UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITO

Diseo, Construccin y Puesta en Marcha de un Biodigestor a Escala Piloto para la Generacin de Biogs y Fertilizante Orgnico

Jairo Andrs Salamanca Tamayo

Tesis de grado presentada como requisito para la obtencin del ttulo de Ingeniero Qumico

Quito Noviembre 2009

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Derechos de autor (Copyright) Jairo Andrs Salamanca Tamayo 2009

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Agradecimientos

El presente trabajo se ha realizado en el Laboratorio de Desarrollo de Energas Renovables (LADEA) del Departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad San Francisco de Quito, bajo la direccin de la Dr. Ing. Daniela Almeida, a quien deseo manifestar mi ms profundo y sincero agradecimiento por su continua y valiosa direccin, as como la constante ayuda prestada que ha hecho posible la finalizacin de este proyecto. Asimismo quiero expresar mi reconocimiento al Dr. Carlos Fabara, al Ing. Marcelo Albja y Ing. Cesar Octavio Len, por sus valiosos conocimientos impartidos y el estmulo durante todo el transcurso de la carrera. Agradezco a mi padre por darme la vida y por ensearme que en la vida hay que luchar para vivirla y ser merecedor de ella. Gracias pap por todo. A mi hermana por apoyarme y por creer sinceramente en lo que hago. A amigos y compaeros por la desinteresada colaboracin y amistad que me han brindado durante estos aos, ante cualquier problema. A Marco Paredes por ser el proveedor de materia orgnica animal para la realizacin de este proyecto.

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ResumenEn este trabajo se realiz el diseo, construccin y puesta en marcha de un biodigestor a escala piloto para la generacin de biogs y fertilizante orgnico por medio de la digestin anaerbica de desechos orgnicos animales y vegetales. En la primera parte se dise y construy el biodigestor con todos sus equipos y accesorios como son bombas, tanques de almacenamiento, contador de gas, etc., adems del sistema de control. Una vez construido se prosigui con la puesta en marcha en frio para la comprobacin del sistema, y finalmente la puesta en marcha en caliente y la operacin del proceso. Durante estos dos ltimos pasos se investig la biodigestin de los desechos orgnicos con una mezcla definida entre la materia orgnica animal y vegetal para maximizar la produccin de biogs. Para esto se control una serie de parmetros como pH, temperatura, agitacin, reduccin de DQO, TS, oTS, contenido de nitrgeno y fsforo, tiempo de residencia, produccin de biogs, entre otros. Por otro lado, como producto secundario de la digestin anaerbica de los desechos orgnicos se produjo un fertilizante orgnico en fase liquida de alta calidad que sirve para reducir la cantidad de fertilizantes sintticos que requieren los cultivos. Adems se estudiaron tratamientos necesarios para la estabilizacin del fertilizante orgnico posterior a la salida del biodigestor. Finalmente, en el biodigestor piloto se logr producir 400 litros de biogs por da con 400 litros de volumen de reactor y una carga orgnica de 2,01 kgDQO Ali

/ m3.d. Lo que equivale a

3 una generacin de 1,012 kg biogs/ ???????????????????????????????????????????????? ????????????. Para el fertilizante orgnico se logr

producir 30 litros por da con un pH de 6,56 y un tiempo de residencia de 16 das. Para su estabilizacin se utiliz en tratamiento trmico con una exposicin de 20 minutos.

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AbstractThis thesis project is the design, construction and start up of a pilot scale biodigestor for the generation of biogas and organic fertilizer by anaerobic digestion of organic animal and vegetable waste. Initially the biodigestor was designed and built including all equipment, accessories such as pumps, storage tanks, gas counter, etc. and control system. Once the reactor was built a cold start up followed, this was necessary to test the system. Finally the hot start up was completed along with the process operation. During these last two steps, the biodigestion of the organic waste was investigated, defining along the way the most efficient mixture of animal and vegetable organic material in the production of biogas. To accomplish this a series of parameters such as pH, temperature, agitation, DQO reduction, TS, oTS, nitrogen and phosphor content, residence time, biogas production along with other parameters were controlled. The anaerobic biodigestion of organic waste produces, as a secondary product, a high quality organic fertilizer in liquid phase that can be used to reduce the amount of synthetic fertilizers need to stabilize organic fertilizers required in cultures. In addition various treatments used in the stabilization of this organic fertilizer were studied posterior to the biodigestion. Finally, the pilot biodigestor produces 400 liters of biogas per day with a reactor volume of 400 liters and an organic feed of 2.01 kg DQO Ali / m3.d. This is the equivalent to the generation3 of 1.012 kg biogas/???????????????????????????????????? ???????????? ??????. With respect to the organic fertilizer 30 liters were produced

per day with a pH of 6.56 and a residence time of 16 days. In order to stabilize the fertilizer a thermal treatment with a 20 minute exposure period was used.

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ndice GeneralAgradecimientos .......................................................................................................................iv Resumen ..................................................................................................................................... v Abstract .....................................................................................................................................vi 1. Introduccin ....................................................................................................................... 1 1.1. 1.2. 1.3. Antecedentes ................................................................................................................. 1 Justificacin de proyecto .............................................................................................. 4 Objetivos ....................................................................................................................... 5 Objetivos principales ............................................................................................. 5 Objetivos especficos ............................................................................................. 5

1.3.1. 1.3.2. 2.

Fundamentos Tericos ...................................................................................................... 6 2.1. Digestin anaerobia ...................................................................................................... 6 Hidrlisis ............................................................................................................... 9 Acidognesis .......................................................................................................... 9 Acetognesis ........................................................................................................ 10 Metanognesis ..................................................................................................... 10

2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.2. 2.3.

Biodigestores .............................................................................................................. 12 Clasificacin de los biodigestores ............................................................................... 13 Digestores de carga en batch ............................................................................... 13 Digestor de mezcla completa ............................................................................... 14 Digestores de rgimen semi-continuo.............................................................. 15 Digestores de rgimen continuo ...................................................................... 17 Digestores con retencin de biomasa sin recirculacin ....................................... 19 Digestores de dos etapas ...................................................................................... 23

2.3.1. 2.3.2. 2.3.2.1. 2.3.2.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.4.

Parmetros relacionados al proceso de digestin anaerbica ..................................... 24

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2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.4.5. 2.4.6. 2.4.7. 2.4.8. 2.5.

Sustratos .............................................................................................................. 24 Temperatura del proceso ..................................................................................... 25 Tiempo de retencin hidrulico (TRH) ............................................................... 28 pH ........................................................................................................................ 29 Degradacin ......................................................................................................... 30 Nutrientes ............................................................................................................ 30 Agitacin y mezcla .............................................................................................. 31 Promotores e inhibidores de la fermentacin ...................................................... 36

Propiedades que definen a la biomasa ........................................................................ 38 Slidos totales (TS) ............................................................................................. 38 Slidos voltiles (oTS). ....................................................................................... 39 Carga orgnica volumtrica (COV) ..................................................................... 40 Demanda qumica de oxigeno DQO .................................................................... 40 Relacin carbono nitrgeno (C: N) .................................................................. 41

2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4. 2.5.5. 2.6. 2.7. 2.8.

Produccin de biogs .................................................................................................. 42 Produccin de lodos .................................................................................................... 43 Acondicionamiento y aprovechamiento de biogs ..................................................... 44 Caractersticas del biogs .................................................................................... 44 Purificacin de biogs ......................................................................................... 46

2.8.1. 2.8.2. 2.9.

Aprovechamiento del bioabono (BIOL) ..................................................................... 50 Caracterstica del bioabono ................................................................................. 51 Usos del bioabono como fertilizante ................................................................... 52 Efectos del bioabono como fertilizante ............................................................... 53 Formas de aplicacin del bioabono ..................................................................... 53

2.9.1. 2.9.2. 2.9.3. 2.9.4. 3.

Mtodos Experimentales ................................................................................................. 55

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3.1.

Descripcin del proceso de digestin anaerobia ......................................................... 55 Preparacin de la materia prima .......................................................................... 55 Operacin de la planta piloto ............................................................................... 56 Tratamiento del biogs ........................................................................................ 58 Tratamiento del fertilizante orgnico (biol)......................................................... 59

3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.2.

Descripcin de la planta piloto ................................................................................... 61 Diagrama de flujo ................................................................................................ 61 Equipos utilizados ............................................................................................... 65 Accesorios y sistemas de control ......................................................................... 71

3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.3. 3.4.

Puesta en marcha ........................................................................................................ 75 Anlisis realizados ...................................................................................................... 78 Medicin del pH .................................................................................................. 78 Contenido de slidos totales ................................................................................ 78 Contenido de slidos totales orgnicos ............................................................... 79 Determinacin de la demanda qumica de oxgeno ............................................. 81 Determinacin de nitrgeno total ........................................................................ 81 Determinacin del fsforo total ........................................................................... 82 Determinacin de Coliformes totales y Echerichia coli (E. coli) ........................ 82

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.4.5. 3.4.6. 3.4.7. 4.

Resultados y Discusin .................................................................................................... 84 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. Construccin y puesta en marcha ............................................................................... 85 Resultados de la operacin de la planta piloto ............................................................ 85 Anlisis de la alimentacin, la mezcla reactiva y el biol ............................................ 96 Interpretacin y evaluacin de la operacin de la planta piloto................................ 100 Balance de masa de la planta piloto .......................................................................... 103 Caracterizacin y estabilizacin del biol .................................................................. 108

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5. 6. 7.

Conclusiones y Recomendaciones ................................................................................ 111 Bibliografa ..................................................................................................................... 115 Anexos ............................................................................................................................. 119

Anexo 1 ................................................................................................................................... 119 Anexo 2 ................................................................................................................................... 121 Anexo 3 ................................................................................................................................... 124 Anexo 4 ................................................................................................................................... 126 Anexo 5 ................................................................................................................................... 131

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ndice de FigurasFig. 2.1. Etapas en la produccin de metano a partir de residuos orgnicos. .............................. 8 Fig. 2.2. Biodigestor modelo Batch ........................................................................................... 14 Fig. 2.3. Digestor de mezcla completa (CSTR) ........................................................................ 15 Fig. 2.4. Digestor tipo Hind..................................................................................................... 16 Fig. 2.5. Digestor tipo Chino ..................................................................................................... 17 Fig. 2.6. Digestores de rgimen continuo .................................................................................. 18 Fig. 2.7. Digestores de filtro anaerbico con relleno irregular.................................................. 20 Fig. 2.8. Digestores de filtro anaerbico con relleno regular o lecho ficho .............................. 20 Fig. 2.9. Lecho Fluidizado ........................................................................................................ 21 Fig. 2.10. Digestor de lecho de lodo granular (UASB) ............................................................. 22 Fig. 2.11. Digestor de dos etapas .............................................................................................. 23 Fig. 2.12. Diagrama del efecto de la temperatura y el tiempo de retencin hidrulico con respecto a la produccin de gas. ................................................................................................ 26 Fig. 2.13. Agitador vertical ....................................................................................................... 32 Fig. 2.14. Agitador vertical con motor sumergible ................................................................... 33 Fig. 2.15. Agitador horizontal ................................................................................................... 34 Fig. 2.16. Agitador inclinado..................................................................................................... 35 Fig. 3.1. Diagrama de bloque del proceso de produccin de biogs y fertilizante orgnico ..... 57 Fig. 3.2. Diagrama de bloque del tratamiento de biogs ........................................................... 58 Fig. 3.3. Diagrama de bloque del tratamiento del fertilizante orgnico (biol) con aireacin .... 59 Fig. 3.4. Diagrama de bloque del tratamiento del fertilizante orgnico (biol) con cal .............. 60 Fig. 3.5. Diagrama de bloque del tratamiento trmico del fertilizante orgnico (biol) ............. 60 Fig. 3.6. Diagrama de flujo de la planta piloto .......................................................................... 62 Fig. 3.7. Tanque de mezcla y alimentacin ............................................................................... 65 Fig. 3.8. Trituradora de martillos .............................................................................................. 66 Fig. 3.9. Bomba centrifuga ........................................................................................................ 67 Fig. 3.10. Reactor semi- continuo para la digestin anaerobia. a) sin aislamiento trmico, b) con aislamiento. ......................................................................................................................... 68 Fig. 3.11. Disecador de gas ....................................................................................................... 69

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Fig. 3.12. Condensador o trampa de vapor ............................................................................... 69 Fig. 3.13. Desulfurizador ........................................................................................................... 70 Fig. 3.14. Contador de gas ......................................................................................................... 70 Fig. 3.15. Tanques de Almacenamiento .................................................................................... 71 Fig. 3.16. Medidor de caudal ..................................................................................................... 72 Fig. 3.17. Sistema elctrico de control automtico ................................................................... 73 Fig. 4.1. Variacin de la temperatura con respecto al tiempo de operacin del biodigestor..... 86 Fig. 4.2. Variacin del pH con respecto al tiempo de operacin del biodigestor...................... 88 Fig. 4.3. Variacin de la recirculacin con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ... 89 Fig. 4.4. Variacin del volumen de alimentacin con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ................................................................................................................................. 90 Fig. 4.5. Variacin de la carga orgnica de alimentacin con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ........................................................................................................................... 91 Fig. 4.6. Variacin del tiempo de residencia hidrulico con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ........................................................................................................................... 92 Fig. 4.7. Variacin del consumo de aditivos para elevar el pH diario con respecto al tiempo de operacin del biodigestor........................................................................................................... 94 Fig. 4.8. Variacin de la generacin de gas por da con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ................................................................................................................................. 96 Fig. 4.9 Slidos totales del biol con respecto al tiempo de operacin del biodigestor .............. 97 Fig. 4.10. Slidos orgnicos totales del biol con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ................................................................................................................................. 98 Fig. 4.11. Demanda qumica de oxigeno con respecto al tiempo de operacin del biodigestor99 Fig. 4.12. Relacin del flujo msico de DQO en la alimentacin y la descarga con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ........................................................................................ 101 Fig. 4.13. Comparacin del factor de degradacin y la produccin de biogs con respecto al tiempo de operacin del biodigestor ........................................................................................ 102 Fig. 4.14. Diagrama del espacio de control para el balance de masa ...................................... 104

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ndice de TablasTabla 2-1. Reacciones representativa de la digestin anaerobia .............................................. 12 Tabla 2-2. Nomenclatura de procesos y equipos de la planta industrial de biogs .................. 18 Tabla 2-3. Rendimiento de gas con materiales empleados comnmente a diferente temperatura. ............................................................................................................................... 27 Tabla 2-4. Concentracin inhibidora de inhibidores comunes. ................................................ 38 Tabla 2-5. Contenido de slidos totales aproximados de materiales de fermentacin utilizados comnmente en las zonas rurales. ............................................................................................. 39 Tabla 2-6. Relacin carbono a nitrgeno de las materias primas empleadas ........................... 42 Tabla 2-7. Composicin del biogs. ......................................................................................... 44 Tabla 2-8. Propiedades de los componentes del biogs. .......................................................... 45 Tabla 2-9. Equivalencias energticas para 1 m3 de biogs. ...................................................... 45 Tabla 2-10. Caractersticas del biogs en comparacin con otros gases combustibles ............ 46 Tabla 3-1. Nomenclatura de procesos y equipos ...................................................................... 63 Tabla 3-2. Nomenclatura vlvulas ............................................................................................ 63 Tabla 3-3. Nomenclatura del tipo control ................................................................................. 63 Tabla 3-4. Descripcin del flujo de la planta piloto ................................................................. 64 Tabla 3-5. Cantidad de accesorios ............................................................................................ 74 Tabla 4-1. Datos necesarios para los clculos del balance de masa ....................................... 104 Tabla 4-2. Pasos y frmulas para el balance de masa ............................................................ 105 Tabla 4-3. Balance de masa .................................................................................................... 106 Tabla 4-4. Comparacin de la produccin real con la calculada ............................................ 107 Tabla 4-5. Caracterizacin del biol segn el tratamiento de estabilizacin ........................... 108

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NomenclaturaCOV ?????????????????????????????? ?????? ?????? AC C CSTR DQO F m1 m2 m3 MO Ots P Pbiogs pH Rbiogs RDQO RPM SDV SST SSV TRH TS UASB V Vgas producido Vreactor biogs lodos Carga orgnica volumtrica Cantidad de biogs producida Volumen de la carga diaria Acumulado DQO consumido Continuos Stirred Tank Reactor Demanda Qumica de Oxgeno Alimentacin Masa de la muestra inicial Masa de la muestra seca Masa de la muestra calcinada Materia orgnica Slidos Totales Orgnicos Producto Produccin especifica de biogs Potencial de Hidrgeno Velocidad de produccin de biogs Velocidad de degradacin de DQO Revoluciones por minuto Slidos disueltos voltiles Slidos suspendidos totales Slidos suspendidos voltiles Tiempo de residencia hidrulico Slidos Totales Upflow Anaerobic Sludge Blanket Volumen Volumen de biogs producido Volumen del reactor Densidad del biogs Densidad de lodos Tiempo de residencia hidrulico

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1. Introduccin1.1. Antecedentes

En la actualidad el 90 % de las necesidades energticas de nuestro planeta son satisfechas con la utilizacin de combustibles fsiles que se obtienen del petrleo, del gas natural y del carbn. Estos combustibles fsiles no renovables y sus derivados estn experimentando crecientes costos debido a su agotamiento (1). A pesar de su alto uso como combustible, su combustin es altamente contaminante debido al aporte del CO2 en la atmosfera. El carbn de los hidrocarburos se encontraba atrapado en los yacimientos durante millones de aos. Durante la combustin de los combustibles fsiles se libera CO2 en la atmosfera aumentando su concentracin. Este gas aporta significativamente al cambio climtico, ya que su estructura molecular posee un efecto invernadero al almacenar calor en la atmosfera. Las energas alternativas a diferencia de las energas no renovables, son energas inagotables. Entre las energas renovables se encuentran el viento, el sol, el agua, la biomasa o los residuos orgnicos (2) por lo que se plantea la necesidad de encontrar una tecnologa apropiada para que estos recursos puedan ser usados como medio para producir energa. Entre las ventajas de los distintos tipos de energa renovable se encuentra la no emisin de gases contaminantes como resultado de la combustin, ya que el dixido de carbono liberado en el proceso es igual al dixido de carbono absorbido por el material durante su crecimiento, y la no generacin de residuos peligrosos de difcil tratamiento. Adems las distintas fuentes de energa son recursos naturales o domsticos, por lo que su disposicin no est afectada por variaciones de precio a nivel mundial, no se encuentran distribuidas en un territorio especfico y se pueden generar de cualquier actividad humana, principalmente en los procesos agrcolas, ganaderos y los del propio hombre, tal como, basuras y aguas residuales, por lo que al utilizar estos residuos como fuente de energa, a su vez se reduce significativamente el problema de la disposicin de basura, mejora la vida de los campesinos, incrementa la produccin agrcola y preserva el medio ambiente (3). Dentro de las energas renovables encontramos varios tipos como la energa elica, energa solar, energa hdrica, utilizacin energtica de biomasa, etc. La energa elica proviene de la

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energa cintica contenida en el viento que debe tener una velocidad promedio de 5 a 12 metros por segundo para que puede convertirse en energa mecnica o elctrica por medio de aeroturbinas, las cuales estn integradas principalmente por un arreglo de aspas, un generador y una torre (2). La energa hdrica se obtiene del aprovechamiento de las energas cintica y potencial de la corriente de ros, saltos de agua o mareas para ser transformada a energa elctrica por medio de turbinas (2). La energa solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusin nuclear que tiene lugar en el interior del sol. Esa radiacin solar se puede transformar directamente en electricidad por medio de paneles solares (2). Finalmente, la utilizacin energtica de la biomasa, que se refiere a la madera, las cosechas, los residuos de la cosecha o la basura orgnica, se puede realizar mediante la combustin de la misma o a travs de la digestin anaerbica en la cual se produce biogs. Biogs se llama al metano que se puede extraer de estos residuos en un generador de gas o un digestor que tambin es usado para generar energa elctrica o energa mecnica (3). Este trabajo se va a enfocar en la energa con biomasa. La biomasa abarca todo un conjunto heterogneo de materias orgnicas, tanto por su origen como por su naturaleza. Energticamente el termino biomasa se usa para denominar a una fuente de energa renovable basada en la utilizacin de la materia orgnica conformada por desechos y basura industrial y municipal; residuos de cultivos agropecuarios; y cultivos y plantaciones con propsitos energticos (4). La biomasa tiene carcter de energa renovable debido a que su contenido energtico proviene de la energa solar fijada por las plantas en forma de cadenas de carbono en un proceso que se lleva a cabo llamado fotosntesis vegetal. Esta energa es liberada al romper los enlaces de los compuestos orgnicos a travs de dos procesos tecnolgicos, el primero es el proceso termoqumico del cual destaca la combustin directa de la biomasa; y, el segundo es el proceso bioqumico en el cual destaca la digestin anaerobia de los residuos vegetales y animales (5). La digestin anaerobia es un proceso biolgico en el cual la materia orgnica, en ausencia de oxgeno, y mediante la accin de un grupo de microorganismos especficos, se descompone en biogs y fertilizante orgnico. Para que el proceso de digestin anaerbica se lleve a cabo se deben presentar tres etapas principales; la hidrlisis y acidognesis, la acetognesis, y la metanognesis. En la primera etapa la materia orgnica compuesta por protenas,

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carbohidratos y lpidos es degradada a compuestos ms simples como cidos grasos y compuestos neutros. En la segunda etapa las bacterias acetognicas convierten los cidos grasos en cido actico el cual sirve como alimento para las bacterias metanognicas, las cuales producen el metano siendo esta la tercera y ltima etapa del proceso. Al finalizar estas etapas se obtiene el biogs y fertilizante orgnico lquido (6). El biogs por su origen biolgico contiene entre 50 a 70 % de metano, 30 a 45 % de dixido de carbono, 1 a 5 % de hidrgeno, 0,5 a 1 % de oxgeno y de 1 a 5 % de diversos gases. El fertilizante orgnico conocido como biol contiene aproximadamente 20 % de protenas, un 14 % de nitrgeno y 20% de potasio a un pH de 7 (7). El proceso controlado de digestin anaerbica es uno de los ms idneos para la reduccin de emisiones de efecto invernadero de desechos, para el aprovechamiento energtico de los residuos orgnicos, y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos orgnicos tratados (6). En vista a la alta generacin de desechos orgnicos de las industrias alimenticias y agroindustrias, as como el alto consumo de pesticidas y fertilizantes qumicos en la produccin agrcola, se ha generado el inters por aprovechar la energa que puede aportar la biomasa y a la vez dar una solucin alternativa a los problemas de contaminacin ambiental y desgaste de la tierra ocasionado por los fertilizantes qumicos (5). Esto se puede hacer con la implementacin de digestores anaerobios en los cuales es posible generar biogs y fertilizante orgnico a partir de la biomasa proveniente de los desechos. En este proyecto se plantea ocupar los desechos orgnicos vegetales y animales mediante la ubicacin, construccin y puesta en marcha de un biodigestor anaerbico a escala piloto, en el cual se depositan los desechos orgnicos mezclados con agua en un recipiente hermticamente cerrado con recirculacin. En el biodigestor se controla parmetros de operacin como temperatura, pH, agitacin (recirculacin), tiempo de residencia hidrulico, volumen de alimentacin, carga orgnica, slidos totales, slidos orgnicos totales, produccin de fertilizante orgnico y produccin de biogs (8). El biodigestor es una alternativa importante y eficiente para la utilizacin de la biomasa, es muy fcil de realizarlo, ya que es un tanque cerrado que puede ser construido de diversos materiales como ladrillo, hormign, acero o plstico. El biodigestor es por lo general de forma cilndrica posee un conducto o tubera de entrada conocido como afluente, por donde ingresa la mezcla de materia orgnica, y otro de

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salida conocido como efluente, por donde se descarga el fertilizante orgnico el cual fue digerido por la accin de las bacterias anaerobias y a la vez se genera biogs que es utilizado como fuente para la produccin de energa (9). Para poder llevar a cabo este proyecto es muy importante que se tome en cuenta qu desechos o material se va a ocupar para la biodigestin ya que deben ser asequibles. Como sustrato pueden aprovecharse diversos materiales orgnicos tales como residuos vegetales, estircol, desechos agroindustriales, basura orgnica, algas, efluentes de las industrias de alimentos, bebidas, pulpas, desechos de mataderos y procesadores de carne, vinazas de produccin de alcohol, entre otros. Estos son algunos de los desechos que podemos utilizar o adecuar de acuerdo a los desechos de la empresa a la que se quiera ayudar (10).

1.2.

Justificacin de proyecto

Uno de los motivos por el cual se decidi realizar este proyecto es por el hecho que da a da se agotan las energas no renovables y se debe buscar una alternativa a este tipo de energas. Adicionalmente, el manejo de los desechos orgnicos genera grandes dificultades tanto a municipios que deben recolectarlos como a los productores agroindustriales que los generan. La construccin de los biodigestores presenta una solucin a estos dos problemas ya que mediante biodigestores se puede dar un tratamiento a los desechos orgnicos estabilizndoles y otorgndoles un valor agregado sea como abono liquido o como biogs, un biocombustible que se puede utilizar para suplantar algunos combustibles y generar energa elctrica o trmica. La realizacin de biodigestores en el Ecuador es viable, debido a que es un pas agrcola el cual posee varios recursos que facilitan la implementacin de este tipo de tecnologa. Los biodigestores pueden aplicarse a residuos ganaderos, agrcolas, as como desechos de industrias alimenticias. Entre los residuos se pueden tomar en cuenta estircol, residuos agrcolas, excedentes de cosechas, etc. Estos residuos se pueden tratar de forma independiente o juntos, lo cual se denomina co-digestin (7). La instalacin de biodigestores tiene grandes beneficios econmicos y ambientales, debido a que tiene varios usos. La produccin de biogs se puede utilizar en motores para la generacin elctrica por medio de turbinas o aplicar directamente para la generacin de energa trmica en

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cocina a gas o en la generacin de climas controlados con el fin de calentar criaderos de pollos o cerdos recin nacidos, tambin para huertos de plantas como en el caso de rosas, disminuyendo as el consumo de lea o gas natural. Esta es una forma de producir energa no contaminante ni en el proceso de produccin ni en su combustin, ya que la energa proviene de desechos que de lo contrario tendran que ser tratados de otra forma y el biogs contiene menores concentraciones de NOX, SOX y CO. Adems como subproducto de la produccin de biogs se obtiene el fertilizante orgnico o biol de muy buena calidad y de inmediata disponibilidad para los cultivos, que se puede utilizar en haciendas y fincas de produccin agrcola y reducir o eliminar a los fertilizantes sintticos.

1.3.

Objetivos

1.3.1. Objetivos principales El objetivo principal de este trabajo es el diseo, la construccin y la puesta en marcha de un biodigestor a escala piloto para aumentar el rendimiento en la produccin de biogs con respecto a biodigestores rurales y de fase slida.

1.3.2. Objetivos especficos Realizar el montaje y puesta en marcha del sistema de digestin anaerobia a escala piloto. Realizar ensayos experimentales en el sistema de digestin anaerobia en un biodigestor continuo para obtener los parmetros operacionales del proceso que maximicen la eficiencia de degradacin de la materia orgnica. La adquisicin de conocimientos y el desarrollo de habilidades consecuentes con el fin de aplicar estos en el desarrollo tecnolgico de biodigestores en el Ecuador.

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2. Fundamentos Tericos2.1. Digestin anaerobia

La digestin anaerbica es un proceso biolgico que ocurre bajo condiciones estrictamente anaerobias en el cual microorganismos degradan la materia orgnica y la estabilizan, transformndola en biogs o gas biolgico formado por metano (CH4) y otros productos inorgnicos incluyendo principalmente dixido de carbono (CO2) (11). La cantidad presente de metano en el biogs vara, segn el tipo de materia orgnica digerida y de las condiciones del proceso, con porcentajes entre el 50% a un 70% aproximadamente. Para que el proceso se lleve a cabo es necesario que intervengan varios grupos de microorganismos que sean capaces de transformar la materia orgnica en compuestos intermedios, como en acido actico, anhdrido carbnico e hidrgeno, los cuales son usados por los microorganismos metanognicos los cuales concluyen el proceso con la produccin de metano. Los microorganismos anaerobios presentan bajas velocidades de crecimiento y de reaccin, por lo tanto, y en la medida de lo posible, es necesario mantener el entorno de la reaccin en condiciones ptimas para su crecimiento (6).Bacterias Materia Materia anaerbica Clulas + H2O + Nutrientes + Orgnica + CH4 + CO2 + NH3 + H2S + calor orgnica Nuevas Resistente

Eqn 2-1

La ecuacin 2.1 muestra que la materia orgnica junto con el agua en una reaccin biolgica bajo condiciones anaerbicas produce metano y dixido de carbono. Adicionalmente a esta reaccin se forman otros gases en bajas concentraciones como amonaco y cido sulfhdrico, a la vez que clulas nuevas y materia orgnica resistente que no es degradada en su totalidad y calor (12). El proceso biolgico de degradacin de la materia prima orgnica es el siguiente. Al acumular materia orgnica compuesta por polmeros, como carbohidratos, protenas, celulosa, lpidos, etc. en un ambiente acuoso, los microorganismos aerobios actan primero tratando de alimentarse de este sustrato, ya que puede consumir todo el oxgeno disuelto que existe. Posterior a esta etapa, cuando el oxgeno se termina, empiezan a aparecer las condiciones perfectas para la flora anaerbica la cual puede consumir la materia orgnica disponible (13).

7

En la primera etapa la materia orgnica es atacada por grupos de bacterias fermentativas proteolticas y celulliticas, que la degradan hasta cidos grasos y compuestos neutros. En la segunda fase los cidos grasos orgnicos son atacados por bacterias consumidoras de hidrgeno, que llevan los cidos a acetato, a H2 y CO2. Simultneamente un grupo de bacterias homoacetognicas, degradan los cidos de cadena larga a acetato, H2 y CO2 (14). Las tres etapas se presentan en la Fig. 2.1 Por consiguiente es posible considerar el tratamiento anaerobio de los diversos desechos orgnicos realizado en un digestor como un proceso de tres etapas, al final de las cuales se obtiene un gas rico en metano llamado biogs y residuo rico en nitrgeno el cual es el bioabono. A continuacin se explicar en detalle cada paso en el proceso de digestin anaerobia.

8

CARBOHIDRATOS

PROTENAS

LPIDOS HIDRLISIS

AMINOCIDO Y AZCARES

CIDOS GRASOS Y ALCOHOLES

ACIDOGNESIS BACTERIA ACIDOGNICA

CIDO BUTRICO

CIDO PROPINICO ACETOGNESIS H2 (HIDRGENO) CO2 (DIOXIDO DE CARBONO)

BACTERIA ACETOGNICA

BACTERIA ACETOGNICA CONSUMIDORA DE H2

METANOGNESIS CH3COOH (CIDO ACTICO) BACTERIA METANOGNICA CONSUMIDORA DE H2

BACTERIA METANOGNICA ACETOCLSTICA

CH4 (METANO) CO2 (DIOXIDO DE CARBONO)

Fig. 2.1. Etapas en la produccin de metano a partir de residuos orgnicos.

9

2.1.1. Hidrlisis En esta etapa es necesario que el material particulado, los biopolimeros y en general los compuestos orgnicos complejos, los cuales son componentes principales de los desechos orgnicos que se utilizan como materia prima, sufran una hidrlisis inicial generada por la adicin de molculas de agua, que los conviertan en sustratos orgnicos simples. Estos sustratos hidrolizados se fermentan produciendo cidos orgnicos, principalmente cidos actico, propinico, butrico y lctico, y en menor proporcin compuestos neutros como metanol, etanol, NH3, H2 y CO2 (1). Una vez realizado este proceso, las bacterias puedan asimilar la materia orgnica como fuente alimenticia para cumplir sus labores metablicas. Este proceso es realizado por la accin de las exoenzimas de las bacterias conocidas genricamente como acidognicas o fermentativas y puede ser muy rpida o lenta dependiendo de las caractersticas del sustrato (15). 2.1.2. Acidognesis Las bacterias que participan en este proceso dependen bsicamente del sustrato y de las condiciones de temperatura. Cuando se tiene la materia orgnica en forma de compuestos simples como azcares y cidos grasos, las bacterias toman estos sustratos, incorporndolos en sus procesos metablicos realizando la degradacin y tomando los nutrientes que necesitan para su alimentacin y reproduccin (16). Estas dos primeras fases son realizadas por un primer grupo de bacterias las cuales se denominan facultativas debido a que tienen la capacidad de consumir oxgeno molecular para su metabolismo y se adaptan a la presencia de oxgeno. Existe un segundo grupo de bacterias denominadas estrictas las cuales no crecen en presencia de oxgeno molecular, el oxgeno les resulta txico incluso en mnimas cantidades. El consumo del oxgeno molecular disponible en el aire por las bacterias facultativas, produce el ambiente anaerbico ideal para el crecimiento de las bacterias estrictas (7). En estas etapas no existe una reduccin significativa de la Demanda Qumica de Oxigeno del sustrato, puesto que las cadenas orgnicas complejas se transforman en cadenas ms cortas.

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2.1.3. Acetognesis En esta etapa del proceso se convierten los compuestos intermedios a cido actico por medio de las bacterias acetognicas, las cuales realizan la degradacin de los cidos orgnicos. Los alcoholes, cidos grasos voltiles y compuestos aromticos se degradan produciendo acido actico, CH3-COOH, y liberando como producto hidrgeno y dixido de carbono (15). El propionato es convertido en cido actico por la accin de la bacteria Syntrophobacter wolinii. Los cidos grasos voltiles que poseen cuatro o siete carbonos son convertidos por syntrophomonas wolfei. El hidrgeno es convertido a cido actico por bacterias acetognicas hidrogenoclsticas como la Acetobacterium (16). 2.1.3.1 Acetognesis Acidoclstica

En base a la acidognesis en la cual se producen cidos grasos como cido propinico y cido butrico, entre otros, y porque los cidos grasos no son convertidos directamente a gas es necesario que estos sean transformados mediante la acetognesis acidoclstica a cido actico como un paso anterior a su transformacin a metano, debido a que el cido actico es la principal fuente de metano llegando a ser un 70% del total obtenido durante el proceso (16). Por otro lado existen compuestos que si pueden transformase directamente a metano como el metanol y el cido frmico, pero no se encuentran en gran cantidad en la materia prima es por ello que es mnimo el aporte que pueden generar para la produccin de biogs. 2.1.3.2 Acetognesis Hidrogenoclstica

Durante el proceso de digestin anaerobia se realiza la conversin del hidrgeno producido en las etapas de acidognesis y acetognesis acidoclstica a cido actico. Con esta reaccin se logra que los niveles de hidrgeno presentes se mantengan dentro del intervalo apropiado para la produccin de biogs, el cual es de 0,1 a 1%. 2.1.4. Metanognesis En esta etapa un tercer grupo de bacterias convierte el cido actico en metano y dixido de carbono. Se trata de bacterias metanognicas estrictamente anaerbicas, es decir que la presencia de oxgeno molecular las elimina. Las ms importantes son las que transforma los cidos propinico y actico, denominadas bacterias metanognicas acetoclsticas. El otro

11

grupo de bacterias metanognicas son las hidrogenoclsticas que consumen el hidrgeno generado y lo convierten con dixido de carbono en biogs (7). Entre las bacterias ms comunes para la formacin de metano en la fase metanognica tenemos a la Metanosarcina la cual tiene un crecimiento rpido y tiene la capacidad de convertir hidrgeno, CO2 y metanol en metano. Por otro lado tenemos a Metanothix que tiene un crecimiento lento y con la capacidad de convertir al cido actico en metano, entre muchas ms bacterias existente en el sustrato (16). 2.1.4.1. Metanognesis Acetoclstica

Esta es la fase final de todo el proceso de digestin anaerobia debido a que se llega a la transformacin de la materia orgnica a biogs, especialmente a metano. Por medio de la metanognesis acetoclstica se convierte el acido actico en metano, es por ello que es la va principal de la produccin de metano, ya que corresponde al 70% de la produccin total (17). 2.1.4.2. Metanognesis Hidrogenoclstica

Esta fase compite con la acetognesis hidrogenoclstica debido a la capacidad que poseen las bacterias metanognicas para transformar el hidrgeno con dixido de carbono a metano. Estas bacterias realizan con la ayuda de la acetognesis la labor de mantener el nivel del hidrgeno en el sistema. A continuacin en la tabla 2-1 se detalla las principales reacciones bioqumicas que se llevan a cabo en cada etapa del proceso de digestin anaerobia. Se observa secuencialmente la forma en que los azcares de la materia orgnica se transforman en metano y dixido de carbono en base a las etapas descritas anteriormente. En las etapas de acidognesis y de acetognesis se observa cmo se produce hidrgeno, dixido de carbono y acido actico, el cual es el compuesto que aporta con el 70% para produccin total de metano. En la etapa de

metanognesis se consume el acido actico para la formacin de metano y dixido de carbono lo cual constituye el biogs (17).

12

Tabla 2-1. Reacciones representativa de la digestin anaerobiaTipo de reaccin Conversin completa de Ecuacin ??????6 ??????12 ??????6 3????????????4 + 3????????????2 ??????6 ??????12 ??????6 + 2??????2 ?????? 2????????????3 ???????????????????????? + 2????????????2 + 4??????2 ????????????3 ????????????2 ?????????????????? + 3??????2 ?????? ????????????3 ?????????????????? + ?????? + + ??????????????????3 + 3??????2

glucosa a CH4 y CO2 Acidognesis de Carbohidratos a cido Actico Acetognesis del Propionato Acetognesis Hidrogenoclstica Metanognesis Acetoclstica Metanognesis Hidrogenoclstica

4??????2 + 2????????????2 ????????????3 ???????????????????????? + 2??????2 ?????? ????????????3 ???????????????????????? + ??????2 ?????? ????????????4 + ??????????????????3 + ?????? +

4??????2 + ????????????2 ????????????4 + 2??????2 ??????

2.2.

Biodigestores

Un biodigestor es un tanque construido de diferentes formas geomtricas, tamaos y materiales, donde se almacenan los residuos orgnicos como sobrantes de cocina, estircol de animales y humanos, material vegetal, etc. Estos elementos diluidos en agua forman una mezcla que es descompuesta biolgicamente por microorganismos. En el proceso de descomposicin se forma el biogs, por lo que el tanque debe disponer de algn sistema que le permita capturar el biogs controlando su presin y evitando su mezcla con aire atmosfrico. Como resultado de la descomposicin biolgica, los residuos almacenados se transforman en bioabono denominado biol, el cual es de fcil absorcin para las plantas y tiene un alto contenido de nitrgeno, fsforo y potasio, y esta libre de microorganismos patgenos dainos para las plantas (8). Los biodigestores son recipientes o tanques cerrados hermticamente. Estos permiten la carga de sustratos de biomasa denominados afluente y la descarga de bioabono o biol denominado efluente y poseen un sistema de recoleccin y almacenamiento de biogs para su aprovechamiento energtico (18).

13

El trmino biomasa o sustrato se refiere a toda la materia orgnica que proviene de desechos de animales (estircol), rboles, plantas, todos los desechos orgnicos que pueden ser convertidos en energa; o los provenientes de la agricultura como residuos de maz, caf, arroz, papas, banano; de aserraderos como ramas, aserrn, cortezas; y de los residuos urbanos como aguas residuales, basura orgnica y otros (19). El biogs se produce a travs de la degradacin anaerbica de la biomasa. La digestin anaerbica es un proceso natural microbiano que ocurre en forma espontnea en la biomasa en ausencia de oxgeno y como se detall anteriormente genera una mezcla de gases, principalmente metano y dixido de carbono conocida como biogs y una suspensin acuosa o biol que contiene los componentes no degradados o parcialmente degradados pero estabilizados y restos inorgnicos inicialmente presentes en la biomasa (7).

2.3.

Clasificacin de los biodigestores

Los biodigestores se clasifican en base al proceso o modo de operacin y a su capacidad de carga en el reactor. La clasificacin general los define como digestores de rgimen batch o por lotes, de rgimen semi-continuo, horizontales de desplazamiento y de rgimen continuo (17). 2.3.1. Digestores de carga en batch El digestor tipo batch se carga una sola vez de forma total y la descarga se la hace una vez que haya dejado de producir biogs. Este tipo de biodigestores se aplica cuando existen problemas operativos (falta de personal) o cuando la materia orgnica a procesar est disponible en forma intermitente (7). Por lo general el sistema tipo batch consiste en tanques hermticos con una salida de gas la cual es conectada a un gasmetro flotante, donde se almacena el biogs como se muestra en la fig. 2.3. Este tipo de reactores pueden procesar una gran variedad de materiales orgnicos, los cuales pueden ser recopilados a campo abierto. Impurezas como tierra u otros inertes mezclados en el sustrato entorpecen la operacin del biodigestor. Para obtener una produccin de biogs constante se instalan varias unidades las cuales se cargan a distintos tiempos de tal forma que cuando disminuye o acaba la produccin de gas de una unidad, la siguiente unidad este empezado la produccin del mismo (17).

14

Este tipo de digestores es ideal a nivel de laboratorio si se desea evaluar parmetros del proceso, o el comportamiento de un residuo orgnico especfico o de la mezcla de materiales orgnicos. Prcticamente no requiere ninguna atencin diaria. La produccin de biogs de este tipo de biodigestores es de 0,5 a 1 m3 biogs / m3 digestor (20).

Fig. 2.2. Biodigestor modelo Batch

2.3.2. Digestor de mezcla completa En el reactor de mezcla completa o CSTR (continuos stirred tank reactor) se mantiene una distribucin uniforme de la concentracin, tanto del sustrato como de los microorganismos. Esto se consigue por medio un sistema de agitacin ya sea de manera mecnica o neumtica, tratando en lo posible que no sea de una manera violenta ya que puede afectar a la poblacin bacteriana (17). En la Fig. 2.4 se muestra un diagrama de un digestor de mezcla completa. Este tipo de digestor puede funcionar en rgimen continuo o semi-continuo (alimentacin y descarga peridica) y es el ms utilizado para el tratamiento de residuos. La concentracin de la biomasa del efluente es la misma que a la salida del digestor. En comparacin con otros digestores, el tiempo de permanencia de la biomasa en el interior de biodigestor para completar su degradacin (tiempo retencin hidrulico) es alto, debido a que la concentracin de la biomasa en el interior del digestor es baja (17).

15

Biogs

Efluente

Afluente

Fig. 2.3. Digestor de mezcla completa (CSTR)

2.3.2.1.

Digestores de rgimen semi-continuo

El digestor tipo semi-continuo es el ms utilizado en reas rurales o en pequeas granjas agrcolas, cuando se trata de digestores pequeos para uso domstico. Entre los diseos ms comunes son los conocidos tipo hind y el chino (7). Entre los digestores tipo hind existen muchos diseos, pero en general son verticales y se encuentran enterrados como se muestra en la Fig. 2.4. El digestor se carga por gravedad una vez al da con un volumen de mezcla, que depende del tiempo de retencin de la materia orgnica, y producen cantidades constantes de biogs si se mantienen las condiciones de operacin. El gasmetro est integrado en el digestor. En la parte superior del pozo se encuentra una campana flotante donde se almacena el gas, y de donde sale para su uso. El volumen del gasmetro es equivalente a 1/3 del gas generado por da. La eficiencia con respecto a la produccin de biogs es buena en este tipo de biodigestores, ya que genera 0,5 a 1 m3.d volumen de gas por volumen de digestor (21).

16

Fig. 2.4. Digestor tipo Hind

En lo que se refiere al digestor de tipo chino, son tanques de cpula fija en forma cilndrica, este tipo de digestor se construye enterrado y no posee un gasmetro integrado, por lo que el gas producido se acumula en el interior del digestor (22) como se muestre en la fig. 2.5. Por lo tanto, a medida que aumenta la produccin de gas, aumenta a la vez su presin en el interior, forzando al lquido de la entrada y salida a subir su nivel. La produccin de biogs es de 0,1 a 0,4 m3 de biogs por m3 de digestor. La eficiencia es mala pero en tiempos de retencin amplios produce un excelente bioabono (21).

17

Fig. 2.5. Digestor tipo Chino

2.3.2.2.

Digestores de rgimen continuo

El digestor de rgimen continuo se utiliza para plantas de produccin de biogs con el objetivo de generar energa elctrica. Estos digestores son de gran tamao y con ello el nivel de tecnologa, industrializacin e instrumentacin son altos. Se emplean equipos de control para la alimentacin, para la agitacin, para elevar o disminuir la temperatura, entre otros, como se muestra en la fig.2.6 (22). Este tipo de biodigestores permiten controlar la digestin de una manera precisa. Es por ello que se puede corregir cualquier tipo de anomalas que se presente dentro del proceso. Con este reactor es posible manejar las variables relacionadas a carga especfica, tiempo de retencin y temperatura, a largos periodos. La puesta en marcha solo se repite cuando se vaca el digestor por razones de mantenimiento o fallas mecnicas. Las desventajas que presenta este tipo de digestores son la baja concentracin de slidos, no posee un diseo apropiado para materiales fibrosos, existen problemas de limpieza por sedimentos y se generan espumas e incrustaciones (7). Entre las ventajas que presenta este tipo de digestores tenemos la alta eficiencia, tiempos de residencia ms cortos y mejor calidad de productos. En este sistema se puede alimentar el

18

biodigestor con sustratos de diferente calidad sin afectar la produccin de biogs y obteniendo resultados bastante satisfactorios (22).

Fig. 2.6. Digestores de rgimen continuo Tabla 2-2. Nomenclatura de procesos y equipos de la planta industrial de biogsNmero 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Equipos y Procesos Ingreso de residuos lquidos y semilquidos Ingreso de residuos slidos. Triturador y dosificador Transportador de residuos slidos Tanque de mezcla e hidratador de biomasa Biodigestor anaerbico 1 Control y dosificacin de efluentes Cuarto de bombas Filtro de biogs Compresor de biogs Generador elctrico Biodigestor anaerbico 2 Tratamiento de estabilizacin de efluentes Salida del fertilizante orgnico Almacenamiento y salida de biogs Antorcha

19

2.3.3. Digestores con retencin de biomasa sin recirculacin En este tipo de reactores se desea retener las bacterias en el interior del biodigestor. Existen varios mtodos de retencin de biomasa: la inmovilizacin sobre un soporte (filtros anaerbicos y lechos fluidizado), la agregacin de biomasa y su retencin por gravedad (reactores de lecho de lodos) (17). A continuacin se va a detallar sobre los mtodos de retencin de biomasa: 2.3.3.1. Filtros anaerbicos En este mtodo las bacterias anaerbicas se encuentran fijas a una superficie inerte, formando una biopelcula. La flora bacteriana es atrapada en las ranuras de la columna de relleno, con un flujo vertical. El soporte puede ser material plstico o cermico (17). Como se muestra en las Figuras 2.7 y 2.8 existen dos tipos de filtros, los cuales se diferencian debido a la estructura de su distribucin en el interior de la columna. Para el filtro anaerbico propiamente denominado la distribucin del relleno irregular y su flujo es ascendente. En este caso la mayora de las bacterias son atrapadas en los intersticios del relleno (Fig. 2.7). Por otro lado, se encuentra el filtro anaerbico denominado lecho fijo. En este caso la distribucin del relleno es regular y orientada verticalmente y su flujo es descendente (17). En este caso las bacterias estn fijadas en los soportes (Fig. 2.8). La eficiencia de las bacterias aumenta de tal manera que puedan aprovechar mucho mejor la biomasa. Este tipo de sistema disminuye el tiempo de retencin y a la vez mejora la produccin de biogs. Inmovilizacin sobre un soporte

20

Fig. 2.7. Digestores de filtro anaerbico con relleno irregular

Fig. 2.8. Digestores de filtro anaerbico con relleno regular o lecho ficho

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Lecho fluidizado Para este tipo de sistema los microorganismos se encuentran fijos formando una biopelicula sobre pequeas partculas inertes que se encuentran fluizadas dentro de un adecuado flujo ascendente del fluido en el digestor. Es por ello que para que exista un adecuado caudal y sea posible la fluidizacin del lecho se controla la recirculacin del efluente, como se muestra en la Fig.2.9 (17).

Fig. 2.9. Lecho Fluidizado

22

3.2.3.2.

Agregacin de biomasa y retencin por gravedad

En el reactor de lecho de lodos se promueve la floculacin o agregacin de bacterias entre ellas, formando grnulos. De esta forma las bacterias se mantienen en el interior del digestor por sedimentacin, con la velocidad ascendente adecuada del fluido, siempre y cuando que en la parte superior exista un buen separador slido, lquido, gas. El diseo ms utilizado es el Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), como se muestra en la Fig. 2.10, el cual se ocupa en el tratamiento de aguas residuales de la industria agroalimentaria. Este es el diseo ms simple entre los sistemas con retencin de biomasa y el nico limitante para su aplicacin es que la biomasa activa granule, esto es que forma agregados de alta densidad. Para ello es determinante la composicin del afluente a tratar y mantener una operacin constante establecida la cual sea la ms ptima (17).

Fig. 2.10. Digestor de lecho de lodo granular (UASB)

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2.3.4. Digestores de dos etapas El concepto de este sistema est basado en el hecho de que durante el proceso de digestin anaerbica existen bacterias y etapas que requieren de pH y tiempos de retencin diferentes para la degradacin de la materia orgnica. Es por ello que el proceso de digestin se divide en dos etapas. En la primera etapa ocurre la hidrlisis de la materia orgnica compleja, mientras que en la segunda se lleva a cabo la acetognesis y metanognesis del material acidificado. como se muestra en la Fig. 2.11 (7). La ventaja de este sistema es que las condiciones de cada reactor pueden ser las ptimas para cada grupo de bacterias. La desventaja de este sistema es que presenta altos tiempos de residencia en la primera etapa (hidrolisis) y bajas eficiencias de conversin. Se disean dos digestores separados para la acidognesis y otro para la metanognesis. Para el caso de la primera etapa, la formacin de cido se tienen condiciones de pH bajo de 5 a 6 y tiempos de retencin de slidos bajos, para favorecer el crecimiento de bacterias acidognicas y a la vez la produccin de cido en el interior del digestor. Como se muestra en la figura 2.11. Para la segunda etapa, la formacin de metano, se tienen condiciones de pH de 6,5 a 7 con el fin de favorecer el crecimiento de bacterias metanognicas las cuales convierten los cidos a metano mejorando con una eficiencia alta la produccin de biogs (6).

Fig. 2.11. Digestor de dos etapas

24

2.4.

Parmetros relacionados al proceso de digestin anaerbica

A continuacin se describen los parmetros que se deben tomar en cuenta durante el proceso de digestin anaerbica para asegurar una buena y ptima produccin de biogs y bioabono.

2.4.1. Sustratos El sustrato es la biomasa o material orgnico que se alimenta a un digestor para su descomposicin anaerbica, es por ello que existe una gran cantidad y variedad de sustratos animales y vegetales que son posibles emplear, pero para que esta tecnologa sea realmente barata y una excelente fuente de energa, normalmente se ocupa los desechos orgnicos, es decir materiales que no tengan otra aplicacin y que son contaminantes orgnicos y se les da valor agregado al convertirlos en materia prima (23). Entre los desechos orgnicos ms comunes se encuentran los desechos animales (estircol), de manera especial la de ganado porcino y bovino, debido a que se encuentran bacterias que ayudan y acelerar el proceso de fermentacin anaerbica. El desecho vegetal por otro lado tiene la desventaja de no poseer estas bacterias desde el inicio y su descomposicin es mucho ms lenta y difcil. Es por ello que por lo general se mezcla el desecho vegetal en un 25 % con el desecho animal (23). La calidad del sustrato es un factor que tiene una importante influencia en la produccin de biogs, ya que depende de la cantidad de grasas, protenas, hidratos de carbono y nutrientes que tenga la biomasa. El material orgnico utilizado como carga se puede dividir en dos grupos, materias primas ricas en nitrgeno y materias primas ricas en carbono, el nitrgeno es utilizado como constituyente para la formacin celular y el carbono es utilizado como fuente de energa (22). Es por esto que se debe tener una buena calidad de sustrato ya que en el interior del biodigestor se encuentran bacterias que requieren de todos los nutrientes y grasas que les puede proveer la biomasa para su crecimiento y desarrollo con el objetivo de degradar el sustrato para obtener una buena produccin de biogs. Por otro lado, no es factible alimentar al biodigestor con sustrato podrido o fermentado, ya que este ingresa con pH inferior al pH de operacin y como consecuencia puede inhibir el proceso anaerbico o hasta llegar a colapsar la digestin (7). El tipo y la mezcla de sustrato alimentado no deben cambiarse de

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forma brusca porque puede alterar la estabilidad del proceso anaerbico y la inhibicin de bacterias. Es por ello que en estos casos se recomienda que el cambio de sustrato se realice de forma paulatina y en un periodo de varios das para que las bacterias se adapten poco a poco al nuevo sustrato (1).

2.4.2. Temperatura del proceso La temperatura mnima para que el proceso de inicio es de 4C a 5C y la temperatura mxima no debe sobrepasar los 70C. El intervalo de temperatura para la digestin anaerbica puede dividirse en tres rangos. El rango psicroflico en el cual la temperatura se encuentra por debajo de 25C, el rango mesoflico que se encuentra entre 25 y 45 C y el rango termoflico donde la temperatura est entre 45-60C (24). Por lo general en digestores que operan dentro de los lmites de temperatura mesoflica, la digestin ptima se obtiene a 35 C, ya que como se observa en la fig. 2.12 la temperatura est ntimamente relacionada con el tiempo de residencia de la biomasa en el interior del biodigestor para completar su degradacin (tiempo de

retencin hidrulico, TRH). Los tiempos de residencia disminuyen a medida que la temperatura incrementa, y por lo tanto se requiere reactores de menor volumen que puedan digerir mayor cantidad de biomasa (24). La velocidad de degradacin a temperaturas mayores de 45C es mayor y mejor que a temperaturas bajas, pero trabajar a rangos de temperaturas termoflica implica un aumento de costos energticos por el calentamiento que requiere lo cual no lo hacen un sistema econmicamente viable. Por otro lado las bacterias son ms susceptibles a cambios ambientales de temperatura en especial a la disminucin repentina de unos cuantos grados (25).

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55 C Produccin de biogs 35 C 15 C

Rango ptimo

TRH Fig. 2.12. Diagrama del efecto de la temperatura y el tiempo de retencin hidrulico con respecto a la produccin de gas.

El incremento de la actividad biolgica y la produccin de gas con la temperatura, y el aumento de la degradacin del material en el interior de digestor segn la temperatura de trabajo se puede observar en la tabla 2-3. La misma biomasa aumenta la produccin de biogs a mayor temperatura, generando una mejor eficiencia en el proceso anaerbico.

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Tabla 2-3. Rendimiento de gas con materiales empleados comnmente a diferente temperatura.Materiales Estircol de cerdo Estircol de vaca Estircol de humano Paja de arroz Paja de trigo Pasto verde Mesoflico (35C) m /da 0,42 0,3 0,43 0,4 0,45 0,443

Ambiente (8 25C) m3/da 0,25 0,3 0,2 0,25 0,25 0,3 0,2 0,25 0,2 0,25 0,2 0,25

La sensibilidad a cambios de temperatura en el proceso depende de diversos factores, principalmente del grado de adaptacin de las bacterias, del modo de operacin y del tipo de biodigestor. En el rango termoflico, un incremento de temperatura brusco por lo general provoca un importante descenso en la produccin de biogs, mientras que una baja puede suponer un descenso completamente reversible en la produccin de biogs, o puede no mostrar diferencias, debido a la disminucin del efecto de inhibicin por amoniaco. El efecto inhibidor de amonio es mayor en el rango termoflico que en el mesoflico por el aumento de la concentracin de forma txica, NH3, al aumentar la temperatura, a pesar de la mayor sensibilidad de los microorganismos mesoflicos al amonaco libre (19). Para pasar un digestor del rango mesoflico al termoflico sin que se afecte la produccin de biogs, se debe realizar el proceso de cambio muy lentamente (7). Las bacterias metanognicas son ms sensibles a los cambios de temperatura que otros organismos en el digestor. Esto se debe a que los dems grupos de bacterias crecen mucho ms rpido, como las acetognicas, las cuales pueden alcanzar un metabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas. Las velocidades de reaccin qumica y biolgica aumentan generalmente con un incremento de la temperatura hasta un rango de temperatura tolerable para diferentes microorganismos. Las altas temperaturas causan una declinacin del metabolismo, debido a la degradacin de las enzimas, lo que es crtico para la vida de las bacterias (7).

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Todas estas condiciones deben ser evaluadas antes de escoger un determinado rango de temperaturas para el funcionamiento de un digestor ya que al operar a mayores temperaturas se aumenta la eficiencia y la produccin de biogs, pero paralelamente aumentan los costos de instalacin, de operacin y de mantenimiento debido a la mayor complejidad del proceso. Los digestores que trabajan a temperatura mesoflico, y termoflico, poseen sistemas de calefaccin, aislamiento y control, los cuales son obviados en digestores rurales econmicos que trabajan a bajas temperaturas (22).

2.4.3. Tiempo de retencin hidrulico (TRH) El tiempo de retencin hidrulico (TRH) es el tiempo de permaneca de la biomasa en el interior del digestor hasta su descarga. El TRH para digestores de carga continua coincide con el tiempo de permanencia de la biomasa en el interior del digestor. En sistemas de digestin continua y semi-continua el tiempo de retencin (TRH) se define de la divisin entre el volumen del digestor y el volumen de la carga diaria.

=

V V

Eqn 2-2

donde, = tiempo de retencin hidrulico ?????? V= Volumen del digestor ??????3 ??????3 V= volumen de la carga diaria ?????? El TRH necesario para tratar cierta cantidad de sustrato depende de la carga orgnica y temperatura de operacin, los cuales determinan el volumen del digestor. El TRH elegido para una biomasa especfica depende de la degradabilidad de la materia orgnica, por lo que en caso de fcil degradacin requiere menor TRH (26). Existen dos factores que estn muy relacionados con el tiempo de retencin hidrulico: el tipo de sustrato y la temperatura de operacin. Con respecto al tipo de sustrato, los sustratos que

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poseen mayor cantidad de carbono retenido en molculas resistentes a la degradacin, como la celulosa, requieren mayores tiempos de retencin para ser digeridos en su totalidad. Para la eleccin de la temperatura, a mayor temperatura menor tiempo de retencin,

consecuentemente sern menores los volmenes del digestor necesarios para digerir un determinado volumen de biomasa (1). Si el TRH se elige demasiado corto las bacterias no tienen tiempo de formarse y crecer. Las bacterias requieren por lo menos unos das para que puedan reproducirse, es por ello que se considera un TRH de 10 das como mnimo para la produccin de bacterias. A TRH muy altos la produccin de biogs es muy baja, es por ello que la rentabilidad no es buena (7).

2.4.4. pH El pH es uno de los parmetros de control ms importantes, ya que los microorganismos metanognicos presentan una gran sensibilidad a las fluctuaciones del mismo. El pH ideal para la digestin metanognica es de 6.5 a 7.5, es por ello que cuando disminuye a 5 o aumenta a 8 se inhibe el proceso de fermentacin o incluso se suspende (22). El pH del sustrato tambin afecta a la produccin de biogs. Se debe considerar que durante el proceso anaerbico hay variaciones del pH que pueden ser soportados y equilibrados por el digestor, siempre que el pH este dentro de rangos establecidos. Si se alimenta al digestor con sustrato de pH bajo es muy posible que ocurra una inhibicin en el proceso a la vez que puede generar la formacin de espumas en el interior del mismo (7). Para controlar el pH se utilizan varios productos qumicos como: cal (CaO), cal hidratada (Ca (OH)2), carbonato de calcio (CaCO3), carbonato de sodio (Na2CO3), bicarbonato de sodio (NaHCO3) y hidrxido de sodio (NaOH) (7). La cal se usa para elevar el pH, debido a tener un costo bajo y de fcil acceso. Sin embargo por ser un producto muy insoluble puede ocasionar problemas muy serios en la operacin al digestor, como la formacin de precipitados e incrustaciones que generan problemas con las bombas y taponamientos de tuberas a la vez que degeneracin en la operacin del digestor.

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Otra opcin para controlar el pH es el bicarbonato de sodio (NaHCO3) es de fcil manipulacin y muy soluble en comparacin con cal, pero su costo es elevado (7).

2.4.5. Degradacin El grado de degradacin es el porcentaje de la masa orgnica que es degradado durante el tiempo de retencin y es transformado en biogs. Para lograr la degradacin total de la biomasa se requieren tiempos de retencin demasiados grandes, pero debido a que la materia orgnica posee un polmero llamado lignina el cual afecta notablemente a la digestibilidad de la fibra, no es posible una degradacin total de la biomasa hasta llegar a su mineralizacin. Es por eso que en un digestor la degradacin no es constante, comienza de forma acelerada y a medida que avanza el tiempo se empieza a tornar ms lenta (7), (24). En un biodigestor el porcentaje de degradacin que es posible alcanzar depende del tipo de biomasa, de su alimentacin y del proceso en s. Si se co-digestionan varios tipos de biomasa como estircol con materia vegetal, la degradacin depende de las caractersticas de los componentes de la mezcla en el digestor. En la prctica se logra un porcentaje de degradacin de un 35 a 75%, en promedio es posible degradar aproximadamente un 65% (27), (21).

2.4.6. Nutrientes Para que exista actividad y crecimiento bacteriano, se requiere el aporte de nutrientes a bacterias y clulas que se encuentran en el interior del reactor. Entre los nutrientes se encuentran carbono, nitrgeno, fsforo, azufre y algunas sales minerales, que deben estar presentes en cantidades suficientes en los desechos orgnicos utilizados como sustrato (28). La cantidad de nutrientes disponibles para los microorganismos presentes en el biodigestor debe ser superior a la concentracin ptima, debido a la sensibilidad de las bacterias metanognicas las cuales se inhiben severamente por la deficiencia de nutrientes (29).

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2.4.7. Agitacin y mezcla En biodigestores anaerbicos la agitacin de la masa es muy beneficiosa para la operacin del proceso, debido a que ayuda a la generacin del gas (27). Los principales objetivos que tiene la agitacin son: Poner en contacto el sustrato fresco de alimentacin con la poblacin microbiana y a la vez que exista una densidad uniforme de las mismas. Ayudar con la remocin de las burbujas de biogs producida por las bacterias metanognicas. Evitar la formacin de costras, espumas y la sedimentacin en el interior del digestor. Disminucin en la formacin de espacios muertos que reducen el volumen efectivo del digestor. Mantener una temperatura uniforme en todo el digestor.

Cuando se disea un sistema de agitacin se debe tomar en cuenta los objetivos deseados y a la vez los perjuicios que puede causar, para poder realizar una buena eleccin, ya que existen varios mecanismos de agitacin. Entre ellos tenemos, los ms simples como el que es provocado por la entrada y la salida de los lquidos o la agitacin manual hasta los que involucran agitadores de hlice o recirculadores de sustratos (7). 3.2.3.1. Tipos de agitadores

Los tipos de agitacin aplicada en los digestores pueden ser mecnicos o neumticos por recirculacin del gas o lquido. Los ms importantes se describen a continuacin. 2.4.7.1.1. Agitadores mecnicos

La agitacin mecnica consiste en la aplicacin de un dispositivo de paletas o hlice dentro del digestor Agitadores verticales

Existen dos tipos de agitadores verticales: agitadores verticales fijos y agitadores verticales con motor sumergible.

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Los agitadores verticales fijos se los utiliza cuando se construye biodigestores con cubierta de hormign o son de estructura de acero y alcanzan volmenes de hasta 1000 m3. El motor del agitador se encuentra en el exterior del digestor. El eje recorre verticalmente y se asienta sobre un soporte de giro que se encuentra en la base del digestor (8) como se muestra en la fig.2.13. La velocidad de giro de estos agitadores puede ser de 50 a 1500 revoluciones por minuto (RPM). La eleccin de la velocidad de giro y la duracin de los periodos de agitacin depende del tipo de biomasa y de las condiciones operativas a las que funciona el biodigestor. De manera general estos agitadores operan con velocidades de 300 RPM y por intervalos de tiempo de 1 hora continua con pausas de 30 minutos. Sin embargo, la operacin siempre depende de las condiciones de temperatura y del tipo de biomasa (22). La construccin de los agitadores es siempre de materiales resistes y de excelente calidad. Es por ello que se recomienda que sea de acero inoxidable o galvanizado para evitar en lo posible la corrosin, las aspas deben tener un diseo aerodinmico y ser de alta dureza (7).

Fig. 2.13. Agitador vertical Los agitadores verticales con motor sumergido se los utiliza cuando se construye biodigestores con cubierta de hormign o son de estructura de acero y alcanzan volmenes de hasta 1000 m3. El motor del agitador se encuentra en el interior del biodigestor en contacto con la biomasa la cual sirve como refrigerante. Estos agitadores tienen un eje vertical que permite que el motor y las aspas recorran la biomasa de arriba abajo como se muestra en la fig. 2.14.

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Esta caracterstica es importante ya que evita formacin de costras en la superficie del sustrato (8). La velocidad de giro a la que trabajan estos agitadores es aproximadamente 1500 revoluciones por minuto (RPM) depende del tipo de biomasa y de las condiciones operativas a las que funciona el biodigestor. Segn el volumen del biodigestor se instalan hasta 2 o 3 agitadores de esta caracterstica. El tiempo de operacin se ajusta segn los parmetros de operacin (22).

Fig. 2.14. Agitador vertical con motor sumergible

La construccin de los agitadores es as mismo de materiales resistes y de excelente calidad como en los agitadores verticales fijos. Las aspas pueden llegar a tener 1m de dimetro y se construyen con acero al carbn recubierto con una lmina de 1mm de acero inoxidable y deben tener un diseo aerodinmico y alta dureza (7).

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Agitadores horizontales

Los agitadores horizontales se pueden instalar en digestores de acero, cubierta de hormign o geomenbrana. El motor del agitador se encuentra en el exterior del biodigestor. Estos agitadores se instalan transversalmente a la direccin del flujo en el digestor. El tamao mximo del agitador es de 6 metros de ancho. En caso de que el tamao del digestor sea superior se recomienda la instalacin de dos agitadores que cubran el ancho del mismo. Las aspas tienen una forma de remos y se colocan asimtricamente encima y debajo del eje como se muestra en la fig.2.15 (8). La velocidad de giro a la que trabajan estos agitadores es bastante baja llegando a un mximo de 60 RPM y opera un tiempo de 10 minutos dependiendo del tipo de biomasa y de las condiciones operativas a las que funcione el biodigestor, lo cual implica que se prende de 6 a12 veces por da (22). Este tipo de agitados al igual que los agitadores anteriores se construyen con materiales resistes y de buena calidad, con estructuras de acero inoxidable o galvanizado para evitar la corrosin, las aspas son de acero inoxidable de alta dureza (7).

Fig. 2.15. Agitador horizontal

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Agitadores inclinados

Los agitadores inclinados se pueden instalar en digestores de acero, hormign o geomenbrana. El motor del agitador se encuentra en el exterior del biodigestor. Estos agitadores se instalan diagonalmente a lo largo del digestor al piso llegando hasta la pared del digestor. El tamao mximo del agitador es de 8 metros de largo. Las aspas tienen una forma de hlice como se muestra en la fig.2.16 (8). La velocidad de giro a la que trabajan estos agitadores es de 100 a 200 RPM y opera segn los requerimientos de la operacin del digestor dependiendo del tipo de biomasa y de las condiciones operativas a las que funciona el biodigestor (22). La construccin de los agitadores requiere de materiales muy resistentes y de buena calidad y que eviten la corrosin, las aspas son de acero inoxidable (7).

Fig. 2.16. Agitador inclinado

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2.4.7.1.2.

Agitadores Neumticos

Recirculacin

Existen dos tipos de recirculacin ya sea del biogs o de la mezcla liquida. La agitacin neumtica por recirculacin del gas consiste en inyectar el biogs producido del proceso de digestin anaerbico por la parte inferior del digestor con lo que se consigue la creacin de un flujo turbulento en el interior del reactor. Este mtodo proporciona una mayor produccin de gas y una rpida estabilizacin de la materia orgnica (15). Con la agitacin neumtica por recirculacin de parte de la mezcla lquida contenida en el digestor por medio de una bomba se logra de igual manera un flujo turbulento en el interior del reactor. A ms de ayudar a generar mayor produccin de biogs, se aprovecha para elevar la temperatura del digestor utilizando un intercambiador de calor externo (15). 2.4.8. Promotores e inhibidores de la fermentacin Los promotores son materiales que ayudan a la degradacin de la materia orgnica y a la vez influyen positivamente en la produccin del biogs. En cuanto a los efectos inhibidores se pueden dar por varias razones. Por un lado pueden ser razones operativas o de mantenimiento, mientras que por otro lado pueden ser ocasionados por elementos inhibidores que se encuentra en cantidades pequeas en el sustrato, los cuales actan negativamente en la produccin de biogs o en la estabilidad del proceso anaerbico (30). En la alimentacin de los biodigestores es necesario tomar en cuenta la concentracin de biomasa, ya que un contenido de biomasa demasiado alto puede ocasionar inestabilidad en el proceso. Esto es debido a las altas concentraciones de elementos inhibidores presentes en la biomasa, como por ejemplo los antibiticos, desinfectantes y fungicidas o metales que pueden estar presentes en el sustrato (22). Adicionalmente durante el proceso de produccin de biogs se forman sustancias que pueden inhibir el proceso anaerbico. Entre las sustancias producidas no deseables encontramos al amonaco, NH3, y al acido sulfhdrico, H2S.

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Los desechos ganaderos contienen altas concentraciones de compuestos nitrogenados, en funcin del sistema de alimentacin y del tipo de animales de los que procede. Durante la digestin anaerbica el nitrgeno orgnico se hidrolisa, produciendo formas amoniacales. Debido a que el nitrgeno amoniacal es un importante nutriente para el crecimiento de la flora bacteriana, su deficiencia puede provocar fracaso en la produccin de biogs y su exceso de concentracin puede limitar el crecimiento bacteriano (19). El amonaco, NH3, acta como elemento inhibidor si existe en bajas concentraciones en el interior del biodigestor. El ion amonio, NH4+, reacciona con agua y se transforma en amonaco, NH3, de acuerdo al equilibrio termodinmico entre estas dos especies. Este equilibrio depende del pH de la mezcla haciendo que la concentracin de amonaco, NH3, se incremente con el aumento en el valor del pH. Mientras que el amonio sirve a los microorganismos como una fuente de nitrgeno, el amonaco en pequeas concentraciones incluso mayores a 0,15 g/l, acta como inhibidor. Por otro lado el cido sulfhdrico, H2S, se forma durante el proceso anaerbico. En presencia de sulfatos las bacterias metanognicas compiten con las bacterias sulfato-reductoras por los sustratos tiles, teniendo estas ltimas ventajas termodinmicas y cinticas sobre las bacterias metanognicas, las bacterias consumidoras de hidrgeno y sobre las bacterias acetognicas. El resultado de esta competencia determinar la proporcin de cido sulfhdrico, H2S, producido en el biogs. Este compuesto acta como inhibidor en concentraciones mayores a 50 mg/l (7). Las bacterias metanognicas son generalmente las ms sensibles a los inhibidores, aunque todos los grupos bacterianos pueden ser afectados por los compuestos txicos presentes en el biodigestor. Aparte de oxgeno, concentraciones elevadas de amonaco, sales minerales, metales, etc. inhiben la digestin. En la tabla 2-4 se encuentran los compuestos que se pueden encontrar en el interior del digestor y las concentraciones que pueden provocar inhibicin (31).

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Tabla 2-4. Concentracin inhibidora de inhibidores comunes.Inhibidores Sulfatos (SO4) NaCl Nitrato Carbono total Fosfatos (PO4) Cobre (Cu) Cromo (Cr) Nquel (Ni) Calcio (Ca) Sodio (Na) Potasio (K) Magnesio(Mg) Oxigeno (O2) Hierro (Fe) Cinc (Zn) Cobalto (Co) Molibdeno (M) Relacin C:N:P:S Detergente Sinttico Concentracin inhibidora 5000 ppm 40000 ppm 0,05 mg/ml 0,2-50 g/l DQO 50 150 ppm 100 mg/l 200 mg/l 200-500 mg/l 2500-4500 mg/l 3500-5500 mg/l 2500-4500 mg/l 1000-1500 mg/l 1ppm 10 200 ppm 0 - 3 ppm 0,5 20 ppm 0,1 0,35ppm 2000:15:5:3 20 40 mg/l

2.5.

Propiedades que definen a la biomasa

Las propiedades que se deben tomar en cuenta para un mejor aprovechamiento de la biomasa en el biodigestor son las siguientes: 2.5.1. Slidos totales (TS) Los slidos totales o TS por sus siglas en ingles representan la cantidad del material seco en porcentaje o mg/l. Se determina por el mtodo estndar 2540B para el anlisis de slidos (32).

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Este parmetro no representa un factor crtico en el funcionamiento, pero si es necesario tomar en cuenta para realizar la dilucin correcta del sustrato que se va a utilizar (23). El porcentaje ptimo de slidos en el sustrato que se va a digerir depende del diseo del digestor. Para el diseo utilizado en este estudio los slidos totales deben ser menores al 5 %. Para llegar a estos porcentajes se tiene que diluir la biomasa con agua o recirculando el biol. En la tabla 2-5 se detallan los slidos totales de materiales orgnicos utilizados en biodigestores. Porcentajes superiores a 15 % de la mezcla generan problemas de bombeo por las tuberas de alimentacin a la vez que son difciles de agitar dentro del digestor y pueden acumularse en el fondo ocasionando zonas muertas en el reactor (13). Tabla 2-5. Contenido de slidos totales aproximados de materiales de fermentacin utilizados comnmente en las zonas rurales.Materiales Paja de arroz Paja de trigo seca Tallo de maz Pasto verde Excretas humanas Estircol de cerdo Estircol de vaca Orina humana Orina de cerdo Orina de vaca Contenido seco (%) 83 82 80 24 20 18 17 0,4 0,4 0,6 Contenido de humedad (%) 17 18 20 76 80 82 83 99,6 99,6 99,4

2.5.2. Slidos voltiles (oTS). Los slidos voltiles o slidos totales orgnicos se determinan por el mtodo estndar 2540E de Italic Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (32) y son la parte orgnica de los slidos totales. Esta es la materia que se degrada para producir biogs durante la digestin anaerbica en el biodigestor. Este parmetro representa el contenido real de masa orgnica en la biomasa en porcentaje o en mg/l (23).

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2.5.3. Carga orgnica volumtrica (COV) Se entiende como COV a la cantidad de materia orgnica seca con la que se alimenta diariamente al biodigestor por cada m3 de volumen de digestor. Se define en kg de slidos totales por m3 de volumen de digestor por da (kg oTS / m3reactor.d). El valor ptimo de la COV depende mayormente de la temperatura del proceso al interior del digestor y del tiempo de retencin hidrulica (TRH). La COV es considerada como un parmetro para controlar la carga del digestor y es un factor determinante para el dimensionamiento del mismo. Si el sustrato es muy diluido, las bacterias no tienen suficiente alimento para vivir; mientras que un exceso de slidos disminuye la movilidad de los microorganismos y por consiguiente la efectividad del proceso, ya que les impide acceder al alimento (7). La velocidad con la que se alimenta la materia orgnica a los microorganismos que participan en la degradacin de sustrato es fundamental para poder mantener unas condiciones estables en la digestin. Cuando la COV aportada es excesiva se crea una inestabilidad en el digestor por la acumulacin de slidos voltiles oTS. Generalmente la COV debe alcanzar valores entre 2-3 kg oTS/ m3 de digestor por da (15). Si se mantiene constante el volumen del digestor (m3) y se aumenta la COV, disminuye el TRH. En este caso las bacterias tienen menor tiempo para degradar la materia orgnica y para producir biogs. Para cargas de COV mayores 3 kg/ m3d se puede dar el caso de que la materia orgnica se descargue del digestor a travs del efluente sin ser degradada completamente (7).

2.5.4. Demanda qumica de oxigeno DQO La demanda qumica de oxigeno, DQO, es la cantidad total de oxigeno requerida para la oxidacin de las sustancias orgnica en una muestra lquida bajo condiciones especficas de agente oxidante, temperatura y tiempo (15). Por el principio de conservacin de la materia, la cantidad eliminada de demanda qumica de oxgeno, DQO, es una medida indirecta de la concentracin de materia orgnica en el residuo que es degradada y se convierte en biogs. Por este principio, la cantidad mxima de metano

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producible es de 0.35 m3 CH4/kg. DQO eliminada, en condiciones normales de presin y temperatura (7).

2.5.5. Relacin carbono nitrgeno (C: N) Los biodigestores son considerados como un cultivo de flora microbiana, a los que se alimenta desechos orgnicos y la degradan. Los elementos como el carbono (en forma de carbohidratos) y el nitrgeno (como protenas, amoniaco, etc.), son el principal alimento para las bacterias anaerbicas (23). La digestin anaerbica se lleva a cabo cuando la materia orgnica contiene una mnima cantidad de nutrientes. El consumo de carbono (C) es superior al de nitrgeno (N). El carbono es utilizado para la obtencin energa y el nitrgeno para construir estructuras celulares. Las bacterias presentes en el proceso, utilizan carbono 30 veces ms rpido que el nitrgeno, dando una relacin C/N = 30:1 (33). Cuando la relacin es muy baja (10:1) se presentan perdidas de nitrgeno asimilable. Por consecuencia los microorganismos suspenden su actividad y el digestor se detendr. En el material digerido se reduce el poder fertilizante, adems de producir amonaco en grandes cantidades el cual es txico e inhibe el proceso. Por otro lado, si la relacin es muy grande (40:1) se inhibe el crecimiento debido a falta de nitrgeno, por lo tanto, el digestor operar lentamente y tiende a acidificarse (23). En la tabla 2-4 se detallan algunas relaciones de carbono a nitrgeno de varia materias orgnicas (22). Es necesario tambin conocer la concentracin de fsforo, ya que es parte de los nutrientes necesarios para el crecimiento de microorganismos. Una relacin de nit