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5. Combustibles biorenovables gaseosos
• Grupo: CP57
• Clave: 2906019
• Trimestre: 13-O
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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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5.2.3 Procesamiento de biogás
• El proceso de digestión anaerobia ocurre en los siguientes 4 pasos básicos: – Hidrólisis
– Acidogénesis
– Acetogénesis
– Metanogénesis
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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:
– 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 de crecimiento lento sensibles a: – 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: – 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
• 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: • 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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