Download - Excreta Porcina - CYTED
101
que se produce, aproximadamente 50% del total de suero que se genera se
desecha en cuerpos de agua o en el suelo [21], lo que provoca una alta demanda
de oxígeno (DQO), de 60 a 80 g/L y una demanda bioquímica de oxígeno de 30
a 50 g/L para llevar a cabo su degradación [22].
El lactosuero debido a su contenido en lactosa adquiere un considerable
contenido en materia orgánica que le convierte en un sustrato susceptible de ser
valorizado energéticamente mediante la aplicación en procesos biológicos de
fermentación para obtener biocombustibles.
El lactosuero debido a su elevado contenido en materia orgánica, reducida
alcalinidad y tendencia a acidificar rápidamente, se ha identificado como un
sustrato de difícil tratamiento en digestores anaerobios, especialmente en
reactores que operan con cargas orgánicas de alimentación altas.
La utilización del lactosuero en procesos de co-digestión se ha propuesto como
una alternativa para evitar algunos de los posibles problemas derivados de su
reducido contenido en alcalinidad o nutrientes. La mayoría de los trabajos
publicados se han orientado a la co-digestión con residuos ganaderos [23].
Excreta Porcina
El cerdo se cría en casi todo el mundo, con la finalidad de obtener alimento
cárnico, por sus buenas características nutricionales y por su buen sabor. Crecen
y maduran con rapidez, tienen un periodo de gestación corto (114 días), de las
madres se obtienen camadas numerosas, son omnívoros y consumen una gran
variedad de alimentos convirtiendo los cereales y leguminosas en carne (FIRA,
2012). En México la población de ganado porcino fue de alrededor de 16 millones
de cabezas [24] de los cuales en promedio se producen 2,35 kg de estiércol/día
por cabeza, dependiendo también de su edad, sexo y peso.
Los residuos ganaderos, y en concreto los purines de cerdo, pueden ser una
buena base para la co-digestión ya que, generalmente, presentan un contenido
en agua más elevado que la mayoría de los residuos industriales, una mayor
102
capacidad tampón y aportan todos los nutrientes necesarios para el crecimiento
de microorganismos anaerobios [25].
En décadas anteriores, los desechos de cerdos se utilizaban como fertilizantes
y acondicionadores del suelo en el que eran generados. Sin embargo, la cría
intensiva de ganado ha ocasionado daños graves al ambiente, que incluyen
riesgos sanitarios, emisiones atmosféricas, contaminación de aguas
superficiales y subterráneas, dispersión de olor y daños en suelos [26], debido a
las características que presentan estos desechos. Entre las emisiones
atmosféricas, se destacan los gases de efecto invernadero (metano y óxido
nitroso), que son el resultado de la espontánea autodepuración de los residuos.
A su vez, la acción de los estiércoles y purines en las aguas y suelos se
concentra, principalmente, en la dispersión de amoníaco y nitratos, por su efecto
potencial en la acidificación del medio y eutrofización de aguas [27].
4.2.2. Planteamiento del problema
En los últimos años la generación de residuos agroindustriales ha ido en
aumento, como resultado principalmente del crecimiento poblacional, el
desarrollo industrial y el cambio en los patrones de consumo.
La generación desmedida de estos residuos ha provocado varios problemas
ambientales, sociales y económicos; como lo son la contaminación de agua,
suelo, aire, problemas de salud, destrucción de ecosistemas y pérdida de bienes
naturales.
De las actividades agroindustriales, del sector ganadero, de la producción de
productos lácteos y cárnicos se generan diferentes residuos orgánicos, los más
destacados y de mayor generación son el lactosuero y las excretas animales.
El lactosuero de origen bovino, que es el de mayor producción en el mundo ha
mostrado buenas características fisicoquímicas para producir biocombustibles
por medio de la fermentación y la digestión anaerobia [23, 28], se han hecho
estudios de co-digestión del lactosuero con otros residuos agroindustriales, las
103
cuales han mostrado resultados favorables en la producción de biogás a
comparación de usar solo lactosuero, entre ellos las excretas vacunas [29, 30,
31].
Las excretas porcinas también presentan características fisicoquímicas
favorables para la producción de biocombustibles por encima de las de otras
especies ganaderas (bovina, caprina, entre otros). Se ha hecho co-digestión con
otros residuos agroindustriales como residuos de frutas, vegetales, aumentando
la producción de biogás [32].
Se han encontrado mejores resultados de producción de biogás con la co-
digestión que la digestión de sustratos por separado. Sin embargo, no se ha
estudiado la co-digestión del lactosuero vacuno con la excreta porcina, por lo
que no se sabe el rendimiento o viabilidad de usar en conjunto estos dos
sustratos para mejorar la producción de biogás.
¿Cuál será el rendimiento de la producción de biogás por medio de la co-
digestión anaerobia de lactosuero con excretas porcinas?.
4.2.3. Justificación
El aprovechamiento de los residuos agroindustriales es el tema de investigación
de mayor interés en los últimos años. Se han buscado alternativas para remediar
los impactos ambientales provocados por estos residuos, se ha llegado a la
conclusión de que son los más adecuados para la producción de
biocombustibles. Con esto se buscan las mejores alternativas para cubrir la
demanda energética sin afectar el medio ambiente y que su costo de obtención
no sea elevado. En pocas palabras que sea una fuente de energía sustentable.
Una de las tecnologías empleadas para la obtención de biocombustibles son los
biodigestores, en los cuales se deposita materia orgánica, la cual se biodegrada
a través de la digestión anaerobia y se produzca biogás. El biogás puede ser una
fuente de energía limpia, eficiente y renovable, es posible producirlo a partir de
104
residuos agroindustriales, puede ser usada como combustible o directamente
para la generación de energía eléctrica.
La principal variable a considerar en la producción biológica de biogás es el costo
de la materia prima, contenido de carbohidratos, biodegradabilidad y su
disponibilidad. Entre las materias primas más utilizadas para la producción de
biogás están las aguas residuales provenientes de la agroindustria, el suero de
queso y estiércol líquido [33, 34].
La gestión del lactosuero como las excretas porcinas han sido un problema muy
común para la agroindustria, son residuos que se suelen encontrar en
proximidad, el presente protocolo de investigación pretende comprobar la
sinergia de estos residuos por medio de la co-digestión anaerobia,
transformando residuos a recursos para la obtención de un biocombustible de
bajo costo para cubrir la demanda energética y reducir los impactos ambientales.
4.2.4. Hipótesis
La co-digestión anaeróbica de lactosuero de origen vacuno junto con excretas
porcinas, mejorará la producción de biogás en comparación a la digestión de los
sustratos por separado.
4.2.5. Objetivos
Objetivo General
Determinar el potencial de producción de biogás a partir de una co-digestión de
lactosuero de leche vacuna y excreta porcina.
Objetivos Específicos
• Caracterizar fisicoquímicamente el lactosuero, excretas porcinas e inóculos.
• Establecer la composición de los sustratos en diferentes formulaciones para
evaluar el potencial metanogénico en un sistema AMPTS II.
105
• Cuantificar la producción de biogás y el contenido de metano por gramo de
sustratos de las diferentes formulaciones.
4.2.6. Metodología
Muestreo y caracterización fisicoquímica de los sustratos e inóculo.
Se tomaron muestras de los sustratos e inóculo de una empresa que se dedica
al giro pecuario y la gestión de residuos que se encuentra en el municipio de
Lagos de Moreno, Jalisco y se conservaron a 4 °C de temperatura hasta su
utilización.
• La excreta porcina se muestreó en forma de agua residual de los afluentes que
alimenta los biodigestores de la empresa.
• El lactosuero se muestreó de los efluentes de una industria quesera sin previo
tratamiento.
• El inóculo se tomó de uno de los biodigestores que opera la empresa y también
se tomó una muestra del efluente del biodigestor.
4.2.7. Descripción de pruebas realizadas
Características de los sustratos
La Tabla 15 muestra las técnicas utilizadas para la caracterización fisicoquímica
de las muestras obtenidas de lactosuero y de agua residual con excretas de
cerdo.
Tabla 15. Parámetros y métodos utilizados para su determinación.
Parámetro/ unidades Método
Solidos totales (ST) (mg L-1)
NMX-AA-034-SCFI-2015 Solidos volátiles totales (STV) (mg L-1)
Sólidos suspendidos totales (SST) (mg L-1)
Sólidos disueltos totales (SDT) (mg L-1)
pH Potenciometría (HI-3512)
DQO (mg O2 L-1) HACH 8000
106
Nitrógeno total HACH 10072 / 10208
Fósforo total HACH 10127/ 10210
Carbono total Combustión de alta temperatura
Carbono total orgánico
Alcalinidad (mg CaCO3 L-1)
NMX-AA-036-SCFI-2001
Descripción de las pruebas realizadas en el equipo AMPTS
La Tabla 16, desglosa los experimentos realizados por triplicado, donde se
incluyen el control positivo (C+), el control negativos (C-) y cinco muestras con
diferentes proporciones de residuos de lactosuero que pueden contener desde
0 a 100% de la MSV que se ha determinado incluir en cada botella del equipo
(volumen neto de 360 mL) y de agua residual con excretas porcinas de manera
complementaria desde 100% a 0%, el 100% de MSV corresponde a una masa
de 1,2 g.
Tabla 16. Desglose de pruebas y corridas realizadas en el experimento.
Experimento Sustrato 1 MSV
% Sustrato 2
MSV %
CONTROLES
C+ Dextrosa 100% AEP 0%
C- Dextrosa 0% Lactosuero/AEP 0%
CORRIDAS EXPERIMENTALES
F1 Lactosuero 100% AEP 0%
F2 Lactosuero 0% AEP 100%
F3 Lactosuero 50% AEP 50%
F4 Lactosuero 75% AEP 25%
F5 Lactosuero 25% AEP 75%
Se realizaron tres grupos de pruebas en el equipo AMPTS como se muestra en
la Tabla 17.
107
Tabla 17. Desglose de pruebas y corridas realizadas en el experimento.
Contenido Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
Control positivo (C+) C+1, C+2,
C+3 - -
Control negativo (C-) C-1, C-2, C-3 - -
Lactosuero (L) 100% L1, L2, L3 - F1-1, F1-2,
F1-3
Agua residual, excretas de puerco
(AEP) 100%
AEP1, AEP2,
AEP3
F2-1, F2-2,
F2-3 -
50% L / 50% AEP - F3-1, F3-2,
F3-3 -
75% L / 25% AEP - F4-1, F4-2,
F4-3 -
25% L / 75% AEP - F5-1, F5-2,
F5-3 -
En la primera prueba se llevaron a cabo corridas por triplicado de los controles
(C+, C-) y los sustratos puros (L, AEP). En la segunda prueba, se realizaron por
triplicado las evaluaciones de codigestión y una prueba más con el agua residual
con excretas de cerdo (F2), equivalente a las corridas AEP (Agua residual con
Excretas de Puerco) y corridas con diferentes proporciones de sustratos (F3, F4
y F5) y finalmente, en una tercera prueba se realizó por triplicado una prueba
más con el lactosuero (F1) equivalente a las corridas L (Lactosuero).
Producción acumulada de biogás
Caracterización del biogás generado
Para la determinación del Potencial Bioquímico de Metanogénico se utilizó lodo
anaerobio como inóculo, proveniente de un biodigestor que trata aguas
residuales de excretas porcinas.
La producción de biogás se llevó a cabo en el equipo Automatic Methane
Potential Test System (AMPTS II, Bioprocess Control; Lund, Suecia), este
108
sistema consiste en una tina incubadora con capacidad de 15 reactores de 0,5 L
con motores mezcladores individuales y trampas de captura de CO2 y celdas
medidoras de flujos de presión y biogás. Se trabajó con un volumen de 360 mL,
el cual se alimentó con diferentes formulaciones de lactosuero y excretas
porcinas a una concentración de 5 gDQO/L (concentración de referencia y para
fines comparativos con estándares de producción de metano), manteniendo una
relación sustrato inóculo de 3 gMSVinóculo/gMSVsustrato, ajustando el pH a 7,3 y
purgando inicialmente los reactores con nitrógeno para asegurar condiciones
anaeróbicas. Los experimentos fueron realizados por triplicado a 37 °C y una
agitación de 150 rpm durante un minuto cada dos minutos.
Se analizó la composición del gas generado durante los ensayos por medio del
uso de un cromatógrafo de gases con detector de conductividad térmica TCD
(Clarus 580, Perkin Elmer), equipado con una columna empacada HayeSep D
(3mx3.2mm, malla 100/120; Perkin Elmer Clarus NOCI). Las temperaturas del
horno, inyector y detector fueron constantes a 110 °C respectivamente. Se utilizó
N2 como gas acarreador a un flujo de 30 mL/min.
Análisis de la cinética de producción gaseosa
Los datos de los ensayos en lote se ajustaron a la ecuación modificada de
Gompertz (Ecuación 1) con el objetivo de calcular la tasa máxima de producción
de biogás (Rmax).
𝐵 = 𝐵𝑚𝑎𝑥 𝑒𝑥𝑝 {−𝑒𝑥𝑝 [2.71828 ∗ 𝑅𝑚𝑎𝑥
𝐵𝑚𝑎𝑥(𝜆 − 𝑡) + 1]}
Ecuación 1
Además, esta fórmula empírica se utilizó para determinar el volumen máximo de
producción de biogás (Bmax) y el tiempo de la fase de latencia (𝜆). El modelo
seleccionado corresponde a una función sigmoidal en la que se relaciona la
producción de metano en el reactor. La Ecuación 1 muestra entonces el modelo
mencionado [35].
109
Ecuación modificada de Gompertz donde: 𝐵 (mL/L) es el volumen de biogás por
litro de reactor producido a un tiempo 𝑡, 𝐵𝑚𝑎𝑥 (mL/L) es la producción máxima
acumulada por litro de reactor, 𝑅𝑚𝑎𝑥 (mL/L*h) es la velocidad máxima de
producción, y 𝜆 es el tiempo de la fase lag o latencia y exp corresponde al valor
exponencial de 1 que es 2,71828 [36, 37].
Métodos estadísticos
Los ajustes de los modelos a los datos experimentales se realizaron con la
aplicación Solver de Excel, con métodos de optimización iterativos.
Determinación del potencial metanogénico de la FORSU para las
clasificaciones utilizadas en el AMG
Ensayos en lote de producción de metano
Se realizaron entonces experimentos en lote de producción de metano
(determinación del potencial bioquímico de metano, BMP, por sus siglas en
inglés) por medio del uso del sistema automático de medición del potencial
metanogénico AMPTS II (por sus siglas en inglés), Bioprocess Control™, Suecia,
el cual se muestra en la Figura 74. Se estableció una temperatura constante de
37 °C y agitación intermitente cada 5 minutos. El experimento se evaluó por
aproximadamente 20 días hasta que la tasa de producción de biogás fue de cero.
Figura 74. Equipo AMPTS para determinar BMP.
110
Como ya se señaló, se estableció una relación inóculo/sustrato de 3:1 en función
de la materia seca volátil (MSV), además se agregó micronutrientes los cuales
se describen en la Tabla 18, amortiguador de pH, así como lo concerniente
descrito en el protocolo de operación para determinación de BMP (manual de
operación).
Tabla 18. Composición de la solución de nutrientes.
Compuesto Masa por litro de
solución
NH4Cl 41,6 g
MES (ácido 2-(N-
Morfolino)
etanosulfónico, SIGMA)
19,52 g
MgCl2∙6H2O 2 g
FeSO4∙7H2O 1,6 g
CoCl2∙6H2O 40 mg
MnCl2∙4H2O 40 mg
KI 40 mg
NiCl2∙6H2O 8 mg
ZnCl2 8 mg
La fracción porcentual de los gases producidos se llevó a cabo cualitativamente
una vez al día durante todo el experimento. Las Tabla 19, Tabla 20 y Tabla 21,
resumen las corridas realizadas en cada prueba. Como se puede apreciar en las
tablas, las corridas AEP3 y L3 de la primera prueba y la corrida F5-1 de la
segunda prueba se desecharon debido a su bajo rendimiento y/o paro de
producción. En el Anexo I se incluyen las gráficas obtenidas durante la
producción de biogás para las pruebas realizadas. En las tablas se presenta el
volumen acumulado por botella (por lo tanto, están referenciados al volumen neto
de las botellas que es de 360 mL de medio y 1,2 g de MSV de sustrato total ya
sea puro o compuesto con los porcentajes señalados por prueba, el paro de
producción se refiere al tiempo (horas transcurridas) en que la botella dejó de
producir biogás. El biogás que se reporta como volumen acumulado, se refiere
111
a los gases producidos que no son retenidos en las trampas de CO2 (botellas
que contiene hidróxido de sodio para la captura del dióxido de carbono
producido). El flujo máximo y el tiempo transcurrido para dicho flujo máximo
incluye una diagonal, para diferenciar dos picos característicos que se
presentaron en los experimentos, es decir la cifra a la izquierda de la diagonal
refiere al primer flujo máximo y a la derecha, el segundo.
Tabla 19. Rendimiento de biogás, flujos y tiempos característicos de las
corridas realizadas durante la primera prueba.
Corrida Volumen
acumulado (NmL)
Paro de producción
(horas)
Paro de producción
(días)
Flujo máximo (NmL/h)
Tiempo transcurrido
(h)
AEP1 193,6 409 17,0 3,8 / 2,8 2 / 409
AEP2 234,8 407 17,0 19,5 / 1,9 1 / 359
AEP3 19,4 2 0,1 16,1 1
L1 259,1 150 6,3 14,4 / 1,7 6 / 88
L2 186,8 181 7,5 13,9 / 0,7 6 / 139
L3 74,9 192 8,0 24,2 / 0,4 7 / 171
C-1 19,4 72 3,0 0,6 9
C-2 19,3 77 3,2 3,6 2
C-3 19,2 30 1,3 2,0 2
C+1 374,4 170 7,1 42,8 / 3,4 13 / 146
C+2 253,0 175 7,3 46,3 / 1,8 13 / 150
C+3 250,9 147 6,1 39,3 / 2,3 13 / 142
Tabla 20. Rendimiento de biogás, flujos y tiempos característicos de las
corridas realizadas durante la segunda prueba.
Corrida Volumen
acumulado (NmL)
Paro de producción
(horas)
Paro de producción
(días)
Flujo máximo (NmL/h)
Tiempo transcurrido
(h)
F2-1 138,1 491 20,5 10,2 / 0,9 1 / 483
F2-2 255,3 496 20,7 9,9 / 2,2 1 / 491
F2-3 193,7 496 20,7 9,3 / 1,5 1 / 478
112
F3-1 435,8 343 14,3 11,6 / 2,1 1 / 252
F3-2 386,9 384 16,0 11,6 / 2,2 1 / 142
F3-3 333,4 311 13,0 17,5 / 1,4 1 / 118
F4-1 235,2 224 9,3 17,2 / 2,2 5 / 36
F4-2 221,2 307 12,8 15,2 / 1,5 5 / 95
F4-3 235,5 235 9,8 18,2 / 1,2 5 / 95
F5-1 13,8 3 01 7,1 / 3,7 1 / 3
F5-2 241,9 381 15,9 13,2 / 1,1 1 / 47
F5-3 262,2 431 18,0 12,6 / 0,9 1 / 332
F2= 100%AEP, F3=50% L / 50%AEP, F4= 75% L / 25%AEP, F5=25% L / 75%AEP
Tabla 21. Rendimiento de biogás, flujos y tiempos característicos de las
corridas realizadas durante la tercera prueba.
Corrida Volumen acumulado
(NmL)
Paro de producción
(horas)
Paro de producción
(días)
Flujo máximo (NmL/h)
Tiempo transcurrido
(h)
F1-1 269,2 255 10,6 10,9 / 1,5 22 / 218
F1-2 255,5 312 13 8,3 / 1,4 22 / 266
F1-3 304,3 282 11,8 13 / 1,4 20 / 218
F1= 100% L (Lactosuero)
La Figura 75 resume el volumen promedio acumulado de biogás así como la
varianza obtenida para cada escenario después de 17 días de operación del
sistema. De esta manera, se puede inferir que la combinación de sustratos F3
(%L/%AEP) presenta el mayor rendimiento de producción de biogás, seguido del
control positivo y las otras combinaciones incluyendo los sustratos puros AEP y
L se encuentran dentro de rangos similares entre 200 y 250 mL de biogás
(prácticamente biometano, sin CO2).
Se constata que la varianza de las pruebas que produjeron mayor cantidad de
biogás son mayores respecto a las otras pruebas realizadas que pudiera
representar cierta incertidumbre en los resultados que sin embargo es
compensado con la diferencia significativa de producción de biogás de las otras
113
pruebas. La menor varianza obtenida se presenta en las combinaciones
75%L/25%AEP y 25%L/75%AEP.
El control negativo produce solamente 20 mL aproximadamente de biogás que
es menor del 10% del volumen promedio obtenido en las demás experiencias.
Sin embargo, para fines de estandarización y determinación de potenciales
totales, deberá ser sustraído de la producción total de biogás a pesar de que es
poco significativo ya que representó prácticamente tres veces más de la MSV
disponible en las pruebas.
AEP = Agua residual de excretas de puerco, L =Lactosuero, C- =Control negativo (únicamente inóculo), C+
= Control positivo (inóculo y dextrosa como sustrato). Los resultados se presentan después de 17 días de
operación del AMPTS II.
Figura 75. Volumen acumulado promedio de biogás producido por cada
escenario evaluado.
La Figura 76 representa el flujo máximo promedio de biogás (exceptuando el
CO2) para las pruebas realizadas, donde solamente resalta la producción de
biogás notoriamente en el control positivo, lo que refleja que las muestras
presentan condiciones de biodegradabilidad similares. Sin embargo, en las
pruebas F11 y F2 (100% L y 100% AEP, respectivamente), son menores a las
114
pruebas combinadas de sustrato lo que pudiera sugerir una sinergia en las
combinaciones de estos sustratos respecto a la producción máxima de biogás.
Figura 76. Flujo máximo promedio de biogás producido por cada escenario
evaluado.
4.2.8. Comportamiento por tipo de muestra
Con la finalidad de comprender mejor las cinéticas de degradación de las
diferentes muestras probadas, se describirá en esta sección el comportamiento
de las mismas en el transcurso del tiempo, diferenciando el comportamiento de
cada botella y representadas de manera conjunta en una misma gráfica,
posteriormente se realiza el promedio de las botellas de cada combinación de
sustratos y se incluye la varianza respectiva.
Control negativo
La Figura 77 compara los controles negativos del triplicado realizado para este
sustrato (únicamente se adicionó el inóculo a la solución de nutrientes del
protocolo). Se constata que el únicamente hay una variación significativa durante
115
las primeras 60 horas del experimento para luego estabilizarse en un mismo
valor para todas las pruebas, aproximadamente 19 mL de biogás.
Figura 77. Volumen acumulado de biogás en el control negativo.
La Figura 78 sintetiza entonces este comportamiento significativo durante las
primeras 60 horas de la experiencia.
Figura 78. Volumen acumulado promedio del control negativo con límite
superior e inferior.
116
Control positivo
La Figura 79 representa la producción de biogás del triplicado del control positivo
en el transcurso del tiempo. La mayor variación de la producción de biogás se
presenta después de las primeras 150 horas del experimento, es decir después
del sexto día. Entre las 15 y 30 horas se genera un primer pico de producción de
biogás, que muy probablemente se relaciona con la acción de microorganismos
afines con el sustrato, en este caso la dextrosa y posteriormente, dependiendo
de las condiciones particulares en cada botella, se ponen en acción el resto de
los microorganismos del consorcio presente en el inóculo. Más adelante se verá
que para simular este comportamiento se utilizará un modelo “doble Gompertz”.
Figura 79. Volumen acumulado de biogás en el control positivo.
La Figura 80, resume claramente el comportamiento de las botellas de la prueba
que, al tratarse de un control positivo, este nos indica cómo pudiera ser la
actividad del consorcio presente en el inóculo. Se esperaría una producción de
metano cercano de 400 NmL (teórico), lo que significa que a pesar de mostrar
un rendimiento relativamente bajo el inóculo es lo suficientemente activo como
para digerir la materia orgánica biodegradable presente en las muestras.
117
Figura 80. Volumen acumulado promedio del control positivo con límite superior
e inferior.
Agua residual con excretas porcinas (AEP)
Es evidente que el agua residual con excretas porcinas, debido a la complejidad
de la materia orgánica presente (alto contenido de lignina) la biodegradación del
sustrato es lento. Como muestra la Figura 81, después de 300 horas
(aproximadamente 12 días) la acumulación de biogás producido se acentúa.
Figura 81. Volumen acumulado de biogás en agua residual con excretas
porcinas (AEP).
118
A pesar de la relativa baja biodegradablidad del sustrato “puro” (como muestra
la Figura 82), el agua residual con excretas de puerco, tiene cierta uniformidad
en su comportamiento y después de cierto tiempo (400 h) se estabiliza, lo que
finalmente se observa en el biodigestor estudiado, donde el tiempo de residencia
hidráulica es superior de los 20 días y que será necesario tener en cuenta en la
simulación de codigestión.
Figura 82. Volumen acumulado promedio AEP con límite superior e inferior.
Lactosuero ácido
La Figura 83, muestra la producción de biogás del triplicado de este sustrato,
que muestra un comportamiento típico de una primera producción acelerada de
biogás durante las primeras 30 horas, una estabilización entre 30 y 60 horas que
repunta hasta las 150 horas y finalmente permanece con una cinética de
producción de biogás lenta. Comportamiento esperado dada la
biodegradabilidad de este sustrato. Caber resaltar que este tipo de sustrato se
acidifica muy fuertemente en las primeras etapas de la cinética que puede inhibir
todo tipo de producción bioenergética (inhibe tanto la producción de hidrógeno
como de metano).
119
Figura 83. Volumen acumulado de biogás en lactosuero.
La Figura 84, pone de manifiesto entonces las etapas arriba descritas y logrando
un promedio de biogás acumulado ligeramente superior a las muestras AEP. De
ahí el interés de evaluar la sinergia potencial de ambos sustratos que, el
contenido mineral del AEP puede compensar la acidificación del medio y permitir
a los microorganismos que digieren los ácidos grasos los puedan procesar sin
un decaimiento del pH, maximizando el rendimiento final de metano, tema de
estudio del presente trabajo.
Figura 84. Volumen acumulado promedio de lactosuero con límite superior e
inferior.
120
Comparativo de producciones promedio
Previa a la pruebas combinadas de producción de biogás, es necesario
identificar si existe una diferencia significativa de producción de biogás en los
escenarios extremos a estudiar; y como lo muestra la Figura 85, se puede
observar claramente que existe una producción máxima acumulada de biogás
sensiblemente superior en el control positivo que es de aproximadamente 290
NmL en promedio por botella mientras que en el caso extremo del control
negativo la producción es más de 10 veces menor (de aproximadamente 20
NmL) y en los sustratos “puros”, a pesar que al cabo de 400 horas son
prácticamente similares, las cinéticas de producción son diferentes con una
producción acelerada de biogás en las fases intermedias del lactosuero y con
una cinética de acumulación creciente de biogás en el AEP.
Figura 85. Comparativo del volumen acumulado promedio según
combinaciones de sustratos.
Comparativo de corridas realizadas con agua residual con excretas
porcinas y lactosuero
Si bien en las pruebas hasta ahora descritas se dispone de elementos para
realizar un estudio comparativo, que finalmente bajo las mismas condiciones
será el sustrato quien establecerá la cinética de degradación y en caso de
presentarse una sinergia la evidencia de la misma será establecida dentro de un
mismo marco de experimentación, la pregunta de experimentación permanece
vigente: ¿cuál es el efecto del tipo de inóculo utilizado sobre la degradación de
los sustrato a comprar?. La Figura 86 y Figura 87, esquematizan el efecto del
121
inóculo sobre la cinética de degradación. En color azul se muestra las pruebas
realizadas utilizando un inóculo proveniente del biodigestor de la empresa Grupo
Serrano y las muestras en color rojo fueron procesadas con un inóculo que en
nuestro laboratorio tenemos caracterizado y que usualmente se utiliza para las
pruebas BMP que se trata de lodo anaerobio de una planta de tratamiento de
vinazas tequileras.
La Figura 86, muestra entonces que efectivamente, el lodo anaerobio de la
vinaza tequilera tiene básicamente un rendimiento similar de biogás, pero con
una fase lag mayor, superior de 80 horas de 3 a 5 días, más.
Figura 86. Comparativo de volumen acumulado de AEP con diferente inóculo.
De igual manera en la Figura 87 para el caso del lactosuero, se identifica que la
producción de biogás no es tan acentuada como en el caso del inóculo del
biodigestor, pero tiene un rendimiento relativamente superior de biogás. Es decir,
el inóculo puede tener un efecto sobre las cinéticas de degradación
(indudablemente en la fase lag), en la velocidad de producción de biogás e
incluso en el rendimiento, sin embargo, para el tema de investigación del
presenta trabajo es un factor que se anula al contemplar condiciones similares
de inóculo para la evaluación de cinéticas de degradación, pero que sí serán de
consideración en caso de escalar las pruebas a reactores piloto o a escala real
(fases de arranque y probablemente de estabilización).
122
Figura 87. Comparativo de volumen acumulado de AEP con diferente inóculo.
4.2.9. Modelo
En esta sección se describe el modelo a utilizar y los criterios de evaluación para
determinar la existencia o no de sinergia en la degradación de los sustratos a
evaluar (lactosuero y agua residual con excretas de puerco).
Descripción del modelo
Se aplicó de manera empírica un modelo doble de Gompertz bajo el supuesto
que la primera componente de la cinética es dominada por la producción de
biohidrógeno y la segunda componente dominada por la componente de
producción de biometano.
Los parámetros utilizados para cada componente del modelo se muestran en la
Tabla 22.
Tabla 22. Componentes del modelo y valores de las variables implicadas.
Componente A del modelo
Componente B del modelo
Hmax (NmL)
Rmax (NmL/h)
Lag (h)
Hmax (NmL)
Rmax (NmL/h)
Lag (h)
R2
Control negativo (C-)
19,17 0,65 0,00 - - - 0,9400
Control positivo (C+)
181,35 30,05 8,34 112,83 1,64 91,45 0,9922
123
Agua con excretas porcinas (AEP)
77,24 0,45 0,00 21392,60 19,79 749,27 0,9866
Lactosuero (L)
83,88 3,70 11,90 231,06 1,10 91,74 0,9983
Los parámetros de la Ecuación 1 previamente señalada, se obtuvieron por
interpolación y aproximaciones paramétricas realizadas con el apoyo de la
herramienta Solver de Excel y utilizando los resultados presentados en las
figuras previas.
La Figura 88, describe entonces tres secciones del modelo para los sustratos
estudiados (la primera es la adición de las dos secciones siguientes para cada
sustrato evaluado que corresponden a dos cinéticas del mismo modelo, en teoría
basado en la afinidad del sustrato con el consorcio de microorganismos
presentes en el inoculo). Así pues, en la primera columna de gráficas, se incluye
la aproximación integrada del modelo para cada sustrato (AEP, L, C+ y C-) que
es la adición de los parámetros obtenidos en la segunda y tercera columnas. Se
puede constatar que la correlación del modelo se adecua bastante bien con las
pruebas realizadas, donde en las gráficas se resalta en forma de nube de tono
grisáceo la varianza de las pruebas tomadas en consideración para la
simulación.
0
50
100
150
200
250
300
0
27
54
81
10
8
13
5
16
2
18
9
21
6
24
3
27
0
29
7
32
4
35
1
37
8
40
5
43
2
45
9
48
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
AEP Promedio Segunda AEP Gompertz
0
50
100
150
200
250
300
350
0
15
30
45
60
75
90
10
5
12
0
13
5
15
0
16
5
18
0
19
5
21
0
22
5
24
0
25
5
27
0
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
Lactosuero Promedio Tercera L Gompertz
0
50
100
150
200
250
300
350
0
15
30
45
60
75
90
10
5
12
0
13
5
15
0
16
5
18
0
19
5
21
0
22
5
24
0
25
5
27
0
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
Lactosuero Promedio Tercera LG1
0
50
100
150
200
250
300
350
0
15
30
45
60
75
90
10
5
12
0
13
5
15
0
16
5
18
0
19
5
21
0
22
5
24
0
25
5
27
0
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
Lactosuero Promedio Tercera LG2
0
50
100
150
200
250
300
0
27
54
81
10
8
13
5
16
2
18
9
21
6
24
3
27
0
29
7
32
4
35
1
37
8
40
5
43
2
45
9
48
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
AEP Promedio Segunda LG1
0
50
100
150
200
250
300
0
27
54
81
10
8
13
5
16
2
18
9
21
6
24
3
27
0
29
7
32
4
35
1
37
8
40
5
43
2
45
9
48
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
AEP Promedio Segunda LG2
124
Figura 88. Componentes de producción acumulada simulada de biogás “doble
Gompertz”.
De esta manera, la segunda columna de gráficas de la Figura 88, representa la
primera cinética de Gompertz que incluye los parámetros del componente “A” de
la Tabla 22, mientras que la tercera columna de la figura, corresponde al
componente “B” del modelo de la Tabla 22, donde el primer componente lo
asumiremos para la producción de biohidrógeno y el segundo para el metano.
En realidad, es necesario realizar trabajos adicionales para identificar qué causa
este comportamiento de doble cinética, si el sustrato, o el inóculo (consorcio
presente), pero ese es sujeto de estudio de otro trabajo de investigación (en
curso).
Análisis con el modelo
La Tabla 23, se genera bajo el supuesto de una proporcionalidad en la
producción de biogás según la fracción de MSV que contiene cada “corrida”. Es
decir, la primera y la última columna de la tabla, corresponden a los modelos
Gorpertz integrados para los sustratos puros de lactosuero (L) y de agua residual
con excretas de puerco (AEP) que se construyeron en base a los parámetros
correspondiente de la Tabla 22 y representados en la Figura 88. Las columnas
intermedias se calcularon bajo el supuesto de no existencia de sinergia ni de
inhibición alguna de ambos sustratos. Dado que las pruebas o corridas F4, F3 y
0
5
10
15
20
25
0
22
44
66
88
11
0
13
2
15
4
17
6
19
8
22
0
24
2
26
4
28
6
30
8
33
0
35
2
37
4
39
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C- Promedio C- Gompertz
0
5
10
15
20
25
0
22
44
66
88
11
0
13
2
15
4
17
6
19
8
22
0
24
2
26
4
28
6
30
8
33
0
35
2
37
4
39
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C- Promedio C-1
0
5
10
15
20
25
0
21
42
63
84
10
5
12
6
14
7
16
8
18
9
21
0
23
1
25
2
27
3
29
4
31
5
33
6
35
7
37
8
39
9
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C- Promedio C-2
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
22
44
66
88
11
0
13
2
15
4
17
6
19
8
22
0
24
2
26
4
28
6
30
8
33
0
35
2
37
4
39
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C+ Promedio C+ Gompertz
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
22
44
66
88
11
0
13
2
15
4
17
6
19
8
22
0
24
2
26
4
28
6
30
8
33
0
35
2
37
4
39
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C+ Promedio C+1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
22
44
66
88
11
0
13
2
15
4
17
6
19
8
22
0
24
2
26
4
28
6
30
8
33
0
35
2
37
4
39
6
Vo
lum
en a
cum
ula
do
(N
mL)
Tiempo (horas)
Producción de biogás agua residual (sin CO2)
C+ Promedio C+2
125
F5 se realizaron experimentalmente, por el momento se constituye la hipótesis
que al no haber ninguna interacción entre los sustratos, la proporción de MSV
que se utilizó para cada corrida (75/25, 50/50, 25/75 respectivamente para
L/AEP) y recordando que la masa total experimental colocada en cada botella
fue de 1,2 g, la Tabla 23, marca un punto de partida para el análisis de la sinergia
o inhibición en la codigestión de ambos sustratos.
Tabla 23. Producción máxima de biogás según modelo a diferentes relaciones
L/AEP.
Para fines indicativos, la Figura 89, esquematiza entonces el comportamiento
combinado de la simulación obtenida bajo el supuesto de una nula interacción
entre los sustratos estudiados, pero con las proporciones establecidas en cada
corrida o combinación L/AEP de la MSV dentro de las botellas del AMPTS.
NmL F1 F4 F3 F5 F2 Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
0 0 1 3 4 5
24 45 37 28 20 12
48 83 68 52 37 22
72 91 76 61 47 32
96 102 87 72 57 42
120 119 102 85 68 51
144 142 121 100 79 58
168 167 142 116 90 64
192 193 162 131 99 68
216 218 181 144 108 71
240 239 197 156 115 74
264 256 211 166 121 76
288 270 222 174 127 79
312 281 231 181 132 82
336 290 239 188 137 86
360 296 245 194 143 92
384 301 251 201 150 100
409 305 257 209 161 113
126
Figura 89. Volumen acumulado de biogás según modelo integrado para L/AEP.
La Figura 90, representa entonces un margen probable de producción de biogás
en el transcurso del tiempo para una combinación dada de L/AEP, bajo el
supuesto de una interacción nula de sustratos.
Figura 90. Nube de volumen probable de producción de biogás.
De esta manera, y gracias al ejercicio de simulación, es posible realizar cortes
en el transcurso del tiempo de la acumulación de biogás acumulado sin la
interacción de los sustratos en codigestión: Lactosuero (L) –Agua residual con
excretas de Puerco (AEP) y que en la Figura 91, se representa con la línea
continua. Debido a que se llevaron a cabo experimentalmente las corridas
100/0
75/25
50/50
25/75
0/100
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 384 409
Ensa
yo
(L/A
EP)
Tiempo (horas)
Nube de de volumen probable de producción de biogás (NmL)
300-400
200-300
100-200
0-100
127
experimentales 1 a 5 de la figura (donde 1=100%MSV es lactosuero [L],
2=75%L/25%AEP, 3=50%L/50%AEP, 4=25%L/75%AEP y 5=100%MSV es agua
residual con excretas de puerco [AEP]).
Ahora, en la misma Figura 91, se esquematiza el supuesto de una interacción
positiva (sinergia), puntos verdes, o una interacción negativa (inhibición), puntos
rojos, en caso de que existiera una interacción entre los sustratos utilizados y el
inóculo involucrado.
Figura 91. Esquema ilustrativo para evidenciar sinergia e inhibición en
codigestión.
Resultados obtenidos
La Figura 92 representa los resultados obtenidos en los experimentos realizados.
Cada gráfica de la figura tiene por título la corrida experimental realizada y entre
paréntesis cuál fue la proporción de la MSV utilizada según el sustrato L o AEP
y el porcentaje correspondiente. En cada gráfica además se representa en una
línea continua de color azul los resultados promedio experimentales de cada
corrida que fueron realizadas por triplicado, y por lo tanto a manera de nube de
tonalidad gris se presenta la varianza de cada corrida. En color rojo se presenta
128
el caso particular de la corrida simulada conforme a los resultados de simulación
ya descritos.
Figura 92. Comparativo de modelo y resultados reales a diferentes relaciones
L/AEP.
Como es evidente, el modelo predice con cierta precisión las corridas de L y AEP
al 100% de la MSV utilizada en cada botella, salvo durante las primeras 50 horas
del experimento con AEP. Con esta información entonces se evidencia que, en
definitiva, se genera una sinergia en todos los escenarios intermedios probados
a excepción de la corrida F4 (75%L/25%AEP) posterior a las 300 horas de la
experimentación.
Ahora, la Figura 93, pretende proporcionar al usuario, una idea del efecto de la
sinergia para diferentes tiempos de retención hidráulica de un biodigestor que
pudiera ponerse en operación con la finalidad de maximizar la producción de
biogás, ya que finalmente, la sinergia que se genera es evidente durante las
-10
10
30
50
70
90
110
130
150
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Vo
lum
en p
rod
uci
do
(Nm
L)
Tiempo (horas)
F2 (100% AEP)
AEP Modelo Final 0/100
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Vo
lum
en p
rod
uci
do
(Nm
L)
Tiempo (horas)
F5 (25% Lactosuero /75% AEP)
25/75 Modelo Final 25/75
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Vo
lum
en p
rod
uci
do
(Nm
L)
Tiempo (horas)
F3 (50% Lactosuero /50% AEP)
50/50 Modelo Final 50/50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Vo
lum
en p
rod
uci
do
(Nm
L)
Tiempo (horas)
F4 (75% Lactosuero /25% AEP)
75/25 Modelo Final 75/25
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Vo
lum
en p
rod
uci
do
(Nm
L)
Tiempo (horas)
F1 (100% Lactosuero)
Lactosuero Modelo Final 100/0
129
primeras 300 h de la codigestión, posteriormente solamente una proporción de
50% de lactosuero y 50% de agua residual con excretas de puerco, puede
representar un beneficio tangible.
Figura 93. Evidencia de generación de sinergias a diferentes estados de
avance de la cinética.
38 NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
0.04 1 0 1 3 4 5
Puntos reales 0 6 14 11 10
% 987% 351% 406% 174% 84%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
1.63 39 77 62 47 32 18
Puntos reales 73 109 94 44 30
% -4% 76% 100% 36% 66%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
3.21 77 92 78 63 49 34
Puntos reales 92 141 144 62 38
% 0% 81% 126% 27% 10%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
4.79 115 115 98 82 66 50
Puntos reales 118 183 209 76 49
% 3% 86% 154% 15% -1%
0
5
10
15
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
987%
351%
406%
17
4%
84%
1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
-4%
76% 10
0%
36
% 66
%
1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
50
100
150
200
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
0%
81%
12
6%
27%
10
%
1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
3%
86%
154%
15%
-1%1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
15.9 381 300 250 200 149 99
Puntos reales 256 231 385 165 100
% -15% -8% 93% 10% 1%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
17.5 419 306 259 212 166 119
Puntos reales 256 231 385 171 119
% -16% -11% 81% 4% 0%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
19 457 309 270 230 191 151
Puntos reales 256 231 385 173 148
% -17% -15% 67% -9% -2%
NmL F1 F4 F3 F5 F2
Días
Exp.
Horas100/0 75/25 50/50 25/75 0/100
20.6 495 312 284 256 229 201
Puntos reales 256 231 385 173 195
% -18% -19% 50% -24% -3%
0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
-15
%
-8%
93%
10%
1%
1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
-16%
-11%
81%
4%
0%
1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
-17
%
-15
%
67%
-9% -2%1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
-18%
-19%
50
%
-24% -3
%1 0 0 / 0 7 5 / 2 5 5 0 / 5 0 2 5 / 7 5 0 / 1 0 0
P O R C E N T A J E D E S O B R E P R O D UC C I Ó N D E B I O G Á S
0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6
Vol
umen
de
biog
ás (N
mL)
Corridas experimentales (1=100% Lactosuero, 5=100% AEP)
Simulación vs Resultados experimentales hipotéticosPuntos reales Simulación
130
4.2.10. Conclusiones
A continuación, se enlistan las principales conclusiones del trabajo realizado en
esta actividad:
1. Se demuestra la existencia de sinergia en la codigestión de lactosuero con
agua residual con excretas de puerco. Además, con el seguimiento de las
pruebas es posible determinar en qué momento la sinergia es más evidente y en
qué proporción de los sustratos involucrados.
2. Se establece una metodología para la evaluación de la sinergia.
Perspectivas
APLICADAS
Gracias a la colaboración con la empresa Grupo Serrano se pueden plantar las
siguientes perspectivas:
1. Es posible evaluar otros sustratos donde ya se tiene vislumbrado en
sustitución del lactosuero residuos de la producción de aceite de palma.
2. Es posible realizar la experimentación con sustratos diferentes como son
vinazas y la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (que es una
alternativa planteada que es necesario discutir dentro del marco del proyecto
BIOMETRANS).
TÉCNICO CIENTÍFICAS
Dentro de las actividades de la Tarea 4 y a pesar de que para fines del estado
de avance de las mismas se puede reportar como concluidas, existen todavía
varias interrogantes que pudieran plantearse en una colaboración entre los
socios de BIOMETRANS como son:
Evaluación del efecto del inóculo.
Ampliación de las etapas o fases de la digestión anaerobia y contemplar
la producción de hidrógeno como un pretratamiento o etapa previa.
131
Evaluar la producción en continuo de bioenergía en sistemas acoplados,
así como el efecto sobre la codigestión.
Ampliar las colaboraciones y reflexiones sobre la sostenibilidad de los
bioenergéticos.
4.2.11. Referencias
[1] S. Sarandón y C. C. Flores, «Evaluación de la sustentabilidad en
agroecosistemas: una propuesta metodológica.,» nº 4, pp. 19-28, 2009.
[2] J. P. Rojas Wang, «La sostenibilidad energética,» nº 289, pp. 171-179,
2005.
[3] INECC, «Sitio oficial del INECC,» 2019a. [En línea]. Available:
https://www.gob.mx/inecc/prensa/inecc-reitera-su-compromiso-ante-el-
acuerdo-de-paris-con-rutas-de-mitigacion-al-cambio-climatico. [Último
acceso: 30 Diciembre 2019].
[4] H. G. Mura y J. I. P. Reyes, «De la sostenibilidad a la sustentabilidad.
Modelo de desarrollo sustentable para su implementación en políticas y
proyectos,» Revista Escuela de Administración de Negocios, nº 78, pp. 40-
54, 2015.
[5] P. J. A. Valle y N. E. O. Ortega, «Prospectivas de Energías Renovables
2012–2026,» Secretaría de Energía (SENER), Mexico, 2012.
132
[6] J. C. Sacramento-Rivero, «A methodology for evaluating the sustainability
of biorefineries: framework and indicators.,» Biofuels, Bioproducts and
Biorefining, vol. 1, nº 6, pp. 32-44, 2012.
[7] A. Vaidya y A. L. Mayer, «Use of a participatory approach to develop a
regional assessment tool for bioenergy production.,» Biomass and
bioenergy, nº 94, pp. 1-11, 2016.
[8] C. Jiménez Manzano, «Propuesta de indicadores energéticos de desarrollo
sustentable para fuentes renovables en México,» Instituto Politécnico
Nacional, México, 2016.
[9] I. Valdez-Vazquez, C. D. R. S. Gastelum y A. E. Escalante, «Proposal for a
sustainability evaluation framework for bioenergy production systems using
the MESMIS methodology,» Renewable and Sustainable Energy Reviews,
nº 68, pp. 360-369, 2017.
[10] A. Gasparatos, C. Romeu-Dalmau, G. P. Von Maltitz, F. X. Johnson, C.
Shackleton, M. P. Jarzebski y K. J. Willis, «Mechanisms and indicators for
assessing the impact of biofuel feedstock production on ecosystem
services.,» Biomass and bioenergy, nº 114, pp. 157-173, 2018.
[11] D. R. Shonnard, B. Klemetsrud, J. Sacramento-Rivero, F. Navarro-Pineda,
J. Hilbert, R. Handler y R. P. Donovan, «A review of environmental life cycle
assessments of liquid transportation biofuels in the Pan American region,»
Environmental management, vol. 6, nº 56, pp. 1356-1376, 2015.
133
[12] J. Sacramento, «Análisis de ciclo de vida de biodiesel de jatrofa en
Yucatan,» Morelia, Michoacan, pp. 22-27, 2016.
[13] C. A. García Bustamante, Análisis de Ciclo de Vida de la bioenergía en
México. producción de biodiésel con una mezcla de diferentes aceites
residuales comestibles de origen vegetal, Morelia, Michoacan, 2018.
[14] P. M. García, A. C. Quispe y G. L. Ráez, «Mejora continua de la calidad en
los procesos,» Industrial Data, vol. 1, nº 6, pp. 89-94, 2003.
[15] IISD, «Business and Sustainable Development,» 2013. [En línea].
Available: https://www.iisd.org/business/tools/. [Último acceso: 30
Diciembre 2019].
[16] N. Mejias Brizuela, E. Orozco Guillén y N. Galan, «Aprovechamiento de los
residuos agroindustriales y su contribución al desarrollo sostenible de
México,» Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales, pp. 27-
41, 2016.
[17] J. Moreno, R. Moral, J. Morales, J. Pascual y M. Bernal, «De residuo a
recurso. El camino hacia la sostenibilidad,» de Vol. 2 Aspectos biológicos
de la digestión anaeróbica, Madrid, España, Grupo Mundi-Prensa, 2014.
[18] COFOCALEC, «Proyecto de norma mexicana PROY-NMX-F-721-
COFOCALEC,» Organismo Nacional de Normalización del COFALEC, pp.
1-42, 2012.
134
[19] C. Padin y D. M., «Fermentación alcohólica del lactosuero por
Kluyveromyces marxianus y solventes orgánicos,» Revista de la Sociedad
Venezolana de Microbiología, vol. 29, pp. 110-116, 2009.
[20] FAOSTAT, «FAO,» 2017. [En línea]. Available:
http://www.fao.org/faostat/es/#home.
[21] N. Aktaş, İ. Boyacı, M. M. y T. A., «Optimization of lactose utilization in
deproteinated whey by Kluyveromyces marxianus using response,»
Bioresource Technology, vol. 97, pp. 2252-2259, 2006.
[22] C. Spalatelu, «2012,» Innovative Romanian Food Biotechnology, vol. 10,
pp. 1-8, 2012.
[23] R. Camino Fernández, E. Martínez Torres, A. Morán Palao y X. Gómez
Barrios, «Procesos biológicos para el tratamiento de lactosuero con
producción de biogás e hidrógeno. Revisión bibliográfica,» Revista ION, vol.
29, nº 1, pp. 47-62, 2016.
[24] SIAP, «Porcino. Poblacion Ganadera,» SAGARPA, México, 2016.
[25] I. Angelidaki y B. K. Ahring, «Codigestion of olive oil mill wastewaters with
manure, household waste or sewage sludge,» Biodegradation, vol. 8, nº 4,
pp. 221-226, 1997.
[26] S. J. Lim y P. Fox, «A kinetic analysis and experimental validation of an
integrated system of anaerobic filter and biological aerated filter,»
Bioresource technology, vol. 102, nº 22, pp. 10371-10376, 2011.
135
[27] N. Benyoucef, A. Cheikh, N. Drouiche, H. Lounici, N. Mameri y N. Abdi,
«Denitrification of groundwater using Brewer's spent grain as biofilter
media,» Ecological engineering, nº 52, pp. 70-74, 2013.
[28] C. S. Osorio-González, F. Sandoval-Salas, F. Hernández-Rosas, J. V.
Hidalgo-Contreras, F. C. Gómez-Merino y D. A. Ávalos de la Cruz,
«POTENCIAL DE APROVECHAMIENTO DEL SUERO DE QUESO EN
MÉXICO,» AGROProductividad, vol. 11, nº 7, 2018.
[29] E. R. V. Comino y M. Rosso, «Biogas production by anaerobic co-digestion
of cattle slurry and cheese whey,» Bioresource Technology, vol. 114, p. 46–
53, 2012.
[30] L. Bertin, S. Grilli, A. Spagni y F. Fava, «Innovative two-stage anaerobic
process for effective codigestion of cheese whey and cattle manure,»
Bioresourse Technology, vol. 128, pp. 779-783, 2013.
[31] B. Kavacik y B. Topaloglu, «Biogas production from co-digestion of a
mixture of cheese whey and dairy manure,» Biomass and Bioenergy, vol.
34, nº 9, pp. 1321-1329, 2010.
[32] X. Flotats, E. Campos, J. Palatsi y A. Bonmatí, «Digestión anaerobia de
purines de cerdo y co-digestión con residuos de la industria alimentaria,»
Monografías de actualidad, vol. 65, pp. 51-65, 2001.
[33] M. A. Dareioti y M. Kornaros, «naerobic mesophilic co-digestion of ensiled
sorghum, cheese whey and liquid cow manure in a two-stage CSTR system:
136
effect of hydraulic retention time,» Bioresource technology, nº 175, pp. 553-
562, 2015.
[34] Y. Zhong, Z. Ruan, Y. Zhong, S. Archer, Y. Liu y W. Liao, «A self-sustaining
advanced lignocellulosic biofuel production by integration of anaerobic
digestion and aerobic fungal fermentation.,» Bioresource technology, nº
179, pp. 173-179, 2015.
[35] J. J. Lay, Y. Y. Li y T. Noike, «Mathematical model for methane production
from landfill bioreactor,» Journal of environmental engineering, vol. 8, nº
124, pp. 730-736, 1998.
[36] M. H. Zwietering, F. M. Rombouts y K. V. T. Riet, «Comparison of definitions
of the lag phase and the exponential phase in bacterial growth,» Journal of
applied bacteriology, vol. 2, nº 72, pp. 139-145, 1992.
[37] M. R. Siquiera y V. Reginatto, «Siqueira, M. R., & Reginatto, V. (2015).
Inhibition of fermentative H2 production by hydrolysis byproducts of
lignocellulosic substrates,» REnewable Energy, nº 80, pp. 109-116, 2015.
[38] I. Vera-Romero, M. Estrada-Jaramillo, C. González-Vera, M. Tejeda-
Jiménez, X. López-Andrade y A. Ortiz-Soriano, «Biogás como una fuente
alternativa de energía primaria para el Estado de Jalisco, México.,»
Ingeniería. Investigación y Tecnología., vol. XVIII, nº 3, pp. 307-320, 2017.
[39] IMP, «Reporte de Inteligencia Tecnológica: Biocombustibles Gaseosos,»
México, 2017.
[40] IIEG, «Lagos de Moreno. Diagnóstico del Municipio,» Jalisco, 2018.
137
[41] M. A. Galarza Hernández y . M. Gutiérrez Valdéz, Evaluación del potencial
de biometanización en el lactorusero. Tesis de Licenciatura, Bogotá:
Universidad de San Buenaventura, 2013.
[42] R. Rodríguez, F. Bailat y G. Testasecca, «Generación de biogás a partir del
lactosuero ácido.,» Argentina, 2013.
[43] S. B. 1. (. Saval, «Aprovechamiento de residuos agroindustriales: pasado,
presente y futuro,» BioTecnología, vol. 16, nº 2, pp. 14-46, 2012.
[44] R. M. d. Bioenergía, «Red Mexicana de Bioenergía,» 30 05 2019. [En línea].
Available: http://rembio.org.mx/areas-tematicas/biogas/.
138
4.2.12. Anexo I
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0
5
10
15
20
25
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C-1C-1 Volume [Nml]
C-1 Flow [Nml/hour]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0
5
10
15
20
25
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C-2C-2 Volume [Nml]
C-2 Flow [Nml/hour]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
5
10
15
20
25
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C-3C-3 Volume [Nml]
C-3 Flow [Nml/hour]
0
5
10
15
20
25
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C(-) TodasC-1 Volume [Nml]
C-2 Volume [Nml]
C-3 Volume [Nml]
0
10
20
30
40
50
60
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C+1C+1 Volume [Nml]
C+1 Flow [Nml/hour]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
50
100
150
200
250
300
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C+2C+2 Volume [Nml]
C+2 Flow [Nml/hour]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
50
100
150
200
250
300
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C+3C+3 Volume [Nml]
C+3 Flow [Nml/hour]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
C(+) TodasC+1 Volume [Nml]
C+2 Volume [Nml]
C+3 Volume [Nml]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
50
100
150
200
250
0
16
32
48
64
80
96
11
2
12
8
14
4
16
0
17
6
19
2
20
8
22
4
24
0
25
6
27
2
28
8
30
4
32
0
33
6
35
2
36
8
38
4
40
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
AEP1AEP1 Volume [Nml]
AEP1 Flow [Nml/hour]
139
Figura 94. Resultados experimentación.
0
5
10
15
20
25
0
50
100
150
200
250
0
16
32
48
64
80
96
11
2
12
8
14
4
16
0
17
6
19
2
20
8
22
4
24
0
25
6
27
2
28
8
30
4
32
0
33
6
35
2
36
8
38
4
40
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
AEP2AEP2 Volume [Nml]
AEP2 Flow [Nml/hour]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
AEP3
AEP3 Volume [Nml]
AEP3 Flow [Nml/hour]
0
50
100
150
200
250
0
16
32
48
64
80
96
11
2
12
8
14
4
16
0
17
6
19
2
20
8
22
4
24
0
25
6
27
2
28
8
30
4
32
0
33
6
35
2
36
8
38
4
40
0
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
Agua residual Todas
AEP1 Volume [Nml]
AEP2 Volume [Nml]
AEP3 Volume [Nml]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
50
100
150
200
250
300
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
L1L1 Volume [Nml]
L1 Flow [Nml/hour]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
L2L2 Volume [Nml]
L2 Flow [Nml/hour]
0
5
10
15
20
25
30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Flu
jo N
mL/
h
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
L3L3 Volume [Nml]
L3 Flow [Nml/hour]
0
50
100
150
200
250
300
0
14
28
42
56
70
84
98
11
2
12
6
14
0
15
4
16
8
18
2
19
6
21
0
22
4
23
8
25
2
26
6
28
0
29
4
30
8
32
2
33
6
35
0
Vo
lum
en
(Nm
L)
Tiempo (horas)
Lactosuero TodasL1 Volume [Nml]
L2 Volume [Nml]
L3 Volume [Nml]
140
5. Universidad Católica de Sta. María (UCSM) - Perú
Subtarea 4.1. Comparativa digestión anaerobia en una y dos fases
Subtarea 4.2. Evaluación pretratamientos biomasa.
En la digestión anaerobia de residuos orgánicos, se distinguen 4 fases o etapas:
hidrolítica, acidogénica, acetogénica y metanogénica. Las bacterias que realizan
las dos primeras etapas son más robustas que las que realizan la tercera y,
sobretodo, la cuarta etapa.
La producción agrícola genera residuos con contenido en celulosa y lignina, los
cuales son difíciles de digerir por las bacterias anaerobias. Se han propuesto
diversas soluciones para poder subsanar la limitación anterior. Entre ellas están
el empleo de biodigestores de doble cámara para lograr dos fases (hidrólitica-
acidogénica y acetogánica-metanogénica) en la digestión anaerobia; así como
el tratamiento térmico (torrefacción) de los sustratos.
El presente informe detalla los resultados de los ensayos realizados para evaluar
los dos tratamientos anteriores, en la digestión anaerobia de residuos
lignocelulósicos.
5.1. Materiales y métodos
Se utilizaron botellas de plástico de 1,0 L de capacidad, como cámaras de
digestión o biodigestores. Estos biodigestores se cargaron al 90% de su
capacidad, esto es 0,9 L, y el volumen restante sirvió para colectar
temporalmente el biogás producido. Se les colocó una tapa en la parte superior,
y una manguera plástica de 6 mm de diámetro para extraer el biogás.
141
Figura 95. Botellas plásticas de 1,0 L, utilizadas como biodigestores.
El biogás se almacenó en gasómetros formados por botellas de plástico de 1,0
L de capacidad. Los gasómetros se llenaron con agua y se colocaron invertidos
en un recipiente con agua, de manera que el biogás producido fuera desplazando
el agua del interior del gasómetro. El gasómetro tenía una escala externa que
permitía medir la producción diaria de biogás.
Figura 96. Botellas plásticas de 1,0 L, invertidas, utilizadas como gasómetros.
142
Los sustratos utilizados fueron paja de arroz y estiércol, mezclados con agua.
El cálculo de la cantidad de cada uno de los sustratos se muestra en el Tabla 24.
Tabla 24. Cálculo de los sustratos a cargar en el biodigestor.
La paja de arroz fue picada a una longitud de 2,0 cm. Se utilizó estiércol fresco
de vacuno de 1 día de antigüedad.
Para llenar un biodigestor, se mezcló el estiércol fresco de vacuno (153 g), con
la paja de arroz (16 g) y el agua (662 g).
Para el tratamiento térmico (torrefacción), se utilizó una Mufla Therm Concept,
sometiendo a la paja de arroz a una temperatura de 280 °C durante 20 minutos.
Figura 97. Paja de arroz torrefactada.
SUSTRATO FRESCO
Peso
Fresco
(Kg)
Humedad
(%)
Peso
Seco
(Kg)
Contenido
de agua (Kg)
Densidad
(TM/m3)
Volumen
(Litros)
% de
Nitrógeno
Nitrógeno
(Kg)
Relación
C:N
Carbono
(Kg)
a b c = a*b d = a - c e f = a/e g h = a*g i j = h*i
Estiércol de bovino 0.1535 74% 0.04 0.11 1.40 0.11 0.29% 0.0004452 25 0.011129
Paja de arroz 0.0161 25% 0.01 0.00 0.60 0.03 0.63% 0.0001014 67 0.006796
Agua 0.6626 100% 0.00 0.66 1.00 0.66 0.00% 0 0 0
TOTAL 0.8322 0.05 0.78 0.80 0.0005466 0.017925
= c/d 6.66%
= j/h 32.79
= f 0.80
Concentración de sólidos
Relación C:N
Volumen litros
143
Figura 98. Mufla empleada en la torrefacción.
5.1.1. Configuración experimental
Las variables independientes son 2: Número de fases y proceso de torrefacción,
Tabla 25.
Tabla 25. Variables independientes.
Variable independiente Valores
Fases 1
2
Torrefacción Sí
No
Las variables dependientes son 2: Calidad de biogás y producción de metano,
Tabla 26.
Tabla 26. Variables dependientes.
Variable
dependiente Unidad Especificación
Instrumento de
medición
Producción N litros Volumen de biogás Probeta
graduada
Calidad de biogás % en
volumen Contenido de CH4 (%) y CO2 (%)
Analizador de
gases
Los tratamientos evaluados son 4, ver Tabla 27.
144
Tabla 27. Tratamientos.
Tratamiento Fases Torrefacción
1FST 1 No
1FT 1 Sí
2FST 2 No
2FT 2 Sí
Se realizaron 3 repeticiones por cada tratamiento. Terminado el experimento se
realizó un ANOVA, con significación de 95%.
5.1.2. Métodos
Para los tratamientos de dos fases, se llenaron los biodigestores con la mezcla
señalada anteriormente; y se les mantuvo así durante 4 días. Pasados los 4 días,
se llenaron los biodigestores de una fase. De este modo, se produjo la hidrólisis
en los biodigestores de dos fases, en el período de los 4 días.
Se inoculó a todos los biodigestores, con 100 mL de biol. Luego se introdujeron
los biodigestores en una cámara con Baño María, y se ajustó la temperatura a
40 °C. Se conectaron los biodigestores a los gasómetros. En forma diaria, se
midió el volumen de agua desplazado en los gasómetros, para determinar el
volumen de biogás producido. El contenido volumétrico de metano en el biogás
se determinó cada 4 días, utilizando un analizador Geotech, Model 5000. A los
30 días, se terminó el experimento.
145
Figura 99. Gasómetros almacenando biogás, por desplazamiento de agua.
5.2. Resultados digestión en 1 y 2 fases
5.2.1. Número de fases
Producción de biogás
Los resultados del número de fases sobre la producción promedio diaria de
biogás se muestran en la Figura 100.
146
Figura 100. Comparación producción diaria promedio de biogás, en
biodigestores de 1 y 2 fases.
Se observa que la producción de biogás es mayor cuando se utilizan dos fases,
en comparación a cuando se utiliza una sola fase.
Estadísticamente hay diferencia significativa (al 95% de confianza) entre la
producción de biogás en biodigestores de 1 Fase y de 2 Fases.
Calidad de biogás
Los resultados del número de fases sobre el contenido volumétrico de metano
en el biogás se muestran en la Figura 101.
147
Figura 101. Comparación contenido volumétrico de biogás, en biodigestores de
1 y 2 fases.
Se observa que el contenido volumétrico de metano es mayor cuando se utiliza
una sola fase, en comparación a cuando se utiliza dos fases. Sin embargo, no
existe diferencia estadísticamente significativa.
5.2.2. Pretratamiento térmico
Producción de biogás
Los resultados del pretratamiento térmico por torrefacción sobre la producción
promedio diaria de biogás se muestran en la Figura 102.
148
Figura 102. Comparación producción diaria promedio de biogás, en sustratos
con y sin pretratamiento térmico.
Se observa que la producción de biogás es mayor cuando se utiliza la
torrefacción. Sin embargo, no existe diferencia estadísticamente significativa.
Calidad de biogás
Los resultados del pretratamiento térmico sobre el contenido volumétrico de
metano en el biogás se muestran en la Figura 103.
Figura 103. Comparación cantidad de metano en el biogás, en biodigestores de
1 y 2 fases.
149
Se observa que el contenido volumétrico de metano es ligeramente superior
cuando se torrefacta la paja de arroz. Sin embargo, no existe diferencia
estadísticamente significativa entre los tratamientos.
5.2.3. Combinación de número de fases y pretratamiento
térmico
Producción de biogás
Los resultados de la combinación del número de fases y pretratamiento térmico
por torrefacción sobre la producción promedio diaria de biogás se muestran en
la Figura 104.
Figura 104. Combinación de número de fases y pretratamiento térmico sobre la
producción diaria promedio de biogás.
Se observa que la mayor producción se obtiene cuando se aumenta el número
de fases, y se torrefactan los sustratos lignocelulósicos.
150
Calidad de biogás
Los resultados de la combinación del número de fases y pretratamiento térmico
por torrefacción sobre el contenido volumétrico de metano se muestran en la
Figura 105.
Figura 105. Combinación de número de fases y pretratamiento térmico sobre la
producción diaria promedio de biogás.
No se observa algún patrón en los resultados. La mejor calidad de biogás se
obtuvo al torrefactar la paja de arroz, alimentándola a un biodigestor de una sola
fase. No existen diferencias estadísticamente significativas.
151
Figura 106. Analizador de gases.
5.3. Conclusiones
La digestión de materiales lignocelulósicos utilizando biodigestores de 2
fases, permite obtener producciones mayores de biogás, que utilizando
biodigestores de 1 fase.
El contenido volumétrico de metano en biodigestores de 1 o 2 fases es
similar.
La torrefacción no afecta en la cantidad ni en la calidad del biogás
producido.
152
Figura 107. Biodigestores con sustrato torrefactado (izquierda) y sin torrefactar
(derecha).
Subtarea 4.3. Comparativa métodos de refinado de biogás.
En la planta de biogás de la Universidad Católica de Santa María, de dos
cámaras, que trabaja en el rango mesofílico (37 ºC), el biogás que se obtiene
tiene la composición promedio mostrada en la Tabla 28.
Tabla 28. Composición volumétrica del Biogás en Biodigestor.
Descripción Valor
Metano (CH4) 41,9 %
Bióxido de Carbono (CO2) 36,2 %
Oxígeno (O2) 4,1 %
Sulfuro de Hidrógeno (H2S) 142 ppm
Otros 17,8 %
El contenido de H2S es reducido, porque en el biodigestor se le inyecta aire
(4% en volumen < 5% que es su LII) para eliminar el H2S. Este biogás es
153
almacenado en un gasómetro de membrana de PVC de 60 m3 de capacidad,
a presiones de hasta 200 mbar.
Para procesar este biogás, se utiliza un depurador con agua (Scrubber) y un
filtro Pressure Swing Adsorption (PSA) con zeolita.
5.4. Refinado del biogás
En la planta de biogás de la Universidad Católica de Santa María, de dos
cámaras, que trabaja en el rango mesofílico (37 ºC), el biogás que se obtiene
tiene la composición promedio mostrada en la ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia..
El contenido de H2S es reducido, porque en el biodigestor se le inyecta aire
(4% en volumen < 5% que es su LII) para eliminar el H2S. Este biogás es
almacenado en un gasómetro de membrana de PVC de 60 m3 de capacidad,
a presiones de hasta 200 mbar.
Para procesar este biogás, se utiliza un depurador con agua (Scrubber) y un
filtro Pressure Swing Adsorption (PSA) con zeolita
5.4.1. Remoción de CO2
Para remover el CO2 se utiliza un filtro de Lavado por Agua (Scrubber), formado
por dos torres metálicas huecas de 3,0 m de altura y 0,30 m de diámetro.
154
Figura 108. Filtro de CO2 tipo Scrubber (las dos torres de la izquierda).
El biogás procedente del gasómetro, se comprime a 10 bar, se le enfría en un
radiador con aire y se le alimenta por la parte inferior de la primera torre.
En la misma torre, y por la parte superior, se alimenta agua a 10 bar y 5 ºC de
temperatura.
155
Figura 109. Compresor de biogás (zona posterior) y bomba de agua (zona
delantera).
El biogás sube en el interior de la torre, y el agua fría baja. Para incrementar el
área de contacto agua:biogás, en el interior de la torre se han colocado anillos
de PVC de 1/2” de diámetro y 20 mm de largo. Finalmente, el biogás (con el CO2
removido) se extrae por la parte superior y el agua (con el CO2 disuelto en ella)
se extrae por la parte inferior.
Figura 110. Detalle de la zona superior de las torres del filtro Scrubber.
156
El agua extraída de la primera torre se alimenta por la parte superior de la
segunda torre. Por un lado, de la misma torre, se inyecta aire con un ventilador
soplador.
El aire extrae el CO2 del agua, regenerándola. Esta agua regenerada, se lleva
nuevamente a la bomba para ser presurizada y poder iniciar un nuevo ciclo de
limpieza.
El CO2 con el aire se expulsa hacia la atmósfera, por una tubería de 2 in de
diámetro.
Figura 111. Ventilador soplador en la segunda torre.
157
5.4.2. Remoción del vapor de agua y H2S
El biogás al que se le ha removido el CO2 se lleva ahora hacia un filtro tipo PSA
(Pressure Swing Adsorption). Este filtro tiene dos torres metálicas huecas de 2,5
m de altura y 0,20 m de diámetro.
En el interior de las torres se coloca Zeolita, la cual ocupa el 80% del volumen
total. Para evitar que la Zeolita sea arrastrada, se colocan filtros en la parte
superior de las torres.
Figura 112. Filtro PSA (las dos torres del fondo).
158
El biogás es alimentado por la parte inferior de una torre, a presiones de 6 bar.
El biogás atraviesa la zeolita, y está retiene el H2S y el vapor de agua.
Las torres trabajan en forma alternada: mientras una torre está filtrando, las
válvulas de la otra se abren para que entre en contacto con la atmósfera y la
zeolita se regenere.
Al cabo de un día de trabajo, el trabajo de las torres se invierte: la primera entra
en etapa de regeneración y la segunda realiza el filtrado.
Figura 113. Ingreso del biogás al filtro PSA (tubería metálica en la parte inferior
derecha) y válvulas de control.
159
Figura 114. Salida del biometano desde el filtro PSA (tubería metálica en la
parte superior) y válvulas de control.
Finalmente, el biogás que ahora tiene entre 90 a 95% de metano, se denomina
biometano. Este biometano se lleva a un tanque de almacenamiento de 1,0 m3
de capacidad.
Figura 115. Tanque de almacenamiento de biometano (tanque verde).
160
5.5. Resultados upgrading
En ensayos realizados en la planta en el período mayo a noviembre 2020, se
logró el biometano con los valores mostrados en la Tabla 29.
Tabla 29. Composición volumétrica del biometano.
Descripción Valor
Metano (CH4) 91,4 %
Bióxido de Carbono (CO2) 6,2 %
Oxígeno (O2) 1,3 %
Sulfuro de Hidrógeno (H2S) 2 ppm
Otros 1,1 %
161
6. Instituto Polo Tecnológico de Pando (IPTP) - Uruguay
De acuerdo con lo conversado en la reunión de coordinación de Arequipa, Perú
(2018), se obtuvieron muestras de sarmiento, paja de cereal y bagazo de caña,
biomasas consideradas de interés para todos los países socios. En el caso de
Uruguay se agregó madera de eucalipto, por tratarse de una biomasa residual
importante en nuestro país. Se realizó una torrefacción de estas muestras con el
fin de obtener aproximadamente 1 kg de torrefactado.
6.1. Materiales y métodos
Biomasas estudiadas: chips de Eucalyptus grandis (Instituto Nacional de
Investigación Agropecuaria, INIA, Tacuarembó), bagazo de caña de azúcar
(ALUR, Bella Unión), paja de trigo (Facultad de Agronomía, Udelar), sarmiento
de viñedos (Bodega Juanicó, Canelones).
La torrefacción se llevó a cabo en un horno rotatorio Nutrimentec Pirobiom4K.
Se cargó el horno con 0,5 a 1,5 kg de biomasa (según la densidad del material),
se hizo pasar una corriente continua de 1 LSPM de N2 0,9995% y se fijó la
velocidad de giro en 3,5 rpm. Se programó el horno para que alcanzara una
temperatura de 200 ºC y se mantuviera a esa temperatura durante 30 minutos.
Luego se dejó enfriar el conjunto en corriente de nitrógeno hasta temperatura
ambiente.
Se determinó el rendimiento del torrefactado en cada caso por pesada. Se
determinó la humedad de la biomasa de partida y del torrefactado final por
calentamiento en estufa a 105 ºC hasta peso constante. Se determinó el
contenido de cenizas de la biomasa de partida y del torrefactado final por
calentamiento en mufla a 550 ºC y atmósfera de aire, hasta peso constante.
162
6.2. Resultados
Se muestra en las siguientes figuras las biomasas utilizadas y los torrefactados
obtenidos.
Figura 116. Chips de madera de Eucalyptus grandis y torrefactado de los
mismos.
Figura 117. Bagazo de caña y torrefactado de bagazo de caña.
163
Figura 118. Sarmiento y torrefactado de sarmiento.
Figura 119. Paja de trigo y torrefactado de la misma.
En la siguiente Tabla 29 se presentan los resultados de humedad y contenido de
cenizas de las muestras
Tabla 29. Humedad y contenido de cenizas de las muestras de biomasa y los
correspondientes torrefactados.
Muestra Humedad (%, bh) Cenizas (%, bs)
Sarmiento 12,67 3,68
Torrefactado de sarmiento 10,15 4,11
Bagazo 52,47 1,58
Torrefactado de bagazo 7,34 4,14
Chips 17,39 0,50
164
Torrefactado de chips 6,04 0,56
Paja 10,32 9,29
Torrefactado de paja 2,65 10,40
A continuación (Tabla 30), se presentan las condiciones de torrefacción y los
rendimientos obtenidos.
Tabla 30. Condiciones y resultados de las torrefacciones realizadas (tiempo 30
min, velocidad de giro 3,5 rpm).
Muestra Temperatura
(ºC)
Masa
inicial
(bh, kg)
Masa
final (bh,
kg)
Rendimiento
(%, bh)
Rendimiento
(%, bs)
Chips de
eucalipto 200 ± 5 1,50 0,99 60,1 80,0
Bagazo-1* 200 ± 9 1,63 0,65 40,0 84,1
Bagazo-2 200 ± 15 1,67 0,59 35,1 73,8
Sarmiento 200 ± 3 1,51 1,28 84,8 97,1
Paja-13 200 ± 8 0,77 0,64 82,9 92,4
Paja-2 200 ± 5 0,76 0,61 80,1 89,3
6.3. Conclusiones
Se obtuvieron torrefactados para todas las biomasas utilizadas.
La temperatura del horno osciló en un máximo de 15 ºC con respecto a la
temperatura fijada de 200 ºC en un solo caso; la oscilación fue de entre 5 y 9 ºC en
los demás casos. Esto es debido a la inercia del horno, que a bajas temperaturas
resulta más difícil de controlar.
Los rendimientos de torrefacción en base húmeda estuvieron entre 35-40%
(bagazo) y 85% (sarmiento), probablemente debido a la composición del material
3 Fue necesario repetir la torrefacción para obtener más de 1 kg de torrefactado
165
de partida y naturalmente a la diferencia de las humedades de las biomasas.
Considerado en base seca, el rendimiento aumentó en forma importante,
resultando de entre 74% (bagazo) y 97% (sarmiento). Para los casos de
rendimiento en base seca más altos (sarmiento) se puede considerar que la
biomasa se vio poco afectada, aunque aun así se notan diferencias en los valores
de humedad y contenido de cenizas entre la biomasa y el torrefactado
correspondiente.
La humedad disminuyó sensiblemente al torrefactar (sobre todo en el caso del
bagazo y de la paja, cerca de 7 veces para el bagazo y casi 4 veces para la paja),
en tanto el contenido de cenizas aumentó con la torrefacción, también según lo
esperado, debido a la concentración de la ceniza de partida por pérdida de volátiles.
166
SECCIÓN II: Subtarea 4.4. Selección proceso óptimo de tratamiento
167
7. Selección del proceso óptimo de tratamiento
El Grupo Serrano, en Lagos de Moreno México, a través de su filial Brimex
Energy y en alianza con Transportadora Tralisol han apostado, tras conocer los
resutados del proyecto BIOMETRANS, por la generación de biometano a partir
del biogás para uso vehicular, promoviendo así la movilidad vehicular
sustentable en México.
En sus instalaciones, el Grupo Serrano contaba ya con un biodigestor en una
fase que producía aproximadamente unos 2.000 m3 biogás/día pero cuya
producción podría ascender hasta los 3.000 m3 biogás/día (Figura 120). Se optó
por seguir con este modelo de digestión en una fase.
Figura 120. Biodigestor.
Los residuos orgánicos utilizados para alimentar el biodigestor proceden del
residuo líquido del lacto suero propio de Grupo Serrano y la cría de cerdos y la
agricultura. La composición óptima de la mezcla fue la definida por CIATEJ en
sus ensayos en el marco de este proyecto (Apartado 4.2).
De la cría de cerdos se generan 25 t/d de purines que se alimentan al biodigestor
mediante un sistema de bombas y tuberías (Figura 121). El lactosuero proviene
de una fábrica de quesos cercana perteneciente también a Grupo Serrano.
168
Figura 121. Entrada de alimentación al biodigestor.
Posteriormente a la digestión anaerobia de la mezcla de residuos orgánicos, las
instalaciones cuentan con una balsa de oxidación del digestato y una laguna de
las aguas tratadas, como se puede ver en la Figura 122.
Figura 122. Balsa de oxidación de digestato y laguna de aguas tratadas.
Por otro lado, la corriente de salida de biogás del digestor es acondicionada
mediante un equipo que cuenta con antorcha de emergencia como sistema de
seguridad debido a la inflamabilidad del metano contenido en el biogás (Figura
123 y Figura 124).
169
Figura 123. Sistema de acondicionamiento del biogás.
Figura 124. Antorcha de emergencia.
En el marco de BIOMETRANS, Grupo Serrano ha construido un sistema de
refinado (upgrading) de biogás basado en la tecnología testada por UCSM en el
marco del proyecto.
El biogás producido en la digestión anaerobia se conduce a la nueva unidad de
procesamiento para la obtención de biometano. La instalación cuenta con
sistemas de calefacción y enfriamiento, limpieza y reciclaje de agua, columnas y
filtros de eliminación de CO2 (95-98%) y otras impurezas, sistema de secado del
170
gas y el sistema de compresión del biometano, como se expone en la Figura
125.
Figura 125. Sistema de lavado de gases de la empresa Brimex Energy,
El sistema de gestión y operación de la instalación es el siguiente:
El sistema de producción de biometano en BRIMEX es un proceso en mejora
continua basado inicialmente a partir de residuos de un rancho porcícola donde
se realiza la crianza y engorde de aproximadamente 20,000 cerdos por contrato
de aparcería con una empresa de alcance nacional. De esta actividad se
producen alrededor de 25 toneladas por día de excreta porcina, las cuales se
destinan a dos biodigestores para ser tratadas. Biodigestores de 20 m x 30 m, 5
m de profundidad y 1 m de talud, aproximadamente.
Con la finalidad de aumentar el rendimiento de producción de biogás, se
aplicaron los resultados obtenidos en trabajos previos en laboratorio (reportados
en Tarea 4 del proyecto BIOMETRANS), a través de un estudio de codigestión
con lactosuero ácido y excretas de cerdo, donde se identificó que una mayor
171
sinergia de estos dos sustratos se logra en una proporción de 50%/50% en
volumen (Figura 126)
Figura 126. Sinergia en producción de biogás Lactosuero/ Excretas, en
laboratorio.
En base a los resultados obtenidos, se procedió a realizar mejoras en el sistema
de producción de biogás. Se realizó la instalación de un sistema de mezclado y
homogenización con el apoyo de propelas adecuadas con los volúmenes de
trabajo que permite una alimentación controlada de mezcla de sustratos en la
entrada del biodigestor (Figura 127).
Figura 127. Sistema de homogenización de sustratos.
Además de realizar mejoras en la alimentación de sustratos en el biodigestor en
operación, se adecuó un sistema de concentradores solares parabólicos lineales
(Power Trough 110®), para promover que el sistema se localice dentro del rango
Tiempo (horas)
172
de temperatura mesófilo/termófilo para la producción de biogás. Por medio de un
intercambiador de calor y sistema de bombas se garantiza la calefacción y
homogenización del contenido del biodigestor, Paneles termosolares (en reposo)
e intercambiador de calor.
Figura 128. Paneles termosolares (en reposo) e intercambiador de calor.
El sistema instalado de preseurización del biometano se detalla en la siguiente
Sección III.
Conclusiones
- De entre las opciones de digestión en una o dos fases, se ha optado por
digestión en una fase ya que era el sistema que estaba operativo en el Grupo
Serrano. Se valoró trabajar en dos fases, pero esta opción al final se descartó
porque los rendimientos que se estaban obteniendo trabajando en una fase eran
adecuados.
- Como elemento de mejora del proceso, en vez de recurrir a pretratamientos de
la biomasa que obligaban a contar con nuevas intalaciones, se optó por codigerir
el estiércol con lactosuero, aprovechando que ambas corrientes se generaban
en puntos cercanos y que su digestión combinada mejoraba el rendimiento global
del sistema.
- En cuanto a la selección del proceso de upgrading para el biogás, la empresa
optó por aquella tecnología, de las testadas en el proyecto, que más respaldo
comercial y referencias tenía, como era el scrubber a presión (PSA). La
173
tecnología de contactores de membranas se descartó, a pesar de sus buenos
rendimientos, por no estar aún muy desarrollada a nivel industrial.
174
SECCIÓN III: Subtarea 4.5. Evaluación del sistema de embotellado del biometano
175
8. Evaluación del sistema de embotellado de biometano
En este apartado se detallan las características de los dos sistemas de
embotellado de biometano empleados en el proyecto BIOMETRANS.
Sistema instalado en planta piloto de UCSM:
El biogás en la instalación de UCSM en Perú se produce a bajas presiones,
generalmente del orden de 0,1 a 0,2 bares. Para filtrar el CO2 y vapor de agua,
H2S, se suele comprimir el biogás a presiones de 5 a 10 bar. En consecuencia,
se puede asumir que el biometano que se obtiene del proceso de filtrado tiene
una presión promedio de 7 bar. La densidad del biometano a esta presión es de
6,98 kg/m3, que es una densidad baja, inapropiada para aplicaciones industriales
(Figura 129), por ello, se presuriza y envasa el biometano para aumentar su
densidad.
Figura 129. Variación de la densidad (kg/m3) en biometano con 95% de CH4
(BM-95), temperatura (25°C).
Para aprovechar la infraestructura existente, lo que se hace comúnmente es
utilizar los balones metálicos de Gas Natural Vehicular (GNV) que en Perú tienen
una capacidad desde 15 hasta 200 litros. La presión empleada para el envasado
176
del GNV es de 200 bar. La densidad del biometano a esta presión es de 175
kg/m3 (Figura 129).
Presurización del biometano
Los compresores utilizados para la compresión del biometano pueden ser de
membrana, de pistón o de tornillo (Figura 130 y Figura 131).
Figura 130. Compresor de tornillo (izquierda) y de pistón (derecha).
Figura 131. Compresor de diafragma.
Los compresores más recomendables son los de diafragma, pero su alto costo
hace que generalmente se prefieran los de pistón.
En la planta de biometano de la Universidad Católica de Santa María (UCSM),
se utiliza un compresor de pistón de 4 etapas (Figura 132).
177
Figura 132. Compresor de Biometano (azul).
El sistema de compresión de la planta de biometano de la UCSM, toma el
biometano ya filtrado (desde el scrubber) y lo lleva hacia un tanque de 1 m3 de
capacidad y de baja presión.
Desde este tanque de baja presión, el biometano puede ser envasado en
balones de baja presión (a 7 – 9 bar) o derivado hacia un tanque de alimentación
de alta.
Desde el tanque de alimentación de alta, de 100 litros de capacidad, el
biometano se alimenta al compresor de alta presión.
El esquema del sistema se muestra en la Figura 133.
178
Figura 133. Sistema de compresión de biometano de la UCSM.
El compresor de alta presión marca DIDWANIA modelo SF-5/200 que utiliza la
planta de compresión de biometano, es diseñado en India y fabricado en China.
Este dispositivo electromecánico tiene una potencia de 4 kW, y permite
comprimir gas natural y biometano.
Las características de operación se muestran en la Figura 134.
Figura 134. Características de operación del compresor de biometano de la
UCSM.
El esquema gráfico de las 4 etapas del compresor se muestra en la Figura 135.
179
Una vez que el biometano ha sido comprimido, se le lleva a un filtro de aceite
para remover el aceite que pueda haber absorbido del sistema.
Finalmente, antes de ser enviado al sistema de llenado, pasa por un segundo
filtro para remover el agua.
Asimismo, dispone de una válvula de seguridad.
Figura 135. Esquema gráfico del conjunto de compresores mostrando sus
componentes principales (cárter, cigüeñal, cilindro, pistón para gas, válvulas de
admisión y de descarga) del sistema de compresión DIDWANIA modelo SF-
5/200 de la Planta de compresión de biometano de la UCSM.
Equipo para el almacenamiento del biometano
En el Perú, los dos sistemas de presurización de biogás/biometano, que se
utilizan en la actualidad son:
Baja presión
Se utilizan los cilindros o balones metálicos de gas propano o GLP, según la NTP
111.019.
180
La presión de prueba de los tanques es de 17 bar y su resistencia máxima es de
20 bar ya que son electrosoldados.
Alta presión
Se utilizan cilindros o balones metálicos de Gas Natural Vehicular. Tienen
diversas capacidades: 15, 55, 200 litros.
La presión de prueba de los tanques es de 250 bar y su resistencia máxima es
de 300 bar.
Los tanques son pesados y usualmente son fabricados en acero comercial con
un espesor de pared no menor a 12 mm (0,5 pulgadas).
Sistema de llenado
Una vez que se dispone del biometano a alta presión, este debe de ser envasado
en los balones metálicos.
Según la norma NTP 111.019 las tuberías y conexiones deben ser rígidas y
cumplir con la norma ANSI/ASME 31.1 o ANSI/ASME 31.3 cuya capacidad es
de 250 bar (25 MPa). También permite el empleo de mangueras de alta presión
según ANSI/IAS NGV 4.2:1999-CSA 12.52:M99 por lo que el llenado de cilindros
cumple con la norma ISO 9809-1 o ISO 9809-2 o bien Código ASME Sección
VIII División 1 cuyos ensayos están en la norma NTP 111.013.
181
Figura 136. Sistema de llenado NZ-AC STAG en la marca WEH alemana bajo
normatividad NGV1 estándar e ISO 14469 usado para balones de 200 bar
Aunque los sistemas comerciales usan sistemas de llenado NZ, el sistema
utilizado en la planta de la UCSM ha sido adoptado del fabricante AC-STAG en
la marca WEH alemana, la cual cumple la norma NGV1 estándar e ISO 14469-
1 y 3 de igual exigencia que la nuestra y que por ser un modelo plug-on resulta
de bastante practicidad como lo muestra la Figura 136.
Actualmente existen muchas normas que regulan el transporte y
almacenamiento de gas y entre las más importantes se tienen: CSA, UL, ISO,
ECE, NFPA, NGV1.1, NGV4.2, NGV4.4 y ANSI.
182
Figura 137. Llenado de Biometano en tanque de 55 litros, a 200 bares.
Conclusiones
Se dispone de un sistema que permite presurizar a 200 bares, el
biometano con contenido mínimo de CH4 de 95% en volumen.
El biometano se presuriza en un compresor de pistones, de 4 etapas.
El biometano se almacena en balones metálicos de baja presión (8 bares)
o alta presión (200 bares).
Para llenar el biometano a alta presión, se utiliza una boquilla NZ-AC
STAG en la marca WEH alemana bajo normatividad NGV1 estándar e ISO
14469.
183
Sistema instalado en planta industrial de Grupo Serrano
Presurización del biometano
Debido a que el sistema de Grupo Serrano ha incrementado notablemente su
capacidad de producción con el nuevo modelo de codigestión de purín con
lactosuero, y que el aprovechamiento del biogás se ha realizado por etapas (en
la actualidad se aprovecha aproximadamente una cuarta parte del biogás
producido y tres cuartas partes son quemados en una antorcha, ver Figura 138)
próximamente se adecuará la capacidad de aprovechamiento con la de
producción con varias alternativas que se desglosan más adelante.
Figura 138. Antorcha para la quema de excedentes de biogás.
El biogás que se obtiene del biodigestor, es procesado mediante lavados a
contracorriente con agua fría en columnas empacadas, ver Figura 139 y Figura
140.
Figura 139. Bobeo de gas al sistema de lavado (presión del sistema a 4 bar).
184
Figura 140. Bobeo de gas al sistema de lavado (presión del sistema a 4 bar).
El CO2 es lavado con un sistema a contracorriente con agua fría a 7 °C. En las
columnas empacadas a 4 bar en serie. En este sistema se secuestra el CO2 y el
ácido sulfhídrico. Posteriormente, se pasa a un sistema de separación de
condensados (Figura 141). Seguido de un analizador de gases donde se registra
en promedio un porcentaje de 92 a 96% de metano.
Figura 141. Sistema de separación de condensados.
Previo a la compresión del biometano, éste se seca con alúmina (Figura 142 , se
muestra la columna abierta durante la alimentación de la alúmina).
185
Figura 142. Sistema de secado de biometano (instalación de alúmina).
Finalmente, el biometano es despresurizado durante el secado y alimentado a
una presión de 30 mbar a un compresor comercial Coltri (Figura 143).
Figura 143. Compresor (250 bar con presión de entrada de 30 mbar).
Compresor de alta presión para gas metano CNG-NGV:
Coltri CNG EVO MCH-14 ET4
Capacidad: 265 litros / minuto
Presión de trabajo: 200 o 250 bar
4 https://www.holugt-sauer.com/en_GB/a-45580784/cng-compressors/coltri-mch-5-10-14-19-
cng-evo-compressor/#description
186
Accionamiento del compresor: motor eléctrico trifásico
Peso: 180 Kg
Una contribución importante de la empresa BRIMEX, es el desarrollo de un
sistema de control automatizado (desarrollo propio de la empresa) donde se lleva
registro y control de las operaciones (Figura 144). Se registra la presión en los
tanques, así como las columnas de absorción con sistemas de alarmas y que
puede ser controlado a distancia vía Wi-Fi mediante aplicación disponible
también en celular. Se regula la inyección a un flujo de 15 m3/hora de gas en las
columnas. Actualmente se encuentran en periodo de optimización del sistema ya
que antes tenían un compresor de menor capacidad, de 6 m3/h. Se genera
información en formato Excel. El software propio ya es escalable para ser
transferido a otros sistemas.
Figura 144. Sistema de monitoreo y control del proceso.
Equipo para el almacenamiento del biometano
En BRIMEX básicamente el proceso de presurización se realiza a una presión
entre 200 a 250 bar.
Baja presión
No se almacena a baja presión el biometano obtenido. Existen variaciones de
presión durante el proceso que es de aproximadamente 4 bar en el sistema de
lavado.
187
Alta presión
Se utilizan tanques de almacenamiento temporal y para suministro vehicular
(Figura 145).
Figura 145. Sistema de tanques de gas comprimido (250 bar) para surtido de
biometano vehicular.
Sistema de llenado
El grupo Serrano en la actualidad dispone de tres camionetas adaptadas para el
uso de gas natural, ver Figura 146.
Figura 146. Vehículo reconvertido a gas natural.
En planta se ha implementado un protocolo de llenado de vehículos análogo a
una estación de gas natural vehicular comercial, ver Figura 147.
188
Figura 147. Suministro de biometano a vehículo reconvertido a gas natural.
Precisamente, el día 18 de septiembre de 2020 arribó a la empresa un camión
recientemente adquirido, ver Figura 148. Se trata de un camión SITRAK5.
SITRAK es la nueva marca de camiones de MAN y SINOTRUK.
La empresa MAN es dueña del 25% de la empresa SITRAK que construye
vehículos de origen a gas natural. Vehículo con 430 caballos de fuerza y 1400
libras-pie de torque, con 12 tanques de 2000 litros en total, pero se almacena
solamente la cuarta parte, es decir500 litros a 200 bares, que confieren una
autonomía de 950 a 1000 km.
Figura 148. Camión Sitrak construido de origen a gas natural.
5 https://www.transporteprofesional.es/noticias-fabricantes/marcas-camion/man-truck/sitrak-la-
nueva-marca-de-camiones-de-man-y-sinotruk
189
Finalmente, se dispone de un motogenerador recientemente adquirido que será
incorporado próximamente en el sistema, ver Figura 149.
Figura 149. Motogenerador recientemente adquirido.
Se realizó un muestreo de gas en tres puntos del sistema obteniéndose un
contenido de metano de al menos 95.5% (Figura 150).
Figura 150. Muestreo de gases.
Conclusiones
Se han aplicado conocimientos generados durante la ejecución del
proyecto BIOMETRANS y se han realizado adecuaciones al biodigestor
modelo.
Se dispone de un sistema que permite presurizar a 250 bares, el
biometano con contenido mínimo de CH4 de 95.5% en volumen.
190
La empresa BRIMEX ha desarrollado un sistema de control para el lavado
y compresión del biometano obtenido.
El biometano se almacena en tanques de alta presión (250 bares).
Se dispone de tres camionetas reconvertidas a gas natural.
Se ha adquirido un camión que de origen funciona con gas natural y que
será alimentado con el biogás producido por el sistema modelo de la
empresa.
Se adquirió un motogenerador que próximamente se adaptará al sistema
de producción de biometano para su conversión en electricidad.