Diseño de una planta para producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratorio de operaciones unitarias “Laboratorio de OPU”

Texto completo

(1)Universidad Central “Marta abreU” de las villas Facultad Química-Farmacia Departamento de Ingeniería Química. Trabajo de Diploma Título: Diseño de una planta para producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratorio de operaciones unitarias. “Laboratorio de OPU” Autor: Benjamim Domingos Kiteculo Mussito Tutor: Dr.C. Nestor Ley Chong Curso: 2016 – 2017.

(2) Pensamiento. « Se pueden adquirir conocimientos y conciencia a lo largo de toda la vida, pero jamás en ninguna otra época de su existencia una persona volverá a tener la pureza y el desinterés con que, siendo joven, se enfrenta a la vida ».. Fidel castro Cruz.. «Alégrate, joven, en tu juventud, y tome placer tu corazón en los días de tu adolescencia; y anda en los caminos de tu corazón y en la vista de tus ojos; pero sabe, que sobre todas estas cosas te juzgará Dios. Acuérdate de tu creador en los días de tu juventud ».. Jehová Eclesiastés 11:9 y12:1a.

(3) Dedicatoria . A mis queridos padres Domingos Samba Cambende Mussito y Mariquinha Bernardo Kiteculo por todo amor dado incondicionalmente, por guiarme en las enseñanzas del señor Jesús Cristo y por haberme ayudado a tornarse el hombre que soy hoy.. . A mis amados hermanitos António, Feliciano, Aurora, Teresa, Madalena y Sadraque por tornar mi vida más alegre, por privarlos de mi presencia estos 6 años de mi formación en Cuba, son mis motivos de inspiraciones para alcanzar mis sueños y regalos de Dios para acompañarme en esta vida.. . A mis abuelitas Teresa Jorge y Aurora Mutango por todo su amor incondicional y por cuidarme en todo momento.. . A mis eternos maestros Paulo Puto de Assunção y pastor Zinho Miguel por ver en mí el potencial espiritual y enseñarme a ser un hombre de Dios. A ellos mi mención de honor..

(4) Agradecimientos Solo los que hayan tenido la oportunidad de realizar un trabajo de esta índole comprenden cual difícil resulta la redacción de estas líneas, por el temor constante de olvidar involuntariamente a alguien que nos haya ofrecido su ayuda. Primeramente agradezco a Dios trino por ser el autor y consumador de mi fe, por el regalo de vida, por su amor eterno, por su protección y por realizar uno de mis sueños. A todos amigos que me han ayudado a llegar donde he llegado, que han estado siempre conmigo y que acreditaron en mí y dándome todo apoyo espiritual, moral y emocional. A todos mis familiares por las constantes oraciones ante Dios, por todo apoyo dado y en particular mis primos. A Feliciano Tchihundi, António Bernardo Kiteculo, Pedro Quiteculo y Luisa Calulú por haberme dado todo apoyo moral, emocional y material para alcanzar esta beca. A Lic. José Jorge que es para mí el hermano mayor y estar constante todo en mi vida. A Pastor Arq. Daniel David Kumbaza y su esposa Lic. Ana Kumbaza por su amor, por haberme apoyado cuando en un momento crucial de mi vida y sobre todo por tenerme como su hijo. A João Baptista Chingueta mi compañero de trinchera y de grandes batallas. A José Ndole Nzovo que es más que mi mejor amigo, se tornó mi pastor, hermano, compañero, confidente y mucho más palabra falta para describir quien es para mí. A Yolanda Andreza de Oliveira Manuel por todo cariño dado, por sus palabras sabias, se ha tornado mi mejor amiga, mi compañera de viaje y confidente A Melisa Santa Mendes Lopez, nuestros caminos se han cruzados y se ha tornado mi hermana, por las noches que me despertaba para estudiar, por soportarme estos 5 años y por todo apoyo emocional y material. A profesor Yosvany Rodriguez por todo apoyo dado como un Ingeniero Químico y sobre todo por ayudarme en hacer las prácticas laborales en la Refinaría de Petróleo de Cienfuegos “Camilo Cienfuegos”, estas prácticas me despertó el amor a esta carrera A Dra Ismary Geisha Leon Guicheney y Dra Grettel Lorente, por preocupar de mi salud, vida espiritual y sentimental fueron verdaderamente madres para mí en este país. A profesor Escobar por impartir los conocimientos de matemática y también darme su amor de padre..

(5) Agradecimientos A profesora Isabel en su sencillez abrió la puerta de su casa para estudiamos y también por haberme dado el apoyo espiritual. A mis compañeros de grupo por su amistad especialmente a Yedier Padrón Rodriguez, Mercedes Arbona Cabrera y Laura Lazo Tomasa por ayudarme mucho en la carrera y por su simpatía. A todos mis compatriotas y compañeros de preparatoria, en particular a Pedro Bunda Vienga y Elizandra Franco. A todo colectivo de profesores del departamento de. Ingeniería Química por las. enseñanzas humanizada y buen trato, son verdaderos realizadores de sueños. A mi tutor “profesor Chino”: por su extraordinaria capacidad y visión de realidad científica, por su amabilidad, paciencia y dedicación, por no escatimar sus días de licencia médica o de trabajo en el asesoramiento de mí trabajo, muchas gracias por todo su apoyo profesor..

(6) Resumen RESUMEN: En la actualidad la necesidad energética es cada vez más elevada, para satisfacer el consumo en su mayor parte se hace uso de recursos fósiles que es la fuente de energía no renovable, de ahí que se empuja a la búsqueda de otras fuentes de energía más sostenibles, donde pueden enmarcarse los biocombustibles, y la degradación de la biomasa algal se presenta como una opción a considerar, a través de la digestión anaeróbica con el objetivo de obtener la producción de biogás. En este trabajo se realiza el diseño de una planta para la producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratorio de operaciones unitarias “Laboratorio de OPU” de la facultad. Para dar cumplimiento al mismo se elaboró una propuesta de inversión donde se justificó la necesidad de dicho diseño así como se aplicaron balances de masa y energía. que permitieron realizar una selección preliminar del. equipamiento, destacándose como equipos fundamentales los digestores primario y secundario, el mezclador necesarios para disminuir la resistencia de la pared de las microalgas así como molino de martillos y otros equipos necesarios para este proceso. Finalmente se efectuó un análisis económico donde se analizaron los indicadores dinámicos así como se determinaron los costos totales tanto de inversión como de producción, evidenciándose así que la tecnología factible es la alternativa para 1000kg con una ganancia anual 25 743,98 $/año y con un valor actual neto de $ 63 747,86/año y una tasa de interés de retorno de 23%..

(7) Abstract ABSTRACT Today the energy necessity is more and more high, to satisfy the consumption in its bigger one it leaves it makes use of fossil resources that is the source of non-renewable energy, with the result that it is pushed to the search of other more sustainable energy sources, where the biofuel can be framed, and the degradation of the biomass algal is presented like an option to consider, through the digestion anaerobic with the objective of obtaining the biogas production. In this work it is carried out the design of a plant for the biogas production starting from the microalgaes residuals in the laboratory of unitary operations "Laboratory of OPU" of the ability. To give execution to the same one an investment proposal it was elaborated where it was justified the necessity of this design as well as balances of mass and energy were applied that allowed to carry out a preliminary selection of the equipment, standing out as fundamental teams the primary and secondary digesters, the necessary mixer to diminish the resistance of the wall of the microalgas as well as mill of hammers and other necessary teams for this process. Finally an economic analysis was made where the dynamic indicators were analyzed as well as the total costs were determined so much of investment as of production, being evidenced the feasible technology so is the alternative for 1000kg with an annual gain 25 743,98 $/year and with a net current value of $63 747,86/year and an interest rate of return of 23%..

(8) Contenido-----------------------------------------------------------------------------------------Páginas Introducción----------------------------------------------------------------------------------------------1 Capítulo I. Revisión Bibliográfica ----------------------------------------------------------------3 1. Fundamentos generales del proceso -----------------------------------------------------------3 1.1. Digestión anaeróbica -----------------------------------------------------------------------------3 1.1.1. Productos finales de la digestión anaerobio ---------------------------------------------3 1.1.2. Equivalencias energéticas del biogás------------------------------------------------------4 2. Fundamentos de la fermentación metanogénica---------------------------------------------5 2.1. Etapas del proceso de digestión anaeróbica-----------------------------------------------5 2.1.1. Etapa hidrolisis-----------------------------------------------------------------------------------6 2.1.2. Etapa acidogénica-------------------------------------------------------------------------------6 2.1.3. Etapa acetogénica-------------------------------------------------------------------------------7 2.1.4. Etapa metanogénica----------------------------------------------------------------------------7 2.2. La microbiología del proceso de la digestión anaerobia----------------------------------7 2.2.1. Microorganismos involucrados en cada fase de digestión anaeróbica-------------7 3. Factores determinantes en el proceso de producción de biogás-------------------------9 3.1. Parámetros que afectan al proceso de digestión------------------------------------------9 3.1.1. Parámetros de control--------------------------------------------------------------------------9 3.1.1.1. Nutrientes---------------------------------------------------------------------------------------9 3.1.1.2. Potencial redox--------------------------------------------------------------------------------9 3.1.1.3. Concentración de la materia orgánica---------------------------------------------------9 3.1.1.4. Temperatura------------------------------------------------------------------------------------10 3.1.1.5. pH-------------------------------------------------------------------------------------------------11 3.1.1.6. Toxicidad/Inhibición--------------------------------------------------------------------------12 3.1.2. Parámetros operacionales--------------------------------------------------------------------13 3.1.2.1. Agitación-Mezclado--------------------------------------------------------------------------13 3.1.2.2. Tiempo de retención hidráulico-----------------------------------------------------------14 3.1.2.3. Velocidad de carga orgánica -------------------------------------------------------------15 4. Las microalgas---------------------------------------------------------------------------------------15 4.1. Las microalgas como fuente de biomasa --------------------------------------------------15 4.2. Características generales de las microalgas ----------------------------------------------16 4.3. Usos bioenergéticas de las microalgas-----------------------------------------------------18 4.3.1. Biocombustibles--------------------------------------------------------------------------------19 4.3.2. Ventajas y desventajas de los biocombustibles ---------------------------------------19 4.4. Digestión anaerobia de microalgas----------------------------------------------------------20 4.5. Digestión anaerobia de residuos de microalgas-----------------------------------------21 4.6. Codigestión anaerobia de microalgas------------------------------------------------------22 4.7. Pretratamiento de microalgas-----------------------------------------------------------------22 4.7.1. Pretratamientos químicos-------------------------------------------------------------------23 4.7.2. Pretratamientos mecánicos ----------------------------------------------------------------23 4.7.3. Pretratamientos por microondas-----------------------------------------------------------24 4.7.4. Pretratamientos biológicos-------------------------------------------------------------------24 4.7.5. Pretratamientos térmicos---------------------------------------------------------------------24 5. Tecnologías para la digestión anaerobia------------------------------------------------------25 5.1. Caracterización general de una planta de biogás----------------------------------------25 5.2. Clasificación de los tipos de digestores-----------------------------------------------------26 5.3. Sistemas de dos etapas tecnología a emplear--------------------------------------------27 5.4 Criterios para selección de la tecnología a aplicar----------------------------------------27 5.4.1. Ventajas del digestor discontinuo----------------------------------------------------------28 5.5. Sistemas de almacenamiento de biogás---------------------------------------------------28 Conclusiones parciales de capítulo I--------------------------------------------------------------30.

(9) Contenido----------------------------------------------------------------------------------------Páginas Capítulo II. Análisis tecnológico del proceso propuesto para obtención de biogás a partir de residuos de microalgas-----------------------------------------------------------31 2.1. Evaluación técnica en el proceso de producción de biogás-------------------------31 2.1.1. Materia prima, su composición-----------------------------------------------------------31 2.1.2. Producto y subproducto a obtener en el proceso------------------------------------32 2.2. Definición del esquema tecnológico--------------------------------------------------------32 2.2.1. Diagramas de bloque y de flujo del proceso-------------------------------------------32 2.3. Balance de masa y energía del proceso--------------------------------------------------34 3. Dimensionamiento y selección de los equipos del proceso-----------------------------39 3.1. Dimensionamiento del tanque de recepción de la materia prima-------------------40 3.2. Selección del molino de martillos------------------------------------------------------------40 3.3. Dimensionamiento del tornillo sinfín transportadora------------------------------------41 3.4. Dimensionamiento de mezclador -----------------------------------------------------------41 3.5. Dimensionamiento de la bomba impulsora de agua------------------------------------42 3.6. Dimensionamiento del digestor anaeróbico primario con serpentín y agitación---43 3.7. Dimensionamiento y selección de la bomba impulsora de la biomasa-------------44 3.8. Dimensionamiento del digestor secundario------------------------------------------------45 3.9. Dimensionamiento de reservatorio de biogás---------------------------------------------46 4. Distribución de equipos en el laboratorio de operaciones unitarias--------------------47 Análisis de los resultados del capítulo II ---------------------------------------------------------48 Conclusiones parciales del capítulo II-------------------------------------------------------------48 Capitulo III. Evaluación técnico-económica de las variantes del proceso---------49 3. Evaluación económica de proceso de producción de biogás ---------------------------49 3.1. Análisis económico para la variante de 500kg --------------------------------------------50 3.1.1. Costo total de inversión-----------------------------------------------------------------------50 3.1.2. Costo total de producción -------------------------------------------------------------------51 3.1.3. Ganancias----------------------------------------------------------------------------------------52 3.1.4. Indicadores dinámicos-------------------------------------------------------------------------52 3.2. Análisis económico para la variante de 750kg --------------------------------------------53 3.2.1. Costo total de inversión -----------------------------------------------------------------------53 3.2.2. Costo total de producción --------------------------------------------------------------------55 3.2.3. Ganancias ----------------------------------------------------------------------------------------56 3.2.4. Indicadores dinámicos -------------------------------------------------------------------------56 3.3. Análisis económico para la variante de 1000kg -------------------------------------------56 3.3.1. Costo total de inversión------------------------------------------------------------------------56 3.3.2. Costo total de producción---------------------------------------------------------------------58 3.3.3. Ganancias ----------------------------------------------------------------------------------------58 3.3.4. Indicadores dinámicos-------------------------------------------------------------------------59 Análisis de los resultados del capítulo III----------------------------------------------------------60 Conclusiones parciales del capítulo III------------------------------------------------------------61 Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------62 Recomendaciones------------------------------------------------------------------------------------63 Bibliografía Anexos.

(10) Introducción INTRODUCCIÓN: Actualmente las microalgas despiertan grandes expectativas como fuente de biomasa para la generación de biocombustibles así como para la producción de otros compuestos de alto valor agregado. La producción industrial de este tipo de biomasa producirá una gran cantidad de residuos orgánicos que deberán ser tratados de una forma apropiada. La digestión anaerobia se presenta como una alternativa para el tratamiento de este tipo de biomasa, generando energía en forma de metano, produciendo dióxido de carbono y reciclando los nutrientes que pueden ser utilizados para el crecimiento de nuevas microalgas.. La composición de las microalgas las hace aptas para ser una buena fuente de biomasa y bioenergía. Para convertir las microalgas en biogás, y así en energía, es necesario realizar un proceso conocido como digestión anaerobia, que si bien nació como un procedimiento de estabilización de residuos, hoy es considerada como una tecnología de recuperación de recursos, con un especial énfasis en la recuperación de energía mediante la producción de biogás como biocombustible renovable El biogás es por muchos considerado una de las fuentes de energía renovable que presenta un alto potencial para sustituir las energías convencionales no renovables. Conocido también como “gas de los pantanos”, el biogás se produce durante la biodegradación de materia orgánica. Como fuente de energía puede utilizarse para diversos fines, tales como generación eléctrica, producción de calor alternativa al gas natural. La digestión anaerobia aparece como una opción ideal para el tratamiento de los residuos orgánicos generados en la producción en masa de microalgas para diferentes usos, generando energía en forma de metano y permitiendo la reutilización de nutrientes para cultivar nueva biomasa, ya que durante la digestión anaerobia los nutrientes en forma orgánica pasan a forma mineral, siendo éstos aprovechables directamente por las microalgas para su crecimiento (Chisti, 2007; Sialve et al., 2009; Singh and Gu, 2010; Ehimen et al., 2011). De esta forma, se llegaría al concepto de biorrefinería, donde a partir de la biomasa de microalgas se podrían obtener diferentes productos de alto valor agregado, que harían sostenible la producción de nuevas microalgas y de biocombustibles.. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 1.

(11) Introducción Con este antecedente, el departamento de Ingeniería Química apuesta a la producción del biocombustible a partir de microalgas en el marco de un proyecto de reaprovechamiento del laboratorio de operaciones unitarios (OPU) que actualmente se está desarrollando siendo una prioridad de la facultad Química y Farmacia de la universidad “Marta Abreu” de Las Villas UCLV. La investigación se lleva a cabo con el fin de determinar la viabilidad del proceso descrito. De comprobar los resultados, el estudio será una contribución significativa para el avance en la promoción de las energías renovables, ofreciendo una alternativa para la bioenergía y sobretodo su aplicación en el laboratorio de OPU. Teniendo en cuenta lo anterior se propone como: Problema científico El aprovechamiento de los residuos de microalgas como sustrato en la producción de biocombustible, el biogás, mediante la digestión anaerobia. Hipótesis La posibilidad de desarrollar una instalación, que mediante una digestión anaerobia de los residuos de microalgas procesadas se obtenga el biogás. Objetivo general Diseñar una planta para la producción de biogás a partir de los residuos de microalgas.. Objetivos específicos 1. Realizar un estudio de las tecnologías y equipos empleados en el tratamiento de los residuos y obtención del biogás. 2. Establecer alternativas de esquemas tecnológicos para la producción de biogás condicionado a la situación del Laboratorio de Operaciones Unitarias. 3. Evaluar a escala de producción de biogás teniendo en cuenta disponibilidad de materia prima y uso del biogás obtenido. 4.. Realizar. un. análisis. técnico-económico-medioambiental que valide. la. efectividad de las alternativas propuestas.. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 2.

(12) Introducción 1. FUNDAMENTOS GENERALES DEL PROCESO. 1.1.. Digestión anaeróbica. La digestión anaerobia es un proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Por lo tanto, este proceso biológico lo llevan a cabo microorganismos anaerobios, que actúan en el interior de un reactor, transformando las materias orgánicas de origen vegetal y animal en una mezcla de gases con alto contenido de metano (CH4) y otros compuestos inorgánicos en su mayoría volátiles, entre ellos dióxido de carbono (CO 2), amoníaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y nitrógeno (N2) (Bidlingmaier, 2006; Soria et al., 2001). Durante este proceso entre el 30 y 60% de los residuos orgánicos se convierten en biogás. 1.1.1. Productos finales de la digestión anaerobia Los principales productos del proceso de digestión anaerobia, en sistemas de alta carga orgánica y en mezcla completa, son el biogás y un bioabono que consiste en un efluente estabilizado. a) Biogás El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de carbono, pero también contiene diversas impurezas. La composición del biogás depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. Cuando el biogás tiene un contenido de metano superior al 45% es inflamable. El biogás tiene propiedades específicas que se indican en la Tabla 1.1. b) Bioabono Las características del bioabono, dependen en gran medida del tipo de tecnología y de las materias primas utilizadas para la digestión. Durante el proceso anaeróbico, parte de la materia orgánica se transforma en metano, por lo que el contenido en materia orgánica es menor al de las materias primas. Gran parte de la materia orgánica de este producto se ha mineralizado, por lo que normalmente aumenta el contenido de nitrógeno amoniacal y disminuye el nitrógeno orgánico. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 3.

(13) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Tabla 1.1 Características generales del biogás 55-70% metano (CH4) Composición. 30-45% Dióxido de carbono (CO 2) Trazas de otros gases. Contenido energético. 6,0-6,5 kW h m -3. Equivalente de combustible. 0,60-0,65 L petróleo/m 3 biogás. Límite de explosión. 6 – 12 % de biogás en el aire. Temperatura de ignición. 650 – 750°C (con el contenido de CH4 mencionado). Presión crítica. 74 – 88 atm. Temperatura crítica. -82.5°C. Densidad normal. 1,2 kg m -3. Masa molar. 16.043 kg kmol-1. Fuente: (FAO 2011) Deublein y Steinhauser (2008). 1.1.2. Equivalencias energéticas del biogás. La equivalencia energética del biogás depende de la concentración de metano que haya en él, ya que el poder calorífico del CO 2 es nulo. Así cuanto mayor sea la cantidad de metano en el biogás, mayor será el poder calorífico del mismo. ENCIAS ENEL. BIOGÁS. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 4.

(14) Capitulo I: Revisión Bibliográfica. Figura 1.1 Criterios de equivalencia energética del biogás respecto de otras fuentes de energía. Fuente: CIEMAT. El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás es la conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe entenderse como un proceso natural. que. involucra. varios. procesos. bacterianos. y. enzimáticos. simultáneamente. El método más común de producción de biogás es la digestión anaeróbica en un tanque cerrado llamado ‘biodigestor’. La biomasa se mezcla en el digestor con agua para formar una suspensión, en la cual la digestión anaeróbica se realiza en dos pasos. En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es descompuesta por hidrólisis enzimática y. fermentada para. producir. principalmente. ácidos. y alcoholes.. Seguidamente, en la etapa de gasificación, las bacterias metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir metano y dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico.. 2. Fundamentos de la fermentación metanogénica. 2.1.. Etapas del proceso de digestión anaeróbica. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 5.

(15) Capitulo I: Revisión Bibliográfica El proceso de degradación anaerobia tiene lugar en varias etapas sucesivas íntimamente relacionadas unas con otras. Normalmente se describe en cuatro etapas, aunque dependiendo de los autores el proceso se podría reducir a únicamente tres. En este trabajo seguiremos la descripción habitual en cuatro etapas, ya que es más detallada y provee más información. Las cuatro etapas principales son: 1. La hidrólisis, 2. La acidogénesis (fermentación), 3. La acetogénesis (oxidación anaerobia) y 4. La metanogénesis (formación de metano). También encontramos la sulfurogénesis como etapa alternativa. El diagrama de la figura 1.2 indica las diversas etapas de la digestión anaerobia.. Figura 1.2 Fases de la fermentación anaerobia y poblaciones de microorganismos:. 2 ETAPAS. DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA 2.1.1. Etapa hidrólisis. La hidrolisis es el primer paso necesario para la degradación de la materia orgánica compleja. En esta etapa, las bacterias hidrolíticas actúan sobre las macromoléculas orgánicas despolimerizándolas enzimáticamente en los correspondientes monómeros o fragmentos más sencillos. Así, los lípidos son degradados por enzimas hidrolíticas (lipasas) a ácidos grasos de cadena larga y glicerina. Las proteínas son hidrolizadas por Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 6.

(16) Capitulo I: Revisión Bibliográfica proteasas en proteosas, péptidos y aminoácidos, y los polisacáridos son convertidos en monosacáridos. En la degradación anaerobia de compuestos complejos (lignocelulósicos o difícilmente biodegradables) la hidrólisis es la fase limitante del proceso, y la que determinará la capacidad de carga orgánica de un digestor anaerobio. Las bacterias hidrolíticas son facultativas, es decir, pueden sobrevivir tanto en condiciones aerobias como anaerobias.. Tabla 1.2. Sustratos, productos y enzimas de la hidrólisis Macromolécula. Producto de la. Enzimas. Hidrólisis Proteínas. Péptidos. Proteasa. Aminoácidos. Lípidos. Ácidos grasos. Lipasa. Glicerol. Fosfolipasa. Alcoholes. Carbohidratos. Glucosa. Xylanasa. Polisacáridos. Amilasa. Pentosas. Celulasa. Oligosacáridos. Hemicelulasa. Fuente: adaptado a partir de Stronach y col. (1986).. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 7.

(17) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 2.1.2. Etapa acidogénica. Los compuestos solubles obtenidos en la etapa anterior son transformados por las bacterias acidogénicas en ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles), alcoholes, amoniaco, hidrogeno y dióxido de carbono. Los ácidos grasos volátiles son principalmente ácido acético, propiónico, butírico y valérico. En esta etapa se debe controlar la cantidad de hidrogeno, porque el metabolismo de las bacterias acidogénicas depende de él.. 2.1.3. Etapa acetogénica. Mientras que algunos productos de la fermentación (hidrogeno y ácido acético) pueden ser metabolizados directamente por los organismos metanogénicos, los productos intermedios (ácido propiónico, butírico, etc.) necesitan ser transformados en productos más sencillos, a través de las bacterias acetogénicas. Como principales productos se obtienen ácido acético, hidrogeno y dióxido de carbono que, posteriormente, pueden ser aprovechados por las bacterias metanogénicas. Las bacterias acetogénicas también necesitan un control exhaustivo de la concentración de hidrogeno, ya que con una elevada presión de hidrogeno se reduce la formación de acetato, produciendo preferentemente ácido propiónico, butírico o etanol en vez de metano. 2.1.4. Etapa metanogénica. En la etapa final del proceso, las bacterias metanogénicas transforman el ácido acético, hidrogeno y dióxido de carbono en metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de este proceso son anaeróbicas estrictas. Se distinguen dos tipos de microorganismos, los que degradan el ácido acético a metano y dióxido de carbono (bacterias metanogénicas acetoclásicas) y los que reducen el dióxido de carbono con hidrogeno a metano y agua (bacterias metanogénicas hidrogenofilas).. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 8.

(18) Capitulo I: Revisión Bibliográfica La principal vía de producción de metano es la primera, con alrededor del 70% del metano producido. Este es un proceso lento y constituye la etapa limitante del proceso de degradación anaeróbica.. 2.2.. La microbiología del proceso de la digestión anaerobia. 2.2.1. Microorganismos involucrados en cada fase de digestión anaeróbica. La degradación anaerobia no podría llevarse a cabo por un solo grupo de bacterias de forma independiente, por lo que los procesos de tratamiento anaerobio son complejos ecosistemas formados por diferentes tipos de bacterias que trabajan conjuntamente de una forma coordinada para convertir la materia orgánica en metano y dióxido de carbono (Anderson, 2003). En la Figura 1.2 se puede observar un diagrama de fases de la digestión anaerobia, similar al que se muestra en la Figura 1.3, pero incluyendo los grupos de microorganismos involucrados en cada fase. En este diagrama se puede ver la compleja composición de la ecología del digestor, así como las relaciones que existen entre las diferentes especies que componen la población de un digestor anaerobio. Al igual que se divide el proceso de digestión en cuatro fases, podemos dividir las bacterias involucradas en el proceso en cuatro grupos (bacterias hidrolíticas, acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas) según la fase en la que estén involucradas.. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 9.

(19) Capitulo I: Revisión Bibliográfica. Figura 1.3. Diagrama de fases de la digestión anaerobia y los microorganismos involucrados .. 3. Factores determinantes en el proceso de producción de biogás 3.1.. Parámetros que afectan al proceso de digestión. La digestión anaerobia se ve afectada por diferentes parámetros que influirán en la cinética de las distintas reacciones y en la producción de biogás. Entre los parámetros que pueden influir en el proceso de digestión se encontran:  Parámetros de control (nutrientes, concentración de la materia orgánica, temperatura, pH, potencial redox)  Parámetros operacionales (agitación, tiempo de retención hidráulico, carga orgánica). Además, muchos de estos parámetros son, a su vez, parámetros que se emplean para monitorizar el transcurso del proceso de digestión. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 10.

(20) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 3.1.1. Parámetros de control 3.1.1.1.. Nutrientes. Como en el resto de sistemas de tratamiento biológicos, los nutrientes son necesarios para satisfacer los requerimientos de crecimiento de los microorganismos. Los principales nutrientes necesarios para el crecimiento de estos son el carbono (C), nitrógeno (N) y fósforo (P), así como trazas de algunos elementos minerales (S, K, Ca, Na, Mg, Fe), necesarios para la activación de enzimas para la metanogénesis. La relación C/N debe estar comprendida entre 15/1 y 45/1, con un valor recomendable de 30/1, mientras que para el fósforo la relación óptima C/P es 150/1 (Elías, Campos, & Flotats, 2012). 3.1.1.2.. Potencial redox. Conviene mantener el valor del potencial redox por debajo de -300 mV o -330 mV para asegurar el ambiente fuertemente reductor que las bacterias metanogénicas necesitan para su óptima actividad. 3.1.1.3.. Concentración de la materia orgánica. Gran parte de la materia orgánica contenida en la biomasa están en forma líquida. Por eso es difícil conocer de cuánta materia orgánica se disponible para la degradación. Para determinar analíticamente la cantidad de materia orgánica contenida en la biomasa, el primero paso es analizar el contenido de la materia seca disponible, sometiendo la muestra en un proceso de secado en una estufa de desecación a 105ºC durante 24 horas. De esta manera se asegura la total evaporación del agua existente en la muestra. El contenido de las muestras se introduce dentro de unas cazoletas cerámicas, previamente calcinadas en la mufla a 550 º C durante 20 minutos, y posteriormente taradas en una balanza de precisión. Una vez introducidas las muestras en la estufa de desecación y transcurridas las 24 horas, se retiran de la estufa y se conservan en un ambiente seco (sin humedad) en un desecador hasta alcanzar una temperatura ambiente. Llegados a este punto, se procede a pesar las muestras.. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 11.

(21) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Los sólidos totales (materia seca) están formados tanto por materia orgánica como inorgánica. En cambio, los sólidos volátiles (SV) representan la fracción orgánica de la muestra, correspondiente a la pérdida de peso en calcinar durante 20 minutos a 550 º C la muestra secada a 105 º C (ST). El residuo restante son las cenizas (representan la materia inorgánica) y los SV la diferencia de peso entre los ST y las cenizas. Por tanto, de forma aproximada los SV serán la materia orgánica y las cenizas en la materia inorgánica. El cálculo matemático sería:. %𝑆𝑇 =. 𝑃𝑒𝑠𝑜100º𝐶 − 𝑇𝑎𝑟𝑎 ∗ 100 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎. %𝑆𝑉 =. 𝑃𝑒𝑠𝑜100º𝐶 − 𝑃𝑒𝑠𝑜550º𝐶 ∗ 100 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎. 3.1.1.4.. (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐. 1.1). (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐. 1.2). Temperatura. Uno de los parámetros más importantes para el proceso de digestión es la temperatura. Para optimizar el proceso de digestión, el digestor ha de mantenerse a temperatura constante, ya que cambios bruscos de temperatura pueden afectar a la actividad bacteriana (Parkin & Owen,, 1986.). En teoría, la degradación anaerobia puede tener lugar entre 0 y 100ºC (Anderson, 2003). Se suelen separar los rangos de temperaturas en tres clases: . Psicrófila (óptimo de temperatura entre 15-25º);. . Mesófila (óptimo de temperatura entre 30-45ºC);. . Termófila (óptimo entre 50 y 60ºC).. Normalmente no se suele operar en el rango psicrófilo, ya que la actividad microbiológica es muy baja y por lo tanto también lo son las tasas de degradación y la producción de metano. A mayor temperatura se obtienen mayores tasas de Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 12.

(22) Capitulo I: Revisión Bibliográfica degradación, por lo que la digestión termófila resulta ser normalmente una degradación más rápida y con mayores producciones de metano por cantidad de materia orgánica introducida (Parkin & Owen,, 1986.). Gracias a esto, el tamaño del digestor puede reducirse obteniendo los mismos o mejores rendimientos que en digestores más grandes funcionando en el régimen mesófilo. Sin embargo, el rango termófilo requiere un consumo mayor de energía debido a la elevada temperatura que hay que mantener, y el incremento en la producción de metano no siempre es capaz de satisfacer el incremento de energía requerida (Parkin & Owen,, 1986.). Además, la digestión anaerobia en rango termófilo generalmente da lugar a procesos más inestables, donde se produce una mayor acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), mayor toxicidad por amonio, mayor sensibilidad a cambios de temperatura, problemas de espumas y de olor (Parkin y Owen, 1986; Anderson y col., 2003). En plantas a escala industrial, es normal encontrar digestores trabajando a temperaturas mesófilas (35-45ºC) y termófilas (55-60ºC).. 3.1.1.5.. pH. El valor del pH es un importante indicador del funcionamiento del proceso dentro del biodigestor. Según (Elías, Campos, & Flotats, 2012), en cada fase del proceso los microorganismos presentan máxima actividad en un rango de pH diferenciado Tabla 1.3. El mayor problema generalmente es mantener el pH por encima de 6,6, ya que los ácidos orgánicos producidos como intermediarios en las primeras etapas debido a una sobrecarga o cualquier otro desequilibrio pueden provocar un rápido descenso del pH y el consiguiente cese de la producción de metano (Rittmann & McCarty, 2001). La alcalinidad y el pH en la digestión anaerobia pueden ajustarse añadiendo a la mezcla diferentes productos químicos (bicarbonato de sodio y potasio, carbonato de calcio, etc .) y también mezclando diferentes residuos a tratar en el reactor (codigestión).. Tabla 1.3. Rangos óptimos de pH para los diferentes microorganismos (adaptado de Elías et al., 2012). Etapa. Tipo de bacterias. Rango óptimo Ph. Hidrólisis. Hidrolíticas acidogénicas. 7,2 – 7,4. Acidogénesis. Hidrolíticas acidogénicas. 7,2 – 7,4. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 13.

(23) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Acetogénesis. Acetogénicas. y. homoacetogénicas Metanogénesis. Metanogénicas hidrogenófilas acetoclásticas. 7,0 – 7,2. 6,5 – 7,5. De este modo se puede observar que los microorganismos responsables del proceso de digestión anaerobia son muy sensibles a cambios de pH, especialmente los metanógenos, y que el pH óptimo para desarrollar el proceso de digestión se encuentra entre 6,5 y 7,6 (McCarty P. L., 1964a.). 3.1.1.6.. Toxicidad/Inhibición. Existen diferentes compuestos que pueden resultar tóxicos o inhibitorios para los microorganismos responsables del proceso de digestión anaerobia. Una sustancia es considerada inhibitoria cuando causa un efecto negativo en la población bacteriana o inhibe su crecimiento (Chen, Cheng, & Creamer, 2008) Para que resulten tóxicos, los compuestos deben estar en forma soluble y en suficiente concentración dependiendo del compuesto. Además, la toxicidad de determinado compuesto puede verse neutralizada o aumentada debido a otros compuestos que actúan de forma antagonista o sinérgica, respectivamente. Existen diferentes técnicas para evitar procesos de inhibición o toxicidad: eliminar el compuesto tóxico del sustrato, diluir el sustrato para dejar el compuesto tóxico por debajo de los límites de toxicidad, formar compuestos insolubles o aprovechar los efectos antagonistas de otros materiales y añadirlos al digestor (McCarty P. , 1964b).. Dependiendo del origen del compuesto que cause toxicidad o inhibición encontramos compuestos que se encuentran en el sustrato de entrada de forma natural (p.ej. sales alcalinas, metales pesados, sulfuros), como consecuencia del sistema de manejo del residuo o sustrato (p.ej. desinfectantes, antibióticos, herbicidas, oxígeno, pesticidas) o compuestos que se producen durante el proceso de digestión como productos intermedios o productos finales del proceso (p.ej. amonio, sulfuro de hidrógeno, AGV) (Chen, Cheng, & Creamer, 2008).. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 14.

(24) Capitulo I: Revisión Bibliográfica En las Tablas 1.4 y 1.5 se muestran las concentraciones inhibidoras de los inhibidores más habituales. Estos valores son orientativos, ya que las bacterias se pueden adaptar con el tiempo a las condiciones más desfavorables.. Tabla 1.4. Intervalos de concentración en el sustrato que resultan tóxicos Fuente: El sector del biogás agroindustrial en España.. INHIBIDORES INHIBIDORES. INTERVALO (ppm). Na. 3.500-5.500. K. 2.500-4.500. Ca. 2.500-4.500. Mg. 1.000-1.500. NH4. 1.500-3.500 .. Tabla 1.5.Valores de las concentraciones de inhibidores comunes. Fuente: Informe de Vigilancia Tecnológica Madrid. “Situación actual de la producción de biogás y de su aprovechamiento” (GTZ Gmbh, 1999). INHIBIDORES INHIBIDORES Sulfuro. CONCENTRACIÓN INHIBIDORA (mg/ml) (como. 200. Azufre) Cu. 10-250. Cr. 200-2000. Zn. 350-1000. Ni. 100-1000. CN. 2. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 15.

(25) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Na. 8000. Ca. 8000. Mg. 3000. 3.1.2. Parámetros operacionales 3.1.2.1.. Agitación-Mezclado. Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanogénicas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la formación de costra que se forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios “muertos” sin actividad biológica que reducirían el volumen efectivo del reactor y prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor. En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se debe considerar que el proceso anaeróbico involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de biogás.. La agitación aumenta la producción de gas y disminuye el tiempo de retención hidráulico (THR), esto es básicamente por cuatro razones: • Distribución uniforme de la temperatura y substrato en el interior del biodigestor. • Distribución uniforme de los productos, tanto intermedios como finales. • Mayor contacto entre el substrato y las bacterias, evitando la formación de cúmulos alrededor de las bacterias. • Evitar la acumulación de lodo en la parte superior del digestor, también llamada “nata” o “espuma” que dificulta la salida del biogás. Se distinguen 3 tipos de agitación, estas son: • Mecánica: se realiza a través de agitadores manuales. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 16.

(26) Capitulo I: Revisión Bibliográfica • Hidráulica: se hace recircular la biomasa por medio de bombas en un flujo lento. • Burbujeo del aire: se recircula el aire al fondo del biodigestor por medio de tuberías, para producir burbujeo y de esta manera movimiento de la biomasa. 3.1.2.2.. Tiempo de retención hidráulico. El tiempo de retención se define como el tiempo medio que el sustrato permanece en el interior del digestor. El tiempo de retención hidráulico (THR) únicamente se puede definir de manera exacta en reactores discontinuos o batch, donde el sustrato se introduce en el reactor durante un tiempo determinado (normalmente hasta que se completa su degradación) tras el cual se extrae. Sin embargo, también se ha definido el tiempo de retención en digestores continuos como:. 𝑇𝐻𝑅 =. 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟(𝑚3) 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜(m3/d). =. 𝑉𝑑 𝑄𝑣(𝑠𝑢𝑠𝑡). (Ecuac.1.3). Dónde: THR = tiempo de retención hidráulico, en (días); Vd = volumen del digestor en (m 3); Qsustrato = flujo del sustrato de entrada al digestor, en (m 3 d-1).. Se considera que el tiempo de retención es una de los factores más importantes en el diseño del proceso de digestión anaerobia. Para asegurar una conversión adecuada de la materia orgánica a biogás debe haber una cantidad y concentración suficiente de bacterias en el interior del digestor y deben tener un tiempo de retención adecuado que permita la degradación del sustrato y evite el lavado de bacterias. Esto significa que el digestor debe diseñarse con suficiente volumen para que bajo unas condiciones de operación determinadas. los microorganismos tengan suficiente tiempo para. desarrollarse (Parkin & Owen,, 1986.). Es importante destacar que un elevado tiempo de retención de las bacterias puede disminuir o incluso eliminar los efectos inhibitorios (Parkin & Owen,, 1986.). Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 17.

(27) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 3.1.2.3.. Velocidad de carga orgánica. La velocidad de carga orgánica (VCO) se refiere a la cantidad de sustrato introducido en el digestor por unidad tiempo. Normalmente, este parámetro se expresa como gSVLdigestor-1 d-1, empleando gSV como unidad de medida de la cantidad de sustrato introducida al digestor debido a que son los sólidos volátiles (SV) la única parte del sustrato susceptible de ser convertida en biogás. Además, con el objetivo de normalizar este parámetro, la carga orgánica se expresa en relación al volumen del digestor, pudiendo comparar de esta forma cargas orgánicas de digestores de diferente tamaño. Este parámetro es de vital importancia ya que determina la cantidad de material que los microorganismos deberán degradar en el TRH fijado. En la mayoría de los casos, donde se trata un sustrato con unas características determinadas, la carga orgánica estará directamente relacionada con el TRH (Parkin & Owen,, 1986.). Una mayor VCO, a una concentración fija de sustrato, conllevará una reducción en el TRH, ya que no existe alternativa para incrementar la cantidad de material orgánico que se introduce en el digestor que incrementar el volumen de sustrato introducido diariamente, por lo que éste pasará menos tiempo en el interior del digestor. Una VCO excesiva puede dar lugar a problemas de saturación de la capacidad de degradación de los microorganismos, causando desequilibrios en el sistema como acumulación de AGV, reducción de pH, pérdida de capacidad tampón, etc. Generalmente, este parámetro se optimiza para cada tipo de sustrato y digestor en ensayos de laboratorio o en planta piloto, previamente a la puesta en marcha de la planta de digestión a escala industrial. La VCO máxima dependerá de la naturaleza del sustrato (fácil o difícilmente biodegradable), presencia de tóxicos, contenido en nutrientes, alcalinidad y otros parámetros operacionales y de diseño como temperatura o tipo de digestor.. 4. Las microalgas 4.1.. Las microalgas como fuente de biomasa.. Una alternativa ambiental y económicamente factible para la sustitución de combustibles de origen fósil es la producción de biocombustibles a partir de microalgas. Denominando este tipo de producción como de tercera generación. El cultivo de algas no requiere grandes extensiones de terreno, ni compite con otros cultivos alimenticios. La principal característica de estos microorganismos es que captan dióxido de carbono o anhídrico Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 18.

(28) Capitulo I: Revisión Bibliográfica carbónico (CO 2), contribuyendo a la absorción de este gas, principal constituyente del conjunto de GEI. Las microalgas tienen la capacidad de acumular lípidos o ácidos grasos que pueden utilizarse como materia prima para la producción de biocombustibles. Esta situación hace pensar que la producción de estas es una interesante opción a considerar, ya que se cuenta además con residuos líquidos que podrían emplearse como sustrato, siendo ejemplo de esto los efluentes cloacales y la vinaza (Bravo, Cárdenas, & Boeck). 4.2.. Características generales de las microalgas. Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes, que se localizan en hábitats diversos, tales como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción del 50 % del oxígeno y de la fijación del 50 % del carbono en el planeta. Su biodiversidad es enorme, se han identificado alrededor de 40,000 especies, aunque se estima que existen más de 100,000, de las cuales con frecuencia se desconoce su composición bioquímica y metabolismo. Se clasifican de acuerdo a varios parámetros tales como pigmentación, ciclo de vida, morfología y estructura celular. Su composición química de las algas es variada dependiendo de la especie, nutrientes, temperatura, fuente de carbono, intensidad y color de la luz, entre otros. Se ha encontrado que en una composición química promedio puede ser la que aparece en la Figura 1.4. (Carvajal L. E., 2015).. Figura 1.4. Composición de las algas. Estas características, las hace ideales como materia prima para obtención de compuestos de altos valores agregados, debido a las biomoléculas que acumulan Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 19.

(29) Capitulo I: Revisión Bibliográfica durante su desarrollo, entre estas se pueden citar a las proteínas, lípidos, carbohidratos, pigmentos entre otros que son aprovechados por el hombre para su beneficio. La productividad de las microalgas está determinada, principalmente, por el pH del medio, la salinidad, la disponibilidad y concentración de nutrientes, la intensidad y el tipo de luz, la densidad celular del cultivo, la temperatura y la contaminación o la depredación por otros organismos. En promedio, las microalgas doblan su biomasa en 24 horas. Sin embargo, en fase exponencial algunas microalgas pueden duplicar su biomasa en un tiempo de 3,5 horas (Carvajal, 2007). Para su producción existen 2 diseños básicos (Borowitzka, 1999, Contreras-Flores et al., 2003, Tredici, 2004): los cultivos abiertos, donde la biomasa está expuesta a las condiciones medioambientales; y los cultivos cerrados, denominados fotobiorreactores o PBR (por sus siglas en inglés), con poco o ningún contacto con el medio externo (Borowitzka, 1999, Contreras-Flores et al., 2003, Tredici, 2004) como se muestra en la figura 1.5, no obstante, actualmente, se están investigando los mejores sistemas, debido a que no existe unanimidad de criterios.. Figura 1.5 Sistemas utilizados para el cultivo de microalgas: (a) estanque abierto, (b) Fotobiorreactor de placa delgada, (c) Fotobiorreactor tubular inclinado y (d) Fotobiorreactor continuo horizontal.. 4.3.. Usos bioenergéticas de las microalgas. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 20.

(30) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Dada la gran variedad de componentes bioquímicos que las microalgas pueden acumular, se puede obtener de ellas prácticamente cualquier tipo de biocombustible, tanto líquidos como el bioetanol (obtenido a partir de los hidratos de carbono) y el biodiésel, (obtenido a partir de los lípidos), gaseosos como el biogás, el biohidrógeno y el syngas (obtenidos a partir de cualquier componente orgánico), o sólidos, obteniendo electricidad generada a partir de su combustión (Brennan & Owende, 2010). En la figura 1.6 se muestran las tres vías de producción de biocombustibles a partir de las microalgas, que son: la conversión termoquímica, conversión bioquímica y conversión química, obtención así syngas, bioaceites, carbón, biogás, bioetanol, biohidrógeno y biodiesel. (Chisti, 2007). Figura 1.6. Procesos de conversión de las microalgas a biocombustibles. (adaptado de Brennan y Owende, 2009). Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 21.

(31) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 4.3.1.. Biocombustibles.. El término biocombustibles es la denominación dada cualquier tipo de combustible que se derive de la biomasa. Es una fuente renovable de energía, a diferencia de otros recursos naturales como el petróleo, carbón y los combustibles nucleares. 4.3.2.. Ventajas y desventajas de los biocombustibles.. Ventajas:  No incrementan los niveles de CO 2 en la atmósfera, con lo que se reduce el peligro del efecto invernadero.  Proporcionan una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable.  Revitalizan las economías rurales, y generan empleo al favorecer la puesta en marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola.  Se podrían reducir los excedentes agrícolas que se han registrado en las últimas décadas.  Se mejora el aprovechamiento de tierras con poco valor agrícola y que, en ocasiones, se abandonan por la escasa rentabilidad de los cultivos tradicionales.  Se mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales. Desventajas:  El costo de producción de los biocombustibles casi dobla al del de la gasolina o gasóleo (sin aplicar impuestos). Por ello, no son competitivos sin ayudas públicas.  Se necesitan grandes espacios de cultivo, dado que del total de la plantación sólo se consigue un siete por ciento de combustible.  Potenciación de monocultivos intensivos, con el consiguiente uso de pesticidas y herbicidas.  Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia. (Plaza, 2016) 4.4.. Digestión anaerobia de microalgas. Las posibilidades de la digestión anaerobia aplicada a la biomasa de microalgas se centran en dos opciones: Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 22.

(32) Capitulo I: Revisión Bibliográfica  El uso de la digestión anaerobia como ruta principal para la conversión de la biomasa de microalgas en biogás, cultivando y cosechando las microalgas para ser introducidas directamente en un digestor anaerobio.  El aprovechamiento de los residuos de microalgas, generados tras la extracción y aprovechamiento de los múltiples compuestos de alto valor agregado que estos microorganismos atesoran en su interior, para la producción de biogás. En ambos casos se produciría energía renovable y existiría la posibilidad de reutilizar el digerido como fuente de nutrientes para el cultivo de nueva biomasa. (Golueke y col., 1957; Golueke y Oswald, 1959). Finalmente en la figura 1.7 se muestran que la digestión anaerobia constituye una etapa importante, en la recuperación de los residuos orgánicos generados en procesos de extracción de compuestos de alto valor agregado, como paso final en un concepto que se acerca a una biorrefinería. Dada la gran variedad de la materia orgánica, su aplicación y el volumen de producción, se plantea que pueden sustituir a los combustibles fósiles más tradicionales, en virtud de su bajo o nulo deterioro ambiental y sus características de renovación. (García & Triñanes).. Figura 1.7 Concepto de biorrefinería en la producción de biocombustibles a partir de microalgas.. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 23.

(33) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 4.5.. Digestión anaerobia de residuos de microalgas. La combinación de la digestión anaerobia con la industria de microalgas, sea cual sea su principal fin, pretende aprovechar los residuos que se pueden generar en los diferentes procesos aplicados a la biomasa de microalgas para la producción de biogás, aumentando la producción energética a partir de esta biomasa o al menos reduciendo las necesidades energéticas que presenta la planta de producción y procesamiento de microalgas. Hasta ahora, únicamente se ha evaluado esta opción a escala de laboratorio, y, principalmente, sobre biomasa de microalgas a la cual se le han extraído los lípidos con el objetivo de producir biodiésel (Ehimen y col., 2009, 2011; Yang y col., 2011; Park y Li, 2012; Keymer y col., 2013; Alzate y col., 2013). De las diferentes investigaciones realizadas hasta la fecha que evalúan la degradación anaerobia de residuos de microalgas obtenidos tras la extracción de lípidos se concluye que la extracción de lípidos puede considerarse un pretratamiento en sí mismo. En todos los casos en los que la biomasa residual ha sido comparada con la biomasa original se observó una mejora en la cinética del proceso de digestión, incrementándose el volumen de metano producido en los primeros días del proceso (Ehimen y col., 2009; Keymer y col., 2013; Alzate y col., 2013). Sin embargo, en alguno de los casos en los que se realizó esta comparación se observó un descenso de la productividad de metano de la biomasa residual en comparación con la biomasa original, a causa de la extracción de lípidos que rinden una elevada cantidad de metano cuando son digeridos (Ehimen y col., 2009). Se puede concluir que aunque los procesos de extracción suelen beneficiar a la producción de metano y a la cinética del proceso de digestión, los efectos dependerán en gran medida del método de extracción y de la especie de microalga empleada. Asimismo, parece obvio que si se puede obtener un producto de alto valor agregado a partir de un proceso de extracción que a su vez incrementa la productividad de metano de la biomasa original, el camino a seguir para el aprovechamiento de las microalgas para la producción de biogás pasa por el acoplamiento de la digestión anaerobia como método de tratamiento de residuos. De esta forma se disminuiría la carga orgánica de estos, produciendo energía renovable en forma de biogás y dando la posibilidad de reciclar el digerido como medio de cultivo de nueva biomasa, reduciendo los costes de fertilizantes. A su vez y como producto principal, tendríamos ese componente de alto valor agregado que ha sido previamente extraído de la biomasa de microalgas. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 24.

(34) Capitulo I: Revisión Bibliográfica 4.6.. Codigestión anaerobia de microalgas. La baja relación de carbono-nitrógeno C/N puede causar problemas de toxicidad al liberarse una cantidad excesiva de amonio, que podría inhibir el crecimiento de los microorganismos encargados de la digestión, impidiendo el correcto desarrollo del proceso y disminuyendo la biodegradabilidad de la biomasa (McCarty P. L., 1964). La relación C/N de un determinado sustrato puede incrementarse mediante la codigestión (mezcla de dos o más sustratos), con el fin de aprovechar posibles sinergias entre ellos, como en este caso podría ser el contenido en nutrientes. En el caso de las microalgas, esta técnica ha sido utilizada con anterioridad en diferentes ensayos de laboratorio, evitando la toxicidad producida por amonio e incrementando la biodegradabilidad y, por tanto, la producción de biogás (Samson and Leduy, 1983; Yen and Brune, 2007; Ehimen et al., 2009). Para ello, se combinan sustratos ricos en carbono con la biomasa de microalgas, aumentando la relación C/N hasta niveles cercanos al óptimo considerado para la digestión anaerobia, que oscila entre 10 y 30 (Pagés Díaz y col., 2011). Este rango es muy amplio debido a que la relación C/N óptima para el proceso de digestión depende de muchos factores como el sustrato de entrada, la temperatura de digestión y la aclimatación de los microorganismos a elevados contenidos en nitrógeno (Chen, Cheng, & Creamer, 2008). 4.7.. Pretratamiento de microalgas. Los problemas de rendimiento en producción de biogás en la digestión anaerobia de microalgas se deben a la resistencia de la pared celular, que tiene una difícil hidrólisis, lo que obliga a aplicar largos tiempos de retención hidráulicos (TRH) si se quiere llevar a cabo su digestión con un alto grado de degradación. Por este motivo, muchos estudios han intentado encontrar pretratamientos óptimos para mejorar el rendimiento y la rentabilidad de la digestión de las algas y así poder garantizar la viabilidad económica del proceso para poder competir en el mercado con otras fuentes de energía. Existen diferentes pretratamientos para aumentar la biodegradabilidad que se pueden aplicar a esta biomasa y que han sido probados a escala de laboratorio con resultados satisfactorios. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 25.

(35) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Los principales pretratamientos se clasifican en: 1. Pretratamientos químicos 2. Pretratamientos mecánicos 3. Pretratamientos por microondas 4. Pretratamientos biológicos 5. Pretratamientos térmicos 4.7.1. Pretratamientos químicos. La oxidación y los pretratamientos alcalinos son los principales pretratamientos químicos utilizados sobre el sustrato. El método más utilizado para conseguir la oxidación del sustrato consiste en la ozonización, en el que se consigue obtener una solubilización parcial del sustrato y un aumento del rendimiento del proceso. En cuanto a los pretratamientos alcalinos, se utiliza mayoritariamente el peróxido de hidrógeno, obteniendo resultados similares a la oxidación, y son empleados para solubilizar los polímeros que forman la biomasa y favorecer los ataques de las enzimas extracelulares durante la hidrólisis. Los tratamientos alcalinos son relativamente efectivos en la solubilización del sustrato en el orden siguiente NaOH > KOH > Mg(OH)2 > CA(OH)2. La solubilización del sustrato aumenta con este pretratamiento a medida que se aumenta la dosis alcalina y la temperatura hasta un estado límite. No hay inconvenientes asociados a su aplicación, como la contaminación del sustrato tratado debido a la formación de productos tóxicos para las poblaciones de microorganismos que llevarán a cabo la digestión anaeróbica. 4.7.2. Pretratamientos mecánicos. Existen diferentes tipos de tratamientos mecánicos para favorecer la digestión anaeróbica, siendo el más común son los ultrasonidos, que actúan rompiendo la estructura celular y los agregados físicos en función del tiempo, la potencia y la energía aplicada. En este campo se observan mejoras en los rendimientos de producción de biogás del orden de entre 20-140% en sistemas discontinuos, y 10-45% en sistemas continuos o semicontinuos. Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 26.

(36) Capitulo I: Revisión Bibliográfica Otros tratamientos menos extendidos son los que consiguen la ruptura de enlaces mediante centrifugación, con mejoras del orden de 15-26%. También cabe citar la homogeneización a altas presiones de más de 90 bar y el sustrato pasa a través de una válvula de homogeneización bajo una fuerte despresurización; o la pulverización del sustrato, en la que este es desintegrado mediante un molino de bolas sacudido.. 4.7.3. Pretratamientos por microondas Estos procesos se basan en radiaciones electromagnéticas con frecuencias que oscilan entre 0,3-300 GHz. Los llamados materiales dieléctricos, capaces de absorber la energía de las microondas, se calientan por fricción debido a la intermitente alineación de los dipolos dando lugar a la ruptura de la red polimèrica de la materia orgánica. Se han llegado a resultados en los que se produjo un aumento del 800% en la solubilidad de la biomasa algal, y un incremento en la producción de biogás de 27-75% (Passos, Solè, García, & Ferrer, 2013).. 4.7.4. Pretratamientos biológicos El uso de pretratamientos biológicos con el objetivo de aumentar la biodegradabilidad de la biomasa de microalgas, sobre tres lodos de microalgas. Estos pretratamientos consisten en la aplicación de enzimas o de bacterias que secretan enzimas extracelulares capaces de hidrolizar ciertos componentes de la biomasa de microalgas en condiciones aerobias. 4.7.5. Pretratamientos térmicos Los pretratamientos térmicos son los que más se utilizan debido a la buena relación entre sencillez de aplicación y resultados obtenidos, de forma que solubilizan la materia a partir de la aplicación de calor. Las temperaturas que se utilizan tienen un rango muy amplio, desde los 55ºC hasta los 170ºC. No obstante, temperaturas inferiores a 100ºC son las que se consideran para un tratamiento realmente térmico ya que por encima de los 100ºC se debe disminuir gradualmente la presión (Passos, García, & Ferrer, 2013). En muchos estudios sobre este tratamiento se concluyó que el factor más importante de este tratamiento es la temperatura, cuyo valor óptimo dependía de las características del sustrato. Sin embargo, el tiempo también puede tener su influencia, observando un Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 27.

(37) Capitulo I: Revisión Bibliográfica aumento de la producción de metano cuando en un tratamiento se incrementa su tiempo de aplicación (Marsolek, Kendall, Thompson, & Shuman, 2014). En resumen el pretratamiento que se ha determinado para mejorar la solubilización de la biomasa algal y a su vez la generación de metano, el pretratamiento térmico, una vez que garantiza el incremento de la biodegradabilidad de la biomasa además contribuí para el balance energético positivamente. (González-Fernández, 2012). Siguiendo esta línea, se trabajará con los pretratamientos térmico aplicando una temperatura elevada, esperando mejorar notablemente la producción y calidad del biogás producido en la digestión anaeróbica de las microalgas. Se realizará a 75ºC durante 24 horas, que son valores que garantizan ruptura de la pared celular de forma notable. 5. Tecnologías para la digestión anaerobia 5.1.. Caracterización general de una planta de biogás. La digestión anaeróbica, se lleva a cabo en un digestor. La elección del tipo de digestor es un factor clave a la hora de desarrollar una planta de biogás, ya que cada tecnología posee ventajas según el tipo de biomasa a procesar. Para que un digestor de residuos orgánicos opere en forma correcta, deberá reunir las siguientes características: a) Ser hermético con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere con la digestión anaeróbica y a la vez, impedir las fugas del biogás producido. b) Estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura, lo que usualmente se consigue construyéndolos enterrados. c) Aún no siendo en recipiente de alta presión, el gasómetro de gas deberá contar con una válvula de seguridad. d) Contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema. e) Tener acceso para el mantenimiento. f). Contar con un medio para romper las natas o costras que se forman.. g) Sistema de control de temperatura y presión en el interior de digestor. Para el dimensionamiento de un biodigestor depende, en lo fundamental, de los siguientes factores: Diseño de una planta de producción de biogás a partir de los residuos de microalgas en el laboratori o de OPU. 28.