Proceso Anaeróbico
La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los
materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o sus precursores
Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos,
vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos útiles. En la digestión anaerobia más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aeróbico.
En la digestión anaeróbica, los microorganismos metanogénicos desempeñan la función de
Etapas de la fermentación metanogénica
1. Hidrólisis 2. Etapa fermentativa o acidogénica 3. Etapa acetogénica
4. Etapa metanogénica
La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, carbohidratos 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 serán metabolizados 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
Biogas
Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:
- Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.
APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA
El proceso de digestión anaeróbica ha sido aplicado a muchos residuos humanos, agrícolas y de
transformación, por ejemplo:
Lodo residual municipal
Estiércol de ganado vacuno lechero y de abasto Estiércol de ganado ovino
Estiércol de ganado porcino Estiércol de aves de corral
Biodigestor - Aplicaciones
A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para
iluminación, y para calefacción. También ayuda a la transformación de los desechos.
Mejora de la capacidad fertilizante del estiércol Control de patógenos
Control de olores
Biodigestor - Parámetros
Considerando que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, por ello es necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. Los principales parámetros en la producción del biogas son:
Temperatura
Concentración de la carga Tiempo de retención
Relación Carbono/Nitrógeno/Fosforo pH
CONCENTRACION DE LA CARGA
Optimo: 7%,9% ST
Húmedo: < 10-15 % ST
pH
Aceptable: 6,5-7,5
> 8,0: acumulación de compuestos alcalinos
Mantener el N amoniacal <2000 mg/l (inhibe flora microbiana)
< 6,0: descompensación fase acidogenica y metanogenica
Concentraciones < 200 mg/l de sulfuro con pH< 6,5 inhibe flora
microbiana
AGITACION
Aumenta contaco bacteria-materia prima
Termofilicos: agitacion continua
Mesofilicos: agitacion intermitente suave
Se obtiene por bombeo, agitacion mecanica con paletas,
ACIDEZ/ALCALINIDAD
La alcalinidad es especialmente importante para la fermentación anaeróbica para maximizar la producción de metano. La
alcalinidad representa la capacidad buffer del sistema,
manteniendo en el digestor un pH estable y así se logra una actividad biológica óptima
El contenido de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) -producto de las bacterias acidogénicas- como la alcalinidad, definen la estabilidad del proceso respecto a la disponibilidad de suficiente actividad metanogénica.
La acidez es sumamente importante en los sistemas secos y
semisecos (de alta concentración) y con residuos provenientes de la fracción orgánica (compuesto por comida, frutas, vegetales y de jardín) ya que se incrementa considerablemente durante los
TIEMPO DE RETENCION
varía con las diferentes tecnologías empleadas (seco o
húmedo – alta o baja carga), temperatura del proceso y la
composición de los residuos.
RELACION C:N:P
indica la cantidad de nutrientes para el crecimiento de los
microorganismos.
La relación óptima es de 25:4:1
Una alta concentración de carbono respecto al nitrógeno, resulta
en una baja producción de biogás por el rápido consumo de
nitrógeno por parte de las bacterias metanogénicas.
Una baja relación provoca acumulación y posterior intoxicación
con amonio de las bacterias.
La fracción orgánica de los residuos urbanos ampliamente satisface
TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS
Tipo de proceso
Continuo: permanentemente se está incorporando carga fresca al sistema y
se descarga el digerido.
Discontinuo (batch): requiere de la descarga de productos una vez que se
digirió todo el sustrato y nuevamente se lo carga para iniciar el ciclo con un sustrato fresco.
Número de etapa: según el número de reactores usados
Simple (Una): Todas las etapas de la digestión anaeróbica (hidrólisis,
acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) ocurren en un solo digestor.
Dos: Las etapas de hidrólisis y acidogénesis ocurren en un reactor y la
metanogénesis se desarrolla en uno distinto. Esto generalmente se realiza para evitar la acidificación del proceso, previniendo inhibición del proceso.
Múltiple (tres o más): Cada una de las etapas de la digestión anaeróbica se
TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS
Temperatura de operación:
Psicrofílicos: los microorganismos de este tipo se desarrolla entre 0 y 20°C
pero los procesos se operan aproximadamente entre 10 y 20°C.
Termofílico: el rango de temperatura de trabajo es superior a los 40ºC,
generalmente es de 55-60ºC.
Mesofílico: se trabaja entre los 25-37ºC de temperatura.
Tipo de carga: (sustrato)
FO segregada en fuente: cuando la fracción orgánica ya viene separada de los
domicilios que son los generadores de la misma.
FO segregada mecánicamente: cuando la fracción orgánica viene de la fuente de
generación (vivienda) sin separar a una planta de tratamiento en donde por diferentes métodos se separan las demás fracciones y la orgánica se la destina al tratamiento biológico
RSD (sin segregación): cuando todas las fracciones de los residuos domiciliarios
Tipo de biodigestores
Componentes de un digestor:
Reactor o contenedor de las materias primas a digerir
Contenedor de gas, con los accesorios para salida de
biogás,
Entrada o carga de materias orgánicas primas
Biodigestor - Características
Para una buena operación:
Hermético, para evitar fugas de gas.
Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de
temperatura
Acceso para mantenimiento
Modelo chino
0.15-0.20 v/v
(gas/digestor) por dia
Poco eficiente para generar biogas
Modelo indiano
0.50-1 v/v
(gas/digestor) por dia 15-25 dias de
retención
Criterios a tener en cuenta
a)
Inversión que se está dispuesto a realizar.
b) Energía que se quiere obtener.
c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor.
d) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel
freático o mantos rocosos.
Elección del sitio para el biodigestor
a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras y las presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30 metros.
b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar el acarreo que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del biodigestor, e implicara mayores costos.
c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo.
d) Debe estar a por lo menos 10 – 15 metros de cualquier fuente de agua para evitar posibles contaminaciones.
e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de
FACTORES DE PRODUCCIÓN DE
BIOGÁS
FACTOR DE CARGA ORGÁNICA
TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA CELULAR TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO
FACTOR DE CARGA ORGÁNICA
Kg’s de Sólidos Volátiles (VS) añadidos por día por m
3de
capacidad del digestor
Los digestores de tasa estándar están entre 0.5 y 1.6 Kg/m
3-d
TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA
CELULAR
La cantidad de tiempo que las bacterias tienen que estar en contacto con la carga orgánica
El tiempo medio de residencia celular es la masa de células en el reactor dividida entre la masa de células agotada por día
Para digestores de régimen continuo o plug flow (de tipo tubular) sin remezclado, el tiempo medio de residencia celular es el mismo que el tiempo de retención hidráulico
TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO
El tiempo de retención hidráulico es el volumen del digestor
dividido entre la velocidad de flujo, V/Q
El tiempo de retención hidráulico debe ser lo
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
Los organismo anaeróbicos, particularmente los
metanógenos, son fácilmente inhibidos incluso por
pequeños cambios en la temperatura.
Lo más común es operar digestores de alta tasa entre 30
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
En digestores de alta tasa, la producción de gas oscilará
típicamente entre 0.5 y 0.75 m
3/Kg de sólidos volátiles
añadidos; o
CAPTACIÓN DE BIOGÁS
No se debe permitir que el gas y el aire se mezclen, o
puede resultar una mezcla explosiva
Las tuberías de gas y las válvulas de seguridad deben
incluir apagallamas
Cubierta flotante o cubierta fija para el digestor
Debe proveerse almacenamiento de gas
USO DEL BIOGÁS
Un m
3de metano a temperatura estándar (STP) tiene un
valor de calefacción de 35,800 kJ/m
3
El gas de tanque digestor de alta tasa promedia el 65%
del metano, el valor neto de calefacción es de 22,400
kJ/m
3
Combustible para caldera
Combustible para motores de combustión interna
