de C. V.(BENLESA). Dicho
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proyecto tiene actualmente instalada una capacidad de generación de 12.72 MW, lo cual produce
40 GWh/año y representa el 0.0173% de la generación nacional de energía eléctrica. El proyecto
BENLESA principalmente destina la electricidad generada al sistema de alumbrado público de
diferentes municipios de Nuevo León, como por ejemplo: Monterrey, San Nicolás de los Garza,
Apodaca, etc. También contribuye en satisfacer necesidades de sus socios, tales como: Agua y
Drenaje de Monterrey, Sistema de Transporte colectivo Monterrey, Gobierno del Estado de Nuevo
León. [1]
Características del proyecto BENLESA:
- Capacidad Instalada: 12.72 MW
- Tecnología: 12 motogeneradores GE-Jenbacher JS-320.
- Combustible: Biogás de Relleno Sanitario
- Número de Pozos: 465
- Volumen de Extracción de Biogás: 7,800 m3/hr.
- Área de Extracción: 100 hectáreas.
- Volumen de Residuos Sólidos del proyecto: 15 millones de toneladas.
A pesar de los recursos que se han generado con la puesta en marcha del proyecto de Nuevo
León, aún es proporcionalmente muy poco a comparación de lo que se está haciendo en países
como Suecia donde se generan en promedio 1300GWh anualmente en más de 230 facilidades. O
el caso de Alemania donde se tienen más de 370 plantas productoras de biogás y más de 1200
MW instalados. [4]
Existen en el mundo alrededor de 9,200 plantas que suman una capacidad de generación eléctrica
de 31,378 MW. De estas 1,152 plantas, 8,536 están en Europa y 600 en Estados Unidos, 15 en
Canadá, 19 en Asia, 18 en Australia, 8 en Sudamérica y 4en África. Las plantas en Europa en
promedio tienen una capacidad instalada de1.73 MW por planta, en tanto que en Estados Unidos
es de 6.7 MW.[4]
Como ya es bien sabido actualmente en México se tiene un problema con respecto al tratamiento
y disposición de los desechos. Hasta el año 2009 según datos de la SEMARNAT se disponían de 137
rellenos sanitarios y 161 sitios controlados con una capacidad de almacenaje de más de
22.1 millones y26.1millones de toneladas de basura respectivamente (Figura 4). De la misma
forma se sabe que la producción de residuos de desecho asciende a 38.3 millones de toneladas
registradas en el año 2009, a las cuales corresponden 20.1 millones de toneladas de residuos
orgánicos, es decir el 52.42% del total de desechos. Estas cantidades dependen directamente del
aumento anual en la población, el cual de acuerdo con el Consejo Nacional de Población
(CONAPO) se espera que para el año 2030se haya incrementado hasta 127.2 millones de
habitantes a diferencia de los 112.3millones de habitantes estimados en la actualidad. Se calcula
que existirá una producción de basura por habitante de 1.2 kg/día para el año 2030, lo cual
resultaría en una producción de 55.7 millones de toneladas de residuos anual. En la figura 5 se
14
muestran las cantidades de desechos que se generaron en 2009, dependiendo del tipo de
localidad, con respecto del total nacional de basura generada.
Figura 4. Porcentajes de basura que se destinan a los diferentes centros de confinamiento, según datos de la
SEMARNAT en 2009.
Figura 5. Generación de residuos sólidos urbanos por tipo de localidad. Datos de la SEMARNAT 2009.
Se calcula que en el caso de que toda la basura actualmente producida fuera confinada en rellenos
sanitarios, la capacidad de generación eléctrica por medio del biogás resultante podría llegar a los
400 MW para todo el país. Conforme la población y la economía del país vayan creciendo, esta
capacidad podrá también ir en aumento. [5]
En particular el Estado de México recolectó alrededor de 14.6 millones de toneladas de residuos
sólidos en el 2009, de los que 7.6millones de toneladas corresponden a residuos orgánicos, los
cuales fueron dispuestos en 5 rellenos sanitarios registrados [8]. Y como se mencionó con
anterioridad alrededor de 164 mil toneladas/año son dispuestas en el tiradero de “La Estación” en
15
San Antonio la isla, Edo de México, por lo que tendría una capacidad potencial de generación de
40.4 MW lo cual equivaldría a producir cerca de 128 GWh/año.
En cuanto a la venta de la electricidad la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica establece las
condiciones mediante las cuales podrán otorgarse permisos para la producción independiente de
energía eléctrica.
Las condiciones para la adquisición de energía eléctrica por parte de CFE a permisionarios, se
encuentran establecidas en el Reglamento de la LSPEE. Se encontró que la CFE paga a los
productores independientes con los cuales firma convenio dos conceptos:
Pago por la capacidad de generación ajustado por un factor de disponibilidad (que puede
ser menor, mayor o igual a 1 o inclusive igual a cero en dependencia de la disponibilidad).
Este pago debe reflejar los costos fijos incluyendo un rendimiento de la inversión. Dicho
pago es independiente del nivel de producción ya que depende del factor de
disponibilidad de la capacidad de generación.
Pago por la energía eléctrica entregada en el punto de interconexión. Este pago deberá
reflejar los costos variables en los que incurre el permisionario en la generación y entrega
de la energía.
Un mercado alterno a la producción de energía eléctrica es el de los bonos de carbón, los cuales
constituyen un mecanismo internacional de descontaminación para reducir las emisiones
contaminantes al medio ambiente; es uno de los tres mecanismos propuestos en el Protocolo de
Kyoto para la reducción de emisiones causantes del calentamiento global o efecto invernadero
(GEI o gases de efecto invernadero).
El sistema ofrece incentivos económicos para que empresas privadas contribuyan a la mejora de la
calidad ambiental y se consiga regular la emisión generada por sus procesos productivos,
considerando el derecho a emitir CO2 como un bien canjeable y con un precio establecido en el
mercado. La transacción de los bonos de carbono —un bono de carbono representa el derecho a
emitir una tonelada de dióxido de carbono— permite mitigar la generación de gases invernadero,
beneficiando a las empresas que no emiten o disminuyen la emisión y haciendo pagar a las que
emiten más de lo permitido.
Las reducciones de emisiones de GEI se miden en toneladas de CO2 equivalente, y se traducen en
Certificados de Emisiones Reducidas (CER). Un CER equivale a una tonelada de CO2 que se deja de
emitir a la atmósfera, y puede ser vendido en el mercado de carbono a países industrializados, de
acuerdo a la nomenclatura del protocolo de Kyoto.
Aunque en el año 2004 las compañías que liberan mucho dióxido de carbono llegaron a pagar
hasta 18 euros por cada tonelada de carbono capturada a través de programas de reforestación o
de conservación de bosques y selvas, en los últimos años el precio de esta herramienta de
compensación de contaminantes ha decaído hasta niveles de 11 euros por tonelada de CO2. [7]
16
Considerando el ahorro de 22,583 toneladas de CO2/año que se genera a partir de este proyecto
se podrían obtener ganancias que ascienden a los 4.4 millones de pesos/año derivados de bonos
de carbono.
Figura 6. Cotización del bono de carbono en los últimos meses. Fuente: European Climate Exchange, Point
Carbón (2011).
4. Revisión de procesos existentes y síntesis preliminar de nuevos
esquemas de procesamiento
Se consideran principalmente 2 sistemas de obtención de biogás: el primero, el cual consta del
tratamiento de los residuos orgánicos en cualquiera de las diferentes configuraciones de
reactores. Y el segundo, en el cual se extrae el biogás generado de forma natural en rellenos
sanitarios, a través de pozos de extracción.
Obtención de biogás a partir de la digestión anaerobia en diferentes sistemas de reactores [3]
a)Sistema Batch
Se caracterizan por una carga y vaciado total de la cámara de digestión. De uso en laboratorios y
en el tratamiento de materias vegetales. Con o sin agitación. Requieren para acelerar su arranque
de una proporción de inoculo del 20%. Su curva de producción de gas sigue la característica
arranque-estabilización-agotamiento de los microorganismos.
Este tipo de digestores son eficaces para la digestión de materiales que tardan en degradarse y por
lo tanto no es factible tratarlos en los digestores de tipo continuo, debido a posibles obstrucciones
en los conductos de alimentación y salida. Es preferible su utilización para pequeñas cargas de
materia orgánica o para aquellos sustratos con los cuales no se cuenta con disponibilidad
inmediata.
b)Sistema continuo o semicontinuo
17
En este tipo de digestores el volumen que ingresa desplaza una cantidad equivalente de efluente
que se evacua por la salida. De este modo el volumen del substrato en la cámara de digestión se
mantiene constante. Los sistemas continuos se cargan generalmente en forma diaria, a diferencia
de los semicontinuos que se descargan totalmente una o dos veces por año que generalmente
coincide con el período de siembra para aprovechar el poder fertilizante de los residuos de la
digestión y de los lodos fermentados, parte de estos últimos es utilizada en el nuevo arranque.
La mayor parte de los digestores difundidos a lo largo de todo el mundo pertenecen a esta
categoría y existen dentro de ella enormes variaciones sobre el mismo principio.
Figura 7. Reactor de mezcla completa (RCTA) sin recirculación
c) UASB
Los reactores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) son un tipo de biodigestor tubular que
operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior
del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores
anaerobios en los que los microorganismos se agrupan formando biogránulos.
En los sistemas anaerobios de flujo ascendente, y bajo ciertas condiciones, se puede llegar a
observar que las bacterias pueden llegar a agregarse de forma natural formando flóculos y
gránulos. Estos sólidos agregados poseen buenas cualidades de sedimentación. La retención de
biomasa activa, ya sea en forma granular o floculenta, hace posible la realización de un buen
tratamiento incluso a altas tasas de cargas orgánicas. La turbulencia natural causada por el propio
caudal del afluente y de la producción de biogás provoca el buen contacto entre el sustrato y el
lodo biológico en el sistema UASB.
18
Figura 8. Reactor de lecho de lodo granular (UASB)
Extracción de biogás en rellenos sanitarios
El sistema consiste básicamente en la extracción del biogás del relleno sanitario mediante la
perforación de pozos en el relleno, los cuales se conectan por medio de un sistema de tuberías
hacia un ramal central que lo dirige hacia los motores para su combustión. La composición de
metano en este tipo de biogás va de 35-65% y a diferencia del gas producido por digestión
anaerobia, este contiene nitrógeno (5-40%).
Figura 9. Esquema del funcionamiento de una planta productora de biogás a partir de la extracción de
biogás de rellenos sanitarios
Innovación y/o modificación de los procesos existentes
Lo que se busca en este proyecto es optimizar el ambiente de los microorganismos para ello se
quiere llevar el proceso en dos biodigestores. Esto se explica analizando el metabolismo que
ocurre en la fermentación anaerobia.
Este metabolismo se lleva a cabo en tres etapas, como muestra la figura 10.
19
Figura 10. Diagrama de las etapas de la fermentación microbiana anaeróbica [3]
Los residuos orgánicos se clasifican en carbohidratos, lípidos (grasas) y proteínas, estas moléculas
complejas entran a la primer etapa donde por medio de hidrólisis se lleva acabo el catabolismo, en
el cual se obtienen moléculas más simples; los carbohidratos se descomponen en azucares, los
lípidos en ácidos grasos y las proteínas en aminoácidos.
Las moléculas obtenidas en la hidrólisis son digeridas por las bacterias acidogénicas para formar
compuestos más simples, de los cuales se forman ácidos orgánicos como el propiónico y butírico,
además de compuestos de cadena corta como alcoholes y amoniaco. También aparece hidrogeno,
dióxido de carbono y acetato.[15]
En la segunda etapa los productos de la etapa de hidrólisis son digeridos por bacterias
acetogénicas donde son metabolizados en acetato y liberando hidrogeno y dióxido de carbono.
Por último se lleva a cabo la tercera etapa donde las bacterias metanogénicas y metanogénicas
acetoclásicas metabolizan el acetato en metano y dióxido de carbono, donde este metabolismo
produce el 70% del metano, el 30% restante es producido por bacterias homoacetogénicas que
utilizan hidrogeno y dióxido de carbono para producir el metano y agua.[11]
El estudio de cada una de las reacciones que ocurren en un sistema de digestión anaerobia es muy
complejo debido a que, por lo general, los inóculos que se utilizan están compuestos por una gran
variedad de bacterias que metabolizan los sustratos de manera diferente. Para ejemplificar el
sistema de reacciones ocurrentes, se muestran aquellas involucradas en la fermentación
anaerobia de la glucosa.[15]
20
d C2H4O2 + e CO2 + f H2
a C6H12O6 +b H2O
d C4H8O2 + e CO2 + f H2Hidrólisis y acidogénesis
d C3H6O2 + e CO2 + f H2
Methanobacterium suboxidans oxida el ácido butírico:
2C4H8O2 + 4H2O 4C2H4O2 + 8H+
8H+ + CO2CH4 + 2H2O
Acetogénesis
Methanobacterium propionicum oxida el ácido propiónico:
4C3H6O2 + 8H2O 4C2H402 + 4CO2 + 24H+
3CO2 + 24H+ 3CH4 + 6 H2O
Methanosarcina forma metano a partir del acetato:
C2H4O2 + 2H2O 2CH4 + 2 CO2
Metanogénesis
Methanobacterium formicum reduce el dióxido de carbono:
CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O
Al analizar el proceso que se lleva a cabo en la fermentación microbiana es natural pensar en
separar cada proceso en diferentes biodigestores para optimizar la descomposición en cada etapa,
sin embargo la etapa acetogénica necesita de la relación simbiótica con la etapa metanogénica
para que se pueda llevar acabo[16]. Esto se debe a que en la etapa acetogénica el metabolismo es
endoenergético, pues demanda energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha
relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del
medio, minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas.
Esta baja concentración de productos finales es la que activa la reacción y actividad de estas
bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo el equilibrio energético.
Por lo tanto se propone llevar a cabo la fermentación microbiana anaeróbica en dos biodigestores.
En el primero se llevara a cabo la etapa de hidrólisis y acidogénesis; y en el segundo se tendrán las
etapas acetogénicas y metanogénicas. Buscando optimizar las condiciones en las que se
reproducen las bacterias, para disminuir los tiempos de residencia. Como se muestra en la figura
11.
21
En la primera etapa el sustrato en estado sólido con tamaño de partícula adecuado y debidamente
diluido, se introducirá al primer reactor que es un RCTA. Este reactor deberá tener algún sistema
de agitación para minimizar los problemas de transporte de masa y calor. La temperatura de
operación será de 55°C, es decir, se operará a condiciones termofílicas, ya que diversos estudios
[6] han demostrado que al operar a estas condiciones se incrementa la velocidad de hidrólisis del
sustrato, por encima de la operación mesofílica (35°C) [6]. Debido a que los productos generados
en esta etapa son en mayor parte ácidos, el pH de operación óptimo varía entre valores de 5.0 a
6.0. Valores menores a 4.3 conducen a la inhibición de los metabolismos y favorece la producción
de amoniaco en el efluente, el cuales también un inhibidor del proceso. [11]
Como ya se mencionó anteriormente en la segunda etapa del proceso de producción de biogás,
los ácidos formados en la primera etapa pasan a la segunda en donde se metabolizarán para
producir el biogás. Debido a que el volumen de sólidos se reduce significativamente en el proceso
de hidrólisis, el efluente del primer reactor puede introducirse al segundo reactor que opera como
un UASB, en donde el gas generado se irá hacia la parte superior del sistema. La temperatura de
operación de esta etapa es de 35°C (mesofílica), ya que aunque es posible operar a condiciones
termofílicas, los microorganismos involucrados en estos metabolismos son mucho más
susceptibles a pequeñas variaciones de temperatura, y por lo tanto es más complicado controlar el
sistema y mantenerlo estable. En general las bacterias acetogénicas y metanogénicas son muy
sensibles a valores de pH ácidos o alcalinos, es por eso que se debe controlar el pH en rangos que
vayan de 6.8 a 7.5 para mantenerlo neutro. Es por eso que los productos obtenidos en la primera
etapa, los cuales tienen valores de pH ácido, deben ser neutralizados mediante la adición de algún
hidróxido o carbonato. [15]
En general la etapa limitante del proceso es el metabolismo de hidrólisis, aunque requiere de
tiempos menores de retención a comparación de la etapa de acetogénesis y metanogénesis.
Estudios experimentales han tomado tiempos de residencia del primer reactor que van de 1 a 3
días y del segundo de 12 a 15 días [6]. De la misma forma los volúmenes de los reactores no son
iguales, debido a la diferencia de los tiempos de residencia.
Todos estos parámetros que se han mencionado se deberán optimizar mediante la obtención y
análisis de datos experimentales, así como también las propiedades físico-químicas y biológicas del
sustrato.
22
Figura 11. Diseño experimental propuesto
5. Balances de materia y energía preliminares
Figura 12. Balance de materia y energía preliminar del proceso
23
Consideraciones
En el sistema S1 (figura 12) se consideraron los procesos de digestión anaerobia y el tratamiento
aerobio de los lodos que se producen, es por eso que se tiene la salida del biogás, de los sólidos
degradados, y del agua.
En el segundo sistema (S2) se considera el proceso de purificación del biogás (80%-CH4, 20%-CO2),
y el proceso de generación de electricidad en los motores de combustión interna.
Para que la digestión anaerobia se lleve a cabo de manera óptima el porcentaje de sólidos secos
en el sustrato debe ser de 9-15%. Considerando que los desechos orgánicos residenciales tienen
en promedio un 30% de sólidos secos, es por eso que se tiene que diluir con agua. La cantidad
proporcional de agua necesaria para diluir la cantidad de sólidos a un valor de 15% no se incluye
dentro del balance ya que ésta se está recirculando al sistema de digestión anaerobia y por lo
tanto solo se debería de considerar esta alimentación al arranque de la planta.
Se tomó una correlación empírica de que por cada tonelada de material orgánico fresco, es decir
con una composición de 30% de sólidos secos, se obtienen 130 m3 de biogás con 60% de
metano[4], el cual tiene una densidad de 1.17 kg/m3.
En cuanto a la producción de electricidad, se consideró el uso de 2 equipos de combustión interna
con una capacidad de 148.3 m3/hr de gas con una composición mínima de 80% de metano. Si se
operan éstos equipos al 100% de su capacidad se podrían obtener 25.6 GWh/año. Estos equipos
tienen una eficiencia eléctrica de 41.10 % y 46.60% de eficiencia térmica [13].
Para la combustión que se lleva a cabo en los generadores, se inyectó aire con una composición
típica de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. La cantidad de aire introducida fue la
estequiométrica de acuerdo a la combustión completa de metano.
En cuanto al H2S se consideran 1000 ppm, provenientes en el biogás, esto corresponde a 4
ton/año, tal cantidad de H2S no interviene en el proceso de generación de electricidad. Los NOx
generados en la combustión son del orden de 500 mg/m3 por cada motor, según datos del
fabricante [13].
24
SECCION EXPERIMENTAL
Producción de biogás por medio de la digestión anaerobia en dos etapas de
suero de leche.
6. JUSTIFICACIÓN
Debido a que las etapas de metanogénesis y acetogénesis son las más sensibles a cambios en el
medio en el cual se llevan a cabo, es decir, cambios en tipo de sustrato y valores de pH y
temperatura; se ha prpopuesto un sistema de dos reactores. En el primero, mediante bacterias
termofílicas, se hidroliza el sustrato y consecuentemente aumenta la concentración ácidos grasos
volátiles en el efluente, sirve así como pre-tratamiento para las etapas de acetogénesis y
metanogénesis. Éstas se llevan a cabo en el segundo reactor que contiene bacterias mesofílicas.
De esta forma es posible incrementar la composición de metano en el biogás, aumentar la
degradación del sustrato y lograr tiempos de residencia menores a los necesarios en los sistemas
de una sola etapa.
7. ANTECEDENTES
a. Digestión Anaerobia en dos etapas
Algunos investigadores han propuesto llevar a cabo la hidrólisis a manera de pretratamiento a la
etapa metanogénicas, realizando la digestión anaerobia en un proceso de dos etapas
(acidificación y metanización), generalmente operadas a temperaturas, tiempos de residencia y
valores de pH diferentes [16]. De esta forma es posible acelerar la degradación de moléculas
complejas a simples en un proceso de acidificación acoplado a un proceso de metanización; y por
consiguiente facilitar e incrementar la velocidad de producción de metano.
En la tabla 4 se muestran algunos resultados experimentales obtenidos por medio de digestión
anaerobia en dos etapas en comparación con el proceso en una sola etapa. En todos ellos se
puede observar un incremento en la cantidad de gas producido en el proceso de dos reactores en
comparación con el proceso de uno solo. En estos estudios también se observó un incremento en
la cantidad de materia orgánica degradada en la digestión anaerobia de dos etapas en
comparación con el proceso en una sola.
25
Digestión
Anaerobia
Sustrato Tiempo de
residencia
global
Carga
orgánica
Reducción
de materia
orgánica
Producción
de gas
Referencia
1 etapa
mesofílica
Leche 24 hrs 16 g DQO/(L día) 81% DQO/(L día) 5 L CH4/día
2 1 etapa
termofílica
Leche 24 hrs 16 g DQO/(L día) 48% DQO/(L día) 4 L CH4/día
2 etapas Leche 24 hrs 16 g DQO/(L día) 95% DQO/(L día) 7 L CH4/día
1 etapa
mesofílica
Lodos activados 15 días 0.5 g SV/(L día) 42% SV 0.42 L CH4/g SV
3 1 etapa
termofílica
Lodos activados 15 días 0.5 g SV/(L día) 32% SV 0.35 L CH4/g SV
2 etapas Lodos activados 15 días 0.5 g SV/(L día) 87% SV 0.56 L CH4/g SV
1 etapa
mesofílica
Aguas
residuales
30 días 10 tons sólido
seco/día
370 m3 biogás/ton
sólido seco
4
2 etapas Aguas
residuales
30 días 10 tons sólido
seco/día
450 m3 biogás/ton
sólido seco
Tabla 4. Comparación de resultados experimentales de digestión anaerobia en dos etapas contra una etapa. DQO: Demanda Química
de Oxígeno, SV: Sólidos volátiles
Se ha demostrado que para el proceso de digestión anaerobia en dos etapas en el reactor
acidogénico la producción de ácidos grasos volátiles depende del tiempo de residencia del
sustrato. Kissalita et al (1989) demostraron que en un reactor continuo de tanque agitado un
tiempo de residencia entre 6 y 24 horas conduce a una producción en mayor parte de acetato y
para tiempos de residencia menores a 2.5 horas, se da un lavado de células en el reactor, y por
consiguiente baja la acidogénesis [20].
De la misma manera la actividad en el reactor metanogénico depende del tiempo de residencia.
Para valores mayores a 9.6 días predominan la bacterias del género Methanotrix, las cuales
producen metano a partir de algún grupo metilo del acetato. Para tiempos de residencia menores
a 6.5 días predominan las homoacetogénicas, las cuales constituyen en un 67% la población total
de bacterias metanogénicas [15]. Cabe señalar que del total de bacterias metanogénicas solo el
20% son termofílicas, el resto son mesofílicas [20].
En cuanto al pH de cada uno de estas etapas, el reactor acidogénico opera de manera óptima de
5.5 a 6.5 debido a que en esta etapa se producen principalmente ácidos grasos volátiles. El reactor
metanogénico encuentra su valor óptimo de pH en 7.0, lo cual hace pensar que es necesario
introducir alguna sustancia que amortigüe la concentración de ácidos producidos en la primera
etapa y de esta manera producir selectivamente bacterias metanogénicas.
26
b. Reactor UASB
El reactor UASB (upflow anaerobic sludge blanket) fue desarrollado a finales de 1970 y consiste
principalmente en un reactor sin empaque alimentado con flujo ascendente, se tiene un separador
de fases líquido-sólido-gas en la parte superior el cual facilita la salida de biogás y limita la salida
de sólidos en suspensión (Ver figura 13).
La funcionalidad de este tipo de reactor se basa en la capacidad de los microorganismos de formar
gránulos con buenas características de sedimentación, formando así un lecho de lodos granular. La
agitación del medio se debe en gran medida a la producción de gas, lo cual permite que se pueda
modelar como un reactor continuo de tanque agitado.
Los gránulos se constituyen exclusivamente de bacterias adheridas a algún material sedimentable.
En las capas exteriores del gránulo se acumulan las bacterias fermentativas y hacia el centro se
juntan las bacterias metanogénicas [21]. Algunos factores conocidos que influyen en la
granulación son:
Sustratos que contienen azúcares, proteínas y ácidos grasos facilitan la formación de gránulos, por el contrario los sustratos ricos en lípidos y/o sólidos en suspensión limitan la granulación [22]
Algunos compuestos como Ca2+, Fe, Ni, Co, Mn y FeS presentes en el sustrato facilitan la granulación [21].
El principal problema de este reactor reside en que la granulación tarda hasta 6 meses, lo cual
provoca un arranque muy lento. Este problema se puede resolver fácilmente inoculando el reactor
con lodos granulares, evitando así el lavado continuo del reactor.
27
Figura 13. Reactor UASB
8. OBJETIVOS DE SECCIÓN EXPERIMENTAL
a. Objetivo General
Desarrollar un proceso continuo de digestión anaerobia en dos etapas, para la producción de
biogás a partir de suero de leche como sustrato.
b. Objetivos Particulares. Sistema batch (pre-tratamiento bacteriano)
i. Adaptación de las bacterias a un primer sustrato (leche entera) ii. Establecer condiciones de pH y temperatura para las especies bacterianas
involucradas en cada sistema de reacción. iii. Favorecer el desarrollo de bacterias específicas para cada etapa iv. Desarrollar biomasa que funcione como inóculo para el sistema continuo v. Determinar la presencia de metano y otros componentes en el biogás
producido
c. Objetivos Particulares. Sistema continuo
i. Determinar la estabilidad del sistema continuo de dos biodigestores, utilizando suero de leche como sustrato
ii. Cuantificar la composición del biogás producido, mediante cromatografía de gases
28
iii. Determinar la variación de la producción de biogás con respecto al pH mantenido en el sistema
iv. Establecer un método para cuantificar la degradación del sustrato a través del sistema de dos etapas de digestión anaerobia.
9. PLAN DE ACTIVIDADES
a. Sistema batch
En primer lugar se estableció un sistema de dos reactores por lotes, en el cual se depositaron
sedimentos (lodos) provenientes del lago de Texcoco. De aquí en adelante se nombrarán “Reactor
1 y Reactor 2” a cada uno de los reactores (termofílico y mesofílico respectivamente) batch
utilizados en esta sección (Ver figura 14).
En una primera etapa, la cual consistió en 2 semanas de tiempo de adaptación, estos reactores se
alimentaron con leche entera como sustrato y se operaron a condiciones de pH (entre 6.5 y 7.0) y
temperatura (30°C) iguales.
Una vez transcurrido el tiempo de adaptación, se procedió a aumentar gradualmente la
temperatura de operación del reactor 1 hasta alcanzar 50°C. El reactor 2 se continuó operando a
35°C. Debido a que las bacterias son muy sensibles a cambios bruscos de temperatura, el aumento
de temperatura en el reactor 1 se hizo a razón de 5°C/semana.
De la misma forma las condiciones de pH para cada reactor se fueron cambiando gradualmente.
Llegando hasta un valor de pH=5, para el reactor 1. El pH de operación para el reactor 2 se
mantuvo entre 6.5 y 7.0
Cabe señalar que durante todo el tiempo transcurrido hasta alcanzar las condiciones de operación
finales, se siguieron alimentando cada uno de los reactores con leche entera.
Una vez alcanzadas las condiciones de operación, en cuanto a pH y temperatura, para cada
reactor; se realizó un cambio en la alimentación de sustrato para el reactor 2. Este cambio
consistió, en alimentar al reactor 1 con leche entera y después de 1 día se tomó la misma cantidad
de sustrato degradado directamente de este reactor, para alimentarlo al segundo.
Todos estos cambios se realizaron con la finalidad de separar las bacterias fermentativas de las
metanogénicas, y de esta forma producir preferentemente ácidos grasos volátiles (AGV) en el
reactor 1 y biogás en el reactor 2. De la misma forma este pretratamiento en reactores batch sirvió
para posteriormente inocular a los reactores continuos, y de esta manera, reducir el tiempo de
adaptación de las bacterias al sustrato y condiciones de operación.
El biogás producido en ésta etapa fue acumulado en una bolsa de alimentación por sonda, y
analizado mediante cromatografía de gases.
29
Figura 14. Sistema de reactores Batch (pre-tratamiento bacteriano)
b. Sistema Continuo
Conforme se realizaba la experimentación en el sistema por lotes, se armó el sistema continuo el
cual consiste en:
1 Reactor UASB de 1.525 L
1 Reactor UASB de 3.0 L
3 bombas peristálticas
Mangueras y conexiones de diferentes diámetros
1 bolsa de alimentación por sonda para cada reactor
1 Tanque para modificación de pH
Una vez terminada la etapa de pre-tratamiento en reactores por lotes, se procedió realizar
ensayos de hidrodinámica y térmicos, de los reactores UASB utilizados para el sistema continuo.
Estos ensayos consistieron en calibrar el flujo entregado por las bombas peristálticas utilizadas en
el sistema y el flujo deseado para la experimentación. Posteriormente se calibraron los voltajes
entregados por los reóstatos para calentar el sistema de acuerdo a las temperaturas requeridas
para cada reactor.
Ya con las condiciones de flujo y de temperatura estabilizadas para cada reactor, se inocularon con
los lodos procedentes del sistema batch; para posteriormente alimentar al sistema, a partir del
primer reactor, con leche entera (Ver figura 15).
Debido a que la leche presentó problemas de sedimentación de los lípidos, se decidió cambiar el
tipo de sustrato por suero de leche en polvo, ya que la concentración de lípidos es menor y no se
presentan los problemas detectados con la leche entera.
30
Se operaron los reactores a un flujo volumétricos fijo:1.35 ml/min. Esto debido a que se observó
la producción de gas (H2 y CO2 predominantemente) en el primer reactor, por lo cual se tuvo que
disminuir el tiempo de residencia y de esta manera obtener el gas en el segundo reactor.
Figura 15. Sistema continuo experimental de Digestión Anaerobia.
10. MÉTODOS EXPERIMENTALES
a. Sistema batch
Para el sistema por lotes, se trabajó con dos botes de polipropileno de 500 ml cada uno, en ellos
se depositaron los lodos extraídos de reactores UASB utilizados para el tratamiento de aguas
residuales en el laboratorio W-103 de la Universidad Autónoma Metropolitana - Iztapalapa. Se
mantuvieron a una temperatura constante de 35°C por medio de una parrilla de calentamiento.
En un principio se alimentaron cada uno de ellos con 60 ml de leche entera cada 2 días, sacando la
misma cantidad de sustrato degradado al término de este tiempo; el pH se mantuvo a un valor
aproximado de 7.0, mediante la agregación de NaOH 0.2M a medida que éste disminuía. Se midió
el pH con ayuda de papel tornasol .
Una vez transcurrido el tiempo de adaptación ( 2 semanas), se comenzó a calentar el reactor 1 a
razón de 5°C/semana. En esta etapa los dos reactores se siguieron alimentando con la misma
cantidad inicial de leche entera, pero dejando que el pH del reactor 1 disminuyera hasta alcanzar
un valor aproximado de 5.0. Alcanzada una temperatura de 50°C en el reactor 1 y un pH
aproximado de 5.0, se comenzó a alimentar al segundo reactor con 60 ml de sustrato degradado
cada 2 días, el cual fue extraído del reactor 1.
31
Al gas acumulado en las bolsas de alimentación se le realizó cromatografía de gases (ver Anexo 2)
en un equipo 6890N Network GC System de Agilent Technologies [21], utilizando el TCD y el FID
para identificar los compuestos presentes y una columna HP-PlotQ de 30 cm. de longitud por 0.32
cm. de diámetro [24], para separar los compuestos.
b. Sistema Continuo
Como ya se mencionó anteriormente el sistema continuo consiste de dos reactores UASB (1.525 y
3.0 L respectivamente), los cuales se interconectan por medio de mangueras de diferentes
diámetros, a las cuales se les colocó en ciertos puntos septos para medir el pH y en una etapa
posterior poder cuantificar la demanda química de oxígeno (DQO) del líquido contenido a lo largo
del sistema.
Posteriormente se calibraron las bombas peristálticas a un valor de 1.35 ml/min como flujo
volumétrico inicial. Por otro lado los reóstatos se calibraron a un voltaje de 12.86 y 21.43 Volts
para calentar los reactores por medio de cintas térmicas a temperaturas de 35 y 50°C
respectivamente.
El sustrato alimentado en un principio fue leche entera, pero debido a que el sistema se saturaba
de los lípidos contenidos en la leche, en forma parecida a requesón; se optó por cambiar al
sustrato inicial por suero de leche en polvo, el cual fue diluido a una proporción de 1:20 con agua
potable. De esta manera el porcentaje de lípidos en el sustrato disminuyó de 3% con la leche
entera a 0.035% con el suero de leche. La composición final del suero de leche diluido se muestra
en la tabla 6, basado en el certificado de análisis proporcionado por el proveedor.
Gracias al pre-tratamiento dado a los lodos, fue posible comenzar la operación de los reactores
continuos a una temperatura aproximada de 50°C y 35°C respectivamente. Estos reactores se
inocularon con los lodos procedentes de los reactores batch y se alimentaron con suero de leche a
razón de 1.35 ml/min.
Debido a que el pH medido del efluente del primer reactor fue de 5.0, fue necesario neutralizar
mediante la adición de NaOH 0.3M a un flujo de 0.55 ml/min, en un tanque agitado.
Posteriormente se realizó la variación del pH del reactor acidogénico con la intención de buscar la
relación óptima con el rendimiento del flujo de biogás con respecto al flujo de sustrato
alimentado, para ello se mantuvo a 1.35 ml sustrato /min y se modificó el pH en un intervalo de 5
a 13. Como se muestra en la tabla 5.
32
pH Fg as(ml/min) Fsustrato(ml/min) R (ml gas/ml sustrato)
Tiempo de
llenado de bolsa
(V=1.5L)
5 0 1.35 0.00 ----------------
7 6.25 1.35 4.63 4 horas
8 4.17 1.35 3.09 6 horas
11 1.25 1.35 0.93 20 horas
13 0 1.35 0.00 -------------
Tabla 5. Producción de gas en función del pH
De la misma manera que en el sistema por lotes el gas producido se acumuló en una bolsa de
alimentación por sonda y se tomó una lectura de su composición por medio de cromatografía de
gases.
COMPONENTE PORCENTAJE
Lactosa 7.81 %
Lípidos 0.07 %
Proteínas 1.30 %
Cenizas 0.82 %
Agua 90.0 %
Tabla 6. Composición del suero de leche diluido
Finalmente se realizó el análisis de DQO (Demanda Química de Oxígeno) para determinar el
porcentaje de degradación del sustrato. Este análisis se realizo con un kit de DQO marca Hanna
para un rango de 0-1.5 gDQO/L. El método consiste en agregar 2 ml de sustrato en un vial de
solución digestora, los cuales vienen contenidos en el kit. Posteriormente se lleva a cabo la
digestión en un reactor térmico que opera a 150°C por un intervalo de 2 horas. Una vez llevada a
cabo la digestión, se analizaron las soluciones resultantes en un equipo de espectroscopia UV-vis-
NIR, midiendo de esta forma la absorbancia resultante.
Para cuantificar la DQO del sustrato analizado se realizó una curva de calibración con acetato de
sodio a valores de DQO conocidos. (Ver figura 16).
Es importante mencionar, que debido a un primer análisis realizado, se observó que los valores de
DQO para el sustrato se salían del rango permitido por las soluciones digestoras, por lo que se
decidió diluir 4 veces la concentración inicial del sustrato antes de preparar las muestras.
33
Figura 16. Curva de calibración de DQO y resultados experimentales
c. Curva de calibración de metano
Se realizó una curva de calibración de metano con el propósito de cuantificar el metano contenido
dentro del biogás. Esta curva se hizo a partir de un tanque con composición de 15000 ppm de
metano y el balance de nitrógeno.
Dicho tanque se conectó al cromatógrafo de gases y se dejó pasar un flujo constante, previamente
calibrado, de 25 ml/min. A partir de este flujo se fue introduciendo nitrógeno puro para las
subsecuentes diluciones. En la figura 17 se muestra la respuesta del detector de ionización de
flama ( en unidades de área) en función del porcentaje de metano contenido en el gas.
34
Figura 17. Curva de calibración de metano
11. RESULTADOS PARCIALES Y DISCUSIÓN
a. Sistema batch
Se observó que el tiempo óptimo de degradación de la leche entera fue de 1 día, después de transcurrido este tiempo no se observó un cambio significativo en el volumen de gas producido.
El volumen de biogás producido fue de 1.5 L por cada 240 ml de leche entera alimentada. Esto podría resultar un resultado bastante alentador, pero se puede atribuir a que la relación de inóculo – sustrato fue de 2:1 en el reactor 1 y de 3:1 en el segundo.
Conforme se aumentó la temperatura y se dejó de agregar NaOH al reactor 1, este se acidificó y gradualmente dejó de producir biogás. Esto debido a la alta concentración de AGV en el reactor y también se debe a que el 70% de bacterias metanogénicas operan en condiciones mesofílicas, por lo tanto al aumentar la temperatura del reactor 1 se fue inhibiendo la actividad de la mayoría de las metanogénicas.
Mediante la cromatografía de gases se pudieron identificar los siguientes compuestos en el biogás: CH4, H2S, CO2 , H2 (Ver Anexo 1). Además de la presencia de aire, posiblemente debida a que al momento de succionar el gas del interior de la bolsa con la jeringa, se pudo haber mezclado con el biogás.
El poco gas producido en el reactor 1 después de haber aumentado la temperatura y bajado el pH, fue muy pobre en cuanto a metano a comparación del gas producido por el reactor 2. También se detectó la presencia de hidrógeno en el TCD, y otros 2 picos en el FID, los cuales podrían estar asociados a AGV, debido a que disminuyó la población de bacterias metanogénicas. Esto se puede observar en los cromatogramas 1 y 2, correspondientes al Anexo 2.
b. Sistema continuo
35
El cambio de sustrato, favoreció el equilibrio de los reactores, ya que se disminuyó casi en un 100 % la cantidad de nata producida debido a los lípidos contenidos en la leche entera, facilitando de este modo el flujo de sustrato a través de los reactores.
Mediante la operación de los reactores a un flujo de 1.35 ml/min, se observó una producción máxima de gas de 6.25 ml/min a un pH=7.0 (figura 18). Este gas se encontraba compuesto en su mayoría de CO2(98%) y H2(2%) (Ver cromatograma 3 en el Anexo 2). El metano detectado fue prácticamente nulo. Durante el tiempo en que se ha operado el sistema a este valor de flujo volumétrico, el volumen de gas producido en el reactor 2, así como la composiciónse han mantenido constantes, lo cual podría indicar dos cosas: a) El tiempo de residencia es muy pequeño para que se alcance a consumir el hidrógeno
y dióxido de carbono en este reactor, y por lo tanto no es posible que se produzca metano, además de que los ácidos propiónico y butírico no alcanzan a convertirse a ácido acético y subsecuentemente a metano.
b) La DQO, indica que el porcentaje de degradación del sustrato es del 15% en el sistema, y por lo tanto hace falta tiempo de residencia para poder alcanzar una degradación de valores entre 80 y 90%, según lo revisado en la literatura.
Aún no se ha logrado producir biogás en el segundo reactor, debido a que el tiempo de residencia es insuficiente. El valor global alcanzado fue de 35 horas, dicho valor no fue posible aumentarlo debido a las limitaciones del equipo utilizado. (bombas, volumen de los reactores).
Figura 18. Rendimiento de gas de hidrólisis en función del pH.
36
12. SINTESIS DEFINITIVA DEL PROCESO
Diagrama de flujo
Figura 19. Diagrama de flujo de la planta
Balances de Materia y Energía El balance de materia presentado a continuación en la tabla 7 corresponde a cada una de las corrientes indicadas previamente en el diagrama de flujo. El balance de energía en la tabla 8 corresponde a cada uno de los equipos que componen la planta, incluyendo el proceso de generación.
CORRIENTE FLUIDO FLUJO (ton/día) COMPOSICIÓN
1 Residuo organicos
frescos 89 0.3 materia orgánica seca 0.7 agua
2 agua 445
3 Residuo organicos
diluídos 534 0.05 materia orgánica seca 0.95 agua
4 gas de hidrólisis 4.5 0.98 CO2 0.02 H2
5 AGV y solidos no
degradables 529.54 0.05 sólidos no degradables 0.95 AGV + H2O
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6 AGV 504.6
7 Sólidos no
degradables 24.94
8 NaOH 1M 65.7
9 AGV neutralizados 570.3
10 Agua residual 518.8
11 Biogas 56
0.35 CH4 0.65 CO2 2000 ppm H2S
12 Biogás 34.2
0.59 CH4 0.41 CO2 2000 ppm H2S
13 CO2 21.8
14 Aire 6.3
15 azufre y agua 0.1 0.47 S 0.53 H2O
16 biogas 40.4
0.50 CH4 0.34 CO2 0.16 aire
17 agua caliente 534
18 gas 733.8
0.14 CO2 0.05 O2 0.72 N2 0.09 H2O
19 agua 445
20 agua 63.07
21 NaOH 99.98 % 2.63 Tabla 7. Balance de materia por corriente
EQUIPO DESCRIPCIÓN POTENCIA
(kW) CONSUMO
(GJ/año) T (°C) P (bar)
B1 bomba de rotor excéntrico 7.5 0.024 20 2
B2 bomba de rotor excéntrico 15 0.048 55 4
B3 bomba de rotor excéntrico 7.5 0.024 65 a 30 2
B4 bomba de rotor excéntrico 6.3 0.020 30 2
B5.1 bomba centrífuga 13.4 0.043 20 2
B5.2 bomba centrífuga 13.4 0.043 20 2
B5.3 bomba centrífuga 13.4 0.043 20 2
C1 compresor de pistón reciprocante 5.31 0.017 20 4
C2 compresor de pistón rotatorio 596.98 1.910 20 20
C3 compresor de pistón reciprocante 14.21 0.045 20 3
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C4 compresor de pistón rotatorio 114.3
3x10-6 20 30
D1 decantador horizontal 167.5 0.536 50 25
A1 Agitador de disolvedor 25 0.080 20
A2 Agitador de NaOH 2.5 0.008 20
M1 Molino de frotamiento 13.7 0.044 20
IC
Intercambiador de calor de tubos concéntricos 903 2.890 20 a 55
E1
Elevador de cangilones de tipo continuo 2.8 0.009 20
E2
Elevador de cangilones de tipo continuo 2.8 0.009 20
T1 Transportador neumático 18.4 0.059 20
Iluminación y electrónicos 15.3 0.049
Consumo de energía (GJ/año) 5.901 Tabla 8. Consumo de energía por equipo
EQUIPO DESCRIPCIÓN
POTENCIA ELÉCTRICA
(kW)
GENERACIÓN ELÉCTRICA (GJ/año)
POTENCIA TÉRMICA
(kW)
GENERACIÓN TÉRMICA (GJ/año)
MCI 1
Motor de combustión interna Ambar 13800 4000 12.800 1255.3 4.017
MCI 2
Motor de combustión interna Ambar 13800 4000 12.800 1255.3 4.017
Producción de Energía (GJ/año) 8000 25.600 2510.6 8.034 Tabla 9. Generación de energía en motores de combustión interna[26]
El balance de energía indica que un 18% de la producción energética se destina al consumo de la planta, lo cual impacta directamente en los ingresos percibidos por generación. Este valor de consumo de energía tendrá que ser suministrado a la planta al inicio de operaciones por medio de la alimentación a uno de los generadores, de gas natural a un flujo de 993.46 m3/h. Esto representa un consumo de gas natural de 1.43 x 106 m3 en un periodo de 8 semanas, lo cual se estima que sería el tiempo de arranque, y por lo tanto una inversión de US$300,058 para iniciar operaciones.
39
13. DISEÑO DE EQUIPO Y OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO
Dimensionamiento de equipo. A continuación se esquematizan los reactores UASB a emplear en la operación de la planta, de acuerdo con los tiempos de residencia necesarios para llevar a cabo los metabolismos de cada una de las etapas de fermentación anaerobia y los flujos de alimentación. Ambos deben ser inoculados con biomasa, a un volumen del 20% con respecto al volumen del reactor. Dicha fracción de volumen deberá ser colocada bajo tierra, para conservar de manera mas eficiente la temperatura en la biomasa. [25] a)
b)
Figura 19. Diseño de reactores a) Reactor acidogénico b)Reactor metanogénico
40
Descripción:
REACTOR VOLUMEN (m3)
TIEMPO DE RESIDENCIA
(d)
FLUJO MÁSICO ALIMENTADO
(ton/día)
CONDICIONES DE
OPERACIÓN
MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
Acidogénico 778.9 1.46 534 – Residuos orgánicos diluidos
Adiabático a 55 °C
Concreto reforzado, con recubrimiento interior epóxico.
Metanogénico 6250.0 10 529.5 – AGV 4.5 – Gas: 2% H2, 98% CO2
Adiabático en un rango de 25-35 °C
Concreto reforzado, con recubrimiento interior epóxico.
Tabla 10. Descripción de reactores anaerobios
Ambos reactores se aíslan en la parte que se encuentra bajo tierra con poliuretano y en la parte superior con espuma plástica. El aislamiento va cubierto con láminas metálicas para proteger de la humedad e impedir el paso de la luz al interior del reactor, ya que esto afecta a las poblaciones bacterianas. En general este tipo de reactores se caracterizan por diámetros grandes, para que el área de contacto de las bacterias sea la mayor posible. La relación L/D se recomienda para estos reactores que sea de 1.5-3. [25]. Los reactores se encuentran equipados con dispositivos de seguridad colocados en la cámara de gas. Dicho equipo consiste en un dispositivo que cierra el espacio donde se encuentra el biogás por medio de un diafragma. El diafragma se encuentra debajo de una capa de agua. El espacio debajo de la capa de agua, donde se encuentra el diafragma, aún pertenece a la cámara de gas, por lo tanto ésta se encuentra llena de biogás. Con presiones positivas el diafragma es empujado hacia arriba para que pueda salir el gas. En caso de que exista sobrepresión el agua empuja un dispositivo flotante, el cual abre la válvula de emergencia. En la tabla 11 se enlistan los equipos necesarios para llevar a cabo la purificación y almacenamiento del gas.
EQUIPO DESCRIPCIÓN ALIMENTACIÓN EFLUENTE ESPECIFICACIONES
Filtro para gas [25]
Filtro de membrana de Polieterimida. Utilizado para remosión de CO2
Biogás (%V): 60% CH4 40% CO2 2000 ppm H2S
Biogás (%V): 80% CH4 20% CO2 2000 ppm H2S
Membrana de 10 µm de espesor. Dint= 10 cm L = 140 cm
Torre de absorción
Torre empacada con anillos Rasching para la absorción de H2S
Solución de nutrientes* como absorbente. Biogás (%V): 70.4% CH4 17.6% CO2
12% Aire 2000 ppm H2S
Biogás (%V): 70.4% CH4 17.6% CO2 12% Aire 75 ppm H2S
D = 1.53 m H = 21.6 m Área superficial de empaque = 1922.4 m2
Bioreactor Reactor aerobio para la remoción de azufre en solución de
Solución de nutrientes* con H2S absorbido
53% Agua 47% Azufre
V = 2,872.1 m3 D = 15 m H = 16.3 Tiempo de
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nutrientes residencia = 2 h
Tanque de almacenamiento
Tanque horizontal de acero reforzado para almacenamiento de biogás a 30 bar
Biogás (%V): 70.4% CH4 17.6% CO2 12% Aire 75 ppm H2S
Biogás (%V): 70.4% CH4 17.6% CO2 12% Aire 75 ppm H2S
V = 300 m3
D = 6 m L = 10.6 m P = 30 bar
Tabla 11. Características de equipos de separación y almacenamiento de biogás
Finalmente en las tablas 12 y 13 se especifican los equipos adicionales, como son bombas, compresores, bandas transportadoras, elevadores, intercambiador de calor, etc., y los módulos de generación eléctrica por medio de motores de combustión interna.
EQUIPO DESCRIPICIÓN POTENCIA (kW)
B1 bomba de rotor excéntrico 7.5
B2 bomba de rotor excéntrico 15
B3 bomba de rotor excéntrico 7.5
B4 bomba de rotor excéntrico 6.3
B5.1 bomba centrífuga 13.4
B5.2 bomba centrífuga 13.4
B5.3 bomba centrífuga 13.4
C1 compresor de pistón reciprocante 5.31
C2 compresor de pistón rotatorio 596.98
C3 compresor de pistón reciprocante 14.21
C4 compresor de pistón rotatorio 114.3
D1 decantador horizontal 167.5
A1 Agitador de disolvedor 25
A2 Agitador de NaOH 2.5
M1 Molino de frotamiento 13.7
IC Intercambiador de calor de tubos concéntricos 903**
E1 Elevador de cangilones de tipo continuo 2.8
E2 Elevador de cangilones de tipo continuo 2.8 Tabla 12.Características de equipos adicionales
MODELO DESCRIPCIÓN POTENCIA (kW)
CONSUMO DE COMBUSTIBLE
EFICIENCIA ELÉCTRICA
EFICIENCIA TÉRMICA
D4000 Motor de combustión interna a gas natural o biogás. Distribuidor Ambar Electroíngeniería
4000 993.46 m3/h @ 80% CH4
43.50 % 41.5 %
Tabla 13. Características de motores de combustión interna [26]
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COMPUESTO CONCENTRACIÓN (g/L)
MgCl2 6H2O 0.6
CaCl2 2H2O 0.1
KCl 0.6
KH2PO4 0.6
NH4Cl 0.6
NaCl 17.94
*Solución de nutrientes [25] **Se refiere al flujo de calor necesario para calentar el sustrato de 20 a 55 °C, por medio de agua a 65°C, proveniente de los motores de combustión interna.
Tuberías Para la construcción de la red de tuberías por las cuales se harán pasar los diferentes fluidos se seleccionaron diferentes materiales en función de los compuestos que se transportarán. En la tabla 14 se muestran las diferentes corrientes esquematizadas en el diagrama de flujo con sus respectivos materiales de construcción, así como el diámetro correspondiente a cada una de ellas en función del flujo volumétrico. Cabe mencionar que la velocidad de referencia de los líquidos es de 0.6 m/s y para gases antes y después de compresores 5 y 10 m/s respectivamente, dichos valores posteriormente se ajustan al diámetro estándar de cada tubería.
CORRIENTE FLUIDO FLUJO (m3/día)
TAMAÑO NOMINAL (pulgadas)
MATERIAL
2 agua 445 2 Acero al carbón
3 residuos
orgánicos diluidos 534 2 ½ Acero al carbón
4 gas de hidrólisis 2472.4
4 – antes de compresor 3 – después de compresor
Acero inoxidable
5 AGV y sólidos no
degradables 529.54 2 ½ Monel
6 AGV 504.6 2 ½ Monel
8 NaOH 1M 65.7 1 Acero inoxidable
9 AGV
neutralizados 570.3 2 ½ Monel
10 Agua residual 518.8 2 ½ Acero al carbón
11 Biogas 51264
8 – antes de compresor 6 – después de compresor
Acero inoxidable
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12 Biogás 38448 5 Acero inoxidable
14 Aire 5280 2 ½ Acero al carbón
15 azufre y agua 147.6 1 ¼ Acero inoxidable
16 Biogas 43694.4 7 Acero inoxidable
17 agua caliente 534 2 ½ Acero al carbón
18 gas de desecho 413630 24 Acero al carbón
19 agua reciclada 445 2 ½ Acero al carbón
20 Agua 63.07 1 Acero al carbón Tabla 14. Características de tubería
Modo de operación Dada la configuración de la planta, se decidió dividir el proceso en 5 procesos diferentes, las cuales son:
Acondicionamiento del sustrato
Fermentación Anaerobia
Almacenamiento y purificación del gas
Generación eléctrica
Post-tratamiento de residuos A continuación se describe el modo de operación de la planta para llevar a cabo cada uno de los 5 procesos anteriormente mencionados. Cabe señalar que la operación de la planta será de forma continua y se dividirá en 3 turnos de 8 horas cada uno, el tiempo de operación de la planta será de 8664 h/año ya que se consideran 2 días por semestre para la realización de actividades de mantenimiento. Acondicionamiento del sustrato Este proceso comienza desde la recepción de los residuos orgánicos a la planta, los cuales serán almacenados en un silo horizontal de 1000 m3. Dado que es indispensable eliminar metales pesados, ya que afectan los metabolismos de fermentación anaerobia, se considera la implementación de imanes dispuestos a través del paso del sustrato por el transportador neumático hasta llegar al molino de frotamiento. En este equipo los residuos son reducidos a un tamaño de partícula máximo de 5 mm., esto con la finalidad de aumentar el área de transferencia de masa y de esta manera llevar a cabo eficientemente la fermentación del sustrato. Posteriormente el sustrato se transferirá a un tanque de hidratación, donde partiendo de una humedad promedio del sustrato del 70%, se agregará agua hasta alcanzar aproximadamente un 5% de materia orgánica seca en solución. Es importante considerar que este valor depende fuertemente de la DQO (Demanda Química de Oxígeno) total del sustrato y puede variar con respecto a la fuente de carbono disponible en los residuos, por lo tanto, se debe analizar la DQO del sustrato al realizar la dilución, ya que un valor muy alto puede conducir a tiempos de residencia más grandes y por lo tanto ineficiencia en la fermentación. Para este sistema se propone un valor de DQO máximo de 3000 mg/L a un flujo volumétrico de 534 m3/d, el cual fue calculado a partir del sistema experimental y la cantidad de materia orgánica a tratar en el sitio. Fermentación anaerobia
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Esta etapa se considera como el corazón de la planta, debido a que aquí se llevan a cabo los metabolismos bacterianos necesarios para producir el biogás. Como ya se ha mencionado anteriormente se decidió llevar a cabo la digestión del sustrato en dos etapas: Acidogénica y Metanogénica. A continuación se describen el modo de operación de los reactores para llevar a cabo la fermentación anaerobia. Etapa Acidogénica En primer lugar es importante considerar los tiempos de regeneración de las bacterias involucradas en esta etapa, ya que de esto depende fuertemente el tiempo de residencia del sustrato. Como se muestra en la tabla 15 las bacterias hidrolíticas tienen un tiempo de regeneración menor a 2 horas y las bacterias acidogénicas entre 24 y 36 horas. De acuerdo con lo obtenido en el laboratorio, el tiempo de residencia óptimo para esta etapa es de 35 horas en un reactor de 779 m3, con lo cual se logra una degradación del sustrato del 15% con respecto a la concentración de DQO total alimentada. La temperatura de operación del reactor UASB debe ser mantenida a 55°C, esto mediante el calentamiento del sustrato a través de su paso por un intercambiador de calor de tubos concéntricos, utilizando agua caliente proveniente de los equipos de generación, como fluido de calentamiento. El tiempo de arranque de esta etapa puede llegar a ser de hasta 6 meses, pero mediante la inoculación inicial del reactor, es posible reducir este tiempo a una duración de 8 semanas. El volumen de biomasa inoculada al reactor, según lo realizado experimentalmente, es de 20% con respecto al volumen total del reactor. Industrialmente esta inoculación se realiza con biomasa procedente de alguna otra planta o con biomasa procedente de algún relleno sanitario. En este caso se inoculará con la segunda opción, con biomasa procedente del relleno sanitario adyacente. La alimentación del sustrato al reactor se hará a través de una bomba rotatoria colocada antes del intercambiador de calor. Esta etapa se caracteriza por la formación de ácidos grasos volátiles (acético, popiónico y butírico) y gas con un 2% de H2 y el balance de CO2. Tanto los productos líquidos como los gaseosos pasarán posteriormente a la etapa metanogénica donde se formará el metano, dióxido de carbono y en menor proporción sulfuro de hidrógeno. Previo a introducir la materia orgánica hidrolizada al reactor metanogénico, ésta debe de pasar por un decantador horizontal, con la finalidad de remover los sólidos no degradables. Para el caso de los residuos orgánicos a tratar en esta planta, la cantidad de materia seca degradable, en promedio tiene un valor de 65.76 g/kgmateria seca total, lo que por consiguiente hace que se tenga una salida de sólidos del sistema de alrededor de 25 ton/día. La alimentación del gas producido en esta etapa se alimentará al reactor metanogénico por medio de un compresor de pistón reciprocante, el cual opera a 4 bar. Etapa Metanogénica Como es posible observar en la tabla 15 los tiempos de regeneración de las poblaciones metanogénicas y acidogénicas son mucho más grandes que los de las bacterias hidrolíticas y acidogénicas, lo que hace que el tiempo de residencia en este reactor sea de 10 días en un volumen de 6000 m3. La temperatura de operación de este reactor se encuentra en un rango que va de 25 a 35°C, por lo que no se requiere de calentamiento del sustrato, ya que el efluente del reactor acidogénico proviene a una temperatura mayor al rango descrito, y la pérdida de calor a lo largo de la tubería por la cual pasa del primer reactor al segundo es suficiente para alcanzar dichas temperaturas. Como ya se mencionó anteriormente, la agitación en este tipo de sistemas debe ser
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muy poca, por lo que esta operación se satisface mediante la introducción del gas producido en la etapa acidogénica. De igual manera que en la etapa anterior, este reactor debe ser inoculado con un volumen de biomasa del 20% con respecto al volumen del reactor, con la finalidad de reducir el tiempo de arranque. Al finalizar esta etapa es posible obtener un porcentaje de degradación global del sistema que va en un rango del 80 al 90% con respecto a la DQO total del sustrato. Finalmente el gas producido, que en promedio se compone de 60% CH4, 40% CO2 y 2000 ppm H2S, es enviado hacia el proceso de purificación, donde se eliminará el sulfuro de hidrógeno y gran parte del dióxido de carbono. La mayor parte de los residuos líquidos se recircularán al sistema para realizar la dilución de los residuos orgánicos frescos, y el restante se oxidará por completo en una laguna de aireación.
Microorganismo anaerobio Tiempo de regeneración
Bacterias Hidrolíticas <2 h
Bacterias Acidogénicas Bacterioides Clostridia
<24 h 24-36 h
Bacterias Acetogénicas 80-90 h
Bacterias Metanogénicas Methanosarcina barkeri Methanococcus
5-16 d ~10 d
Tabla 15. Tiempo de regeneración de diferentes microorganismos anaerobios. [25]
Almacenamiento y purificación del gas Una vez producido el biogás, debe ser purificado para eliminar el H2S y CO2, ya que dichos gases disminuyen la eficiencia de los generadores y corroen los componentes. En primer lugar el gas pasa por un filtro de membrana polimérica (Polieterimida) de 10 µm, donde se separará el CO2 del metano. Para lograr esto el gas debe ser comprimido a una presión de 20 bar por medio de un compresor de pistón rotatorio. El CO2 separado será liberado a la atmósfera y el biogás será mezclado con aire para posteriormente pasar a la etapa de absorción de H2S. La absorción de H2S consiste en primer lugar de una torre empacada con anillos Rashing, por la cual se hace pasar una solución mineral para absorber el sulfuro de hidrógeno. Con la solución mineral se recirculan también los microorganismos encargados de consumir el H2S, los cuales quedan impregnados en la superficie del material de empaque. Posteriormente la solución ya con H2S se introducirá a un reactor biológico aerobio, donde se precipitará el azufre y se recuperará agua mediante la siguiente reacción:
Dicha reacción catalizada por las especies de bacterias Thiobacillus y Sulfolobus, las cuales son prácticamente omnipresentes y por lo tanto no requieren ser inoculadas. Es importante mencionar que se deben alimentar diariamente 74 m3 de solución mineral al proceso, para prevenir la saturación del fluido absorbente.
46
Ya purificado el gas, dos veces por año, un 20% de éste deberá ser comprimido a 30 bar por medio de un compresor de pistón rotatorio y almacenado en un tanque de acero. Esto con la finalidad de mantener el suministro energético necesario para operar la planta, en los días en que se realicen de tareas de mantenimiento. Finalmente el gas pasará al proceso de generación de electricidad. Generación eléctrica Este proceso se lleva a cabo por medio de 2 motores de combustión interna con una potencia eléctrica de 4000 kW cada uno, con lo cual sería posible generar alrededor de 25.6 GWh/año. La energía producida será enviada a una estación de transferencia, donde se hará la interconexión con la red eléctrica. Post-tratamiento de residuos Tanto los residuos sólidos como los líquidos deberán de ser tratados antes de su disposición final. Como ya se mencionó anteriormente se tiene un flujo de sólidos no degradables que salen del reactor acidogénico, los que posterior a su separación, serán enviados al relleno sanitario adyacente a la planta. En cuanto a los residuos líquidos, la mayor parte de ellos serán recirculados al sistema sin recibir ningún tipo de tratamiento, ya que éstos servirán posteriormente para diluir los residuos orgánicos frescos. La fracción de líquidos que no se recircularán al sistema serán enviados a una laguna de aireación, donde se oxidarán completamente y posteriormente se empleará como agua de riego. El azufre producido a partir de la absorción de H2S contenido en el biogás es posible emplearlo como fertilizante.[25]
47
14. ANÁLISIS DE RIESGOS EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIOGAS
La siguiente tabla de identificación y evaluación de riesgos se evaluaron todas aquellas posibles causas que puedan producir un evento
inesperado, la valoración se identifica a través del análisis HAZOP y se han considerado su impacto en el ambiente, el personal, la planta,
fuentes externas, la operación y los equipos.
El alcance del riesgo está asociado a la evaluación de cuatro parámetros de los cuales se clasifican de acuerdo a la categoría de la severidad de
un posible evento:
Impacto en Área – Proceso: SI/NO
Nivel a que Afecta: BF: Bien Físico (Equipos – Sistemas – Instalaciones) O: Operaciones MA: Medio Ambiente
Magnitud Del Riesgo
CP: Consecuencia Personas – Comunidad
CBF – MA: Consecuencia Bien Físico – Operaciones – Medio Ambiente
PP: Probabilidad Personas - Comunidad
PBF: Probabilidad Bien Físico – Operaciones – Medio Ambiente
MR P: Magnitud del Riesgo – Personas
MR BF / MA: Magnitud del Riesgo Bien Físico – Operaciones – Medio Ambiente Nivel de Criticidad: Grave, Serio, Leve Con el fin de evaluar además la magnitud de riesgo (MR) en la planta de biogás se le dio un valor a las categorías siguientes: consecuencia para las personas (C), estimación de exposición (E) y estimación de probabilidad (P) resultando así la evaluación del riesgo: MR = C*E*P La magnitud de riesgo (MR) relacionado con los bienes físicos y el medio ambiente se determinó mediante MR = C*P asignando un ranking para la magnitud de la matriz de riesgo.
48
N
o RIESGO -
EVENTO
IMPACTO EN AREA
- PROCESO
NIVEL A QUE
AFECTA
MAGNITUD DEL RIESGO NIVEL DE
CRITICIDAD
MEDIDAS DE
CONTROL
APLICADAS
C*E*P C*P CP CBF -
MA
PP PBF -
MA
MR P MR BP
- MA
RIESGOS ASOCIADOS EN LA OPERACIÓN DE LA PLANTA
1 Fugas SI O / MA 2 10 x x Serio Detectores de
gas, operación de
cierre automático
de válvulas,
mantenimiento
de tuberías
2 Explosión SI BF / O / MA 8 16 x x Grave Instalación
paneles y cajas a
prueba de
explosión,
desarrollo de
elementos de
seguridad que
permiten confinar
la propagación de
una llama a través
de una chimenea
como dispositivo
de alivio.
3 Derrames de
líquidos /
sólidos
internos en
planta
SI BF / O 2 12 x Serio Control de fisuras
4 Falta de
destreza /
SI BF / O 16 12 x Serio Capacitación del
personal
49
habilidades
por parte del
operador
5 Falta de
energía
eléctrica en
la planta
debido a que
no se esté
generando
biogás
SI O 3 15 x Grave Alimentación a
los generadores
por medio de la
red de gas natural
6 Falta de
presión de
aire o biogás
para un
proceso
determinado
SI O 2 10 x Serio Mantenimiento y
control en lo
equipos de
compresión
7 Falla en los
sistemas de
control
general del
proceso
SI O 2 8 x Serio Sistema de
monitoreo
alterno en caso
de falla general
8 Falla en los
sistemas de
seguridad o
equipo
NO O 32 8 x Serio Verificación
constante del
funcionamiento
óptimo del
sistema y de la
funcionalidad del
equipo
9 Olores NO MA 8 4 x x Leve Se identificará si
50
durante algunas
etapas de la
ejecución del
proyecto,
se generan gases
que pueden
producir
olores
desagradables,
como por
ejemplo el H2S.
10 Incendio SI BF / O 32 12 x x Serio Presencia de
extintores en la
planta
11 Ignición
espontanea
SI BF / O 32 8 x x Serio Eliminación de
posibles
comburentes
capaces de
producir fuego de
manera
instantánea
12 Falla en los
equipos de
sensores
externos de
H2S
SI MA 4 9 x Serio Los instrumentos
de detección será
inspeccionado
ante cada uso y
calibrado según la
instrucción del
proveedor, se
colocará sensor
local se
concentración de
H2S en el equipo
absorbedor de
51
biogás
RIESGOS ASOCIADOS A LAS OPERACIONES – CONSTRUCCIÓN – MONTAJE – PUESTA EN MARCHA
13 Exposición de
las personas
a agentes
nocivos –
Químicos
(CO2, CH4,
H2S)
NO MA 48 16 x Grave Equipo Autónomo
de respiración,
detectores
portátiles,
ubicación de
zonas de
emergencia,
capacitación de
primeros auxilios
14 Corrosión SI BF / O 4 12 x Serio Mantenimiento
15 Biológico NO MA 4 4 x Leve
RIESGOS ASOCIADOS CON LA NATURALEZA Y FUENTES EXTERNAS A LA OPERACIÓN DE LA PLANTA
16 Sismo SI BF / O 8 12 x x Serio Señalización de
zonas de
seguridad,
simulacros,
sistema de alerta
y paro total de la
operación de la
planta
El mayor riesgo del biogás es principalmente su inflamabilidad y explosividad al combinarse con el oxígeno contenido en el aire. La mezcla es peligrosa con una concentración de metano entre 5 y 15%. El biogás está compuesto de CO2 con efecto asfixiante (si O2< 18%), y H2S tóxico (mortal si > 50 mg/m3). Estos dos gases son más pesados que el aire lo que implica un riesgo de acumulación en zonas bajas de recintos cerrados (cámaras, pozos, etc.).
52
15. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROCESO
Inversión Inicial
Costo de generadores, conexión entre la planta y la red eléctrica: $ 5’200,00 [26]
Construcción de la planta y equipo: $ 2’023,650 [25]
Silo de almacenamiento de residuos, tanques y almacén de biogás: $ 150,000 [25]
Costo de Terreno: $39,450 [10]
Costo de gas natural para arranque de la planta: $ 300,058
Inversión inicial total: $ 7’713,158
Gastos de Mantenimiento y Operación/año
Mantenimiento de la planta: $6,375
Mantenimiento de equipo: $ 22,463
Mantenimiento de generadores y red eléctrica: $208,000 [26]
Personal operativo (sueldos y prestaciones): $463,162 [25]
Aseguramiento de la planta: $63,838 [25]
Gasto de Insumos/año
Consumo de Agua y servicio de drenaje: $14,372
NaOH y nutrientes: $23,000
Gastos totales/año: $801,210
Ingresos
Ingresos por generación eléctrica: $2’936,570, se considera un costo de venta de 13 centavos de
dólar/kWh [7]
Ingresos por bonos de carbono: $366,667
53
Total de ingresos: $3’303,237
NOTA: Todas las cifras se encuentran en US$
Depreciación anual: $491,506.67
Este valor corresponde al monto de la inversión inicial total dividido entre el tiempo de vida del
equipo. Se consideraron 15 años de vida del equipo ya que este valor corresponde a la vida de los
generadores y estos representan el 71% del valor de la inversión inicial total. Después de este tiempo
se tendría que volver a invertir en estos equipos.
Tasa de impuestos para empresas: 35% anual
Los flujos antes y después de impuestos serán entonces:
Año
FAI
(ingresos-
gastos)
Depreciacion(inversion/tiempo
de vida)
Ingreso
Gravable Impuesto FDI
0 -7713158 -7713158
1 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
2 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
3 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
4 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
5 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
6 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
7 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
8 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
9 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
10 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
11 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
12 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
13 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
14 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
15 2502027 -514210.5333 1987816.467 -695735.763 1806291.24
Con lo cual se calcula una TIR = 22% y por lo tanto el tiempo de amortización del capital será de 5
años. Se concluye que el proyecto es medianamente rentable ya que el valor de la TREMA para
plantas químicas es del 30%.
54
ANEXO 1. Cromatogramas
A continuación se muestran los cromatogramas obtenidos de los diferentes gases producidos. Cada
uno de ellos muestra las señales detectadas por el FID y el TCD en cada caso. En el Cromatograma 1
se puede observar la presencia de metano en el gas que se produjo en el reactor 1 del sistema por
lotes. Esta señal se obtuvo después de que se alcanzaran las condiciones termofílicas y acidogénicas.
Como se puede observar la señal de metano en el FID es considerablemente más baja
(aproximadamente 94% menor) que la obtenida en el Cromatograma 2, y que es la respuesta al
biogás producido en el reactor batch 2 (metanogénico). En ambos casos se puede observar la
presencia de aire y CO2 en el TCD, como las dos primeras señales que aparecen respectivamente.
Finalmente en el cromatograma 3 se puede notar que la concentración de metano es prácticamente
nula. Solo se pueden identificar el aire y el CO2 presentes. Para los casos de los cromatogramas 1 y 3
se puede ver un pico hacia abajo en el TCD, lo cual indica la presencia de hidrógeno; ya que aunque la
columna utilizada no es capaz de separar el H2, el único gas que tiene una conductividad térmica
menor a la del Helio, utilizado como acarreador, es el hidrógeno.
Cromatograma 1. Metano producido por el reactor batch acidogénico, después de incrementar la temperatura a 50°C y
disminuir el pH a 5.0
55
Cromatograma 2. Metano producido por el reactor batch metanogénico, a condiciones de operación constantes
Cromatograma 3. Gas producido en el reactor acidogénico del sistema continuo.
56
Como se puede observar el pico que identifica al metano en el cromatograma 1 aparece a un tiempo
de 0.3 minutos menor que el de los demás cromatogramas. Esto se debió a que las condiciones de
operación del cromatógrafo se cambiaron después de tomar dicha lectura, ya que se quedó muy
contaminado el equipo después del primer análisis. Las condiciones de operación finales fueron:
Rampa: 120°C por 3 minutos
Calentamiento: 20°C/min hasta alcanzar 240°C
Temperatura del inyector: 250°C
Split: 12:1
TCD: 220°C
FID: 240°C
Flujo de acarreador (He): 1.5 ml/min
REFERENCIAS
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[4]Margareta Clementson (2007).Basic data on biogas. Sweden SGC [5]José L. Arvizu F., Jorge M. Huacuz V. (2005).Biogás de rellenos sanitarios para producción de electricidad.Boletín IIE octubre-diciembre. [6]Wen Lv, Floyd L. Schanbacher, Zhongtang Yu (2010). Putting microbes to work in sequence: Recent advances in temperature-phased anaerobic digestion processes. Bioresource Technology 101, 9409-9414 [7]www.sener.gob.mx [8] www.semarnat.gob.mx
[9] www.cfe.gob.mx
[10] Estudio San Antonio La Isla.Secretaría del Medio Ambiente, Gobierno del Estado de México.
[11] ] M.L. Srivastava. MicrobialBiochemistry. Editorial AlphaScience, 2008, India.
[12]Estadística Básica Municipal. Instituto de Información e Investigación Geográfica, Estadística y Catastral,
Gobierno del Estado de México. Edición 2009
[13]Revista Cogeneración, Ambar Electroquímica. Vol. 2, Número 21, Noviembre 2010.
[14]Johan Bejaminsson. New biogas upgrading techniques, 2nd
Nordic Biogas Conference.
[15]Ramón Parés, Antonio Juárez. Bioquímica de los Microorganismos. Editorial Reverté. 2002, España.
57
[16] Olguín, P., (1995). Digestión Anaerobia en dos etapas. Ciencias Biológicas y de la Salud. UAM-Iztapalapa.
México
[17] Harris, W. L., Dage, R. R., 1993. Comparative performance of anaerobic filters at mesophilic and
thermophilic temperatures. Water Environ. Res. 65, 764-771
[18] Riau, V., De la Rubia, M., Pérez, M., 2010. Temperature phased anaerobic digestion to obtain class A
biosolids: a semi-continuous study. Bioresour. Technol. 101, 2706-2712
[19] Panter, K., Jolis D., Solheim, O.E., Seyffarth, T., Fjaergard, T., Sorensen, G., 2006. THyPAD-from pilot to full
scale application at Hamar WWTP. Proc. Water Environ. Fed, WEFTEC, pp. 429-437
[20] Kissalita, W. S., Lo, K. V. and Pinder, K. L. (1989). Influence of dilution rate on the acidogenic phase products
distribution during two phase lactose anaerobiosis. Biotechnol. Bioeng. 34: 1235-1250
[21] Lettinga, G., Van Vesel, A. F. M., Hobma, de Zeeuv, S. W. and Klapwijk, A. (1980). Use of the upflow sludge
blanket (USB) reactor concept for biological wastewater treatment. Biotechnol. Bioeng. 12: 699 – 734
[22] Noyola, A. (1992). Reactores anaerobios de segunda y tercera generación, en bioprocesos anaerobios para
el tratamiento de efluentes industriales. UAM, ORSTROM, IMP (eds). Mayo. UAMI, México, pp: 22-54
[23] M.L. Srivastava. Microbial Biochemistry. Editorial AlphaScience, 2008, India.
[24] The Eseential Chromatography an Spectroscopy Catalog. Agilent Technologies. 2009-2010 Edition
[25] Dieter Deublein, Angelika Steinhauser. Biogas from Waste an Renewable Resoruces. Wiley-VCH.2011,
Germany
[26]Revista Coogeneración, Vol. 3, No. 28. Ambar Electroingeniería. Junio 2011