Cursos complementarios

5. Combustibles biorenovables
gaseosos
• Grupo: CP57
• Clave: 2906019
• Trimestre: 13-O
DPPB
Semana: 11\Sesión: 1
1
5.2.3 Procesamiento de biogás
• Sistema de digestión anaerobia: Promueve la
descomposición de estiércol o digestión de los
orgánicos presentes en el estiércol, lodos residuales,
residuos
sólidos
municipales,
residuos
biodegradables, etc. a compuestos orgánicos
simples y biogás.
• Existen 3 tipos de digestores de tipos continuo:
– Sistema de tanques verticales
– Tanques horizontales
– Sistema de flujo tapón
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2
5.2.3 Procesamiento de biogás
• El proceso de digestión
anaerobia ocurre en los
siguientes
4
pasos
básicos:
–
–
–
–
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Hidrólisis
Acidogénesis
Acetogénesis
Metanogénesis
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3
5.2.3.1 Hidrólisis
• Hidrólisis
– Los compuestos orgánicos son hidrolizados en pequeñas
unidades:
•
•
•
•
Azúcares
Aminoácidos
Alcoholes
Cadenas largas de ácidos orgánicos
– Descomposición biológica de polímeros orgánicos a monómero
o dímeros
– Previo a la hidrólisis se han investigador algunos
pretratamientos:
• Térmico
• Mecánico
• Químico
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5.2.3.2 Acidogénesis
• Acidogénesis:
– Un grupo de microorganismos fermentan los productos
obtenidos de la hidrólisis
•
•
•
•
Ácido acético
Hidrógeno
Bióxido de carbono
Ácidos orgánicos volátiles de bajo peso molecular (ácido propiónico y
ácido butírico) que son subsecuentemente convertidos a ácido
acético.
– Durante la acidogénesis los biomasa fresca alimentada
producen una variedad de ácido grasos volátiles.
– Usualmente en la digestión anaerobia, éste es el paso más
rápido además de proveer la mayor productividad de energía
para lo microorganismos y los productos pueden ser utilizados
directamente por los microorganismos metanogénicos.
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5.2.3.3 Acetogénesis
• Es el tercer paso de la ruta biológica donde los productos de la
acidogénesis son digeridos por los microorganismos para producir:
–
–
–
–
Bióxido de carbono
Hidrógeno
y principalmente ácido acético
Ácidos orgánicos de alto peso molecular (ácido propiónico, butíco,
valérico, etc.)
• Microorganismos:
–
–
–
–
–
–
–
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syntrophobacter wolinii (decompone el propinoato)
sytrophomonos wolfei (descompone el butirato)
clostridium spp
peptococcus anerobus
lactobacillus
actinomyces
BUSCAR LA APLICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS..!!
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5.2.3.3 Acetogénesis
• Los acetogénicos son microorganismos
crecimiento lento sensibles a:
de
– Cambios en la velocidad de alimentación de los
compuestos orgánicos
• Los microorganismos de esta etapa son heterótrofos
facultativos los cuales son función de pH 4-6.5
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5.2.3.4 Metanogénesis
• Los metanógenos pertenecen a las archaeas un
grupo único de microorganismos .
• Sólo un número limitado de compuesto pueden
actuar como sustratos en la metanogénesis:
–
–
–
–
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Acetatos
H2/CO2
Metanol
formiatos
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5.2.3.4 Metanogénesis
• Microorganismos:
– Methanosarcina:
• Rápida velocidad de crecimiento
• Mayor constante de afinidad aparente al sustrato (Km)
– Methanosaeta:
• Lento crecimiento
• Doble del tiempo requerido (4-9 días)
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
•
•
•
•
•
•
•
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Temperatura
pH
Tiempo de retención
Carga de materia orgánica
Concentraciones de inhibidores
Concentraciones de ácidos orgánicos volátiles totales
Descomposición de sustrato
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5.2.3.5 El efecto de las variables de
operación
• Temperatura:
– La temperatura influye significativamente en los procesos de
digestión anaerobia
– Velocidad de degradación de materia orgánica aumenta con el
aumento de temperatura
• Digestión anaerobia mesofílica: 303-313 K
• Digestión anaerobia termofílica: 323-333 K
– Digestión anaerobia mesofílica:
• El digestor el calentado a 308K con un tiempo de retención de 15-30
días
– Digestión anaerobia termofílica:
• El digestor el calentado a 328K con un tiempo de retención de 12-14
días
• ¿Qué podemos concluir?
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• pH
– Rango aceptable: 5.5-8.5
– Puede ser necesario el uso de un búfer para mantener el
pH.
– La producción de ácidos orgánicos volátiles y ácidos grasos
de cadena larga disminuyen el pH, lo cual inhibe a los
microorganismos de la metanogénesis.
– Búfer utilizados para precipitar ácidos grasos de cadena
larga:
• Carbonato de calcio
• Hidróxido de calcio
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
– El pH juega un papel importante en la metanogénesis en
rangos de 4.5-6.5.
– La degradación máxima de propinoato y producción de
metano se lleva a cabo a un pH de 7.5 y 7.0,
respectivamente.
– Los principales componentes de control de alcalinidad son
el bicarbonato de calcio y los ácidos grasos volátiles
(consumidos y producidos en el proceso de digestión
anaerobia)
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• Relación carbono/nitrógeno:
– Los organismos utilizan carbono durante la digestión 20 a
30 veces más rápido que el nitrógeno -> 20-30:1 relación
carbono nitrógeno.
– A una alta relación C/N los microorganismos
metanogénicos consumen rápidamente el nitrógeno y
disminuyen la velocidad de producción de biogás.
– A una baja relación C/N causa una acumulación de
amoniaco y el pH excede el pH de 8.5, el cual es tóxico
para las bacterias metanogénicas.
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
– Materias primas:
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Materia prima
C/N
Residuos del arroz
60.3
Lodo de papel
140
Acerrín
242
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• Tasa de carga orgánica (TCO): Cantidad de materia
orgánica alimentada por unidad de volumen de
biodigestor por tiempo (kg /m3/d)
– Una alta TCO puede causar un mal funcionamiento en el
biodigestor sí la bacteria acidogénica se multiplica y
produce ácidos rápidamente.
– La TCO depende de diversos parámetros como:
•
•
•
•
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Diseño del reactor
Características de las aguas residuales
Habilidad de la biomasa para precipitar
etc,.
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• Tiempo de retención hidráulica (TRH)
– Parámetro importante en el tratamiento de aguas
residuales
– Importante en el tiempo de reacción de reactantes dentro
del reactor ¿cuáles son esos reactantes?
– En climas tropicales el TRH varía de 30-50 días, mientras
que en climas más fríos pueden llegar a 100 días. Bajos
TRH pueden originar el lavado de la población bacteriana
activa, mientras que largos TRH requiere de largos
volúmenes de digestor-> mayor costos fijos ¿Qué son los
costos fijos?
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
– Si la digestión anaerobia compitiera con la deposición de
otros residuos sólidos municipales-> el tiempo de
retención debe ser menor al actual de 20 días.
– TRH determina el tiempo promedio que toma la materia
orgánica en ser digerida completamente, medida por la
demanda química de oxígeno y la demanda bioquímica de
oxígeno.
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• En los procesos de digestión de estiércol y digestión
de muestras de paja:
– Los primeros 3 días 0% metano y 100% de CO2 (digestión
anaerobia)
– Día 11: 50% metano, 50% CO2
– Día 20: la digestión alcanza su estado estacionario
– 73-79% de metano y el resto principalmente CO2
– Durante un periodo de digestión de 30 días el ~80-85% del
metano se produjo en los días 15-18 -> el tiempo de
retención debe ser de 15-18 días en vez de 30 días.
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5.2.3.5 El efecto de los parámetros
de operación
• Los residuos agroindustriales contiene una baja
cantidad de nitrógeno (60-90 C/N), por lo tanto es
necesario adicionar fuentes de nitrógeno para llevar
a cabo la digestión anaerobia (amoniaco, urea,
residuos de comida)
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5. Combustibles biorenovables
gaseosos
• Grupo: CP57
• Clave: 2906019
• Trimestre: 13-O
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