ingenieria ambiental

1. Tecnologías Limpias y Energías
Alternativas
CAPITULO V: ENERGIA BIOMASA
Gestión I/2023

2. 5.1 Introducción
El termino BIOMASA se refiere a cualquier tipo de materia
orgánico cuyo origen haya sido un proceso BIOLOGICO. La
Biomasa comprende productos de origen animal y vegetal.

3. Según el origen y desde un punto de vista ecológico es posible
diferenciar biomasas en distintos ordenes:
Biomasa primaria, formado por seres fotosintéticos: algas,
plantas verdes y otros autótrofos). Es decir toda la biomasa
vegetal, incluidos residuos agrícolas rastrojos, hojas, ramas,
leña y otros.
Biomasa secundaria, es la producida por los
heterótrofos que consumen biomasa. Esta biomasa
implica una transformación luego de un metabolismo.
Ej. Carne, bosta, orina de herbívoros.
Biomasa terciaria, es la producida por los seres que se
alimentan de biomasa secundaria. Ej. Comer carne de los
carnívoros que se alimentan de herbívoros.

4. 5.2 Composición de la biomasa
Un tejido vegetal no especializado esta compuesto por los
siguientes componentes referidos a materia seca:
• Hidratos de carbono (celulosa)………………...60%
• Prótidos…………………………………………………….25%
• Lípidos……………………………………………………….6%
• Minerales…………………………………………………..9%
El rendimiento energético esta compuesto
• Proteínas……………………………………………………55%
• Grasas………………………………………………………...77%
•Carbohidratos………………………………………………97%

5. De acuerdo a los compuestos que se encuentran
prioritariamente se tiene:
Biomasa lignocelulosica, predomina las celulosas (hemicelulosa y
holocelulosa) y la lignina. Ej. Paja, madera y leña.
Biomasa amilácea, los hidratos de carbono se encuentran como
almidón e inulina. Ej. Cereales, papa y otros
Biomasa azucarada, el hidrato de carbono esta en forma de
azúcar: monosacáridos (glucosa, fructosa) o disacáridos
(sacarosa). Ej. Remolacha, caña de azúcar y otros

6. 5.3 Origen solar de la energía de la biomasa
La producción inicial de biomasa se inicia en la biosfera por
medio de la FOTOSINTESIS mediante las plantas.
Estructura del aparato fotosintético de una célula vegetal

7. Flujo de electrones desde el agua del interior del tilacoide
hasta el exterior que reducen moléculas del NADP (nicotin-
adenin dinucleótido fosfato) para dar NADPH que reducen el
CO2:

8. 5.3.1 Elementos de la fotosíntesis:
a) Luz, aporta energía, constituida por fotones (cuantos) de energía
con una longitud de onda comprendida entre los 400 y 700 nm.
(luz visible del espectro de radiación solar).
b) Pigmentos fotosintéticos, moléculas capaces de captar la luz y
transformar la energía luminosa en energía química. Estos son:
Clorofila y pigmentos accesorios. Forman agrupaciones llamados
fotosistemas.
FOTOSISTEMA I. (PS-I) Capta de p-700 nm y esta compuesto por
clorofila a, clorofila P700 y carotenoides
FOTOSISTEMA II. (PS-II) Capta de p-680 nm y esta compuesto por
clorofila a, clorofila b y clorofila p-680.
c) Agua, Compuesto inorgánico que aportará los electrones
perdidos por el PS del mismo modo liberará el O2
d) CO2, molécula que sede su átomo de carbono para la síntesis de
moléculas orgánicas.

9. 5.3.2 Etapas
a) Fase lumínica aciclica, fase fotoquímica o reacción de Hill.
Captura energía lumínica y almacena temporalmente
moléculas de ATP en 4 procesos:
• Fotoexitación, captación de energía luminosa por los
fotosistemas.
• Fotólisis de H20, PS-II libera O2 a la atmósfera.
• Fotorreduccion del DADP, PS-I produce NADPH2
• Fotofosforilación de ADP, PS-II produce ATP

10. Fase luminosa aciclica

11. Fosforilación no cíclica

12. b) Fase luminosa cíclica, es propia de bacterias fotosintéticas,
en algas y vegetales superiores al iluminarse con superiores a
680 nm. Solo esta el PS-I y el mecanismo cíclico, donde
electrones excitados en la molecula p-700 de reacción tarde o
temprano regresan a ellas.
Esta fase no utiliza H2O, por tanto no se desprende O2, sino
sulfuros, tiosulfuros, etc. Tampoco produce NADPH2.

13. c) Fase oscura, se conoce también como Ciclo de Calvin-Benson.
Consiste en la transformación de CO2 en glucosa. En el proceso se
consume ATP y NADPHs, en las siguientes reacciones:
• Activación energética de la ribulosa
• Fijación de CO2
• Reducción
• Regeneración y obtención de glucosa

16. 5.3.3 Fotorrespiración
Es la respiración celular que realizan las plantas cuencdo
hacen fotosíntesis. Ocurre en días calurosos, soleados y
secos, cuando los estomas se cierran para impedir la perdida
de agua, y se acumula O2 en las hojas, es decir baja la
concentración de CO2 y se eleva la concentración de O2.
Se diferencia de la respiración celular aeróbica en que no
sintetiza ATP.
La Fotorrespiración resulta negativa y puede llegar a
disminuir en un 50% la capacidad fotosintética.

17. 5.3.4 Quimiosintesis
Proceso por el cual ciertos organismos vivos (sin clorofila)
sintetizan sus alimentos utilizando como fuente de energía a
moléculas inorgánicas. En otras palabras si en la fotosíntesis
se utiliza energía luminosa, en la quimiosíntesis se usa
energía química.
Ej.: sulfobacterias, Ferrobacterias, Nitrobacterias, etc.

18. Para reducir una mol de CO2 y transformar en azúcar
(fotosíntesis) se necesita 4e por cada molécula de CO2. Por lo
que se requieren como mínimo 8 fotones de radiación visible
para elevar la energía potencial de los 4 e.
CO2 + H2O------8fotones------(HCOH) + O2
 G = 114 kcal/mol
En el espectro solar visible (400 a 700 nm de longitud de
onda) cuya equivalencia es de unas 50 kcal/mol de fotones, la
eficiencia de reducción fotosintética de CO2 seria.
E = (114/(8 x 50)) x 100
E = 28,5%
5.4 Eficiencia del proceso fotosintético

19. 5.5 La bioenergía
Es la forma de transformar la biomasa en energía y depende
del tipo de biomasa para darle un destino especifico.
 Calefacción.
 Generación eléctrica
 Producción de biocombustible

20. Se tiene
 Industrias papeleras, es necesario ampliar nuevas especies
potenciales.
 Industrias químicas, (etanol, etileno, furfural, gas de
síntesis, etc).
 Lubricantes y aceites industriales, (aceite de colza, aceite
de jojoba, etc).
 Almidón, (industria papelera).
 Adhesivos, (a partir de lignina).
5.6 Biomasa como materia prima para
industrias no alimentarias

21.  Ventajas medioambientales, bajo contenido de azufre,
promoción de cultivos perennes y otros.
 Ventajas sociales, generación de fuentes de empleo.
 Ventajas estratégicas, reduce dependencia energética por
tecnología local.
 Ventajas económicas, ahorro de divisas y aumento de
ingresos.
Inconvenientes con la Seguridad Alimentaria, dependiendo
del producto a emplearse.
5.7 Ventajas e inconvenientes

22. Ventajas económicas, ahorro de divisas y aumento de
ingresos.
5.8. Fuentes de Biomasa
Biomasa natural, producida en bosques, matorrales, herbazales y otros
espacios naturales.
Los residuos, por explotaciones agrícolas, ganaderas, residuos de origen
orgánico de la industria y núcleos urbanos.
Los excedentes, de cosechas agrícolas.
Agro energía, producción de cultivos específicos.

23. 5.9. Obtención de biogás por digestión
anaeróbica (BIODIGESTOR)
Las etapas de producción de biogás, pueden ser:
Hidrólisis
Se descompone la
MO como
carbohidratos,
proteínas y lípidos.
Acidogénica
La acción
bacteriana,
productos de la
etapa anterior se
producen ácidos
grasos con el
Sulfuro de
Hidrógeno (H2S) y
CO2.
Acetogénica
Metanogénica
Bacterias
especializadas
transforman el
acido acético y los
ácidos de cadena
corta en Metano
(CH4) y CO2.
Los ácidos grasos
generados son
transformados en
acido acético y
ácidos de cadena
corta con la
producción de
Hidrógeno y CO2

24. Obten

25. 5.9.1 ¿Qué es un biodigestor?
Es un sistema mediante el cual se genera un ambiente
adecuado para que la materia orgánica se descomponga en
ausencia de oxígeno. A este fenómeno se le llama «digestión
anaeróbica».
Funciona similar al estómago de una persona o un animal, ya
que dentro del biodigestor encontramos que viven bacterias
que descomponen el estiércol y otros residuos orgánicos, que
se convierten en biogás y biofertilizante.

27. 5.9.2 Parámetros para diseño de un digestor
a) Características del influente
Concentración en solidos (en%)
• Solidos Totales (ST), que se determinan por secado en estufa a 105 °C.
• Sólidos Fijos (SF), que se determina por calcinación a 550 °C durante 1 hora.
• Sólidos Volátiles (SV), que se obtienen por la fórmula SV = ST – SF
• DQO, expresa en g/l = 0 mg/l
• DBO, normalmente medida a 20 °C y al cabo de 5 días (DBO5)
•Contenido de Nitrógeno Total, Amonio y Nitratos
• pH y conductividad
• Relación C/N
• Alcalinidad o poder neutralizante de ácidos (Presencia de CO3, CO3H, OH y
sales). Se expresa en términos de CaCO3 equivalente.
•Inhibidores, tales como antibióticos y metales pesados (Co, Ni, Cr, Zn, Pb), que
por encima de 1 mg/l suelen ser tóxicos

28. b) Parámetros de diseño
• Sistema de operación.
• Sistema de carga (separación de gruesos previo)
• Sistema de descarga (sifón, vertido o bombeo)
• Sistema de agitación (mecánico, circulación de liquido,
circulación de biogás)
• Sistema de calefacción (interior o interior cambiador de calor
exterior)
• Aislamiento térmico
• Forma. Relación diámetro/altura
• Volumen necesario según la carga diaria y el tiempo de
retención

29. c) Instalaciones complementarias
• Depósito de almacenamiento previo.
• Caldera o unidad de calefacción
• Gasómetro
• Unidad depuradora de biogás
• Unidad de tratamiento de lodos y efluentes
• Unidad de comprensión de biogás (una compresión de 200-
350 kg/cm2 representa un coste energético de 20% de la
energía acumulada

30. d) Parámetros de digestión
• Características del influente
• Temperatura de digestión de zonas mesófila (35 – 40 °C +/- 2,8 °C) y zona
termófila (55-60 °C +/- 0,3 °C)
• pH en la fase acidógénica desciende hasta 6,5 y en la metanogénica se
estabiliza a 7 – 7,8
• Alcalinidad, concetración de HCO3 (tampón) 2,5 a 5 g/l
• Potencial redox. Debe ser lo más reductor posible. Se deben eliminar las
sustancias oxidantes tales como nitratos o nitritos y sobre todo el
oxígeno. Para garantizar la estanquidad se debe trabajar en ligera
depresión
• Factores nutricionales
• Nitrógeno. El Amonio inhibe por encima de los 2 – 3 g/l, el nitrato por
encima de los 0,15 g/l
• La relación C/N que debe estar entre 25 y 35
• Azufre. El SH2 inhibe entre 0,07 y 0,2 g/l y el SO4 inhibe a altas
concentraciones (Alrededor de 4 g/l)

32. 5.9.3 Componentes de un biodigestor tubular

33. a) Poza de entrada
Lugar donde se realiza la mezcla de estiércol y agua, la cual
ingresa al reactor por la tubería de entrada. Se coloca una
canastilla o rejilla para evitar ingreso de material sólido

34. b) Reactor
Elemento principal del sistema. Tiene forma tubular, es de
geomembrana de PVC, con volumen de 10 m3. El 75% es
mezcla de agua y estiércol y el 25% restante es biogás.
Tiene cuatro tuberías
• 1 conectada a la poza de entrada de la mezcla.
• 1 conectada a la poza de salida, donde se almacena el
Biol.
• 1 tercera para salida de los sólidos
• 1 ultima para salida del Biogas

37. c) Poza de salida
Está a la salida del biodigestor, donde se recibe y almacena
el biol. La poza puede ser de cemento para evitar
filtraciones. El volumen de recepción de la poza debe ser
igual en volumen al de carga.

38. d) Tubería de conducción de biogás
Está compuesta por una manguera PET o una tubería de
PVC, la cual se encarga de llevar el biogás desde el reactor
hacia el reservorio, pasando por la válvula de seguridad y
luego hacia la cocina.

39. e) Válvula de seguridad
Construida en base a una botella plástica transparente
conectada a la tubería de conducción de biogás mediante
una «T». Dicha botella contiene una cantidad determinada
de agua y su función es dejar escapar parte del biogás
cuando hay mucha presión en el reservorio o en el reactor,
evitando que estos se rompan.
También puede ayudar a atrapar el agua que se condensa al
interior de las tuberías. El nivel de agua no debe sobrepasar
los 3 o 4 cm a la salida de la tubería, ya que una altura
mayor haría que no cumpla su función de seguridad..

41. f) Techo de ambiente protegido
Es la cubierta superior que se le pone al biodigestor. Su
función es mantener una temperatura apropiada y
constante para que el reactor y las bacterias que habitan en
él tengan un ambiente adecuado para funcionar, además
de protegerlo de posibles daños causados por las personas,
animales, lluvia, etc.

42. g) Paredes
Construidas lateralmente, las paredes sirven al
reactor para protegerlo del frío. Junto con el techo
invernadero, ayudan a mantener una temperatura
adecuada de trabajo del reactor. Pueden ser de
adobe, ladrillos o tapial. .

43. h) Reservorio
Lugar donde se almacena el biogás cuando no es utilizado
en la cocina. Está construido de plástico simple, pero
también puede ser de geomembrana.
Su ubicación puede ser horizontal o vertical, en un lugar no
muy transitado, evitando que elementos extraños puedan
dañarlo. Las dimensiones recomendadas son de 3 m de
largo por 1.5 m de diámetro, y permite almacenar
aproximadamente 5 m3 de biogás.

45. i) Filtro para H2 S (ácido sulfhídrico)
Es una estructura tubular construida de tubería PVC, la cual
contiene en su interior una viruta de hierro como filtro,
instalado en la tubería por donde pasa el biogás.
Su función es purificar el biogás, ayudando a atrapar el
ácido sulfhídrico (H2 S) antes de llegar a los quemadores,
de modo que no cause problemas en el sistema (como la
corrosión), malos olores y, en casos extremos, alguna
molestia a los que utilizan la cocina.

47. j) Cocina de arcilla a biogas
Puede construirse de arcilla y consta de dos quemadores u
hornillas, adaptados a la parte final de la tubería de
conducción del gas. Cada hornilla se controla con una llave
de paso.

48. 5.9.4 materiales para un biodigestor

50. GRACIAS