Introducción - FAU College of Engineering

Fourth LACCEI International Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2006)
“Breaking Frontiers and Barriers in Engineering: Education, Research and Practice”
21-23 June 2006, Mayagüez, Puerto Rico.
La Producción de la Energía Y la Mitigación de Contaminación en las
Granjas Avícolas de Jamaica Y Pensilvana.
Shanique Grant
Estudiante, La Universidad de Technologia, Jamaica, [email protected]
Alicia Marshalleck
Estudiante, La Universidad de Technologia, Jamaica, [email protected]
Noel Brown, PhD, PE
Mentor, La Universidad de Technologia, Jamaica, [email protected]
Sumario
La explotación del biogás en los sectores agrícolas de Jamaica y los Estados Unidos ha evolucionado
con los usos de varios materiales de desechos; que resulta en la reducción de contaminación y la
optimización de una fuente de energía alternativa. Esta investigación es la fase dos de una
colaboración de un tres año entre las Universidades de Tecnología, Jamaica y Estado de Pensilvana.
Actualmente, la investigación realizada utilizó los materiales de desechos disponibles; estiércoles de
pollo (el ingrediente principal) en combinaciones específicas con estiércoles de cerdo y vaca para
generar metano que será usado como un combustible para la producción de energía para una granja
avícola. Un diseño experimental factorial fue utilizado con nueve experimentos, donde el tiempo de
retención y las proporciones de las materias primas fueron manipulados para analizar la producción
del biogás y el lodo (residuales). De la simulación de estos resultados, un diseño de un modelo de
escala piloto se hará para el uso subsiguiente por una granja avícola en Jamaica. El metano que se
produjo del estiércol de pollo y vaca resultó entre 40 a 69 % y para pollo y cerdo de 41 a 72 %.
Palabras Claves
Bio-digestores anaeróbicos, Modelo matemático, estiércoles de pollo, cerdo y vaca.
Introducción
La digestión anaerobia (DA) es una descomposición biológica natural del material orgánico en un
ambiente controlado sin el oxígeno (Matthew et al, 2004). En esta zona las bacterias son empleadas para
descomponer los materiales proteicos y carbonosos en el biogás y el lodo (Mortley, 1989). Los estiércoles
de animales como cerdos, vacas y pollos a menudo son incorrectamente dispuestos y generalmente usados
como acondicionadores y fertilizantes de suelo. La industria avícola esta afiliada al crecimiento más
rápido dentro el sector agrícola, por consiguiente, en la generación de volúmenes grandes del estiércol.
Conjuntamente con el abono de vaca y de cerdos los altos niveles de estiércol están contribuyendo al
incremento de problemas de contaminación ambiental, mientras que la potencia de estos materiales como
abonos y como fuente de energía no está siendo totalmente utilizada (Departamento de Investigación y
desarrollo, Ministerio de Agricultura, 1980). Debido a la cantidad grande de estiércol producido, esta
investigación procura diseñar y poner en práctica biodigestores anaeróbicos, para reducir la
contaminación del medio ambiente y el uso de biogás producido para la generación de energía.
Objetivos




Determinar el mejor diseño de digestores que satisfaga la necesidad de la granja
Analizar el biogás de los digestores para determinar las más altas concentraciones de metano que
se producen
Investigar el uso de un material vegetativo que es fácilmente accesible a los operadores de la
granja.
Determinar si las condiciones operacionales guardan correlación con del modelo de escala del
banco
Modelado matemático de Digestión Anaerobia
Chynoweth et al. (1998) define modelos como expresiones matemáticas que son usadas para describir las
interacciones entre varias poblaciones microbianas implicadas en el proceso incluso: tasa de utilización de
sustrato, tasas de crecimiento microbianas, tasa de formación de producto y relaciones de equilibrio
físico-químicas. Sin embargo, los modelos matemáticos descritos como ‘los modelos de caja negros’
donde los datos de entrada y salida son conocidos y la función de transferencia que crea la salida debe ser
encontrado, Hamelers (2004).
El modelado de matemático de este tipo de sistemas ha estimulado el interés, porque es por lo general
mucho más rápido y barato modelar el sistema y simular su operación que realizar experimentos de
laboratorio. La aplicación de métodos sofisticados del control del proceso de la producción es sólo posible
si los modelos matemáticos están disponibles para que el sistema sea optimizado (Schuruscher y
Wandrey, 1991). Mucha literatura consultada discute variadas técnicas matemáticas, a fin de asistir con la
comprensión de los procesos microbianos dentro de los reactores, que convierten el material orgánico en
biogás. Según Florentino, H., Biscaro, A y Lucas J, (2000), estos modelos pueden ser usados para
predecir varios parámetros en el proceso de digestión anaerobio (volumen de gas, tiempo de retención,
temperatura, etc.), que podría ayudar a la eficacia del digestor en la producción de metano.
Martinhão, N. (1981) indicó que los modelos matemáticos para los biodigestores anaerobios son
formulados observando especies de bacterias y sus ambientes y extrayendo las variables principales que
influyen en su crecimiento o reducción. Estos modelos describen la variación de sustrato en un
biodigestor, en el cual es asumido que el crecimiento de bacterias depende de la cantidad de sustrato y
que el consumo de sustrato es viable. Según Florentino et al. (2000) fue Merkel en 1981 quién estimó que
los valores teóricos aproximados calculaban la transferencia de masas analizando datos experimentales de
un modelo matemático que describió el proceso de digestión anaerobio. Los modelos simples han sido
estudiados a fin de ayudar con el análisis de digestión así como ser utilizados como un instrumento de
optimización de proceso.
Según Florentino et al. (2000), el modelo de Monod, divide los procesos de digestión anaerobios en dos
procesos de conversión, primero, los componentes de biomasa son convertidos en ácidos volátiles por un
grupo de bacterias acetogénicas, segundo, los ácidos producidos por el primer grupo son convertidos en
metano y dióxido de carbono por otro grupo de bacterias metanogénicas, y la cinética de la digestión
anaerobia es aplicada por separado a cada uno de estos grupos.
Modelos
Muchos modelos para los digestores anaeróbicos son construidos basados en todas las fases del proceso
anaerobio, mientras los otros confían completamente en la reacción de paso restrictivo (Noykova, 2001).
El paso restrictivo es el más lento de todas las fases y limita el precio del proceso total (Colina, 1977).
Además es el paso que causará el fracaso del proceso, en condiciones impuestas de la tensión cinética.
Como indicado por Noykova, (2001) la hipótesis de paso restrictiva conduce a modelos simples y
fácilmente utilizables; a la inversa, tales modelos no describen muy bien el comportamiento del digestor,
sobre todo en el cambio de condiciones de funcionamiento. Sin embargo, durante una amplia variedad de
condiciones de funcionamiento, el paso restrictivo es no siempre el mismo. Andrews (1969, 1971) por
ejemplo consideró reacciones acetogénicas y la metanogénicas como limitantes, por otro lado Eastman y
Ferguson (1981) consideraron la hidrólisis de sólidos suspendidos biodegradables.
Las ecuaciones 1 y 2 están basadas en el Modelo de Contois, e incorpora cuatro pasos principales;
depolimerización y solubilización, acido génesis, metano génesis, e inhibición. Ellos han sido usados para
describir la cinética de la digestión anaerobia de la basura de cerdos en el estado estable (Chen, 1983;
Hashimoto, 1984):


K
B  Bo 1 

 m  1  K 

  Bo L 1 


K

m  1  K 
(1)
(2)
Donde:
B : producción de metano, m3/kg VS
Bo : producción de metano última en infinito tiempo de retención, m3/kg VS
K : parámetro cinético (inversamente relacionado a interpretación digestor; Valores <0.6 indique
la estabilidad)
μm : tasa de crecimiento específica máxima, d-1
λv : rendimiento de producción de metano volumétrico, m3 CH4/m3 d-1
L : rendimiento de carga volumétrico, kg VS /m3 d-1
Ghaly y Pyke (1991); Hill y Barth (1977) desarrollaron un modelo que representa un proceso de
tres etapas (hidrólisis, producción de ácido, metanogénesis). En la primera etapa, las bacterias
hidrolíticas producen enzimas extracelulares que hidrolizan los compuestos orgánicos (ecuación 3).
Durante la segunda etapa ácido se produce, de las actividades de las bacterias que convierten compuestos
orgánicos simples en ácidos grasos volátiles (ecuacion 4). Durante la última etapa, bacterias
metanogénicas convierten los ácidos grasos volátiles en el dióxido de carbono (eqn 5).
dCSO
= - DCSO  C X 1CSO  DYP CSOI
dt
dC X I
  1  k1  D  C X 1
dt
dCS 1
C
  DCS 1   CSO  1 X 1
dt
Y1
(3)
dC X I
   2  k2  D  C X 2
dt
dCS 2
C
  DCS 2  Yb 1C X 1  2 X 2
dt
Y2
Q = YG 2C X 2
1 
2 
1max CS1
(4)
k S 1  CS 1
1max CS1
 C 
 kS 2  CS 2  1  S 2 
ki 

(5)
Según Lyberatos G. y Skiadas (1999) el modelo de Andrews y Graef, (1974) describe sistemas de
crecimiento suspendidos. Ellos explicaron que solo acetoclastic metano génesis está implicada. La
conversión de ácidos grasos a biogás es limitada. Los ácidos grasos volátiles son convertidos a ácido
acético y se asume que la composición metanogénica es C5H7NO2. La reacción total, según este modelo,
puede ser representada como sigue:
CH3COOH + 0.032NH3 0.032C5H7NO2 + 0.92 CO2 + 0.92 CH4 + 0.096 H2O
El modelo cinético de Monod con la inhibición de sustrato es asumido de acuerdo con Andrews (1969), es
decir:

max
K
I
1 s 
S Ki
Donde:
µ: la tasa de crecimiento específica
µmax : el máximo es la tasa de crecimiento específica máxima
KS : la mitad constante de velocidad
S: la concentración de limitación de crecimiento sustrato
Ki : la constante de inhibición
I : la concentración de inhibidor
(6)
El ácido acético no disociado es considerado como la limitación de sustrato, S, y también como el
inhibidor. Su concentración es determinada basado en la asunción de condiciones de equilibrio de la
reacción de disolución ácida acética. Según este modelo, se espera que un digestor falle siempre que, la
concentración de ácido graso es aumentada. El modelo asume que la fase de gas está en el contacto, pero
no en el equilibrio con la fase líquida. Se asume que la fase de gas obedece la ley de gas ideal. Se asume
también que el metano es el agua insoluble y directamente transferible a la fase de gas, mientras que CO 2
generado en parte se disuelve en la fase líquida originando el ácido carbónico, que según el pH es
disociado en iones de carbonato y bicarbonato.
Materiales y Metodología
Siete digestores fueron construidos utilizando material de cloruro de polivinilo con una capacidad 8L. El
material de entrada fue diluido basado en una proporción de 1:6 (estiércol/agua). Tres cuartos (3/4) del
volumen del digestor estuvo ocupado con el material y el cuarto restante (1/4) se mantuvo vacío. Un 3 2
fue tomado para el diseño factorial. Este diseño se utilizó para evaluar el rendimiento de la producción de
biogás y metano con respecto a la tasa de biogás y también con la utilización del lodo, así el uso de
diferentes tipos de materias primas.
Tabla 1: Niveles y factores para diseño de factorial
Variables
Proporciones Tiempo de Retención
(días)
75: 25
20
50: 50
40
60:40
60
100: 0
Control
El abono de pollo es siempre el componente más alto en cada proporción, esto se debe a que la granja de
pollo ha sido utilizada como la fuente principal de desecho este estudio. Valores de pH y de la
temperatura fueron medidos semanalmente y mantenidos dentro de condiciones operacionales específicas.
La temperatura se mantuvo entre 27 y 35oC (Fry, 1970; Mathew et al, 2004; Mortley, 1986) y el pH entre
6.6 y 7.2 (Forrest, 1987; Karki, 1985; Robbins, 2005). El análisis de los resultados experimentales se
realizó mediante el uso un programa especializado StatEase (2006). Este fue usado para asistir en la
formulación del modelo de diseño, que será usado para el cálculo del digestor a escala piloto en la
siguiente fase de la investigación.
Resultados y Discusión
Como se muestra en la Figura 1, el porcentaje del metano generalmente aumenta con el tiempo, sin
embargo el comportamiento no es lineal. En los experimentos 1, 2 y 3 (20 días de operación), el valor del
flujo de gas producido es relativamente más alto con respecto al resto de los experimentos aunque la
calidad del gas, en términos del metano fue mucho menor. Esto se concuerda con la literatura consultada
(Mortley, 1996) ya que las bacterias hidrolíticas y acetogénicas convierten activamente el sustrato. La
fase metano génica melindrosa es la causa por la cual el flujo de gas producido se reduce. El digestor de
control, donde la materia prima se mantuvo con estiércol de pollo solamente, operó con un rendimiento
más alto de gas y de metano en particular.
La cantidad de lodo que permanece en el digestor después del tiempo de retención asignado no mostró
proporcionalidad con el rendimiento del gas en general. De acuerdo a los resultados mostrados en la
Figura 2 solamente los experimentos que consideraron un tiempo de residencia igual a 40 días mostraron
un comportamiento lineal entre los valores del rendimiento de gas, metano y el lodo.
Tabla 2: Materias Primas – Estiércoles de los Pollos y Vacas
Temperaturac
o
C
47
Lodo
Utilizado
(g)
119
2.61
43
104
28
20
2.19
40
112
25
75:25
40
1.41
55
187
29
5
60:40
40
1.52
52
165
30
6
50:50
40
1.89
49
143
32
7
75:25
60
1.31
69
355
29
8
60:40
60
1.27
63
234
27
9
50:50
60
1.30
64
221
29
Control
100:0
20
2.45
51
243
28
Control
100:0
40
2.02
57
334
25
Control
100:0
60
1.14
63
401
31
No
Experimento
Ratios
Tiempo de
residencia
Rendimiento del
biogás- L/d
% CH4 /
biogás a
1
75:25
20
2.73
2
60:40
20
3
50:50
4
a
– Porcentaje de metano por el biogás se producido
27
Figura 1: Porcentaje del metano contra proporciones
75
70
65
% CH4/ biogas
60
20 dias
55
40 dias
60 dias
50
45
40
35
25
75
125
175
225
275
325
375
Lodo Utilizado (g)
Figura 2: La relación entre el metano produjo y el lodo utilizado para el pollo y la vaca
El rendimiento de la producción de gas, metano y lodo obtenido para el abono de pollo y cerdo resultó
muy diferente con respecto al logrado con el abono de pollo y vaca como se muestra en la Figura 3. Este
resultado sugiere que el contenido de los abonos esta directamente relacionado con el tipo de
alimentación, el habita en el cual estos animales se desarrollan, lo que inducirá un incremento o retardo en
el procesos de biodegradación de los desechos.
Tabla 3: Materias Primas – Estiércoles de los Pollos y Cerdos
Expt #
Ratios
El tiempo de
residencia
Rendimiento del
biogás- L/d
% CH4 /
biogás a
Lodo
Utilizado (g)
1
75:25
20
2.78
41
110
Temper
atura.
o
C
27
2
60:40
20
2.92
51
124
28
3
50:50
20
3.01
43
121
25
4
75:25
40
2.23
57
182
29
5
60:40
40
1.30
68
175
30
6
50:50
40
1.49
58
167
32
7
75:25
60
1.12
65
281
29
8
60:40
60
1.27
59
209
27
9
50:50
60
1.25
72
261
29
b
Control
100:0
20
2.45
62
265
28
b
Control
100:0
40
2.02
59
258
25
b
Control
100:0
60
1.14
63
423
31
b
– El digestor de control es el mismo como
75
70
65
%CH4/biogas producido
60
55
20 dias
40 dias
60 dias
50
45
40
35
30
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Lodo Utilizado (g)
Figura 3: La relación entre el metano produjo y el lodo utilizado para el pollo y el cerdo
Conclusiones
Con esta investigación se comprobó que existe una gran posibilidad del uso combinado o particular de los
desechos de pollo, vaca y cerdo en la producción de metano de alta calidad. El rendimiento del metano
varió con respecto a las diferentes mezclas utilizadas en los experimentos. Se demostró que la proporción
de pollo: cerdo (75:25) proyectó los valores más altos de metano. El tiempo de retención de 40 días
aportó el mayor rendimiento en la producción de metano.
Recomendación
Otros experimentos deben conducirse utilizando el mezclando de abono animal y abono vegetal con vista
determinar el rendimiento satisfaga las necesidades locales de energía no convencionales.
Q=YG 2C X 2
Referencias
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Graef, S.P. and Andrews, J.F. (1974). Stability and control of anaerobic digestion. Journal
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