metano en residuos domesticos

IIIII Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano I Simposio Iberoamericano dededede Ingeniería de ResiduosIngeniería de ResiduosIngeniería de ResiduosIngeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.

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METANO EN RESIDUOS DOMÉSTICOS

Escudero de Fonseca, A.1 Instituto para el Desarrollo Sostenible. Universidad del Norte.

Km. 5 Vía Puerto Colombia, Barranquilla-Colombia.

Resumen

La producción de metano por parte de los residuos orgánicos depende de factores como la relación Carbono/nitrógeno, la temperatura, edad de maduración y otros. En la experiencia se buscó contrastar los valores de metano teóricos con los obtenidos en dos plantas piloto a escala de laboratorio en las que se utilizaron dos residuos orgánicos seleccionados. Se explican los resultados

PALABRAS CLAVE

Metano, Residuos orgánicos, planta piloto

1. Introducción

La valoración de los residuos, cada vez más, se encuentra asociada a ingresos económicos y además, produce beneficios ambientales. La transformación anaeróbica de los Residuos Sólidos Urbanos – RSU, produce metano y éste puede convertirse en energía. La obtención de metano a partir de los desechos, mediante una tecnología de bajo costo, a pequeña escala y de fácil manejo, como lo perseguido en la presente investigación, puede favorecer económicamente a pequeños negocios agroindustriales de la región.

Como beneficio ambiental, la transformación del metano en energía contribuye a los esfuerzos mundiales de hoy, de cara al cambio climático, por ser un Gas Efecto Invernadero – GEI, responsable, en un 20% del calentamiento global y 21 veces2 más dañino que el CO2

Los ensayos de producción de metano a partir de desechos vegetales y animales, en dos plantas piloto de laboratorio, fueron realizados por las ingenieras civiles de la Universidad del Norte: Kelly Mantilla Rivas y Amelia García Franco, bajo la dirección de la autora de este documento3. Los residuos se seleccionaron por su abundancia, los vegetales, en la Central de Abastos de Alimentos que sirve a Barranquilla y su área metropolitana (casi dos millones de habitantes) y los animales, en los numerosos negocios agroindustriales cercanos. Los resultados de la experiencia pueden utilizarse en rellenos sanitarios para incrementar el conocimiento sobre producción de metano y como base para evaluar la factibilidad de producir energía para sus instalaciones, a partir de los desechos.

1 [email protected] 2 1 tonelada de metano (CH4) produce una contaminación evaluada en 21 veces la de una tonelada de CO2 3 y aquí quise rescatar ese trabajo, como partida para la reactivación de esa línea de investigación.


2

2. Objetivos y actividades de la investigación

OBJETIVO GENERAL. El objetivo general de la investigación fue el de aumentar el conocimiento sobre una opción, ambiental y socialmente favorable, de fácil manejo y bajo costo, del uso de los desechos vegetales y agroindustriales en la producción de metano, en biodigestores a pequeña escala.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS. La experiencia buscó, específicamente, iniciar una base de datos sobre la producción de metano a partir de la mezcla de frutas y verduras crudas, que se desechan en los mercados de alimentos de la región, con excrementos de pollos y cerdos, que tampoco se usan, utilizando la relación Carbono/Nitrógeno (C/N) como base de la predicción de la producción de metano, evaluando la bondad de ese parámetro como predictor del metano. La base de datos conformada con los resultados de investigaciones subsiguientes sobre la producción de metano de otras mezclas de estos residuos, permitirá priorizar, según su producción, los desperdicios a utilizar como fuente de energía con base en metano.

Otro propósito de la investigación fue el de identificar las variables que deben controlarse para optimizar esa producción de metano.

Y otro: Continuar la revisión de la literatura científica en procura de aumentar el conocimiento sobre los procesos anaeróbicos de producción de metano. Cabe resaltar que se cultivaron bacterias, que se utilizaron en el arranque de los biodigestores, poniendo en práctica uno de los conocimientos aprendidos durante la investigación.

ACTIVIDADES. Para lograr los objetivos de la investigación se realizaron las actividades principales siguientes:

� Se caracterizaron desperdicios de frutas y verduras de una central de abastos y excretas de cerdo y de pollo en sus contenidos de: Carbono, Nitrógeno y Amoniaco (en el caso de los desechos de pollo), factores que inciden en la producción de Metano

� Se diseñaron, construyeron y operaron 2 biodigestores y sus medidores de biogás, a nivel de laboratorio, para realizar los experimentos. Duración de la experiencia: 175 días

� Se midieron las cantidades de biogás y de metano producidas en los biodigestores de laboratorio, por cada una de las 4 mezclas siguientes: ⇒ Mezcla 1. Desperdicios de frutas y verduras frescos, sin clasificar + Excremento de cerdo. ⇒ Mezcla 2. Desperdicios de frutas y verduras frescos, sin clasificar + Excremento de pollo ⇒ Mezcla 3. Cáscaras de naranjas + Excremento de pollo. ⇒ Mezcla 4. Cáscaras de plátanos + Excremento de cerdo

� Se analizaron diferentes parámetros físicos (pH, temperatura, amoníaco) durante los experimentos con miras a explicar los resultados.

� Se analizaron los resultados de las experiencias y se presentaron las conclusiones y recomendaciones pertinentes y se documentó todo lo actuado durante la investigación, sus resultados, análisis y demás actividades asociadas.

3. Marco teórico de la investigación

La producción de metano a partir de los Residuos Sólidos Urbanos – RSU, ocurre como resultado de procesos naturales o artificialmente recreados y mejorados, con base en lo observado en la naturaleza, mediado por microorganismos, es decir, mediante un proceso


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biológico. Este es uno de los procesos de transformación de residuos sólidos que pueden clasificarse de la siguiente forma:

� FÍSICOS (Separación, reducción en volumen o en tamaño)

� QUÍMICOS (Combustión, Pirólisis, Gasificación)

� BIOLÓGICOS (Aerobio, Digestión Anaerobia, Compostaje)

El que el metano se produzca en procesos biológicos, direccionó la búsqueda de los conceptos teóricos que enmarcaron la experiencia.

De Tchobanoglous, experto reconocido mundialmente en el tema de los residuos, se tomó la tabla 1 en la que se aprecia que el metano se obtiene de procesos anaeróbicos, con o sin pretratamiento de los desechos:

Tabla 1. Productos del tratamiento biológico de los residuos4

Proceso Producto de Conversión Preprocesamiento

Conversión aerobia Compost (acondicio-nador del suelo)

Separación de la fracción orgánica, reduciendo de tamaño las partículas

Digestión anaerobia (en vertedero)

Metano y dióxido de carbono

Ninguno, excepto colocación en celdas de contención

Digestión anaerobia (sólidos en bajas concentraciones, del 4 al 8 por 100 en sólidos)

Metano y dióxido de carbono, sólidos digeridos

Separación de la fracción orgánica, reducción de tamaño de partículas

Digestión anaerobia (sólidos en altas concentraciones, del 22 al 35 por 100 en sólidos)

Metano y dióxido de carbono, sólidos digeridos

Separación de la fracción orgánica, reducción de tamaño de partículas

Hidrólisis enzimática Glucosa a partir de celulosa

Separación de los materiales que contienen celulosa

Fermentación (Después de Hidrólisis enzimática)

Etanol, proteína de célula sencilla

Separación de la fracción orgánica, reducción de tamaño de partículas, hidrólisis ácida o enzimática para producir glucosa.

La bibliografía científica indica que, durante el proceso anaerobio, los compuestos orgánicos del nitrógeno se convierten en amoníaco; los de sulfuro, en sulfuro de hidrógeno; el fósforo, en ortofosfatos; el calcio, el magnesio y el sodio, en una variedad de sales; y los componentes inorgánicos se pueden convertir en una variedad de productos útiles.

Los productos finales de la digestión anaerobia son gas natural (metano) para la producción energética, calor, una mezcla orgánica rica en nutrientes y otros productos inorgánicos comerciales

Otra información, de vieja data, sobre el proceso de metanización de la materia orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos – RSU, se presenta en la figura 15, siguiente: 4 TCHOBANOGLOUS, George. THEISEN, Hilary. VIGIL, Samuel A. Gestión Integral De Residuos Sólidos. MC Graw Hill, 1994. Vol. I. Pág. 800 5 PINEDA, Samuel Ignacio. Manejo y Disposición De Los Residuos Sólidos Urbanos. ACODAL. 1998. Pág. 265


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Figura 1. Producción de metano a partir de la Materia Orgánica – MO de los RSU

La figura ilustra que el proceso ocurre por etapas, que conocemos, a saber:

� La HIDRÓLISIS, en la que las enzimas transforman compuestos de masas moleculares más altas a otros de masas más bajas que pueden usar los microorganismos como fuentes de energía y tejido celular.

Esta ruptura de los polímeros es indispensable porque los microorganismos solo actúan sobre materia orgánica disuelta.

� La ACIDOGÉNESIS, en la que las bacterias bajan aun más la masa de los productos de la hidrólisis. Las ecuaciones que tienen lugar son las siguientes:

C6H12O6 + 2H2O ⇒ 2 CH3-COOH + 2CO2 + 4H2 C6H12O6 ⇒ CH3CH2CH2-COOH + 2CO2+ 2H2 C6H12O6 + 2H2O ⇒ 2 CH3CH2COOH + 2H2O

� La ACETOGÉNESIS, en la que los productos de la fase anterior pasan a ser sustratos apropiados para los microorganismos metanogénicas. Es indispensable que se haya eliminado el hidrógeno.

� La METANOGÉNESIS, las bacterias metanogénicas convierten los sustratos en productos finales sencillos: Metano y Dióxido de Carbono

En la tabla siguiente se informa sobre algunas especies de bacterias presentes en digestión anaerobia, tomado de la Ingeniería Ambiental de Kiely6:

6 KIELY, Gerard. Ingeniería Ambiental. Vol. II Pág. 766

Otros productos, de fermentación

(p.ej., propionato,

butirato, succinato,

Substratos metanogénicos H2, CO2, formiato, metanol, metilaminas, acetato

Metano + dióxido de carbono

Hidrólisis

Acidogénesis

Metanogénesis

Acetogénesis

Lípidos Polisacáridos Proteínas Ácidos nucléicos

Ácidos Monosacáridos Aminoácidos Purina y Aromáticos grasos Piramidinas simples

Indispensable eliminación de hidrógeno

DIGESTIÓN ANAEROBIA


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Tabla 2. Microorganismos en los procesos anaeróbicos

Etapa Genero/especies

Acidogénicos Hidrolíticos

Butyrivibrio, Clostridium, Ruminococcus,Acetivibrio, Eubacterium, Peptococcus, Lactabacillius, Streptococcus, etc.

Acetogénicos Homoacetógenicos

Acetobacterium, Acetogenium, Eubacterium, Pelobacter, Clostridium,etc.

Acetogénicos reductores de protones

Obligados

Methanobacillus omelionskii, Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei, Syntrophus buswelii,etc.

Metanogénicos Methanobacterium, Methanobrevibacter Methanococcus, Methanomicrobium Methanogenium, Methanospirillium hungatei, etc.

Y en la siguiente tabla se relacionan los microorganismos en la síntesis del acetato, en el metabolismo energético y en el autotrófico y la oxidación del acetato en el metabolismo energético, en la vía del Acetil –CoA para fijar CO2.

Tabla 3. Microorganismos en procesos del acetato, vía del Acetil –CoA para fijación del CO27

I. Síntesis acetato como resultado del metabolismo

energético

II. Síntesis acetato en metabolismo autotrófico

III. Oxidación del acetato en el metabolismo energético

Acetoanaerobium noterae Acetobacterium woodii Acetobacterium wieringae Acetogenium kivui Acetitomaculum ruminis Clostridium aceticum Clostridium thermoaceticum Clostridium formicoaceticum Desulfotomaculum orientis Sporomusa paurcivorans Eubacterium limosum

Bacterias homoacetogénicas autotróficas Metanógenos autotróficos Bacterias reductoras de sulfato autotróficas

Reacción: Acetato + 2 H2O � 2

CO2 + 8 H

Grupo II de los reductores de sulfato(distintos a Desulfobacter) Reacción: Acetato � CO

2 + CH

4

Metanógenos acetotrópicos

(Metanosarcina, Methanothrix)

La información fue tomada de la Biología de los Microorganismos de Madigan, Michael, 2004 como se referencia en pie de página.

La reacción de la tabla 3 anterior, es la más importante de la acetogénesis. Los procesos de esa reacción se muestran en la figura 2, tomada del mismo libro de Biología de los Microorganismos de Madigan, Michael, como se referencia en la leyenda de la figura 2.

7 MADIGAN, Michael T. MARTINKO, Jhon M. PARKER, Jack. Biología De Los Microorganismos, Décima Edición. Prentice Hall. 2004. Pág 675.


6

Figura 2. Acetogénesis por la vía del CoA8

En la tabla siguiente se muestran las reacciones, en ausencia de oxígeno, de varios compuestos orgánicos cuando éstos se convierten en metano así como el intercambio de energía que allí tiene lugar. 8 Ibídem página 676


7

Tabla 4. Principales reacciones, conversión anóxica de compuestos orgánicos en metano9.

Tipo de Reacción Reacción

Intercambio Energía Libre (kJ/reacción) ∆G

0’b ∆G

0c

Fermentación de glucosa a acetato, H

2 y CO

2 Glucosa + 4 H

2O AE 2 acetato

- + 2 HCO

3

- -207 -319

Fermentación de glucosa a butirato, CO

2 y H

2

Glucosa + 2 H2O AE 2 butirato

- + 2 HCO

3

- + 3

H+ + 2 H

2 -135 -284

Fermentación de butirato a acetato y H

2 Butirato

- + 2 H

2O AE 2 acetato

- + H

+ +2 H

2 +48 -17,6

Fermentación de propio-nato a acetato, CO

2 y H

2 Propionato

- + 3 H

2O AE 2 acetato

- + HCO

3

- +76,2 -5,5

Fermentación de benzoato a acetato, CO

2 y H

2

Benzoato- + 6 H

2O AE 3 acetato

- + 2 H

+ + CO

2

+ 3 H2 +49,5 -18

Metanogénesis de H2 + CO

2 4 H

2 + HCO

3

- + H

+ AE CH

4 + 3 H

2O -136 -3,2

Metanogénesis de acetato Acetato- + H

2O AE CH

4 + HCO

3

- -31 -24,7

Acetogénesis de H2 + CO

2 4 H

2 + 2 HCO

3

- + H

+ AE acetato

- + 2 H

2O -105 -7,1

Datos adaptados de Zinder, S. 1984. Microbiology of anaerobic conversion of organic wastes to methane: Recent developments. AM. Soc. Microbiol. News 50:294 – 298 b Condiciones estándar: solutos, 1M; gases, 1 atm. c Concentraciones de los compuestos en un ecosistema anóxico de agua dulce típico: ácidos grasos, 1mM; HCO

3

-, 20mM; glucosa, ; CH

4, 0,6 atm; H

2, 10

-4 atm.

En la tabla siguiente se muestra la conversión mediada por bacterias de varios sustratos a metano. La información fue tomada de la misma fuente: biología de los microorganismos de Madison, Michael, como se aprecia en la referencia de la tabla 5 y cumplen el propósito de allegar información sobre la metanización mediada por microorganismos.

Tabla 5. Sustratos convertibles a metano por diferentes archaeas metanogénicas10.

Sustratos tipos CO2 Sustratos de metilo

Sustratos acetotróficos

Dióxido de carbono CO2 (con electrones derivados de H2, algunos alcoholes o piruvato) Formiato, HCCOO- Monóxido de carbono, CO

Metanol, CH3OH

Metilamina, CH3NH3

+

Dimetilamina, (CH3)2NH2

+

Trimetilamina, (CH3)3NH+

Metilmercaptano, CH3SH Dimetilsulfuro, (CH3)2S

Acetato,

CH3COO-

En la tabla 6 siguiente, del mismo autor, se muestran las características de las bacterias metanogénicas.

9 Ibidem página 564 10 Ibidem página 749


8

Tabla 6. Características de las archaeas metanogénicas11

Género Morfología Tinción de Gram

Cantidad especies

Sustratos para la metanogénesis

DNA (% mol

GC)

Grupo I Methanobacterium Methanobrevibacter Methanosphaera

Bacilos alargados Bacilos cortos Cocos

+ o –

+ +

8 3 1

H

2 + CO

2, formiato

H2 + CO

2, formiato

Metanol + H2

29-61 27-31

26

Grupo II Methanothermus

Bacilos

+

2

H2 + CO

2 ; S

0

33

Grupo III Methanococcus

Cocos irregulares

-

5

H2 + CO

2, piruvato + CO

2,

formiato

29-34

Grupo IV Methanomicrobium Methanogenium Methanospirillum Methanoplanus

Bacilos cortos Cocos irregulares Espiritada Células en forma de placa

- - - -

2 3 1 2

H

2 + CO

2, formiato

H2 + CO

2, formiato

H2 + CO

2, formiato

H2 + CO

2, formiato

45-49 51-61 46-50 38-47

Grupo V Methanosarcina Methanolobus Methanoculleus Methanohalobium Methanococcoides Methanohalophilus Methanothrix (Methanosaeta)

Cocos grandes e irregulares en paquetes Cocos irregulares en agregados Cocos irregulares Cocos irregulares Cocos irregulares Cocos irregulares Desde bacilos alargados hasta filamentos

+ - - - - - -

6 5 4 1 2 3 3

H

2 + CO

2, metanol,

metilaminas, acetato Metanol, metilaminas H

2 + CO

2, alcoholes,

formiato Metanol, metilaminas; halofílico Metanol, metilaminas Metanol, metilaminas, metil sulfuros, halófilos Acetato

41-43

38-42

54-62

44 42 41

52-61

Grupo VI Methanopyrus

Bacilos en cadena

+

1

H2 + CO

2; hipertermófilo,

crecimiento a 110°C

60

Grupo VII Methanocorpusculum

Cocos irregulares

-

3

H

2 + CO

2, formiato, alcohols

48-52

11 Ibidem página 750


9

COENZIMAS. Otro dato de interés sobre la metanogénesis, se refiere a la presencia de coenzimas necesarias en varios procesos, por ejemplo:

� METANOFURANO. Coenzima que interacciona en el primer paso de la metanogénesis, a partir de CO2, reduciéndolo hasta formilo y luego se transfiere a una segunda enzima.

� METANOPTERINA. Coenzima metanogénica portadora de C1 durante la reducción de CO2 a

CH4, desde el nivel del formilo (-CHO) hasta el metilo (-CH

3).

� COENZIMA M. Interviene en el paso final de la metanogénesis. Esta es la portadora del grupo metilo, que es reducido a metano por el complejo enzimático reductasa metil – F

430.

CH3 – S – CoM + 2 H � HS – CoM + CH

4

� COENZIMA F430 (contiene níquel, necesario para el crecimiento bacteriano) que aunque no es un transportador de C1, desempeña un papel importante en la parte final de la metanogénesis, al igual que CoM.

� COENZIMA F420 Interviene en las reacciones de óxido – reducción de la metanogénesis. La F420 es un portador de 2 electrones de bajo potencial de reducción (E0ú = -0,37 V), que interacciona con varias enzimas metanógenas. Además participa en la metanogénesis, como donador de electrones en la reducción de CO2.

� COENZIMA HS-HTTP ( 7 –mercaptoheptanoil treonina fosfato) Este cofactor interviene en la última parte de la metanogénesis como donador de electrones en el sistema metil reductasa.

En la figura que se presenta al lado, se aprecia la Vía de la METANOGÉNESIS del gas carbónico en la que intervienen las coenzimas, Metanopterina, Metanofurano, la Coenzima M, las Coenzimas F420 y F430 y la coenzima HS – http. En esta figura, el átomo de carbono reducido se muestra en amarillo y la fuente de electrones aparece destacada en marrón. La figura fue tomada del libro de Biología de los Microorganismos de MADIGAN, Michael, 200412.

Figura 3. Metanogénesis del CO2 con coenzimas ME, MP, CoM, F420, F430, HS -HTTP

12 MADIGAN, Michael T. MARTINKO, Jhon M. PARKER, Jack. Biología De Los Microorganismos, Décima Edición. Prentice Hall. 2004. Pág. 754.


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FACTORES QUE AFECTAN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. Los principales son los siguientes:

� Tipo de desechos. Dificultan o impiden o exigen ciertos microorganismos para la digestión anaeróbica, los siguientes desechos: La presencia de lignina, de hidrocarburos alifáticos de cadena larga, de altas concentraciones de nitrógeno y de sulfuro.

� La concentración de la materia orgánica – MO. La bibliografía consultada habla de que la óptima relación Agua – materia orgánica es aquella en la que la MO participa entre el 6 y el 7% de la mezcla

� Presencia material tóxico. Inhibe o anula la digestión anaeróbica, según la concentración. Existen microorganismos que se utilizan para remediar zonas contaminadas porque son capaces de almacenar los tóxicos en su organismo

� Nutrientes: La relación Carbono / Nitrógeno ideal para Producir biogás es de C/N = 30

� pH: La mejor actividad se logra para un pH entre 6,5 y 7,5

� Tiempo retención hidráulica y Tiempo retención de sólidos

� Tasa de alimentación de los microorganismos

� Tasa carga reactor

� Tasa remoción tóxicos

� La Temperatura que, como se aprecia en la figura 4 que se inserta al lado, aumenta la productividad del proceso, en la medida que sube la temperatura o reduce el número de días requeridos para la producción de biomasa.

CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS Y DEL METANO. Finalmente, se buscó la información reportada en la literatura científica sobre las características del biogás y del metano. Las del biogás se muestran en la tabla 7 y figura 5. Tabla 7. Composición biogás

Figura 5. Composición típica del biogás

Composición Porcentaje Metano CH4 60 - 80

Dióxido de carbono CO2 30 – 40 Hidrógeno H2 5 - 10 Nitrógeno N2 1 – 2

Monóxido de Carbono 0 – 0.15 Acido Sulfhídrico H2S 0 - 1

Amonio NH3

Figura 4. Relación temperatura, días y producción biomasa


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Las características del metano se presentan en la tabla 8 siguiente:

Tabla 8. Características metano

Características

Densidad 1,09 kg/m3 Solubilidad en agua Baja

Presión Crítica 673.1 Psia Poder Calorífico 6500 kcal/m3

4. Diseño, construcción y operación de dos plantas piloto, a escala de laboratorio, para producir metano a partir de resid uos sólidos urbanos

SELECCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DESECHOS DEL EXPERIMENTO. Con la información aquí presentada y otra recopilada para la investigación, se procedió al diseño de la misma, recordando que los desechos para la experiencia fueron seleccionados a partir de conocer que, en la central de Abastos – Granabastos, cercana a la Universidad que sirve a Barranquilla, se producen desechos de verduras y frutas crudas que no se aprovechan y en pequeñas agroindustrias, también cercanas, no tienen uso para los excrementos que allí se dan y que al mezclarlos podrían utilizarse para producir metano, que puede convertirse en energía para las necesidades de Granabastos o de las agroindustrias o de pequeñas unidades productivas de la región.

Además de este beneficio económico, se producirían beneficios ambientales, tales como el de reusar el metano con lo que se reduce su efecto invernadero con el consiguiente beneficio global y se reducen los residuos que llegan al relleno sanitario y el de que el efluente de la digestión anaerobia puede tener varios usos, uno de ellos, como fertilizante.

En la Central de Abastos, se resolvió estudiar los desechos sin seleccionar, que es como llegan al relleno sanitario y los desechos de frutas y verduras más frecuentes. Por ello, para las experiencias con materiales seleccionados, se escogieron las cáscaras de naranja y las de plátano. Las relaciones Carbono / Nitrógeno – C/N de los desechos escogidos, se presentan en la tabla 9 siguiente:

Tabla 9. Relación Carbono / Nitrógeno de los desechos de la experiencia

TIPO DE DESECHOS C/N

Excremento de pollo 9.56

Excremento de Cerdo 13.70

Cáscara de Plátano 30.46

Cáscara de Naranja 75.63

Como se aprecia en la tabla 9, los excrementos tienen una relación C/N por debajo de la óptima, las cáscaras de plátano cumplen con la relación óptima y las cáscaras de naranja, la exceden.

MEZCLAS DE DESECHOS Y SUS CARACTERÍSTICAS. La siguiente actividad consistió en diseñar las mezclas de los residuos sólidos urbanos escogidos para lograr que la relación


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Carbono / Nitrógeno – C/N –, en unos se encontrara por debajo de 30 y en otros, alrededor de 30, en procura de comprobar que la mayor relación C/N permite obtener la máxima producción de metano en los procesos anaeróbicos que tuvieron lugar en las plantas de laboratorio que fueron diseñadas y construidas para realizar esta investigación.

Las mezclas con las que se desarrollaron las experiencias, fueron las siguientes: � 10 kg excremento pollo, 10 kg agua y 10 kg desperdicios frutas y verduras. � 10 kg excremento cerdo, 10 kg agua y 10 kg desperdicios frutas y verduras. � 10 kg excremento pollo, 10 kg agua y 7 kg cáscara de naranja. � 10 kg excremento cerdo, 10 kg agua y 16 kg cáscara de plátano

A ellas se les determinaron las relaciones C/N con los resultados indicados en la tabla 10

Tabla 10. Relación Carbono / Nitrógeno de los mezclas de la experiencia

Mezcla C/N

Desperdicios frutas y verduras + excremento pollo 15,1

Desperdicios frutas y verduras + excremento de cerdo 13,6

Cáscaras de naranja + excremento de pollo 26,60

Cáscaras de plátano + excremento de cerdo 23,71 Y se examinaron los parámetros Temperatura, pH, Humedad y nitrito, en algunos de los elementos y en las mezclas conformadas. Sus valores se presentan en la tabla 11

Tabla 11. Parámetros iniciales de las mezclas

Mezcla Carga (Kg) T (ºC) Ph

Humedad (%) C/N

NITRITO (%)

Desechos sin clasificar 3,33

10 kg excremento pollo, 10 kg agua y 10 kg desperdicios frutas y verduras

30 31 6,5 76,2 15,1 6,84

10 kg excremento cerdo, 10 kg agua y 10 kg desperdicios frutas y verduras 30 30 6,5 82 13,6 6,22

Cáscaras de naranja 1,3

10 kg excremento pollo, 10 kg agua y 7 kg cáscara de naranja

27 30 6,5 -- 26,60 7,21

Cáscaras de plátano 3,18

10 kg excremento cerdo, 10 kg agua y 16 kg cáscara de plátano

36 30 6,5 -- 23,71 8,83

Excremento de pollo 6,3

Excremento de cerdo 3,75

El contenido de nitrito se examinó en los desechos y en las mezclas de desechos seleccionadas porque puede ser tóxico para los microorganismos metanogénicos.


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PLANTAS PILOTO. Las ingenieras construyeron dos plantas pilotos para la experiencia, cuyos biodigestores estaban constituidos por tanques de plástico de 120 litros de capacidad cada uno. Las características de los elementos de las plantas se indican en la figura 6 siguiente:

Figura 6. Esquema general del montaje de las plantas con sus aditamentos.

Para medir el metano, el efluente de los biodigestores se hizo pasar por los filtros que atrapaban los otros componentes del biogás que salía de los biorreactores. Ver figura 7:

Figura 7. Filtros del efluente

El efluente de los filtros llegaba al sistema de medida del biogás y del metano. Tanto el metano como el biogás se medían indirectamente. El biogás se hacía pasar por un frasco graduado que contenía agua y se medía el agua que desalojaba. Su efluente, forzado por agua, pasaba por

Eliminación del ácido sulfhídrico

Eliminación del CO2

Eliminación del NH3

9 Litros de capacidad

120 Litros de capacidad


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los filtros que se mostraron en la figura 7 anterior y que aquí se esquematizan, y luego entraba al frasco que contenía el metano. El metano al entrar al frasco desalojaba el agua que contenía y se medía, en un recipiente colocado con tal propósito, el agua expulsada por el metano. El sistema incluía válvulas de control de flujo que operaban abiertas o cerradas. El esquema de filtración y de medición, se presenta en la figura 8 siguiente:

Figura 8. Esquema general sistema de medición

El procedimiento de medición de biogás y de metano era el siguiente:

1. Se abría el control dos, se esperaba hasta que dejara de salir agua y se marcaba el nivel que ocupaba el agua, en ese momento, en el frasco del biogás, el 1.

2. Se colocaba la probeta para recibir el agua que iba a ser desalojada del frasco 1 debido a la entrada del gas.

3. Se abría el control 1que permitía la entrada del biogás que venía del biodigestor, al frasco 1. 4. Dos centímetros antes de que el agua llegara al nivel determinado como máximo en el

frasco 1, se cerraba el control uno. 5. Se permitía la salida del agua hasta cuando se detenía el flujo. El agua se recogía en un

recipiente colocado debajo de la manguera con el control 2. 6. Se cerraba el control dos. 7. Se medía el total del agua desalojada que correspondía al volumen del biogás que contenía

el frasco. 8. Se abría el control cuatro del frasco 2 y se esperaba hasta cuando dejara de salir agua. 9. Se colocaba la probeta que recogía el agua que iba a ser desalojada por el metano.


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10. Se abrían los controles siete y tres. El siete permitía la entrada de agua al frasco 1 obligando al biogas a pasar a través de los filtros, al estar abierto el control tres.

11. Cuando el nivel de agua en el frasco uno, correspondía al marcado en el primer paso, se cerraba el control siete.

12. Se dejaba que siguiera saliendo el agua y cuando se detenía se cerraban los controles 4 y 3. 13. Se medía el total del agua recolectada que correspondía al volumen de gas purificado. 14. Se abrían los controles seis y cinco, con lo cual entraba agua al frasco dos y el gas salía por

un conducto especialmente instalado para hacer arder el gas.

DURACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS. Las plantas piloto se utilizaron, en una primera etapa, para medir el biogás y el metano producidos por las mezclas de residuos sin clasificar, uno con excrementos de pollo y otro, con excrementos de cerdo. Estas experiencias duraron 37 días, realizándose la primera lectura de biogás y metano, a los 22 días de haber sido cargados los biorreactores. En la segunda etapa, los biodigestores recibieron las mezclas de cáscaras de naranja más excrementos de pollo y de cáscaras de plátano más excrementos de cerdo. Estas experiencias duraron 120 días. Las experiencias en el laboratorio tomaron, en total, 175 días.

5. Resultados de la operación de las plantas piloto

CANTIDADES DE BIOGÁS Y DE METANO PRODUCIDOS EN LAS EXPERIENCIAS. El biogás y el metano producidos, en la primera etapa, se muestran en la tabla 12 siguiente.

Tabla 12. Producción de Biogás y Metano de las mezclas 1 y 2: Residuos domésticos sin clasificar más excrementos de Pollo (mezcla 1) o de cerdo (mezcla 2)

DIA

Mezcla 1: Desechos domésticos sin clasificar + excrementos pollo. C/N=15,1

Mezcla 2: Desechos domésticos sin clasificar más excrementos cerdo. C/N=13,6

TEMPERA-TURA (ºC)

BIOGAS (mL)

METANO (mL)

METANO %

TEMPERA-TURA (ºC)

BIOGAS (mL)

METANO (mL)

METANO %

22 30 2978 2719 91.30 29 2943 1890 64.22

23 32 3047 2854 93.66 30 2960 2198 74.25

24 33 2870 2188 76.23 33 3114 2462 79.06

25 28 3027 2196 72.54 28 3080 2422 78.63

26 33 3113 2059 66.14 27 3026 2293 75.77

27 30 3380 2453 72.57 30 3169 2384 75.22

28 32 3120 2071 66.37 34 3090 2228 72.10

29 33 3157 2242 71.02 32 2985 2256 75.57

30 27 3162 2308 72.99 30 3070 1953 73.61

31 30 3109 2688 86.45 30 3000 2201 73.36

32 29 3071 2277 74.14 29 3065 2648 86.39

33 30 3088 2470 79.89 30 3066 2221 72.43

34 33 3010 2312 76.81 31 2980 2444 82.01

35 30 2958 2193 74.13 30 3040 2255 74.17

36 29 3061 2519 82.29 29 3033 2279 75.14

ΣΣΣΣ 46.151 35.549 77.03 45.621 34.134 74.82

Y, las cantidades de biogás y de metano, en la segunda etapa, se muestran en la tabla 13 siguiente:


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Tabla 13. Producción de Biogás y Metano de las mezclas 3 y 4: Cáscaras de naranja más excrementos de Pollo, mezcla 3 y cáscaras de plátano más excrementos de cerdo, mezcla 4

DIA

Mezcla 3: Cáscaras de naranja más excrementos pollo: C/N= 26,6

Mezcla 4: Cáscaras de plátano más excrementos cerdo. C/N= 23,7

TEMPERA-TURA (ºC)

BIOGAS (mL)

METANO (mL)

METANO %

TEMPERA-TURA (ºC)

BIOGAS (mL)

METANO (mL)

METANO %

11 30 3055 1227 40.16

12 32 3015 572 19

14 30 2824 1259 44

18 29 2991 361 12

22 32 3164 526 16.62

24 29 3092 515 16.65

25 28 3072 495 16.11

36 32 3123 427 13.67

37 33 3062 428 13.97 30 3190 441 13.82

107 32 3170 1250 39.43

108 31 3092 1080 34.92

109 32 3085 1280 41.49

110 32 3140 1320 42.0

Σ 24.373 6.703 27.50 18.702 4.478 23.94

RESUMEN DE RESULTADOS. Par facilitar el análisis se agruparon y se presentan en la tabla 14 siguiente:

Tabla 14. Resumen de los resultados de las experiencias

Características Mezclas

Desechos + excrem cerdo

Desechos + excrem pollo

Cáscaras plátano + excrem cerdo

Cáscar naranja + excrem pollo

Peso total (Kg) 30 30 36 27 Peso seco (Kg) 5,4 7,14 6,48 9,45

Carbono: (gC/Kg) 54,9 137,8 5,69 10,64 Carbono en mezcla (Kg) 1,65 4,13 0,21 0,29

Metano, día final (L) 2,28 2,52 1,32 1,08 Metano, acumulado(L) 34,13 35,55 4,48 6,71

Metano/ C, día final (L/Kg) 1,38 0,61 6,44 3,76 Metano/C acumulado(L/Kg) 20,71 8,60 21,86 23,35

Nitrito: (gN/Kg) 4,03 9,14 0,24 0,4 Nitrito en mezcla: (Kg N) 0,12 0,27 0,009 0,011

pH Inicial 6 a 6,5 6 a 6,5 6 a 6,5 6 a 6,5 pH final 8 a 8,5 5,5 a 6 8 a 9 5 a 6

C/N 13,62 15,08 23,71 26,6 Humedad 82% 76% 82% 65% Con agua SI SI SI SI


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6. Análisis de los resultados

Los análisis de los resultados se presentan en relación con los esperados según los parámetros analizados a lo largo del experimento, a saber:

METANO OBTENIDO Y SU RELACIÓN CON LOS NITRITOS Y LOS CARBONOS. En las mezclas con residuos sin clasificar, la cantidad de nitritos – que fue de 0,12 Kg N para la mezcla con excremento de cerdo y de 0.27 Kg N para la mezcla con excremento de pollo – explica la mayor producción unitaria de metano de las mezclas con excremento de cerdo: 20,71 L de metano por Kg de Carbono en estas mezclas contra 8,6 L de metano por Kg de Carbono de la mezcla con excrementos de pollo. Ello porque las mayores concentraciones de nitrito pueden significar condiciones tóxicas para la biomasa que afectan el proceso de producción de metano.

En las mezclas de cáscaras, no se mantiene la relación anterior ya que se aprecia que a menor nitrito 0,009 Kg en la mezcla con excrementos de cerdo, correspondió una menor producción unitaria de metano: 21,86 L metano por Kg de Carbono, en tanto que la mezcla con excrementos de pollo que tenía 0,011 Kg de Nitrito, produjo 23,35 L metano por Kg de Carbono de la mezcla.

El contenido de nitrito, en consecuencia, no es suficiente para explicar los resultados de metano

METANO OBTENIDO Y SU RELACIÓN CON EL pH. El comportamiento del pH en las mezclas fue el siguiente: En las mezclas de residuos sin clasificar, la que contenía excremento de cerdo, el pH inicial [6 – 6,5] pasó a un pH final de [8 – 8,5], con lo que se mantuvo en el rango [6,8 – 8,5], óptimo para la producción de metano, en tanto que en la mezcla con excremento de pollo, el pH pasó de [6 – 6,5] a [5,5 – 6], con lo que se situó en un rango inadecuado para el proceso.

En las mezclas con cáscaras, los pH finales estuvieron entre 8 y 9 para las mezclas con excrementos de cerdo y entre 5 y 6, para las de los excrementos de pollo.

En todos los casos, el pH estuvo a favor de las mezclas con excrementos de cerdo en tanto que, en las mezclas de pollo, las bacterias acidogénicas produjeron más ácido del que las metanogénicas pudieron consumir.

METANO OBTENIDO Y SU RELACIÓN CON LA RELACIÓN CARBONO / NITRÓGENO – C/N. Las cantidades de metano producidas en todas las mezclas dieron resultados contrarios a lo esperado según sus relaciones C/N.

Como puede apreciarse en la tabla 14 que resume los resultados, las relaciones C/N fueron bajas en las mezclas 1 y 2, un poco más altas, las de las mezclas 3 y 4 y todas por debajo del valor óptimo para producción de metano, de 30, lo que permitía esperar mayor producción de metano en la mezcla de cáscaras de naranja con excrementos de pollo.

Sin embargo, el resultado de la experiencia indicó que produjeron más cantidad de metano y en menor tiempo, las mezclas más alejadas de la relación óptima de C/N para producir metano que las de mejor relación.

En valores absolutos, fue mayor el metano producido por las mezclas con excrementos de pollo, pero, en relación con el carbono disponible en las mezclas, fue mejor el comportamiento de las mezclas con excrementos de cerdo.

Ello significa que fue parcial el uso que los microorganismos hicieron del carbono para producir metano.


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Además, la producción de metano del último día de la experiencia con desechos sin clasificar fue mayor que la del último día de las experiencias con las cáscaras y el residuo del biodigestor, sobre todo en el caso de los excrementos de pollo, aparentaba no estar “maduro” ya que despedía mal olor.

POR QUÉ ESA PRODUCCIÓN DE METANO ANTE LAS RELACIONES C/N? Se buscó una respuesta acudiendo a la combinación de datos obtenidos en la experiencia, más valores promedios sobre los porcentajes de los elementos en los residuos orgánicos (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Azufre, Cenizas) para construir las fórmulas químicas aproximadas de las diferentes mezclas de residuos utilizadas en la experiencia y conocer cual debería haber sido la máxima producción teórica de metano en las diferentes mezclas.

Como aproximación, considerada suficiente para los propósitos de esta primera explicación, se asumió que los residuos sin clasificar, utilizados en la investigación, se podían asimilar a los residuos de comida y los residuos de frutas, a las cáscaras de naranja y de plátano

El procedimiento para obtener las fórmulas químicas se siguió para todas las mezclas. Aquí se presenta la tabulación de uno de ellos y de los otros, solo se muestra el resultado.

Las fórmulas químicas a construir parten de las siguientes ecuaciones:

El procedimiento para encontrar los literales a, b, c y d de esa ecuación se muestra en la tabla 15 de la página siguiente.

Utilizando los literales encontrados, se buscaron las fórmulas aproximadas para los residuos sin clasificar más excrementos de cerdo, que fueron las siguientes.

Condición: Con agua: C 16,9 H 453,1 O 171,9 N – 295 H2O ==== 21 CH4 – 4,8 CO2 + d NH3 Condición: Sin agua: C 16,9 H 124,7 O 7,7 N – 49 H2O ==== 21 CH4 – 4,8 CO2 + d NH3

La fórmula C 16,9 H 453,1 O 171,9 N, representa un valor de 3.425 y la fórmula C 16,9 H 124,7 O 7,7 N, uno de 466.

Las fórmulas encontradas, condición con agua, que es la de las mezclas de las experiencias, fueron las siguientes:

C 17,7 H 158,6 O 70,3 N – 96 H2O ==== 11 CH4 –7CO2 + NH3 Residuos sin clasificar + excrem pollo

C 27 H 694 O282 N –460 H2O ==== 30 CH4 – 2CO2 + NH3 Cáscaras plátano + excrem. cerdo

C 30 H 377 O 161N – 239 H2O ==== 21 CH4 – 8 CO2 + NH3 Cáscaras naranja + excrem. pollo

Utilizando la información precedente, se calculó la producción teórica máxima de metano que se produciría en esas mezclas cuando el proceso llegara a estabilizarse. Para los cálculos se tuvo en cuenta que la densidad del metano a 30°C, temper atura de la experiencia, es de 0,645 Kg/m3. La información se resume en la tabla 16 que se encuentra en la página siguiente a la de la tabla 15.

3242 *8

34*

8

324*

4

3224dNHCO

dbaCH

dcbaOH

dcbaNOHC dcba ++−+−−+→+−−+


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Tabla 15. Contenido de C, H, O, N y S para asimilar a los elementos de las mezclas de la experiencia

Componente C/n Humedad % Peso (kg) C H O N S Cenizas observaciones

Basuras (+- frutas y verduras) 84,4 10 1,56

Residuos comida 28% 84,4 10 1,56 6,8% 35,4% 37,6% 0,24% 10,2% 10% % En peso seco

Residuos comida 28,333 84,4 10 1,56 0,10608 1,49834 8,08046 0,00374 0,15912 0,156 Peso húmedo

Residuos comida 28,333 84,4 10 1,56 0,10608 0,55224 0,58656 0,00374 0,15912 0,156 Peso seco

Excremento de cerdo 20 69 10 3,1 52,5% 17,0% 15,0% 3,75% 6,00% 5,8% % En peso seco

Excremento de cerdo 14 69 10 3,1 1,628 1,30047 6,59153 0,116 0,186 0,2 Peso húmedo

Excremento de cerdo 14 69 10 3,1 1,628 0,5270 0,4650 0,116 0,186 0,2 Peso seco

Agua 100 10 0 1,12098 8,87902 Peso húmedo

Pesos de las mezclas: Suma de valores de pesos húmedos, resaltados en amarillo o de pesos secos, resaltados en azul:

Desechos + excremento cerdo 14,447 84% 30 1,734 3,920 23,551 0,120 0,345 0,34 Con agua

Desechos + excremento cerdo 14,447 4,66 1,734 1,079 1,052 0,120 0,345 0,34 Sin agua

Con base en lo medido, línea siguiente, se buscan las proporciones con las que esos pesos se distribuyen en los elementos C, H, O, N, S y Cenizas y se compara contra lo medido para conocer lo cercano de la aproximación. Al ser cercanos los valores, se continúa el ejercicio:

Desechos + excremento cerdo 13,62 82% 54,93 4,03 Medido. Peso en Kg

Desechos + excremento cerdo 14,45 84% 57,79 130,66 785,03 4,00 11,50 11,19 Con agua, peso en Kg

Se buscan los pesos molares de los componentes (se pasan los pesos a gramos porque los moles de los elementos se expresaron en gramos)

Peso atómico (gramos/mol) 12,01 1,01 16,0 14,01 32,07 Moles (gramos)

Desechos + excremento cerdo 144,34 3880,99 1471,94 8,56 10,76 Con agua

Desechos + excremento cerdo 144,34 1068,55 65,72 8,56 10,76 Sin agua

Se relacionan los otros elementos con el Nitrógeno para que coeficiente de Nitrógeno sea = 1. Estos resultados son los coeficientes buscados:

Desechos + excremento cerdo 16,85 453,13 171,86 1,00 1,26 Con agua

Desechos + excremento cerdo 16,85 124,76 7,67 1,00 1,26 Sin agua

a b c d Coeficientes


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Tabla 16. Volúmenes teóricos máximos de metano en las mezclas y metano producido

Mezclas

Metano en

mezcla s/ fórmula

%

Peso seco de mezcla

Kg

95% peso

seco13 Kg

Metano en

la mezcla Kg

Densidad

metano a

30°C Kg/m3

Volumen

metano

Máximo

esperado

Litros

Peso total

mezcla Kg

Metano esperad

o x peso de mezcla L/ Kg

Metano Produci

do Litros

Sin clasificar + excremento pollo 11 7,14 6,8 0,75 0,645 1159 30 39 35,55

Sin clasificar + excremento cerdo 10 5,4 5,1 0,51 0,645 791 30 26 34,13

Cáscaras naranja + excremento pollo 10 9,45 9 0,95 0,645 1472 27 55 6,71

Cáscaras plátano + excremento cerdo 8,5 6,48 6,2 0,53 0,645 822 36 23 4,48

Observando las tablas 14 y 16, se observa lo siguiente:

� Para las mezclas de los residuos sin clasificar, la producción de metano en la mezcla con excrementos de cerdo había alcanzado excedido su producción teórica máxima (lo que se explica por las aproximaciones introducidas en el cálculo de las fórmulas) en tanto que la de pollo, había alcanzado el 91% de la suya. La menor producción de las mezclas con excrementos de pollo, como se informó anteriormente, se explica porque en las mezclas de pollo, tanto el pH como los nitritos inhibieron la producción de metano.

� Y para los residuos clasificados, en el caso de la mezcla de las cáscaras de naranja con excrementos de pollo, la producción de metano también fue inferior a la de los excrementos de cerdo, en relación con sus máximos teóricos posibles (12,2 %, pollo y 19,5%, excrementos de cerdo) y alejadas de los máximos teóricos pero con mejores pronósticos, la de los excrementos de cerdo. Además, la mezcla con excrementos de pollo estaba lejos de su maduración, en tanto que, en las mezclas de cáscaras de plátano con excrementos de cerdo, el residuo indicaba que el proceso se encontraba cerca de la estabilización.

Volviendo a las fórmulas aproximadas encontradas, ellas mostrarían que hubo menos cantidad de carbono disponible en las mezclas con residuos sin clasificar: 212 gramos y 203 gramos (mezclas 1 y 2) que en las clasificadas: 354 gramos, en las cáscaras de naranjas más excrementos de pollo y 328 gramos, en las de las cáscaras de plátano. También que, la producción de metano teórica estimada, en relación con el carbono disponible, según las fórmulas, podrían ser de 5,45 L/g, 3,9 L/g, 4,15 L/g y 2,5 L/g, en el mismo orden de las mezclas que lo indicado anteriormente.

La producción real obtenida indicó mejor producción de las mezclas sin clasificar pero los valores no se acercaron a lo teórico.

Ahora bien, la relación entre la producción teórica máxima de metano según las fórmulas y el Carbono que efectivamente tuvieron disponible las mezclas daría como resultado: 8,4L/Kg, 14,4 L/Kg, 138,4 L/Kg y 144,5 L/Kg para las mezclas de residuos sin clasificar, con excrementos de pollo, y con los de cerdo y de cáscaras de naranja con excrementos de pollo y de cáscaras de plátano con excrementos de cerdo

13 Se considera que el 5% de la mezcla es inerte


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De esos valores, solo se aproxima a lo medido: Producción total de Metano producido contra Kg de Carbono en la mezcla, para el caso de los residuos sin clasificar más excrementos de pollo, cuyo valor fue de 8,6 L/Kg. Los otros valores se encontrarían por encima (residuos sin clasificar más excrementos de cerdo) o muy por debajo: las otras dos mezclas. Ver tabla 14

7. Conclusiones

Como conclusiones generales se pueden ofrecer las siguientes: No se puede confiar en la relación C/N como único predictor de la producción de metano; las fórmulas aproximadas que se construyen son indicadoras de tendencias pero no de los valores reales de producción de metano; los residuos deben fraccionarse hasta los tamaños más pequeños posibles para agilizar el proceso de biodigestión; el nitrito tiene que controlarse lo mismo que el pH ya que son inhibidores del proceso.

Todo lo anterior se tendrá en cuenta en las experiencias subsiguientes.

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