Santiago de Quertaro, Qro., Mxico, Junio del 2017.

CENTRO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLGICO EN ELECTROQUMICA, S.C.

Produccin de biogs a travs de la codigestin de residuos

slidos y semislidos: hacia una planta centralizada de biogs para

la generacin de energa.

TesisQUE PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE

Maestro en Ciencia y Tecnologa

en la Especialidad de Ingeniera Ambiental

PRESENTA

I.Q. Laura Anglica Briseo Arciniega

Este trabajo fue realizado en el Centro de Investigacin y

Desarrollo Tecnolgico en Electroqumica (CIDETEQ),

bajo la direccin:

Dra. Linda Victoria Gonzlez Gutirrez

CIENCIA Y TECNOLOGA

Dra. Erika Bustos Bustos

Subdirectora de Posgrado

PICYT CIDETEQ

Quertaro

Los abajo firmantes, miembros del Comit Tutorial de la alumna LAURA ANGELICA

BRISEO ARCINIEGA, una vez leda y revisada la Tesis PRODUCCIN DE BIOGS A

TRAVS DE LA CODIGESTIN DE RESIDUOS SLIDOS Y SEMISOLIDOS:

HACIA UNA PLANTA CENTRALIZADA DE BIOGS PARA LA GENERACIN DE

ENERGA, aceptamos que la referida tesis revisada y corregida sea presentada por la alumna

para aspirar al grado de Maestra en Ciencia y Tecnologa en la opcin terminal de

INGENIERIA AMBIENTAL durante el Examen de Grado correspondiente.

Y para que as conste firm la presente el 24 del mes de Mayo del ao dos mil diecisiete.

Dra. Linda Victoria Gonzlez Gutirrez

Dr. Adrin Rodrguez Garca

Dr. Roberto Contreras Bustos

Agradecimientos

La realizacin de ste trabajo fue posible gracias a CONACYT a travs del financiamiento para

los proyectos:

- Desarrollo de nuevos procesos para la produccin de biogs a travs de la codigestin

de mezclas de residuos slidos y semislidos: hacia una planta centralizada de biogs

para la generacin de energa. Convocatoria CONACYT-BMBF: C0005-BMBF-2013

Nmero: 000000000206788, en cooperacin con la Universidad Tcnica de

Brandenburgo, Alemania Cottbus.

- Estudio de los fenmenos de transferencia electrnica extracelular, transporte de masa y

cintica, en sistemas bioelectroqumicos microbianos: bioelectrodegradacin/

bioelectro-sntesis, con clave 256943 del Fondo de Ciencia Bsica 2015. Responsable.

Principalmente por la beca acadmica que me fue otorgada por CONACYT durante el periodo

2014-2016.

En especial la Doctora Linda Victoria Gonzlez por todo su apoyo durante este proyecto y

haberme dado la oportunidad de participar en mltiples congresos adquiriendo experiencias

memorables. Tambin por haber seguido al pendiente sin perder la confianza en la culminacin

de nuestro proyecto.

A mi hijo Sebastian por esperarme cada da en casa y por ser el nio ms valiente y comprensivo.

A mis padres y hermanos por su apoyo incondicional y por esperar orgullosamente cada uno de

mis logros personales y acadmicos. A mi amiga Gretel por su compaa en sta etapa de

investigacin y aun en la distancia.

Esta tesis siempre me va a recordar que perderse en el camino de una meta es fcil y volver a l

es duro, es difcil y a veces duele, pero que es posible llegar y se siente bien al final.

ndice

Resumen .................................................................................................................................... 13

Abstract ...................................................................................................................................... 14

1 INTRODUCCIN ............................................................................................................. 15

2 MARCO TERICO .......................................................................................................... 17

2.1 Energas alternativas .................................................................................................. 17

2.2 Aprovechamiento de biomasa ................................................................................... 17

2.3 Biorefineras: un valor aadido al uso de la biomasa ................................................ 18

2.4 Plantas centralizadas .................................................................................................. 19

2.5 Generalidades del biogs ........................................................................................... 20

2.5.1 Mtodos de produccin de biogs ......................................................................... 21

2.5.2 Digestin anaerobia ............................................................................................... 22

2.5.3 Factores de operacin y control durante la digestin anaerobia ............................ 24

2.5.3.1 Relacin C/N (balance de nutrientes) ................................................................... 25

2.5.3.2 Efecto del pH ........................................................................................................ 26

2.5.3.3 Efecto de la temperatura ........................................................................................ 26

2.5.3.4 Ventajas de la digestin anaerobia ........................................................................ 27

2.5.3.5 Desventajas ............................................................................................................ 28

2.5.3.6 Subproductos del tratamiento anaerbico.............................................................. 29

2.5.4 Biodigestores utilizados para la digestin anaerobia. ............................................... 30

2.6 Diferentes sustratos que producen biogs ....................................................................... 31

2.7 Codigestin de sustratos .................................................................................................. 32

2.8 Inculo microbiano .................................................................................................... 34

3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 35

4 JUSTIFICACIN .............................................................................................................. 36

5 HIPTESIS ....................................................................................................................... 37

6 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 37

6.1 Objetivo general ........................................................................................................ 37

6.2 Objetivos especficos ................................................................................................. 37

7 METODOLOGA .............................................................................................................. 38

7.1 Equipo utilizado ......................................................................................................... 38

7.1.1 Eudimetros ........................................................................................................... 38

Punto de medicin gas ....................................................................................................... 40

7.1.2 Reactor horizontal.................................................................................................. 40

Vlvula de medicin de gas ............................................................................................... 41

Termostato ......................................................................................................................... 41

Controles de Agitacin y Temperatura .............................................................................. 41

Tablero indicador ............................................................................................................... 41

file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163420file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163422file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163423file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163424file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Desktop/tesis%20laura%20Angelica%20ultimas%20modificaciones%20para%20imprenta.docx%23_Toc484163425

FIGURA 5 REACTOR PILOTO HORIZONTAL CON AGITACIN. .................................. 41

7.1.3 Medidor de gas porttil .......................................................................................... 41

7.2 Recoleccin de los sustratos ...................................................................................... 42

7.3 Caracterizacin de los sustratos ................................................................................. 42

7.4 Pruebas en eudimetro............................................................................................... 43

7.4.1 Clculo de la cantidad (g) de sustrato para cada prueba........................................ 44

7.4.2 Mediciones del biogs ........................................................................................... 45

7.4.3 Clculos para la produccin diaria de biogs en los eudimetros ......................... 46

7.4.4 Volumen de biogs generado en cm3 diariamente................................................. 47

7.4.5 Suma de volmenes de gas especficos ................................................................. 47

7.4.6 Produccin de metano ........................................................................................... 49

7.4.7 Suma de la produccin de metano especfica y total ............................................. 50

7.5 Seleccin de los sustratos en codigestin, con mayor generacin de biogs. ........... 51

7.6 Operacin de codigestin de residuos en biodigestor horizontal .............................. 52

7.6.1 Produccin de biogs ............................................................................................. 52

8 RESULTADOS ................................................................................................................. 54

8.1 Caracterizacin de codigestantes ............................................................................... 54

8.2 Composicin de los cosustratos para los experimentos en eudimetros ................... 54

8.3 Resultados de los experimentos en eudimetros ....................................................... 57

8.4 Resultados de la operacin en el biodigestor horizontal agitado............................... 68

8.4.1 Medicin de biogs ................................................................................................ 71

9 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 77

10 RECOMENDACIONES ................................................................................................... 78

11 BIBLIOGRAFA ............................................................................................................... 79

12 ANEXOS ........................................................................................................................... 82

ndice de Figuras

Figura 1 Proceso integral para produccin y usos del biogs.................................................... 30

Figura 2 Metodologa ................................................................................................................ 38

Figura 3 Eudimetro SELUTEC ............................................................................................... 39

Figura 4 Esquema del Eudimetro SELUTEC. ......................................................................... 40

Figura 5 Reactor horizontal con agitacin piloto. ..................................................................... 41

Figura 6 Medidor de gas porttil ............................................................................................... 41

Figura 7 Esquema del biodigestor con sistema de medicin de biogs por desplazamiento de

volumen. .................................................................................................................................... 52

Figura 8 Montaje del Biodigestor con sistema de medicin de gas por el mtodo volumtrico

................................................................................................................................................... 70

file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628948file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628950file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628951file:///C:/Users/Laura%20Briseo/Downloads/Tesis-Laura-Angelica-Briseno-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc482628951

ndice de grficas

Grfica 1 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 1 .. 58

Grfica 2 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 2. . 59

Grfica 3 Cambio de pH en los cosustratos, antes y despus de la digestin, experimento 3. . 59

Grfica 4 Remocin de Slidos Voltiles en los cosustratos experimentos 1-3 ....................... 60

Grfica 5 Remocin de Slidos Voltiles en los cosustratos experimentos 1-3 ....................... 61

Grfica 6 Incremento de Nitrgeno amoniacal de los cosustratos experimentos 1-3 ............... 62

Grfica 7 Porcentaje de metano generado por cada cosustrato durante la digestin. Experimentos

1-3. ............................................................................................................................................. 66

Grfica 8 Produccin de biogs L/KgSV durante la digestin. Experimentos 1-3. .................. 67

Grfica 9 pH durante la digestin .............................................................................................. 71

Grfica 10 Produccin de biogs promedio diario .................................................................... 72

Grfica 11 Porcentaje de metano contenido en el biogs durante la digestin en el reactor. .... 72

Grfica 12 Remocin de slidos voltiles ................................................................................. 73

Grfica 13 Remocin de DQO .................................................................................................. 74

Grfica 14 Eficiencia de remocin como DQO y SV en el reactor horizontal ......................... 74

file:///G:/Tesis-Laura-Anglica-Briseo-rev%20L2%20(2%20Marzo%202017)%20(modificar%20indice.docx%23_Toc478034510

ndice de tablas

Tabla 1 Comparacin de valores calorficos para diferentes combustibles. (Hill,2011). .......... 21

Tabla 2 Relacin C/N de los sustratos empleados comnmente para la produccin de biogs 25

Tabla 3 Algunos residuos slidos y semislidos utilizados para la codigestin anaerobia y

rendimientos reportados en literatura. ....................................................................................... 33

Tabla 4 Rangos de Temperatura y Tiempo de fermentacin Anaerbica (Langrange, 1979)

...................................................................................................Error! Marcador no definido.

Tabla 5 Caracterizacin inicial de sustratos. ............................................................................. 54

Tabla 6 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.1 .... 55

Tabla 7 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.2 .... 56

Tabla 8 Composicin inicial de los cosustratos, para experimentos en eudimetros, Exp.3 .... 57

Tabla 9 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 1 ............................ 63

Tabla 10 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 2 .......................... 64

Tabla 11 Produccin de biogs durante 27 das de digestin. Experimento 3 .......................... 64

Tabla 12 Composicin de las cargas C1, C2 Y C3 en el biodigestor ....................................... 68

Tabla 13 Rendimiento de Materia orgnica en trminos de ml de biogs por gramo de materia

orgnica (cosustrato).................................................................................................................. 75

DELTARectangle

ndice de Ecuaciones

Ecuacin 1. Clculo del sustrato................................................................................................ 44

Ecuacin 2 Produccin diaria de biogs .................................................................................... 46

Ecuacin 3 Normalizacin del gas ............................................................................................ 46

Ecuacin 4 Presin de vapor del agua ....................................................................................... 47

Ecuacin 5 Clculo del Volumen diario de biogs.................................................................... 47

Ecuacin 6 Suma de volmenes de gas especficos .................................................................. 48

Ecuacin 7 Clculo de la produccin de biogs en NLitros/kg Masa Fresca ........................... 49

Ecuacin 8 Clculo de la cantidad de metano en la prueba en NL ........................................... 49

Ecuacin 9 Clculo de la cantidad de metano en el inculo en NL .......................................... 50

Ecuacin 10 Produccin especfica de metano.......................................................................... 50

Resumen

Una biorefinera es una instalacin industrial que aprovecha la biomasa de forma sostenible para

la obtencin de otros productos como el biogs, que es un bioenergtico capaz de sustituir a los

combustibles fsiles, generando una fuente de energa renovable, mediante tecnologas limpias

que permiten conservar el medio ambiente. Ya que Mxico es un importante generador de

excretas y que su incorrecta disposicin final ha provocado problemas ambientales como

contaminacin del agua, suelo y aire, se pretende aprovechar diferentes residuos generados del

sector agropecuario como fuente de biomasa para la obtencin de biogas. El objetivo es estudiar

la codigestin de residuos de distinta naturaleza que se complementen para una mejor

codigestin, enfocado al diseo de una planta centralizada para produccin de biogs.

Se comenz con la caracterizacin de los sustratos en cuanto a pH, SV, DQO, y Nitrgeno.

Posteriormente como cosustratos, bajo la metodologa: Determinacin de biogs y el potencial

de produccin de metano, basado en la norma Alemana, VDI-4630 en pruebas de fermentacin

en eudimetros y posteriormente aliment un bioreactor para determinar el rendimiento de

produccin de biogs, a partir de los resultados obtenidos durante la primera etapa de

experimentos en eudimetros. Finalmente se hicieron recomendaciones de operacin en cuanto

a las proporciones ptimas de los sustratos en codigestin para la planta piloto que operar como

una planta centralizada en instalaciones de CIDETEQ.

Como sustratos se usaron excretas de vaca y cerdo, pollinaza, suero de leche y grasa residual,

las mezcla de cosustratos con mayor generacin de biogs fue: Estircol de vaca (80%)/Grasa

(20%), inoculada con lodo anaerobio, Produccin de biogs de 72.1 L/KgVs y 80% de CH4,

TRS de 27 das. Present remocin de SV y DQO de 91% y 97% respectivamente. Para la

codigestin de residuos se debe buscar la composicin ideal en las proporciones de la mezcla

buscando que se complementen sus caractersticas y de esta manera se aprovechen para producir

biogs de mejor calidad.

13

Abstract

A biorefinery is an industrial facility that takes advantage of biomass in a sustainable way to

obtain other products such as biogas, which is a bioenergy capable of replacing fossil fuels,

generating a source of renewable energy, using clean technologies to conserve the environment.

Since Mexico is a major source of excreta and its final wrong disposal has caused environmental

problems (such as water, soil and air pollution), it is intended to take advantage of different

residues generated from the agricultural sector, as a source of biomass, to obtain biogas. The

objective of this work is to study the codigestion of different types of residues that are

complemented for a better codigestion, focused on the design of a centralized plant for the

production of biogas.

This project began with the characterization of the substrates in terms of pH, SV, COD, and

Nitrogen. Subsequently, as co-substrates, under the methodology: Determination of biogas and

methane production potential based on the German standard, VDI-4630 in fermentation tests in

eudiometers and later, fed a bioreactor to determine the yield of biogas production from the

results obtained during the first stage of eudiometer experiments. Finally, operational

recommendations were made regarding the optimum proportions of the substrates in codigestion

for the pilot plant that will operate as a plant centralized in CIDETEQ installations.

Cow, chicken and pig manure, whey and residual fat were used as substrates; the mixtures with

the highest biogas generation were: Cow manure (80%) / Fat (20%), inoculated with anaerobic

sludge, Production Of biogas of 72.1 L / KgVs and 80% of CH4, TRS of 27 days. It presented

SV and COD removal of 91% and 97% respectively. For the codigestion of residues, it is

necessary to look for the ideal composition in the proportions of the mixture looking for a

complement of their characteristics and, in this way, to take advantage in the production of

biogas in a better quality.

14

1 INTRODUCCIN

La descomposicin de materia orgnica por la va anaerobia (en ausencia total de oxgeno)

genera gas combustible. Este gas contiene una alta proporcin en metano (CH4) en

concentracin superior al 60 %, con una potencia calorfica inferior del orden de 5.500 Kcal/m3,

y se designa usualmente como biogs. Todo proceso de digestin anaerobia lleva una

eliminacin/depuracin de la carga orgnica. Las instalaciones especialmente diseadas para

optimizar este proceso se designan como digestores de metano, plantas de biogs o

simplemente reactores anaerobios (Flotats, X.).

Los procesos anaerobios deben ser perfeccionados mediante la optimizacin del uso de biomasa;

por ejemplo, una alternativa es la utilizacin de residuos en codigestin. La biomasa ms comn

son los residuos alimenticios, estircol de ganado, agroindustriales, de procesado de alimentos

vegetales o animales, residuos slidos urbanos Y los residuos vegetales de las cosechas. De los

anteriores se han tenido excelentes rendimientos de biogs a partir de diversos estircoles,

especficamente de ganado ovino, por ejemplo, la digestin de estircol como sustrato nico

tiene una alta produccin de microorganismos anaerbicos y de biogs pero de baja calidad de

metano, como resultado. Es frecuente que se lleve a cabo una codigestin con otro tipo de

sustratos que posean altas producciones de biogs, tales como residuos alimentarios o

agroindustriales, de esta manera se persigue balancear sus caractersticas como por ejemplo

controlando el pH se evita que durante la fermentacin se presente una acidificacin y se inhiba

la metanognesis. Por lo tanto en este trabajo se pretende encontrar una codigestin eficiente

entre una seleccin de residuos agroindustriales, logrando su aprovechamiento mediante

codigestantes, donde se complementen entre s para producir un buen flujo de biogs que

contenga principalmente metano. Utilizando la biomasa disponible de una misma regin, por

dos razones: la primera, se debe a la composicin de la biomasa especfica de la situacin

geogrfica, por ejemplo, la composicin de estircol depende principalmente del sistema

digestivo del animal y de su dieta, la especie del animal y edad al igual que las condiciones

climticas. Por consiguiente, este proyecto considera importante el investigar el potencial de

biogs y metano de diferentes biomasas, todas de la misma regin. La segunda, se debe a que al

utilizar la biomasa residual de industrias cercanas, se lograr encontrar la composicin ideal que

genere biogs de mayor calidad a partir de dichos residuos en especfico, logrando beneficios

15

como el aprovechamiento de la energa obtenida para los generadores en el marco de un

biodigestor o una planta de biogs centralizados, siendo una medida factible para aprovechar

los residuos y producir energa. Adems, el aprovechamiento de los residuos de distintas

agroindustrias, y la instalacin de una planta centralizada de tratamiento de residuos y

produccin de biogs beneficiara a dichas industria participantes a tener reducciones en costos

y en energa lo que se traduce a mayor inversin en la zona.

16

2 MARCO TERICO

2.1 Energas alternativas

Las energas alternativas son aquellas que no implican la quema de combustibles fsiles para su

generacin, adems de ser indispensables para asegurar la sustentabilidad y cuidado del medio

ambiente. La contaminacin atmosfrica ha sido una constante evolutiva a travs de los aos y

a medida que esta crece tambin se incrementa la necesidad de disminuirla para mejorar la

calidad de vida de los seres vivos. A causa de esto se considera generar energas alternativas las

cuales permitan suplir las necesidades del ser humano a partir de la utilizacin de los recursos

naturales existentes. Una de las energas alternativas que en la actualidad ha estado en constante

estudio y evolucin es la produccin de biogs a partir de digestin anaerobia de residuos slidos

orgnicos (Masera, Omar 2010).

Debido a la falta de capacidad tcnica y financiera, Mxico presenta un retraso significativo en

el despliegue de energas renovables a pesar de su potencial privilegiado.

2.2 Aprovechamiento de biomasa

El trmino biomasa se le atribuye a toda la fraccin orgnica de los residuos provenientes de

diferentes procesos productivos, y que puede ser potencializado como materia prima para la

obtencin de diferentes combustibles verdes o biocombustibles, conocidos as por proponer

formas de energa renovables no dependientes del carbono. La biomasa fue la principal fuente

de energa hasta el siglo XIX, sin embargo, el uso de este combustible con la revolucin

industrial fue menguando progresivamente comenzando la era de los combustibles fsiles.

La biomasa ha ganado la atencin en todo el mundo como una fuente de energa renovable para

la conversin termoqumica (Aysu y Kk, 2014; Damartzis y Zabaniotou, 2011; Wei et al.,

2006), su aprovechamiento ofrece beneficios a nivel local como una forma de eliminar los

residuos y desechos, y los beneficios globales mediante la reduccin de las emisiones de efecto

invernadero (Yusoff, 2006 ). Una gran cantidad de investigacin se ha centrado en los aspectos

17

tcnicos de la produccin de bioenerga, como los factores ptimos de oxgeno, temperatura del

aire, relacin aire-combustible, presin de trabajo, tamao de las partculas de biomasa, presin,

etc. se ha confirmado que la co-combustin de biomasa en las plantas existentes, especialmente

las plantas que funcionan con carbn, es una opcin tcnicamente viable (Ponton, 2009).

Mientras que los residuos de biomasa pueden reemplazar ms del 50 % de carbn en centrales

trmicas de carbn con grandes inversiones de capital (Ingls et al, 1981), hasta el 20% de la

biomasa puede ser coalimentadas con carbn sin modificacin significativa de los equipos

actuales (Grabowski, 2004 y Haq, 2002).

2.3 Biorefineras: un valor aadido al uso de la biomasa

La produccin de bioproductos es un mercado en constante expansin con aplicaciones en la

industria farmacutica, qumica, papelera y alimentaria, pero precisa an de un desarrollo

tecnolgico que permita obtener estos productos a un costo menor y de una manera ms

eficiente. ntimamente ligado a este mercado, se encuentra el concepto de biorefinera, trmino

que engloba la integracin de procesos y tecnologas para un uso eficaz de las materias primas

y as lograr instalaciones que operen de una manera sostenible con el medio ambiente.

Algunas de las definiciones encontradas en la literatura de este trmino describen la biorefineria

como:

La Agencia Internacional de la Energa (IEA) define la biorefinera como la instalacin donde

se generan, de forma sostenible, un amplio espectro de productos de inters comercial a partir

de la biomasa.

Tambin se pueden definir como Industrias integradas de productos de base biolgica, que

utilizan diversas tecnologas para producir substancias qumicas, biocombustibles y bioenerga,

productos alimentarios y biomateriales empleando como materia prima biomasa (Deyanira

Muoz y col, 2014).

De esta manera, el concepto de biorefinera se puede atribuir a dos ideas: un aprovechamiento

de todos los componentes de la biomasa para generar un amplio espectro de combustibles

renovables, o el establecimiento de plantas centralizadas formados por industrias participantes

18

que contribuyan con los residuos de sus procesos productivos y se convierten en materia prima

para la biorefinera en forma de biomasa.

2.4 Plantas centralizadas

La codigestin entre diversos residuos, ya sean industriales (orgnicos y lodos), agrcolas

(residuos de frutas y verduras) o residuos slidos urbanos son una opcin adecuada para mejorar

la produccin de biogs (Amon et al, 2006;.. Macias-Corral et al, 2008; Maran et al, 2009).

Por ejemplo en las plantas de biogs centralizadas (Angelidaki y Ellegaard, 2003), el estircol

es transportado, principalmente en forma de suspensin, a partir de un nmero de granjas

cercanas a la planta, donde es codigerido con otros residuos orgnicos procedentes de las

industrias del mismo municipio. Las ventajas de utilizar la codigestin de purines de ganado

vacuno con los residuos de alimentos, la bsqueda del mayor rendimiento en trminos de

productividad volumtrica de gas, las estrategias para la economa del proceso y los beneficios

ambientales, se han discutido recientemente por Banks et al. (2011), que evala la viabilidad de

pre-procesamiento de residuos de alimentos por separado para transportarlos a las plantas

centralizadas, y ser procesados con purn de ganado vacuno lechero en codigestin anaerobia,

los resultados mostraron que la adicin de residuos de alimentos mejor el rendimiento de

energa por unidad de volumen en el digestor, con un aumento del potencial correspondiente

para la mejora de los ingresos agrcolas hasta un 50%. A continuacin se mencionan algunos

resultados de estudios similares realizados en la ltima dcada:

El potencial de produccin de biogs a partir de estircol y diferentes codigestantes de estircol

y residuos de alimentos usando digestores discontinuos a 35 C fueron estudiados por El-

Mashad y Zhang (2010). El rendimiento de metano del estircol y dos codigestantes de estircol

y residuos de alimentos (68/32 y 52/48) despus de 30 das de la digestin, fue 241, 282 y 311

L / kg VS, respectivamente.

Por su parte Capela et al. (2008) evaluaron la viabilidad tcnica de microorganismos mesfilos

en codigestin anaerobia con tres tipos de residuos: la fraccin orgnica de los residuos slidos

urbanos, lodos y el estircol del ganado industrial, la obtencin de mayores rendimientos de

19

biogs y una mayor reduccin de slidos voltiles al aumentar la proporcin de residuos slidos

municipales.

En otro estudio, Macias-Corral et al. (2008) usaron la co-digestin anaerobia de estircol de

vaca lechera, la fraccin orgnica de los residuos municipales y residuos de una desmotadora

de algodn. La mxima produccin de biogs se obtuvo con estircol de vaca y de los residuos

desmotadora de algodn (87 m3 de metano / tonelada de residuo seco).

Y adicionalmente Callaghan et al. (2002), realiz el estudio de la codigestin de lodos de ganado

con residuos de frutas y vegetales (FVW) y estircol de pollo, se encontr que el aumento de la

proporcin de FVW de 20% a 50% mejor el rendimiento de metano 0,23-0,45 m3 CH4 /kg VS

adicional.

2.5 Generalidades del biogs

El biogs es un gas combustible que se puede obtener a partir de la biomasa, tal como son los

residuos urbanos, residuos agrcolas, y de los efluentes de tratamiento de aguas. Este gas puede

ser utilizado, por ejemplo, como combustible para generar electricidad o para generar energa

calorfica demostrando ser un bioenergtico capaz de sustituir a los combustibles fsiles en la

generacin de energa (Gutirrez Garca y col, 2001).

Lo constituye una codigestantes de gases combustibles y su composicin depende del tipo de

material orgnico utilizado para su produccin y de las condiciones de operacin de los reactores

donde se obtiene. El biogs contiene aproximadamente 60% de metano y 40% de dixido de

carbono y una pequea cantidad de cido sulfhdrico el cual produce un olor a huevo podrido.

El valor calorfico del biogs es de entre 20 30 MJ de energa calrica por m de gas. 23 MJ/Kg

(Lombardi et al., 2009), lo que lo hace un combustible competitivo con los que se utilizan

actualmente. En la Tabla 1 se muestra una comparacin de la emisin directa de CO2 respecto

a otros combustibles y sus valores calorficos.

20

Tabla 1 Comparacin de valores calorficos para diferentes combustibles. (Hill,2011).

Combustible Valor Calorfico (CV)

aproximado

Factor de emisin indirecto

(KgCO2 e/GJ, CV neto)

Petrleo 45,21 MJ/Kg 12,51

Gas Natural 36 MJ/Kg 5,55

Gas Natural Licuado 55,14MJ/Kg 20

Keroseno 43,12 MJ/Kg 13,34

Disel 44,79 MJ/Kg 13,13

Biogs 23 MJ/Kg 0,246b

Es importante destacar que el biogs se encuentra por debajo de los combustibles comparados

en el factor de emisin directa de CO2, lo que lo posiciona como una opcin menos contaminante

a la atmsfera. (Hill, 2011).

2.5.1 Mtodos de produccin de biogs

El mecanismo predominante para la conversin de la biomasa en biogs es la conversin

bioqumica o digestin de biomasa orgnica que debe entenderse como un proceso natural que

involucra varios procesos bacterianos simultneamente.

El mtodo ms comn de produccin de biogs es la digestin anaerobia, por medio de

microorganismos en ausencia de oxgeno. Uno de los sistemas ms comunes en los que se lleva

a cabo, es en tanque cerrado llamado biodigestor. La codigestin de la biomasa en el digestor

con agua para formar una suspensin, en la cual la digestin anaerobia se realiza en dos pasos.

En el primer paso, llamado licuefaccin, la materia orgnica es descompuesta por hidrlisis

enzimtica y fermentada para producir principalmente cidos y alcoholes. El segundo paso,

llamado gasificacin, las bacterias metanognicas rompen los cidos y los alcoholes, para

producir metano y dixido de carbono, nitrgeno y cido sulfhdrico (Gutierrez Garca y col,

2001).

21

Las vas microbiolgicas de produccin de energa a partir de sustratos biolgicamente

degradables representan una excelente alternativa para la sustitucin de combustibles fsiles no

renovables que se utilizan en la actualidad. Esto es especialmente interesante dentro del campo

de las instalaciones agroindustriales las que pueden cubrir una parte de sus necesidades

energticas a partir de sus propios residuales, para complementar o reemplazar los combustibles

fsiles, por lo tanto la digestin anaerobia se presenta como el mtodo ms ventajoso en el

tratamiento de aguas residuales y de residuos orgnicos, para aprovecharse en la generacin de

biogs.

La composicin qumica del biogs es determinada por la naturaleza del sustrato y las

condiciones de operacin de la digestin anaerobia. Es una combinacin de gases flamables

generados por un grupo de bacterias anaerobias especficas en la descomposicin de compuestos

orgnicos (digestin anaerobia), contiene de 50-70% de metano (CH4) y dixido de carbono

(CO2), junto con estas algunas trazas de hidrgeno (H2) y sulfuro de hidrgeno (H2S). (IDEA

2007).

2.5.2 Digestin anaerobia

La digestin anaerobia es un proceso biolgico y degradativo en el cual parte de los materiales

orgnicos de un sustrato son convertidos en biogs por un consorcio de bacterias que son

sensibles al oxgeno, por medio de este proceso es posible convertir en subproductos tiles gran

cantidad de residuos vegetales, estircoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa,

de la industria papelera y de algunas industrias qumicas, ms del 90% de la energa disponible

por oxidacin directa se transforma en metano, consumindose slo un 10% de la energa en

crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aerbico y como producto final

se obtiene un bioabono inocuo ms estable (Gropelli, E. 2008). Los microorganismos

metanognicos desempean la funcin de enzimas respiratorias y, junto con las bacterias no

metanognicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relacin con las cadenas

enzimticas de clulas aerbicas. De esta forma, los residuos orgnicos se transforman

completamente en biogs. Sin embargo, el biogs generado suele estar contaminado con

diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo. La

22

digestin anaerobia Consta de cuatro fases que son llevadas a cabo por un grupo especfico de

bacterias las cuales son descritas brevemente a continuacin.

2.5.2.1 Hidrlisis

Durante esta etapa las molculas o grandes polmeros son reducidos de tamao, pasan de ser

molculas complejas solubles e insolubles como carbohidratos, protenas, lpidos y cidos

nucleicos que no pueden ser directamente metabolizados por los microorganismos anaerobios,

a ser monmeros o molculas ms pequeas y simples. (Vavilin et al., 2008).

2.5.2.2 Acidognesis y acetognesis

En esta etapa los monmeros liberados anteriormente son degradados mediante reacciones

fermentativas, en donde los compuestos orgnicos funcionan como aceptores y donadores de

electrones. Los principales productos de esta etapa son cidos grasos voltiles (AGV), que son

intermediarios del proceso de degradacin; el cido actico es el mayor intermediario en la

cadena alimenticia anaerobia (Drake et al., 2002; Mller, 2003), otros cidos principales del

proceso son el cido propinico y lctico, y se pueden formar algunos alcoholes. Los precursores

directos para la formacin de metano (CH4) son el cido actico, frmico, H2 y CO2 (Grady et

al., 1999; Baserba et al., 2012). En la etapa de metanognesis se presenta la formacin del CH4,

el cual es el ltimo producto de la digestin anaerobia limitado a tres tipos de precursores: CO2,

compuestos que contengan un grupo metilo y acetato (Liu y Whitman, 2008). Todos los

metangenos son estrictamente arqueas anaerobias oxgeno-sensibles, que pertenecen al phylum

Euryarchaeota (Liu y Whitman, 2008).

La naturaleza y la composicin qumica del sustrato condicionan la composicin cualitativa de

la poblacin bacteriana de cada etapa, de manera que se establece un equilibrio fcilmente

rompible cuando algn txico no permite el desarrollo de alguna de las poblaciones. Mientras

que en las fases de hidrlisis-acidognesis los microorganismos involucrados suelen ser

facultativos, para la tercera fase los microorganismos son estrictos, y con tasas mximas de

crecimiento del orden de 5 veces menores a las acidognicas. Esto significa que si las bacterias

metanognicas tienen algn problema para reproducirse y consumir los cidos, estos se

23

acumularn, empeorando las condiciones para las bacterias metanognicas, responsables de la

produccin de metano (Gutierrez Garca y col, 2001).

Las caractersticas fsicas y qumicas de los residuos slidos orgnicos son de trascendental

importancia para la correcta seleccin del tipo de proceso de fermentacin. Los desechos slidos

orgnicos generados en los mercados tienen contenidos de humedad alrededor del 86 %, as

como un pH predominantemente cido. Estas dos caractersticas sugieren que la digestin

anaerobia es el proceso de fermentacin ms idneo. (Buenrostro O. 2000)

2.5.3 Factores de operacin y control durante la digestin anaerobia

Diferentes parmetros fsicos y qumicos siempre estn presentes en los procesos anaerobios;

siendo los factores principales que influyen en el proceso, los siguientes (Montalvo M. 2000):

Composicin del residual.

Someter el proceso a cargas orgnicas y tiempos de retencin hidrulica y celular compatibles

con el residuo a ser digerido y con el tipo de digestor empleado.

Temperatura: No ocurrencia de variaciones bruscas de temperatura. Se encuentra un ptimo

de funcionamiento alrededor de los 35 C.

Acidez: determina la cantidad y el porcentaje de metano en el biogs, habindose encontrado

que el valor ptimo de pH oscila entre 6,6 y 7,6, que se logra a travs de parmetros de proceso

o de la adicin de nutrientes.

Contenido en slidos: se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10 % de slidos,

lo que explica que la biomasa ms adecuada sea la de alto contenido en humedad.

Nutrientes: para el crecimiento y la actividad de las bacterias, stas tienen que disponer de

carbono, nitrgeno, fsforo, azufre y algunas sales minerales.

Existencia de cantidades de nitrgeno (N) y fsforo (P) en el residuo, compatibles con la

cantidad de carbono.

24

2.5.3.1 Relacin C/N (balance de nutrientes)

Existe una amplia diversidad de criterios acerca de cul es la relacin ptima que debe existir

entre la materia orgnica a degradar (carbono) y la cantidad de los principales macronutrientes

en un proceso anaerobio, dependiendo sta en gran medida del tipo de sustancias de que est

compuesto el residuo.

Como regla general, se plantea que el contenido C:N:P debe ser cercano a 100:1.75:0.25 en base

a la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO). En muchas ocasiones, se puede lograr un buen

balance mezclando diferentes residuos. Si el nitrgeno est en exceso puede producirse mucho

amonaco lo cual puede inhibir el proceso anaerobio por encima de ciertos niveles (3 kg./m3).

Sin embargo, existen algunos trabajos donde se reportan algunas concentraciones tolerantes de

4 a 9 kg/m3 de nitrgeno en procesos anaerobios (Ruiz I., 2002)

Los microorganismos siempre consumen estos elementos, debe haber una relacin adecuada

entre nutrientes para el desarrollo de la flora bacteriana. La relacin C/N debe estar comprendida

entre 15/1 y 45/1, con un valor recomendable de 20-30/1. As como adems requiere algunos

minerales como nutrientes.

En la Tabla 2 se presenta la caracterizacin terica de diferentes sustratos, en donde se observa

a los sustratos que se encuentran dentro de la proporcin C/N recomendada, son el estircol de

vaca y estircol de oveja.

Tabla 2 Relacin C/N de los sustratos empleados comnmente para la produccin de biogs

Sustrato

Contenido de

carbono por

peso (%)

Contenido de

nitrgeno por

peso (%)

Relacin carbono

a nitrgeno (C/N)

Lodos anaerobios 40 4 10/1

Estircol de aves 41 1.3 32/1

Suero de leche 10 11.7 0.85/1

Estircol fresco de oveja 16 0.55 29/1

Estircol fresco de vaca 7.3 0.29 25/1

Estircol fresco de cerdo 7.8 0.6 13/1

c

25

2.5.3.2 Efecto del pH

Los efectos del pH se reflejan en la actividad enzimtica de los microorganismos. Las formas

generales en que el pH influye en la actividad microbiana pueden resumirse en las siguientes:

Cambio de los grupos hidrolizables de las enzimas (grupos carboxilos y aminas).

Alteracin de los compuestos no enzimticos del sistema (ionizacin del sustrato,

desnaturalizacin de la estructura proteica de la enzima).

A estos efectos del pH deben adicionarse la concentracin de H+ que influye sobre las diferentes

reacciones qumicas, bioqumicas y biolgicas que ocurren en este sistema. Se plantea en

general que el valor ptimo de pH para la digestin anaerobia es 7. En la prctica se ha visto

que al alejarse de este valor, la eficiencia del proceso disminuye, (Ghosh S. 1988).

2.5.3.3 Efecto de la temperatura

Este parmetro influye de manera decisiva en el proceso anaerobio, ya que de l depende mucho

las velocidades de reaccin con las que se lleva a cabo cualquier proceso biolgico, la

composicin del biogs debido a la dependencia de la solubilidad de los diferentes gases con la

temperatura y el dao que pueda causar a los microorganismos presentes en el medio despus

de ciertos valores de sta, (Ghosh S. 1988). Se han definido dos rangos de trabajo donde puede

efectuarse satisfactoriamente la anaerobiosis de aguas residuales. Ellos son los siguientes

(Montalvo M. 2000):

Mesoflico entre 20 y 45 C.

Termofilico entre 45 y 60 C.

La temperatura ptima en cada uno de estos rangos es difcil de predecir, ya que depende del

tipo de residual, de las condiciones ambientales, etc. No obstante, se reconocen en general como

temperaturas ptimas las de 35 y 55 C para los tratamientos mesfilos y termfilos,

respectivamente (Obaya y col, 1991).

Los procesos anaerbicos, al igual que muchos otros sistemas biolgicos, son fuertemente

dependientes de la temperatura, su velocidad de reaccin depende de la velocidad de crecimiento

26

de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. Existen tres

rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos anaerobios (Tabla 3).

Tabla 3 Rangos de Temperatura y Tiempo de fermentacin Anaerbica (Langrange, 1979)

Fermentacin Mnimo ptimo Mximo Tiempo de

fermentacin

Psicroflica 4-10 C 15-18C 20-25C Sobre 100 das

Mesofilica 15-20 C 25-35C 35-45C 30-60 das

Thermoflica 25-45C 50-60C 75-80C 10-15 das

En este trabajo, la digestin anaerbica se mantuvo a temperatura mesoflica dentro de su rango

mximo, controlando 37C 2C y con un tiempo de fermentacin de 30-32 das.

El tiempo de retencin es el cociente entre el volumen del reactor y el caudal de tratamiento, es

decir, el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la accin de los

microorganismos. Hay dos tipos de tiempo de retencin, el tiempo de retencin de slidos

(TRS), que es el tiempo promedio en que las bacterias estn en el digestor, y el tiempo de

retencin hidrulico (TRH), que es el tiempo promedio en que el lodo lquido se mantiene en el

digestor. Segn Gerardi (2003), el tiempo de generacin de metanognicos puede ser de 3 a 30

das.

2.5.3.4 Ventajas de la digestin anaerobia

El tratamiento anaerobio de las aguas residuales de producciones alimenticias, de las bebidas y

de las industrias farmacuticas tiene muchas ventajas comparadas a otros mtodos de

tratamiento: (Ruiz I. 2002)

El consumo de energa es muy bajo con el tratamiento anaerobio. Por ejemplo, no tiene que

ser provisto oxgeno y no es necesario un mezclado intenso.

La mayora del material orgnico en el agua residual se convierte en biogs, que puede ser

combustionado con el fin de obtener energa o vapor. La energa se puede utilizar en la planta

de produccin de biogs o se puede proveer a la red de la energa.

27

La produccin de lodo en el tratamiento anaerobio es muy baja (ya estabilizados y espesados),

porque la mayora del material orgnico se convierte en biogs, no en lodo. Adems, el lodo

anaerobio se estabiliza y se puede desecar fcilmente por gravedad.

Se puede utilizar para la arrancada de nuevos reactores anaerobios, o se puede utilizar como

bioabono en la tierra. Los gastos de transportacin del lodo son por consiguiente mnimos.

Son sistemas que asimilan altas y bajas cargas orgnicas.

La remocin de materia orgnica se encuentra entre el 60 y 80 % segn el tipo del residual.

El lodo anaerobio puede ser almacenado y conservado fcilmente, lo que simplifica los

arranques sucesivos despus de paradas o los perodos con cargas orgnicas reducidas.

Existe la posibilidad de trabajar a tiempos de retencin hidrulicos muy bajos, o lo que es

igual, se necesitan menores volmenes de instalacin, abaratando las inversiones.

Los costos de inversin son bajos, porque se aplican altas cargas orgnicas al reactor y los

tiempos de la retencin son cortos. El tratamiento anaerobio es lo ms comnmente aplicado

como pre-tratamiento para las aguas residuales concentradas. Los efluentes en el tratamiento

anaerobio todava contienen un poco de material orgnico, a pesar de la altas eficacias de

tratamiento por lo que el post-tratamiento es necesario en muchos casos.

2.5.3.5 Desventajas

El proceso anaerobio no permite conseguir la calidad de efluente que se puede alcanzar en una

planta de lodos activos y otros sistemas aerobios, pero s permite eliminar gran parte de los SS

(Slidos en suspensin) y de la DQO (Demanda Qumica de Oxgeno) y/o DBO5 (Demanda

Biolgica de Oxgeno 5), incluso en una sola etapa, que sustituira al decantador primario, al

digestor de lodos activos (aerobio) y al digestor anaerobio de estabilizacin de lodos. (Ruiz I.

2002)

Requerimiento de un lodo granular para arranques rpidos. Arranque lento (seis meses) en

caso de no contar con lodos inoculados.

En ocasiones, hay presencia de malos olores, para lo cual se requiere de un sistema simple de

control.

28

2.5.3.6 Subproductos del tratamiento anaerbico

Los principales productos del proceso de digestin anaerobia, trabajando en sistemas de alta

carga orgnica y en mezcla completa, son el biogs y un efluente estabilizado.

Las caractersticas del efluente, dependen mucho del tipo de sistema, pero tratando con sistemas

de mezcla completa y con residuos orgnicos, se puede decir que el efluente es la mezcla del

influente estabilizado y la biomasa microbiana producida.

Durante el proceso anaerobio parte de la materia orgnica se transforma en metano, por lo que

el contenido en materia orgnica es menor que en el influente. Se trata, adems, de un producto

ms mineralizado que el influente, con lo que normalmente aumenta el contenido de nitrgeno

amoniacal y disminuye el nitrgeno orgnico.

Cuando el estircol animal se usa como sustrato en los biodigestores, generalmente en los de

diseo convencional, prctica muy difundida en la zona rural, el efluente lquido puede ser

utilizado como bioabono debido a aspectos como son la disminucin de la relacin C/N y la

solubilizacin de algunos nutrientes (Mansur A, 2004).

La promocin e implantacin de sistemas de produccin de biogs colectivos (varias granjas),

y de codigestin (tratamiento conjunto de residuos orgnicos de diferentes orgenes en una zona

geogrfica, usualmente agropecuarios e industriales) permite, adems, la implantacin de

sistemas de gestin integral de residuos orgnicos por zonas geogrficas, con beneficios

sociales, econmicos y ambientales Figura 1.

29

Figura 1 Proceso integral para produccin y usos del biogs.

2.5.4 Biodigestores utilizados para la digestin anaerobia.

Los digestores anaerbicos no son una nueva tecnologa, fueron usados a escala de granja por

muchos aos en pases en desarrollo. Sin embargo se han hecho mejoras en los digestores para

que sean ms compactos, de costo reducido y que sean ms fciles de manejar. Algunos

progresos se han realizado, pero a la fecha no hay un tamao ptimo de digestor que se ajuste a

todos los establos lecheros. Cada situacin es nica, y un anlisis de diseo debe ser llevado a

cabo antes de decidir su construccin (Funk, 2007).

Dentro de la variedad de procesos existentes en las tecnologas anaerobias la produccin de

biogs depende de la materia introducida al sistema, parmetros y tipo de biodigestor empleado.

De ah la importancia de seleccionar el biodigestor adecuado en el sistema de codigestin

anaerobia.

30

Los biodigestores de codigestantes completa o CSTR, constituyen el diseo ms habitual cuando

se tratan residuos de ms de 3% de slidos. Emplendose principalmente en el tratamiento de

residuos slidos y lquidos de procedencia ganadera, industrial y urbana (Campos et al. 2012).

La carga al reactor puede hacerse de forma continua o discontinua.

La mayora de los sistemas comerciales que actualmente estn operando son de flujo pistn

convencionales, flujo pistn verticalmente mezclado, reactores de mezcla completa y lagunas

cubiertas que operan a temperatura ambiente. El mtodo de digestin tipo laguna produce biogs

de desechos diluidos tal como el efluente de la sala de ordea y es muy comnmente utilizado

por ser de los ms econmicos. Aunque la mayora de los sistemas estn utilizando solo estircol

del ganado, existen nuevas tecnologas emergentes que incluyen la introduccin de desechos

orgnicos de alta fuerza para incrementar la produccin de gas por unidad de volumen de reactor

(EPA, 2006).

El reactor de flujo pistn es la ms sencilla de todas las tecnologas anaerobias por lo que su

coste es notablemente bajo. Su configuracin alargada impide que la carga lquida inicial y el

efluente se mezclen (IDEA 2007). La degradacin de los residuos transcurre a medida que

transitan a lo largo del digestor.

2.6 Diferentes sustratos que producen biogs

El biogs puede ser producido a partir de residuos como: desechos slidos de frutas y verduras,

estircol de animales, aguas residuales y lodos agroalimentario e incluso los residuos slidos

municipales. Todos los residuos anteriores se convierten en la biomasa potencial y que en forma

de sustrato puede ser utilizada en el sistema de generacin de biogs.

Los sustratos de inters estudiados en este trabajo fueron suero de leche que se produce como

desecho de la mayora de las industrias queseras y debido a su alto contenido de lactosa y

diversas protenas se considera una buena fuente de carbono y nitrgeno [10/11] y estircol de

diferentes agroindustrias como el de vaca, cerdo, y gallinaza, y grasa como residuo de

produccin. El estircol bovino es el mayor desecho producido en los agros sistemas, un uso

inapropiado puede crear problemas tales como olor, produccin de nitratos y otros elementos

contaminantes de cuerpos de agua. Los residuos ganaderos son muy heterogneos y estn

31

formados por las deyecciones slidas, lquidas y restos de alimentos. Tambin fue motivo de

inters el utilizar un residuo que se determin como Grasa residual municipal, ya que los

residuos urbanos e industriales suelen contener altas concentraciones de materia orgnica

fcilmente degradable (lpidos, carbohidratos y protenas), por lo que presentan un mayor

potencial de produccin de biogs que los residuos ganaderos, de 30 a 500 m3/t (Ahring et al.,

1992; Angelidaki y Ahring, 1997a; Bardiya et al., 1996)

El uso de los sustratos en codigestin representa una alternativa para mejorar el rendimiento de

los residuos en la generacin de biogs.

2.7 Codigestin de sustratos

El contenido de slidos y el balance de nutrientes pueden ser mejorados a travs de la

codigestin de los lodos con otras sustancias orgnicas tales como la fraccin orgnica de

residuos slidos municipales, residuos de alimentos, residuos agrcolas y cultivos energticos

(Rao PV 2011). El proceso de codigestin consiste en la digestin anaerbica simultnea de

mltiples residuos orgnicos, con caractersticas complementarias (Kim, 2015;Cesareo, 2012).

Algunos de los beneficios del proceso de codigestin son los siguientes: aumento de la

produccin de biogs, dilucin de compuestos potencialmente txicos, mejoramiento del

equilibrio de nutrientes, efecto sinrgico de los microorganismos, incremento de la carga de

materia orgnica biodegradable, niveles ms favorables de humedad, de alcalinidad y de la

relacin carbono/nitrgeno en el alimento del digestor, adems de compartir los costos de

tratamiento de diferentes flujos de residuos en una sola instalacin (Gmez, 2017; Bond, 2012;

Lin, 2011).

La codigestin anaerbica de los lodos de aguas residuales con la fraccin orgnica de residuos

slidos, puede ser una de las soluciones ms viables para optimizar la eficiencia de los digestores

en las plantas de tratamiento de agua residual, los cuales tienen una capacidad libre tpica que

puede ser aprovechada adicionando la cantidad apropiada de la fraccin orgnica de residuos

slidos orgnicos (Cabbai V. 2013). Dentro de la fraccin orgnica de residuos slidos, los

residuos de alimentos constituyen un sustrato atractivo para codigerir con los lodos en los

digestores, teniendo en cuenta su alto contenido de nutrientes, rpida biodegradabilidad y su

disponibilidad en grandes cantidades; por otro lado, el uso de los residuos de alimentos en la co-

32

digestin permitira evitar su disposicin en los rellenos sanitarios, impidiendo la contaminacin

de las aguas subterrneas, el tratamiento de lixiviados y reduciendo la emisin de gases de efecto

invernadero (Nathan DP. 2012) Sin embargo, existen algunas limitaciones que deben ser

controladas en la implementacin de la codigestin

Los residuos de alimentos son ricos en carbohidratos, protenas y grasas, suelen tener una alta

proporcin de materia orgnica biodegradable y una alta relacin C/N, lo que representa un

problema al ser digeridos anaerobiamente por presentar ausencia de los micronutrientes

necesarios para el desarrollo de las bacterias, como consecuencia podran presentar problemas

de acidificacin e inhibicin, de ah que la codigestin de residuos ganaderos y residuos

orgnicos en sistemas de codigestantes completa sea una metodologa exitosa y su principal

ventaja sea aprovechar la sinergia de las codigestantes y compensar carencias de cada uno de

los sustratos por separado. En la Tabla 4 se presentan algunos sustratos y su rendimiento

reportado en biogs, donde se observa que en codigestin, residuos orgnicos con estircol de

vaca tiene mejores rendimientos en m3 de biogs/Kg slidos voltil.

Tabla 4 Algunos residuos slidos y semislidos utilizados para la codigestin anaerobia y rendimientos

reportados en literatura.

Sustrato Biogs m3/kg SVT Autores

Residuos orgnicos industriales (RO), excreta de vaca

(EV), residuos de matadero (R), residuos de frutas y

verdura (FV)

RO / EC 0.5

RO/EC/R 0.6

RO/EV/ 0.7

Murto et al. 2004.

Excreta de pollo (EP), vaca (EV) y cerdo (EC) EP / EC 0.13 Fanzonni 2009

Excreta de pollo (EP), vaca (EV), cerdo (EC) y residuos

de pasto (RP)

EC /RP 0.37

EV / RP 0.028

EP / RP 0.002

Ahn, et al., 2010

Excreta de vaca(EV), residuos de comida (RC), lodos

anaerobios (LA) como inculo

EV /RC/LA 0.051 Li et al., 2011

Excreta de vaca (EV), residuos de jardn (RJ), jugo de

frutas (JF) y lodos anaerobios (LA)como inculo

EV/LA/RJ 0.027

EV/LA/JF 0.026

Venkates 2011

33

En general todos los tipos de biomasa pueden ser sustratos (desechos de animales, desechos de

agricultura, residuos domsticos, lodos de aguas residuales, agua residual y material de relleno

sanitario) mientras contengan carbohidratos, protenas, grasas, celulosa y hemicelulosa como

componente principal. (Romero, 1997)

Las excretas de humanos y de animales son ricas en nitrgeno, con una relacin C/N inferior a

25/1, durante la degradacin tiene una mejor velocidad de biodegradacin y generacin de gas,

en cambio los residuos agrcolas son ricos en carbono con una relacin C/N superior a 30/1 pero

con una generacin ms lenta de gas.

En general los sustratos ricos en carbono producen ms gas que los ricos en nitrgeno, as mismo

es ms rpida la produccin de gas a partir de los sustratos nitrogenados como las excretas, que

los ricos en carbono como pajas. (FAO, 1986 a,b)

Por ello para conseguir un buen rendimiento de biogs en forma constante durante la

fermentacin, es conveniente combinar proporciones adecuadas de sustratos ricos en nitrgeno

con los de alta relacin C/N.

2.8 Inculo microbiano

En la depuracin de aguas residuales mediante procesos anaerbicos, se lleva a cabo la retencin

de biomasa en forma de grnulos (lodos anaerbicos), sujetos al tipo de sustrato desarrollan

consorcios microbianos de bacterias anaerbicas adaptadas para la degradacin de materia

orgnica en pasos consecutivos en donde un microorganismo depende de otro.

Incluir estos lodos anaerbicos es la manera ms factible de inocular los biodigestores para que

se lleve a cabo la digestin. Entonces se asume que el sustrato y los nutrientes estarn presentes

en exceso, por lo que la concentracin inicial de lodo es un factor importante para la duracin

del ensayo. (Chernicharo, 2007).

34

3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el sector agropecuario de Mxico, la ganadera porccola y bovina juega un papel importante

en la generacin de excretas. La acumulacin, el manejo inadecuado y la incorrecta disposicin

final de estos deshechos ganaderos han provocado serios problemas ambientales relacionados

con la contaminacin del agua, suelo y aire.

Una medida mitigante para la disposicin de estos residuos, es su utilizacin como biomasa para

generar energas alternativas como es el caso del biogs. Por lo que es necesario seleccionar los

sistemas de produccin de biogs, de acuerdo a las caractersticas especficas del entorno,

aprovechando distintos tipos de residuos en codigestin que puede complementar el potencial

de produccin de biogs de los mismos por separado y maximizarlo.

35

4 JUSTIFICACIN

Usualmente los residuos slidos son considerados negativos y perifricos a las actividades de

sus generadores y no como una posible fuente de ingresos por lo general se deshacen de ellos

mediante su dispersin o vertimiento en tiraderos. La generacin nacional de residuos slidos

municipales (RSM), se calcula en alrededor de 85,000 ton/da, de las cuales el 52 % es materia

orgnica. Por otra parte la gran cantidad de estircol producido por el ganado no tiene un

tratamiento previo o adecuado para su disposicin final, lo cual implica mantener un foco de

infeccin latente perjudicial para la comunidad en general ya que gran cantidad de estircol se

deposita en las tierras de cultivo, si bien sirve para mejorar su calidad, as como para obtener

mejores cosechas, tambin tiene un inconveniente, el estircol tarda aproximadamente un ao

en degradarse y poder ofrecer todos sus nutrientes de manera asimilable (Herrick y Lai, 1996;

Aarons et al., 2004; Vadas et al., 2011). Otra desventaja es que al descomponerse en presencia

del aire la reaccin que se presenta es exotrmica a travs de una fermentacin, el calor

producido eleva la temperatura a su alrededor.

El aprovechar distintos tipos de residuos y mezclarlos, puede complementar el potencial de

produccin de biogs de los mismos por separado y maximizarlo. La biomasa tiene que ser

seleccionada en trminos de altos contenidos de energa y potencial de produccin de biogs.

Esta consideracin ayudar a incrementar la produccin de biogs y a sobreponer los altos costos

de produccin de una manera sustentable mediante la introduccin del concepto de plantas de

biogs centralizadas como biorefineras. Las ventajas son el generar energas renovables a partir

de residuos orgnicos y reducir el uso de fertilizantes artificiales, todas estas ventajas hacen a

las biorefineras ser econmicamente viables y capaces de combinar varios beneficios

ambientales a travs de diferentes sectores.

Adems, el aprovechamiento de los residuos de distintas agroindustrias bajo el concepto de

plantas centralizadas beneficiara a las industrias participantes para tener reducciones en costos

y en energa lo que se traduce a mayor inversin en la zona. Las plantas de biogs centralizadas

son consideradas para la produccin integrada de energas renovables, ya que resuelven una

serie de problemas en el campo de la agricultura (utilizacin de estircol), energa y medio

ambiente.

36

5 HIPTESIS

El proceso de codigestin anaerobia de residuos de distinta naturaleza da como resultado una

mayor actividad metanognica y por lo tanto un incremento en el volumen y concentracin de

biogs, al combinar residuos y balancear sus caractersticas fisicoqumicas.

6 OBJETIVOS

6.1 Objetivo general

Estudiar la codigestin de residuos slidos y semislidos agroindustriales de distinta naturaleza

orgnica, para la produccin de biogs de calidad combustible, utilizando un reactor horizontal.

6.2 Objetivos especficos

Analizar los residuos para determinar sus caractersticas y las proporciones de mezcla

para su codigestin, y obtencin de la actividad metanognica, por la norma de

Determinacin de biogs y el potencial de produccin de metano basado en VDI 4630 a

travs de pruebas de fermentacin.

Determinar el rendimiento de produccin de biogs a partir de residuos, en L/KgSV de

residuos.

Encontrar las mejores condiciones de operacin del biodigestor para obtener el mayor

volumen y porcentaje de metano, considerando el uso de biogs como combustible.

37

7 METODOLOGA

En el siguiente diagrama de flujo, se presentan las actividades que se realizaron durante la

ejecucin del presente estudio (Figura 2).

Figura 2 Metodologa experimental

7.1 Equipo utilizado

7.1.1 Eudimetros

Para la medicin de biogs de los codigestantes se realizaron pruebas en eudimetros de la

marca SELUTEC (Figura 3). El Eudimetro es un manmetro que mide el cambio de

volumen en el gas a una presin y temperatura constante por desplazamiento de una solucin

Recoleccin de losdiferentescodigestantes.

Caracterizacin de los codigestantes y

documentacin sobre su composicin (Etapa 1).

Pruebas en eudimetro para

obtencin de biogs (Etapa 2).

Seleccin de la codigestin, con mayor generacin de biogs.

Operacin del reactor horizontal

con los codigestantes seleccionados

(Etapa 3).

Seleccin de las condiciones ptimas de

operacin para la produccin de biogs

38

barrera por el biogs. Consta de 6 fermentadores con sistema de captacin y de medicin en

cada uno. (Anexo 5)

El equipo cuenta con un bao de temperatura y un agitador magntico programable, con lo

que se obtendrn condiciones de temperatura y agitacin constantes para el estudio. La

solucin barrera usada en este equipo fue NaCl / cido ctrico propuesta por Muller y col.

(2004).

Figura 3 Eudimetro SELUTEC

39

En la Figura 4 se muestra el esquema de un fermentador con sistema de medicin y captacin

de biogas por separado.

7.1.2 Reactor horizontal

Se utiliz un biodigestor horizontal piloto con agitacin y volumen de 30 L, que se muestra en

la Figura 5. El biodigestor cuenta con control de temperatura programable y agitacin

mecnica.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-37C

Bao termosttico

Agitador magntico

Frasco fermentador Termostato

Punto de medicin gas

Eudimetro

Columna con lquido desplazante

Figura 4 Esquema del eudimetro SELUTEC.

40

Figura 5 Reactor piloto horizontal con agitacin.

7.1.3 Medidor de gas porttil

Para las mediciones del biogs en porcentajes de Metano (CH4), Dixido de Carbono (CO2) y

Oxgeno (O2) se utiliz un medidor de gas porttil de la marca LANDTEC modelo GEM2000.

Se muestra en la Figura 6.

a)

a) Entrada de la muestra

b) Carga de batera

c) Pantalla

d) Panel de control

a

d

b

c

Figura 6 Medidor de gas porttil

Vlvula de medicin de gas

Controles de Agitacin y Temperatura

Tablero indicador

Termostato

41

7.2 Recoleccin de los sustratos

Los residuos de estircol y suero de leche fueron obtenidos de diferentes granjas de la regin

ubicadas en Ezequiel Montes y Pedro Escobedo (Anexo 1). Una empresa agroindustrial ubicada

en Ezequiel montes suministr residuos orgnicos (grasa residual del proceso de elaboracin de

croquetas para animales). La biomasa (codigestantes) fue seleccionada en trminos de altos

contenidos de energa y potencial de produccin de biogs, que anteriormente han sido

reportados en la literatura. Se llev a cabo su recoleccin utilizando equipo de seguridad bsico:

bata, overol, guantes de ltex y de plstico, cubre bocas y zapatos de seguridad. Las muestras

fueron tomadas y preservadas en frascos de plstico estriles, durante el transporte se conserv

a temperatura ambiente y en el laboratorio se mantuvieron en refrigeracin a una temperatura

de refrigeracin de 4C.

El inculo microbiano utilizado fue el lodo anaerbio de una planta tratamiento de aguas

residuales de la empresa Pilgrims Pride, productora de pollo de la regin.

7.3 Caracterizacin de los sustratos

El propsito de la caracterizacin de la biomasa fue estimar la cantidad de energa renovable

que se puede producir en trminos de produccin de biogs por unidad de biomasa y

productividad de metano en trminos de slidos voltiles. Por lo tanto es de suma importancia

conocer las condiciones previas a la digestin, presentes en cada sustrato. Algunos factores

importantes a determinar fueron pH, contenido de slidos voltiles (SV), demanda qumica de

oxgeno (DQO), relacin carbono nitrgeno (C/N) y nitrgeno amoniacal. Los sustratos fueron

preparados en recipientes plsticos, se homogenizaron en agua desionizada a ph 7 con un

procesador para alimentos. (Anexo 2)

El pH se midi con el equipo potenciostato Autolab previamente calibrado (Anexo 1),

para homogenizar los residuos y tener un mejor manejo de los mismos, fue necesario

adicionar agua destilada en proporciones de 1:1 a todos los sustratos.

b)

42

Los pesajes de los cosustratos para la preparacin de las muestras se realiz con la

balanza analtica de precisin Ohaus Pioner 0-210g.

El contenido de slidos totales y voltiles se determin de acuerdo al procedimiento

establecido en la norma NMX-AA-034-SCFI-2001.

Para determinar DQO se utiliz el mtodo: COD viales de digestin de alto rango: 20 -

1500 mg/L COD (Mtodo Hach 8000), realizando la lectura de los viales en el

espectrofotmetro UV-VIS DR 6000 marca HACH, programa 435 DQO RA 0-1500

mg/L. (Anexo 4)

La relacin C/N en el sustrato fue establecida de manera terica consultando diferentes

bibliografas.

Para la caracterizacin del nitrgeno amoniacal se us el mtodo de Nitrgeno

amoniacal Reagent Set, TNT, AmVer (Salicylate), alto rango: 0.4 - 50.0 mg/L NH3,

mtodo 10031. Lectura en el Espectrofotmetro UV-VIS DR 6000 marca HACH,

programa 343. (Anexo 4)

7.4 Pruebas en eudimetro

El montaje de los eudimetros se realiz de acuerdo a la Norma Alemana DIN Determinacin

de biogs y el potencial de produccin de metano basado en VDI 4630 en pruebas de

fermentacin. Este mtodo sirve para realizar pruebas de fermentacin (PF) y determinar la

produccin de biogs y metano de los materiales utilizados en plantas anaerobias. (Anexo 11)

Para llevar a cabo la etapa de experimentacin en eudimetros, se utiliz un equipo a nivel

laboratorio para digestin anaerobia denominado eudimetro (Figura 1). Dentro de cada

fermentador se colocaron el inculo (200g) ms la cantidad de sustrato calculada para cada uno.

(Anexo 6) Luego el frasco es sellado perfectamente para evitar cualquier salida o entrada de

aire, de tal manera que el gas que se produzca en la actividad metanognica, suba por el tubo

interior del eudimetro, que ha sido previamente llenado hasta un nivel conocido (n1) con la

sustancia desplazante (NaOH mas ac. Ctrico), que tiene la funcin de secuestrante de CO2 y al

mismo tiempo por medio de su desplazamiento por el gas, es posible determinar el biogs

obtenido observando el nivel 2 (n2). El lquido desplazado regresa a la columna para su

almacenamiento. La medicin del gas se lleva a cabo desde el punto superior del eudimetro,

43

que cuenta con una manguera y en el extremo una vlvula a la cual se le conecta el medidor de

gas porttil marca LANDTEC modelo GEMTM2000.

7.4.1 Clculo de la cantidad (g) de sustrato para cada prueba

Para hacer el clculo de la cantidad exacta de codigestantes cosustrato-inoculo en el

fermentador, primero se calcula la cantidad de cosustrato a agregar por cada fermentador. Este

clculo se hizo de acuerdo al mtodo Alemn, en base a la norma VID 4630, para la

determinacin de biogs y el potencial de produccin de metano en pruebas de fermentacin.

Esta operacin se realiza de acuerdo a la ecuacin del clculo de sustrato presentada en la

Ecuacin 1:

Ecuacin 1. Clculo del sustrato.

=

= 2 = 400 =

( 1)

Donde pi es la relacin en masa (adimensional), ms es la cantidad de sustrato en gramos, mi es

cantidad de inculo en gramos, SVi est representado la concentracin de inculo la cual es

medida en porcentaje masa fresca y SV representa la concentracin del sustrato dada en

porcentaje de masa fresca.

De acuerdo a la norma VID 4630, el inoculo no debe exceder ciertas cantidades de solido voltil

(SV) as como los siguientes requerimientos especiales;

SVi inculo=1.5% a 3%

A partir de esta relacin y tomando como base 400 g de inculo, (debido a que cada

fermentador tiene una capacidad mxima de 500 g) se puede calcular la cantidad de

sustrato que se requiere.

44

Las mediciones de produccin de biogs se realizaron de manera continua para evitar que

existiera una sobrepresin en los fermentadores y disminuir la probabilidad de fugas de biogs.

Las mediciones de biogs (contenido de CH4 y CO2) se hicieron diariamente, cuando la

produccin de biogs fue menor a 80 ml, entonces se dej acumular el biogs hasta lograr un

volumen desplazado mayor. Para realizar las mediciones se conect el analizador de biogs

porttil de la marca LANDTEC, modelo GEM 2000 el cual nos permite medir el porcentaje de

CO2, CH4 y O2 en el biogs.

Se realiz la preparacin del inculo mantenindolo a temperatura de 37C y agitacin constante

durante 24 horas previas al inicio del experimento. Se pesaron 400g del inculo por cada frasco

fermentador, y se agreg la cantidad de sustrato calculada para cada uno. Los frascos se sellaron

perfectamente y se program la agitacin a 600rpm y el bao termosttico se mantuvo en

condiciones mesoflicas a 37C.

7.4.2 Mediciones del biogs

Las mediciones de produccin de biogs se realizaron diariamente para evitar que existiera una

sobrepresin en los fermentadores y disminuir la probabilidad de fugas de biogs. La medicin

se realiz con un equipo medidor de biogs porttil marca LANDTEC. Se llev registro en la

bitcora diariamente de la hora de la medicin del volumen, la presin atmosfrica y la

temperatura ambiente. Este proceso aplic de la misma manera para los tres experimentos

realizados.

La digestin de cada una de las pruebas tuvo un tiempo de retencin de 27 das. Las mediciones

de biogs se terminaron al cumplir con las siguientes condiciones incluidas en el mtodo:

a) Al menos 25 das de fermentacin

b) Durante tres das seguidos la cantidad de gas disminuy peridicamente en un

0.5%.

45

7.4.3 Clculos para la produccin diaria de biogs en los eudimetros

Para el volumen diario se utiliz la siguiente ecuacin:

Ecuacin 2 Produccin diaria de biogs

= 2 (. 2)

V= Volumen de gas

d= dimetro interno del cilindro (1,391cm)

h=produccin de biogs en mm.

La normalizacin del gas se hizo bajo las siguientes condiciones: gs seco a 273.15 K y 1013.25

mbar. Lo cual se observa en la ecuacin 3:

Ecuacin 3 Normalizacin del gas

=( 2)

( + 273.15) (. 3)

To= 273,15 K (Temperatura estndar)

t= Temperatura del gas C

po = 1013,25 mbar (Presin estndar)

p = Presin del aire (presin registrada diario en mbar)

46

La presin de vapor del agua en funcin de la temperatura se represent por la siguiente funcin

en un rango de temperatura de 15-30C (R2=99,997%):

Ecuacin 4 Presin de vapor del agua

=

+ (. )

yo = - 4,39605

a = 9,762

b = 0,0521

De la Ec. 3 y el volumen diario de biogs, se calcul el volumen de biogs normalizado:

Ecuacin 5 Clculo del Volumen diario de biogs

= (. )

VOP=Volumen de biogs normalizado en (Nml)

VP=Volumen diario de biogs (ml)

7.4.4 Volumen de biogs generado en cm3 diariamente

Uno de los principales criterios de seleccin para los mejores cosustratos, es la produccin de

gas en las mezclas de codigestantes fueron medidas segn la acumulacin de biogs durante los

27 das de digestin, en la grfica 5 se muestra el volumen generado diario para cada una.

7.4.5 Suma de volmenes de gas especficos

Se obtuvo la sumatoria de las producciones de biogs especficas, corrigiendo con el estndar.

El clculo se hizo en funcin de los Slidos Voltiles (SV).

47

Ecuacin 6 Suma de volmenes de gas especficos

= (

=1

=1

) 1 (. 6)

=

=

=

=

=

=

= (

=1

=1

) 1 (. 6.1)

= /

Desglosando la frmula:

De la cantidad de biogs normalizada se rest la cantidad del gas del inculo estndar

= (. 6.2)

=

48

La produccin de biogs en NLitros/kg Masa Fresca (FM) se calcul:

Ecuacin 7 Clculo de la produccin de biogs en N Litros/kg Masa Fresca

=

(. 7)

= /

=

La produccin de biogs Nml/g SV

=

%() (. 7.1)

= /

%() =

7.4.6 Produccin de metano

El clculo de la produccin de metano se basa en la cantidad de gas normalizada y la

correspondiente concentracin de CH4, Para esto se llev a cabo una estandarizacin en las

mediciones de concentracin de CH4 y del CO2. La estandarizacin consisti en corregir la

concentracin de CH4, porque la medicin incluye un residual de agua de vapor, que hay que

eliminar en el clculo. La correccin tambin tom en cuenta el espacio vaco donde se almacena

gas en el fermentador considerando el volumen total, ya que al principio se inyecta gas inerte

en el volumen del gas.

Ecuacin 8 Clculo de la cantidad de metano en la prueba en NL

4 = 4

4 + 2 (. 8)

4 =

49

=

4 = 4 %

2 = 2 %

Para el estndar

Ecuacin 9 Clculo de la cantidad de metano en el inculo en NL

4 = 4

4 + 2 (. 9)

4 =

=

4 = 4 %

2 = 2 %

7.4.7 Suma de la produccin de metano especfica y total

Ecuacin 10 Produccin especfica de metano

4 = ( 4

=1

4

=1

) 1 (. 10)

4 =

4 =

=

=

50

4 =

=

=

4 = ( 4

=1

4

=1

) 1 (. 10.1)

4 = /

7.5 Seleccin de los sustratos en codigestin, con mayor generacin de biogs.

En la primera etapa de experimentacin se llevaron a cabo 3 pruebas en eudimetros, se

definieron como Experimentos 1, 2 y 3. En el experimento 1 se realiz la combinacin de

sustratos en codigestin, partiendo de los 5 codigestantes obtenidos en los muestreos: Estircol

de vaca (EV), Grasa residual municipal (GRM), Estircol de puerco (EP), Pollinaza (PO), Suero

de leche (SL), y un inoculo (lodos anaerobios de una planta tratadora de agua). Cada mezcla de

cosustratos se proporcion con la condicin de mantener un pH cercano a la neutralidad,

compensando a un codigestante cido con otro de mayor pH. Otra condicin para mezclar los

codigestantes fue equilibrar su contenido de C/N y de esta manera favorecer la conversin de la

materia orgnica en energa. Cada mezcla se coloc por separado en un fermentador con un

eudimetro. Desde el da uno hasta el final de la digestin se realizaron mediciones de la

produccin de biogs, representada en porcentajes de: Metano (CH4), Dixido de Carbono

(CO2) y Oxgeno (O2). Realizada la sumatoria del biogs producido por cada mezcla en el

fermentador, se defini al mejor codigestante del Experimento 1. Partiendo de este resultado

para el Experimento 2 se repiti la fermentacin de las 3 mezclas de codigestante con mayor

produccin de biogs y mayor % de metano. Y para el Experimento tres, nuevamente se tom

51

el codigestante que presentara una produccin de metano mayor al 70% durante la digestin. El

cosustrato cuya produccin de biogs present la mejor produccin de biogs, fue seleccionado

para llevar a cabo su escalamiento en el reactor horizontal y continuar con la produccin de

biogs.

7.6 Operacin de codigestin de residuos en biodigestor horizontal

Para llevar a cabo la codigestin se utiliz un reactor horizontal piloto de acero inoxidable con

volumen total de 30 L, el cual cuenta con control de temperatura programable y de agitacin

mecnica, al cual se le implement un sistema de medicin de gas por desplazamiento de

volumen. (Figura 7). Se seleccion el cosustrato que present mejor produccin de biogs

durante la etapa de experimentacin en eudimetros y se determin la cantidad y combinaciones

para la codigestin que es necesario para obtener la mayor calidad y produccin de biogs.

7.6.1 Produccin de biogs

Durante la operacin del biodigestor horizontal, se midi la produccin de biogs promedio de

litros por da, para lo cual se utiliz el mtodo volumtrico que se basa en la cuantificacin del

Panel de control

temperatura y agitacin

Biodigestor horizontal

agitado

Columna

graduada

37C -

-

-

-

-

-NaOH

Termostato

Vlvula salida

de gas

Contenedor de agua para

burbujeo de gas

Punto de muestreo

de gas

Trampa de CO2

Figura 7 Esquema del biodigestor con sistema de medicin de biogs por desplazamiento de volumen.

52

volumen de metano producido mediante el uso de una solucin desplazante, como el NaOH o

KOH, en un rango de 15 -20 g/L (Field, 1987), para el sistema en este trabajo se utiliz NaOH

20 g/L por su propiedad de reaccionar secuestrando el CO2 presente en el biogs, permitiendo

una medicin ms aproximada del volumen de metano producido.

Las reacciones que se presentan en la sustancia desplazante de la columna son las siguientes

(Chernicharo, 2007):

H2O + CO2 H2CO3

H2CO3 + 2NaOH Na2CO3 + 2H2O

CO2 + 2NaOH Na2CO3 + H2O

Obteniendo finalmente Agua (H2O) con una precipitacin de Carbonato de Calcio (Na2CO3).

53

8 RESULTADOS

8.1 Caracterizacin de codigestantes

En la tabla 5 se muestra la caracterizacin de los diferentes codigestantes: estircol de vaca,

grasa residual municipal, estircol de cerdo, pollinaza, suero de leche e inculo, se realiz a

partir de la medicin de pH, SV, DQO, C/N (Anexo 3).

Tabla 3 Caracterizacin inicial de sustratos.

Sustrato DQO(mg/l) NH3-N (mg/l) pH SV% C/N*

Estircol de vaca 846 500 8.29 10.72 25

Grasa residual municipal 906 850 6.15 16.18 **

Estircol de puerco 584 140 6.95 8.34 13

Pollinaza 1049 103 7.68 10.77 15

Suero de leche 264 580 4.93 7.66 20

inoculo (lodos anaerobios) 155 440 7.76 2 10

* La relacin C/N fue obtenida tericamente (R. Robalino, 2011) ** Sin datos bibliogrficos

Dado a que el inters de este proyecto se enfoc en estudiar la produccin de biogs de los

cosustratos, se plane el primer experimento de cosustratos en eudimetro de la siguiente

manera.

Basado en el pH inicial de los sustratos (Tabla 5) y buscando el equilibrio entre