DISEÑO DE DIGESTORES

Tesis: Modelación, Implementación y Automatización de una microplanta

generadora de Biogás a partir de biomasa residual

OBJETIVO

Identificar los elementos básicos que se deben tener en cuenta para la modelación de un proceso de fermentación en digestores anaeróbicos destinados al tratamiento de biomasa orgánica de origen vegetal y animalEstablecer las variables de control que tendrán los digestores para realizar la caracterización de los ensayos que se podrán realizar en el equipo

FACTORES A CONSIDERAR EN EL PROCESO DE FERMENTACIÓN

Existen muchos factores que intervienen en el proceso de fermentación metanogénica y son capaces de intervenir en la rapidez y cantidad de producción del biogás en los cuales se tienen:

1.- MATERIAL DE CARGA PARA LA FERMENTACIÓN

Son todo tipo de desecho orgánico usado para la degradación y se pueden dividir en 2 grandes grupos:

• Materia prima rica en nitrógeno (N se usa como constituyente para la formación de estructura celular)

• Materia prima rica en carbono (C se usa como fuente de energía para la fermentación)

2.- RELACIÓN C/N

Los microbios siempre consumen estos elementos en determinadas proporciones en base a la relación de C/N que contenga la materia orgánica.

Se recomienda como aceptable una relación C/N entre 20:1 – 30:1 Debido a:

• Materias ricas en carbón Producen mas biogás

• Materias ricas en nitrógeno Producen en menor tiempo

Por consiguiente para el proceso de fermentación la determinación de la relación C/N se realizara por medio de:

• Empleando un mecanismo indicador C/N • Teóricamente mediante la formula:

Donde: C % de carbonoN % de nitrógenoX Peso de la materia prima en Kg

3.- CONCENTRACIÓN DE LA CARGA

Para mantener un adecuada producción de biogás no es conveniente que la carga no este ni muy concentrada ni muy diluida, por lo que se recomienda una concentración de 8-10%

Para la determinación del volumen de agua necesario para la concentración diluida tenemos:

Donde S.T. son los solidos totales y los cuales se pueden determinar experimentalmente a través de la humedad de la biomasa

4.- TEMPERATURA

Los rangos de temperatura varían en función al tipo de fermentación que se usara, de la misma forma influirá en el tiempo que tome la fermentación:

Nuestro sistema contara de un control de temperatura que permita trabajar dentro de estos rangos con el fin de realizar una variedad de ensayos para diferentes condiciones y obtener las características del biogás para cada una de ellas

Fermentación

Mínimo Optimo Máximo

Psycrophílica

4-10ºC 15-18ºC 20-25ºC

Mesophílica 15-20ºC 25-35ºC 35-45ºCThermophíli

ca25-45ºC 50-60ºC 75-80ºC

5.- VALOR DE PH

El valor optimo para el digestión metanogénica es de 6.5 – 7.5, menor que 5 o mayor que 8 puede inhibir el proceso de fermentación, normalmente cuando se trabaja con residuos domésticos y agropecuarios la dinámica del proceso ajusta el PH, sin embargo el PH se puede corregir como:

• Sacando frecuentemente una pequeña cantidad de efluente y agregando materia prima en la misma cantidad

• Agregando fertilizantes, agua amoniacal diluida, licor fermentado, soluciones alcanas o acidas según se el caso

6.- PROMOTORES DE LA FERMENTACIÓN

Materiales que pueden fomentar la degradación del material y aumentar la producción del biogás (Urea, Carbonato de Calcio)

Urea Acelera la producción de metano y degradación del material

Carbonato de Calcio Aumenta la generación de biogás ayuda en el aumento de metano en el biogás

PARÁMETROS DE CONTROL EN EL DIGESTOR

Nuestro digestor constara de los siguientes parámetros para el control de proceso:

• 1) Una cámara de agua externa con 4 resistencias ubicadas a 90º cada una con el fin de mantener la temperatura lo mas uniforme posible, el control de temperatura constara con una interfaz de control capaz de setear la temperatura establecida para cada ensayo

• 2) Un ducto de entrada en la parte superior por el cual se podrá introducir las soluciones alcanas o acidas para el control de PH

PARÁMETROS DE CONTROL EN EL DIGESTOR

• 3) Un sensor de PH empleado para registrar los valores de PH de nuestro sustrato

• 4) Sensores de temperatura para el control y registro del parámetro

• 5) Un agitador mecánico para remover el sustrato cuando se requiera que las soluciones se dispersen de mejor manera a lo largo del sustrato

• 6) Conducto de salida al gasómetro

DIMENSIONES DEL DIGESTOR

1.- Escogiendo el material para la fermentación* Parametro base: Relacion C/N (20-30)

Material: Materia Organica

290.1Kg

m3

2.- Cantidad de material a procesarW 5 Kg

3.- Relacion biomasa/agua* (1:1 o 1:2) Kg-Litros Para orinales, excretas humanas y de animales, desechos agricolas* (1:3 o 1:4) Kg-Litros Para restos vegetales y leñososR 2

r=0.20542887450668833414 m

4.- Volumen del digestor

VC W

R W

103

VC 0.027235436056532230265 m3

5.- Hallar las medidas optimas para ocupar la menor area posible

A r( ) 2 r VC

r2 r2

A1 r( )rA r( )d

d A1 r( ) 2 r 0.05447087211306446053

r2

Dado

A1 r( ) 0

Findr( ) 0.10271443725334416707 0.17790662399363753909i 0.10271443725334416707 0.17790662399363753909i 0.20542887450668833414( )

A2 r( ) 2rA r( )d

d

2

A2 r( ) 2 0.10894174422612892106

r3

A2 0.20542887450668833414( ) 18.85 Es un minimo

Por consiguiente escogemos un radio de 15 cm ya que nos da una relación de 1.28 en comparación a un radio de 20.5 cm cuya relación es de 0.5

6.- Comparamos con la relacion y/d para digestores tipo batch 1 - 1,4

n r( ) h r( )2 r

0.15 m

h ( ) 0.385 m

y h ( )2

y 1.2843420076030641264417

Además si bien es cierto que a 20.5cm de radio se tiene la menor área en el digestor con 0.15cm el área que ocupa es casi la mima tal como se muestra en el grafico

Por consiguiente se empleara un digestor con radio de 0.15cm y altura de 0.40 cm

Las medidas finales de nuestro digestor serán:• 30 cm de diámetro para la cámara del

sustrato• 45 cm de altura para la cámara del sustrato• 45 cm de diámetro total (cámara del

sustrato + cámara de agua)• 40 cm de altura para la cámara de agua