potencial de la biomasa como - SICA

POTENCIAL DE LA BIOMASA COMO

FUENTE DE ENERGÍA EN LA ZONA DE LA

BAHÍA DE JIQUILISCO

UNIÓN EUROPEA

Este documento se ha realizado con la ayuda financiera de la Comunidad Europea. El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva de la Universidad Centroamericana “José

Simeón Cañas” y en modo alguno debe considerarse que refleja la posición de la Unión Europea.

Proyecto:

“POTENCIAL DE LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA EN LA ZONA DE

LA BAHÍA DE JIQUILISCO”

RESPONSABLES DEL PROYECTO

Dr. Francisco Chávez

Director

Septiembre 2011/Marzo 2013

Ing. José Rafael Alas

Coordinador de área de gasificación

Septiembre 2011/Marzo 2013

Dra. María Dolores Rovira

Coordinadora de área de biodigestión

Septiembre 2011/Septiembre 2012

Maestro Erick Harold Ramos

Coordinador de área de biodigestión

Septiembre de 2012/Marzo de 2013

333.953 9 P969 Proyecto: potencial de la biomasa como fuente de energía en la zona de la Bahía de Jiquilisco / dirección Francisco Chávez ; coordinación José Rafael Alas, María Dolores Rovira, Erick Harold Ramos. – 1ª ed. – San Salvador, El Salv. : Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales (UCA), 2013. 70 p. : il. ; 28 cm. ISBN 978-99923-935-2-9 1. Energía biomásica-Bahía de Jiquilisco, Usulután. 2. Recursos energéticos-Bahía de Jiquilisco, Usulután. I. Chávez Benítez, Proyecto: potencial de la biomasa como…

PREFACIO El programa “Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica” (AEA) es una Alianza Público Privada, la cual tiene su origen en la Cumbre Mundial sobre Desarrollo Sostenible, organizada por la Organización de las Naciones Unidas en Johannesburgo, en el año 2002. Su creación obedece a la voluntad del Gobierno de Finlandia y de los Gobiernos de Centroamérica, representados por la Comisión Centroamericana de Ambiente y Desarrollo (CCAD) y por la Secretaría General del Sistema de la Integración Centroamericana (SG-SICA), de contribuir en la implementación de un programa en el área de las energías renovables en los países miembros del Sistema de la Integración Centroamericana, SICA. En el año 2007, la Cooperación Austríaca para el Desarrollo se unió a la Alianza, y en el año 2010, la Unión Europea (UE) se integró a este emprendimiento conjunto con una contribución que se está gestionando como subvención descentralizada a través del nuevo instrumento de financiación “Indirect Centralized Management” (ICM), con la Austrian Development Agency (ADA). Desde sus orígenes en el año 2002, los principales actores del programa AEA comprendieron que el camino a recorrer en la implementación de las actividades sería un proceso de aprendizaje. La frase “Aprender Haciendo” fue uno de los elementos motivadores de la visión con la que se ejecutaría el programa. El presente informe presenta los resultados de los análisis realizados durante la ejecución del proyecto “POTENCIAL DE LA BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA EN LA ZONA DE LA BAHÍA DE JIQUILISCO”. Este proyecto del programa “Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica” (AEA), ejecutado con la participación activa de productores agropecuarios de algunas comunidades de la bahía de Jiquilisco y por medio del esfuerzo conjunto del equipo de investigadores de la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas – UCA, logra un avance significativo en la búsqueda del tratamiento y la transformación de residuos agropecuarios en una fuente de energía, la cual podría ser aprovechada utilizando las tecnologías de plantas de biodigestión y de gasificación. El proyecto cumple con los objetivos de: Lograr el desarrollo sostenible, transferir las tecnologías de energías renovables, capacitar al personal, promover la investigación y contribuir a reducir el impacto del sistema energético sobre el medio ambiente. Este esfuerzo representa uno de los emprendimientos de aplicación de tecnologías de energías sostenibles en actividades productivas de las zonas rurales en la región Centroamericana. Celebramos, por lo tanto, la contribución del proyecto al logro del objetivo general del programa “Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica” (AEA): “promover el desarrollo sostenible en la región, mediante un mejor acceso a servicios energéticos modernos, fiables y asequibles, una mayor seguridad energética y la reducción de las externalidades ambientales negativas, contribuyendo así a reducir la pobreza y disminuir el efecto del sector energético en el cambio climático”.

Dr.-Ing. Salvador E. Rivas Coordinador Regional de la Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica – AEA

PRESENTACIÓN

Esta publicación contiene en forma resumida, los resultados de las investigaciones

realizadas durante la ejecución del Proyecto “POTENCIAL DE LA BIOMASA CÓMO FUENTE

DE ENERGIA EN LA ZONA DE LA BAHIA DE JIQUILISCO”, que fue presentado para su

financiamiento al programa de la Secretaría General del Sistema de la Integración

Centroamericana (SG-SICA) “Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica” (AEA),

ante la convocatoria realizada en el marco del acuerdo de la delegación de la Unión

Europea número: DCI-ENV 2009/229-122.

El objetivo general planteado en el documento del proyecto fue de “determinar cuales

de los diferentes desechos agroindustriales, que se producen en la zona de la Bahía de

Jiquilisco, presentan las características necesarias para su utilización como una fuente

alternativa de energía y su posterior aplicación en la generación de energía en un proceso

productivo de las comunidades de la zona que reúnan las características apropiadas para

su implementación y de esta forma suplir algunos requerimientos energéticos”

El proyecto se justificó dado que en El Salvador, la industria agropecuaria genera como

resultado de sus procesos productivos una variedad de subproductos y, aunque una

pequeña parte de estos desechos son aprovechados para su conversión en energía

(principalmente en ingenios azucareros), un gran porcentaje de ellos no son utilizados.

Siendo los excedentes de las actividades agropecuarias una fuente potencial de energía

que puede ser reintegrada a un proceso productivo, utilizada para fines domésticos o

comerciales, o alimentada a la red de distribución eléctrica, se planteó el objetivo antes

mencionado, y en particular, la investigación de su potencial utilización como fuente de

energía utilizando dos tipos de tecnología: i) La gasificación y ii) La digestión anaeróbica.

Ambas tecnologías producen un combustible gaseoso que tiene la ventaja de que su uso

es muy versátil y producen además un subproducto sólido que puede utilizarse para el

mejoramiento de los suelos en las prácticas agrícolas.

Por otro lado, al implementar tecnologías para generación de energías renovables se

potencia la disminución de la dependencia externa del abastecimiento de combustibles.

De esta manera se hace frente a uno de los principales problemas que afecta a la sociedad

en general; es decir, la reducción en los abastecimientos de combustibles fósiles. En este

contexto, es necesario resaltar que el país necesita de fuentes de energía renovables para

mantener en un futuro cercano su crecimiento y desarrollo económico, es decir, El

Salvador necesita diversificar sus fuentes de generación de energía.

Una alternativa a este desafío, es el uso de la biomasa como una fuente de energía

calorífica, mecánica y eléctrica para la micro, pequeña y mediana empresa o bien para

usos domésticos. Al reflexionar sobre la utilización energética de la biomasa, el interés se

centra principalmente en los residuos y subproductos agrarios y agroindustriales, puesto

que:

Es una biomasa, que ya existe y que, en gran medida, no es utilizada con otros fines.

En muchos casos, la eliminación de dichos residuos constituye un problema que puede

originar contaminación y es de costosa resolución, en términos económicos y

energético.

Por otra parte, la cantidad de energía que puede obtenerse depende del tipo de desecho

que se utilice y de las características que este posea, por lo que uno de los objetivos

específicos del proyecto fue investigar las características de algunos desechos

agroindustriales de la zona de estudio, que permitiera tomar una decisión sustentada al

momento de seleccionar un tipo específico de biomasa para su posterior conversión en

energía; ya sea por un proceso de gasificación o por un método fermentación anaeróbica.

En este sentido, la primera parte del proyecto, aprobado en Septiembre de 2011,

comenzó con la identificación de al menos cinco desechos producidos en la zona de

estudio con potencial de ser transformados por gasificación y de cinco desechos para ser

transformados por digestión anaeróbica. El potencial del uso de estos desechos como

fuente de energía se evaluó en base a criterios de abundancia y disponibilidad, usos

alternativos, contenido de humedad, necesidades de pretratamiento y facilidad de

recolección y transporte. También en esta primera parte, se identificaron las locaciones

con potencial para ser ubicadas las plantas piloto de biodigestión y de gasificación. Los

resultados de esta primera parte se presentan en el primer capítulo de este documento.

Seleccionados los desechos se procedió a evaluar su potencial como fuente de energía. En

el caso de la gasificación, el equipo de trabajo, coordinado por el Ing. José Rafael Alas y

apoyado por los estudiantes egresados de Ingeniería Química: Edgar Amaya, Gabriel Sorto,

David Henríquez y Salvador Klein, procedió a realizar una evaluación experimental de la

gasificación de los desechos seleccionados que incluyó la caracterización de ellos, a través

de parámetros como humedad y poder calorífico. Posteriormente a su caracterización se

procedió a gasificar estos desechos para utilizar los resultados de esta evaluación en la

posterior instalación y puesta en marcha de las plantas pilotos de gasificación. El capítulo

dos de este documento describe las actividades y conclusiones que fueron realizadas por

el equipo de trabajo.

Similarmente, el equipo de trabajo para la digestión anaeróbica, coordinado por la Dra.

María Dolores Rovira (hasta septiembre del 2012) y por el Ing. Erick Ramos (De octubre de

2012 a Marzo de 2013) y apoyados por los estudiantes egresados de Ingeniería Química:

Edith Alejandra Navarro, Mario Rodríguez, Carlos Aguilar y Mario Gómez, realizaron una

evaluación experimental de diferentes desechos que se utilizó de base para la

construcción y puesta en marcha de los biodigestores en las localizaciones seleccionadas.

Los resultados obtenidos por este equipo de trabajo se presentan en el Capítulo 3 de esta

publicación.

Indudablemente, los resultados obtenidos reflejan principalmente el esfuerzo de los

equipos de trabajo, que contaron con el apoyo de los miembros de las comunidades en

donde se instalaron y construyeron las plantas pilotos correspondientes, por lo que se

agradece su colaboración. También un agradecimiento a Jacqueline Orellana Carlos por su

apoyo en la edición gráfica de este documento.

Dr. Francisco Chávez

Director del Proyecto

CONTENIDO

CAPÍTULO 1. Identificación y selección de biomasa procedente de actividades agroindustriales en la zona de la Bahía de Jiquilisco. ............................................ 1

1.1 Generalidades ......................................................................................... 2

1.2 Objetivos ................................................................................................ 3

1.3 Metodología de identificación y selección. .............................................. 3

1.4 Resultados .............................................................................................. 6

1.5 Conclusiones ........................................................................................... 7

CAPÍTULO 2. Evaluación del potencial energético de desechos agroindustriales por medio de gasificación. ................................................................................... 9

2.1 Instalación de un kit de gasificación a escala de laboratorio. ................. 10

2.1.1 Generalidades ................................................................................. 10

2.1.2 Objetivo .......................................................................................... 10

2.1.3 Resultados ...................................................................................... 11

2.2 Evaluación experimental del syngas obtenido de la gasificación de desechos agrícolas de la zona de la Bahía de Jiquilisco .................................... 12

2.2.1 Generalidades ................................................................................. 12

2.2.2 Objetivos ........................................................................................ 12

2.2.3 Marco teórico sobre el proceso de gasificación y la biomasa. .......... 12

2.2.4 Metodología ................................................................................... 15

2.2.5 Resultados ...................................................................................... 20

2.2.6 Conclusiones ................................................................................... 25

2.3 Diseño y construcción de plantas pilotos de gasificación. ...................... 26

2.3.1 Ubicación. ....................................................................................... 26

2.3.2 Diseño ............................................................................................ 26

2.3.3 Equipo de gasificación ..................................................................... 30

CAPÍTULO 3. Evaluación del potencial energético de desechos agroindustriales por medio de digestión anaerobia. ..................................................................... 33

3.1 Evaluación del potencial de generación de biogás de desechos agroindustriales de la Bahía de Jiquilisco. ........................................................ 35

3.1.1 Generalidades ................................................................................. 35

3.1.2 Objetivos ........................................................................................ 35

3.1.3 Marco teórico del proceso de biodigestión. ..................................... 35

3.1.4 Metodología ................................................................................... 38

3.1.5 Resultados ...................................................................................... 42

3.1.6 Conclusiones ................................................................................... 47

3.2 Diseño y construcción de biodigestor anaerobio a escala de laboratorio 48

3.2.1 Generalidades. ................................................................................ 48

3.2.2 Diseño del biodigestor anaerobio. ................................................... 48

3.2.3 Diseño de un serpentín ................................................................... 50

3.2.4 Diseño de un gasómetro. ................................................................ 53

3.2.5 Biodigestor anaerobio diseñado. ..................................................... 54

3.3 Diseño y construcción de una planta piloto de biodigestión anaerobia para el tratamiento del estiércol bovino en la zona de la Bahía de Jiquilisco. ... 56

3.3.1 Generalidades. ................................................................................ 56

3.3.2 Ubicación de las plantas pilotos de biodigestión anaerobia. ............ 56

3.3.3 Diseño de biodigestores anaerobios. ............................................... 58

3.3.4 Diseño de un filtro para la adsorción de H2S. ................................... 62

3.3.5 Cálculo del poder calorífico de una muestra de biogás limpio. ......... 70

ABREVIATURAS

SIGLAS Y ABREVIATURAS

%

Porcentaje. min Minutos.

°C Grados Celsius. ml Mililitros. cm Centímetros. mm Milímetros. cm3 Centímetros cúbicos. pulg H2O Pulgadas de agua. etc. Etcétera. s Segundos g Gramo ΔT Cambio de temperatura.

J Joules. Sml:

Mililitros de gas a condiciones estándar de presión y temperatura.

km Kilómetros. MJ Megajoules

ABP

Anaerobic Biogasification Potential (Potencial Anaerobio de Biogasificación)

APRAINORES Asociación de Productores Agrondustriales Orgánicos de El Salvador.

ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales).

AVG Ácidos Grasos Volátiles.

BMP Biochemical Methane Potential (Potencial Bioquímico de Metano).

CBMP Corrected Biomethane Potential (Potencial Bioquímico de Metano Corregido).

CMC Carboximetil celulosa.

CNSL Cashew Nut Shell Liquid (Líquido de la cáscara de la semilla del marañón).

DER Desviación Estándar Relativa.

EEUU Estados Unidos de América

FAO Food and Agriculture Organization of the United Nation (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura).

GCU Gasifier Control Unit (Unidad de control de gasificador)

GEK Gasifiers Experimenters Kit (Kit de Experimentadores de Gasificadores).

GLP Gas licuado de petróleo.

ILC Industrias La Constancia

PCS Poder calorífico superior.

ST Sólidos totales.

SV Sólidos volátiles

TOTTI Tower of total thermal integration (Torre de integración térmica total).

GLOSARIO

Término Definición

Alquitrán Sustancia grasosa, oscura y de olor fuerte, que se obtiene de la destilación de ciertas materias orgánicas, principalmente de la hulla, el petróleo, la turba, los huesos y de algunas maderas resinosas.

Biomasa Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, cuyo contenido de energía química almacenada permite utilizarla como fuente de energía.

Contenido de cenizas

La cantidad de residuos sólidos inorgánicos que quedan luego de que el combustible es completamente quemado

Densidad aparente

Relación entre el volumen y el peso seco, incluyendo huecos y poros que contenga, aparentes o no.

Digestato o biol Es el subproducto semi-líquido resultante de la digestión anaerobia y tiene un uso potencial como fertilizante orgánico.

Gasómetro Instrumento empleado para la distribución o medición del volumen de gases poco solubles o insolubles en agua, mediante su acumulación en un recipiente.

Hollejo Piel delgada que envuelve la pulpa o parte carnosa de algunas frutas y legumbres.

Incubar Desarrollo de microorganismos en un medio determinado para la producción de metano.

Inóculo Es la cantidad o número de gérmenes infectantes que son introducidos accidental o voluntariamente en los tejidos vivos o en medios de cultivos especiales.

Materia volátil Es el vapor condensable y no condensable liberado cuando la biomasa combustible es calentada. La cantidad del mismo dependerá de la tasa de calentamiento y la temperatura.

Poder calorífico

Cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. Es la máxima cantidad de calor que

se puede obtener de un combustible cuando se quema completamente.

Sólidos volátiles Son aquellos que existen en una muestra orgánica y se volatilizan a una temperatura de 600°C.

Sustrato Es un compuesto de origen animal o vegetal, que sirve como fuente de nutrientes específicos para algunos microrganismos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Resina

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_de_masa

http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidaci%C3%B3n

CAPÍTULO 1. IDENTIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE

BIOMASA PROCEDENTE DE ACTIVIDADES AGROINDUSTRIALES EN LA ZONA DE LA

BAHÍA DE JIQUILISCO.

Identificación y selección de biomasa procedente de actividades agroindustriales. 2

1.1 Generalidades

La Bahía de Jiquilisco es una reserva natural con una longitud de costa de 55 km, se forma en la península de San Juan del Gozo situada en el departamento de Usulután al occidente del país. En sus áreas se encuentran alojadas 27 islas, algunas de ellas son: Madresal, Espíritu Santo, Tortuga, Méndez y El Arco. Tiene las bocanas El Bajón y La Chepona, así como los puertos de cabotaje El Triunfo y Puerto Parada. Ver Figura 1.1.

En ella está situada la zona de manglar más grande del país, donde se han identificado 54 tipos de aves y habitan en ella reptiles como boas, iguanas, tortugas y cocodrilos, haciendo de esta área un tesoro natural invaluable (MARN, 2004).

Las principales actividades en la zona son la agricultura, la ganadería, la pesca y la acuicultura. Se practica el cultivo para la subsistencia humana y se cultivan para comercializar productos como ajonjolí, frijol blanco, marañón, coco, sandía, la caña de azúcar y el maíz, siendo los más extensos los dos últimos.

Existen además cooperativas y comunidades dedicadas a diferentes actividades agroindustriales, algunas de ellas producen y comercializan camarón, otras como las de la Isla de Montecristo siembran el marañón y procesan la semilla para exportación, mientras que en la Isla Espíritu Santo se cultiva coco para la producción de aceite.

Figura 1.1 Ubicación geográfica de la Bahía de Jiquilisco. Adaptado de Google Earth (2012).


La Bahía de Jiquilisco y su rica actividad agrícola, genera una diversidad de desechos que constituyen una potencial fuente de biomasa para la generación de energía. La selección de la biomasa con las características deseadas para el aprovechamiento energético es un paso crucial en el desarrollo de las investigaciones presentadas en el documento.

1.2 Objetivos

General

Reconocer los procesos agrícolas en la zona de la Bahía de Jiquilisco para identificar los desechos generados que están disponibles para los procesos de aprovechamiento energético: gasificación y biodigestión anaerobia.

Específicos

Seleccionar los cuatro desechos agrícolas con mayor potencial de gasificación para una posterior caracterización de sus propiedades más importantes: humedad, ceniza, poder calorífico y densidad aparente. (Ver Sección 2.2.5).

Identificar para el proceso de digestión anaerobia, los cinco desechos más adecuados que se generan como sub-producto de las actividades agrícolas de la zona de la Bahía de Jiquilisco, para determinar sus propiedades principales: humedad, sólidos totales, sólidos volátiles y % de carbón orgánico. (Ver Sección 3.1.5)

1.3 Metodología de identificación

y selección.

La identificación y selección de los desechos agrícolas se realizó de forma simultánea por dos equipos de investigación: el destinado a gasificación y el de biodigestión y se empleó para ello, el método multicriterio cualitativo simple (MCS).

En el método se plantea inicialmente un objetivo, luego se enlistan las alternativas identificadas, es decir, los diferentes tipos de biomasa presente en los lugares de investigación.

Posteriormente, se define un listado de criterios correspondientes a las cualidades deseadas en los desechos a seleccionar y se decide una valoración cualitativa junto con sus respectivos umbrales. Se recolecta a continuación la información de los criterios planteados para cada desecho identificado, finalmente se valoran estos criterios y se selecciona la opción que resulte con el mayor puntaje.

Para determinar el tipo y la cantidad de desecho disponible se realizaron visitas de campo a las zonas agrícolas y los procesos agroindustriales del área circundante de la Bahía de Jiquilisco. Las visitas de campo permiten conocer las principales actividades agrícolas de la zona y el uso que se da a sus desechos.

Los lugares y organizaciones que fueron visitadas son:

Asociación de Productores Agroindustriales Orgánicos de El Salvador (APRAINORES): destinada al procesamiento de semilla de marañón orgánica para exportación, en ella se


desecha la cáscara y el mesocarpio de la semilla conocido como hollejo.

Isla de Méndez: sus actividades son la pesca y ganadería, siembra de cocos y marañón. Se identificaron desechos como estiércol del ganado y rastrojos.

Comunidad “Amando López”: dedicadas a la siembra de cultivos para subsistencia y se identificaron desechos como: olote de maíz, hojas y ramas.

Cooperativa El Jobal: ubicada en la Isla Espíritu Santo donde se produce aceite de coco, en este proceso se identificó como desecho la estopa de coco y residuos del prensado para la obtención del aceite (Figura 1.2).

Corral de Mulas: en esta zona se identificó como desecho el estiércol vacuno.

Comunidad “La Línea”: en ella se dedican al proceso artesanal de la semilla de marañón, se desecha igualmente la cáscara y el hollejo de la semilla.

Comunidad San Hilario destinada a la siembra de cultivos para subsistencia, donde se identificó como desecho el estiércol vacuno.

Puerto el Triunfo, donde el comercio de

mariscos genera como principal desecho las vísceras de pescado.

Los desechos identificados en la zona se presentan para ambos procesos energéticos en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Desechos identificados para gasificación y biodigestión.

Gasificación Biodigestión

ALT

ERN

ATI

VA

S

A Bagazo de caña Falso fruto de

marañón

B Cáscara de semilla de marañón

Cáscara de semilla de marañón.

C Desechos del

cultivo de maíz

Rastrojo ( hojas secas de marañón

y ramas)

D Desechos del

cultivo de ajonjolí Estiércol bovino

E Estiércol bovino Vísceras de

pescado

F Estopa de coco Mango

G Hollejo de semilla

de marañón Estopa de coco

H Rastrojo -

Los criterios con los que fueron evaluadas las alternativas de la Tabla 1.1 son:

Abundancia: indica la cantidad de desechos disponibles en la zona para el proceso. Debe estar presente en grandes cantidades.

Conveniencia de usos más rentables del desperdicio: este criterio indica si es provechoso utilizar el desecho para otro proceso más rentable. Se prefieren aquellos desechos sin uso actual.

Necesidad de pre-tratamiento: indica la

cantidad de procesos a los que se debe someter un desecho antes de ser

La biomasa comprende toda materia orgánica originada en un proceso biológico, natural o provocado, cuyo contenido de energía química almacenada permite

utilizarla como fuente de energía.


introducido al reactor. Se opta por aquel que no requiera tratamiento previo.

Facilidad de transporte: indica las complicaciones de traslado que se tienen con cada desecho, y se prefiere el desecho más fácil de movilizar o aquel que no necesita ser transportado en absoluto.

Porcentaje de humedad: se refiere a la cantidad de agua que poseen los desechos. Para biodigestión anaerobia se prefieren desechos con alto contenido de humedad,

a diferencia de gasificación donde se busca biomasa con baja humedad.

Disponibilidad del desecho: para gasificación se evalúa la condición de abundancia del desecho en base a la estacionalidad. Se prefiere aquellos desechos generados durante todo el año.

Simplicidad de recolección: indica que tan difícil es la obtención del desecho dependiendo de las áreas de abundancia. Se favorecen en el puntaje los desechos que son fáciles de recolectar.

Figura 1.2 Materias primas identificadas: estopa de coco desechada en Isla Espíritu Santo,

desechos del procesamiento de la semilla de marañón, rastrojos y estiércol vacuno.


1.4 Resultados

Los desechos seleccionados para la evaluación energética por medio de gasificación y biodigestión se presentan en la Tabla 1.2, éstos se muestran con la posición obtenida mediante el método Multicriterio Cualitativo Simple descrito anteriormente.

La posición de cada desecho es resultado de la valoración de los criterios establecidos, es decir, los desechos mejor puntuados son aquellos que presentan las mejores características para cada proceso: gasificación y biodigestión.

Tabla 1.2 Ranking y puntaje obtenido de los residuos identificados.

Gasificación Puntaje Biodigestión Puntaje

RA

NK

ING

(LU

GA

R)

1er Cáscara de semilla de

marañón 38 Estiércol bovino 24

2do Estopa de coco 36 Vísceras de pescado 23

3er Hollejo de semilla de

marañón 35 Rastrojo 22

4to Desechos del cultivo

de maíz 29

Falso fruto de marañón

21

5to Rastrojo 27 Mango 20

6to Desechos del cultivo

de ajonjolí 25

Cáscara de semilla de marañón

19

7mo Estiércol bovino 24 Estopa de coco 18

8vo Bagazo de caña 22 - -

Para el proceso de gasificación, la cáscara de la semilla de marañón y la estopa de coco representaron los desechos con mayor viabilidad de uso. Debido a que existen en abundancia, no poseen uso alguno, su recolección es simple y no requieren tratamientos previos complejos.

El desecho con menor potencial para la gasificación en esta zona es la alternativa A, el bagazo de caña, éste proviene de la molienda para la producción de jugo y dulces artesanales, es un desecho intermitente, escaso durante el año, posee un gran porcentaje de humedad y requiere varios tratamientos previos. En las mismas condiciones están los desechos del cultivo de ajonjolí y los rastrojos: ninguno se encuentra disponible todo el año, se obtienen cantidades insignificantes

comparadas con los desechos en primer y segundo lugar; por tanto, tales desechos no son opciones llamativas para procesar energéticamente.

Por otro lado, el estiércol bovino no es considerado como una opción para gasificación, a pesar de su abundancia en la zona, ya que por su alto contenido de humedad necesita un tratamiento previo de secado. Sin embargo, para el proceso de biodigestión el estiércol bovino es el desecho mejor calificado, ya que no ocasiona mayores dificultades para su transporte y recolección, generalmente no necesita tratamientos previos y su contenido de agua es alto.

El segundo mejor desecho evaluado son las vísceras de pescado, a pesar de que su


De la biomasa seleccionada dependerá la composición de los

productos obtenidos en la gasificación y en la biodigestión. El contenido y las propiedades de la

biomasa a emplear es sin duda uno de las variables más significativas en el aprovechamiento energético.

generación y su contenido de humedad sean valores intermedios y que su transporte y recolección implique ciertos inconvenientes.

Finalmente, el desecho con menor potencial para la generación de biogás mediante biodigestión anaerobia es la alternativa G, estopa de coco. Este desecho queda en desventaja respecto al resto a causa de su bajo contenido de humedad y la necesidad de un pre-tratamiento complicado para la reducción de tamaño.

.

1.5 Conclusiones

Los desechos procedentes de las actividades agroindustriales en la zona de la Bahía de Jiquilisco que fueron identificados para el proceso de biodigestión son: el estiércol bovino, vísceras de pescado, falso fruto de marañón, rastrojos, cáscara de la semilla de marañón, mango y estopa de coco. De estos desechos los seleccionados como los más viables para evaluar su potencial de producción de metano son: estiércol bovino, vísceras de pescado, falso fruto de marañón, mango y rastrojos. Éstos fueron seleccionados por sus características de alto contenido de humedad, poca necesidad de un pre tratamiento, ausencia de usos más rentables y simplicidad de recolección.

De los procesos productivos identificados en la zona de la Bahía de Jiquilisco aquellos con desechos disponibles para el proceso de gasificación son: bagazo de caña, cáscara de semilla de marañón, olote, desechos del cultivo de ajonjolí, estiércol bovino, estopa de coco, hollejo de semilla de marañón y rastrojos. Con una evaluación cualitativa se determinó que de estos desechos, los de mayor potencial para este proceso son: cáscara de semilla de marañón, olote, estopa de coco y hollejo de semilla de marañón.

Los lugares que se consideraron por su generación de desechos para gasificación (cáscara de semilla de marañón y estopa de coco) son: La asociación APRAINORES y la Cooperativa El Jobal. Mientras que para la biodigestión los lugares con mayor disponibilidad de desechos adecuados para el proceso son: La Comunidad San Hilario y el Cantón Isla de Méndez

Cosecha de coco en El Jobal, Usulután

Encendido de syngas en la antorcha del equipo.

Equipo de gasificación instalado en APRAINORES, Tecoluca.

Manglares ubicados en el viaje hacia la Comunidad El Jobal, Isla Espíritu Santo, Usulután.

Proceso de extracción de la semilla de marañón, APRAINORES.

CAPÍTULO 2. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL

ENERGÉTICO DE DESECHOS AGROINDUSTRIALES POR MEDIO DE

GASIFICACIÓN.

9

Evaluación del potencial energético de desechos agroindustriales por medio de gasificación. 10

2.1 Instalación de un kit de gasificación a escala de laboratorio.

2.1.1 Generalidades

El equipo adquirido es un gasificador GEK-Modelo IV-TOTTI, con sus accesorios de operación. El equipo permite la gasificación de biomasa para la generación de syngas, mayoritariamente compuesto por monóxido de carbono. Este kit es experimental y sólo permite la gasificación de la biomasa, pero no está diseñado para la combustión del syngas para la generación de energía. . Sin embargo, el gas generado podría introducirse a un sistema de generación, ya que está listo para su combustión.

Es un gasificador de tipo downdraft, montado con acero inoxidable, con un sistema de precalentamiento de aire, filtro para remoción de partículas, tornillo sinfín para alimentación de biomasa, sistema de intercambio de calor para

precalentamiento de la alimentación, entre otras características.

2.1.2 Objetivo

Realizar una instalación apropiada y cuidadosa del kit de gasificación adquirido, para garantizar el buen funcionamiento del mismo.

Llevar a cabo pruebas iniciales de gasificación de diversos materiales, para proceder posteriormente a la gasificación de desechos agrícolas encontrados en la zona de estudio, para evaluar el potencial de diferentes sustratos para la generación de energía a partir de esta técnica y determinar las condiciones de operación que favorecen la producción de syngas, además de evaluar la relación entre las variables de operación que intervienen en su funcionamiento.

Figura 2.1 Piezas del equipo para gasificación adquirido (APL, 2012)

http://wiki.gekgasifier.com/f/GEKv4_all+GEKv4+components-600.j

Evaluación experimental del syngas obtenido de la gasificación. 11

2.1.3 Resultados

El equipo se adquirió sin montar, y fue ensamblado en las instalaciones de la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas por miembros del Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias Ambientales y estudiantes de ingeniería.

A continuación se muestran la Figura 2.1, Figura 2.2 y Figura 2.3 donde se observa el equipo antes de ser montado y el equipo ya instalado y funcionando.

Figura 2.2 Ensamblaje final del equipo

gasificador.

Figura 2.3 Gasificador

apropiadamente ensamblado

El kit de gasificación consiste en un reactor, una tolva de alimentación regulada, un filtro de gases y una

antorcha para la salida del gas generado.

Evaluación experimental del syngas obtenido de la gasificación de desechos. 12

“Tras una evaluación cualitativa se determinó que los desechos con mayor

potencial para el proceso de gasificación son: la cáscara de semilla

de marañón, la estopa de coco, el hollejo de semilla de marañón y el

olote”.

2.2 Evaluación experimental del syngas obtenido de la gasificación de desechos agrícolas de la zona

de la Bahía de Jiquilisco

2.2.1 Generalidades

La presente investigación aborda la evaluación experimental del syngas obtenido de la gasificación de los desechos agrícolas de la zona de la Bahía de Jiquilisco. Se inicia con la selección de los desechos generados en la zona, esto se logra realizando visitas de campo con la colaboración de las alcaldías de los municipios de Puerto El Triunfo, Jiquilisco y Tecoluca.

Como conclusión del capítulo anterior se expresa:

En la zona de estudio, la gestión y procesamiento de los desechos agrícolas representan un problema latente, dado que el volumen de desecho es grande y es dispuesto sin ningún tipo de tratamiento. Sin embargo, esto puede solventarse pues la gasificación los emplea como fuente de energía renovable.

2.2.2 Objetivos

Objetivo general

Evaluar la gasificación de desechos agrícolas de la zona de la Bahía de Jiquilisco y la calidad del syngas obtenido en el proceso.

Objetivos específicos

Caracterizar las propiedades más importantes (humedad, ceniza, poder calorífico y densidad aparente) de los desechos agrícolas seleccionados.

Realizar pruebas preliminares de gasificación de los desechos y pruebas de variación de parámetros de operación del proceso para la obtención del syngas.

Ejecutar métodos alternativos a la caracterización del syngas para evaluar la calidad del mismo.

2.2.3 Marco teórico sobre el proceso de gasificación y la biomasa.

La gasificación es un proceso constituido por un conjunto de etapas en las cuales el material alimentado sufre una serie de cambios termoquímicos hasta convertirse en un combustible gaseoso, conocido también como gas sintético o syngas. El syngas contiene diferentes proporciones de hidrógeno (H2), monóxido de carbono


(CO), dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4).

La gasificación de diferentes tipos de materiales, incluyendo carbón vegetal, estopa de coco, bagazo de caña, mazorca de maíz y madera, genera un syngas con las siguientes proporciones: 15-31% de CO, 5-20% de H2, 1-6% de CH4, 1-15% de CO2 y cuando el aire es usado como medio gasificante, el nitrógeno (N2) constituye cerca del 60% en volumen del gas obtenido. Las proporciones de cada sustancia dependen del equipo gasificador, el agente gasificante y el material utilizado en el proceso (Rezaiyan y Cheremisinoff, 2005).

Las etapas del proceso de gasificación se presentan en la Tabla 2.1 junto con las temperaturas y los productos generados en cada una de ellas. La Figura 2.4

presenta el esquema general del equipo de gasificación en el cual se identifican las etapas del proceso.

El syngas producido puede aprovecharse en diferentes aplicaciones, entre ellas se incluyen el uso térmico, donde se puede adaptar hornos, quemadores y cocinas; puede emplearse también en la producción de energía; cuando un motor de diésel o un motor de gas es operado junto con syngas.

Medio Gasificante

Son las sustancias que reaccionan con el carbón y otros hidrocarburos en la etapa de reducción. En la presente investigación se utiliza el aire como medio gasificante, sin embargo, puede emplearse oxígeno, vapor de agua o una combinación de éstos.

Tabla 2.1 Descripción de las etapas del proceso de gasificación de materiales.

Definición y temperaturas Productos obtenidos

SEC

AD

O Pre-tratamiento que reduce el contenido de humedad en el material,

hasta alcanzar valores entre el 10 y el 20%. Esto ocurre arriba de 100°C y a medida que aumenta la temperatura, los compuestos más ligeros empiezan a volatilizarse.

Materia seca y H2O

PIR

ÓLI

SIS

Fragmentación química de materia orgánica causada por el calentamiento en ausencia de oxígeno. Entre 200 y 280 °C dióxido de carbono, ácido acético y agua son desprendidos. Al alcanzar temperaturas entre 280 y 500°C la pirólisis toma mayor efecto y se generan en abundancia gases y alquitranes.

Carbón vegetal y volátiles incluyendo

H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3, C2H6, etc.,

Alquitranes

RED

UC

CIÓ

N O

GA

SIFI

CA

CIÓ

N

La gasificación es el resultado de una serie de reacciones químicas entre el carbono, que se encuentra en el carbón vegetal, y vapor de agua, dióxido de carbono, oxígeno e hidrógeno, así como también reacciones con los productos gaseosos.

CO2, CO, CH4, H2O, H2

CO

MB

US

-TIÓ

N Provee el calor necesario para la pirólisis y para la etapa de secado y/o

precalentado de la alimentación. Aquí, el carbón contenido en el material se quema con el oxígeno.

CO2, CO, H2O y calor

Fuente: Rezaiyan y Cheremisinoff (2005) y Basu (2010).


Equipo de gasificación

La evaluación experimental se lleva a cabo utilizando un gasificador marca GEK, modelo V4 TOTTI que opera con un lecho fijo de corriente en paralelo o “downdraft”.

En el equipo, la alimentación de biomasa se hace desde la parte superior, el ingreso del aire se ubica en la zona de combustión dentro del equipo y la corriente de gas es dirigida hacia abajo, es decir, en dirección paralela al flujo de la biomasa. El producto gaseoso y las cenizas abandonan el equipo por la parte inferior de éste. En la Figura 2.4 se presenta el gasificador empleado y sus diferentes componentes.

Gasificación: NO es combustión

A diferencia de la combustión, que solamente genera calor y destruye los desechos, la gasificación crea productos de mayor valor y utilidad a partir de desechos de menor valor usando poco o nada de oxígeno, elemento indispensable para la combustión.

Por otra parte, la gasificación genera un gas crudo con componentes aprovechables, H2, CO, H2S, NH3 y partículas, y subproductos como carbón o escoria; mientras que en la combustión, el único subproducto es la ceniza gruesa. El gas crudo de combustión está formado por contaminantes difíciles de remover, tales como CO2, H2O, SO2, NOX, partículas y otros gases altamente tóxicos, como las dioxinas y furanos (Rezaiyan y Cheremisinoff, 2005).

Figura 2.4 . Comparación del esquema de un gasificador “downdraft” típico (FAO, 1986) con el

equipo adquirido para el proyecto.

Zona de pirólisis

Alimentación

Zona de secado

Zona de combustión

Zona de reducción


Biomasa: materia prima para gasificar debido a sus propiedades.

Las principales propiedades que suelen ser controladas en la biomasa para una apropiada operación son las siguientes:

Densidad aparente.

Materia volátil.

Contenido de cenizas

Humedad.

Contenido de alquitrán, bioaceite o biocrudo que puede generar la biomasa.

Calor de combustión o poder calorífico .

2.2.4 Metodología

Para la caracterización de los residuos.

Las propiedades que son cruciales para determinar si los desechos previamente seleccionados están calificados para la gasificación son: porcentaje de humedad y cenizas, densidad aparente y poder calorífico.

Se inicia con la toma de muestras de cada desecho, para luego prepararlas de acuerdo a los lineamientos de la norma ASTM D346 / D346M utilizada.

Se recolectó una cantidad determinada de cada desecho que permitiese la obtención de muestras representativas y con éstas se realizó el respectivo proceso de reducción de tamaño.

Para dicha reducción se emplearon diferentes equipos y técnicas para cada desecho. Las reducciones primarias fueron necesarias, ya que no era posible realizar ninguna prueba de caracterización con el tamaño inicial de cada material recolectado. Por otro lado, una segunda reducción permitió que algunas materias pudieran usarse para la gasificación, como en el caso del coco, y para las pruebas de caracterización, como la cáscara de semilla de marañón. Ver Figura 2.5.

Finalmente, las reducciones terciarias se realizaron con la finalidad de llevar a cabo las pruebas de determinación de humedad, cenizas y poder calorífico para el caso específico del coco y olote.

Para determinar el contenido de humedad de cada muestra, ésta es calentada bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo y atmósfera, determinando así la pérdida de peso entre la muestra al inicio y luego que ha sido secada. Se expone al calor por 16 horas a una temperatura de 103 ± 1°C. Este procedimiento es detallado en la norma ASTM D871 - 82(1998).

La determinación de cenizas se realiza acorde a la ASTM E1755 - 01(2007). El procedimiento consiste en calentar gradualmente 1 g de biomasa seca hasta 250°C. Seguidamente la temperatura es

Para las mediciones se emplean procedimientos estandarizados

contemplados en las normas ASTM, de valor internacional.

Cabe resaltar en cuanto al tipo de biomasa requerida; la importancia

de la relación hidrógeno/carbono, la relación oxígeno/carbono, así como

también el contenido de cenizas.

http://www.astm.org/Standards/D1348.htm


incrementada hasta 575°C y se mantiene ahí hasta que todo el carbón es quemado. Al finalizar la muestra se enfría y se pesa.

La densidad aparente de cada desecho es establecida con la ayuda de una caja de dimensiones establecidas, se obtiene el valor con la razón de la masa contenida en dicha caja y su volumen. Esta propiedad se determinó de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM E873 - 82(2006).

Para determinar el poder calorífico superior de cada desecho se utilizó una bomba calorimétrica, en la cual, se lleva a cabo una combustión completa en condiciones controladas y adiabáticas. El procedimiento es detallado en la norma ASTM D2015 – 00.

Para la generación de syngas.

Para la generación del syngas se puso en marcha el equipo de gasificación mediante el ajuste de una serie de pasos que incluye la ignición de la biomasa y el encendido de la llama. Las variables que se ajustaron en el gasificador son:

Presión de salida del compresor: se ajustó para tener la proporción de aire necesaria para posibilitar la combustión del syngas y obtener una llama persistente en la antorcha del gasificador.

Diferencia de presión entre el filtro y atmósfera, la cual se midió mediante un manómetro.

Figura 2.5 Proceso de reducción de tamaño empleado en la estopa de coco.


Temperaturas dentro del reactor: El gasificador cuenta con dos termocuplas dispuestas en dos regiones estratégicas: la zona de entrada del aire para facilitar la combustión parcial de la biomasa y la zona con deficiencia de oxígeno en donde se dan las reacciones de reducción. Se mantuvo una diferencia entre las temperaturas de manera que en la zona de combustión fuera más alta.

Para la evaluación de la calidad del syngas producido.

La propiedad que se evaluó para la determinación de la calidad de éste es el poder calorífico. Esta propiedad permite distinguir entre los desechos agrícolas el que posee mayor potencial energético a través de la gasificación. Para la evaluación de la calidad del syngas se implementaron métodos alternativos, el primero consiste en una evaluación experimental cualitativa del poder calorífico del gas obtenido y el otro método es una aproximación cuantitativa del poder calorífico inferior del syngas obtenido. También se obtuvo el

poder calorífico en forma indirecta, partiendo de la composición del mismo.

Método cualitativo para la comparación de la calidad del syngas obtenido.

Se consideró como primera alternativa acoplar instrumentos externos al gasificador, de manera que permitieran apreciar de manera cualitativa cuál era el syngas con mejores cualidades energéticas. Para dicha comparación se evaluó el tiempo en que un litro de agua expuesto a la llama del gasificador, aumentaba 10°C en su temperatura.

Este método compara únicamente los tiempos de calentamiento del agua con diferentes llamas, sin poder proceder a un cálculo de la cantidad de energía absorbida. Sin embargo, se hace posible visualizar en cuáles casos la combustión produce una mayor liberación de energía.

Se acopló a un soporte universal una pinza de sostén y en ella una pinza de extensión, mediante la cual se sostuvo un matraz volumétrico aforado a un litro de agua.

Figura 2.6 Esquema del sistema empleado para la caracterización del syngas producido.


Este sistema se adaptó a la antorcha del gasificador en donde se obtuvo la llama, luego se introdujo el termómetro dentro del agua para llevar registro del aumento de temperatura. Un esquema del equipo acoplado al gasificador se muestra en la Figura 2.6.

Armado el sistema se procedió a realizar las pruebas de gasificación con cada desecho identificado y cuando el equipo se encontraba operando de forma estable y continua, se inició la prueba descrita anteriormente.

Determinación cuantitativa del poder calorífico del syngas producido.

Se realizó la comparación entre el syngas de interés y otro gas de propiedades conocidas. La prueba tiene como fundamento el cálculo del rendimiento de combustión del syngas y un gas de propiedades conocidas (propano) bajo condiciones idénticas de temperatura y presión, donde un volumen de 5 litros de cada gas es quemado para calentar un volumen de 1 litro de agua. La variación en la temperatura del agua en ambos casos es registrada y este valor permitirá realizar una serie de cálculos que tienen como

resultado final el poder calorífico inferior del syngas.

Es necesario construir inicialmente un gasómetro, con un recipiente capaz de contener como mínimo 6 litros de gas a una altura de 17.4 cm de agua (1.71 kPa) como indicador de la presión; este recipiente se conectó mediante una manguera al equipo gasificador, la Figura 2.7a ilustra la configuración del sistema utilizado.

La prueba inicia cuando la cámara de gases está llena con agua, en esta condición se comienza a introducir el gas y éste desplazará el agua hasta una altura de 17.4 cm. Para el caso del syngas es necesario primero comenzar la gasificación y esperar establecer un flujo constante, cuidando únicamente que el syngas se desplace al gasómetro. El gas de comparación, gas licuado de petróleo o propano se desplazó directamente por medio de una manguera desde su contenedor, hacia el gasómetro.

Una vez contenido el gas hasta la altura deseada, se arma el sistema para la combustión, constituido por una manguera y un mechero Bunsen, según la Figura 2.7a y Figura 2.7b.

a)

b)

Figura 2.7 Sistema de gasómetro para la medición del poder calorífico del syngas por comparación.


Las condiciones iniciales fueron de 5 litros de gas y presión de columna de agua de 17.4 cm, se registran también los valores de temperatura inicial del agua, presión manométrica, presión atmosférica, volumen inicial y volumen final. La prueba finaliza cuando la presión de columna de agua es de 6.5 cm (0.64 kPa). Concluida esta prueba, se realiza consecutivamente otra usando el gas licuado de petróleo (GLP), a las mismas condiciones. Para asegurar los resultados se realizaron dos pruebas por desecho gasificado.

Los cálculos realizados una vez terminado el experimento inician con la determinación de la masa de los gases a las condiciones del experimento. Luego se calcula el calor entregado por el gas propano al quemarse ), según la

expresión:

Donde es el poder calorífico del

propano a las condiciones del experimento, y son la masa y la densidad del

mismo respectivamente.

Posteriormente es necesario determinar el calor recibido por el agua al quemarse el propano con la ecuación fundamental

de la calorimetría:

Dónde ma es la masa del agua en el matraz, el poder calorífico del agua y es

el cambio de temperatura del agua al quemarse el propano.

Se obtiene un valor de rendimiento de combustión relacionando el calor entregado por el propano al quemarse y el calor recibido por el agua:

Este rendimiento al quemar propano, se supone que es el mismo al quemar el biogás, ya que todas las condiciones en ambas combustiones son iguales (presión y temperatura del gas, presión y temperatura ambiente, ubicación relativa entre el mechero y el matraz, etc).

A partir de esta suposición se comienza el cálculo inverso de los parámetros del biogás. Es decir, se obtiene el valor para el calor recibido que recibe el agua calentada por el biogás, luego por el valor del rendimiento antes calculado se obtiene el calor entregado por el biogás y finalmente se estima el poder calorífico de este combustible.

Determinación del poder calorífico a partir de la composición del gas generado.

La prueba descrita a continuación es parte de un análisis más profundo y una gasificación específica con la cáscara de la semilla de marañón.

Se realizó una variación del proceso descrito en la sección de Metodología para la evaluación de la calidad del syngas por un medio cuantitativo por comparación; para hacer una determinación de la composición del syngas generado. En el gasómetro se introdujo un volumen conocido de aire. Acto seguido, se hizo llegar un flujo de syngas, hasta que el espacio ocupado por la mezcla syngas/aire, tuviera un volumen de 14 litros.

A continuación, por medio de una válvula acoplada al gasómetro se extrajo la mezcla y se analizó su composición con el detector de gases Ampro 2000 y tubos detectores de gases. La razón de la mezcla con aire es


que los equipos utilizados para la medición tienen límites de detección bajos para los gases de interés (monóxido de carbono, hidrógeno y metano). Al mezclarse con aire, la composición de estos gases disminuía lo suficiente para poder ser medida directamente.

El poder calorífico del gas puede obtenerse sumando el producto de la fracción mol y el poder calorífico de los componentes combustibles. Este poder calorífico puede ser obtenido de literatura especializada.

2.2.5 Resultados

De la caracterización de los residuos

Los resultados obtenidos de las pruebas de caracterización para cada desecho, se presentan en la Tabla 2.2, la cual resume los valores promedios de humedad, cenizas, densidad aparente y poder calorífico superior medidos a la cáscara de semilla de marañón, la estopa de coco, el hollejo de la semilla de marañón y el olote.

Debe mencionarse que a la cáscara de la semilla de marañón se le extrajo el líquido, conocido por sus siglas en inglés como CNSL (Cashew Nut Shell Liquid). Esta cáscara sin CNSL se caracterizó con la misma metodología que el resto de desechos.

Se observa que la humedad de la cáscara de la semilla de marañón aumenta en un 1% al extraerle el CNSL. También, al momento de la extracción se reduce el tamaño y la densidad aparente aumenta. De los desechos seleccionados, el hollejo de la semilla de marañón fue el que presentó menor humedad. A excepción de la cáscara de la semilla de marañón todos presentaron un porcentaje de humedad menor al 10%, lo cual es muy favorable para el proceso de gasificación.

Por otro lado, la estopa de coco presentó el mayor porcentaje de ceniza entre todos los desechos, siendo de 4.22%.

En cuanto a la densidad aparente, la cáscara de la semilla de marañón es el desecho que ocupa menor volumen por unidad de masa, y es el que presenta también la mayor densidad energética, reportándose para este desecho un poder calorífico superior de 23428 J/g, el mayor en comparación con los otros desechos.

Tabla 2.2 Valores promedios de las propiedades de la biomasa medidas.

Propiedad Cáscara de semilla de marañón

Cáscara de semilla de marañón sin

CNSL

Estopa de coco

Hollejo de semilla de marañón

Olote

Humedad (%) 9.77 10.63 9.99 6.61 7.67

Cenizas (%) 2.00 2.04 4.22 2.78 2.37

Densidad Aparente (g/cm3)

0.42 0.53 0.10 0.29 0.21

Poder Calorífico Superior (J/g)

23428 4149.5 17710 22702 17227

Los desechos con los valores más altos de poder calorífico son la cáscara y el hollejo de la semilla de marañón, esta

característica les da a dichos materiales ventaja energética para el

proceso de gasificación.


De la generación de syngas y variación de parámetros.

Se presenta en la Tabla 2.3 los resultados para cada uno de los desechos, incluyendo promedios en los ensayos practicados y un perfil típico de las temperaturas alcanzadas dentro del equipo de gasificación, en el que se hace referencia a T1 y T2 que corresponden a las temperaturas de oxidación y reducción, respectivamente.


Este desecho presentó un tamaño de partícula adecuado y no fue requerida una reducción de tamaño. Durante la gasificación no presentó dificultad para la generación ni para la sostenibilidad de la

llama, y se optimizó la presión del proceso en un valor de 7 pulg de agua.

La cáscara de semilla de marañón presentó los mayores volúmenes producidos de alquitrán y estos mostraron un aspecto muy denso, viscoso y de color negro. Ver Tabla 2.3.

Un perfil muy representativo del comportamiento de las temperaturas alcanzadas en el gasificador es el mostrado en la Figura 2.8a.

Una variante aplicada a la cáscara de semilla de marañón fue la evaluación de su comportamiento en el proceso de gasificación al reducirle el tamaño de partícula y extraerle su contenido de CNSL.

Tabla 2.3 Resultados de las pruebas de gasificación para cada biomasa seleccionada.

Desecho Ensayo Volumen de

alquitrán (ml) T1 prom

.(°C) T2 prom.

(°C) Presión

(pulg.H2O) Consumo de

biomasa

Cáscara de marañón

1 240 668.24 537.12 5.00

119.40 (g/min)

2 200 700.45 582.77 7.00

3 300 557.58 444.65 3.56

4 270 605.95 479.79 5.18

Cáscara de marañón sin

CNSL

1 0 676.76 636.65 3.24

141.40 (g/min)

2 5 680.15 612.38 3.13

3 2 678.09 648.11 3.25

4 0 713.59 626.89 3.24

Estopa de coco

1 180 594.24 538.47 7.00

41.60 (g/min)

2 210 679.00 499.02 5.00

3 230 386.65 368.86 3.00

4 190 641.77 508.58 9.00

Hollejo de semilla de marañón

1 90 47.09 29.09 0.00

- 2 70 500.95 362.53 3.67

3 100 713.77 593.86 7.00

4 80 737.20 288.50 5.00

Olote

1 210 642.58 497.12 9.90

61.76 (g/min)

2 230 608.59 485.02 9.00

3 235 550.97 417.22 5.15

4 235 592.27 463.67 7.60


a) b)

c) d)

e)

Figura 2.8 Perfiles de temperatura del proceso de gasificación. a) Cascara de semilla de marañón, b) cascara de semilla de marañón sin CNSL, c) Estopa de coco, d) Hollejo de semilla y e) Olote

Se observó que usando cáscara sin CNSL, los volúmenes de alquitranes producidos son despreciables en comparación con el resto (Ver Tabla 2.3); éstos presentaron una consistencia menos densa y un color más claro respecto a los producidos con la cáscara original. Este desecho sin CNSL demostró facilidad en la generación y sostenibilidad de la llama.

En esta variante, el comportamiento de las temperaturas alcanzadas dentro del equipo no permaneció muy estable con el tiempo, pues se identificaron picos a temperaturas de 1000°C y descensos de hasta los 350°C, como se muestra en la Figura 2.8b.


Estopa de coco.

La estopa de coco requirió una serie de procedimientos para reducir su tamaño hasta que pudiera ser alimentada adecuadamente al gasificador. En las pruebas realizadas inicialmente se lograron obtener temperaturas altas y estables, pero en las algunas de ellas no se consiguió que la llama obtenida al quemar el gas fuera estable. Sin embargo, sí se obtuvo una llama estable al disminuir el tamaño del desecho y mezclarlo con el bagazo remanente del proceso de prensado que se da en la extracción del aceite de coco.

Un perfil típico de temperaturas se observa en la Figura 2.8c, donde la temperatura máxima alcanzada en la zona de oxidación (T1) es de 780°C y de 603°C en la zona de reducción (T2). Estos valores corresponden con las temperaturas que pueden permitir la verificación de las reacciones de gasificación.

Hollejo de semilla de marañón.

El desecho no presentó problemas para alimentarse al gasificador. Sin embargo, por su pequeño tamaño, se consumía muy rápidamente, impidiendo la gasificación, como puede verse en las bajas temperaturas registradas, presentadas en la figura 2.8 d). Puede rescatarse el hecho de que el material funcionaba como sustrato al introducirse al gasificador mezclado con otros desechos.

Olote.

Para poder gasificarlo fue necesario someter dicho material a una reducción de tamaño. Durante el proceso la generación y sostenibilidad de la llama se realizó sin inconvenientes.

La presión de vacío óptima obtenida fue de 10 pulg. de agua. La gasificación de olote produjo alquitranes que poseían aspecto denso y negro, aunque, no tan viscosos como los presentados por la cáscara de semilla de marañón.

La Figura 2.8e muestra un perfil muy representativo del comportamiento de las temperaturas alcanzadas en el gasificador.

De la evaluación de la calidad del syngas producido.

Comparación cualitativa.

En la Tabla 2.4 se observa que la combustión del syngas producido a partir de la cáscara de la semilla de marañón fue la que provocó que el aumento de temperatura en la masa de agua se llevara a cabo a una velocidad mayor y un tiempo menor, pues el tiempo promedio de combustión es de 8 minutos y 20 segundos.

Con un tiempo de combustión de 9 min. y 15 s., el syngas producido a partir del olote es el segundo con mejor calidad energética y por último, se encuentra la cáscara de la semilla sin CNSL que necesitó un tiempo adicional para provocar el mismo cambio de temperatura.

Tabla 2.4. Comparación cualitativa de la calidad del syngas

Desecho Promedio

(min:s)


08:20

Cáscara de semilla de marañón sin CNSL

10:24

Olote 09:15

Comparación cuantitativa.

Los valores promedio obtenidos de la pruebas para la determinación del poder


caloríficos del syngas se presentan en la Tabla 2.5 y en la Tabla 2.6. En ellas se muestran los valores de temperatura final del agua, la variación de temperatura ΔT (con relación a la temperatura inicial del agua de 28°C) y la duración del ensayo para el syngas generado a partir de la cáscara de semilla de marañón, el olote y GLP.

Tabla 2.5 Datos promedio de pruebas del syngas de cáscara de semilla de marañón y GLP

Temperatura

final del agua (°C)

ΔT (°C)

Duración de la llama (s)

Syngas de cascara de semilla de marañón

33 5 152

GLP

71 43 139

Tabla 2.6 Datos promedio de pruebas para el syngas de olote y GLP

Temperatura final del agua (°C)

ΔT (°C)

Duración de la llama (s)

Syngas de Olote

31.5 3.5 138

GLP

73 45 125

Con estos datos se procede al cálculo del poder calorífico inferior, de acuerdo a lo descrito en la metodología. Tales valores son presentados en la Tabla 2.7.

Tabla 2.7 Poderes caloríficos inferiores calculados.

Desecho agrícola Poder calorífico

inferior del syngas (MJ / m3)


10.11

Olote 6.065

Evaluación cuantitativa del poder calorífico del syngas por medio de su composición.

La Tabla 2.8 resume los resultados de la medición de composición, los poderes caloríficos de los componentes combustibles del syngas y el poder calorífico así calculado para el mismo, utilizando el gasificador a escala de laboratorio.

Cabe mencionar que estos valores pueden presentar diferencias importantes con respecto a los valores mostrados anteriormente, debido a la dilución abundante del syngas en aire para poder efectuar la medición de composición.

También puede mencionarse que para los otros desechos, el poder calorífico obtenido por este método tendrá valores similares, mostrándose más bajos que los predichos por el método previo debido a la dilución en aire. A pesar de esto, debe recalcarse que para el aprovechamiento del gas en la generación de energía, esta dilución no es necesaria, por lo que la energía obtenida del mismo al incorporarse a un sistema de generación, será mayor.

Posterior al término del estudio se continúa con los ensayos de gasificación para determinar las condiciones óptimas de operación, proporciones de mezcla aire/syngas de modo que se consiga adaptar y operar un sistema un sistema de generación de energía, con la ayuda de un motor y un generador eléctrico.


Tabla 2.8 Evaluación cuantitativa del syngas generado con cáscara de semilla de marañón y desechos de coco.

Componente Poder calorífico

Porcentaje mol en el

syngas (cáscara)

Porcentaje mol en el

syngas (coco)

Monóxido de carbono 282.996 KJ/mol 7.253% 7.577%

Hidrógeno 241.82 KJ/mol 2.800% 1.983%

Metano 802.62 KJ/mol 0.934% 0.784%

Poder calorífico del syngas: 34.79 kJ/mol 32.53 kJ/mol

1422.22 kJ/m3 1329.83 kJ/m3

La experimentación y la realización de diferentes pruebas para la ampliación de conocimientos acerca de gasificación de la biomasa seguirán llevándose a cabo en el futuro, siendo una temática importante en torno a la cual la Universidad continuará investigando.

2.2.6 Conclusiones

En base a las propiedades medidas experimentalmente de los desechos, se obtuvieron mejores características y mayor potencial para el proceso de gasificación con la cáscara de semilla de marañón y la estopa de coco.

De las pruebas de gasificación desarrolladas, los desechos en los que se verificó generación de syngas fueron: cáscara de semilla de marañón, acorde a lo esperado por las propiedades del desecho, y el olote. La estopa y la nuez del coco también generaron syngas, pero previa reducción de tamaño y mezcla con el residuo del prensado remanente en la extracción del aceite.

En cuanto a la operación del sistema para la generación del syngas se pudo comprobar que una mayor diferencia de presión incide directamente en el

aumento de temperaturas puesto que conlleva a una mayor alimentación de aire al reactor.

Cualitativamente, la calidad del syngas generado a partir de la cáscara de semilla de marañón es mayor a la presentada por sus homólogos provenientes del olote y la cáscara de semilla de marañón sin CNSL.

La aproximación cuantitativa del poder calorífico inferior del syngas obtenida permite observar que el combustible proveniente de la cáscara de la semilla de marañón posee más calidad, al tener un poder calorífico inferior más alto que el syngas proveniente del olote.

El aumento de la temperatura en el proceso de generación de syngas

provoca una disminución en la producción de alquitranes, ya que las

altas temperaturas favorecen el rompimiento de los compuestos

presentes en el alquitrán.


2.3 Diseño y construcción de plantas pilotos de gasificación.

2.3.1 Ubicación.

Las plantas piloto de gasificación son los lugares dispuestos y diseñados para la permanecía segura y cómoda del equipo de gasificación de biomasa.

Los lugares fueron seleccionados de acuerdo a la disponibilidad de los desechos que presentaron mejor potencial para gasificar en los estudios anteriores.

Se puede concluir del estudio anterior lo siguiente:

De acuerdo a esto, los lugares seleccionados que desechan grandes cantidades de cáscara de semilla de marañón y estopa de coco son:

APRAINORES, ubicado en San Carlos Lempa, municipio de Tecoluca, departamento de San Vicente.

Cooperativa El Jobal, en el departamento de Usulután, ubicado en la isla El Espíritu Santo, municipio de Puerto El Triunfo.

2.3.2 Diseño

APRAINORES, ubicado en San Carlos Lempa, municipio de Tecoluca.

Se recorrieron las áreas de las instalaciones la cooperativa APRAINORES, en compañía de representantes de la cooperativa, con el fin de evaluar la disponibilidad, accesibilidad e idoneidad de sitios para ubicar el equipo de gasificación. Los puntos considerados para dicha evaluación fueron:

Cercanía con el área donde se aprovecharía la energía generada por la planta.

Condiciones adecuadas para la operación del equipo.

Condiciones adecuadas para la construcción y levantamiento de una instalación/estructura para la ubicación del equipo de gasificación.

Que el espacio contara con las medidas adecuadas para la correcta circulación del personal y evitar que la planta piloto interfiera negativamente con el funcionamiento normal de la planta de procesamiento de la cooperativa ni viceversa.

Que dicho espacio posea un área suficiente para ubicar una zona de resguardo de la biomasa que será utilizada en el proceso de gasificación.

Que el lugar ofreciera resguardo y seguridad para los equipos instalados

Las propiedades medidas en algunos desechos como la cáscara de semilla

de marañón y la estopa de coco revelan su gran potencial para

gasificación, mientas que las pruebas de gasificación revelan que además de estos materiales, el olote es un

buen productor de syngas, a pesar de su escasez.


La evaluación de los espacios dio como resultado la selección del predio ubicado en la parte trasera de la planta, este sitio tiene la cualidad de encontrarse cerca del área beneficiada (área de descortezado del fruto del marañón). Actualmente consiste en un espacio con iluminación y ventiladores. Se pretende cambiar los ventiladores por aires acondicionados. La planta piloto tiene el potencial de alimentar estos aires acondicionados (si la cooperativa decide instalarlos). Ver Figura 2.9.

Se diseñó el espacio designado para la instalación, realizándose vistas de planta,

frontal y de perfil para la misma, las cuales se muestran en la Figura 2.10 y Figura 2.11 respectivamente.

El diseño y sus dimensiones tienen en cuenta dos aspectos principales. El primero, abundante ventilación, a fin de prevenir cualquier acumulación de gases generados en la operación del gasificador; el segundo, un resguardo adecuado ante el clima y una elevación sobre el nivel del suelo para prevenir problemas originados por inundaciones, dado que la zona del Cantón San Carlos Lempa es vulnerable a estos fenómenos.

Figura 2.9 Ubicación de la galera donde será

dispuesto el equipo de gasificación dentro de las instalaciones de APRAINORES.

Figura 2.10 Diseño preliminar de la vista superior (interior) de la galera a construir en APRAINORES.

a)

b) Figura 2.11 Planos de la galera. a) Vista del

perfil. b) Vista frontal


El resultado de la construcción de las galeras se muestra en Figura 2.12.

Figura 2.12 Resultado de la construcción de la galera en APRAINORES.

Cooperativa El Jobal, en el departamento de Usulután, ubicado en la isla El Espíritu Santo, municipio de Puerto El Triunfo

Se seleccionó para la colocación del gasificador en las instalaciones de la Cooperativa El Jobal, un espacio que necesitaba de una restauración, que en años anteriores funcionó como establo para ganado equino.

Figura 2.13 Vista frontal que muestra el estado

inicial del sitio seleccionado.

Para la mejora en la infraestructura de la edificación seleccionada se incluyen trabajos como nivelación del suelo, remoción de raíces y ramas de árboles aledaños que a mediano y largo plazo causarán daños al sitio, colocación de malla ciclón en el perímetro del lugar para

evitar el ingreso de desechos del exterior y permitir condiciones de ventilación adecuadas para la operación del gasificador.

Se diseñó la distribución del espacio designado para la galera, realizándose vistas de planta, frontal y de perfil para la misma, las cuales se muestran en la Figura 2.14 y Figura 2.15 respectivamente.

Los resultados de las mejoras iniciales e imágenes del proceso de readecuación se muestran en las Figura 2.16 y Figura 2.17.

El diseño de la instalación en la cooperativa El Jobal obedece a una necesidad de espacio mayor que la de la cooperativa APRAINORES, debido a la baja densidad de la estopa de coco. La masa de estopa de coco necesaria para la alimentación continua de la planta piloto ocupa un volumen mucho mayor que la de la cáscara de semilla de marañón, requiriéndose una mayor área. La ventilación también fue tomada en cuenta, siempre en función de evitar cualquier acumulación de los gases generados por el gasificador.


Figura 2.14 Diseño preliminar de la vista superior

(interior) de la galera a construir en El Jobal.

a)

b)

Figura 2.15 Diseño preliminar de la galera a construir en El Jobal. a) Vista de perfil. b) Vista de

frente.

Figura 2.16 Base de cemento que será

utilizada para colocar el gasificador dentro de la galera.

Figura 2.17 Vista frontal del interior de la galera donde se aprecia la base donde se

colocara el gasificador y el muro perimetral que servirá de cimiento para sostener la

estructura de hierro donde será colocada la malla ciclón.

Una adecuada ventilación, la necesidad de un área de adecuada de almacenamiento y la prevención de riesgos fueron factores principales en el diseño de la infraestructura dispuesta para

almacenar los equipo de gasificación.


2.3.3 Equipo de gasificación

Figura 2.18 Gasificador tipo downdraft

Características del gasificador

Es de tipo DOWNDRAFT.

Aprovecha la gravedad para la alimentación de la biomasa.

La biomasa es compactada por medio de un vibrador.

El proceso de gasificación da inicio por medio de un puerto de ingnición.

Tiene integrado un blower o soplador el cual hace circular el syngas a lo largo del gasificador.

Cuenta con una entrada de aire controlada.

Posee un intercambiador de calor para el enfriamiento del syngas producido, precipitación de compuestos pesados y condensación del agua.

Acumula las cenizas en el fondo del gasificador, el cual tiene una salida para poder removerlas.

Posee un filtro para eliminar humedad y material particulado en el syngas.

Generalidades de proceso de gasificación.

El equipo mostrado en la Figura 2.18 es un gasificador de biomasa; dos modelos de esta tecnología fueron adquiridos para ser donados a las instituciones mencionadas, como parte del proyecto.

Una vez ensamblados, cada gasificador se transportó a las galeras construidas en los lugares beneficiados, es decir, APRAINORES y la Cooperativa el Jobal, en donde se realizaron pruebas preliminares de gasificación con cáscara de semilla de marañón y estopa de coco. Algunos de los resultados obtenidos se describen en los párrafos siguientes.

La tolva de alimentación debe de estar lo suficientemente llena como para evitar que esta se convierta en una entrada de aire. Una entrada excesiva de aire favoreciendo la combustión completa del lecho, mientras que para que la gasificación se verifique es necesario que la combustión sea incompleta (ausencia de oxígeno); además, la tolva debe de permanecer cerrada durante el proceso de gasificación. Ver Figura 2.18.

Durante el proceso de ignición, debe estar abierta la entrada de aire, de manera que ayude al encendido de la biomasa. Otra forma de favorecer el encendido del equipo con la ayuda del soplador (o blower) incorporado al sistema, el cual permite que la temperatura del lecho se


incremente y también que éste se vuelva incandescente, es decir, que se torne al rojo vivo. Además, el soplador retira, poco a poco, el dióxido de carbono generado al inicio del proceso.

El syngas generado pasa por un ciclón, en del cual son removidos compuestos pesados, tales como alquitranes, en forma líquida. Luego, pasa por un intercambiador de calor, en el cual el syngas viaja de abajo hacia arriba por una serie de tubos que lo enfrían al estar en contacto con el aire externo; los alquitranes no removidos en el ciclón se depositan en una cámara en el fondo del intercambiador.

Finalmente, el syngas pasa por un filtro de aserrín el cual tiene como función retirarle toda la humedad posible, el gas viaja de abajo hacia arriba y el agua condensada cae a fondo del filtro donde es almacenada; el filtro también se encarga de remover posibles restos de alquitranes que no se depositaron en las secciones anteriores. El syngas se dirige hacia la salida del gasificador, donde se encuentra libre de humedad y compuestos pesados.

El gas filtrado es introducido posteriormente a un motor, cuyo trabajo de eje es aprovechado para la generación de energía eléctrica.

Medición de la composición del syngas producido.

El gas producto de la gasificación fue analizado con un medidor de gases Ampro 2000. Cada análisis se llevó a cabo a la salida del syngas, en una antorcha instalada y se pudieron registrar los valores de oxígeno, CO2, CH4 y CO que garantizaran la combustión del syngas, los resultados se presentan en la Tabla 2.9.

Tabla 2.9 Resultados de las composiciones del syngas producido.

Componente Sin llama Con llama

O2 (%) 4.1 13.6

CO2 (%) 3.64 2.34

CO (%) 3.23 4.04

CH4 (ppm) 0 0

H2S (ppm) 0 0

Los resultados muestran la composición de CO es importante en el syngas y que el oxígeno en el mismo es poco, señal de que las reacciones de reducción se están verificando. Cabe resaltar que para estas mediciones, es necesario ubicar la sonda del analizador de gases en una salida donde, inevitablemente, el syngas se mezcla con aire, disminuyendo el valor de la composición medida, con respecto a la composición que viene directo del reactor.

Generación de energía eléctrica

Habiendo producido syngas a partir de la gasificación de biomasa, se realizaron pruebas para utilizar este producto como combustible en un motor de combustión interna que funciona originalmente con gas natural. Sin embargo, es posible la utilización del syngas o de otros combustibles gaseosos. Ver Figura 2.19. La activación del motor hace que éste genere un trabajo de eje, el cual puede ser utilizado para accionar un generador de energía, verificándose el aprovechamiento del calor generado cuando el syngas se quema.


Figura 2.19 Pruebas iniciales con el motor de

combustión interna.

En los sitios de trabajo se llevan a cabo los ensayos pertinentes para la activación de las plantas piloto. En forma paralela al proyecto, se llevan a cabo trabajos de graduación que buscan el dominio de esta tecnología a fin de optimizar el proceso. Estas pruebas incluyen la inyección de aire para mezclar el syngas obtenido del reactor. De esta forma el gas portaría oxígeno que servirá para facilitar la combustión del mismo.

Así mismo, se realizan algunas modificaciones en el diseño original para poder dar seguimiento a variables importantes de operación, como la presión y la temperatura alcanzada en las distintas zonas del equipo y los flujos de gas que salen del equipo para alimentarse al motor.

El aseguramiento del dominio de la tecnología permitirá además dos aspectos de mucha importancia: por un lado, se podrá capacitar a las personas de los sitios beneficiados en la utilización adecuada y provechosa de las plantas piloto (incluyendo operación y mantenimiento). Por otra parte, el conocimiento generado

servirá como insumo para futuras investigaciones por parte de la Universidad enmarcadas hacia el aprovechamiento de recursos para la protección del medio ambiente.

Figura 2.20 Adapte para introducir aire

comprimido al sistema de salida del syngas, conectado con un medidor de flujo.

CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL

ENERGÉTICO DE DESECHOS AGROINDUSTRIALES POR MEDIO DE

DIGESTIÓN ANAEROBIA.

Evaluación del potencial de generación de biogás a partir de desechos. 34 Estudiantes de primaria aprendiendo acerca del proceso de biodigestión anaerobia (20/2/13)

Mantenimiento y limpieza del biodigestor (19/3/13).

Filtro de H2S instalado y acoplado al biodigestor de Atiquizaya. Capacitación sobre la biodigestión y manejo del biodigestor instalado

impartida a representantes de las comunidades de San Hilario (11/12/12).

Evaluación del potencial de generación de biogás a partir de desechos. 35

3.1 Evaluación del potencial de generación de biogás de desechos agroindustriales de la Bahía de

Jiquilisco.

3.1.1 Generalidades

Este apartado presenta la evaluación del potencial de generación de biogás a partir de desechos agroindustriales procedentes de las actividades efectuadas en la zona de la Bahía de Jiquilisco. Dicha evaluación requiere la identificación y selección de los desechos con mejores propiedades para transformarlos en combustible mediante biodigestión anaerobia al nivel de laboratorio.

Para identificar los desechos se realizaron visitas de campo a la zona de la Bahía y la selección se llevó a cabo siguiendo la metodología descrita en el Capítulo 1.

La presente investigación resulta como alternativa para solventar el impacto ambiental que generan los desechos de las actividades agrícolas e industriales de la zona.

3.1.2 Objetivos

Evaluar el potencial de producción de metano a escala laboratorio de los 5 desechos identificados de las actividades agroindustriales de la zona de la Bahía de Jiquilisco.

Realizar con uno de los desechos un cambio de escala a un reactor de laboratorio para evaluar su rendimiento.

3.1.3 Marco teórico del proceso de biodigestión.

La digestión anaerobia es un proceso biológico en el cual la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, se descompone de una mezcla de productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, HS, etc.) y en digestato (biol), que es una mezcla de productos minerales, principalmente N, P, K, Ca; como consecuencia de la acción coordinada e interdependiente de un grupo de bacterias específicas (Carneiro, 2005).

De acuerdo al contenido de sólidos totales (ST) de la alimentación, la digestión anaerobia es categorizada como fermentación húmeda y seca. Esta última, indica la alimentación de sustratos con un contenido de ST mayor de 15%. En la presente investigación se utiliza una fermentación húmeda.

La Figura 3.1 muestra esquemáticamente las etapas del proceso junto con los

Por medio de una evaluación cualitativa de las características de los desechos, se determinó que el estiércol de bovino, las vísceras de pescado, el falso fruto de marañón, mango y las hojas de marañón son en conjunto los materiales más aptos para determinar su potencial de producción de metano.


elementos involucrados en cada una de ellas.

Etapa hidrolítica.

El proceso inicia con la hidrólisis de carbohidratos, proteínas y lípidos presentes en la materia orgánica. Esta descomposición es causada por la acción de bacterias hidrolíticas y se obtienen moléculas livianas como azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y alcoholes.

De esta etapa depende la disponibilidad de sustratos para el proceso en general, ya que las bacterias no asimilan material orgánico complejo. La velocidad de esta etapa está condicionada por el tamaño de partícula de los residuos usados.

Etapa acidogénica

En esta etapa los productos de la hidrólisis son degradados por bacterias a ácidos grasos ligeros como ácido propiónico, butírico y valérico junto con acetato, hidrógeno (H2), sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de carbono (CO2). Cuando se degradan aminoácidos también se produce amoníaco (NH3).

Etapa acetogénica.

En esta fase, los ácidos grasos generados previamente son transformados a acetato, y como productos secundarios se generan hidrógeno y dióxido de carbono, por causa bacterias acetogénicas (Mejía, 1996).

La función principal de estos microorganismos en el proceso es la de donar hidrógeno, dióxido de carbono y acetato para la etapa siguiente.

Etapa metanogénica.

Se transforma el ácido acético generado en la etapa anterior junto con otros ácidos orgánicos de cadena corta y forman una mezcla gaseosa constituida por CH4 y CO2.

En esta etapa intervienen las bacterias metanogénicas que se dividen en: acetotróficas y las hidrogenotróficas (Rodríguez, s.f.)

Las bacterias acetotróficas rompen la molécula de ácido acético y se obtiene como productos CH4 y CO2. Esta vía produce alrededor de un 70% del metano en un biodigestor anaerobio. Mientras que las hidrogenotróficas son las encargadas de producir el otro 30% del metano, a partir del CO2 y H2 (Carneiro, 2005).

Figura 3.1 Representación esquemática del

proceso de digestión anaerobia.


Parámetros fisicoquímicos controlados en la digestión anaerobia.

Para que el proceso de digestión anaerobia se lleve a cabo en óptimas condiciones es necesario que una serie de parámetros fisicoquímicos y químicos se encuentren en un valor requerido. Los parámetros más importantes se presentan en la Tabla 3.1.

Evaluación del potencial de producción de metano.

Se han desarrollado métodos para la evaluación de la producción de metano de sustratos utilizados en los experimentos de digestión anaerobia. Entre ellos tenemos: el potencial bioquímico de metano (BMP), pruebas batch no especificadas, métodos de medición de gas utilizando el sistema

de control Oxitop ®, ensayos del Potencial Anaerobio de Biogasificación (ABP), etc.

De los anteriores, las pruebas BMP son ampliamente utilizadas en estudios que tratan la digestión anaerobia de sólidos orgánicos, pues resultan ser factibles, económicas y reproducibles.

El Potencial Bioquímico de Metano (BMP por sus siglas en inglés) se refiere a la máxima cantidad de gas metano que puede generar un sustrato específico al ser degradado a condiciones anaerobias. Sirve para identificar los sustratos orgánicos que presenten los mejores rendimientos de producción de metano, las condiciones a las que deben ser alimentados y si alguno de ellos inhibe el proceso.

Tabla 3.1 Descripción de los principales parámetros controlados en la digestión anaerobia.

Parámetro Descripción

Fisi

coq

uím

ico

s

Tem

per

atu

ra

Afecta la actividad y el tiempo de reproducción de los microorganismos del proceso, pues éstos trabajan en un rango específico de temperatura. Afecta también la solubilidad de gases tóxicos generados (NH3, H2 y H2S) y de la mayoría de sales presentes.

Tam

año

de

par

tícu

la

Este parámetro influye en la relación entre la superficie y el volumen de cada partícula orgánica, esto es importante porque de ella depende la velocidad de la etapa hidrolítica y la generación de biogás.

Qu

ímic

os

pH

El pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio, puede desplazarlos hacia la formación de un determinado componente, favoreciendo o inhibiendo el proceso. El pH óptimo está comprendido entre 6.5-7.5, las metanobacterias para sobrevivir deben mantenerse en medios con pH neutro.

Rel

ació

n

sust

rato

-

inó

culo

(S/

I)

Influye en el desempeño del proceso de digestión anaerobia. Un valor entre 0.5-2.3

puede prevenir la acidificación del medio y consecuentemente la

inhibición de las bacterias metanogénicas del proceso.

Pre

sen

cia

de

sust

anci

as

tóxi

cas

Las sustancias tóxicas inhiben la fermentación y pueden ser productos intermedios generados por las reacciones metabólicas de las bacterias, como los ácidos graso volátiles (AGV), sulfuros solubles o insolubles y amoníaco; o pueden llegar al sistema accidentalmente, por ejemplo, los metales pesados (Ni, Cr, Cu, Cd, Zn, MO, Pb).

Pre

sen

cia

de

nu

trie

nte

s.

La necesidad de nutrientes en la digestión anaerobia es baja, se requiere principalmente nitrógeno y fósforo. Pueden agregarse al sustrato ciertas sustancias químicas para obtener los nutrientes necesarios para el proceso.

Fuente: Ortega, 2006.


Existen muchos métodos para determinar el BMP de desechos orgánicos, sin embargo, en su mayoría consiste en introducir una muestra pequeña del desecho en un reactor junto con el inóculo proveniente de un biodigestor anaerobio a una concentración específica. La muestra es incubada durante un tiempo determinado con el objetivo de medir la generación de gas y determinar la composición del mismo (Hansen, 2004).

Las diferencias fundamentales entre estos métodos radican en el volumen del reactor utilizado, el pre-tratamiento que recibe la muestra, la concentración del sustrato incubado, la temperatura de incubación y el periodo de digestión (Hansen, 2004).

En la presente investigación, para determinar el potencial de producción de metano se realizaron pruebas de BMP y mediciones de la producción del biogás por medios volumétricos, donde se mantiene una presión constante y se mide la variación en el volumen del gas.

3.1.4 Metodología

Para la caracterización de residuos.

Los parámetros importantes para evaluar la calidad de los desechos dispuestos para digestión anaerobia son: el contenido de humedad, los sólidos volátiles y el porcentaje de carbono orgánico.

Para determinar los valores de dichos parámetros se tomaron en cuenta procedimientos empleados en algunas investigaciones y procedimientos estandarizados contemplados en normas ASTM.

Se inicia con el secado, el cual consiste en colocar en una cápsula de porcelana preparada, una masa de muestra previamente homogenizada y exponerla a temperaturas de 103-105°C por tiempos específicos, en repetidas ocasiones hasta que el cambio de peso de la muestra sea muy bajo. De este procedimiento se calcula el % de humedad.

Seguidamente, el material seco obtenido se transfiere a un horno de mufla frío y se calienta a ignición a 550°C, la muestra debe mantenerse ahí durante 1 hora. Luego de enfriar y pesar, el procedimiento se repite hasta alcanzar un valor constante o con un mínimo de variación.

Para la determinación del contenido de carbono orgánico, se emplea un método analítico de oxidación, donde una masa de muestra seca es mezclada con dicromato de sodio (K2Cr2O7) y ácido sulfúrico. Para cuantificar el contenido de carbono orgánico, se diluye la mezcla anterior y se valora por retroceso con una disolución de sulfato ferroso amónico. Los valores numéricos se obtienen mediante una relación matemática que incluye el volumen gastado de disolución ferrosa (Jackson, 1976).

Determinación del potencial de producción de metano.

Inicialmente, se secaron las muestras dispuestas a usarse como sustrato y se mantuvieron en una estufa a 60°C por un

Inóculo se refiere al lodo que contiene las bacterias anaerobias que

llevan a cabo la digestión, generalmente es recolectado de un biodigestor anaerobio en óptimas

condiciones de funcionamiento.


período de 12 horas. Posteriormente, como se observa en la Figura 3.2, que cada muestra sufre una reducción de tamaño con un molino de martillo.

Obtención del inóculo.

Para las pruebas realizadas se recolectaron lodos anaerobios de un biodigestor anaerobio mesofílico de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Industrias La Constancia (ILC).

Al momento de la recolección se midió el pH y la temperatura, luego se almacenaron a 35°C dentro de una incubadora, debido a que éstos no se utilizaron inmediatamente. Durante su almacenamiento se alimentaron cada dos días hasta 5 días antes de su uso, con 60 ml de un sustituto de fórmula de leche materna, sustancia con abundantes nutrientes. Ver Figura 3.3a.

Figura 3.2 Sustratos triturados hasta

tamaño de partícula de 2 mm.

Pruebas de BMP

Las pruebas BMP para cada sustrato fueron llevadas a cabo por triplicado. Los

reactores utilizados consisten en botellas de vidrio de 160 ml selladas con tapones de hule. Ver Figura 3.3b.

A cada botella se le introducen 80 ml de lodo previamente homogenizado como inóculo, esto se observa en Figura 3.3c, inmediatamente se agrega una cantidad de sustrato deshidratado y tamizado. Luego se afora cada botella con agua destilada hasta 100 ml, obteniendo una concentración final de 2 g de SV/100 ml de mezcla. Esta concentración es poco susceptible a sufrir procesos de acidificación.

Para el caso de los sustratos de falso fruto de marañón y mango además de las pruebas a una concentración de 2 g SV/100 ml de muestra, se colocaron para cada uno pruebas a 1 g SV/ 100 ml y a 0.5 g SV/ 100 ml.

Una vez alimentados los reactores, se burbujean con una mezcla de gases compuesta por 70 % N2 y 30% CO2, para desplazar todo el oxígeno fuera del reactor y garantizar un ambiente anaerobio. Posteriormente, los reactores se tapan y se colocan dentro de la incubadora a una temperatura de 35°C, como lo muestra la Figura 3.4.

Luego de una hora, el tapón de cada reactor es pinchado con el objetivo de controlar cualquier exceso de presión y garantizar que la presión al interior sea la atmosférica como lo muestra Figura 3.5. Las botellas permanecen en incubación durante 50 días.


a)

b)

c) Figura 3.3 Proceso para determinar el BMP. a) Extracción del inóculo. b) Reactor a microescala y

jeringa graduada usada en el proceso. c) Alimentación inóculo al reactor.

Para cuantificar el gas generado en cada reactor, se mide inicialmente la producción diaria, luego tales mediciones se realizan a intervalos de tiempo mayores, hasta terminar el periodo de incubación (50 días). En cada medición se registran datos de temperatura y presión.

Junto a las pruebas realizadas con los desechos se trabaja un blanco, éste contiene únicamente inóculo. Una vez obtenida la máxima cantidad de metano producida por las soluciones de sustrato e inóculo, se resta la cantidad de metano producida por los blancos de laboratorio para obtener únicamente la producción del sustrato.

Figura 3.4 Reactores de biodigestión en periodo

de incubación.

Figura 3.5 Extracción del biogás producido.


Los valores se expresan como mililitros de metano acumulado corregidos a

condiciones estándar por unidad de sólidos volátiles alimentados

También se colocan en incubación otras botellas como control de calidad del inóculo, se usa celulosa proveniente de algodón comercial.

El contenido de metano del gas producido por cada sustrato se determina en base a un proceso analítico. El procedimiento consiste en la absorción del dióxido de carbono contenido en una muestra de biogás, por una solución de hidróxido de sodio a una concentración específica. Para ello, se pinchan las botellas con una aguja de jeringa graduada y se extrae el gas, posteriormente, como se observa en la Figura 3.6 se inyecta en un recipiente con dicha solución.

Estas botellas son pinchadas por segunda vez para obtener el volumen de metano. La composición del mismo fue determinada como la división entre el volumen final extraído de la botella y el volumen inicial inyectado.

Para el análisis del remanente al finalizar las pruebas.

Al finalizar los 50 días de incubación, se realiza un análisis del efluente o remanente de cada reactor, el cual consiste en la determinación del contenido de humedad, SV y medición de pH.

La determinación de sólidos volátiles permite conocer el porcentaje de sólidos iniciales que es degradado por las bacterias, es decir, el porcentaje que es convertido a biogás (Ver Tabla 3.3).

La medición de pH es realizada con un pHmetro portátil, esta prueba es necesaria para identificar posibles inhibiciones por acidez. Los efluentes de las muestras que presentas este tipo de inhibición deberán ser sometidos a un análisis para comprobar la presencia de AGV mediante un proceso de destilación.

Figura 3.6 Inyección de biogás crudo y extracción de gas metano.

Determinación del potencial de producción de biogás en un reactor a escala de laboratorio.

Una vez identificado el desecho con mayor producción de biogás, se procede a evaluar su desempeño tomando en cuenta algunas modificaciones como: el aumento de tamaño del reactor, temperaturas variables, la falta de tratamiento previo en la muestra usada y la falta la agitación en el reactor.

Para esta determinación debió construirse un biodigestor a escala de laboratorio. En su diseño se incluye un sensor de presión y uno de temperatura para verificar los


cambios de estas variables dentro del proceso, estos componentes se muestran en la Figura 3.7.

El reactor de 3.6 L de capacidad es alimentado con la misma proporción que las pruebas de BMP, es decir, a una concentración de 2 g SV/ 100 ml de mezcla.

La alimentación o sustrato a este reactor no recibió ningún tipo de pre-tratamiento por lo que el material era húmedo, no estaba triturado ni tamizado.

El período de incubación del sustrato dura 60 días, durante este período no se extrae ninguna muestra del gas producido y la composición del biogás se conoce con la relación de volúmenes del gas remante de la prueba de absorción con NaOH y el del gas inyectado.

Figura 3.7 Biodigestor anaerobio construido a

escala de laboratorio.

3.1.5 Resultados

De la caracterización de residuos

Los resultados obtenidos de las pruebas de caracterización para cada desecho, son presentados en la Tabla 3.2. Se muestran los valores promedios del contenido de humedad, SV y carbono orgánico de los cinco desechos analizados y las sustancias usadas para el control de calidad.

Comparando los porcentajes de humedad de los cinco sustratos, se observa que el desecho que presenta el mayor contenido de humedad es el falso fruto de marañón, con un 86.9%, mientras que las hojas de marañón o rastrojos contienen apenas un 8.3% de agua.

El sustrato con mayor porcentaje de sólidos volátiles es el falso fruto de marañón con un 97.1% y el de menor porcentaje son las vísceras de pescado.

El sustrato que presenta mayor contenido de carbono orgánico es el mango mientras que el que presenta menor contenido son las vísceras de pescado.

Determinación del potencial de producción de metano.

Se presentan a continuación, los valores de metano acumulado a condiciones estándar para cada uno de los sustratos (ver Figura 3.9), el promedio de las pruebas de los blancos (ver Figura 3.8) y el control de calidad del inóculo (ver Tabla 3.3).

Inicialmente, la Figura 3.8 muestra el comportamiento promedio de los resultados de producción de metano en los reactores sin sustrato, es decir, los blancos de laboratorio. Puede observarse

Termocupla

Reactor

Manómetro


que la máxima producción promedio

alcanzada fue 18.77 .

Tabla 3.2 Valores de las pruebas de caracterización para sustratos y controles de calidad.

Sustancia % SV % de Humedad % de Carbono

orgánico

SUSTRATOS

Estiércol bovino 82.70 82.09 46.52

Hojas de marañón 92.49 8.28 39.06

Mango 96.31 79.25 50.26

Falso fruto de Marañón

97.12 86.86 48.17

Vísceras de pescado 69.99 77.56 27.73

CONTROLES DE CALIDAD

Carboximetilcelulosa 79.18 11.31 46.43

Benzoato de Sodio 50.77 2.02 73.50

Celulosa 99.49 4.59 -

La Desviación Estándar Relativa (DER) fue de 1.14%, lo que indica una alta precisión en los resultados. Fue este promedio el que se restó a los datos de producción acumulada de metano para cada sustrato.

Figura 3.8 Comportamiento promedio de la

producción de metano en los blanco.

Estiercol bovino.

En la Figura 3.9 se observa que los valores de metano producido presentan una tendencia creciente, este comportamiento fue idéntico en todas las pruebas realizadas. La producción máxima de

metano acumulado fue 143.57 y la

DER fue de 10.13%, lo que indica que los datos recolectados son de buena calidad.

Vísceras de pescado.

Una dispersión alta se identifica al analizar las series de datos, observándose que ninguna de ellas logró alcanzar el estado estable.

La máxima cantidad de metano generado

fue de 106.32 . .El porcentaje de

DER fue de 46.60% por lo cual no se puede tomar un promedio de estos datos. La alta dispersión pudo deberse a la alta heterogeneidad de las muestras, y al problema de secado y tamizado. Todos los sustratos excepto las vísceras de pescado fueron deshidratados y triturados con facilidad.

Hojas secas de marañón o rastrojos.

Este sustrato fue analizado por duplicados. La Figura 3.9 muestra que durante los primeros 20 días del ensayo se produjeron cantidades similares de metano en ambas pruebas. Ninguna de las series de datos alcanzó el estado estable. La máxima


cantidad de metano generado fue de

115.09 y la DER fue 6.74%,

indicando poca variabilidad entre ambas pruebas.

Falso fruto de marañón.

Para el caso del falso fruto de marañón se realizaron pruebas a concentraciones de

0.5, 1 y 2 debido a que en

ensayos preliminares se observó la presencia algún tipo de inhibición.

Cuando las pruebas son realizadas con una

concentración de 0.5 , se

observa, en Figura 3.9, que hay una alta producción durante los primeros 5 días llegando hasta un valor aproximado de 40

, luego de este período la

producción fue menor logrando obtenerse

un máximo en 56.53 .

El valor de la DER fue de 3.18%, indicando poca dispersión entre las series de datos. Se descarta la presencia de algún tipo de inhibición debido a la alta producción obtenida a esta concentración.

Cuando se usa una concentración de

1 , la producción acumulada al

transcurrir 5 días de digestión fue elevada,

incrementándose hasta los 65 .

La tendencia del valor promedio es ascendente estabilizándose alrededor de los 50 días; y se descarta la presencia de alguna inhibición a esta concentración por la tendencia de las series y elevada producción. La DER fue 17.44 % por lo que los datos se consideran confiables.

Las pruebas realizadas con una concentración de 2 , dieron como

resultado solamente dos series de datos. Se observa que la producción es alta con tendencia ascendente, sin alcanzar el estado estable, con una DER de 0.49%.

Existen dos fases de producción, una abundante desde el día cero hasta el 19,

logrando llegar a los 112 , y una

más lenta hasta llegar al valor máximo al finalizar el ensayo. Se descarta la presencia de algún tipo de inhibición por la alta producción y tendencia de las curvas.

Mango.

La prueba de mango al igual que el falso fruto de marañón, se llevó a cabo a diferentes concentraciones para evaluar la presencia de algún tipo de inhibición.

Cuando se usó una concentración de 0.5 en las pruebas, la producción

acumulada, al haber transcurrido 5 días de digestión, fue elevada, incrementándose

hasta los 42 Luego de este período

la producción disminuyó de manera considerable.

La tendencia del promedio es ascendente, estabilizándose alrededor de los 22 días de digestión lo que indica el agotamiento del sustrato. La DER fue de 10.77%.

Con una concentración de 1 , los

resultados de las pruebas son dispersos entre sí, con una DER de 19.49%, y que su producción acumulada al haber transcurrido 5 días de digestión fue elevada. Luego la producción disminuyó considerablemente. La tendencia de los datos es ascendente y no se estabiliza, pues a esta concentración no existe ningún tipo de inhibición (Ver Figura 3.9).


Figura 3.9 Producción de metano en las pruebas BMP para todos los sustratos.

Las pruebas realizadas con una

concentración de 2 , arrojaron

resultados heterogéneas. Además, durante los primeros 5 días de digestión se obtiene una producción ascendente y luego de este periodo empieza a decaer hasta finalizar los 50 días. El máximo valor

reportado fue 20.56 .

Debido al comportamiento de la producción de metano, se predice una inhibición de tipo ácida. La DER para un par de series fue 21.76%, a pesar de ser mayor de 20% fueron tomados en cuenta ya que no está muy alejados.

Del control de calidad.

Las pruebas del control de calidad se realizan para verificar la calidad del inóculo. En efecto, los resultados presentados en la Tabla 3.3 revelan que éste se encuentra en óptimas condiciones, ya que presenta alta producción de metano con un valor

máximo y mínimo de 222.37 y

207.07 respectivamente.

El sustrato que obtuvo la mayor producción acumulada de metano fue el estiércol bovino seguido del falso fruto de marañón a 2 g SV/100 ml de mezcla. El sustrato mango a 2 g SV/100 ml de mezcla obtuvo la menor producción acumulada debido a la presencia de inhibición.

Del análisis del remanente al finalizar las pruebas.

Al finalizar los 50 días de digestión, el efluente de cada sustrato fue analizado para determinar su humedad, contenido de sólidos volátiles y pH, con el objetivo de conocer el porcentaje de degradación de materia orgánica y acidez o basicidad del medio. Las muestras reportadas con pH inferior a 6, fueron sometidas a un proceso de destilación para cuantificar los AGV presentes para identificar la presencia de inhibición en el proceso.

En las últimas columnas de la Tabla 3.3 se expresa que el sustrato más degradado fue el Mango a 0.5 g SV/ml de mezcla y el


menos degradado fue el sustrato vísceras de pescado.

Únicamente el sustrato mango a 2 g SV/ml de mezcla presentó pH menor de 6, por lo que se le realizó una destilación para determinar la concentración de AGV, obteniendo como resultado: 1620.8 mg de ácido acético por litro (Ver Tabla 3.3).

Dado que el valor obtenido por el mango a 2 g SV/ml de mezcla supera el rango óptimo (50-500 mg ácido acético por litro), se verifica la presencia de inhibición por acidez en el proceso.

Determinación del potencial de producción de biogás en un reactor a escala de laboratorio.

En la Figura 3.10, se presentan los valores de los parámetros, presión y temperatura, obtenidos por el manómetro y la termocupla del biodigestor a escala

laboratorio. Estos valores permiten monitorear el inicio y desarrollo del proceso de formación de biogás.

Se observa que la presión dentro del reactor comienza a aumentar alrededor del día 15, por lo que la producción de biogás comienza luego de 15 días de su alimentación. Se sospecha que este retraso en la producción fue ocasionado por el gran tamaño de partícula alimentado, disminuyendo así, el área de contacto entre las bacterias y el sustrato.

Luego del periodo de adaptación, la presión aumenta lentamente manteniendo una producción estable los siguientes días. Las lecturas de temperatura varían entre los 24.5°C y 29.10°C, rango entre el cual la producción de biogás es lenta debido a que las bacterias responsables de la formación del gas actúan en un rango mesofílico (35°C).

Tabla 3.3 Valores promedio de producción de metano por sustrato y caracterización de efluentes

Sustrato

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EFLUENTES

% DER Producción de metano ( )

% Humedad

% de degradación

pH

Estiércol bovino 10.13 134.86 96.67 36.13 7.04

Vísceras de pescado 34.60 %DER>20 97.22 10.06 6.92

Hojas de marañón 6.74 110.87 96.91 29.03 7.14

Falso fruto de marañón. (0.5 g SV)

3.18 54.54 98.05 49.08 7.12

Falso fruto de marañón. (1g SV)

17.44 74.57 97.94 46.24 7.12

Falso fruto de marañón. (2g SV)

0.49 133.26 97.78 42.44 7.11

Mango (0.5g SV) 10.77 46.79 98.12 50.25 7.09

Mango (1 g SV) 19.49 87.42 99.07 49.27 7.11

Mango (2 g SV) 21.76 5.53 97.52 38.99 5.05

Celulosa 3.95 216.95 98.54 - -

Blanco 1.14 18.77 - - -


a)

b) Figura 3.10 Variación de parámetros dentro

del reactor a escala de laboratorio. a) Presión vs tiempo. b) Temperatura vs tiempo.

Para determinar la concentración de metano en el biogás producido en los 60 días, obtenido por la digestión del estiércol bovino, se extrajeron 4 muestras, a las cuales se les realizó el análisis de composición. Los resultados se presentan en laTabla 3.4.

Tabla 3.4 Composición del biogás expresada como porcentaje de metano generado por el

biodigestor a escala laboratorio

Composición de biogás general

% de metano

Prueba 1 72

PROMEDIO

67.75% Prueba 2 68

Prueba 3 67

Prueba 4 64

3.1.6 Conclusiones

El sustrato que presenta los mejores resultados de producción de metano es

el estiércol bovino (134.86 ), por

tanto este es el sustrato más viable a utilizar en un biodigestor doméstico, el segundo es el falso fruto de marañón

(133.26 a una concentración de 2

g SV/100 ml de mezcla, después lo siguen las hojas de marañón y el mango a una concentración de 1 g SV/100 ml de mezcla y por último las vísceras de pescado.

Las vísceras de pescado presentan un comportamiento muy disperso debido a la alta heterogeneidad de la muestra, además es un sustrato de difícil digestión, las bacterias lograron degradar únicamente un 10% de los sólidos volátiles alimentados.

El resultado obtenido de la degradación de las hojas secas de marañón indica que es un sustrato viable para el proceso, a pesar de en ellas exista lignina, compuesto de difícil digestión.

Se demostró que el mango sufrió inhibición por alta concentración de AGV a una concentración de 2 g SV/100 ml de mezcla, esto no ocurre en las pruebas a concentraciones de 1 g SV/100 ml de mezcla y 0.5 g SV/100 ml de mezcla.

Se demostró el falso fruto de marañón no sufre procesos inhibitorios a ninguna concentración y produce biogás satisfactoriamente a una concentración de 2 g SV/ 100 ml de mezcla.

De los desechos analizados, el estiércol bovino es el más apto para ser utilizado como materia prima para el proceso de digestión anaerobia, pues posee los valores de

producción de metano más altos a escala de laboratorio.


3.2 Diseño y construcción de biodigestor anaerobio a escala de laboratorio

3.2.1 Generalidades.

El diseño de un equipo de biodigestión a escala de laboratorio implica llevar el proceso de fermentación a condiciones ambientales controladas y monitoreadas, que eviten la presencia de agentes externos indeseados que influyen en los resultados predichos por la teoría, y que de la misma manera garanticen una medición repetible.

El biodigestor anaerobio es diseñado como un reactor, donde deben obtenerse las mejores condiciones posibles de agitación, homogenización de la mezcla líquida y la transferencia de calor.

3.2.2 Diseño del biodigestor anaerobio.

El biodigestor anaerobio consiste un tanque de agitación cilíndrico y cerrado. Es construido con acero inoxidable y puede poseer diferentes elementos como: un equipo de agitación, deflectores en las paredes, serpentines de calor, termómetros, indicadores de nivel, etc (Martín, Salcedo, & Font, 2011).

Equipo de agitación.

Uno de los aspectos de diseño más importantes para este equipo es la agitación.

Un buen equipo mezclador acelera la digestión porque consigue los siguientes

objetivos (La ingeniería de la Agitación, 2011):

Mantenimiento de la homogeneidad del contenido del reactor y la consecuente disminución de sólidos inertes en el fondo.

Prevención de la formación de costras.

Utilización máxima del contenido del digestor.

Los sistemas de agitación incluyen de manera general el uso de un impulsor rotatorio instalado sobre un eje suspendido soportado en la parte superior del tanque, y accionado por un motor a veces conectado directamente al eje o acoplado a través de una caja reductora de velocidad.

Con este tipo de impulsor se desarrolla un movimiento circular que permite que las fuerzas de mezclado se transfieran a la mezcla por medio de las aspas del impulsor. Los impulsores tipo turbina son eficaces para un intervalo amplio de viscosidades, desde muy pequeñas (1 cps) hasta una viscosidad máxima aproximada de 30000 cps. Esto permitirá que el reactor diseñado pueda utilizarse para diferentes reacciones con características variantes en el sustrato.

Se entiende por agitación al movimiento circular, violento e

irregular que es generado dentro de una materia fluida por medio de

dispositivos mecánicos.


El impulsor posee una turbina del tipo Rushton de 6 paletas verticales (patrón de flujo radial) ya que facilitan la transferencia de masa y mantiene la suspensión de sólidos (Soria & Benítez, 2011; Agudelo, 2010).

Las corrientes desarrolladas por este elemento, son radiales y tangenciales, suele provocar la formación de vórtices y remolinos que deben ser destruidos por placas deflectoras que mejoran la agitación (McCabe et al., 1991). Ver Figura 3.11a.

Las dimensiones del impulsor fueron determinadas combinando diferentes criterios de los modelos presentados por (autores) que relacionan los parámetros de

la turbina con el diámetro del tanque de agitación. Los valores obtenidos se muestran en la Figura 3.11b.

Dimensionamiento del reactor.

El reactor a escala de laboratorio se utilizará para realizar ensayos de biogás, por lo cual se determinó que para realizar análisis continuos de caracterización de los componentes del biogás producido, caracterización del sustrato (DBO, pH), pruebas de filtros para adsorción de sulfuro de hidrógeno, etc.; se necesitaría un reactor con un volumen aproximado de 40 litros de mezcla líquida (sustrato + agua).

a)

b)

Figura 3.11. a) Impulsor rotatorio de tipo turbina y vista lateral del patrón de flujo que se genera utilizando placas deflectoras. b) Dimensiones del impulsor diseñado.

Para dimensionar el reactor, se determinará inicialmente el valor del

diámetro a partir de dos valores: el volumen de líquido requerido y la relación


altura-diámetro (se recomienda un valor de relación igual a 1.25) (McCabe et al, 1991; Agudelo, 2010; Revista mEq, 2011).

Considerando que el fondo del biodigestor debe ser cóncavo, para evitar la formación de puntos muertos, la revista mEq recomienda utilizar un valor de 0.2 veces el diámetro del tanque como la altura del fondo. Así mismo, la literatura recomienda la colocación de 4 deflectores alrededor del perímetro del tanque de digestión, espaciados a 90°.

Para el diseño de los deflectores se selecciona el valor de la relación ancho del deflector-diámetro como un doceavo,

obteniendo el valor de 1.25 pulg. para el ancho del deflector y una separación con respecto a la pared del tanque de 0.2 pulg.; esto para favorecer el proceso de agitación. (McCabe et al, 1991; Streeter et al, 2000; Agudelo, 2010; Revista mEq, 2011). La vista general del reactor junto con las dimensiones obtenidas se muestra en la Figura 3.12.

El uso de deflectores da como resultado una gran circulación desde la parte superior al fondo del recipiente, sin que se formen vórtices ni se ejerzan tensiones no balanceadas del flujo sobre el eje de impulsión.

Figura 3.12. Vista general de las dimensiones externas del reactor y de los deflectores internos.

Para la tapa o cubierta del reactor se construirá un adapte para ensamblarle una pieza con diferentes puertos de entrada

que se utilizaran para diferentes funciones (puertos dosificadores, puertos de muestreo, etc.). Esta pieza es de acero


inoxidable y tiene un diámetro de 6 pulgadas. Las dimensiones del adapte y el cuerpo del reactor se muestran en la Figura 3.12

3.2.3 Diseño de un serpentín

La principal función del serpentín en el interior del reactor para la producción de biogás es tener un control sobre la temperatura, ya sea para mantener el contenido a una temperatura constante, para incrementarla o disminuirla.

Para construir el serpentín se utiliza acero inoxidable, de manera que la capa pasivante e inerte que este material posee evite que intervenga en las reacciones al interior del reactor y así tenga una larga vida útil.

Diseño térmico

El diseño térmico de serpentines para tanques incluye la determinación del área de transmisión de calor requerida para mantener el contenido del tanque a una temperatura constante, para aumentarla o disminuirla, de acuerdo con una magnitud específica en un tiempo determinado. Un esquema general del diseño se muestra en la Figura 3.13.

Para el cálculo del área de intercambio necesaria del serpentín ( ) se utilizó la siguiente expresión:

La primera incógnita a resolver es , este

valor representa la energía calorífica potencial que se le puede transferir al contenido del reactor en una unidad de tiempo. Este valor es calculado a partir del flujo de agua máximo entregado por la bomba usada, la capacidad calorífica del agua y el cambio de temperatura sufrido por ésta en el intercambio de calor.

Luego, se consultó el Manual del ingeniero químico para obtener el coeficiente global de transferencia de calor de los lados ( ) y calcular el área equivalente ( ) basándose en las dimensiones del reactor. Se usaron los coeficientes correspondientes a un reactor ubicado en el interior de un recinto y cubierto con una capa aislante. (Perry y Green, 1999).

Para determinar el coeficiente global de transferencia de calor del serpentín ( ) se utilizaron datos de la bibliografía, usando el agua como sustancia en el interior del serpentín y una solución acuosa como sustancia exterior, así mismo se determinaron las revoluciones necesarias y se obtuvo el valor final para dicho coeficiente. Finalmente se determinó que un factor de seguridad prudente para el diseño del serpentín es 1.1.

La necesidad de incorporar un serpentín nace de la gran influencia de

la temperatura en la producción de biogás, ya que junto con otros

parámetros como el pH se condiciona el crecimiento de las bacterias anaerobias dentro del reactor.


Figura 3.13 Esquema de la ubicación del serpentín en el reactor y los datos de diseño.

La Tabla 3.5 muestra los valores de las incógnitas encontradas y el valor obtenido al sustituir todas las variables.

Tabla 3.5 Resultados obtenidos del diseño térmico.

Variable Resultado Unidades

720

0.37

1.806

0.767 m2

200

976.49

25 °C

35 °C

0.1638 m2

Diseño mecánico

El diseñó mecánico del serpentín corresponde a la determinación de sus dimensiones, es decir, longitud, número de vueltas que debe tener, diámetro, etc. Inicialmente se establece que el serpentín a diseñar es del tipo helicoidal, según se observa en la Figura 3.14. Este tipo permite mantener una temperatura constante dentro del reactor y favorece la mezcla del contenido.

El manual de ingeniero químico (1999) recomienda que el serpentín posea una ubicación central sobre las paletas de la turbina, y que los serpentines se construyan a 2 pulg del fondo del reactor. Así mismo, la parte circular helicoidal se colocará en la zona inferior del reactor y cada vuelta separada por 1 cm de distancia. El diámetro del serpentín fue determinado a partir del diámetro disponible en tubos de acero inoxidable, este valor es de 10 mm (0.01 m).

Figura 3.14 Esquema del serpentín diseñado.

Del diseño térmico del serpentín del apartado anterior, se obtuvo el área de intercambio de calor necesaria ( ), a partir de ese valor, se trata de calcular la longitud requerida del serpentín (L) en función del diámetro (d) y el número de

Factor de Seguridad F = 1.1

Tram

o c

ort

o

Tram

o la

rgo

T0=35 °C

Tf=25 °C


vueltas necesarias, según la siguiente ecuación:

Al sustituir los datos disponibles, se obtienen los resultados presentados en la Tabla 3.6

Para conocer la longitud total del serpentín debe incluirse en el cálculo las secciones rectas, las cuales se conocen a partir de las dimensiones del reactor y el espacio de éste con el fondo.

A partir de lo anterior, se estimó que el tramo recto corto del serpentín debe de medir aproximadamente 27.55 cm. y el tramo largo 42.55 cm (Ver Figura 3.14). Por lo tanto, la longitud total del tubería de acero inoxidable con un diámetro de 10mm es de 7.45 metros.

Tabla 3.6 Resultados del diseño mecánico del serpentín.

Parámetro Valor

Longitud (L) 5.75 m

Diámetro del tubo (d) 0.01m

Diámetro serpentín 23 cm

Numero de vueltas (N) 7

Altura sección helicoidal 15 cm

Tramo recto corto 27.55cm

Tramo recto largo 42.55 cm

Longitud Total del serpentín

7.45m

Cálculo de la alimentación estiércol-agua

La caracterización del estiércol vacuno utilizado como sustrato en la alimentación de los biodigestores presenta la caracterización mostrada en la Tabla 3.7.

En base a esta caracterización y mediante un balance de materia, se estimó la relación de sustrato y agua requerida en la

alimentación de los biodigestores. Según la literatura la alimentación debe contener entre un 5–10% de ST en la mezcla de alimentación. Usando un valor 8% de ST se determina que para una base de 100 kg de estiércol, estos se deben mezclar con 124 kg de agua para lograr el % ST requerido. Esto nos permite estimar una relación de alimentación 1:1 de estiércol-agua.

Tabla 3.7 Características del estiércol vacuno.

Parámetro Porcentaje

Humedad 82.09 %

Sólidos Totales 17.91 %

Sólidos fijos 17.30 %

Sólidos volátiles 82.7 %

3.2.4 Diseño de un gasómetro.

Un gasómetro es un recipiente en cual se almacena un gas poco soluble o insoluble en agua. El objetivo de este dispositivo es tener un recipiente que permita almacenar y medir la producción de biogás. En la Figura 3.15 se presenta un esquema del gasómetro.

Las partes principales del gasómetro son:

1. Entrada de biogás. 2. Salida de biogás. 3. Tanque de almacenamiento de gas. 4. Medidor del nivel de agua en el

interior del gasómetro. 5. Medidor de la presión y del volumen

de gas almacenado en el gasómetro.

Para diseñar el gasómetro se tomaron en cuenta tres aspectos importantes que necesitan ser medidos en el interior. Estos son: el volumen almacenado de biogás, el volumen de agua en el interior del gasómetro y la presión.


Figura 3.15 Esquema del gasómetro utilizado para almacenar el biogás producido en el

reactor a escala de laboratorio.

Para conocer el volumen de biogás almacenado en el interior del gasómetro se pensó en una manguera transparente, que conectase el fondo del recipiente con otro que se encuentre abierto a la atmósfera y que cuente con la capacidad para almacenar el agua que es desplazada por el biogás desde el interior del gasómetro (Ver Figura 3.16). Este dispositivo tiene dos objetivos, el primero es que con el volumen desplazado de agua se puede conocer la cantidad de biogás producido y el segundo es que este dispositivo puede ser utilizado como manómetro.

Para conocer el nivel del agua en el interior del gasómetro fue necesario conectar otra manguera que retornase al mismo recipiente, de esta manera se puede saber el momento adecuado para vaciar el gasómetro y el nivel del agua al momento de iniciar los experimentos. El gasómetro construido puede observarse en la Figura 3.16.

3.2.5 Componentes del Biodigestor anaerobio diseñado.

El conjunto de metodologías de diseño y dimensionamiento mostradas en los apartados anteriores dieron como resultado un reactor a escala de laboratorio con las siguientes características y accesorios:

Aislante térrmico de fibra de vidrio.

Tres termocuplas tipo K.

Un medidor de pH.

Un manometro digital de acero inoxidable.

Un sistema de agitación programable mediante un motor ajustado al impulsor interno de 6 paletas.

Un gasómetro.

Un baño termostatado.

Una unidad de control GCU () conectado a una computadora para el monitoreo en tiempo real de la temperatura del reactor.

Una capacidad de almacenamiento de 40 litros de sustrato.


Un equipo de biodigestión a escala de laboratorio implica llevar el proceso de fermentación a condiciones ambientales controladas y monitoreadas, que eviten la

presencia de agentes externos indeseados e influyentes en los resultados y que garanticen una medición confiable y reproducible.

Figura 3.16 Gasómetro construido para ajustarlo al

biodigestor anaerobio.

Figura 3.17 Sistema de biodigestión anaerobia a escala

de laboratorio.

En la Figura 3.17 puede observarse el sistema de biodigestión a escala de laboratorio, está constituido por el gasómetro, un reactor aislado térmicamente, conectado por medio de mangueras a un baño termostatado que controla la temperatura interna del sistema interior con la ayuda de un serpentín; un equipo automatizado para el registro y medición de temperatura.

La Figura 3.18 muestra en detalle el reactor y la ubicación de las termocuplas utilizadas para la medición de la temperatura.

Este equipo permitirá evaluar una gran diversidad de sustratos y caracterizar su comportamiento en el proceso de digestión anaerobia, además de obtener la composición del biogás producido. De esta forma se puede predecir el potencial en la producción de biogás que presenta un desecho agroindustrial específico.

Figura 3.18 Reactor aislado térmicamente.

Motor para impulsor de turbina

Termocupla

Entrada

Almacenamiento biogás

Salida

Manómetro

pHmetro

Computadora

GCU

pHmetro


El diseño de una planta piloto de biodigestión anaerobia está determinado por el consumo de biogás, el tipo y disponibilidad de sustrato, la temperatura ambiente y el espacio físico disponible.

3.3 Diseño y construcción de una planta piloto de biodigestión anaerobia para el tratamiento del

estiércol bovino en la zona de la Bahía de Jiquilisco.

3.3.1 Generalidades.

Una planta piloto de biodigestión anaerobia es una infraestructura donde se lleva a cabo el proceso de biodigestión a una escala intermedia.

En el biodigestor o reactor, se desarrolla la fermentación anaeróbica de la materia orgánica, la cual se alimenta de forma diluida; el filtro es el encargado de remover el sulfuro de hidrógeno (H2S), de la corriente de biogás y el gasómetro almacena el biogás. El H2S no tiene color, es inflamable y peligroso, además le da al biogás un olor característico a huevo podrido o pantano. Está presente en un rango de 0.01% a 1.0% v/v en las corrientes de biogás (Cañas, 1986).

3.3.2 Ubicación de las plantas pilotos de biodigestión anaerobia.

Algunos de los criterios tomados en cuenta para la selección de los lugares en los cuales se instalarán los sistemas de biodigestión son los siguientes:

La población favorecida con la instalación del sistema y los beneficios potenciales obtenidos por la comunidad.

La disponibilidad y la proximidad de la materia prima respecto del lugar seleccionado.

El sitio seleccionado debe estar ubicado en un espacio expuesto a la luz solar.

Ubicación estratégica, el espacio de instalación tiene que estar cerca del establo y de la cocina. De esta manera será fácil transportar el estiércol del establo al digestor y no se utilizará mucha tubería para transportar el biogás hasta la cocina.

Cercanía a la fuente de agua y suministro suficiente.

Un sistema de biodigestión anaerobia está constituido

generalmente por cinco componentes: un biodigestor

anaerobio, un gasómetro, un filtro para sulfuro de hidrógeno (H2S),

válvula de alivio y trampa de agua.


Cercanía de pastos, huertos, cultivos, etc. Donde se utilizará el fertilizante producido (biol).

Idealmente escoger un lugar donde no se acumule agua en la temporada lluviosa, dado que esto puede disminuir la temperatura del sustrato reduciendo la producción de biogás. Caso contrario, construir el biodigestor con una elevación respecto al suelo.

Considerando los criterios descritos anteriormente, los lugares seleccionados para la instalación de los biodigestores son:

Centro Escolar Caserío Puertas Chachas, ubicada en la comunidad de San Hilario perteneciente al Cantón Tierra Blanca en el departamento de Usulután. Este lugar fue seleccionado debido a que la comunidad estudiantil beneficiada consta de alrededor de 500 estudiantes, divididos en dos turnos. Se cuenta con una cantidad

aproximada de 300 cabezas de ganado. Finalmente se consideró la aceptación e interés de las personas de la comunidad para impulsar el proyecto en este lugar.

Se presenta en la Figura 3.19 un esquema de la escuela con las áreas disponibles para la instalación del biodigestor:

Cantón Isla de Méndez. El lugar seleccionado por ADESCOIM para instalación del biodigestor anaerobio a escala piloto es el terreno propiedad del Sr. Oscar Osegueda. Ver Figura 3.20.

En este lugar, se cuenta con 50 cabezas de ganado en un establo ubicado aproximadamente a 120 metros de distancia. La vivienda beneficiada no cuenta con luz eléctrica y tiene un elevado consumo de leña, por lo que se pretende suplir parte de este consumo. Así mismo, se aspira usar el biogás para iluminación.

Figura 3.19 Esquema de las instalaciones del Centro Escolar Caserío Puertas Chachas del Cantón Tierra

Blanca en el departamento de Usulután.

Figura 3.20 Esquema de las instalaciones del

terreno del Sr. Oscar Osegueda, Isla de Méndez, departamento de Usulután


3.3.3 Diseño de biodigestores anaerobios.

El diseño de un biodigestor depende directamente de varios parámetros, entre ellos la temperatura ambiente media del lugar donde se vaya a instalar. De ella depende la actividad de las bacterias que digieren la materia orgánica, en este caso el estiércol; y en cuanto menor sea la temperatura menor será actividad de éstas, aumentando proporcionalmente el tiempo de retención en el reactor, aumentando consecuentemente el volumen del biodigestor.

Es importante mencionar que la carga diaria de estiércol determinará la cantidad de biogás producido por día. La cantidad de estiércol diaria, junto con el tiempo de retención (variable definida por la temperatura) fijan a su vez el volumen del biodigestor.

Metodología de diseño.

Para poder dimensionar los biodigestores mencionados, fue necesario tomar en cuenta dos metodologías; la primera es la que Herrero (2008) emplea en la Guía de diseño y manual de instalación de biodigestores familiares; la otra metodología es utilizada por el Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial, ICAITI (1983) en su Manual de Construcción y Operación de una Planta de Biogás. Las características de ambos métodos son mostradas en la Tabla 3.8.

La metodología de Herrero propone una relación óptima entre el largo y el diámetro del biodigestor igual a 7, sin embargo, se considera que una relación entre 5 y 10 es aceptable.

Luego de una comparación se optó por combinar los criterios de diseño de las metodologías propuestas por Herrero (2008) e ICAITI (1983), mostradas en la Tabla 3.8. En la metodología resultante los materiales utilizados para la construcción del biodigestor son económicos, la transferencia e instalación de la tecnología en la comunidad es sencilla, el cálculo de la producción de biogás, incluye la cantidad de sólidos totales, sólidos volátiles y un factor de producción de metano.

Tabla 3.8 Comparación de metodologías de diseño.

Criterio de diseño

Herrero ICAITI

Forma Cilíndrica Trapezoidal

Material Polímero Ladrillos y Cemento

Método para el cálculo de la

producción de biogás

Científico Empírico

Relación agua- estiércol

Variable 1:1

Porcentaje de volumen líquido

75% 75%

Brinda una relación óptima

de diseño Si No

En base a lo recomendado en la metodología de Herrero, para comenzar el diseño es necesario definir los valores para los siguientes parámetros: cantidad de combustible a sustituir por biogás, tiempo de retención y relación agua-estiércol. La Tabla 3.9 muestra los valores iniciales de diseño.


Tabla 3.9 Valores definidos para el inicio de los cálculos de diseño.

Parámetro C.E. Caserío Puertas

Chachas ADESCOIM

Cantidad de combustible que se pretende sustituir

32.5 lb de leña, lo que constituye el 43% del

consumo total semanal.

Funcionamiento de 2 lámparas de biogás operando 5h/día y el biogás

sobrante para sustituir el consumo de leña.

Tiempo de retención La temperatura promedio anual es de 27°C aprox. Y la metodología

recomienda 20 días como tiempo de retención.

Relación agua-estiércol. Se decide usar uno de los valores recomendados por Herrero

(2008), es decir, una relación de 3-1, para que el consumo de agua no sea excesivo.

Tipo de biodigestor.

El resultado de la combinación de los criterios de diseño de las metodologías antes expuestas llevo al diseño y la construcción de un biodigestor de tipo hindú modificado con las siguientes características:

Un domo flexible de geomembrana AQFlex que permite las condiciones anaerobias y almacena el biogás.

Un contenedor de concreto de forma trapezoidal que almacena la mzcla líquida de sustrato.

Aplicación de metodología y resultados del diseño de los biodigestores.

El procedimiento para el cálculo de los parámetros de diseño se basa en la Figura

3.21. Comienza con determinar la producción de biogás que debe cumplir diariamente el reactor., esto se logra a partir de la cantidad de combustible debe sustituirse y permite el cálculo de la carga de estiércol necesaria.

Luego de obtener la cantidad necesaria de estiércol se procede a dimensionar el

biodigestor, sabiendo que el volumen total está compuesto por un 75% de volumen líquido y un 25% de volumen gaseoso. Después de determinar el volumen total del biodigestor es necesario determinar sus dimensiones.

Figura 3.21 Resumen esquemático de la estimación de los parámetros de diseño según

Herrero (2008).


Los resultados de las variables de diseño de los equipos de biodigestión anaerobia se presentan en la Tabla 3.10.

Tabla 3.10 Valores obtenidos para los parámetros de diseño de biodigestores.

Parámetros C.E Caserío Puertas

Chachas ADESCOIM

La cantidad teórica de producción de biogás

2.744 m3 de biogás/día.

2.5 m3 de biogás/día (0.95m

3 para encender dos lámparas y para

sustituir 18.5lbs de leña aprox.)

Carga de estiércol 89.78 kg de estiércol/día (0.072 m

3/día)

81.8 kg de estiércol/día

Alimentación diaria 0.288 m3 0.263 m3

Volumen total 7.68 m3 7.014 m3

Volumen líquido 5.76 m3 5.26 m3

Largo (L) 6.79 m 6.202 m

Diámetro (D) 1.2 m 1.2 m

Relación L/D 5.65 5.168

Diseño del biodigestor anaerobio.

En función de los resultados del diseño mostrados anteriormente se buscó una opción comercial de biodigestores en la empresa Aqualimpia El Salvador, dicha empresa ofreció 2 opciones de producto,

el de 5 y 10 m3, siendo la oferta más adecuada la del biodigestor con una capacidad de 5m3. Los planos base para la construcción del biodigestor se presentan en la Figura 3.22, cambiando únicamente la membrana de tubular a domo.

a)


b)

Figura 3.22 Plano del biodigestor. a) Vista Frontal. b) Vista superior.

Las imágenes presentadas a continuación corresponden a los períodos de construcción, llenado y medición del biodigestor anaerobio.

Figura 3.23 Biodigestor de Centro Escolar “Caserío

Puertas Chachas” antes de colocar la geomembrana AQFlex

Figura 3.24 Biodigestor del Centro Escolar “Caserío Puertas Chachas” terminado.

Figura 3.25 Caja de salida del sustrato del biodigestor

instalado en el C. E. “Caserío Puertas Chachas”.

Figura 3.26 La imagen presentada a continuación

corresponden al periodo de construcción y llenado del biodigestor anaerobio.


Figura 3.27 Biodigestor instalado en la residencia

del Sr. Oscar Osegueda

Figura 3.28 Utilización del analizador de gases

AMPRO 2000 para garantizar la ausencia de fugas en el biodigestor.

3.3.4 Diseño de un filtro para la adsorción de H2S.

La eliminación del H2S de la corriente de biogás es importante por tres razones:

Este compuesto es corrosivo en presencia de agua y constituye un peligro para el buen estado de equipos generadores, microturbinas y otros.

El H2S es tóxico y nocivo para la salud; basta una mínima concentración en el ambiente para causar un malestar agudo que lleva a la sofocación y a la muerte por sobreexposición.

Si el H2S no se remueve, la combustión del biogás generará dióxido de azufre (SO2), que además de ser dañino para el medio ambiente, es tóxico para el ser humano y se incumple con los requisitos legales de emisiones

La eliminación del H2S se puede realizar por la aplicación de tecnologías húmedas o secas. Estas últimas usan sustratos, como

en el caso del óxido de hierro, por donde el biogás fluye libremente y reacciona químicamente formando sulfuro de hierro, un compuesto sólido que se separa de la corriente del biogás.

Existen más de 60 formas de óxido de hierro y 7 de esas formas reaccionan con el H2S, sin embargo, son solo dos tipos de óxidos los que reaccionan de forma inmediata y con rapidez, las cuales son:

Fe2O3.H2O y Fe2O3.H2O. Este último será usado como sustrato en el filtro de H2S, debido a su fácil identificación, su abundancia como desecho, su bajo costo y su accesibilidad.

Obtención e identificación de Fe2O3.H2O.

La metodología presentada en este apartado tiene como objetivo la obtención del óxido de hierro deseado a partir de virutas de hierro comunes. Se emplea un método químico en el laboratorio y otro con exposición libre al ambiente, posterior


al tratamiento de las virutas se llevó a cabo una identificación del óxido obtenido.

a) Método de laboratorio para la obtención de Fe2O3.H2O..

Una muestra de virutas de hierro se lava cuidadosamente con jabón para eliminar la suciedad y restos de grasa, luego de retirar el jabón debe secarse completamente y pesarse.

Luego se agrega a la muestra una solución de ácido clorhídrico (5 %m/v), se observará la reacción inmediata del hierro, generando burbujeo, liberando gases y aumentando su temperatura. El color de la muestra cambiará significativamente,

pasando de un gris oscuro a un color plateado brillante. Ver Figura 3.29. Luego de 10 minutos en la solución, la muestra se debe lavar, secar y pesar.

Finalmente se agrega a las virutas de hierro tratadas con ácido una solución de hidróxido de sodio (NaOH, 5% m/v), se observa una reacción leve de burbujeo y un cambio de color en las virutas, desde un plateado brillante a una mezcla de color café claro y anaranjado pálido, ver Figura 3.30. Esto se debe a la oxidación del hierro causada por el tratamiento químico. Luego de 10 minutos con las virutas sumergidas, éstas deben lavarse para secarlas completamente y pesarlas.

Figura 3.29 Virutas de hierro después de ser

tratadas con HCl y lavadas con agua.

Figura 3.30 Virutas secas después del

tratamiento con HCl y NaOH.

La muestra tratada con el ácido y con la base, previamente secada, deberá calentarse por 1h dentro de una estufa, a temperatura constante de 300°C. Al acabar el calentamiento se observará que las muestras cambian desde un color café claro y anaranjado pálido a un color café oscuro intenso (café chocolate), ver Figura 3.31. La realización de este cambio de apariencia es evidencia de la formación de γFe2O3.H2O con el tratamiento básico. Por último se realiza el pesado de la muestra.

Figura 3.31 Muestra después de la

identificación del γFe2O3.H2O .


Resultados.

La variación de la masa de la muestra de virutas de hierro que se trató con el método químico se muestra en la Tabla 3.11.

Tabla 3.11 Cambio en el peso de las muestras al pasar por cada etapa.

Etapa del tratamiento Peso (g)

Muestra de virutas de hierro (inicial)

120.5634

Tratamiento de HCl 115.2997

Tratamiento con NaOH 115.6366

Tratamiento a 300°C por una hora

115.5502

La masa de óxido de hierro (γFe2O3.H2O) formada con el tratamiento químico es de 0.3369 g.

La identificación del óxido de hierro requerido para la construcción del filtro fue satisfactoria, al conseguir el cambio de coloración de las virutas de un color naranja a un tono café intenso, en la etapa del tratamiento térmico a 300°C.

Método de exposición al ambiente para la obtención de Fe2O3.H2O.

Se toman 8 muestras de virutas de 100 g sin tratar y se colocan en un lugar amplio sin protección para monitorear los cambios físicos a medida transcurra el tiempo de exposición al ambiente (seis semanas).

Figura 3.32 Muestras expuestas a condiciones

ambientales.

Las muestras de peso conocido, identificadas y numeradas fueron puestas en contacto directo y uniforme con el aire, el sol, la lluvia y demás factores atmosféricos. Semanalmente se analizó cada muestra, secando completamente y luego pesando cada una de ellas.

Resultados.

El monitoreo semanal de las muestras de virutas expuestas al ambiente, trajo como resultados varias problemáticas:

Una parte del óxido generado no permanecía en las virutas, ésta se perdía y quedaba en el fondo de los depósitos.

Debido a las fuertes lluvias y vientos registrados en el período experimental se perdieron dos muestras.

A pesar de los inconvenientes, las muestras de virutas restantes cambiaron su tonalidad a un color anaranjado y antes de registrar su peso se dejaron secar durante dos días en un lugar cerrado para evitar errores debido a la humedad, con esto se verificó la formación del óxido de hierro requerido.

Luego de las mediciones semanales de las masas de las muestras y el análisis de

El óxido de hierro formado representa el 0.2921 % de la masa de virutas

tratada con NaOH. En esta etapa la muestra ha perdido el 4.0864% de

masa respecto al valor inicial.


datos, se comprueba un aumento en el valor de la masa expuesta a la intemperie respecto al inicial, esto se observa en la Tabla 3.12.

Tabla 3.12 Variación de la masa de las muestras expuestas al ambiente

N° de muestra

Peso (g) inicial

Peso (g) final

ΔM (g)

1 147.8539 148.2918 0.4379

2 102.8579 103.4672 0.6093

3 107.1501 107.8476 0.6375

4* ------------ ----------- ---------

5 95.4156 96.0460 0.6304

6 103.1588 103.6571 0.4983

7 103.1782 103.4950 0.3168

8* ------------ ----------- ---------

*Las muestras 4 y 8 se perdieron en el periodo de experimentación.

Se puede observar en la Tabla 3.12 que los incrementos de masa debido a la formación del óxido γFe2O3.H2O dan valores razonables y similares entre las muestras que se tienen. Se verificó también que las muestras no estuvieran húmedas, para evitar obtener un incremento de masa erróneo causado por el contenido de agua.

La formación del óxido de hierro monitoreada semanalmente es representada como un promedio en los resultados que se muestran en la Figura 3.34.

Así mismo se verificó la influencia de las condiciones ambientales en la formación del óxido de hierro Fe2O3.H2O. En la Figura 3.35 se observa que en la segunda semana de exposición se reportó la mayor formación de óxido de hierro, lo cual coincidió con el período de mayor precipitación registrada durante el experimento.

a) b) c)

Figura 3.33 a) Secado de las muestras luego del periodo. b) Inicio del proceso térmico de las muestras a 300°C durante una hora. c) Muestra de 20 kg expuesta al ambiente luego de 2 semanas.


Figura 3.34 Acumulación total de óxido de hierro en

las virutas expuestas a la intemperie.

Figura 3.35 Relación de la precipitación acumulada

con el óxido de hierro formado en las virutas.

Diseño del filtro de adsorción de sulfuro de hidrogeno (H2S)

El filtro es una columna vertical de PVC apoyada en una base cuadrada de metal, en su interior está conformado por una serie de platos perforados de PVC espumado sobre los cuales se colocan las virutas de hierro oxidadas. El biogás es introducido por la parte inferior del filtro por medio de una tubería y el flujo es ascendente. Ver Figura 3.36.

Los datos necesarios para el diseño del filtro son:

La producción de biogás por día, se utilizará la producción teórica bajo la cual fue diseñado el biodigestor.

Tiempo de vida del filtro, se considera un tiempo de vida de 30 a 60 días.

Tiempo de consumo de biogás al día, esto para determinar con el volumen de producción el flujo volumétrico a tratar.

Figura 3.36 Esquema general del filtro de

adsorción de H2S.

El punto máximo de producción de óxido de hierro en las virutas expuestas a la intemperie coincide con el período en el que se registró la mayor precipitación

acumulada del periodo de medición.


Concentración del H2S a la entrada y a la salida del filtro, este valor se establece en base a la cantidad de H2S que se desea retirar de la corriente de biogás.

Densidad experimental de la cama de virutas de hierro oxidadas en el filtro.

Para el diseño del filtro se utilizan los parámetros de operación del biodigestor construido en el Centro Escolar “Caserío Puertas Chachas”, los cuales son presentados en la Tabla 3.13.

Tabla 3.13 Parámetros de diseño del filtro de

sulfuro de hidrógeno.

Datos de diseño para el filtro.

Concentración inicial de H2S 500 ppm

Concentración final de H2S 10 ppm

Volumen de biogás/día 3 m3

Duración del filtro de H2S 30 días

Tiempo de uso 5 h/día

Densidad exp. virutas 0.40 g/cm3

La metodología utilizada para el diseño y dimensionamiento del filtro es la siguiente:

Obtención del diámetro del filtro (D) a partir del cálculo de la velocidad del flujo de gas en el filtro vacío (Ve) y el flujo

volumétrico de biogás (F) producido mediante la siguiente expresión:

a) Determinación de la masa de H2S a remover del biogás, en base a los datos de concentración inicial y final del biogás y el volumen de producción teórico por día del biogás (V), según la expresión:

b) Dimensionamiento del filtro de adsorción en base a la cantidad de masa de hierro oxidada.

Una vez desarrollados los cálculos pertinentes, los resultados del diseño y dimensionamiento del filtro para la adsorción de H2S se muestran en la Tabla 3.14. Debido a la disponibilidad de materiales de construcción se modificó el diámetro y la altura de diseño, manteniendo constante el volumen. Los valores finales de diámetro y alturas son: 20.32 cm y 126.58 cm respectivamente. En la Figura 3.36, se muestra el esquema general del filtro de adsorción de H2S y las dimensiones reales del mismo.

Tabla 3.14 Resultados de diseño del filtro.

Resultados

Velocidad del flujo de gas en el filtro vacío 12.73 cm/min

Flujo volumétrico de biogás producido 10.00 L/min

Masa total de sulfuro de hidrógeno a remover 2.21 g/día

Masa de γFe2O3.H2O esteq. para adsorber el H2S por día 3.83 g

Masa de γFe2O3.H2O por día (conversión del 50 %) 7.66 g

Masa total de óxido de hierro γFe2O3.H2O (rendimiento 50%) 229.93 g

Masa de virutas de hierro oxidadas. (1g de viruta hay 0.014g de γFe2O3.H2O)

16.42 kg

Volumen que ocupará la masa de virutas de hierro 41050 cm3

Altura del filtro 57.27 cm

Diámetro del filtro 31.62 cm


El filtro posee una parte superior conectada con pernos a una tapadera donde se encuentra la salida del biogás; un tubo PVC que contiene las virutas de hierro y los platos perforados; posee también una parte inferior que unen la mesa metálica con el tubo . La instalación y construcción del filtro es llevada a cabo a partir de los planos del mismo, como se muestra en la Figura 3.37.

Figura 3.37 Filtro de H2S con las dimensiones reales y las camparas de compresión.

Ajuste superior y tapa metálica

Ajuste inferior y apoyo metálico

Figura 3.38 Planos del acople superior e inferior del filtro de adsorción de H2S.

Diámetro= 20.32 cm

Altura= 126.58 cm Masa=16.42 kg

10 cm cámara expansión

10 cm cámara compresión


Instalación del filtro y resultados preliminares.

Se ha instaló un filtro de virutas de hierro oxidadas en las instalaciones de una cooperativa en Atiquizaya, la cual tiene un biodigestor construido por la ONG APOKAM. El análisis del biogás limpio muestra que la eficiencia en la remoción en un inicio fue de 98%, posteriormente el monitoreo permitió observar la reducción de la eficiencia de la remoción hasta un valor del 88% para un período de 41 días, siguiendo esta tendencia puede estimarse que para 6 meses de operación continúa, el filtro podría tener un porcentaje de remoción superior del 50%.

Los datos obtenidos en el monitoreo del filtro se muestran Tabla 3.15.

Tabla 3.15 Datos obtenidos del monitorea del filtro instalado

N° días

Entrada (ppm H2S)

Salida (ppm H2S)

% Eliminación

C/Co

1 374 4 98.67 0.011

7 143 5 96.50 0.035

14 500 34 93.20 0.068

20 434 37 91.47 0.085

41 500 60 88.00 0.120

El método para medir la concentración (en ppm) del H2S a la entrada y a la salida del filtro consiste en la utilización de un analizar portátil de gases modelo Ampro 2000 y tubos detectores de gases marca Kitagawa.

El equipo analizador Ampro 2000 se calibra inicialmente a una distancia prudente del punto de medición para crear un “blanco” libre de trazas del gas que se desea medir. Luego se introduce la sonda en el puerto a la entrada o salida del filtro, según sea la medición, y se espera aprox. 2 minutos para que el valor medido estabilice y la lectura que muestra el equipo sea confiable.

La medición con los tubos detectores de gases, requiere de una jeringa especial donde el tubo medidor es introducido. Una vez colocado el tubo, se aspira con la jeringa un volumen determinado del gas de muestra, luego se espera unos minutos para observar el cambio de color del relleno del tubo y medir la concentración de H2S de la corriente.

En la Figura 3.39 se puede apreciar la tendencia de la remoción del H2S de la corriente de biogás.

Figura 3.39 Tendencia del % de remoción del H2S.

Figura 3.40 Fracción de H2S a la salida del filtro.


En la Figura 3.40 se observa que la concentración con la cual el H2S logra atravesar el filtro (C) es una fracción menor a 0.15 de la concentración con que entra al filtro (C0), lo cual muestra una operación satisfactoria en cuanto a la remoción de este componente del biogás.

3.3.5 Cálculo del poder calorífico de una muestra de biogás limpio.

El poder calorífico de una muestra de biogás se determinó en base a la composición a la salida del filtro. Las concentraciones del biogás fueron medidas con el analizador portátil de gases modelo Ampro 2000, y se muestran en la Tabla 3.16.

Tabla 3.16 Composición de una muestra de biogás.

Componente Concentración

Metano 48.2 (%v)

Dióxido de carbono 40.07 (%v)

Monóxido de carbono 75 ppm

Sulfuro de hidrógeno 4 ppm

Oxígeno 0 (%v)

Para el cálculo del poder calorífico superior (PCS) únicamente se tomaron en cuenta los valores de metano, monóxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, por ser los únicos gases que se queman y aportan valor al poder calorífico superior del biogás.

Los resultados muestran que el PCS de la muestra de biogás es de 16.80 MJ/m3, lo cual representa un valor ligeramente menor a los valores reportados en la literatura: 18.80 – 23.40 MJ/ m3. Este comportamiento se debe a la baja concentración de metano en el biogás. Sin embargo la concentración de metano es suficiente para lograr la combustión del biogás.

Tabla 3.17 Valores para el cálculo del PCS del biogás limpio.

Componente PCS (MJ/kg) Concentración

medida %m/v

PCS Total (MJ/m3)

Metano 50.2 48.2%v 0.0318

16.80 Monóxido de carbono 8.4 75 ppm 0.0075

Sulfuro de hidrógeno 47.25 4 ppm 0.0004

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