1. UNIVERSIDAD CATOLICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
“ANALISIS DE PROYECTO I - IQB71-1”
AVANCE DE PROYECTO
Tema:
“PRODUCCIÓN DE BIOGÁS”
Integrantes:
Eloy Castro V.
Felipe Sepúlveda B.
Profesora:
Jubitza Reyes K.
Fecha entrega avance:
Lunes 01 de Julio de 2013.

2. CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 3
OBJETIVOS ........................................................................................................................................... 4
DEFINICIÓN DEL PROCESO .................................................................................................................. 5
Hidrolisis .......................................................................................................................................... 6
Etapa fermentativa o acidogénica .................................................................................................. 7
Etapa acetogénica ........................................................................................................................... 7
Etapa metanogénica........................................................................................................................ 8
DEFINICIÓN DEL PRODUCTO ............................................................................................................. 11
ESTUDIO DE MERCADO ..................................................................................................................... 13
Gas Natural.................................................................................................................................... 13
Gas licuado de petróleo ................................................................................................................ 14
Biogás ............................................................................................................................................ 14
Energía Eléctrica ............................................................................................................................ 14
Bibliografía ........................................................................................................................................ 16
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3. INTRODUCCIÓN
Las energías renovables no convencionales, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generan
impactos ambientales significativamente inferiores a las fuentes convencionales de energía, y
contribuyen a los objetivos de seguridad de suministro y sustentabilidad ambiental.
El biogás es una mezcla gaseosa que se produce como resultado de la descomposición anaeróbica
de los residuos orgánicos, debido a la actividad de diferentes grupos microbianos, generando
reacciones similares a las producidas en los estómagos de animales y humanos.
Se extrae biogás desde rellenos sanitarios, desde plantas de tratamiento de aguas sanitarias y
diversos digestores, que pueden ser instalados tanto a pequeña como gran escala.
Tabla 1: Tipos de energía considerados como renovables no convencionales.
Categoría
Biomasa – Biogás
Biomasa Combustión directa
Geotérmica
Hidráulica menor
Solar fotovoltaica
Solar térmica
Energía de los océanos
Eólica
ANALISIS DE PROYECTO I - IQB71-1
Tipo de tecnología
Producción de electricidad y calor a partir de gas
derivado de la biomasa biometanizada, por
ejemplo de rellenos sanitarios o plantas
anaerobias de tratamiento de residuos.
Producción de electricidad y calor a partir de la
incineración de residuos de biomasa, como
madera, residuos agrícolas, RSU y otros.
Producción de electricidad y/o calor a partir de
energía geotérmica
Centrales hidroeléctricas pequeñas
Generación de energía eléctrica (celdas solares
fotovoltaicas)
Electricidad o calor mediante energía solar térmica
Producción de electricidad a partir de la energía de
las olas, mareas o corrientes marinas
Electricidad generada por turbinas eólicas
(aerogeneradores)
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4. OBJETIVOS



Producir biogás a partir de materia orgánica proveniente de una población aproximada de
500 personas.
Reducir materia orgánica contaminante.
Realizar un análisis técnico y económico de la instalación de una planta generadora
de biogás.
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5. DEFINICIÓN DEL PROCESO
Para llevar a cabo la definición del proceso sobre la producción de biogás, debemos tener en claro
que éste se basa en un proceso biológico que transcurre en ausencia de oxígeno (tratamiento
anaerobio), a través de una serie de reacciones bioquímicas, de la materia orgánica contaminante, en
un gas cuyos componentes principales se indican en la tabla y en una suspensión acuosa de
materiales sólidos (lodos).
La composición del biogás es muy variada. En general se considera la siguiente composición:
Tabla 2: Composición promedio del biogás.
Tabla 3: Características generales del biogás.
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6. Por ende, el proceso a considerar, sería el siguiente (viéndolo cómo caja negra):
Figura 1: Diagrama general de la elaboración de biogás.
La digestión anaeróbica es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas
que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. De hecho, muchas
de estas reacciones ocurren de forma simultánea.
Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de
descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases o etapas:




Hidrólisis
Etapa fermentativa o acidogénica
Etapa acetogénica
Etapa metanogénica
Hidrolisis
La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los microorganismos a
menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la pared celular. La
hidrólisis es el primer paso necesario para la degradación anaeróbica de sustratos orgánicos
complejos. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que proporciona sustratos orgánicos para la
digestión anaeróbica. La hidrólisis de estas moléculas complejas es llevada a cabo por la acción de
enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolíticos.
La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todo
cuando se tratan residuos con alto contenido de sólidos. Además, la hidrólisis depende de la
temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición bioquímica del
sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del
nivel de pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los productos de la hidrólisis.
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7. Etapa fermentativa o acidogénica
Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos
que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico, H2) y
compuestos orgánicos más reducidos (propiónico, butírico, valérico, láctico y etanol
principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas en la siguiente etapa del
proceso. La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no sólo radica en el hecho que
produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan posteriormente, sino que, además
eliminan cualquier traza del oxígeno disuelto del sistema.
Este grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaeróbicas obligadas,
colectivamente denominadas bacterias formadoras de ácidos.
Tabla 4: Bacterias involucradas en etapa fermentativa.
Tipo de bacterias
Homoacetogénicas
Acetogénicas
Función
Formación de acetato como único metabolito, a
partir de la fermentación de azúcares, formato o
la mezcla gaseosa H2-CO2.
Formación de acetato, CO2 e hidrógeno, a partir
de alcoholes, ácidos grasos volátiles y algunos
compuestos aromáticos.
Etapa acetogénica
Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente por los
organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles y algunos
compuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, como acetato
(CH3COO-) e hidrógeno (H2), a través de las bacterias acetogénicas. Representantes de los
microorganismos acetogénicos son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.
Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos. Este tipo
de bacterias son capaces de crecer heterotróficamente en presencia de azúcares o compuestos
monocarbonados (como mezcla H2/CO2) produciendo como único producto acetato. Al contrario
que las bacterias acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como resultado de su metabolismo,
sino que lo consumen como sustrato. Según se ha estudiado, el resultado neto del metabolismo
homoacetogénico permite mantener bajas presiones parciales del hidrógeno y, por tanto, permite la
actividad de las bacterias acidogénicas y acetogénicas.
Los principales microorganismos homoacetogénicos que han sido aislados son Acetobacterium
woodii o Clostridium aceticum.
A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaeróbicas han extraído todo el alimento de la
biomasa y, como resultado de su metabolismo, eliminan sus propios productos de desecho de sus
células. Estos productos, ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar como sustrato las
bacterias metanogénicas en la etapa siguiente.
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8. Etapa metanogénica
En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los productos
resultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados
como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los
responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los
grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización.
Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica mediante la
formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por
un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.
Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea y tienen características
comunes que los diferencian del resto de procariotas.
Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del sustrato principal que
metabolizan: hidrogenotróficos, que consumen H2/CO2 y fórmico y acetoclásticos, que consumen
acetato, metanol y algunas aminas.
Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaeróbicos se forma a partir
de la descarboxilación de ácido acético, a pesar de que, mientras todos los organismos
metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sólo dos géneros pueden
utilizar acetato. Los dos géneros que tienen especies acetotróficas son Methanosarcina y
Methanothrix. El metano restante proviene de los sustratos ácido carbónico, ácido fórmico y
metanol. El más importante es el carbónico, el cual es reducido por el hidrógeno, también producido
en la etapa anterior.
Las bacterias, que intervienen en este proceso son:

Bacterias metanogénicas hidrogenofílicas: Utilizan el hidrógeno producido para reducir
el CO2 en CH4.
𝐶𝑂2 + 4𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 2𝐻2 𝑂

Bacterias metanogénicas acetoclásticas: Estás transforman el acetato en CH4 y contribuye
con el 70% de la producción de metano en los digestores.
En conclusión, la producción de metano, que es nuestra principal materia prima a generar, depende
principalmente de los siguientes factores:





Temperatura (dependiendo de las bacterias a utilizar).
Tiempo de retención.
Tiempo de materia prima.
Contenido de humedad.
pH (7.0 ~ 7.2).
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9. Destacando lo anteriormente, procedemos a destacar el diseño del proceso anaeróbico de contacto
(PAC), el cual se compone de un reactor anaeróbico de tipo convencional con agitación, donde se
pone en contacto el efluente que alimenta el reactor con la biomasa anaeróbica que existe dentro del
mismo. Esto permite que los compuestos orgánicos solubles y coloidales se degraden en primer
término, con un TRH (tiempo de retención hidráulico) de 12 a 24 horas. Los microorganismos son
capaces de adherirse a las partículas formando sólidos sedimentables en el proceso. La eficiencia de
este sistema está estrechamente ligada con la buena sedimentación que se logre en el decantador,
para lo cual puede colocarse un desgasificador antes de la entrada del líquido en tratamiento al
decantador. El desgasificador permite remover las burbujas de biogás (CO2 y CH4) adheridas a las
partículas del lodo, permitiendo su mejor sedimentación. En caso contrario, el lodo tiende a flotar
en la superficie. La fracción de sólidos sedimentables que llega con el efluente de alimentación
junto con la biomasa activa se retira en un decantador, ubicado después del reactor anaeróbico
(decantador secundario). El lodo obtenido se concentra y recircula nuevamente hacia el reactor.
Esto posibilita que el TRS (tiempo de retención de sólidos) en el sistema sea del orden de 25 a 40
días, produciendo la hidrólisis de los sólidos y su posterior mecanización.
El líquido claro que sale por la parte superior del decantador se puede derivar hacia una etapa final
de tratamiento aeróbico a fin de realizar una depuración adicional, reincorporar oxígeno disuelto en
el líquido tratado, previo a su vertido a un curso receptor (Ver Figura 2).
Figura 2: Proceso de elaboración de biogás.
El PAC es particularmente útil para corrientes con alta carga de sólidos suspendidos. La
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10. Concentración de biomasa típica de un reactor es de 4 – 6 g/L, con concentraciones máximas
alcanzando 25 – 30 g/L, dependiendo de la habilidad para decantar del lodo. La tasa de carga varía
entre 0.5 a 10 kg DQO/m3.día.
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11. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO
Cómo ya sabemos que debemos obtener CH4, podemos calcular la composición del gas producido,
denominado NOM (número de oxidación medio), qué es la carga que tomaría si se provocase la
ionización completa de la molécula:
𝐶 𝑥 𝐻 𝑦 𝑂𝑧 𝑁 𝑇
𝑁𝑂𝑀 =
(2𝑍 + 3𝑇 − 𝑌)
𝑥
El uso de este concepto permite determinar %CH4 y CO2, luego de la metabolización completa de
un compuesto cualquiera. Por ejemplo:
CXHYOZNT + (4X – Y + 2Z + 3T)e- + (4X – Y + 2Z + 3T)H+  XCH4 + ZH2O +TNH3
Luego, la oxidación a CO2:
CXHYOZNT + (2X - Z)H2O  TNH3 + (4X + Y - 2Z - 3T)e- +  (4X - 2Z + Y - 3T)H+
Y al ajustar, estas ecuaciones:
𝐶𝐻4 = 𝑋 (4X – 2Z + Y – 3T) = 4 − NOM
𝐶𝑂2 = X(4X + 2Z − Y + 3T) = 4 + NOM
Por ende, la composición y definición de nuestro producto deseado es:
1
2
% 𝐶𝐻4 = ( −
𝑁𝑂𝑀
) ∗ 100
8
3
𝐷𝑄𝑂
𝑁𝑂𝑀 = 4 − ∗ (
)
2
𝐶𝑇
Ahora, ¿qué es la DQO? Es la demanda química del oxígeno, la cual se define como la cantidad de
oxígeno necesaria para la oxidación de toda la materia orgánica y compuestos oxidables contenidos
en un volumen de muestra.
Por ende, la cantidad de CH4 producido puede relacionarse con la cantidad de sustrato estabilizado,
debido a que la demanda teórica de oxígeno eliminada del residuo es igual a la demanda de los
productos.
𝐷𝑄𝑂 𝐴 = 𝐷𝑄𝑂 𝐸 + 𝐷𝑄𝑂 𝑀 + 𝐷𝑄𝑂 𝑃 ± 𝐷𝑄𝑂 𝐴𝐶
Donde:
A = Alimentación
E = Efluente
M = Microorganismos
P = Productos
AC = Acumulación
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12. Pero, en la práctica, el CH4 representa entre el 85-95% de la DQO eliminada y entre un 5-10% de la
biomasa: CH4  346-360 L/kg DQO eliminada.
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13. ESTUDIO DE MERCADO
Los gases combustibles se utilizan para la producción de energía térmica a través de su
combustión. Existen distintos tipos de gas combustible, entre los cuales destacan: gas natural,
gas licuado de petróleo (GLP), biogás, gas ciudad, gas de leña y gas de síntesis.
Gas Natural
El gas natural está compuesto principalmente por gas metano – su composición oscila entre un 8099% -. En Chile, las características que debe cumplir el gas natural están definidas por el Instituto
Nacional de Normalización, NCh2264.Of2009. Es importante destacar algunas de las ventajas del
uso de gas natural, por ejemplo: en comparación con el carbón, si bien es un combustible menos
económico, una central de ciclo combinado a gas natural emite 130% menos que una de carbón.
El gas natural se comercializa y distribuye de tres formas: gas natural licuado, gas natural
comprimido y gas natural vehicular. En Chile, el mercado de gas natural vehicular es bastante
pequeño en comparación con los otros dos.
Figura 3: Consumo Nacional de Gas Natural según clientes entre el año 2006 y 2011. Fuente:
CNE.
Con respecto a las tarifas –para clientes- del gas natural, Chile ha experimentado fuertes alzas
los últimos años. Lo anterior ha sucedido principalmente por una falta de abastecimiento por la
crisis con Argentina. Como se puede observar en el gráfico del precio del gas natural para la
RM, éste ha crecido en más de un 100% en los últimos diez años. Esto además, siguiendo la
tendencia de los distintos combustibles fósiles, que en los últimos diez años han doblado o
triplicado su precio – El barril de petróleo aumentó su precio en un 250% entre mayo del 2002
y mayo del 2012-.
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14. Gas licuado de petróleo
El GLP es un gas combustible en estado líquido. El proceso utilizado para obtenerlo es la
destilación fraccionada del petróleo, pero también se puede obtener separándolo del gas natural.
Su composición es principalmente de butano y propano, la cual varía según región. Chile - a
través de la ENAP - produce GLP abasteciendo parcialmente el mercado nacional, el resto del
mercado es provisto por importaciones provenientes principalmente desde Argentina y Puerto
Rico – según la CNE -. Las empresas importadoras de GLP son: ENAP, Gasmar S.A. Norgas
S.A., Empresa Lipigas S.A., Gasco S.A. y Abastible S.A. Además, las últimas tres empresas
son envasadoras y/o distribuidoras de GLP. Según GLP CHILE, la producción de GLP
asciende a las 500.000 toneladas anuales. Con respecto a las importaciones, se puede observar
en el gráfico volumen y precio de importaciones de GLP en Chile, para el año 2011 estas
superaran las 780.000 toneladas anuales a un precio – CIF – promedio de 17,8.
Figura 4: Gráfico volumen y precio de importaciones de GLP en Chile. Fuente: CNE.
Biogás
La última cifra pública con respecto al consumo de biogás en Chile, afirma que para energía
primaria y secundaria se utilizan aproximadamente 190 millones de m³ de biogás, de los cuales gran
parte es incinerado en antorchas. Si comparamos este número con la demanda de gas natural en
Chile del 2011(4.500 millones de m³ de gas), queda claro que la oferta de éste en Chile es mínima.
Existen distintos tipos de proyectos de biogás en Chile: Aguas Servidas, Agroindustria y
Vertederos. La mayor del biogás de estos proyectos es producido como subproducto y se queman en
antorchas. Otros proyectos tienen una mayor valorización del producto e incluso llegan a inyectar
energía eléctrica al sistema interconectado. Alternativamente, algunos proyectos venden energía
térmica a industrias cercanas.
Energía Eléctrica
El mercado eléctrico en Chile se separa en tres actividades funcionales: generación, transmisión y
distribución. El estado hace su parte en fiscalización, regulación y planificación del sistema, pero
son empresas privadas las que se encargan de hacer funcionar este sistema como tal. Las altas
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15. barreras de entrada y costos de inversión han resultado en una industria sumamente concentrada,
donde por ejemplo en el SIC aproximadamente 90% de la potencia instalada está cubierto por
Endesa, Colbún y AES Gener.
Figura 5: Distribución porcentual Unidades Generadoras SIC 2011. Fuente: CNE.
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16. Bibliografía

R. Chamy y E. Vivanco, «IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS DISTINTOS
TIPOS DE BIOMASA DISPONIBLES EN CHILE PARA LA GENERACIÓN DE BIOGÁS,»
Proyecto Energías Renovables No Convencionales en Chile (CNE/GTZ), Santiago, Chile, 2007.

M. T. Varnero, « MANUAL DEL BIOGÁS,» MINISTERIO DE ENERGÍA, PNUD, FAO,
GFD, Santiago, Chile, 2011.

B. Grass, «EVALUACIÓN Y DISEÑO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA
DE BIOGÁS A PARTIR DE RESIDUO ORGÁNICOS AGROINDUSTRIALES EN LA
REGIÓN METROPOLITANA, » Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y
Matemáticas, Departamento de Ingeniería Industrial, Santiago, Chile, 2013.
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