Aprovechamiento de la biomasa residual para producción de Biogás. Una revisión de los avances en el área

Aprovechamiento de la biomasa
residual para producción de
Biogás. Una revisión de los
avances en el área
Dra. Zulay Niño
Universidad de Carabobo – Venezuela
Centro de Estudios para el Aprovechamiento de la Biomasa Residual
Instituto de Investigación - Universidad Estatal de Bolívar
Investigador Prometeo-SENESCYT

Qué es?
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Proceso biológico en el que la materia orgánica, en
ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de
bacterias específicas, se descompone en:
 Biogás: productos gaseosos (CH4, CO2, H2, H2S,
etc.)
 Digestato: mezcla de productos minerales (N, P, K,
Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.
Dra. Zulay Niño Instituto de Investigación UEB Guaranda- Bolívar-Ecuador

A qué puede aplicarse?
• residuos ganaderos: purines, estiércol
• residuos agrícolas o excedentes de cosechas; residuos
de las industrias de transformación de dichos productos.
• para tratamiento de aguas residuales de alta carga
orgánica, como las producidas en muchas industrias
alimentarias; lodos de tratamiento de aguas residuales
• plantas o residuos sólidos municipales.

Características del biogás generado
Composición: depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología
utilizada: 50-70% de metano (CH4); 30-40% de anhídrido
carbónico (CO2); ≤ 5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y
otros gases
Poder calorífico:

Beneficios asociados?
Permite la reducción de la carga orgánica de los residuos
sólidos, evitando así:
•malos olores,
•proliferación de roedores e insectos,
•liberación de los agentes patógenos de origen animal,
•contaminación de aguas superficiales y subterráneas,
•deterioro de la estructura biológica de la tierra, y
•los derrames catastróficos (Sakar et al, 2009) .
Reducción de emisiones de efecto invernadero, el CH4 es
producido de manera controlada, evitando su emisión espontanea al
ambiente. (Stefen et al, 1998),
Aprovechamiento energético de los residuos orgánicos, se
produce energía renovable que sustituye a una fuente de energía
fósil, reduciendo la producción de CO2. (Pagés et al, 2011).
Aprovechamiento de los subproductos, por otra parte, los
residuos restantes, tanto líquidos como sólidos, pueden ser
utilizados como biofertilizantes (Lomas et al 1999).

Beneficios asociados?
Implantación de
sistemas de
gestión integral de
residuos orgánicos
por zonas
geográficas, con
beneficios sociales,
económicos y
ambientales.

DIGESTION ANAEROBIA
Fases de la digestión anaerobia.
Hidrolisis
Acidogénesis
Acetogénesis
Métanogenesis

DIGESTION ANAEROBIA
Parámetros operacionales a controlar
Hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores:
Temperatura. Podrá operarse en los rangos (Bisschops et al., 2009)
 psicrofílico (temperatura ambiente),
 mesofílico (temperaturas de 25 a 45ºC; ideal 30-40°C) o
 termofílico (temperaturas de 45 a 65 ºC; ideal 50-60°C) (Wang,J. 2014)
permite una permanencia menor en los tanques, pero, debido a su sensibilidad a los cambios de
temperatura, exige un control más riguroso.
las tasas de crecimiento y reacción,
la sensibilidad a algunos inhibidores, como NH3.
 En el rango termofílico se aseguran tasas superiores de destrucción de
patógenos.
 Se requiere aislamiento para no afectar el proceso por temperaturas
ambiente muy bajas (Wang,J. 2014)

DIGESTION ANAEROBIA
Parámetros operacionales a controlar
Temperatura (cont..)
Alkaya et al. [2010] investigaron el efecto de la temperatura sobre la digestión
anaerobia de residuos agrícolas y estiércol de ganado en un reactor semi-continuo,
operado a 20°C y 35°C.
Temperatura m3 kg-1 VS
añadido
35°C 0,299 – 0,324
20°C 0,087 – 0,138

DIGESTION ANAEROBIA
Parámetros operacionales a controlar (cont…)
• Agitación. Es fundamental para reducir sustancialmente el tiempo de
digestión. Debe transferirse al sistema el nivel de energía necesario para:
 favorecer la transferencia de substrato a cada población o agregados
de bacterias,
 homogeneizar para mantener concentraciones medias - bajas de
inhibidores.
Sadaka y Engler (2000) encontraron que el rendimiento de biogás aumentó
en un 33,3% en un reactor con mezclado en comparación con el mismo
sustrato procesado en un reactor sin mezclar.

DIGESTION ANAEROBIA
• Tiempo de retención. (HRT)
tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la acción
de los microorganismos, a menores temperaturas se requiere un mayor
tiempo de retención que será necesario para que las bacterias que tendrán
menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás.
Alkaya et al. [2010] investigaron el efecto de HRT sobre la digestión anaerobia
de residuos agrícolas y estiércol de ganado en un reactor semi-continuo,
operado a 20°C y 35°C.
Encontraron: La HRT como un parámetro de funcionamiento no afectó
significativamente la AD,
HRT m3 kg-1 VS añadido
20 días 0,042 – 0,182
30 días 0,039 – 0,182

DIGESTION ANAEROBIA
•Velocidad de carga orgánica. (OLR en inglés) Es la cantidad
de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo.
 Valores bajos implican baja concentración en el influente
y/o elevado tiempo de retención.
 El incremento en la OLR implica una reducción en la
producción de gas por unidad de materia orgánica
introducida,
 Se debe encontrar un valor óptimo técnico/económico para
cada instalación y residuo a tratar.
Otros requisitos: reducción de la energía de proceso y la pérdida
de calor, control de olores y lograr un sistema fiable con el menor
costo de instalación y de funcionamiento posible (Chynoweth et al 1988).

DIGESTION ANAEROBIA
Parámetros ambientales a controlar
Hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para
el desarrollo del proceso
pH,
Rango del valor del pH en el digestor debe estar entre 6,4 y 7,4.
La producción óptima de biogás se logra cuando el valor de pH está entre 7
y 7,1.
En el período inicial de la fermentación, los microorganismos productores de
ácido crecen rápidamente; pueden producir grandes cantidades de ácidos
orgánicos, que no pueden ser consumidos por los microorganismos
formadores de metano. El pH en el interior del digestor puede caer
rápidamente. Esto inhibe o incluso detiene el proceso de la digestión o
fermentación. (Wang,J. 2014)
En los casos de una disminución en el pH, se puede mantener en el rango
óptimo mediante la adición de hidróxido de sodio, carbonato de calcio, o
hidróxido de calcio (Sakar et al, 2009)

DIGESTION ANAEROBIA
Parámetros ambientales a controlar (cont…)
•Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la
acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.
• Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mV.
• Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los
microorganismos.
• Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima
posible

DIGESTION ANAEROBIA
Duración del proceso
Determinada por la duración de cada una de las fases individuales.
La duración de cada una de estas variará según:
 la distribución de los componentes orgánicos,
 la disponibilidad de nutrientes,
 el contenido de humedad de los residuos,
 el grado de humedad del medio sólido y
 el grado de compactación inicial.

DIGESTION ANAEROBIA
Duración del proceso
Etapa limitante del proceso
La velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta,
la cual depende de la composición de cada residuo.
Fase limitante: la metanogénesis
• Para sustratos solubles
• Para aumentar la velocidad adoptar diseños que permitan una elevada
concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el
reactor.
• tiempo de proceso del orden de días.
Fase limitante: la hidrólisis
• Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas,
• Tiempos de proceso del orden de semanas, de dos a tres.
• Para aumentar la velocidad se usa el pretratamiento para disminuir el
tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración,
ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas
presiones y temperaturas)

DIGESTION ANAEROBIA
Acondicionamiento del sustrato previo a la producción
Finalidad: introducir el residuo lo más homogéneo posible, para conseguir
una eficiencia y rendimiento elevado de biogás, con las condiciones
fisicoquímicas adecuadas al proceso al que va a ser sometido, y sin
elementos que puedan dañar el digestor.
Para sustratos, pobres en materia orgánica, es necesario la
codigestión con efluentes de algún proceso, como por ejemplo los lodos
de espesado, bien como salen o con un tratamiento posterior o con
residuos agrícolas.
Pre-tratamientos posibles:
 reducción del tamaño de partícula,
 espesamiento,
 calentamiento,
 control de pH,
 eliminación de metales y
 eliminación de gérmenes patógenos.
Precauciones: Controlar las fermentaciones espontáneas no almacenar
demasiado tiempo, ya que decae muy deprisa la productividad de biogás.

DIGESTION ANAEROBIA
Potenciales de
producción de
biogás
de
algunos
residuos
orgánicos de
la
industria
alimentaria
Fuente: Angelidaki y Ahring, 1997 y GIRO

DIGESTION ANAEROBIA
Co-digestión
El término co-digestión se utiliza para expresar la digestión anaerobia
conjunta de dos o más sustratos de diferente origen.
La ventaja principal radica en el aprovechamiento de la sinergia de
las mezclas, compensando las carencias de cada uno de los sustratos
por separado.
La co-digestión de residuos orgánicos de diferente origen ha
resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílico como
mesofílico.
La co-digestión es una variante tecnológica que puede solucionar
problemas o carencias de un residuo, si son compensadas por las
características de otro.

DIGESTION ANAEROBIA
Co-digestión
características relativas para la co-digestión.
Flechas de
sentidos
diferentes
indican
un
posible
interés
en
la
mezcla

DIGESTION ANAEROBIA
Co-digestión
Li et al. [2009] observaron rendimiento de metano 44% superior, en
co-digestion de residuos de cocina (KW) y estiércol de ganado (CM)
en comparación con un único sustrato.
Se logró también una mejor estabilidad del proceso.
Los experimentos se realizaron a temperatura mesofílica (35◦C) y dos
tasas de carga de 10 y 20 kg m-3 VS día-1.
Encontraron que la óptima relación para co-digestión de CM y KW fue mezcla
de 3:1.
Estos resultados indican que la co-digestión cuando se emplea para
CM aumenta el rendimiento de metano y la estabilidad del bioreactor

DIGESTION ANAEROBIA
Co-digestión
Callaghan et al. [30, 1999] Operaron dos digestores mesofilos discontinuos
con HRT de 14 días, el digestor 1: con solo CM y el digestor 2: con
CM y los despojos de pescado y sólidos de fábrica de cerveza .
Encontraron que la co-digestión produjo un aumento en el
rendimiento de metano, en comparación con la digestión de control
utilizando purín de vacuno solo.
m3 kg-1 VS
añadido
% reducción
de VS
Dig 1: Solo CM 0,15 31,1
Dig 2: Co-digestión 0,37 47,3

DIGESTION ANAEROBIA
Tecnologías de digestión anaerobia
Hay varios tipos de reactores en uso hoy en día, y cada diseño tiene que
ver con la calidad de la materia prima para ser digerida, con factores de
inversión de capital, y con la función principal de la digestión [Bouallagui
et al, 2005].
Reactores de uso común para la DA de residuos estiércol del ganado
son:
 por lotes (batch)
 continuo de una sola etapa y
 continuos de dos etapas,
 reactor tubular.

DIGESTION ANAEROBIA
Reactores discontinuos son los más simples.
•En un sistema discontinuo, la curva de evolución temporal de la
producción de biogás sigue la misma tendencia que la curva típica del
crecimiento de microorganismos (latencia, crecimiento exponencial,
estacionalidad y decrecimiento).
•Aquí el concepto de tiempo de retención no tiene sentido y se hablaría
de tiempo de digestión.
•Estos reactores han sido aplicados a residuos con una alta
concentración de sólidos que dificultan la adopción de sistemas de
bombeo, tales como residuos de ganado vacuno con lecho de paja.
El sistema de una sola fase continua utiliza agitación mecánica o
recirculación de biogás para mezclar el contenido del digestor continuo.
El sistema de dos fases continuo usa reactores independientes para
separar la hidrólisis/acidificación y los procesos
acetogénesis/metanogénesis [Ward et al, 2008].
El PFR es un sistema sin mezclar, donde los flujos de residuos semi-continuamente
pasan como un tapón a través de un reactor horizontal
[Wilkie, 2005].

DIGESTION ANAEROBIA
En los últimos años, una serie de reactores nuevos diseños se han
adaptado y desarrollado, lo que permite una tasa significativamente mayor
de reacción por unidad de volumen de reactor [Bouallagui et al, 2005].
Entre estos nuevos reactores se tienen:
• Filtros anaeróbicos AF,
• Reactor de flujo ascendente por carga secuencial anaeróbico (UASB),
• Reactor de lecho fluidizado anaeróbico (AFB),
• Reactor de flujo oscilatorio (OFR), etc
El AF, UASB, y AFB puede acumular alta concentración de biomasa y
pueden permitir alto tiempo de retención del sólido (SRT), incluso con bajo
HRT
El OFR sirve para mejorar las propiedades de ingeniería de procesos, tales
como mezcla, velocidad de reacción, etc [Mohod et al, 2008].

PROYECTO A DESARROLLAR
Estudio de la co-digestión anaerobia de residuos de col proveniente
del mercado de Guaranda (RC), con estiércol de ganado (CM) en una
planta piloto.
• Ensayos batch en planta piloto.
• Condiciones anaerobias mesófilas (de 30 - 35◦C) y termófilas (45-
55°C).
• Evaluar el efecto de RC co-digerido con CM
proporción: CM: RC = 100: 0; 75:25; 67:33; 33:67; 0: 100,
basado en % sólidos volátiles (VS) .

Porqué col co-digerida?
Los residuos de col se puede utilizar como único material de
alimentación en los procesos de digestión anaerobia, pero su
tendencia a la acidificación rápida (acumulación de VFA) es la
principal limitación que puede paralizar la metanogénesis (Chanakya,
2009)
Porqué estiércol co-digerido?
La digestión anaerobia tiende a fallar sin la adición de nutrientes
externos y agentes buffer (Demeril, 2008) por lo tanto, codigestión con
sustratos que tienen una alta capacidad tampón (alcalinidad) como
el estiércol puede ser una buena alternativa para el tratamiento
eficaz de los materiales altamente biodegradables (como RC).
La adición de materia orgánica fácilmente biodegradable en el
digestor con el estiércol animal podría aumentar
significativamente la producción de biogás. (EI-Mashad, 2007; Li R, 2009)

OBJETIVOS:
1.- Definir la relación de mezcla optima para la co-digestion
anaerobia de RC y CM en un reactor batch.
2.- Evaluar el efecto de la temperatura sobre la co-digestion de
RC y CM
3. Evaluar el efecto de la agitación sobre la co-digestion de RC y
CM.

Preparación del Sustrato
Obtención de la materia prima: CM se obtendrá de una granja y
el RC se obtendrá del mercado de Guaranda
Pesado y clasificación: se clasifica con la finalidad de separar
elementos de origen no orgánico, sean estos vidrios, metales,
cartones, etc. Se pesa la materia prima en una balanza.
Pre tratamiento antes de entrar al proceso: se somete a un
proceso (doble) de trituración con la finalidad de reducir el tamaño
para facilitar el proceso de digestión.

Características a determinar al sustrato
Característica a determinar CM RC
TS (%)
VS (%)
TVFA (mg L-1)
TA (mg L-1)
pH
TCOD (mg L-1)
DBO (mg L-1)

Diseño experimental para las pruebas en el reactor
Variables
Relación
CM :RC
Temperatura
(°C)
Velocidad de
agitación
(rpm)
Niveles
R1: 100: 0
R2: 75:25
R3: 67:33
R4: 33:67
R5: 0: 100
T1:30
T2: 48
v1: 12
V2: 24

Variables a medir
Variables
Sustrato
inicial
(g VSL-1)
Rendimiento
del biogás
(mLg-1 VS)
Rendiemiento
de métano
(mLg-1 VS)
Remoción
de
SV
(%)
Para cada
tratamiento
Los valores de DBO5, pH, acidez, alcalinidad, y sólidos suspendidos
volátiles (VSS) también se medirán utilizando la metodología
estándar [APHA].

BIOGAS
Conclusiones
 El biogás es un combustible renovable de elevada importancia en
la actualidad debido a sus múltiples usos y a su sencilla y económica
obtención.
 La producción de biogás representa una alternativa importante
para la utilización de los residuos orgánicos ganaderos, agrícolas, de
aguas residuales y residuos municipales.
 La producción de biogás representa además una manera de
recuperar sectores afectados por la contaminación física presencial
de residuos sólidos y la contaminación biológica que la
descomposición de estos residuos representa.
 En los próximos años el uso del biogás se verá incrementado
debido a la creciente demanda energética y a la búsqueda de
nuevos combustibles que desplacen la utilización de los
combustibles fósiles que, en la actualidad, resulta contraproducente
tanto por su escasez como por la contaminación que su combustión
representa.

Conclusiones BIOGAS
 Se realizaran ensayos de co-digestión con RC y CM a diferentes
proporciones y se evaluará el efecto de la temperatura y de la
agitación sobre estas mezclas.
 La digestión anaeróbica podría ser un buen método para la
utilización de residuos de col (RC), ya que no sólo puede producir
un biocombustible, sino también un residuo sólido mineralizado
que se puede utilizar como un bio-fertilizante con una alta
concentración de NPK.
 Se espera que la utilización de los residuos de col con CM para
la producción de biogás sea una de las soluciones apropiadas
para su tratamiento y recuperación eficaz de energía.

Si supiese qué es lo que
estoy haciendo, no le
llamaría investigación,
¿verdad?
Albert Einstein

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