Aprovechamiento de la biomasa, para la generación de energía eléctrica

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA,

PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA

ROSALINO MARTÌNEZ ISAÍAS

ASESORES

M. en C. ZARATE MEJÍA OBED

M. en C. VÁZQUEZ RAMÍREZ FABIÁN

Ing. CABALLERO HERNÁNDEZ OSCAR

i

DEDICATORIA

A mis Padres:

Rolando Rosalino González y Magdalena Martínez Osorio, por su apoyo durante toda mi carrera profesional, por darme en el estudio la herencia más valiosa que me

ii

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Politécnico Nacional (IPN) por abrir sus puertas para brindarme una educación superior y de calidad.

A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco (ESIME-ZAC), por guiarme en este largo recorrido.

A mis Asesores Técnicos, M. en C. Zarate Mejía Obed y M. en C. Vázquez Ramírez Fabián, por ayudarme y brindarme su apoyo en la elaboración de esta TESIS.

iii

ÍNDICE

Dedicatoria………..i

Agradecimiento………..ii

Glosario……….….iii

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ... 1

1.1 Planteamiento del problema ... 2

1.2 Objetivo general ... 4

1.3 Objetivos específicos ... 4

1.4 Justificación ... 5

1.5 Alcance ... 5

CAPÍTULO 2 LA BIOMASA Y SUS PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DE GAS ... 6

2.1 Biomasa ... 7

2.2 Clasificación de la Biomasa ... 7

2.3 Procesos a los cuales se puede someter a la biomasa ... 9

2.3.1 Descripción de la combustión y digestión anaeróbica ... 9

2.3.1.1 La combustión: generando calor y electricidad ... 9

2.3.1.2 Digestión anaerobia: el biogás ... 9

2.3.1.3 Características del biogás... 10

2.4 Fases de la digestión anaerobia ... 11

2.5 Parámetros ambientales y operacionales ... 12

2.6 El proceso microbiológico y bioquímico de la digestión anaerobia. ... 13

2.6.1 Hidrólisis ... 14

2.6.2 Etapa fermentativa o acidogénica. ... 15

2.6.2.1 Fermentación de carbohidratos solubles. ... 15

2.6.2.2 Fermentación de aminoácidos ... 16

2.6.2.3 Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga ... 17

2.6.3 Etapa acetogénica... 17

2.6.4 Etapa metanogénica. ... 18

2.7 Parámetros ambientales y de control ... 19

2.7.1 Temperatura. ... 19

iv

CAPÍTULO 3 ESPECIFICACIONES DEL BIODIGESTOR Y PLANTA GENERADORA .. 22

3.1 Especificaciones del Biodigestor. ... 23

3.1.1 Dimensionamiento del Sistema de Biodigestión ... 23

3.1.1.1 Determinación de Biomasa ... 23

3.1.1.2 Determinación de Flujo Volumétrico del influente ... 24

3.1.1.3 Características Físicas, Químicas y Biológicas del Influente ... 24

3.1.1.3.1 Contenido de Materia orgánica ... 24

3.1.1.3.2 El pH y humedad ... 25

3.1.1.3.2.1 Análisis físicos y químicos en los residuos sólidos orgánicos ... 25

3.1.1.3.2.2 Resultados ... 25

3.1.1.3.3 Temperatura del influente ... 26

3.1.1.3.4 Relación Carbono-Nitrógeno (C:N)... 26

3.1.1.3.5 Presencia de Agentes Inhibidores ... 26

3.1.1.4 Aspectos Geográficos ... 27

3.1.1.5 Selección del Tiempo de Retención Hidráulica ... 27

3.1.1.6 Volumen del Biodigestor ... 27

3.1.1.7 Cálculo de la producción de biogás ... 28

3.1.1.7.1 Estimativa de producción de biogás ... 28

3.2 Construcción Del Sistema De Biodigestión ... 28

3.2.1 Tipos de Biodigestor ... 28

3.2.2 Ubicación ... 30

3.2.2.1 Restricciones para la Ubicación del Sitio ... 30

3.2.3 Separador de Sólidos ... 30

3.2.4 Fosa de Mezclado ... 31

3.2.5 Obra Civil del Biodigestor ... 31

3.2.5.1 Estudio Inicial del Sitio ... 31

3.2.5.2 Excavaciones ... 31

3.2.5.3 Construcción de Taludes ... 31

3.2.5.4 Corona del Digestor ... 32

3.2.6 Sistemas de Tuberías ... 32

3.2.6.1 Tuberías del influente ... 32

3.2.6.2 Tubería de conducción de biogás ... 33

3.2.6.3 Tubería de extracción de sólidos ... 34

3.2.7 Sistema de Agitación ... 34

3.2.8 Colocación de puntos de muestreo ... 34

3.2.9 Colocación de geomembrana ... 34

3.2.10 Medidores de biogás ... 36

3.2.11 Filtro de retención de Ácido Sulfhídrico ... 36

3.2.12 Quemador de Biogás ... 36

3.2.13 Instalaciones Eléctricas ... 37

3.2.13.1 Instalación y uso de los equipos ... 37

3.2.13.2 Niveles de Tensión ... 38

3.2.13.3 Tensión Eléctrica nominal de utilización ... 38

v

3.2.13.5 Aislamiento ... 38

3.2.13.6 Ejecución mecánica de los trabajos ... 38

3.2.13.7 Montaje y enfriamiento de equipo ... 38

3.2.13.7.1 Montaje ... 38

3.2.13.7.2 Enfriamiento ... 38

3.2.13.7.3 Montaje ... 39

3.2.13.8 Generador Eléctrico ... 39

3.2.13.8.1 Protección contra sobrecorriente ... 39

3.2.13.8.2 Capacidad de conducción de corriente de los conductores ... 39

3.2.13.8.3 Características de la energía generada ... 39

3.2.13.8.4 Sistema de sincronización ... 39

3.2.13.8.5 Desconectadores ... 40

3.2.13.8.6 Sistema de protecciones ... 40

3.2.13.8.6.1 Protecciones de Interconexión ... 40

3.2.13.9 Sistema de alambrado ... 40

3.2.13.10 Cargas Eléctricas ... 40

3.2.13.11 Balanceo entre líneas ... 40

3.2.13.12 Puesta a tierra de los equipos ... 41

3.2.13.12.1 Puesta a tierra para todas las tensiones eléctricas ... 41

3.2.13.13 Apartarrayos ... 41

3.2.14 Efluentes ... 41

3.2.14.1 Aguas Residuales ... 41

3.2.14.2 Lodos Residuales ... 42

3.3 Medidas de Seguridad ... 42

3.3.1 Restricción del Acceso ... 42

3.3.2 Cerco Perimetral ... 43

3.3.3 Ubicación del Quemador ... 43

3.3.4 Señalizaciones ... 43

3.3.5 Seguridad en el Sistema de Tuberías ... 43

3.4 Plantas de Ciclo Combinado ... 44

3.4.1 Introducción ... 44

3.4.2 Proceso de la planta de ciclo combinado ... 45

vi

CAPÍTULO 4 ESTUDIO TÉCNICO ... 51

4.1 Introducción ... 52

4.2 Desarrollo de la Estructura del Proyecto ... 52

4.2.1 Localización ... 52

4.2.2 Ubicación ... 53

4.2.3 Elementos y componentes del proyecto ... 55

4.2.3.1 Biodigestor ... 55

4.2.3.1.1 Tamaño del Biodigestor ... 55

4.2.3.2 Tanque de almacenamiento de Biogás ... 56

4.2.3.2.1 Especificaciones ... 57

4.2.3.3 Purificador del Biogás ... 59

4.2.3.4 Planta Ciclo Combinado ... 60

4.2.3.4.1 Descripción ... 60

4.2.3.4.2 Componentes Principales... 61

4.2.3.4.3 Las cifras de rendimiento y las condiciones de frontera ... 61

4.2.3.4.3.1 Turbina de gas ... 61

4.2.3.4.3.2 Turbina de vapor ... 63

4.2.3.4.3.3 Generador ... 67

4.2.3.4.3.4 Sistema de Control ... 68

4.2.4 Costos ... 69

CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 71

5.1 Conclusiones ... 72

5.2 Recomendaciones ... 72

BIBLIOGRAFÍA ... 73

ANEXOS ... 74

Anexo 1.- Depuración de agua de presión... 75

Anexo 2.- Tabla de las propiedades que se requiere del biogás para su uso en la planta de ciclo combinado. ... 76

Anexo 3.- Factores de conversión ... 77

Anexo 4.- Tarifas CFE 2012. ... 79

vii

Índice de Figuras

FIGURA NO.1-1.-CAPACIDAD TOTAL INSTALADA EN MW ... 3

FIGURA NO.2-1.-EQUIVALENCIAS DE BIOGÁS CON OTRAS FUENTES DE ENERGÍA.. ... 10

FIGURA NO.2-2.-FASES DE LA FERMENTACIÓN ANAEROBIA Y POBLACIONES DE MICROORGANISMOS: ... 12

FIGURA NO.2-3.-ESQUEMA DE REACCIONES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE MATERIALES POLIMÉRICOS ... 14

FIGURA NO.2-4.-SIMPLIFICACIÓN DE LA RUTA METABÓLICA DE EMBDEN-MEYERHOF. ... 16

FIGURA NO.2-5.-DEPENDENCIA DE LA CONSTANTE DE CRECIMIENTO DE LA TEMPERATURA. ... 20

FIGURA NO.3-1.-DOMO TIPO FIJO. ... 29

FIGURA NO.3-2.-RECIPIENTE TIPO GAS FLOTANTE. ... 29

FIGURA NO.3-3.-PLANTA DE CICLO COMBINADO GAS Y VAPOR. ... 45

FIGURA NO.3-4.-PLANTA DE CICLO COMBINADO GAS Y TURBINA VAPOR. ... 46

FIGURA NO.3-5.-DIAGRAMA DE BLOQUE DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO. ... 46

FIGURA NO.3-6.-PLANTA DE CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS Y VAPOR EN EL MISMO EJE. ... 47

FIGURA NO.3-7.-DIAGRAMA DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO. ... 48

FIGURA NO.3-8.-PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO. ... 49

FIGURA NO.3-9.-CONFIGURACIÓN DE UNA PLANTA DE CICLO COMBINADO. ... 49

FIGURA NO.4-1.-LOCALIZACIÓN DEL LUGAR EN EL MAPA DE LA REPUBLICA MEXICANA. ... 52

FIGURA NO.4-2.-VISTA SUPERIOR DE LA CENTRAL DE ABASTOS. ... 53

FIGURA NO.4-3.-ÁREA DESTINADA PARA EL BIODIGESTOR Y PURIFICADOR. ... 54

FIGURA NO.4-4.-ÁREA DESTINADA PARA TANQUE DE BIOGÁS Y LA PLANTA DE CICLO COMBINADO. ... 54

FIGURA NO.4-5.-ESTRUCTURA DEL DIGESTOR DOMO TIPO FIJO ... 56

FIGURA NO.4-6.-TANQUE DE ALMACENAMIENTO EN DISEÑO DIGITAL. ... 58

FIGURA NO.4-7.-TANQUE DE ALMACENAMIENTO EN SERVICIO. ... 58

FIGURA NO.4-8.-PURIFICADOR DE BIOGÁS. ... 59

FIGURA NO.4-9.-VISTA DE UNA TURBINA DE GAS DE SIEMENS (EST®)SGT6-5000F ... 61

FIGURA NO.4-10.-ESTRUCTURA DE UNA TURBINA DE GAS DE SIEMENS (EST®)SGT6-5000F ... 62

FIGURA NO.4-11.-TURBINA DE GAS DE SIEMENS (EST®)SGT6-5000 ... 62

FIGURA NO.4-12.-TURBINA DE VAPOR SIEMENS (SST®):SST-800 ... 63

FIGURA NO.4-13.-ESTRUCTURA DE UNA TURBINA DE VAPOR SIEMENS (SST ® ):SST-900 ... 65

FIGURA NO.4-14.=ACOPLAMIENTO DE LA TURBINA DE VAPOR SIEMENS (SST®):SST-900 ... 65

FIGURA NO.4-15.-COMPOSICIÓN DE TURBINA DE VAPOR SIEMENS (SST ® ):SST-900 ... 66

FIGURA NO.4-16.-GENERADOR SGEN-1000A ... 67

FIGURA NO.4-17.-SISTEMA DE CONTROL SPPA-T3000 ... 68

Figura No A. 1.- Esquema de Depuración. ………75

viii

Índice de tablas

TABLA NO.2-1.-REACCIONES ACETOGÉNICAS QUE OCURREN EN LOS SISTEMAS ANAEROBIOS. ... 17

TABLA NO.2-2.-PRINCIPALES REACCIONES METANOGÉNICAS. ... 19

TABLA NO.3-1.-CONTENIDO DE HUMEDAD (% EN PESO) Y PH EN MUESTRAS DE RESIDUOS ORGÁNICOS ... 26

TABLA NO.3-2.-PROPIEDADES MÍNIMAS CONSIDERADAS EN LA SELECCIÓN DE GEOMEMBRANA. ... 35

ix GLOSARIO

Acetogénesis: Etapa microbiológica donde los Ácidos Grasos Volátiles (AGV´s) y los

alcoholes formados en la Acidogénesis, son degradados a acetato, gas carbónico e hidrogeno principalmente, por medio de bacterias fermentativas.

Acidogénesis: Etapa microbiológica donde los aminoácidos, ácidos orgánicos y azúcares producidos en la Hidrólisis, son transformados a alcoholes, dióxido de carbono, hidrógeno y ácidos grasos volátiles (AGV´s), mediante microorganismos fermentativos o por oxidantes anaerobios.

Acido sulfhídrico: Acido inorgánico formado por la disolución y disociación en agua del sulfuro de hidrógeno (H2S). En estado gaseoso se le conoce con el nombre de sulfuro de hidrógeno.

Acuífero: Cualquier formación geológica por la que circulan o se almacenan aguas

subterráneas, que pueden ser extraídas para su explotación o aprovechamiento.

Aguas Subterráneas: Agua que se encuentra en el subsuelo, en formaciones geológicas parcial o totalmente saturadas.

Biogás: Gas producto de la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno por

acción directa de bacterias metanogénicas. Está compuesto básicamente de gas metano, bióxido de carbono, ácido sulfhídrico, nitrógeno e hidrogeno, entre otros.

Biodigestión anaerobia: Proceso bioquímico de fermentación microbiana de sustancias

orgánicas en ausencia de oxígeno.

Biodigestor Tipo Laguna: Elemento que permite la descomposición anaeróbica de la materia

orgánica y la formación de biogás.

Biomasa: Es materia viva o materia orgánica, derivada de productos tanto de origen animal

como de origen vegetal.

Carboeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica alimentada por carbón.

Carga del Biodigestor: Proceso de alimentación de residuos orgánicos.

Caseta de seguridad del motogenerador: Construcción que protege a la instalación eléctrica

y equipos de aprovechamiento energético del biogás

Cerca perimetral: Elemento de protección colocado alrededor de la instalación del

Biodigestor y sus periféricos.

x

Eoloeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica, que aprovecha la velocidad del viento

para hacer girar sus turbinas.

Falla Geológica: Desplazamientos relativos de una parte de la roca con respecto a la otra, como resultado de los esfuerzos que se generan en la corteza terrestre.

Filtración: Separación de la humedad contenida y depuración del biogás, de las trazas de ácido sulfhídrico que lo contaminan.

Filtro de retención de ácido sulfhídrico: Sistema de depuración del biogás de las trazas de

ácido sulfhídrico que lo contaminan.

Generación de energía eléctrica: Proceso de generación de energía eléctrica mediante motogeneradores que utilizan como combustible la mezcla de gases producido por el biodigestor.

Geomembrana: Material sintético utilizado para cubrir la base, las paredes y la parte superior del biodigestor, con objeto de volverlo totalmente hermético y permitir las condiciones anaeróbicas necesarias para su operación.

Geotermoeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica, que aprovecha la energía

geotérmica del planeta.

Grado Proctor: Grado de compactación de los materiales

Hidroeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica, que aprovecha la caída del agua para

hacer girar sus turbinas.

Hidrólisis: Reducción de biopolímeros de gran contenido molecular como polisacáridos, lípidos y proteínas a moléculas más sencillas como azucares simples, ácidos orgánicos y aminoácidos, por acción de enzimas producidas por microorganismos aerobios facultativos, en presencia de agua.

Infiltración: Penetración de un líquido a través de poros o intersticios de un suelo, subsuelo o cualquier material natural o sintético.

Laguna secundaria: Elemento para recepción y almacenaje transitorio de los efluentes del biodigestor.

Medidor de flujo de biogás: El instrumento utilizado para cuantificar el volumen de biogás

que fluye del biodigestor hacia el quemador o al motogenerador.

Metanogénesis: Etapa final del proceso de biodigestión anaeróbica que implica la conversión

de compuestos simples de carbono en metano por la acción de bacterias metanogénicas.

xi

Motogenerador eléctrico.- Dispositivo electromecánico generador de energía eléctrica

utilizando el biogás como combustible.

Nucleoeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica, cuya materia prima es el uranio.

Quemador: Sistema para llevar a cabo la combustión completa del metano, que es generado

en el Biodigestor.

Remoción de lodos: Procedimiento empleado para descargar el biodigestor de los sólidos asentados en el proceso.

Residuos orgánicos: Es todo aquel que proviene de la materia viva, como comida, huesos, plantas, cascaras, hojas, etc.

Seguridad: Protocolo de procedimientos a seguir y equipos a instalar, para evitar accidentes

durante la operación del sistema de biodigestión anaeróbica.

Sintrófica: Se conoce también como alimentación cruzada, la especie citada en primer lugar

proporciona a la segunda el dador de electrones (de hidrógeno) y la segunda a la primera el aceptor de electrones (de hidrógeno).

Sistema de recolección de excretas: Sistema de tuberías instalado para conducir las excretas

de cada edificio al biodigestor

Sistema de calentamiento del biodigestor: Intercambiador de calor que permite inyectar calor al sistema, para mantener una temperatura apta para la producción de biogás.

Sistema de agitación y extracción de lodos: Conformado por una bomba conectada a un cabezal al que están interconectadas las tuberías del sistema de agitación y expulsión de lodos, que provoca turbulencia en todos los espacios de la fosa del biodigestor.

Sistema de colección de biogás: Sistema que colecta el biogás dentro del biodigestor y lo conduce hacia el sistema de manejo de gases.

Sistema de manejo de gases: Equipo que seca, presuriza y cuantifica volumétricamente el flujo del biogás que sale del biodigestor y va hacia el quemador y/o al motogenerador de energía eléctrica.

Sistema de medición de gases: El instrumento utilizado para cuantificar el volumen de biogás

que fluye del biodigestor hacia el quemador o al motogenerador.

Sistema de condensación de humedad: Sistema que retira la humedad contenida en el

biogás.

xii

Termoeléctricas: Planta generadora de energía eléctrica que requiere de vapor, gas, combustóleo, vapor extraído del subsuelo, etc.

Termofusión.- Fenómeno de soldado térmico de la geomembrana.

1

-CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

2 -1.1 Planteamiento del problema

En los últimos años se ha suscitado un problema por la generación de residuos orgánicos y/o residuales que van en aumento en la ciudad de México (Principalmente en los grandes mercados y/o tianguis), estos residuos además generan gases (principalmente metano) que no están siendo aprovechados. Lo anterior se debe principalmente al gran crecimiento poblacional que esta viviendo nuestro país, esto a su vez crea más necedades dentro de la sociedad, como lo es la demanda de energía eléctrica, por lo cual se tendría que trabajar para garantizar la demanda de energía eléctrica que aumentara en los próximos años, aunado a esto esta la limitación de creación de plantas generadoras contaminantes del medio ambiente, como lo son las plantas Carboeléctricas, Termoeléctricas (Diesel, carbón, etc.), y Nucleoeléctricas, esta ultima la mas costosa, contamínate y riesgosa de todas. Además por seguridad su ubicación debe de ser lejos de las ciudades, provocando altos costos en la transmisión de la energía eléctrica desde su generación hasta los puntos de consumo, que en este caso son las grandes ciudades.

En la actualidad la transmisión de energía eléctrica se ve complicada y muy costosa, ya que es necesario estudios más complejos de reconfiguración y de la modificación de las líneas de distribución para satisfacer la demanda, que se deriva de la expansión de las ciudades por lo que se busca la creación de plantas generadoras mas cercas de los puntos de consumo, y que su proceso de generación sea lo menos contaminante para el medio ambiente.

Por otro lado, el gran deterioro y contaminación que ha sufrido el planeta, ha puesto a varias autoridades internacionales a fomentar la creación de plantas generadoras denominadas plantas verdes. Este tipo de plantas generadoras son las que aprovechan los recursos naturales como agua, gas, energía solar, viento y biomasa, etc. Estas circunstancias también se derivan por tener que proveer un recurso diferente a los energéticos (Petróleo, carbón, diesel, etc.), ya que los energéticos son cada vez mas difícil de conseguir, y por ende más caro su seria su uso

Además algunas plantas como las Hidroeléctricas, Geotermoeléctricas, Eoloeléctricas, etc., deben de ser construidas en lugares donde se tengan las condiciones necesarias para su operación, también se debe hacer un estudio de los lugares que cuenten con los recursos que necesitan dichas plantas, que además este tipo de plantas generadoras requiere de ciertas condiciones, por ejemplo, las centrales hidroeléctricas requieren de una presa y dependen de la temporada de lluvias, o las plantas Eoloeléctricas que necesitan la velocidad del viento para su operación.

3 -Capacidad total instalada en México

Hasta Agosto de 2010 la capacidad total instalada (servicio público y sector privado) para la generación de energía eléctrica en México es de 60.795 MW. La mayor parte es aportada por plantas termoeléctricas con un total de 43,231 MW ó 71% del total.

Según la definición de fuentes de energías renovables del Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovable, lo cual no contempla plantas hidroeléctricas con una capacidad mayor a 30 MW, se cuenta con una capacidad instalada a partir de dichas fuentes de 2,365 MW ó 4%.

Figura No. 1-1.- Capacidad Total Instalada en MW (Excluye Exportación e Importación)

4 -1.2 Objetivo general

Conocer una alternativa de generación de energía eléctrica aprovechando la biomasa (sólo para residuos orgánicos), y de esa forma ayudar al sistema eléctrico de Potencia nacional a satisfacer la demanda de la población, y con ello reducir el impacto que genera los residuos orgánicos en los depósitos de Basura y medio ambiente en la Ciudad de México. Además de contribuir a los proyectos que se están implementando internacionalmente para la reducción de emisiones de gases al medio ambiente.

1.3 Objetivos específicos

 Aprovechar la producción de metano que se genera de la fermentación de residuos orgánicos, en un proceso anaerobio a partir de la biomasa, para la generación de energía eléctrica en una planta de Ciclo Combinado.

 Proporcionar energía eléctrica al sistema de potencia.

 Ayudar a contribuir al cuidado del medio ambiente, al reducir la cantidad de plantas generadoras de energía eléctrica a partir de combustión de recursos energéticos, y con ello reducir los gases de efecto invernadero.

5 -1.4 Justificación

En la actualidad con el crecimiento poblacional y de desechos orgánicos en la ciudad de México , se requiere dar una alternativa confiable, económica y segura que utilice parte de los residuos orgánicos para satisfacer alguna demanda de la sociedad, en este caso para estas ciudades se requiere satisfacer la demanda de energía eléctrica que se debe por el aumento y expansión de la misma ciudad, una manera de hacerlo es por medio del aprovechamiento del Biogás que se genera por la fermentación de residuos orgánicos a partir de un proceso anaerobio.

Como se puede observar en la Figura No. 1-1, que las plantas de Generación termoeléctricas son las más utilizadas en nuestro país. Esto se debe a que en las últimas décadas las Plantas de Ciclo Combinado se han convertido en las preferidas por las empresas nacionales y sobre todo en las empresas privadas, por la gran eficiencia que han alcanzado dichas Plantas (57%) con el uso de gas natural a un costo menor en comparación con las plantas que utilizan petróleo o carbón.

Por lo anterior, se busca determinar la capacidad de generación de una Planta de Ciclo Combinado utilizando Biogás, y con ello además de ayudar al medio ambiente, se convertiría en una opción mas económica y eficiente de generación de energía eléctrica Que además se pueden crear cercas de las ciudades y depósitos de basura, por lo cual la materia energética se encuentra cerca y eso reducirá costos, pero además se aprovechara los gases que expiden dichos depósitos de basura, y por tal se reducirá el riesgo de explosión que se tiene cuando el deposito se encuentra al aire libre y que además es un riesgo para la salud de los seres vivos en su entorno.

1.5 Alcance

El presente trabajo proporciona información sobre los tipos de procesos que existen para el tratamiento de la biomasa, pero solo se detallara el proceso de digestión anaeróbica (para la obtención de Biogás). Se mencionaran los tipos de plantas generadoras de energía eléctrica que se pueden aprovechar el Biogás producido por el proceso de digestión anaeróbica, y se enfatizara en la planta de Ciclo Combinado.

6

-CAPÍTULO 2

LA BIOMASA Y SUS PROCESOS PARA LA

OBTENCIÓN DE BIOGÁS

En este capitulo se conocerá lo que es la biomasa, su clasificación y los procesos

por los que pasa para la obtención de Biogás, así mismo los parámetros que hay

7 -2.1 Biomasa

La biomasa tiene varias definiciones, pero todas se relacionan y coinciden en lo mismo, la biomasa es materia viva o materia orgánica, derivada de productos tanto de origen animal como de origen vegetal.

La biomasa es un recurso renovable, que debe ser utilizada con fines energéticos que ayuden al medio ambiente, ya que de los carbohidratos podemos extraer energía por varios procesos, uno seria quemándola directamente, otros convirtiéndola en alcohol, aceite, o transformándola en gas, esta última es la que se empleara para nuestro estudio.

2.2 Clasificación de la Biomasa

La clasificación de la biomasa depende del tipo de uso y de criterio del que lo emplea, a continuación se mostrara una clasificación que se vincule al tema.

La biomasa natural, de forma resumida, sería la que se produce en la naturaleza sin intervención humana en bosques, matorrales, etc. Esta biomasa natural debiera ser protegida y no poder ser utilizada con fines energéticos, salvo excepciones muy concretas, pues su empleo masivo puede provocar la destrucción de ecosistemas naturales.

La biomasa residual, de forma resumida, sería la que se produce en cualquier actividad humana, destacando los subproductos de las industrias forestales, agrícolas, ganaderas, etc. Se engloban en este apartado, también, los residuos sólidos urbanos, lodos de papeleras, aguas residuales industriales, etc.

Esta biomasa residual debe aprovecharse, bien con fines energéticos, bien con otros fines de valorización (reutilización y/o aprovechamiento másico), siendo su aprovechamiento muy positivo y aconsejable. [1]

Residuos sólidos urbanos (RSU), conocidos como “basura”; según la LGPGIR son “los

generados en las casas habitación, que resultan de la eliminación de los materiales que utilizan en sus actividades domésticas, de los productos que consumen y de sus envases, embalajes o empaques; los residuos que provienen de cualquier otra actividad dentro de establecimientos o en la vía pública que genere residuos con características domiciliarías, y los resultantes de la limpieza de las vías y lugares públicos, siempre que no sean considerados por esta Ley como residuos de otra índole.” Son responsabilidad de lo municipios y del Distrito Federal. [3]

Biomasa de los residuos

8

-Residuos forestales: los residuos del aprovechamiento de nuestros bosques son una fuente muy importante de recursos de biomasa. Entre ellos se encuentran restos de las podas, aserrín, virutas, recortes y cortezas, que se generan tanto en el campo como en las industrias donde se aprovecha la madera, que son las principales consumidoras de este recurso con fines energéticos.

Residuos agrícolas: son de muchos tipos, desde las podas de olivos, vides y frutales hasta los residuos de cultivos herbáceos, como la paja de cereales. Parte de estos residuos se queda en el campo, para recuperar los nutrientes de la tierra, pero otra parte puede ser usada como combustible

Igual que en el caso anterior, dentro de este grupo se incluyen los residuos que se generan en las industrias que tratan los productos agrícolas, como el orujillo en el caso de la producción de aceite de oliva o las cáscaras de almendra en el caso de las industrias de frutos secos.

Cultivos energéticos

Las plantas que se cultivan con el fin de convertirlas en energía se llaman cultivos energéticos y como hay tantas plantas distintas pueden ser de tantas formas como uno se pueda imaginar. En la práctica, los cultivos energéticos se adaptan al clima y al suelo de cada lugar y así en lugares como los países nórdicos hay bosques orientados a producir madera que se quema en centrales eléctricas, mientras que en nuestras latitudes los cultivos energéticos se orientan a plantas herbáceas. Así, por ejemplo, cereales y oleaginosas como la colza son cultivados de forma expresa con el objetivo de producir, respectivamente, alcohol o aceite, que tras un tratamiento podrán ser empleados en motores de automóviles. [2]

Los cultivos energéticos, de forma resumida, serían la biomasa que se produce con el único fin de ser aprovechada energéticamente.

a) Es una alternativa relativamente reciente.

9

-2.3 Procesos a los cuales se puede someter a la biomasa

Procesos:

A. Termoquímicos

 Combustión directa  Pirolisis

 Gasificación

B. Biológicos

 Digestión anaerobia: reacción biológica que se realiza en ausencia de oxigeno y produce biogás.

 Fermentación alcohólica: Generación de etanol y metanol  Foto bioreactores (Algas aceites) [4]

2.3.1 Descripción de la combustión y digestión anaeróbica

2.3.1.1 La combustión: generando calor y electricidad

Quemar la biomasa para obtener calor con el que abastecer directamente las necesidades de una industria o de viviendas, o bien producir electricidad en una central térmica es la forma más habitual de obtener energía a partir de la biomasa.

2.3.1.2 Digestión anaerobia: el biogás

La digestión anaerobia es el proceso natural de descomposición de la materia orgánica en ausencia de aire a través de bacterias. [2]

El biogás contiene un alto porcentaje en metano, CH4 (entre 50-70%), por lo que es

susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible. [5]

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más adecuados para la reducción de emisiones de efecto invernadero [5], el aprovechamiento energético de los residuos

orgánicos para la generación de biogás tiene un balance positivo, porque se puede aprovechar para varios fines.

Uno de los subproductos de ese proceso natural es el llamado biogás, que es una mezcla de gases en los que aparece el metano junto con otros incombustibles como el CO2 y que como

consecuencia tiene un poder calorífico menor que el gas natural. Aunque sea un gas más pobre que el que utilizamos de forma habitual, tiene a su favor que se genera a partir de un residuo, que es tratado de esta forma, que se puede producir de forma local y próxima al consumo [5],

10 -Los beneficios asociados a la digestión anaerobia son:

 Reducción significativa de malos olores.  Mineralización

 Producción de energía renovable si el gas se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil,

 Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la reducción de emisiones incontroladas de CH4, (que produce un efecto invernadero 20 veces superior

al CO2), y reducción del CO2 ahorrado por sustitución de energía fósil. [5]

2.3.1.3 Características del biogás

El biogás es el producto gaseoso de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Su composición, que depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada, puede ser la siguiente:

 50-70% de metano (CH4).

 30-40% de anhídrido carbónico o dióxido de carbono (CO2).

 ≤ 5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y otros gases.

Debido a su alto contenido en metano, tiene un poder calorífico algo mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural. Un biogás con un contenido en metano del 60% tiene un poder calorífico de unas 5.500 kcal/Nm3 (6,4 kWh/Nm3) [5]. Se puede considerar como un

combustible ideal, salvo por el contenido en H2S, con unas equivalencias que se muestran en

la figura No. 2.1.

3 . 1 m Biogás 70% CH4 + 30% CO2

6000 kcal

1.2 L Alcohol

Combustible _{0.8 L de}

Gasolina

60% de gas Natural 0.71 L de

Disel

6.8 kWh de Electricidad 1.5 kg de

Madera 0.3 kg de

Carbom

11 -2.4 Fases de la digestión anaerobia

La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos), interviniendo 5 grandes poblaciones de microorganismos (Figura No. 2.2). Estas poblaciones se caracterizan por estar compuestas por seres de diferentes velocidades de crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la

acidogénesis de aminoácidos). Esto implica que cada etapa presentará diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato y que el desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del pH. Para la estabilidad del pH es importante el equilibrio CO2-bicarbonato. Para hacer posible algunas

reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas diferentes poblaciones. [5]

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-MATERIA ORGÁNICA

Proteínas Glúcidos Lípidos

Aminoácidos, azúcares Ácidos grasos, alcoholes

Productos intermedios (Ac. Propionico, butirico,

etc…..)

Ac. Acético H2 CO2

CH4 + CO2

HIDRÓLISIS

ACIDOGÉNESIS

METANOGÉNESIS

1 1 1

1 1 1 1

1 1

2 2

3

4 5

Figura No. 2-2.- Fases de la fermentación anaerobia y poblaciones de microorganismos:

1) Bacterias hidrolíticas-acidogénicas; 2) Bacterias acetogénicas; 3) Bacterias homoacetogénicas; 4) Bacterias metanogénicas hidrogenófilas; 5) Bacterias metanogénicas acetoclásticas. Fuente GIRO.

2.5 Parámetros ambientales y operacionales

Los parámetros ambientales que hay que controlar hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del proceso. Estos son:

 pH, que debe mantenerse cercano a la neutralidad.

 Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.

 Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mV.

 Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los microorganismos.  Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima posible.

Los parámetros operacionales hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores:  Temperatura. Podrá operarse en los rangos psicrofílico (temperatura ambiente),

13

- Agitación. En función de la tipología de reactor debe transferirse al sistema el nivel de energía necesario para favorecer la transferencia de substrato a cada población o agregados de bacterias, así como homogeneizar para mantener concentraciones medias bajas de inhibidores.

 Tiempo de retención. Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos. En la Figura 5 se indica la tendencia general de los índices de eliminación de materia orgánica (expresada en forma de sólidos volátiles, SV) y de producción específica de gas, por unidad de volumen de reactor, en función del tiempo de retención. Notar que existe un tiempo mínimo por debajo del cual el reactor no presenta actividad, que la eliminación de materia orgánica sigue una tendencia asintótica, con una eliminación completa a tiempo infinito, y una producción de gas por unidad de volumen de reactor con un máximo para un tiempo de retención correspondiente a una eliminación de substrato entre el 40 y el 60%. [5]

2.6 El proceso microbiológico y bioquímico de la digestión anaerobia.

La digestión anaerobia es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas.

De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea.

Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposición anaerobia de la materia orgánica en cuatro fases o procesos:

 Hidrólisis

 Etapa fermentativa o acidogénica  Etapa acetogénica

 Etapa metanogénica

La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, hidratos de carbono y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidogénicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles más sencillos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga) que son fermentados por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono, mediante la acción de los microorganismos acetogénicos. Por último, los microorganismos metanogénicos producen metano a partir de acético, H2 y CO2.

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-MATERIA ORGÁNICA COMPLEJA

Proteínas Carbohidratos Lípidos

Aminoácidos, azúcares Ácidos grasos, alcoholes

Productos intermedios (Ac. Propionico, butirico,

etc…..)

Ac. Acético H2 CO2

CH4 + CO2

HIDRÓLISIS

ACETOGÉNESIS

METANOGÉNESIS HIDROGENOTRÓFICA

1 1 1

1 1 1 1 2 2 3 4 5 FE RME N TA C IÓ N METANOGÉNESIS ACETOCLASTICA

Figura No. 2-3.- Esquema de reacciones de la digestión anaerobia de materiales poliméricos (Pavlosthatis y Giraldo-Gómez, 1991) Los números indican la población bacteriana responsable de cada proceso: 1:

bacterias fermentativas; 2: bacterias acetogénicas que producen

2.6.1 Hidrólisis

La hidrólisis de la materia orgánica polimérica a compuestos solubles o monómeros es el paso inicial para la degradación anaerobia de sustratos orgánicos complejos, ya que los microorganismos únicamente pueden utilizar materia orgánica soluble que pueda atravesar su pared celular. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaerobia. Como ya se ha comentado, la hidrólisis de estas moléculas complejas es llevada a cabo por la acción de enzimas extracelulares producidas por los microorganismos hidrolíticos.[6]

La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todo cuando se tratan residuos con alto contenido en sólidos (Pavlosthatis y Giraldo Gómez, 1991). Además, la hidrólisis depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración

de los productos de la hidrólisis (Speece,1983).[5]

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-Las proteínas constituyen un sustrato muy importante en el proceso de digestión anaerobia ya que además de ser fuente de carbono y energía, los aminoácidos derivados de su hidrólisis tienen un elevado valor nutricional. Las proteínas son hidrolizadas en péptidos y aminoácidos por la acción de enzimas proteolíticas llamadas proteasas. Parte de estos aminoácidos son utilizados directamente en la síntesis de nuevo material celular y el resto son degradados a ácidos grasos volátiles, dióxido de carbono, hidrógeno, amonio y sulfuro en posteriores etapas del proceso.[6]

La degradación de los lípidos en ambientes anaerobios comienza con la ruptura de las grasas por la acción de enzimas hidrolíticas denominadas lipasas produciendo ácidos grasos de cadena larga y glicerol.

La velocidad de degradación de los materiales lignocelulósicos, compuestos principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta que suele ser la etapa limitante del proceso de hidrólisis y por tanto, de la degradación anaerobia de determinados sustratos.

Esto es debido a que la lignina es muy resistente a la degradación por parte de los microorganismos anaerobios, afectando también a la biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros hidratos de carbono. Los principales productos de la hidrólisis de la celulosa son celobiasa y glucosa, mientras que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas y ácidos urónicos.[6]

2.6.2 Etapa fermentativa o acidogénica.

Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico, H2), y compuestos orgánicos más reducidos (propiónico, butírico, valérico, láctico y

etanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas en la siguiente etapa del proceso.[6]

2.6.2.1 Fermentación de carbohidratos solubles.

La principal ruta metabólica de degradación de glucosa para formar ácidos orgánicos es la de Embden-Meyerhof (Figura No 2.4) que tiene como principal intermediario el piruvato.

La fermentación de azúcares se realiza por diversos tipos de microorganismos. En función de cada organismo, la ruta metabólica y los productos finales son diferentes. Los principales microorganismos asociados a la degradación de la glucosa son del género Clostridium y convierten la glucosa en butírico, acético, CO2 y H2. La glucosa se convierte en piruvato

mediante la ruta Embden-Meyerhof, y el piruvato se desdobla a Acetil-CoA y CO2. El

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-Glucosa Glucosa 6 fosfato

ATP ADP

Fructosa 1:6 difosfato 2 [gliceraldehido-fosfato]

ATP

ADP

2 [1:3 difosfoglicerato] Fosfato 2NAD

2NADH + 2H

4ADP

4ATP

2 [piruvato] 2 [acetil-CoA]

2NADH + 2H 2NAD 2NADH + 2H

2NAD

2 [Acido acético] [Acido butirico] 2 [Acido propionico]

Figura No. 2-4.- Simplificación de la ruta metabólica de Embden-Meyerhof de degradación de la glucosa de por las bacterias acidogénicas.

2.6.2.2 Fermentación de aminoácidos

Los principales productos de la fermentación de aminoácidos y de otras moléculas hidrogenadas son ácidos grasos de cadena corta, succínico, aminovalérico y H2. La

fermentación de aminoácidos se considera un proceso rápido y que, en general, no limita la velocidad de degradación de compuestos proteicos.

Las bacterias proteolíticas que mayoritariamente se han identificado, pertenecen al género Clostridium, aunque otras especies tales como Peptococcus y Bacteroides también están presentes.

Los productos finales de la oxidación son NH3, CO2 y un ácido carboxílico con un átomo de

17

-2.6.2.3 Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga

Los ácidos grasos de cadena larga son oxidados a ácidos grasos de cadena corta por el mecanismo de β-oxidación. Los ácidos grasos libres son introducidos en la célula a través de la pared celular y una vez en su interior, son transformados en el correspondiente tio-ester-CoA. La β-oxidación es un ciclo en espiral que va liberando un acetil –CoA en cada bucle, produciendo, principalmente ácido acético.[6]

En condiciones anaerobias, este mecanismo es termodinámicamente desfavorable y muy dependiente de la presión parcial del hidrógeno, por lo que es de gran importancia la acción simbiótica de los microorganismos consumidores de hidrógeno para que se pueda producir.

2.6.3 Etapa acetogénica.

Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente por los organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles como

valeriato, butirato, propionato, etc y algunos compuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, acetato y H2, a través de las bacterias acetogénicas. Representantes

de los microorganismos acetogénicos son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.

Desde el punto de vista termodinámico, estas reacciones no son posibles porque en condiciones estándar (pH=7, T=25ºC, P=1 atm), presentan energías libres de reacción positivas, tal y como se muestra en la Tabla No. 2.1

Tabla No. 2-1.- Reacciones acetogénicas que ocurren en los sistemas anaerobios.

Reacciones acetogénicas KJ

Etanol y Láctico

Etanol + H2O → Acetato + H+ + 2H2 + 9.6

Lactato-1 + 2H2O → Acetato-1 + H+ + 2H2 + HC -4.2

Ácidos Grasos

Acetato-1 + 4H2O → H+ + 4H2 + 2HC +104.6

Propianato-1 + 3H2O → Acetato-1 + HC + H+ + 3H2 76.1

Butirato -1 + 2H2O → 2Acetato-1 + H+ + 2H2 +48.1

Valerato-1 + 3H2O → 3Acetato-1 + 2H+ + 4H2 +96.2

Aminoácidos

Alanina + 3H2O → Acetato-1 + HC + + H+ + 2H2 +7.5

Aspartato-1 + 4H2O → Acetato-1 + 2HC + + H+ + 3H2 -14.0

Leucina + 3H2O → Isovalerato-1 + HC + + H+ + 2H2 +4.2

Glutamato-1 + 4H2O → Propionato-1 + 2HC + + H+ + 3H2 -5.8

18

-Sin embargo, a presiones parciales de H2 bajas (del orden de 10-4-10-5 atm), estas reacciones

pasan a ser termodinámicamente favorables y la variación de energía libre es suficiente para permitir la síntesis de ATP y el crecimiento bacteriano. Por tanto, el principal inhibidor de la acetogénesis, cuya acumulación provoca la rápida acumulación de sustratos, es la acumulación de hidrógeno molecular. Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos. Este tipo de bacterias son capaces de crecer heterotróficamente en presencia de azúcares o compuestos monocarbonados (como la mezcla H2/CO2) produciendo

como único producto acetato. Al contrario que las bacterias acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como resultado de su metabolismo, sino que lo consumen como sustrato.

Según se ha estudiado, el resultado neto del metabolismo homoacetogénico permite mantener bajas presiones parciales del hidrógeno y, por tanto, permite la actividad de las bacterias acidogénicas y acetogénicas. Como veremos a continuación, las bacterias metanogénicas hidrogenotróficas también consumen H2 ayudando así al mantenimiento de presiones parciales

bajas del H2. Los principales microorganismos homoacetogénicos que han sido aislados son

Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum.[6]

2.6.4 Etapa metanogénica.

Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaerobia mediante la formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas. Los

organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea y tienen características comunes que los diferencian del resto de procariotas. Un ejemplo es que todos ellos poseen varias coenzimas especiales, siendo la coenzima M, la que participa en el paso final de la formación del metano.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del sustrato principal que metabolizan: hidrogenotróficos, que consumen H2/CO2 y fórmico y

acetoclásticos, que consumen acetato, metanol y algunas aminas. Las principales reacciones metanogénicas se recogen en la Tabla No. 2.2.

Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaerobios se forma a partir del acetato a pesar de que, mientras todos los organismos metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sólo dos géneros pueden utilizar acetato. Los dos

19

-Tabla No. 2-2.- Principales reacciones metanogénicas.

Reacciones Hidrogenotróficas ∆G° (kJ)

4H2 + H + 2HCO3 → Acetato + 4H2O -104.6

4H2+ 4S → 4HS- + 4H+ -112

4H2 + 2HCO3+ H → CH4 + 3H2O -135.6

4H2 + 4S + H → HS- + 4H2O -151.9

4H2+ 4 fumarato → 4 succionato -344.6

4H2 + NO3+ 2H → NH4 + 3H2O -599.6

Intercoversion format-hidrogeno

H2 + HCO3→ formato + H2O -1.3

Metanogénesis acetoclastica

Acetato + H2O → HCO3 + CH4 -91.0

Metanogénesis a partir de otros substratos Fornico 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O

Metanol 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O

Trimetil-amina 4(CH3)3N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3

Dimetil-amina 2(CH3)2N + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 2NH3

Momometil-amina 4(CH3)N + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 4NH3

2.7 Parámetros ambientales y de control

2.7.1 Temperatura.

La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad decrecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores producciones de biogás.

La temperatura de operación del digestor, está considerada uno de los principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaerobia. Variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden provocar la desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura.

Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos anaerobios: psicrofílico (por debajo de 25ºC), mesofílico (entre 25 y 45ºC) y termofílico (entre 45 y 65ºC), siendo la velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor conforme aumenta el rango de temperaturas.

20

-Hasta el momento, el rango psicrofílico ha sido poco estudiado y, en general, se plantea como poco viable debido al gran tamaño del reactor necesario. Sin embargo, presenta menores problemas de estabilidad que en los otros rangos de operación.

El régimen mesofílico de operación es el más utilizado a pesar de que en la actualidad se está utilizando cada vez más el rango termofílico para conseguir una mayor velocidad del proceso (lo que significa un aumento en la eliminación de materia orgánica y en la producción de biogás) y una mejor eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen termofílico suele ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por la mayor toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas, como el nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga.

100 0 20 40 60 80

20 40 60 80

Termofilico

Mesofilicos Psicrofilicos

Temperatura (ᴼC)

Tas a d e cr ec im ie n to s d e m etan o gé n ic o s (% )

Figura No. 2-5.- Dependencia de la constante de crecimiento de la temperatura. [6]

Una técnica interesante es la combinación de dos fases de digestión, una primera termofílica de elevada carga orgánica y una segunda mesofílica con menor carga. Con este sistema se aprovechan las ventajas del sistema termofílico pero se reducen los problemas de inestabilidad.

La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos físico-químicos de mismo. La solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favoreciéndose la transferencia líquido-gas. Esto supone un efecto positivo para el caso de gases tales como NH3, H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos anaerobios.

Una posible desventaja de este fenómeno es que el descenso de la solubilidad del CO2

provocaría un aumento del pH, lo que generaría, en fangos de elevada concentración de amonio, posibles situaciones de inhibición por NH3.

21

-2.7.2 pH y alcalinidad.

Los diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestión anaerobia presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a la neutralidad entre los siguientes valores:

 Fermentativos: entre 7.2 y 7.4  Acetogénicos: entre 7.0 y 7.2  Metanogénicos: entre 6.5 y 7.5

Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6 ni subir de 8. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción de biogás sino también su composición. Una de las consecuencias de que se produzca un descenso del pH a valores inferiores a 6 es que el biogás generado es muy pobre en metano y, por tanto, tiene menores cualidades energéticas.

El pH es una de las variables utilizadas en el diagnóstico de los sistemas anaerobios (aunque no se considera una buena variable de control por ser demasiado lenta) ya que muchos fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Un ejemplo de ello, son las situaciones de acidificación de un reactor anaerobio provocadas por desequilibrios en la producción y consumo de ácidos grasos volátiles. La acumulación de éstos provoca un descenso en el pH que será más o menos acusada en función de la alcalinidad del medio.

Por otra parte, el pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio, pudiendo desplazarlos hacia la formación de un determinado componente que tenga influencia en el proceso. Este es el caso de los equilibrios ácido-base del amoníaco y del ácido acético: Al aumentar el pH se favorece la formación de amoníaco que, en elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento microbiano y a pH bajos se genera mayoritariamente la forma no ionizada del ácido acético, que inhibe el mecanismo de degradación del propionato.

22

-CAPÍTULO 3

ESPECIFICACIONES DEL BIODIGESTOR Y

PLANTA GENERADORA

En este capitulo se conocerá como realizar el Biodigestor, esto de acuerdo a lo

recomendado y especificado, además se vera que parámetros tomar en

consideración para el optimo desempeño del mismo. Por otro lado se vera lo

23 -3.1 Especificaciones del Biodigestor.

El sistema de biodigestión anaeróbica al cual aplican estas especificaciones técnicas, es el que procesa residuos orgánicos, de manera general, a través de un Biodigestor. [7]

El sistema de biodigestión anaeróbico, consiste de un proceso centralizado de manejo de residuos orgánicos, las cuales son enviadas a un biodigestor, con un sistema de agitación y remoción de lodos, una laguna secundaria, un sistema de recolección, conducción y utilización del biogás para generación de energía eléctrica.[7]

3.1.1 Dimensionamiento del Sistema de Biodigestión

Para el dimensionamiento de los sistemas de biodigestión se considerarán factores, que permitan, en primera instancia, conocer la cantidad real disponible de residuos orgánicos dentro la unidad productiva, así como una serie de factores que se describirán a continuación, mismos que podrán utilizarse para realizar estimaciones adecuadas de su dimensionamiento, los cuales deberán quedar registrados en las memorias de cálculo que determinen el potencial de producción de biogás del sistema.[7]

Los factores base que deberán considerarse en el dimensionamiento de biodigestores serán:

 Tipo y disponibilidad de la biomasa (residuos orgánicos)  Características Físicas, Química y Biológicas de la biomasa  Aspectos Geográficos de la zona

3.1.1.1 Determinación de Biomasa

Estos cálculos deberán basarse en la información proveniente de cada caso en particular [7],

por ejemplo, para mercados, de la estructura y desarrollo mes con mes, durante el año de operación representativo, en donde se registren los movimientos de entradas y salidas por compra venta, y las cantidades de desperdicio que se generan por dichos movimientos en ese lapso de tiempo.

24

-3.1.1.2 Determinación de Flujo Volumétrico del influente

Posterior a la estimación de biomasa dentro de la unidad productiva, para el diseño del biodigestor, se deberá considerar el flujo volumétrico que se dispondrá dentro del mismo. Para esto, se identificará la cantidad de agua que se ocupará dentro del sistema. Lo anterior, debido a que la eficiencia de proceso anaeróbico dependerá de una correcta relación agua-contenido de sólidos. [7]

La cantidad de agua disponible para ser utilizada en el diseño del biodigestor, dependerá del sistema de manejo de residuos orgánicos con el que cuentan las unidades productivas (Golpe de Agua, Escrepa, fosa inundada, manual, entre otros).

En ninguno de los casos, se considerará el uso y aplicación de agua limpia [7], el agua a utilizar

en estos casos seria no potable. Una vez alcanzado el grado de dilución óptima, se deberá evitar la incorporación adicional de agua, a efecto de no provocar una disminución en la materia orgánica a biodegradar, conllevando a una reducción de producción de biogás.

Se diseñará el sistema de biodigestión tomando las consideraciones antes descritas, y asegurará que la estimación del flujo del influente contendrá la relación adecuada agua-sólidos.

Los porcentajes de humedad en las muestras obtenidas de los seis mercados analizados están en un rango del 80 al 86 % en peso. [8]

3.1.1.3 Características Físicas, Químicas y Biológicas del Influente

A efecto de garantizar una eficiente producción de biogás, se deberá tomar en cuenta, para el dimensionamiento del sistema de biodigestión, datos de las características físicas, químicas y biológicas del influente. [7]

Entre los principales parámetros a considerar, se encuentran:

 Contenido de Sólidos (Sólidos Totales, Sólidos Sedimentables, Sólidos Volátiles)  El pH y humedad

 Temperatura del influente  Relación Carbono-Nitrógeno

 Demanda Bioquímica y Química de Oxígeno  Presencia de Agentes Inhibidores

3.1.1.3.1 Contenido de Materia orgánica

25

-En este sentido, se deberán de considerar datos de la cantidad de sólidos volátiles, Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y de la Demanda Química de Oxígeno (DQO), mismos que servirán para cuantificar la carga orgánica del sistema, el cual será el parámetro base para calcular el volumen del biodigestor.[7]

3.1.1.3.2 El pH y humedad

Este parámetro permitirá considerar en el diseño, la alcalinidad o acidez del influente, ya que estos, en caso de no encontrarse en un intervalo óptimo, limitarán o en su caso inhibirán, las diferentes etapas microbiológicas de la degradación anaerobia (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis).

3.1.1.3.2.1 Análisis físicos y químicos en los residuos sólidos orgánicos

La preparación de las muestras en el laboratorio para su análisis se realiza de acuerdo con la norma NOM-AA-521985.

Se efectuaron determinaciones de humedad, pH, nitrógeno, fósforo y potasio, para conocer las características físicas y químicas de los residuos y sobre esta base decidir el tipo de proceso de fermentación. Los análisis físicos se hicieron con 5 repeticiones y los químicos por duplicado.

La humedad se determinó por la norma NOM-AA-161984, el pH por la (NOM-AA-251984), el nitrógeno por el método Kjeldahl (NOM-AA-241984), el fósforo por colorimetría con cloruro estañoso y molibdato de amonio (NOM-AA-321976) y el potasio por flamometría (SECOFI 1985). [8]

3.1.1.3.2.2 Resultados

Se efectuaron 5 determinaciones de humedad y pH para asegurar mayor representatividad en los análisis y con ello tener más confiabilidad en los resultados, pues se observó gran variabilidad de un análisis a otro en la misma muestra.

26

-Tabla No. 3-1.- Contenido de humedad (% en peso) y pH en muestras de residuos orgánicos

(valores promedio). [8]

Mercado % de

humedad

pH

Benito Juárez 80.04 5.30

Revolución 84.18 5.10

Nicolás Bravo 83.65 5.10

Independencia 80.56 5.20

Abastos 86.06 4.90

Vasco de Quiroga 84.65 4.80

Promedio 83.19 5.06

3.1.1.3.3 Temperatura del influente

Se deberán tener registros de la temperatura del influente, ya que en conjunto con la temperatura ambiente, será un factor importante para elegir el Tiempo de Retención adecuado de residencia del influente en el biodigestor. Además, su control permitirá mantener la operación del biodigestor en los rangos de diseño. [7]

La temperatura adecuada para este caso seria alrededor de los 35°C con un margen de 5%.

3.1.1.3.4 Relación Carbono-Nitrógeno (C:N)

Para el proceso de biodigestión anaerobia, se deberá considerar la relación de nutrientes encontrada en el influente. Esta puede expresarse en función de la relación carbono-nitrógeno. Cuando esta relación es más alta (C:N > 30:1), existirá en el sistema una gran concentración de Ácidos Grasos Volátiles (AGV´s) que inhibirán las etapas microbiológicas del sistema. En caso contrario (C:N < 20:1), la alta concentración de compuestos nitrogenados, también inhibirá la producción de biogás.

Por lo anterior, para este tipo de procesos, se considera una relación entre 20:1 y 30:1, siendo la óptima 25:1.

3.1.1.3.5 Presencia de Agentes Inhibidores

Se deberán contar con datos del influente, que garanticen que en su contenido no existan concentraciones de agentes químicos o biológicos que puedan inhibir la producción de biogás, como por ejemplo desinfectantes, detergentes, metales pesados o presencia de antibióticos, por mencionar algunos.

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-3.1.1.4 Aspectos Geográficos

Para el dimensionamiento del biodigestor, se considerarán las condiciones climáticas locales en donde se instalará cada proyecto en específico, como por ejemplo las temperaturas ambientales.

Se deben recopilar y analizar las temperaturas mínimas, medias y máximas del medio ambiente, ya que estas tendrán gran influencia en la selección del tiempo de retención. En base a estos datos se determinará una temperatura media mensual que servirá como base para establecer el Tiempo de Retención adecuado para la eficiente degradación de la materia orgánica.

3.1.1.5 Selección del Tiempo de Retención Hidráulica

El Tiempo de Retención se determinará para cada proyecto en particular, y considerará la carga orgánica, la temperatura del influente y la del medio ambiente.

Para el caso de las condiciones climáticas promedio de nuestro país, se considera que el Tiempo de Retención será de alrededor de 30 días, para alcanzar un mínimo de 60% de destrucción de los sólidos volátiles.

En aquellas zonas donde el promedio mensual de temperatura sea más bajo o más alto que el promedio, se deberá considerar para el cálculo del Tiempo de Retención, los parámetros descritos anteriormente. [7]

El tiempo de Retención dependerá de varios factores, en la formula siguiente se estima el tiempo en días: [10]

(1)

3.1.1.6 Volumen del Biodigestor

Como mínimo, el cálculo del volumen del biodigestor considerará la relación que existe entre el flujo del influente, carga orgánica y el Tiempo de Retención Seleccionado. [7]

El volumen del digestor debe ser igual al volumen del material a degradar, multiplicado por el tiempo de digestión necesario y un volumen adicional para el almacenamiento de gas.

(2) Donde

Vd = Volumen del Digestor

Sd = Sustrato o material a degradar TR = Tiempo de Retención

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-3.1.1.7 Cálculo de la producción de biogás

De manera general, el cálculo de la producción de biogás se podrá realizar de acuerdo con la metodología que recomienda el Panel Intergubernamental de Cambio Climático, en su documento “2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories”, la cual establece la siguiente formula.

(3)

Donde:

Yv = Producción diaria de metano por volumen de influente, Lt/Lt.

VS = Concentración de Sólidos Volátiles totales (TVS) en gramos por volumen de influente por día.

Bo = Ultimo rendimiento de metano, Lt/gr de TVS en % R = Tiempo de retención en días.

M = Tasa máxima de crecimiento microbiano por día. K = Parámetro cinético, adimensional.

Para el caso de que el proyecto considere su incorporación a programas donde se comercializan bonos de carbono, la producción de biogás tendrá que ser estimada utilizando las metodologías que se consideren en cada uno de los programas de referencia.

3.1.1.7.1Estimativa de producción de biogás

Conociendo la cantidad de DQO del substrato, se puede calcular la producción anual de biogás. Para eso, se considera una eficiencia de conversión de DQO en metano del 85% y la relación Nm3CH4/kg DQO=0,35, [9]

(4)

3.2 Construcción Del Sistema De Biodigestión

3.2.1 Tipos de Biodigestor

29 -Las plantas de biogás se clasifican como sigue:

1. Tipo continuo:

 De etapa sencilla  De doble etapa 2. Tipo procesamiento por lote. 3. Tipo domo Fijo.

4. Tipo domo modificado. 5. Tipo bolsa Flexible. 6. Tipo domo Flotante.

En la figura No. 3.1 se muestra como esta constituido el domo tipo Fijo.

Figura No. 3-1.- Domo tipo Fijo. [13]

En la Figura No. 3.2 se muestra los componentes del recipiente tipo gas flotante.