UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE HUATUSCO

INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL


REPORTE DE LA ESTANCIA

CUANTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA GENERACIÓN DE BIOGAS EN UN REACTOR MESOFÍLICO DE CODIGESTIÓN DE RSOM


RESUMEN

En este trabajo se muestra el contenido acerca de la estadía que se estuvo realizando el en Instituto Tecnológico de Orizaba, donde se trabajo con el reactor mesofílico, aunque también se trabaja con un reactor termofilico los dos tratan lodos residuales que se extraen de las industrias como ALPESUR y FIRIOB, ladiferencia es que cada uno tiene características especificas para que funcione, ya que cada uno de ellos cuenta con características diferentes, el termoílico trabaja a temperaturas entre los 50°C y 55°C y el mesofílico entre 35°C.
Otro beneficio fue conocer el funcionamiento de estos dos reactores y saber cómo utilizarlos, uno de los objetivos fue poder desempeñar las técnicas aprendidas y poder aplicarlas en una agroindustria. Otro beneficio mas que se obtendría sería no contaminar al medio ambiente con los residuos, y se podría sacar provecho de otros beneficios que tiene trabajar con reactores, como el biogas.

INTRODUCCION

En el laboratorio donde se realizó la estadía fue en el Instituto Tecnológico de Orizaba, Laboratorio De Posgrado e Investigación Ambiental 1, del 12 al 30 de abril de 2010. Se utilizo un reactor mesofílico de codigestión anaerobia del cual se extrajeron muestras para algunos analisis, uno de ellos fue la extracción de biogas que se inyecta en el cromatografo de gases en donde posteriormente este se inyecta para determinar la composición y determinarlas en areas.

JUSTIFICACION

En este reporte se hace con el fin de que tomemos conciencia de que podemos mejorar las agroindustrias y que le podemos dar un mejor uso a todos esos desechos que esta producen, un ejemplo claro es la granja avícola ALPESUR o la planta de tratamientos residuales FIRIOB que junto con el Instituto Tecnológico de Orizaba realizan estudios sobre sus lodos residuales y son tratados la obtención de metano.

Lo que se busca es que atodos esos desechos industriales se les de un mejor uso y no contaminen el suelo y se puedan tratar para darles un mejor uso.

Esta problematica de LR y RSOM a causa del crecimiento poblacional ha motivado a generar nuevas tecnologías, o a mejorar las ya existentes, para brindar una mejor eficiencia con sistemas de control novedosos y que produzcan subproductos con un valor agregado. Por lo anterior, es factible aplicar una tecnología de co-digestión de ambos residuos acondicionando antes ambos sustratos con una corta etapa de pre-hidrólisis térmica, la cual ayudara a solubilizar las cadenas largas de carbono que son de difícil degradación en los RSOM y la inactivación de microorganismos patógenos.

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

El Instituto Tecnológico de Orizaba es una institución que ademas de ofrecer ingenierías forma profesionistas capaces de desempeñarse en el ambito social, cultural, laboral y profesional, cuenta con un personal docente muy capacitado y eficaz de cumplir con las expectativas que la escuela necesita. La maestría de ingeniería química tiene los siguientes objetivos:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Química
La maestría en Ingeniería Química tiene como objetivo, preparar profesionales en Ingeniería Química con actitudes analíticas, creativas, de liderazgo y calidad humana, con amplios fundamentos técnicos y capacidad para investigar, innovar y desarrollar tecnología en procesos químicos e ingeniería ambiental, contribuyendo al desarrollo sustentable
  Los conocimientos adquiridos en el programa de estudiosde la maestría en Ciencias en Ingeniería Química, capacitaran al egresado para poder desarrollar las siguientes actividades:
Probar, analizar y evaluar equipos y procesos en la industria química con el fin de optimizar su funcionamiento y resultados.
Diseñar e implementar sistemas de control de procesos químicos industriales.
Llevar a cabo la evaluación de equipo y procesos en plantas químicas.
Obtener, interpretar y evaluar información sobre el control de desechos en general.
Diseñar sistemas para el control de la contaminación ambiental.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar e implementar estrategias de alto desempeño de un proceso de digestión anaerobia combinada (Co-digestión) de Lodos Residuales y Residuos Sólidos Organicos Municipales para la producción y aprovechamiento de biometano y biosolidos.

OBJETIVO PARTICULAR

Aprendizaje y desarrollo de técnicas empleadas en el laboratorio y aplicarlas en diferentes actividades que las requieran. Observar los instrumentos para medir lo que se requiere en el reactor mesofílico.

FUNDAMENTO TEÓRICO
Cromatografía

La cromatografía es la técnica que separa una mezcla de solutos basada en la velocidad de desplazamiento diferencial de los mismos que se establece el ser arrastrados por una fase móvil (liquida o gaseosa9 a través de un lecho cromatografico que contiene la fase estacionaria la cual puede ser solida o liquida.
Para explicar el fenómeno cromatografico esa necesario establecer dos tipos de fundamento, uno remoto y otro próximo.
Fundamento remoto: este fundamento se encuentraen alguna o algunas propiedades físicas o físico químicas de los analitos: solubilidad, adsorción (tendencias a ser retenidos en sólidos finamente divididos), volatilidad, tamaño, caga, reactividad química y bioquímica, etc. La mezcla de sustancias a separar se coloca en una situación experimental dinamica donde exhiben dos de estas propiedades o bien una de ellas pero por duplicado tal como la solubilidad en dos líquidos diferentes. En este caso utilizamos el cromatografo de gases.
Figura 1. Cromatógrafo de gases.

Digestión anaerobia

La digestión anaerobia consiste en una serie de procesos microbiológicos que convierte la materia organica en metano en ausencia de oxígeno. La producción de metano es un fenómeno relativamente común en la naturaleza, ya que puede formarse desde en glaciares hasta en el sistema digestivo de rumiantes. Este proceso, al contrario de la digestión aerobia, es producido casi únicamente por bacterias.
La digestión es un proceso anaerobio, en el que los materiales de descomposición pasan por varios procesos como la hidrólisis (licuefacción), gasificación y la mineralización, obteniéndose un producto final inerte con liberación de gases.

Metabolismo anaerobio

Bajo condiciones anaerobias, los microorganismos no pueden respirar, o sea oxidar sustancias organicas complejas, sino solamente fermentarlas, es decir, reducirlas. Aquellas sustancias como hidratos de carbono, proteínas o grasas son transformadas a productos intermedios como acidos organicos o alcoholes de altocontenido de energía. Hay que pretender su completa transformación al llamado biogas.

Lodos residuales

Como se ha mencionado los lodos residuales se generan durante el tratamiento de aguas residuales tanto urbanas como industriales, en las etapas en las cuales se pretende separar el mayor porcentaje de sólidos posible del agua en tratamiento utilizando principios físicos, químicos y biológicos.
Dentro de los procesos basados en principios físicos y químicos se encuentran: el desbaste, el desarenado, desengrasado, sedimentación, floculación y coagulación, los cuales comúnmente constituyen los tratamientos primarios, mientras que los procesos biológicos como los lodos activados, filtros percoladores o la digestión aerobia son parte de los tratamientos secundarios.

Características de los lodos residuales

Si bien, los lodos residuales contienen nutrientes y materia organica que pueden aprovecharse en la remediación de los suelos es importante que antes de considerarlos para ello, se identifiquen los principales contaminantes, tomando en cuenta los riesgos potenciales que incluyen altas concentraciones de patógenos, contaminantes organicos sintéticos, sales solubles, olores desagradables, el contenido de metales pesados e incluso la contaminación por exceso de nutrientes, para poder definir el riesgo potencial al ambiente.

Clasificación de la digestión anaerobia

Existen diferentes criterios para la clasificación de la digestión anaerobia generalmente en función a las condiciones de operación; la mas frecuente es la queclasifica al proceso en función de la temperatura, sin embargo también se puede clasificar de acuerdo a la carga organica tratada, el número de digestores empleados en el proceso y el tipo de sustrato.

Variables de estado
pH

El pH se considera un factor clave en el crecimiento de los microorganismos. La mayoría de estos no pueden tolerar niveles de pH por encima de 9.5, o por debajo de 4.0. Por lo general el tratamiento anaerobio trabaja dentro de un rango en el que el pH debe oscilar entre 6.5 y 7.5, con un óptimo entre 7.0 y 7.2. A un pH menor las bacterias se afectan seriamente. Por otra parte, se necesita una alcalinidad del orden de 1000mg/L o mas como CaCO3, para evitar cambios en el pH, que provocarían un desequilibrio. Es importante señalar que el descontrol del pH es el resultado de un desequilibrio debido a un cambio en el proceso, lo que debe ser corregido mediante la adición de Ca(OH)2 ó NaHCO3 para dar tiempo de efectuar la corrección.
El pH es también una importante variable de diagnóstico de los sistemas anaerobios, pues muchos fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Otros autores no consideran el pH como una buena variable de control por resultar demasiado lenta: una vez detectada una variación importante, el fracaso del sistema puede ser irreversible.
Por ello, se consideran otras variables como indicadores de estado del proceso anaerobio, como la producción de biogas y su contenido de CH4, la actividad bacteriana los acidos grasos volatiles o la relación entre ellos.

Alcalinidad y relación de alcalinidad

Laalcalinidad es una medida inespecífica de la capacidad reguladora del medio que puede ser proporcionada por un amplio rango de sustancias como: Bicarbonatos de calcio, magnesio y amonio. En el intervalo de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que la controla es el CO2-bicarbonato.
La relación de alcalinidad, se define como la relación entre la alcalinidad por AGV’s y la debida al bicarbonato, recomendandose no sobrepasar un valor de 0.3-0.4 para evitar la acidificación.

Producción de biogas

El biogas es una mezcla de metano, bióxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno producto de la digestión anaerobia. La materia organica compleja se trasforma en metano y bióxido de carbono como consecuencia de la actividad microbiana y sus proporciones dependen de factores el tipo de sustrato, la temperatura, el pH y la presión; si alguna de estas variables sufre algún cambio la composición del biogas puede alterarse.
El porcentaje de metano producido depende del estado de oxidación del compuesto que se degrada por ejemplo la composición típica cuando se alimentan carbohidratos es 55% metano y 45% bióxido de carbono y aunque el metanol y los lípidos producen mayor porcentaje de metano, las grasas logran producir hasta un 75% de metano. Se ha puesto atención especial al metano porque es un gas de invernadero, lo que quiere decir que su presencia en la atmosfera afecta la temperatura y el sistema climatico de la tierra; sin embargo, su alto valor como combustible lo hace una fuente potencial de energía, que puede recuperarse duranteel proceso de la digestión anaerobia.

Por lo tanto se han realizado diversos estudios para maximizar tanto la producción de biogas, como el contenido de metano en este proceso, mediante la adición de bacterias hidrogenotrófica, por mencionar algunos métodos.

Reducción de materia organica

En la digestión anaerobia, la reducción de materia organica se considera una de las variables mas importantes en el tratamiento de lodos residuales ya que esta íntimamente ligado a la producción de biogas y metano, indica directamente el grado de estabilización del sustrato, motivo por el cual la legislación de diferentes países la consideran como principal criterio para el tratamiento, manejo y disposición de lodos residuales; ademas de ser un factor clave en el arranque de los digestores debido a que el tiempo de residencia hidraulico (TRH) depende directamente de esta. En el contexto de un balance de materia puede calcularse conociendo la concentración de Sólidos Volatiles o la Demanda Química de Oxígeno en el influente y en el efluente.

Rendimientos de biogas y de metano

Los rendimientos de biogas y metano se relacionan directamente con la materia organica alimentada al reactor, generalmente se reportan como volumen del gas por masa o peso de materia organica alimentada o removida. Y se consideran directamente proporcionales a la eficiencia del proceso; sin embargo es importante hacer notar que los rendimientos también dependen de la naturaleza del sustrato, es decir si los rendimientos son bajos no necesariamente indican uncomportamiento deficiente si se deben a una baja biodegradabilidad del sustrato. El rendimiento de metano se considera mejor indicativo de la eficiencia del proceso de digestión anaerobia, a diferencia del rendimiento de biogas por que no considera la concentración de bióxido de carbono, sin embargo para el calculo de esta variable es necesario el analisis del biogas producido.

Variables de operación

El medio ambiente en el que se desarrollan las bacterias de un sistema biológico es de gran importancia ya que las bacterias involucradas en el proceso requieren de ciertas condiciones para que el proceso sea estable, especialmente el consorcio bacteriano involucrado en la digestión anaerobia ya que son altamente sensibles.

Temperatura

Juega un papel vital en la vida y muerte de las bacterias involucradas en el proceso; Cada grupo de bacterias metanogénicas tiene una temperatura óptima de crecimiento en los diferentes rangos de operación en la que se alcanza la maxima actividad microbiana y, en consecuencia, la maxima remoción de los Sólidos Volatiles a ciertas condiciones dada en el proceso.

Este aspecto es consecuencia de que las reacciones biológicas de transformación de los sustratos en productos, por parte de los microorganismos, son dependientes de la temperatura y requieren, por lo general, menor energía a mayor temperatura, lo que implica un proceso mas rapido a mayor temperatura.
Si la temperatura llega a fluctuar demasiado las bacterias metanogénicas no pueden desarrollarse adecuadamente y el resultado sera una deficiencia enel proceso.

Carga organica

Es uno de los parametros mas útiles para describir las condiciones de alimentación (concentración y volumen), se expresa típicamente como peso de materia organica expresada en concentración de Sólidos Volatiles o Demanda Química de Oxígeno (DQO) por unidad de volumen del reactor por día. Representa la medida exacta de alimento que un digestor necesita. Otros parametros como el tiempo de retención hidraulica y la concentración de Sólidos Totales resultan falaces debido a que el primero varía significativamente cuando al concentración de materia organica aumenta y el segundo aunque contribuye en el volumen de alimentación no lo indica de manera directa; por lo tanto no proveen la información basica para comparar costos de arranque y operación de un digestor.

Producción de biogas y contenido de metano

El biogas es una mezcla de metano combustible y de gas carbónico inerte. Las proporciones relativas del gas dependen de la naturaleza del sustrato fermentado y la composición.

Como es producido en medio húmedo, el gas esta saturado de agua y con la presencia simultanea de H2S y CO2 hacen el biogas mas corrosivo por lo que se requiere utilizar materiales apropiados. La producción del biogas, puede ser utilizada para evaluar si un proceso esta funcionando bien, si la producción real del gas se correlaciona con la producción “estimada”, es decir; la producción del gas se debe relacionar con el potencial de la materia prima que es el metano.
El metano puede usarse como una fuente de combustible. Es un gasinflamable natural. El metano es inoloro, tiene un poder calorífico de 1000Btu,ft3. Cuando en metano es mezclado con el dióxido de carbono que se produce en la digestión anaerobia, su poder calorífico disminuye significativamente.
Cuando la digestión anaerobia es interrumpida por cambios en las condiciones de operación se producen numerosos compuestos insolubles y volatiles. Muchos de estos compuestos son fétidos y ocasionalmente son liberados a la atmosfera.
El potencial de producción depende de la carga organica del substrato y de la biodegradabilidad del mismo. En general, los residuos organicos industriales y la fracción organica de residuos sólidos urbanos presentan altos potenciales de producción.

Composición del biogas

La composición de biogas se determinó en un cromatógrafo de gases Buck 310 compuesto por una columna capilar de All Tech CRT 1, de 6 in der longitud y ¼ in de diametro, la cual detectan CH4, CO2, O2, y N2. La dosis de inyección directa fue de 2 ml

METODOLOGIA

Los pasos a seguir para este método son los siguientes, es importante mencionar que la cuantificación y caracterización de la generación de biogas en un reactor mesofílico es de tipo anaerobio (en ausencia de oxigeno).
1.-Primero se extrae el lodo crudo de una industria en este caso es ALPESUR y/o FIRIOB.
2.- Se lleva al laboratorio donde de almacena en unos galones y se colocan dentro del refrigerador para que este no fermente y pueda producir olores.
Figura 2. Lodos en el refrigerador.
3.- Después se saca unaración de 2 litros y se lleva a cabo la prehidrolisis coloca en un vaso precipitado, se pone en una parrilla y se calienta a 90°C durante 90 minutos esta etapa del proceso es muy importante porque se matan los microorganismos patógenos que podrían matar las baterías.

4.- Posteriormente se deja reposar durante 24 horas y después se almacena en un galón y se mete ala refrigerador, cabe mencionar que este lodo ya esta libre de microorganismos que podrían matar las bacterias y se utiliza para alimentar el reactor.
Lodo tratado y almacenado.


5.- Después se sacan del lodo ya prehidrolisado del refrigerador y se miden 375ml en una probeta para alimentar el reactor.
6.- Se coloca en un vaso precipitado y se pone a calentar en la parrilla eléctrica a una temperatura de 35°C para que el reactor no sufra cambios tan bruscos de temperatura.
7.- En seguida se saca del reactor la misma cantidad que se alimenta 375ml y se colocan en una probeta para que posteriormente se le mida el pH y se toma una muestra de 5 ml para hacer sólidos totales. Es importante que cada vez que se extrae lodo del reactor se saque la manguera del biogas y se mantenga fuera del agua donde esta el galón con el biogas, ya que de lo contario se metería agua al reactor y alteraría los resultados.



Figura 5. Se extrae el lodo del reactor.
Figura 6. Midiendo el pH.

8.-Ya después de haber extraído el lodo se alimenta con la misma cantidad, cabe mencionar que el lodo con el que se alimenta es el que se prehidrolisó y estalibre de microorganismos patógenos.


Figura 7. Alimentando al reactor.

9.- Cada tercer día se lleva a cabo la alcalinidad esto con el propósito de ver que tan resistente es el lodo o que tan apto es a sufrir cambios. Esto se realiza en una bureta se llena de acido sulfúrico hasta que el menisco tome forma de onda y no sobrepase de lo indicado. Debe de alcanzar un pH óptimo de 5.75 y 4.33.


Figura 8. Alcalinidad.

10.- Posteriormente después de haberle medido el pH al lodo que se extrajo del reactor se miden 5 ml de lodo que se ocuparan para hacer sólidos, donde cada crisol se pesa y se pasa por un desecador, después pasa a una estufa donde se deja por 24 horas, enseguida se pasan a calcinar y se obtienen los sólidos totales volatiles.

Figura 9. Balanza analítica. Figura 10. Estufa de calcinación.

11.- Por ultimo se cuantifica y se hace una anotación de cuanto biogas se produce diariamente y se anota en una bitacora donde se lleva un control determinado, posteriormente el biogas que se produce se quema por que no se cuenta con un lugar para almacenarlo.
Figura 12. Cuando el biogas se quema.
Figura 11. Biogas almacenado.

RESULTADOS

Como resultados obtuvimos sólidos totales volatiles, sólidos totales y la producción del biogas y los altos contenidos de metano que el biogas obtiene. A continuación se presentan los días es que se inyecto el biogas en elcromatógrafo:
| 13/04/10 | 14/04/10 | 15/04/10 | 16/04/10 | 17/04/10 | 18/04/10 | 19/04/10 |
CH4 + aire | 208.029 | 211.029 | 205.434 | 193.907 | 190.532 | 230.772 | 201.820 |
CO2 | 55.196 | 52.061 | 58.624 | 55.119 | 57.702 | 57.702 | 40.243 |
O2 | 3.398 | 4.097 | 4.573 | 4.349 | 5.623 | 5.623 | 21.055 |
N2 | 26.321 | 24.691 | 19.472 | 17.65 | 31.032 | 31.032 | 81.814 |
CH4 | 227.439 | 212.233 | 321.494 | 221.68 | 240.314 | 240.314 | 179.363 |

| 20/04/10 | 21/04/10 | 22/04/10 | 23/04/10 | 24/04/10 | 25/04/10 | 26/04/10 |
CH4 + aire | 225.309 | 232.925 | 186.160 | 170.382 | 241.487 | 92.695 | 216.650 |
CO2 | 51.874 | 53.299 | 53.947 | 38.565 | 46.178 | 16.032 | 51.062 |
O2 | 4.698 | 15.208 | 2.886 | 13.792 | 18.968 | 1.598 | 9.737 |
N2 | 19.349 | 61.782 | 13.152 | 60.146 | 61.618 | 8.248 | 46.06 |
CH4 | 236.803 | 189.421 | 227.083 | 145.166 | 171.024 | 93.490 | 232.218 |

| 27/04/10 | 28/04/10 | 29/04/10 |
CH4 + aire | 178.642 | 265.861 | 121.278 |
CO2 | 64.194 | 69.421 | 27.620 |
O2 | 2.661 | 15.659 | 9.883 |
N2 | 9.254 | 62.291 | 38.249 |
CH4 | 210.115 | 222.606 | 115.495 |
Tabla 1 días registrados en los que se inyecto el biogas.
NOTA: el primer día de la estancia no se inyecto biogas.

Grafica 1. Muestra el biogas producido en mL, dióxido de carbono y promedio en biogas.

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CONCLUSIONES

La digestión mesofílica se produce a temperaturas situadas en el intervalo que operan hasta 35 °C. La digestión mesofílica se caracteriza por requerir tiempos prolongados de tratamiento (15 a 28 días para losconvencionales y hasta 60 días para los de alta tasa). Este tipo de procesos reduce únicamente 1.84 log de coliformes fecales por lo que no cumplen con los requisitos para biosólidos clase A (< 1 huevo helminto/4 g ST). La digestión mesofílica se lleva a cabo a una velocidad menor a la de la digestión térmofilica.
Bajo condiciones anaerobias, los microorganismos no pueden respirar, o sea oxidar sustancias organicas complejas, sino solamente fermentarlas, es decir, reducirlas. Aquellas sustancias como hidratos de carbono, proteínas o grasas son transformadas a productos intermedios como acidos organicos o alcoholes de alto contenido de energía. Hay que pretender su completa transformación al llamado “biogas” (CH4, CO2).
En mi opinión creo que es importante que las agroindustrias desarrollen un sistema que pueda mejorar su condición de trabajo y ahorren tiempo y, creo que también es importante que las empresas tengan su propio reactor ya sea mesofílico o termofílico esto ahorraría dinero y mejoraría la calidad de la industria.

BIBLIOGRAFIA

Rosas Mendoza E. Diciembre 2008. Evaluación de la competencia entre bacterias desnitrificantes y bacterias metanogénicas en un reactor anaerobio.
Salgado,G.,(1998).”Remocion de huevos de helmintos en agua residual por cinco tecnologias diferentes sobre el sistema de tratamiento primarioavanzado (TPA)”.