Santiago de Quertaro, Qro., Mxico, Junio del 2017.
CENTRO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLGICO EN ELECTROQUMICA, S.C.
Produccin de biogs a travs de la codigestin de residuos
slidos y semislidos: hacia una planta centralizada de biogs para
la generacin de energa.
TesisQUE PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE
Maestro en Ciencia y Tecnologa
en la Especialidad de Ingeniera Ambiental
PRESENTA
I.Q. Laura Anglica Briseo Arciniega
Este trabajo fue realizado en el Centro de Investigacin y
Desarrollo Tecnolgico en Electroqumica (CIDETEQ),
bajo la direccin:
Dra. Linda Victoria Gonzlez Gutirrez
CIENCIA Y TECNOLOGA
Dra. Erika Bustos Bustos
Subdirectora de Posgrado
PICYT CIDETEQ
Quertaro
Los abajo firmantes, miembros del Comit Tutorial de la alumna LAURA ANGELICA
BRISEO ARCINIEGA, una vez leda y revisada la Tesis PRODUCCIN DE BIOGS A
TRAVS DE LA CODIGESTIN DE RESIDUOS SLIDOS Y SEMISOLIDOS:
HACIA UNA PLANTA CENTRALIZADA DE BIOGS PARA LA GENERACIN DE
ENERGA, aceptamos que la referida tesis revisada y corregida sea presentada por la alumna
para aspirar al grado de Maestra en Ciencia y Tecnologa en la opcin terminal de
INGENIERIA AMBIENTAL durante el Examen de Grado correspondiente.
Y para que as conste firm la presente el 24 del mes de Mayo del ao dos mil diecisiete.
Dra. Linda Victoria Gonzlez Gutirrez
Dr. Adrin Rodrguez Garca
Dr. Roberto Contreras Bustos
Agradecimientos
La realizacin de ste trabajo fue posible gracias a CONACYT a travs del financiamiento para
los proyectos:
- Desarrollo de nuevos procesos para la produccin de biogs a travs de la codigestin
de mezclas de residuos slidos y semislidos: hacia una planta centralizada de biogs
para la generacin de energa. Convocatoria CONACYT-BMBF: C0005-BMBF-2013
Nmero: 000000000206788, en cooperacin con la Universidad Tcnica de
Brandenburgo, Alemania Cottbus.
- Estudio de los fenmenos de transferencia electrnica extracelular, transporte de masa y
cintica, en sistemas bioelectroqumicos microbianos: bioelectrodegradacin/
bioelectro-sntesis, con clave 256943 del Fondo de Ciencia Bsica 2015. Responsable.
Principalmente por la beca acadmica que me fue otorgada por CONACYT durante el periodo
2014-2016.
En especial la Doctora Linda Victoria Gonzlez por todo su apoyo durante este proyecto y
haberme dado la oportunidad de participar en mltiples congresos adquiriendo experiencias
memorables. Tambin por haber seguido al pendiente sin perder la confianza en la culminacin
de nuestro proyecto.
A mi hijo Sebastian por esperarme cada da en casa y por ser el nio ms valiente y comprensivo.
A mis padres y hermanos por su apoyo incondicional y por esperar orgullosamente cada uno de
mis logros personales y acadmicos. A mi amiga Gretel por su compaa en sta etapa de
investigacin y aun en la distancia.
Esta tesis siempre me va a recordar que perderse en el camino de una meta es fcil y volver a l
es duro, es difcil y a veces duele, pero que es posible llegar y se siente bien al final.
ndice
Resumen .................................................................................................................................... 13
Abstract ...................................................................................................................................... 14
1 INTRODUCCIN ............................................................................................................. 15
2 MARCO TERICO .......................................................................................................... 17
2.1 Energas alternativas .................................................................................................. 17
2.2 Aprovechamiento de biomasa ................................................................................... 17
2.3 Biorefineras: un valor aadido al uso de la biomasa ................................................ 18
2.4 Plantas centralizadas .................................................................................................. 19
2.5 Generalidades del biogs ........................................................................................... 20
2.5.1 Mtodos de produccin de biogs ......................................................................... 21
2.5.2 Digestin anaerobia ............................................................................................... 22
2.5.3 Factores de operacin y control durante la digestin anaerobia ............................ 24
2.5.3.1 Relacin C/N (balance de nutrientes) ................................................................... 25
2.5.3.2 Efecto del pH ........................................................................................................ 26
2.5.3.3 Efecto de la temperatura ........................................................................................ 26
2.5.3.4 Ventajas de la digestin anaerobia ........................................................................ 27
2.5.3.5 Desventajas ............................................................................................................ 28
2.5.3.6 Subproductos del tratamiento anaerbico.............................................................. 29
2.5.4 Biodigestores utilizados para la digestin anaerobia. ............................................... 30
2.6 Diferentes sustratos que producen biogs ....................................................................... 31
2.7 Codigestin de sustratos .................................................................................................. 32
2.8 Inculo microbiano .................................................................................................... 34
3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 35
4 JUSTIFICACIN .............................................................................................................. 36
5 HIPTESIS ....................................................................................................................... 37
6 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 37
6.1 Objetivo general ........................................................................................................ 37
6.2 Objetivos especficos ................................................................................................. 37
7 METODOLOGA .............................................................................................................. 38
7.1 Equipo utilizado ......................................................................................................... 38
7.1.1 Eudimetros ........................................................................................................... 38
Punto de medicin gas ....................................................................................................... 40
7.1.2 Reactor horizontal.................................................................................................. 40
Vlvula de medicin de gas ............................................................................................... 41
Termostato ......................................................................................................................... 41
Controles de Agitacin y Temperatura .............................................................................. 41
Tablero indicador ............................................................................................................... 41
file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163420file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163422file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163423file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163424file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163425
FIGURA 5 REACTOR PILOTO HORIZONTAL CON AGITACIN. .................................. 41
7.1.3 Medidor de gas porttil .......................................................................................... 41
7.2 Recoleccin de los sustratos ...................................................................................... 42
7.3 Caracterizacin de los sustratos ................................................................................. 42
7.4 Pruebas en eudimetro............................................................................................... 43
7.4.1 Clculo de la cantidad (g) de sustrato para cada prueba........................................ 44
7.4.2 Mediciones del biogs ........................................................................................... 45
7.4.3 Clculos para la produccin diaria de biogs en los eudimetros ......................... 46
7.4.4 Volumen de biogs generado en cm3 diariamente................................................. 47
7.4.5 Suma de volmenes de gas especficos ................................................................. 47
7.4.6 Produccin de metano ........................................................................................... 49
7.4.7 Suma de la produccin de metano especfica y total ............................................. 50
7.5 Seleccin de los sustratos en codigestin, con mayor generacin de biogs. ........... 51
7.6 Operacin de codigestin de residuos en biodigestor horizontal .............................. 52
7.6.1 Produccin de biogs ............................................................................................. 52
8 RESULTADOS ................................................................................................................. 54
8.1 Caracterizacin de codigestantes ............................................................................... 54
8.2 Composicin de los cosustratos para los experimentos en eudimetros ................... 54
8.3 Resultados de los experimentos en eudimetros ....................................................... 57
8.4 Resultados de la operacin en el biodigestor horizontal agitado............................... 68
8.4.1 Medicin de biogs ................................................................................................ 71
9 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 77
10 RECOMENDACIONES ................................................................................................... 78
11 BIBLIOGRAFA ............................................................................................................... 79
12 ANEXOS ........................................................................................................................... 82
ndice de Figuras
Figura 1 Proceso integral para produccin y usos del biogs.................................................... 30
Figura 2 Metodologa ................................................................................................................ 38
Figura 3 Eudimetro SELUTEC ............................................................................................... 39
Figura 4 Esquema del Eudimetro SELUTEC. ......................................................................... 40
Figura 5 Reactor horizontal con agitacin piloto. ..................................................................... 41
Figura 6 Medidor de gas porttil ............................................................................................... 41
Figura 7 Esquema del biodigestor con sistema de medicin de biogs por desplazamiento de
volumen. .................................................................................................................................... 52
Figura 8 Montaje del Biodigestor con sistema de medicin de gas por el mtodo volumtrico
................................................................................................................................................... 70
file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628948file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628950file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628951file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628951
ndice de grficas
Grfica 1 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 1 .. 58
Grfica 2 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 2. . 59
Grfica 3 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 3. . 59
Grfica 4 Remocin de Slidos Voltiles en los cosustratos experimentos 1-3 ....................... 60
Grfica 5 Remocin de Slidos Voltiles en los cosustratos experimentos 1-3 ....................... 61
Grfica 6 Incremento de Nitrgeno amoniacal de los cosustratos experimentos 1-3 ............... 62
Grfica 7 Porcentaje de metano generado por cada cosustrato durante la digestin. Experimentos
1-3. ............................................................................................................................................. 66
Grfica 8 Produccin de biogs L/KgSV durante la digestin. Experimentos 1-3. .................. 67
Grfica 9 pH durante la digestin .............................................................................................. 71
Grfica 10 Produccin de biogs promedio diario .................................................................... 72
Grfica 11 Porcentaje de metano contenido en el biogs durante la digestin en el reactor. .... 72
Grfica 12 Remocin de slidos voltiles ................................................................................. 73
Grfica 13 Remocin de DQO .................................................................................................. 74
Grfica 14 Eficiencia de remocin como DQO y SV en el reactor horizontal ......................... 74
file:///G:/Tesis-Laura-Anglica-Briseo-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc478034510
ndice de tablas
Tabla 1 Comparacin de valores calorficos para diferentes combustibles. (Hill,2011). .......... 21
Tabla 2 Relacin C/N de los sustratos empleados comnmente para la produccin de biogs 25
Tabla 3 Algunos residuos slidos y semislidos utilizados para la codigestin anaerobia y
rendimientos reportados en literatura. ....................................................................................... 33
Tabla 4 Rangos de Temperatura y Tiempo de fermentacin Anaerbica (Langrange, 1979)
...................................................................................................Error! Marcador no definido.
Tabla 5 Caracterizacin inicial de sustratos. ............................................................................. 54
Tabla 6 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.1 .... 55
Tabla 7 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.2 .... 56
Tabla 8 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.3 .... 57
Tabla 9 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 1 ............................ 63
Tabla 10 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 2 .......................... 64
Tabla 11 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 3 .......................... 64
Tabla 12 Composicin de las cargas C1, C2 Y C3 en el biodigestor ....................................... 68
Tabla 13 Rendimiento de Materia orgnica en trminos de ml de biogs por gramo de materia
orgnica (cosustrato).................................................................................................................. 75
DELTARectangle
ndice de Ecuaciones
Ecuacin 1. Clculo del sustrato................................................................................................ 44
Ecuacin 2 Produccin diaria de biogs .................................................................................... 46
Ecuacin 3 Normalizacin del gas ............................................................................................ 46
Ecuacin 4 Presin de vapor del agua ....................................................................................... 47
Ecuacin 5 Clculo del Volumen diario de biogs.................................................................... 47
Ecuacin 6 Suma de volmenes de gas especficos .................................................................. 48
Ecuacin 7 Clculo de la produccin de biogs en NLitros/kg Masa Fresca ........................... 49
Ecuacin 8 Clculo de la cantidad de metano en la prueba en NL ........................................... 49
Ecuacin 9 Clculo de la cantidad de metano en el inculo en NL .......................................... 50
Ecuacin 10 Produccin especfica de metano.......................................................................... 50
Resumen
Una biorefinera es una instalacin industrial que aprovecha la biomasa de forma sostenible para
la obtencin de otros productos como el biogs, que es un bioenergtico capaz de sustituir a los
combustibles fsiles, generando una fuente de energa renovable, mediante tecnologas limpias
que permiten conservar el medio ambiente. Ya que Mxico es un importante generador de
excretas y que su incorrecta disposicin final ha provocado problemas ambientales como
contaminacin del agua, suelo y aire, se pretende aprovechar diferentes residuos generados del
sector agropecuario como fuente de biomasa para la obtencin de biogas. El objetivo es estudiar
la codigestin de residuos de distinta naturaleza que se complementen para una mejor
codigestin, enfocado al diseo de una planta centralizada para produccin de biogs.
Se comenz con la caracterizacin de los sustratos en cuanto a pH, SV, DQO, y Nitrgeno.
Posteriormente como cosustratos, bajo la metodologa: Determinacin de biogs y el potencial
de produccin de metano, basado en la norma Alemana, VDI-4630 en pruebas de fermentacin
en eudimetros y posteriormente aliment un bioreactor para determinar el rendimiento de
produccin de biogs, a partir de los resultados obtenidos durante la primera etapa de
experimentos en eudimetros. Finalmente se hicieron recomendaciones de operacin en cuanto
a las proporciones ptimas de los sustratos en codigestin para la planta piloto que operar como
una planta centralizada en instalaciones de CIDETEQ.
Como sustratos se usaron excretas de vaca y cerdo, pollinaza, suero de leche y grasa residual,
las mezcla de cosustratos con mayor generacin de biogs fue: Estircol de vaca (80%)/Grasa
(20%), inoculada con lodo anaerobio, Produccin de biogs de 72.1 L/KgVs y 80% de CH4,
TRS de 27 das. Present remocin de SV y DQO de 91% y 97% respectivamente. Para la
codigestin de residuos se debe buscar la composicin ideal en las proporciones de la mezcla
buscando que se complementen sus caractersticas y de esta manera se aprovechen para producir
biogs de mejor calidad.
13
Abstract
A biorefinery is an industrial facility that takes advantage of biomass in a sustainable way to
obtain other products such as biogas, which is a bioenergy capable of replacing fossil fuels,
generating a source of renewable energy, using clean technologies to conserve the environment.
Since Mexico is a major source of excreta and its final wrong disposal has caused environmental
problems (such as water, soil and air pollution), it is intended to take advantage of different
residues generated from the agricultural sector, as a source of biomass, to obtain biogas. The
objective of this work is to study the codigestion of different types of residues that are
complemented for a better codigestion, focused on the design of a centralized plant for the
production of biogas.
This project began with the characterization of the substrates in terms of pH, SV, COD, and
Nitrogen. Subsequently, as co-substrates, under the methodology: Determination of biogas and
methane production potential based on the German standard, VDI-4630 in fermentation tests in
eudiometers and later, fed a bioreactor to determine the yield of biogas production from the
results obtained during the first stage of eudiometer experiments. Finally, operational
recommendations were made regarding the optimum proportions of the substrates in codigestion
for the pilot plant that will operate as a plant centralized in CIDETEQ installations.
Cow, chicken and pig manure, whey and residual fat were used as substrates; the mixtures with
the highest biogas generation were: Cow manure (80%) / Fat (20%), inoculated with anaerobic
sludge, Production Of biogas of 72.1 L / KgVs and 80% of CH4, TRS of 27 days. It presented
SV and COD removal of 91% and 97% respectively. For the codigestion of residues, it is
necessary to look for the ideal composition in the proportions of the mixture looking for a
complement of their characteristics and, in this way, to take advantage in the production of
biogas in a better quality.
14
1 INTRODUCCIN
La descomposicin de materia orgnica por la va anaerobia (en ausencia total de oxgeno)
genera gas combustible. Este gas contiene una alta proporcin en metano (CH4) en
concentracin superior al 60 %, con una potencia calorfica inferior del orden de 5.500 Kcal/m3,
y se designa usualmente como biogs. Todo proceso de digestin anaerobia lleva una
eliminacin/depuracin de la carga orgnica. Las instalaciones especialmente diseadas para
optimizar este proceso se designan como digestores de metano, plantas de biogs o
simplemente reactores anaerobios (Flotats, X.).
Los procesos anaerobios deben ser perfeccionados mediante la optimizacin del uso de biomasa;
por ejemplo, una alternativa es la utilizacin de residuos en codigestin. La biomasa ms comn
son los residuos alimenticios, estircol de ganado, agroindustriales, de procesado de alimentos
vegetales o animales, residuos slidos urbanos Y los residuos vegetales de las cosechas. De los
anteriores se han tenido excelentes rendimientos de biogs a partir de diversos estircoles,
especficamente de ganado ovino, por ejemplo, la digestin de estircol como sustrato nico
tiene una alta produccin de microorganismos anaerbicos y de biogs pero de baja calidad de
metano, como resultado. Es frecuente que se lleve a cabo una codigestin con otro tipo de
sustratos que posean altas producciones de biogs, tales como residuos alimentarios o
agroindustriales, de esta manera se persigue balancear sus caractersticas como por ejemplo
controlando el pH se evita que durante la fermentacin se presente una acidificacin y se inhiba
la metanognesis. Por lo tanto en este trabajo se pretende encontrar una codigestin eficiente
entre una seleccin de residuos agroindustriales, logrando su aprovechamiento mediante
codigestantes, donde se complementen entre s para producir un buen flujo de biogs que
contenga principalmente metano. Utilizando la biomasa disponible de una misma regin, por
dos razones: la primera, se debe a la composicin de la biomasa especfica de la situacin
geogrfica, por ejemplo, la composicin de estircol depende principalmente del sistema
digestivo del animal y de su dieta, la especie del animal y edad al igual que las condiciones
climticas. Por consiguiente, este proyecto considera importante el investigar el potencial de
biogs y metano de diferentes biomasas, todas de la misma regin. La segunda, se debe a que al
utilizar la biomasa residual de industrias cercanas, se lograr encontrar la composicin ideal que
genere biogs de mayor calidad a partir de dichos residuos en especfico, logrando beneficios
15
como el aprovechamiento de la energa obtenida para los generadores en el marco de un
biodigestor o una planta de biogs centralizados, siendo una medida factible para aprovechar
los residuos y producir energa. Adems, el aprovechamiento de los residuos de distintas
agroindustrias, y la instalacin de una planta centralizada de tratamiento de residuos y
produccin de biogs beneficiara a dichas industria participantes a tener reducciones en costos
y en energa lo que se traduce a mayor inversin en la zona.
16
2 MARCO TERICO
2.1 Energas alternativas
Las energas alternativas son aquellas que no implican la quema de combustibles fsiles para su
generacin, adems de ser indispensables para asegurar la sustentabilidad y cuidado del medio
ambiente. La contaminacin atmosfrica ha sido una constante evolutiva a travs de los aos y
a medida que esta crece tambin se incrementa la necesidad de disminuirla para mejorar la
calidad de vida de los seres vivos. A causa de esto se considera generar energas alternativas las
cuales permitan suplir las necesidades del ser humano a partir de la utilizacin de los recursos
naturales existentes. Una de las energas alternativas que en la actualidad ha estado en constante
estudio y evolucin es la produccin de biogs a partir de digestin anaerobia de residuos slidos
orgnicos (Masera, Omar 2010).
Debido a la falta de capacidad tcnica y financiera, Mxico presenta un retraso significativo en
el despliegue de energas renovables a pesar de su potencial privilegiado.
2.2 Aprovechamiento de biomasa
El trmino biomasa se le atribuye a toda la fraccin orgnica de los residuos provenientes de
diferentes procesos productivos, y que puede ser potencializado como materia prima para la
obtencin de diferentes combustibles verdes o biocombustibles, conocidos as por proponer
formas de energa renovables no dependientes del carbono. La biomasa fue la principal fuente
de energa hasta el siglo XIX, sin embargo, el uso de este combustible con la revolucin
industrial fue menguando progresivamente comenzando la era de los combustibles fsiles.
La biomasa ha ganado la atencin en todo el mundo como una fuente de energa renovable para
la conversin termoqumica (Aysu y Kk, 2014; Damartzis y Zabaniotou, 2011; Wei et al.,
2006), su aprovechamiento ofrece beneficios a nivel local como una forma de eliminar los
residuos y desechos, y los beneficios globales mediante la reduccin de las emisiones de efecto
invernadero (Yusoff, 2006 ). Una gran cantidad de investigacin se ha centrado en los aspectos
17
tcnicos de la produccin de bioenerga, como los factores ptimos de oxgeno, temperatura del
aire, relacin aire-combustible, presin de trabajo, tamao de las partculas de biomasa, presin,
etc. se ha confirmado que la co-combustin de biomasa en las plantas existentes, especialmente
las plantas que funcionan con carbn, es una opcin tcnicamente viable (Ponton, 2009).
Mientras que los residuos de biomasa pueden reemplazar ms del 50 % de carbn en centrales
trmicas de carbn con grandes inversiones de capital (Ingls et al, 1981), hasta el 20% de la
biomasa puede ser coalimentadas con carbn sin modificacin significativa de los equipos
actuales (Grabowski, 2004 y Haq, 2002).
2.3 Biorefineras: un valor aadido al uso de la biomasa
La produccin de bioproductos es un mercado en constante expansin con aplicaciones en la
industria farmacutica, qumica, papelera y alimentaria, pero precisa an de un desarrollo
tecnolgico que permita obtener estos productos a un costo menor y de una manera ms
eficiente. ntimamente ligado a este mercado, se encuentra el concepto de biorefinera, trmino
que engloba la integracin de procesos y tecnologas para un uso eficaz de las materias primas
y as lograr instalaciones que operen de una manera sostenible con el medio ambiente.
Algunas de las definiciones encontradas en la literatura de este trmino describen la biorefineria
como:
La Agencia Internacional de la Energa (IEA) define la biorefinera como la instalacin donde
se generan, de forma sostenible, un amplio espectro de productos de inters comercial a partir
de la biomasa.
Tambin se pueden definir como Industrias integradas de productos de base biolgica, que
utilizan diversas tecnologas para producir substancias qumicas, biocombustibles y bioenerga,
productos alimentarios y biomateriales empleando como materia prima biomasa (Deyanira
Muoz y col, 2014).
De esta manera, el concepto de biorefinera se puede atribuir a dos ideas: un aprovechamiento
de todos los componentes de la biomasa para generar un amplio espectro de combustibles
renovables, o el establecimiento de plantas centralizadas formados por industrias participantes
18
que contribuyan con los residuos de sus procesos productivos y se convierten en materia prima
para la biorefinera en forma de biomasa.
2.4 Plantas centralizadas
La codigestin entre diversos residuos, ya sean industriales (orgnicos y lodos), agrcolas
(residuos de frutas y verduras) o residuos slidos urbanos son una opcin adecuada para mejorar
la produccin de biogs (Amon et al, 2006;.. Macias-Corral et al, 2008; Maran et al, 2009).
Por ejemplo en las plantas de biogs centralizadas (Angelidaki y Ellegaard, 2003), el estircol
es transportado, principalmente en forma de suspensin, a partir de un nmero de granjas
cercanas a la planta, donde es codigerido con otros residuos orgnicos procedentes de las
industrias del mismo municipio. Las ventajas de utilizar la codigestin de purines de ganado
vacuno con los residuos de alimentos, la bsqueda del mayor rendimiento en trminos de
productividad volumtrica de gas, las estrategias para la economa del proceso y los beneficios
ambientales, se han discutido recientemente por Banks et al. (2011), que evala la viabilidad de
pre-procesamiento de residuos de alimentos por separado para transportarlos a las plantas
centralizadas, y ser procesados con purn de ganado vacuno lechero en codigestin anaerobia,
los resultados mostraron que la adicin de residuos de alimentos mejor el rendimiento de
energa por unidad de volumen en el digestor, con un aumento del potencial correspondiente
para la mejora de los ingresos agrcolas hasta un 50%. A continuacin se mencionan algunos
resultados de estudios similares realizados en la ltima dcada:
El potencial de produccin de biogs a partir de estircol y diferentes codigestantes de estircol
y residuos de alimentos usando digestores discontinuos a 35 C fueron estudiados por El-
Mashad y Zhang (2010). El rendimiento de metano del estircol y dos codigestantes de estircol
y residuos de alimentos (68/32 y 52/48) despus de 30 das de la digestin, fue 241, 282 y 311
L / kg VS, respectivamente.
Por su parte Capela et al. (2008) evaluaron la viabilidad tcnica de microorganismos mesfilos
en codigestin anaerobia con tres tipos de residuos: la fraccin orgnica de los residuos slidos
urbanos, lodos y el estircol del ganado industrial, la obtencin de mayores rendimientos de
19
biogs y una mayor reduccin de slidos voltiles al aumentar la proporcin de residuos slidos
municipales.
En otro estudio, Macias-Corral et al. (2008) usaron la co-digestin anaerobia de estircol de
vaca lechera, la fraccin orgnica de los residuos municipales y residuos de una desmotadora
de algodn. La mxima produccin de biogs se obtuvo con estircol de vaca y de los residuos
desmotadora de algodn (87 m3 de metano / tonelada de residuo seco).
Y adicionalmente Callaghan et al. (2002), realiz el estudio de la codigestin de lodos de ganado
con residuos de frutas y vegetales (FVW) y estircol de pollo, se encontr que el aumento de la
proporcin de FVW de 20% a 50% mejor el rendimiento de metano 0,23-0,45 m3 CH4 /kg VS
adicional.
2.5 Generalidades del biogs
El biogs es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal como son los
residuos urbanos, residuos agrcolas, y de los efluentes de tratamiento de aguas. Este gas puede
ser utilizado, por ejemplo, como combustible para generar electricidad o para generar energa
calorfica demostrando ser un bioenergtico capaz de sustituir a los combustibles fsiles en la
generacin de energa (Gutirrez Garca y col, 2001).
Lo constituye una codigestantes de gases combustibles y su composicin depende del tipo de
material orgnico utilizado para su produccin y de las condiciones de operacin de los reactores
donde se obtiene. El biogs contiene aproximadamente 60% de metano y 40% de dixido de
carbono y una pequea cantidad de cido sulfhdrico el cual produce un olor a huevo podrido.
El valor calorfico del biogs es de entre 20 30 MJ de energa calrica por m de gas. 23 MJ/Kg
(Lombardi et al., 2009), lo que lo hace un combustible competitivo con los que se utilizan
actualmente. En la Tabla 1 se muestra una comparacin de la emisin directa de CO2 respecto
a otros combustibles y sus valores calorficos.
20
Tabla 1 Comparacin de valores calorficos para diferentes combustibles. (Hill,2011).
Combustible Valor Calorfico (CV)
aproximado
Factor de emisin indirecto
(KgCO2 e/GJ, CV neto)
Petrleo 45,21 MJ/Kg 12,51
Gas Natural 36 MJ/Kg 5,55
Gas Natural Licuado 55,14MJ/Kg 20
Keroseno 43,12 MJ/Kg 13,34
Disel 44,79 MJ/Kg 13,13
Biogs 23 MJ/Kg 0,246b
Es importante destacar que el biogs se encuentra por debajo de los combustibles comparados
en el factor de emisin directa de CO2, lo que lo posiciona como una opcin menos contaminante
a la atmsfera. (Hill, 2011).
2.5.1 Mtodos de produccin de biogs
El mecanismo predominante para la conversin de la biomasa en biogs es la conversin
bioqumica o digestin de biomasa orgnica que debe entenderse como un proceso natural que
involucra varios procesos bacterianos simultneamente.
El mtodo ms comn de produccin de biogs es la digestin anaerobia, por medio de
microorganismos en ausencia de oxgeno. Uno de los sistemas ms comunes en los que se lleva
a cabo, es en tanque cerrado llamado biodigestor. La codigestin de la biomasa en el digestor
con agua para formar una suspensin, en la cual la digestin anaerobia se realiza en dos pasos.
En el primer paso, llamado licuefaccin, la materia orgnica es descompuesta por hidrlisis
enzimtica y fermentada para producir principalmente cidos y alcoholes. El segundo paso,
llamado gasificacin, las bacterias metanognicas rompen los cidos y los alcoholes, para
producir metano y dixido de carbono, nitrgeno y cido sulfhdrico (Gutierrez Garca y col,
2001).
21
Las vas microbiolgicas de produccin de energa a partir de sustratos biolgicamente
degradables representan una excelente alternativa para la sustitucin de combustibles fsiles no
renovables que se utilizan en la actualidad. Esto es especialmente interesante dentro del campo
de las instalaciones agroindustriales las que pueden cubrir una parte de sus necesidades
energticas a partir de sus propios residuales, para complementar o reemplazar los combustibles
fsiles, por lo tanto la digestin anaerobia se presenta como el mtodo ms ventajoso en el
tratamiento de aguas residuales y de residuos orgnicos, para aprovecharse en la generacin de
biogs.
La composicin qumica del biogs es determinada por la naturaleza del sustrato y las
condiciones de operacin de la digestin anaerobia. Es una combinacin de gases flamables
generados por un grupo de bacterias anaerobias especficas en la descomposicin de compuestos
orgnicos (digestin anaerobia), contiene de 50-70% de metano (CH4) y dixido de carbono
(CO2), junto con estas algunas trazas de hidrgeno (H2) y sulfuro de hidrgeno (H2S). (IDEA
2007).
2.5.2 Digestin anaerobia
La digestin anaerobia es un proceso biolgico y degradativo en el cual parte de los materiales
orgnicos de un sustrato son convertidos en biogs por un consorcio de bacterias que son
sensibles al oxgeno, por medio de este proceso es posible convertir en subproductos tiles gran
cantidad de residuos vegetales, estircoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa,
de la industria papelera y de algunas industrias qumicas, ms del 90% de la energa disponible
por oxidacin directa se transforma en metano, consumindose slo un 10% de la energa en
crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aerbico y como producto final
se obtiene un bioabono inocuo ms estable (Gropelli, E. 2008). Los microorganismos
metanognicos desempean la funcin de enzimas respiratorias y, junto con las bacterias no
metanognicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relacin con las cadenas
enzimticas de clulas aerbicas. De esta forma, los residuos orgnicos se transforman
completamente en biogs. Sin embargo, el biogs generado suele estar contaminado con
diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo. La
22
digestin anaerobia Consta de cuatro fases que son llevadas a cabo por un grupo especfico de
bacterias las cuales son descritas brevemente a continuacin.
2.5.2.1 Hidrlisis
Durante esta etapa las molculas o grandes polmeros son reducidos de tamao, pasan de ser
molculas complejas solubles e insolubles como carbohidratos, protenas, lpidos y cidos
nucleicos que no pueden ser directamente metabolizados por los microorganismos anaerobios,
a ser monmeros o molculas ms pequeas y simples. (Vavilin et al., 2008).
2.5.2.2 Acidognesis y acetognesis
En esta etapa los monmeros liberados anteriormente son degradados mediante reacciones
fermentativas, en donde los compuestos orgnicos funcionan como aceptores y donadores de
electrones. Los principales productos de esta etapa son cidos grasos voltiles (AGV), que son
intermediarios del proceso de degradacin; el cido actico es el mayor intermediario en la
cadena alimenticia anaerobia (Drake et al., 2002; Mller, 2003), otros cidos principales del
proceso son el cido propinico y lctico, y se pueden formar algunos alcoholes. Los precursores
directos para la formacin de metano (CH4) son el cido actico, frmico, H2 y CO2 (Grady et
al., 1999; Baserba et al., 2012). En la etapa de metanognesis se presenta la formacin del CH4,
el cual es el ltimo producto de la digestin anaerobia limitado a tres tipos de precursores: CO2,
compuestos que contengan un grupo metilo y acetato (Liu y Whitman, 2008). Todos los
metangenos son estrictamente arqueas anaerobias oxgeno-sensibles, que pertenecen al phylum
Euryarchaeota (Liu y Whitman, 2008).
La naturaleza y la composicin qumica del sustrato condicionan la composicin cualitativa de
la poblacin bacteriana de cada etapa, de manera que se establece un equilibrio fcilmente
rompible cuando algn txico no permite el desarrollo de alguna de las poblaciones. Mientras
que en las fases de hidrlisis-acidognesis los microorganismos involucrados suelen ser
facultativos, para la tercera fase los microorganismos son estrictos, y con tasas mximas de
crecimiento del orden de 5 veces menores a las acidognicas. Esto significa que si las bacterias
metanognicas tienen algn problema para reproducirse y consumir los cidos, estos se
23
acumularn, empeorando las condiciones para las bacterias metanognicas, responsables de la
produccin de metano (Gutierrez Garca y col, 2001).
Las caractersticas fsicas y qumicas de los residuos slidos orgnicos son de trascendental
importancia para la correcta seleccin del tipo de proceso de fermentacin. Los desechos slidos
orgnicos generados en los mercados tienen contenidos de humedad alrededor del 86 %, as
como un pH predominantemente cido. Estas dos caractersticas sugieren que la digestin
anaerobia es el proceso de fermentacin ms idneo. (Buenrostro O. 2000)
2.5.3 Factores de operacin y control durante la digestin anaerobia
Diferentes parmetros fsicos y qumicos siempre estn presentes en los procesos anaerobios;
siendo los factores principales que influyen en el proceso, los siguientes (Montalvo M. 2000):
Composicin del residual.
Someter el proceso a cargas orgnicas y tiempos de retencin hidrulica y celular compatibles
con el residuo a ser digerido y con el tipo de digestor empleado.
Temperatura: No ocurrencia de variaciones bruscas de temperatura. Se encuentra un ptimo
de funcionamiento alrededor de los 35 C.
Acidez: determina la cantidad y el porcentaje de metano en el biogs, habindose encontrado
que el valor ptimo de pH oscila entre 6,6 y 7,6, que se logra a travs de parmetros de proceso
o de la adicin de nutrientes.
Contenido en slidos: se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10 % de slidos,
lo que explica que la biomasa ms adecuada sea la de alto contenido en humedad.
Nutrientes: para el crecimiento y la actividad de las bacterias, stas tienen que disponer de
carbono, nitrgeno, fsforo, azufre y algunas sales minerales.
Existencia de cantidades de nitrgeno (N) y fsforo (P) en el residuo, compatibles con la
cantidad de carbono.
24
2.5.3.1 Relacin C/N (balance de nutrientes)
Existe una amplia diversidad de criterios acerca de cul es la relacin ptima que debe existir
entre la materia orgnica a degradar (carbono) y la cantidad de los principales macronutrientes
en un proceso anaerobio, dependiendo sta en gran medida del tipo de sustancias de que est
compuesto el residuo.
Como regla general, se plantea que el contenido C:N:P debe ser cercano a 100:1.75:0.25 en base
a la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO). En muchas ocasiones, se puede lograr un buen
balance mezclando diferentes residuos. Si el nitrgeno est en exceso puede producirse mucho
amonaco lo cual puede inhibir el proceso anaerobio por encima de ciertos niveles (3 kg./m3).
Sin embargo, existen algunos trabajos donde se reportan algunas concentraciones tolerantes de
4 a 9 kg/m3 de nitrgeno en procesos anaerobios (Ruiz I., 2002)
Los microorganismos siempre consumen estos elementos, debe haber una relacin adecuada
entre nutrientes para el desarrollo de la flora bacteriana. La relacin C/N debe estar comprendida
entre 15/1 y 45/1, con un valor recomendable de 20-30/1. As como adems requiere algunos
minerales como nutrientes.
En la Tabla 2 se presenta la caracterizacin terica de diferentes sustratos, en donde se observa
a los sustratos que se encuentran dentro de la proporcin C/N recomendada, son el estircol de
vaca y estircol de oveja.
Tabla 2 Relacin C/N de los sustratos empleados comnmente para la produccin de biogs
Sustrato
Contenido de
carbono por
peso (%)
Contenido de
nitrgeno por
peso (%)
Relacin carbono
a nitrgeno (C/N)
Lodos anaerobios 40 4 10/1
Estircol de aves 41 1.3 32/1
Suero de leche 10 11.7 0.85/1
Estircol fresco de oveja 16 0.55 29/1
Estircol fresco de vaca 7.3 0.29 25/1
Estircol fresco de cerdo 7.8 0.6 13/1
c
25
2.5.3.2 Efecto del pH
Los efectos del pH se reflejan en la actividad enzimtica de los microorganismos. Las formas
generales en que el pH influye en la actividad microbiana pueden resumirse en las siguientes:
Cambio de los grupos hidrolizables de las enzimas (grupos carboxilos y aminas).
Alteracin de los compuestos no enzimticos del sistema (ionizacin del sustrato,
desnaturalizacin de la estructura proteica de la enzima).
A estos efectos del pH deben adicionarse la concentracin de H+ que influye sobre las diferentes
reacciones qumicas, bioqumicas y biolgicas que ocurren en este sistema. Se plantea en
general que el valor ptimo de pH para la digestin anaerobia es 7. En la prctica se ha visto
que al alejarse de este valor, la eficiencia del proceso disminuye, (Ghosh S. 1988).
2.5.3.3 Efecto de la temperatura
Este parmetro influye de manera decisiva en el proceso anaerobio, ya que de l depende mucho
las velocidades de reaccin con las que se lleva a cabo cualquier proceso biolgico, la
composicin del biogs debido a la dependencia de la solubilidad de los diferentes gases con la
temperatura y el dao que pueda causar a los microorganismos presentes en el medio despus
de ciertos valores de sta, (Ghosh S. 1988). Se han definido dos rangos de trabajo donde puede
efectuarse satisfactoriamente la anaerobiosis de aguas residuales. Ellos son los siguientes
(Montalvo M. 2000):
Mesoflico entre 20 y 45 C.
Termofilico entre 45 y 60 C.
La temperatura ptima en cada uno de estos rangos es difcil de predecir, ya que depende del
tipo de residual, de las condiciones ambientales, etc. No obstante, se reconocen en general como
temperaturas ptimas las de 35 y 55 C para los tratamientos mesfilos y termfilos,
respectivamente (Obaya y col, 1991).
Los procesos anaerbicos, al igual que muchos otros sistemas biolgicos, son fuertemente
dependientes de la temperatura, su velocidad de reaccin depende de la velocidad de crecimiento
26
de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. Existen tres
rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos anaerobios (Tabla 3).
Tabla 3 Rangos de Temperatura y Tiempo de fermentacin Anaerbica (Langrange, 1979)
Fermentacin Mnimo ptimo Mximo Tiempo de
fermentacin
Psicroflica 4-10 C 15-18C 20-25C Sobre 100 das
Mesofilica 15-20 C 25-35C 35-45C 30-60 das
Thermoflica 25-45C 50-60C 75-80C 10-15 das
En este trabajo, la digestin anaerbica se mantuvo a temperatura mesoflica dentro de su rango
mximo, controlando 37C 2C y con un tiempo de fermentacin de 30-32 das.
El tiempo de retencin es el cociente entre el volumen del reactor y el caudal de tratamiento, es
decir, el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la accin de los
microorganismos. Hay dos tipos de tiempo de retencin, el tiempo de retencin de slidos
(TRS), que es el tiempo promedio en que las bacterias estn en el digestor, y el tiempo de
retencin hidrulico (TRH), que es el tiempo promedio en que el lodo lquido se mantiene en el
digestor. Segn Gerardi (2003), el tiempo de generacin de metanognicos puede ser de 3 a 30
das.
2.5.3.4 Ventajas de la digestin anaerobia
El tratamiento anaerobio de las aguas residuales de producciones alimenticias, de las bebidas y
de las industrias farmacuticas tiene muchas ventajas comparadas a otros mtodos de
tratamiento: (Ruiz I. 2002)
El consumo de energa es muy bajo con el tratamiento anaerobio. Por ejemplo, no tiene que
ser provisto oxgeno y no es necesario un mezclado intenso.
La mayora del material orgnico en el agua residual se convierte en biogs, que puede ser
combustionado con el fin de obtener energa o vapor. La energa se puede utilizar en la planta
de produccin de biogs o se puede proveer a la red de la energa.
27
La produccin de lodo en el tratamiento anaerobio es muy baja (ya estabilizados y espesados),
porque la mayora del material orgnico se convierte en biogs, no en lodo. Adems, el lodo
anaerobio se estabiliza y se puede desecar fcilmente por gravedad.
Se puede utilizar para la arrancada de nuevos reactores anaerobios, o se puede utilizar como
bioabono en la tierra. Los gastos de transportacin del lodo son por consiguiente mnimos.
Son sistemas que asimilan altas y bajas cargas orgnicas.
La remocin de materia orgnica se encuentra entre el 60 y 80 % segn el tipo del residual.
El lodo anaerobio puede ser almacenado y conservado fcilmente, lo que simplifica los
arranques sucesivos despus de paradas o los perodos con cargas orgnicas reducidas.
Existe la posibilidad de trabajar a tiempos de retencin hidrulicos muy bajos, o lo que es
igual, se necesitan menores volmenes de instalacin, abaratando las inversiones.
Los costos de inversin son bajos, porque se aplican altas cargas orgnicas al reactor y los
tiempos de la retencin son cortos. El tratamiento anaerobio es lo ms comnmente aplicado
como pre-tratamiento para las aguas residuales concentradas. Los efluentes en el tratamiento
anaerobio todava contienen un poco de material orgnico, a pesar de la altas eficacias de
tratamiento por lo que el post-tratamiento es necesario en muchos casos.
2.5.3.5 Desventajas
El proceso anaerobio no permite conseguir la calidad de efluente que se puede alcanzar en una
planta de lodos activos y otros sistemas aerobios, pero s permite eliminar gran parte de los SS
(Slidos en suspensin) y de la DQO (Demanda Qumica de Oxgeno) y/o DBO5 (Demanda
Biolgica de Oxgeno 5), incluso en una sola etapa, que sustituira al decantador primario, al
digestor de lodos activos (aerobio) y al digestor anaerobio de estabilizacin de lodos. (Ruiz I.
2002)
Requerimiento de un lodo granular para arranques rpidos. Arranque lento (seis meses) en
caso de no contar con lodos inoculados.
En ocasiones, hay presencia de malos olores, para lo cual se requiere de un sistema simple de
control.
28
2.5.3.6 Subproductos del tratamiento anaerbico
Los principales productos del proceso de digestin anaerobia, trabajando en sistemas de alta
carga orgnica y en mezcla completa, son el biogs y un efluente estabilizado.
Las caractersticas del efluente, dependen mucho del tipo de sistema, pero tratando con sistemas
de mezcla completa y con residuos orgnicos, se puede decir que el efluente es la mezcla del
influente estabilizado y la biomasa microbiana producida.
Durante el proceso anaerobio parte de la materia orgnica se transforma en metano, por lo que
el contenido en materia orgnica es menor que en el influente. Se trata, adems, de un producto
ms mineralizado que el influente, con lo que normalmente aumenta el contenido de nitrgeno
amoniacal y disminuye el nitrgeno orgnico.
Cuando el estircol animal se usa como sustrato en los biodigestores, generalmente en los de
diseo convencional, prctica muy difundida en la zona rural, el efluente lquido puede ser
utilizado como bioabono debido a aspectos como son la disminucin de la relacin C/N y la
solubilizacin de algunos nutrientes (Mansur A, 2004).
La promocin e implantacin de sistemas de produccin de biogs colectivos (varias granjas),
y de codigestin (tratamiento conjunto de residuos orgnicos de diferentes orgenes en una zona
geogrfica, usualmente agropecuarios e industriales) permite, adems, la implantacin de
sistemas de gestin integral de residuos orgnicos por zonas geogrficas, con beneficios
sociales, econmicos y ambientales Figura 1.
29
Figura 1 Proceso integral para produccin y usos del biogs.
2.5.4 Biodigestores utilizados para la digestin anaerobia.
Los digestores anaerbicos no son una nueva tecnologa, fueron usados a escala de granja por
muchos aos en pases en desarrollo. Sin embargo se han hecho mejoras en los digestores para
que sean ms compactos, de costo reducido y que sean ms fciles de manejar. Algunos
progresos se han realizado, pero a la fecha no hay un tamao ptimo de digestor que se ajuste a
todos los establos lecheros. Cada situacin es nica, y un anlisis de diseo debe ser llevado a
cabo antes de decidir su construccin (Funk, 2007).
Dentro de la variedad de procesos existentes en las tecnologas anaerobias la produccin de
biogs depende de la materia introducida al sistema, parmetros y tipo de biodigestor empleado.
De ah la importancia de seleccionar el biodigestor adecuado en el sistema de codigestin
anaerobia.
30
Los biodigestores de codigestantes completa o CSTR, constituyen el diseo ms habitual cuando
se tratan residuos de ms de 3% de slidos. Emplendose principalmente en el tratamiento de
residuos slidos y lquidos de procedencia ganadera, industrial y urbana (Campos et al. 2012).
La carga al reactor puede hacerse de forma continua o discontinua.
La mayora de los sistemas comerciales que actualmente estn operando son de flujo pistn
convencionales, flujo pistn verticalmente mezclado, reactores de mezcla completa y lagunas
cubiertas que operan a temperatura ambiente. El mtodo de digestin tipo laguna produce biogs
de desechos diluidos tal como el efluente de la sala de ordea y es muy comnmente utilizado
por ser de los ms econmicos. Aunque la mayora de los sistemas estn utilizando solo estircol
del ganado, existen nuevas tecnologas emergentes que incluyen la introduccin de desechos
orgnicos de alta fuerza para incrementar la produccin de gas por unidad de volumen de reactor
(EPA, 2006).
El reactor de flujo pistn es la ms sencilla de todas las tecnologas anaerobias por lo que su
coste es notablemente bajo. Su configuracin alargada impide que la carga lquida inicial y el
efluente se mezclen (IDEA 2007). La degradacin de los residuos transcurre a medida que
transitan a lo largo del digestor.
2.6 Diferentes sustratos que producen biogs
El biogs puede ser producido a partir de residuos como: desechos slidos de frutas y verduras,
estircol de animales, aguas residuales y lodos agroalimentario e incluso los residuos slidos
municipales. Todos los residuos anteriores se convierten en la biomasa potencial y que en forma
de sustrato puede ser utilizada en el sistema de generacin de biogs.
Los sustratos de inters estudiados en este trabajo fueron suero de leche que se produce como
desecho de la mayora de las industrias queseras y debido a su alto contenido de lactosa y
diversas protenas se considera una buena fuente de carbono y nitrgeno [10/11] y estircol de
diferentes agroindustrias como el de vaca, cerdo, y gallinaza, y grasa como residuo de
produccin. El estircol bovino es el mayor desecho producido en los agros sistemas, un uso
inapropiado puede crear problemas tales como olor, produccin de nitratos y otros elementos
contaminantes de cuerpos de agua. Los residuos ganaderos son muy heterogneos y estn
31
formados por las deyecciones slidas, lquidas y restos de alimentos. Tambin fue motivo de
inters el utilizar un residuo que se determin como Grasa residual municipal, ya que los
residuos urbanos e industriales suelen contener altas concentraciones de materia orgnica
fcilmente degradable (lpidos, carbohidratos y protenas), por lo que presentan un mayor
potencial de produccin de biogs que los residuos ganaderos, de 30 a 500 m3/t (Ahring et al.,
1992; Angelidaki y Ahring, 1997a; Bardiya et al., 1996)
El uso de los sustratos en codigestin representa una alternativa para mejorar el rendimiento de
los residuos en la generacin de biogs.
2.7 Codigestin de sustratos
El contenido de slidos y el balance de nutrientes pueden ser mejorados a travs de la
codigestin de los lodos con otras sustancias orgnicas tales como la fraccin orgnica de
residuos slidos municipales, residuos de alimentos, residuos agrcolas y cultivos energticos
(Rao PV 2011). El proceso de codigestin consiste en la digestin anaerbica simultnea de
mltiples residuos orgnicos, con caractersticas complementarias (Kim, 2015;Cesareo, 2012).
Algunos de los beneficios del proceso de codigestin son los siguientes: aumento de la
produccin de biogs, dilucin de compuestos potencialmente txicos, mejoramiento del
equilibrio de nutrientes, efecto sinrgico de los microorganismos, incremento de la carga de
materia orgnica biodegradable, niveles ms favorables de humedad, de alcalinidad y de la
relacin carbono/nitrgeno en el alimento del digestor, adems de compartir los costos de
tratamiento de diferentes flujos de residuos en una sola instalacin (Gmez, 2017; Bond, 2012;
Lin, 2011).
La codigestin anaerbica de los lodos de aguas residuales con la fraccin orgnica de residuos
slidos, puede ser una de las soluciones ms viables para optimizar la eficiencia de los digestores
en las plantas de tratamiento de agua residual, los cuales tienen una capacidad libre tpica que
puede ser aprovechada adicionando la cantidad apropiada de la fraccin orgnica de residuos
slidos orgnicos (Cabbai V. 2013). Dentro de la fraccin orgnica de residuos slidos, los
residuos de alimentos constituyen un sustrato atractivo para codigerir con los lodos en los
digestores, teniendo en cuenta su alto contenido de nutrientes, rpida biodegradabilidad y su
disponibilidad en grandes cantidades; por otro lado, el uso de los residuos de alimentos en la co-
32
digestin permitira evitar su disposicin en los rellenos sanitarios, impidiendo la contaminacin
de las aguas subterrneas, el tratamiento de lixiviados y reduciendo la emisin de gases de efecto
invernadero (Nathan DP. 2012) Sin embargo, existen algunas limitaciones que deben ser
controladas en la implementacin de la codigestin
Los residuos de alimentos son ricos en carbohidratos, protenas y grasas, suelen tener una alta
proporcin de materia orgnica biodegradable y una alta relacin C/N, lo que representa un
problema al ser digeridos anaerobiamente por presentar ausencia de los micronutrientes
necesarios para el desarrollo de las bacterias, como consecuencia podran presentar problemas
de acidificacin e inhibicin, de ah que la codigestin de residuos ganaderos y residuos
orgnicos en sistemas de codigestantes completa sea una metodologa exitosa y su principal
ventaja sea aprovechar la sinergia de las codigestantes y compensar carencias de cada uno de
los sustratos por separado. En la Tabla 4 se presentan algunos sustratos y su rendimiento
reportado en biogs, donde se observa que en codigestin, residuos orgnicos con estircol de
vaca tiene mejores rendimientos en m3 de biogs/Kg slidos voltil.
Tabla 4 Algunos residuos slidos y semislidos utilizados para la codigestin anaerobia y rendimientos
reportados en literatura.
Sustrato Biogs m3/kg SVT Autores
Residuos orgnicos industriales (RO), excreta de vaca
(EV), residuos de matadero (R), residuos de frutas y
verdura (FV)
RO / EC 0.5
RO/EC/R 0.6
RO/EV/ 0.7
Murto et al. 2004.
Excreta de pollo (EP), vaca (EV) y cerdo (EC) EP / EC 0.13 Fanzonni 2009
Excreta de pollo (EP), vaca (EV), cerdo (EC) y residuos
de pasto (RP)
EC /RP 0.37
EV / RP 0.028
EP / RP 0.002
Ahn, et al., 2010
Excreta de vaca(EV), residuos de comida (RC), lodos
anaerobios (LA) como inculo
EV /RC/LA 0.051 Li et al., 2011
Excreta de vaca (EV), residuos de jardn (RJ), jugo de
frutas (JF) y lodos anaerobios (LA)como inculo
EV/LA/RJ 0.027
EV/LA/JF 0.026
Venkates 2011
33
En general todos los tipos de biomasa pueden ser sustratos (desechos de animales, desechos de
agricultura, residuos domsticos, lodos de aguas residuales, agua residual y material de relleno
sanitario) mientras contengan carbohidratos, protenas, grasas, celulosa y hemicelulosa como
componente principal. (Romero, 1997)
Las excretas de humanos y de animales son ricas en nitrgeno, con una relacin C/N inferior a
25/1, durante la degradacin tiene una mejor velocidad de biodegradacin y generacin de gas,
en cambio los residuos agrcolas son ricos en carbono con una relacin C/N superior a 30/1 pero
con una generacin ms lenta de gas.
En general los sustratos ricos en carbono producen ms gas que los ricos en nitrgeno, as mismo
es ms rpida la produccin de gas a partir de los sustratos nitrogenados como las excretas, que
los ricos en carbono como pajas. (FAO, 1986 a,b)
Por ello para conseguir un buen rendimiento de biogs en forma constante durante la
fermentacin, es conveniente combinar proporciones adecuadas de sustratos ricos en nitrgeno
con los de alta relacin C/N.
2.8 Inculo microbiano
En la depuracin de aguas residuales mediante procesos anaerbicos, se lleva a cabo la retencin
de biomasa en forma de grnulos (lodos anaerbicos), sujetos al tipo de sustrato desarrollan
consorcios microbianos de bacterias anaerbicas adaptadas para la degradacin de materia
orgnica en pasos consecutivos en donde un microorganismo depende de otro.
Incluir estos lodos anaerbicos es la manera ms factible de inocular los biodigestores para que
se lleve a cabo la digestin. Entonces se asume que el sustrato y los nutrientes estarn presentes
en exceso, por lo que la concentracin inicial de lodo es un factor importante para la duracin
del ensayo. (Chernicharo, 2007).
34
3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el sector agropecuario de Mxico, la ganadera porccola y bovina juega un papel importante
en la generacin de excretas. La acumulacin, el manejo inadecuado y la incorrecta disposicin
final de estos deshechos ganaderos han provocado serios problemas ambientales relacionados
con la contaminacin del agua, suelo y aire.
Una medida mitigante para la disposicin de estos residuos, es su utilizacin como biomasa para
generar energas alternativas como es el caso del biogs. Por lo que es necesario seleccionar los
sistemas de produccin de biogs, de acuerdo a las caractersticas especficas del entorno,
aprovechando distintos tipos de residuos en codigestin que puede complementar el potencial
de produccin de biogs de los mismos por separado y maximizarlo.
35
4 JUSTIFICACIN
Usualmente los residuos slidos son considerados negativos y perifricos a las actividades de
sus generadores y no como una posible fuente de ingresos por lo general se deshacen de ellos
mediante su dispersin o vertimiento en tiraderos. La generacin nacional de residuos slidos
municipales (RSM), se calcula en alrededor de 85,000 ton/da, de las cuales el 52 % es materia
orgnica. Por otra parte la gran cantidad de estircol producido por el ganado no tiene un
tratamiento previo o adecuado para su disposicin final, lo cual implica mantener un foco de
infeccin latente perjudicial para la comunidad en general ya que gran cantidad de estircol se
deposita en las tierras de cultivo, si bien sirve para mejorar su calidad, as como para obtener
mejores cosechas, tambin tiene un inconveniente, el estircol tarda aproximadamente un ao
en degradarse y poder ofrecer todos sus nutrientes de manera asimilable (Herrick y Lai, 1996;
Aarons et al., 2004; Vadas et al., 2011). Otra desventaja es que al descomponerse en presencia
del aire la reaccin que se presenta es exotrmica a travs de una fermentacin, el calor
producido eleva la temperatura a su alrededor.
El aprovechar distintos tipos de residuos y mezclarlos, puede complementar el potencial de
produccin de biogs de los mismos por separado y maximizarlo. La biomasa tiene que ser
seleccionada en trminos de altos contenidos de energa y potencial de produccin de biogs.
Esta consideracin ayudar a incrementar la produccin de biogs y a sobreponer los altos costos
de produccin de una manera sustentable mediante la introduccin del concepto de plantas de
biogs centralizadas como biorefineras. Las ventajas son el generar energas renovables a partir
de residuos orgnicos y reducir el uso de fertilizantes artificiales, todas estas ventajas hacen a
las biorefineras ser econmicamente viables y capaces de combinar varios beneficios
ambientales a travs de diferentes sectores.
Adems, el aprovechamiento de los residuos de distintas agroindustrias bajo el concepto de
plantas centralizadas beneficiara a las industrias participantes para tener reducciones en costos
y en energa lo que se traduce a mayor inversin en la zona. Las plantas de biogs centralizadas
son consideradas para la produccin integrada de energas renovables, ya que resuelven una
serie de problemas en el campo de la agricultura (utilizacin de estircol), energa y medio
ambiente.
36
5 HIPTESIS
El proceso de codigestin anaerobia de residuos de distinta naturaleza da como resultado una
mayor actividad metanognica y por lo tanto un incremento en el volumen y concentracin de
biogs, al combinar residuos y balancear sus caractersticas fisicoqumicas.
6 OBJETIVOS
6.1 Objetivo general
Estudiar la codigestin de residuos slidos y semislidos agroindustriales de distinta naturaleza
orgnica, para la produccin de biogs de calidad combustible, utilizando un reactor horizontal.
6.2 Objetivos especficos
Analizar los residuos para determinar sus caractersticas y las proporciones de mezcla
para su codigestin, y obtencin de la actividad metanognica, por la norma de
Determinacin de biogs y el potencial de produccin de metano basado en VDI 4630 a
travs de pruebas de fermentacin.
Determinar el rendimiento de produccin de biogs a partir de residuos, en L/KgSV de
residuos.
Encontrar las mejores condiciones de operacin del biodigestor para obtener el mayor
volumen y porcentaje de metano, considerando el uso de biogs como combustible.
37
7 METODOLOGA
En el siguiente diagrama de flujo, se presentan las actividades que se realizaron durante la
ejecucin del presente estudio (Figura 2).
Figura 2 Metodologa experimental
7.1 Equipo utilizado
7.1.1 Eudimetros
Para la medicin de biogs de los codigestantes se realizaron pruebas en eudimetros de la
marca SELUTEC (Figura 3). El Eudimetro es un manmetro que mide el cambio de
volumen en el gas a una presin y temperatura constante por desplazamiento de una solucin
Recoleccin de losdiferentescodigestantes.
Caracterizacin de los codigestantes y
documentacin sobre su composicin (Etapa 1).
Pruebas en eudimetro para
obtencin de biogs (Etapa 2).
Seleccin de la codigestin, con mayor generacin de biogs.
Operacin del reactor horizontal
con los codigestantes seleccionados
(Etapa 3).
Seleccin de las condiciones ptimas de
operacin para la produccin de biogs
38
barrera por el biogs. Consta de 6 fermentadores con sistema de captacin y de medicin en
cada uno. (Anexo 5)
El equipo cuenta con un bao de temperatura y un agitador magntico programable, con lo
que se obtendrn condiciones de temperatura y agitacin constantes para el estudio. La
solucin barrera usada en este equipo fue NaCl / cido ctrico propuesta por Muller y col.
(2004).
Figura 3 Eudimetro SELUTEC
39
En la Figura 4 se muestra el esquema de un fermentador con sistema de medicin y captacin
de biogas por separado.
7.1.2 Reactor horizontal
Se utiliz un biodigestor horizontal piloto con agitacin y volumen de 30 L, que se muestra en
la Figura 5. El biodigestor cuenta con control de temperatura programable y agitacin
mecnica.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-37C
Bao termosttico
Agitador magntico
Frasco fermentador Termostato
Punto de medicin gas
Eudimetro
Columna con lquido desplazante
Figura 4 Esquema del eudimetro SELUTEC.
40
Figura 5 Reactor piloto horizontal con agitacin.
7.1.3 Medidor de gas porttil
Para las mediciones del biogs en porcentajes de Metano (CH4), Dixido de Carbono (CO2) y
Oxgeno (O2) se utiliz un medidor de gas porttil de la marca LANDTEC modelo GEM2000.
Se muestra en la Figura 6.
a)
a) Entrada de la muestra
b) Carga de batera
c) Pantalla
d) Panel de control
a
d
b
c
Figura 6 Medidor de gas porttil
Vlvula de medicin de gas
Controles de Agitacin y Temperatura
Tablero indicador
Termostato
41
7.2 Recoleccin de los sustratos
Los residuos de estircol y suero de leche fueron obtenidos de diferentes granjas de la regin
ubicadas en Ezequiel Montes y Pedro Escobedo (Anexo 1). Una empresa agroindustrial ubicada
en Ezequiel montes suministr residuos orgnicos (grasa residual del proceso de elaboracin de
croquetas para animales). La biomasa (codigestantes) fue seleccionada en trminos de altos
contenidos de energa y potencial de produccin de biogs, que anteriormente han sido
reportados en la literatura. Se llev a cabo su recoleccin utilizando equipo de seguridad bsico:
bata, overol, guantes de ltex y de plstico, cubre bocas y zapatos de seguridad. Las muestras
fueron tomadas y preservadas en frascos de plstico estriles, durante el transporte se conserv
a temperatura ambiente y en el laboratorio se mantuvieron en refrigeracin a una temperatura
de refrigeracin de 4C.
El inculo microbiano utilizado fue el lodo anaerbio de una planta tratamiento de aguas
residuales de la empresa Pilgrims Pride, productora de pollo de la regin.
7.3 Caracterizacin de los sustratos
El propsito de la caracterizacin de la biomasa fue estimar la cantidad de energa renovable
que se puede producir en trminos de produccin de biogs por unidad de biomasa y
productividad de metano en trminos de slidos voltiles. Por lo tanto es de suma importancia
conocer las condiciones previas a la digestin, presentes en cada sustrato. Algunos factores
importantes a determinar fueron pH, contenido de slidos voltiles (SV), demanda qumica de
oxgeno (DQO), relacin carbono nitrgeno (C/N) y nitrgeno amoniacal. Los sustratos fueron
preparados en recipientes plsticos, se homogenizaron en agua desionizada a ph 7 con un
procesador para alimentos. (Anexo 2)
El pH se midi con el equipo potenciostato Autolab previamente calibrado (Anexo 1),
para homogenizar los residuos y tener un mejor manejo de los mismos, fue necesario
adicionar agua destilada en proporciones de 1:1 a todos los sustratos.
b)
42
Los pesajes de los cosustratos para la preparacin de las muestras se realiz con la
balanza analtica de precisin Ohaus Pioner 0-210g.
El contenido de slidos totales y voltiles se determin de acuerdo al procedimiento
establecido en la norma NMX-AA-034-SCFI-2001.
Para determinar DQO se utiliz el mtodo: COD viales de digestin de alto rango: 20 -
1500 mg/L COD (Mtodo Hach 8000), realizando la lectura de los viales en el
espectrofotmetro UV-VIS DR 6000 marca HACH, programa 435 DQO RA 0-1500
mg/L. (Anexo 4)
La relacin C/N en el sustrato fue establecida de manera terica consultando diferentes
bibliografas.
Para la caracterizacin del nitrgeno amoniacal se us el mtodo de Nitrgeno
amoniacal Reagent Set, TNT, AmVer (Salicylate), alto rango: 0.4 - 50.0 mg/L NH3,
mtodo 10031. Lectura en el Espectrofotmetro UV-VIS DR 6000 marca HACH,
programa 343. (Anexo 4)
7.4 Pruebas en eudimetro
El montaje de los eudimetros se realiz de acuerdo a la Norma Alemana DIN Determinacin
de biogs y el potencial de produccin de metano basado en VDI 4630 en pruebas de
fermentacin. Este mtodo sirve para realizar pruebas de fermentacin (PF) y determinar la
produccin de biogs y metano de los materiales utilizados en plantas anaerobias. (Anexo 11)
Para llevar a cabo la etapa de experimentacin en eudimetros, se utiliz un equipo a nivel
laboratorio para digestin anaerobia denominado eudimetro (Figura 1). Dentro de cada
fermentador se colocaron el inculo (200g) ms la cantidad de sustrato calculada para cada uno.
(Anexo 6) Luego el frasco es sellado perfectamente para evitar cualquier salida o entrada de
aire, de tal manera que el gas que se produzca en la actividad metanognica, suba por el tubo
interior del eudimetro, que ha sido previamente llenado hasta un nivel conocido (n1) con la
sustancia desplazante (NaOH mas ac. Ctrico), que tiene la funcin de secuestrante de CO2 y al
mismo tiempo por medio de su desplazamiento por el gas, es posible determinar el biogs
obtenido observando el nivel 2 (n2). El lquido desplazado regresa a la columna para su
almacenamiento. La medicin del gas se lleva a cabo desde el punto superior del eudimetro,
43
que cuenta con una manguera y en el extremo una vlvula a la cual se le conecta el medidor de
gas porttil marca LANDTEC modelo GEMTM2000.
7.4.1 Clculo de la cantidad (g) de sustrato para cada prueba
Para hacer el clculo de la cantidad exacta de codigestantes cosustrato-inoculo en el
fermentador, primero se calcula la cantidad de cosustrato a agregar por cada fermentador. Este
clculo se hizo de acuerdo al mtodo Alemn, en base a la norma VID 4630, para la
determinacin de biogs y el potencial de produccin de metano en pruebas de fermentacin.
Esta operacin se realiza de acuerdo a la ecuacin del clculo de sustrato presentada en la
Ecuacin 1:
Ecuacin 1. Clculo del sustrato.
=
= 2 = 400 =
( 1)
Donde pi es la relacin en masa (adimensional), ms es la cantidad de sustrato en gramos, mi es
cantidad de inculo en gramos, SVi est representado la concentracin de inculo la cual es
medida en porcentaje masa fresca y SV representa la concentracin del sustrato dada en
porcentaje de masa fresca.
De acuerdo a la norma VID 4630, el inoculo no debe exceder ciertas cantidades de solido voltil
(SV) as como los siguientes requerimientos especiales;
SVi inculo=1.5% a 3%
A partir de esta relacin y tomando como base 400 g de inculo, (debido a que cada
fermentador tiene una capacidad mxima de 500 g) se puede calcular la cantidad de
sustrato que se requiere.
44
Las mediciones de produccin de biogs se realizaron de manera continua para evitar que
existiera una sobrepresin en los fermentadores y disminuir la probabilidad de fugas de biogs.
Las mediciones de biogs (contenido de CH4 y CO2) se hicieron diariamente, cuando la
produccin de biogs fue menor a 80 ml, entonces se dej acumular el biogs hasta lograr un
volumen desplazado mayor. Para realizar las mediciones se conect el analizador de biogs
porttil de la marca LANDTEC, modelo GEM 2000 el cual nos permite medir el porcentaje de
CO2, CH4 y O2 en el biogs.
Se realiz la preparacin del inculo mantenindolo a temperatura de 37C y agitacin constante
durante 24 horas previas al inicio del experimento. Se pesaron 400g del inculo por cada frasco
fermentador, y se agreg la cantidad de sustrato calculada para cada uno. Los frascos se sellaron
perfectamente y se program la agitacin a 600rpm y el bao termosttico se mantuvo en
condiciones mesoflicas a 37C.
7.4.2 Mediciones del biogs
Las mediciones de produccin de biogs se realizaron diariamente para evitar que existiera una
sobrepresin en los fermentadores y disminuir la probabilidad de fugas de biogs. La medicin
se realiz con un equipo medidor de biogs porttil marca LANDTEC. Se llev registro en la
bitcora diariamente de la hora de la medicin del volumen, la presin atmosfrica y la
temperatura ambiente. Este proceso aplic de la misma manera para los tres experimentos
realizados.
La digestin de cada una de las pruebas tuvo un tiempo de retencin de 27 das. Las mediciones
de biogs se terminaron al cumplir con las siguientes condiciones incluidas en el mtodo:
a) Al menos 25 das de fermentacin
b) Durante tres das seguidos la cantidad de gas disminuy peridicamente en un
0.5%.
45
7.4.3 Clculos para la produccin diaria de biogs en los eudimetros
Para el volumen diario se utiliz la siguiente ecuacin:
Ecuacin 2 Produccin diaria de biogs
= 2 (. 2)
V= Volumen de gas
d= dimetro interno del cilindro (1,391cm)
h=produccin de biogs en mm.
La normalizacin del gas se hizo bajo las siguientes condiciones: gs seco a 273.15 K y 1013.25
mbar. Lo cual se observa en la ecuacin 3:
Ecuacin 3 Normalizacin del gas
=( 2)
( + 273.15) (. 3)
To= 273,15 K (Temperatura estndar)
t= Temperatura del gas C
po = 1013,25 mbar (Presin estndar)
p = Presin del aire (presin registrada diario en mbar)
46
La presin de vapor del agua en funcin de la temperatura se represent por la siguiente funcin
en un rango de temperatura de 15-30C (R2=99,997%):
Ecuacin 4 Presin de vapor del agua
=
+ (. )
yo = - 4,39605
a = 9,762
b = 0,0521
De la Ec. 3 y el volumen diario de biogs, se calcul el volumen de biogs normalizado:
Ecuacin 5 Clculo del Volumen diario de biogs
= (. )
VOP=Volumen de biogs normalizado en (Nml)
VP=Volumen diario de biogs (ml)
7.4.4 Volumen de biogs generado en cm3 diariamente
Uno de los principales criterios de seleccin para los mejores cosustratos, es la produccin de
gas en las mezclas de codigestantes fueron medidas segn la acumulacin de biogs durante los
27 das de digestin, en la grfica 5 se muestra el volumen generado diario para cada una.
7.4.5 Suma de volmenes de gas especficos
Se obtuvo la sumatoria de las producciones de biogs especficas, corrigiendo con el estndar.
El clculo se hizo en funcin de los Slidos Voltiles (SV).
47
Ecuacin 6 Suma de volmenes de gas especficos
= (
=1
=1
) 1 (. 6)
=
=
=
=
=
=
= (
=1
=1
) 1 (. 6.1)
= /
Desglosando la frmula:
De la cantidad de biogs normalizada se rest la cantidad del gas del inculo estndar
= (. 6.2)
=
48
La produccin de biogs en NLitros/kg Masa Fresca (FM) se calcul:
Ecuacin 7 Clculo de la produccin de biogs en N Litros/kg Masa Fresca
=
(. 7)
= /
=
La produccin de biogs Nml/g SV
=
%() (. 7.1)
= /
%() =
7.4.6 Produccin de metano
El clculo de la produccin de metano se basa en la cantidad de gas normalizada y la
correspondiente concentracin de CH4, Para esto se llev a cabo una estandarizacin en las
mediciones de concentracin de CH4 y del CO2. La estandarizacin consisti en corregir la
concentracin de CH4, porque la medicin incluye un residual de agua de vapor, que hay que
eliminar en el clculo. La correccin tambin tom en cuenta el espacio vaco donde se almacena
gas en el fermentador considerando el volumen total, ya que al principio se inyecta gas inerte
en el volumen del gas.
Ecuacin 8 Clculo de la cantidad de metano en la prueba en NL
4 = 4
4 + 2 (. 8)
4 =
49
=
4 = 4 %
2 = 2 %
Para el estndar
Ecuacin 9 Clculo de la cantidad de metano en el inculo en NL
4 = 4
4 + 2 (. 9)
4 =
=
4 = 4 %
2 = 2 %
7.4.7 Suma de la produccin de metano especfica y total
Ecuacin 10 Produccin especfica de metano
4 = ( 4
=1
4
=1
) 1 (. 10)
4 =
4 =
=
=
50
4 =
=
=
4 = ( 4
=1
4
=1
) 1 (. 10.1)
4 = /
7.5 Seleccin de los sustratos en codigestin, con mayor generacin de biogs.
En la primera etapa de experimentacin se llevaron a cabo 3 pruebas en eudimetros, se
definieron como Experimentos 1, 2 y 3. En el experimento 1 se realiz la combinacin de
sustratos en codigestin, partiendo de los 5 codigestantes obtenidos en los muestreos: Estircol
de vaca (EV), Grasa residual municipal (GRM), Estircol de puerco (EP), Pollinaza (PO), Suero
de leche (SL), y un inoculo (lodos anaerobios de una planta tratadora de agua). Cada mezcla de
cosustratos se proporcion con la condicin de mantener un pH cercano a la neutralidad,
compensando a un codigestante cido con otro de mayor pH. Otra condicin para mezclar los
codigestantes fue equilibrar su contenido de C/N y de esta manera favorecer la conversin de la
materia orgnica en energa. Cada mezcla se coloc por separado en un fermentador con un
eudimetro. Desde el da uno hasta el final de la digestin se realizaron mediciones de la
produccin de biogs, representada en porcentajes de: Metano (CH4), Dixido de Carbono
(CO2) y Oxgeno (O2). Realizada la sumatoria del biogs producido por cada mezcla en el
fermentador, se defini al mejor codigestante del Experimento 1. Partiendo de este resultado
para el Experimento 2 se repiti la fermentacin de las 3 mezclas de codigestante con mayor
produccin de biogs y mayor % de metano. Y para el Experimento tres, nuevamente se tom
51
el codigestante que presentara una produccin de metano mayor al 70% durante la digestin. El
cosustrato cuya produccin de biogs present la mejor produccin de biogs, fue seleccionado
para llevar a cabo su escalamiento en el reactor horizontal y continuar con la produccin de
biogs.
7.6 Operacin de codigestin de residuos en biodigestor horizontal
Para llevar a cabo la codigestin se utiliz un reactor horizontal piloto de acero inoxidable con
volumen total de 30 L, el cual cuenta con control de temperatura programable y de agitacin
mecnica, al cual se le implement un sistema de medicin de gas por desplazamiento de
volumen. (Figura 7). Se seleccion el cosustrato que present mejor produccin de biogs
durante la etapa de experimentacin en eudimetros y se determin la cantidad y combinaciones
para la codigestin que es necesario para obtener la mayor calidad y produccin de biogs.
7.6.1 Produccin de biogs
Durante la operacin del biodigestor horizontal, se midi la produccin de biogs promedio de
litros por da, para lo cual se utiliz el mtodo volumtrico que se basa en la cuantificacin del
Panel de control
temperatura y agitacin
Biodigestor horizontal
agitado
Columna
graduada
37C -
-
-
-
-
-NaOH
Termostato
Vlvula salida
de gas
Contenedor de agua para
burbujeo de gas
Punto de muestreo
de gas
Trampa de CO2
Figura 7 Esquema del biodigestor con sistema de medicin de biogs por desplazamiento de volumen.
52
volumen de metano producido mediante el uso de una solucin desplazante, como el NaOH o
KOH, en un rango de 15 -20 g/L (Field, 1987), para el sistema en este trabajo se utiliz NaOH
20 g/L por su propiedad de reaccionar secuestrando el CO2 presente en el biogs, permitiendo
una medicin ms aproximada del volumen de metano producido.
Las reacciones que se presentan en la sustancia desplazante de la columna son las siguientes
(Chernicharo, 2007):
H2O + CO2 H2CO3
H2CO3 + 2NaOH Na2CO3 + 2H2O
CO2 + 2NaOH Na2CO3 + H2O
Obteniendo finalmente Agua (H2O) con una precipitacin de Carbonato de Calcio (Na2CO3).
53
8 RESULTADOS
8.1 Caracterizacin de codigestantes
En la tabla 5 se muestra la caracterizacin de los diferentes codigestantes: estircol de vaca,
grasa residual municipal, estircol de cerdo, pollinaza, suero de leche e inculo, se realiz a
partir de la medicin de pH, SV, DQO, C/N (Anexo 3).
Tabla 3 Caracterizacin inicial de sustratos.
Sustrato DQO(mg/l) NH3-N (mg/l) pH SV% C/N*
Estircol de vaca 846 500 8.29 10.72 25
Grasa residual municipal 906 850 6.15 16.18 **
Estircol de puerco 584 140 6.95 8.34 13
Pollinaza 1049 103 7.68 10.77 15
Suero de leche 264 580 4.93 7.66 20
inoculo (lodos anaerobios) 155 440 7.76 2 10
* La relacin C/N fue obtenida tericamente (R. Robalino, 2011) ** Sin datos bibliogrficos
Dado a que el inters de este proyecto se enfoc en estudiar la produccin de biogs de los
cosustratos, se plane el primer experimento de cosustratos en eudimetro de la siguiente
manera.
Basado en el pH inicial de los sustratos (Tabla 5) y buscando el equilibrio entre
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