Cálculo de la producción de metano generado por distintos restos

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2003
Resumen: T-027
Cálculo de la producción de metano
generado por distintos restos orgánicos.
Sogari, Noemí
Facultad de Cs. Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Av. Libertad 5450 - (3400) Corrientes - Argentina.
E-mail: [email protected]
RESUMEN
La importancia de la producción de biogas en Alemania se ha incrementado en los últimos años. Tal producción es uno
de los caminos estratégicos, elegido por el gobierno germano tendiente a reducir la emisión de gases tóxicos emitidos
por los combustibles, para proteger el medio ambiente.
El objeto de este trabajo es proponer una expresión matemática que describa el proceso de generación de metano en una
planta piloto. En la experiencia se trabajo con excremento de vaca, excremento de cerdo y una mezcla de resto de silo y
maíz. La experiencia se realizó en el the Institute of Technology and Biosystems Engineering – Branschweig –
Germany.
La aplicación de la fórmula propuesta es una alternativa para conocer la evolución del proceso productivo de metano en
un digestor.
INTRODUCCION
La aplicación del proceso de digestión anaeróbica para el tratamiento de restos orgánicos sólidos y semi-sólidos se ha
incrementado en los últimos años en Alemania (Weiland, P. 2000). El aumento de la aplicación de la técnica de
degradación de la materia, es un gran logro del gobierno germano, quien financia parte de la construcción de
biodigestores en áreas rurales para que sus habitantes posean plantas generadoras de electricidad.
A fines del año 2001, se han instalado en el área rural alrededor de 1650 biodigestores generadores de electricidad. Los
reactores de las plantas instaladas poseen capacidades que oscilan entre 200 y 7000 m3. Los granjeros, propietarios de
los biodigestores, utilizan como materia prima excremento de animales fundamentalmente de vacas y cerdos, y en
algunos casos usan como co-fermentadores resto de granos, silo, papa, etc.
Distintos autores han presentado expresiones matemáticas mediante las cuales, se trata de estimar la cantidad total de
metano generado por diferentes restos orgánicos usados como materia prima. Pero resulta necesario contar con
información mas específica respecto del proceso de generación de biogas.
Productividad de metano.
Uno de los parámetros que permite evaluar la generación de metano a partir del proceso de fermentación de la materia
orgánica es la productividad de metano o productividad metanoica (Weiland P. 1995). Este parámetro se
define como la cantidad de metano generado en la unidad de tiempo respecto de la materia dispuesta en el reactor.
La expresión matemática que permite calcular la productividad de metano de un determinado resto orgánico en un
tiempo determinado, es la siguiente:
PCH 4 =
VCH 4
Vreactor * t
(1)
Donde:
V CH4 es el volumen de metano generado
Vreactor es el volumen de materia dispuesta en el recinto fermentador
t es el tiempo considerado
La producción de metano, tiene un límite y este depende fundamentalmente de la naturaleza de la materia dispuesta en
el sistema digestor. La fórmula que permite estimar la máxima generación de metano para un producto determinado, es
la siguiente:
M Max =
VCH 4
S org .total
V CH4 es el volumen de metano generado
S org total es la cantidad de materia orgánica total utilizado en todo el proceso
(2)
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El Dr Schulz H. (1996) llevó a cabo un gran número de experiencias, para con el fin de contar con mayor información
sobre la duración de la digestión, que permite el agotamiento de los sólidos volátiles, trabajando a diferentes
temperaturas, según se presenta en la Figura 1.
Figura 1. Producción de gas a partir de la degradación de materia orgánica sometida a diferentes temperaturas.
La figura 1, muestra la cantidad total de gas producido por kilogramo de materia, para diferentes temperaturas.
Respecto a esta serie de curvas, se observa que, conforme se incremente la temperatura, la conversión de materia
orgánica en biogas aumenta.
En todos los casos, la forma de las curvas se asemejan a la de una función exponencial, a medida que aumenta el valor
del tiempo, la curva crece hasta un t determinado para el cual la generación de gas permanece constante.
La fórmula matemática propuesta que permita reconstruir la curva que describe la producción de metano en función
del tiempo, debe cumplir las siguientes condiciones:
• La forma de la curva corresponde a una función exponencial.
•
La degradación de la materia responde a una función exponencial.
•
La expresión propuesta cumple con las siguientes condiciones iniciales:
Cuando t = 0 la producción de metano es nula
Cuando t = infinito la producción de metano toma el máximo valor posible, es decir la máxima cantidad de
metano que puede generar el resto orgánico que se encuentra dentro del fermentador.
En el caso en cuestión puede expresarse de la siguiente manera:
−t
M gen = M max * 1 − e A 


(3)
Donde:
M gen es la cantidad de metano generado durante el proceso de fermentación.
M max es la máxima cantidad de metano que puede producir un determinado elemento.
t es el tiempo considerado.
A es una constante que depende de la temperatura de trabajo, el contenido de materia orgánica existente en el
producto que se degrada, etc.
MATERIALES Y METODOS
La experiencia se llevó a cabo en el laboratorio del Institute of Technology and Biosystems Engineering – Germany.
Se eligieron tres reactores cilíndricos de plexiglass, cada uno de 20 litros de capacidad. Los reactores fueron cargados
con 15 litros de restos orgánicos provenientes de los biodigestores, que se hallan en funcionamiento y están instalados
en distintos lugares de Branschweig.
Cada fermentador se encontraba unido a una bolsa especial de la firma Tesseraux, de 10 litros de capacidad, cuya
finalidad era almacenar el gas generado en el recinto.
Las mediciones realizadas fueron, entre otras: la temperatura de cada recinto, el pH de las muestras, la cantidad de
metano almacenado en cada bolsa, los sólidos suspendidos totales y volátiles.
Se fijó la temperatura de trabajo de los fermentadores en 35 °C.
Las muestras depositadas en los diferentes fermentadores fueron las siguientes:
•
•
•
excremento de vaca
excremento de cerdo
mezcla de silo y maíz
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Figura 2. Digestores utilizados en la experiencia.
RESULTADOS Y DISCUSION
Datos Exp.
Datos Sim.
Datos Exp.
Datos Sim.
120
80
Mmax = 95
A = 0.09
60
100
Producción de metano (litro)
Producción de metano (litro)
100
40
20
Mmax = 111
A = 0.13
80
60
40
20
0
0
0
10
20
30
0
40
10
20
Tiempo (día)
30
40
50
Tiempo (día)
Figura 3. Producción de metano generado por la
fermentación de estiércol de vaca.
Figura 4. Producción de metano generado por la
fermentación de estiércol de cerdo.
Datos Exp
Datos Sim
140
Producción de metano (l)
120
Mmax=125
A=0.22
100
80
6 0
4 0
2 0
0
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (día)
Figura 5. Producción de metano generado por la
fermentación de una mezcla de silo y maíz.
Las figuras 3, 4 y 5 muestran que los datos experimentales, permitieron obtener una curva de características similares a
las presentadas por el Dr Schulz (1996) En las mismas figuras, se pueden observar los valores obtenidos utilizando la
fórmula propuesta.
Las figuras 3 y 4 muestran una lenta producción de metano durante los primeros cinco días. La actividad de las
bacterias mesofílicas, aumenta progresivamente después del quinto día, en ambos casos.
La velocidad de producción de metano, de acuerdo con la figura 3 fue menor en relación a la obtenida en la figura 4. La
máxima cantidad de metano obtenido experimentalmente fue 85 litros por kilogramo de sólido volátil. De acuerdo con
la la fórmula propuesta en este trabajo, el máximo valor de producción de metano fue 90 l/kg, coincidente con el
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obtenido aplicando la fórmula (2) de máxima producción de metano. El cálculo teórico se aleja en un 5% del valor
experimental.
La velocidad de generación de gas es mayor al usar estiércol de cerdo. En este caso, el agotamiento de los sólidos
volátiles ocurre entre los 30 y 35 días de haberse iniciado el proceso de digestión. La producción máxima de metano por
kilogramo de sólidos volátiles degradados registrada en la experiencia fue de 110 litros. El máximo valor de
producción de metano calculado mediante la fórmula propuesta fue 111 l/kg , mientras que el valor calculado aplicando
la definición fue 110 l/kg. El error cometido, utilizando la fórmula (4) fue del 0.9%.
En la figura 5, se puede observar que la actividad de las bacterias comenzó más tardíamente respecto de los otros casos.
Recién a partir del décimo día la producción de gas comenzó a manifestarse aumentando hasta el día veinte, a partir del
cual permaneció constante. La máxima generación de gas obtenida en forma experimental, fue de 135 litros/kg, de
acuerdo con la fórmula propuesta fue 125 l/kg y según la definición 150 l/kg. El error cometido, utilizando la fórmula
(4) fue del 8%.
Excremento
de vaca
Excremento
de cerdo
Mezcla de
aceite y grasa
Mmax Experimental
(litros metano/kg sólido volátil)
85
110
135
Mmax De acuerdo con la definición (2)
(litros metano/kg sólido volátil)
90
110
150
Mmax De acuerdo con la fórmula (4)
(litros metano/kg sólido volátil)
90
111
125
Tabla 1. Máxima generación de metano obtenida en forma experimental y teórica.
CONCLUSION
La fórmula propuesta en el presente trabajo, resulta una alternativa para calcular la producción de metano a partir de la
degradación de diferentes sustratos orgánicos. Los errores cometidos al utilizar la expresión matemática (4) no supera
el 10% respecto de los valores obtenidos en forma experimental.
Se espera en futuros trabajos, lograr un mejor ajuste de la constante A, que aparece en el término exponencial, la cual
depende de la naturaleza de la materia y de la temperatura de trabajo.
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo ha sido desarrollado en el laboratorio del Institute of Technology and Biosystems Engineering –
Branschweig – Germany.
Se agradece al Dr Weiland Peter, como al personal bajo su dirección, por todo el material y ayuda proporcionados en
tal oportunidad.
REFERENCIAS
Böhnke, B. Anaerobtechnik. (1993)– Springer Verlag,Berlin, Heidelberg, new York.
Sanchez E, Weiland P, Martin A.(2001) Effect of substrate concentration and temperature on the anaerobic digestion of
piggery waste in a tropical climate.Process Biochemistry 37. 483-489.
Schulz H. (1996) Biogas – Praxis. Ökobuch.
Weiland P. (2002) Kontinuierliche Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen. VDI- Workshop. Vergärung
organischer stoffe. Düsseldorf.