avance análisis de proyecto i producción de biogás

Integrantes:Eloy Castro V.

Felipe Sepúlveda B.

Profesora:Jubitza Reyes K.

Fecha entrega avance: Lunes 01 de Julio de 2013.

UNIVERSIDAD CATOLICA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

“ANALISIS DE PROYECTO I - IQB71-1”

AVANCE DE PROYECTO

Tema:

“PRODUCCIÓN DE BIOGÁS”

CONTENIDOS

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................3

OBJETIVOS..........................................................................................................................................4

DEFINICIÓN DEL PROCESO.................................................................................................................5

Hidrolisis.........................................................................................................................................6

Etapa fermentativa o acidogénica..................................................................................................7

Etapa acetogénica..........................................................................................................................7

Etapa metanogénica.......................................................................................................................8

DEFINICIÓN DEL PRODUCTO............................................................................................................11

ESTUDIO DE MERCADO....................................................................................................................13

Gas Natural...................................................................................................................................13

Gas licuado de petróleo...............................................................................................................14

Biogás...........................................................................................................................................14

Energía Eléctrica...........................................................................................................................14

Bibliografía.......................................................................................................................................16

ANALISIS DE PROYECTO I - IQB71-1 Página 2

INTRODUCCIÓNLas energías renovables no convencionales, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generan impactos ambientales significativamente inferiores a las fuentes convencionales de energía, y contribuyen a los objetivos de seguridad de suministro y sustentabilidad ambiental.

El biogás es una mezcla gaseosa que se produce como resultado de la descomposición anaeróbica de los residuos orgánicos, debido a la actividad de diferentes grupos microbianos, generando reacciones similares a las producidas en los estómagos de animales y humanos.

Se extrae biogás desde rellenos sanitarios, desde plantas de tratamiento de aguas sanitarias y diversos digestores, que pueden ser instalados tanto a pequeña como gran escala.

Tabla 1: Tipos de energía considerados como renovables no convencionales.

Categoría Tipo de tecnologíaBiomasa – Biogás Producción de electricidad y calor a partir de gas

derivado de la biomasa biometanizada, por ejemplo de rellenos sanitarios o plantas anaerobias de tratamiento de residuos.

Biomasa -Combustión directa

Producción de electricidad y calor a partir de la incineración de residuos de biomasa, como madera, residuos agrícolas, RSU y otros.

Geotérmica Producción de electricidad y/o calor a partir de energía geotérmica

Hidráulica menor Centrales hidroeléctricas pequeñasSolar fotovoltaica Generación de energía eléctrica (celdas solares

fotovoltaicas)Solar térmica Electricidad o calor mediante energía solar

térmicaEnergía de los océanos Producción de electricidad a partir de la energía

de las olas, mareas o corrientes marinasEólica Electricidad generada por turbinas eólicas

(aerogeneradores)


OBJETIVOS Producir biogás a partir de materia orgánica proveniente de una población aproximada de

500 personas. Reducir materia orgánica contaminante.

Realizar un análisis técnico y económico de la instalación de una planta generadora de biogás.


DEFINICIÓN DEL PROCESOPara llevar a cabo la definición del proceso sobre la producción de biogás, debemos tener en claro

que éste se basa en un proceso biológico que transcurre en ausencia de oxígeno (tratamiento

anaerobio), a través de una serie de reacciones bioquímicas, de la materia orgánica contaminante, en

un gas cuyos componentes principales se indican en la tabla y en una suspensión acuosa de

materiales sólidos (lodos).

La composición del biogás es muy variada. En general se considera la siguiente composición:

Tabla 2: Composición promedio del biogás.

Tabla 3: Características generales del biogás.


Por ende, el proceso a considerar, sería el siguiente (viéndolo cómo caja negra):

Figura 1: Diagrama general de la elaboración de biogás.

La digestión anaeróbica es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea.

Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases o etapas:

Hidrólisis Etapa fermentativa o acidogénica Etapa acetogénica Etapa metanogénica

HidrolisisLa materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan atravesar la pared celular. La hidrólisis es el primer paso necesario para la degradación anaeróbica de sustratos orgánicos complejos. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaeróbica. La hidrólisis de estas moléculas complejas es llevada a cabo por la acción de enzimas extracelulares producidas por microorganismos hidrolíticos.

La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre todo cuando se tratan residuos con alto contenido de sólidos. Además, la hidrólisis depende de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición bioquímica del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del nivel de pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los productos de la hidrólisis.


CH4, CO2

H2S, H2

LODOS (m.o + compuestos difíciles de degradar, como N, K, Ca, Mg, etc.)

Materia orgánica

Etapa fermentativa o acidogénicaDurante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles en compuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas (acético, fórmico, H2) y compuestos orgánicos más reducidos (propiónico, butírico, valérico, láctico y etanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas en la siguiente etapa del proceso. La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no sólo radica en el hecho que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan posteriormente, sino que, además eliminan cualquier traza del oxígeno disuelto del sistema.

Este grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaeróbicas obligadas, colectivamente denominadas bacterias formadoras de ácidos.

Tabla 4: Bacterias involucradas en etapa fermentativa.

Tipo de bacterias FunciónHomoacetogénicas Formación de acetato como único metabolito, a

partir de la fermentación de azúcares, formato o la mezcla gaseosa H2-CO2.

Acetogénicas Formación de acetato, CO2 e hidrógeno, a partir de alcoholes, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos.

Etapa acetogénicaMientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente por los organismos metanogénicos (H2 y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos, como acetato (CH3COO-) e hidrógeno (H2), a través de las bacterias acetogénicas. Representantes de los microorganismos acetogénicos son Syntrophomonas wolfei y Syntrophobacter wolini.

Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados homoacetogénicos. Este tipo de bacterias son capaces de crecer heterotróficamente en presencia de azúcares o compuestos monocarbonados (como mezcla H2/CO2) produciendo como único producto acetato. Al contrario que las bacterias acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como resultado de su metabolismo, sino que lo consumen como sustrato. Según se ha estudiado, el resultado neto del metabolismo homoacetogénico permite mantener bajas presiones parciales del hidrógeno y, por tanto, permite la actividad de las bacterias acidogénicas y acetogénicas.

Los principales microorganismos homoacetogénicos que han sido aislados son Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum.

A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaeróbicas han extraído todo el alimento de la biomasa y, como resultado de su metabolismo, eliminan sus propios productos de desecho de sus células. Estos productos, ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar como sustrato las bacterias metanogénicas en la etapa siguiente.


Etapa metanogénicaEn esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los productos resultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación de metano y de la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores, siendo, además, los que dan nombre al proceso general de biometanización.

Los microorganismos metanogénicos completan el proceso de digestión anaeróbica mediante la formación de metano a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente: acetato, H2/CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.

Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea y tienen características comunes que los diferencian del resto de procariotas.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del sustrato principal que metabolizan: hidrogenotróficos, que consumen H2/CO2 y fórmico y acetoclásticos, que consumen acetato, metanol y algunas aminas.

Se ha demostrado que un 70% del metano producido en los reactores anaeróbicos se forma a partir de la descarboxilación de ácido acético, a pesar de que, mientras todos los organismos metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor de electrones, sólo dos géneros pueden utilizar acetato. Los dos géneros que tienen especies acetotróficas son Methanosarcina y Methanothrix. El metano restante proviene de los sustratos ácido carbónico, ácido fórmico y metanol. El más importante es el carbónico, el cual es reducido por el hidrógeno, también producido en la etapa anterior.

Las bacterias, que intervienen en este proceso son:

Bacterias metanogénicas hidrogenofílicas: Utilizan el hidrógeno producido para reducir el CO2 en CH4.

CO2+4H 2→CH 4+2H 2O

Bacterias metanogénicas acetoclásticas: Estás transforman el acetato en CH4 y contribuye con el 70% de la producción de metano en los digestores.

En conclusión, la producción de metano, que es nuestra principal materia prima a generar, depende principalmente de los siguientes factores:

Temperatura (dependiendo de las bacterias a utilizar). Tiempo de retención. Tiempo de materia prima. Contenido de humedad. pH (7.0 ~ 7.2).


Destacando lo anteriormente, procedemos a destacar el diseño del proceso anaeróbico de contacto

(PAC), el cual se compone de un reactor anaeróbico de tipo convencional con agitación, donde se

pone en contacto el efluente que alimenta el reactor con la biomasa anaeróbica que existe dentro del

mismo. Esto permite que los compuestos orgánicos solubles y coloidales se degraden en primer

término, con un TRH (tiempo de retención hidráulico) de 12 a 24 horas. Los microorganismos son

capaces de adherirse a las partículas formando sólidos sedimentables en el proceso. La eficiencia de

este sistema está estrechamente ligada con la buena sedimentación que se logre en el decantador,

para lo cual puede colocarse un desgasificador antes de la entrada del líquido en tratamiento al

decantador. El desgasificador permite remover las burbujas de biogás (CO2 y CH4) adheridas a las

partículas del lodo, permitiendo su mejor sedimentación. En caso contrario, el lodo tiende a flotar

en la superficie. La fracción de sólidos sedimentables que llega con el efluente de alimentación

junto con la biomasa activa se retira en un decantador, ubicado después del reactor anaeróbico

(decantador secundario). El lodo obtenido se concentra y recircula nuevamente hacia el reactor.

Esto posibilita que el TRS (tiempo de retención de sólidos) en el sistema sea del orden de 25 a 40

días, produciendo la hidrólisis de los sólidos y su posterior mecanización.

El líquido claro que sale por la parte superior del decantador se puede derivar hacia una etapa final

de tratamiento aeróbico a fin de realizar una depuración adicional, reincorporar oxígeno disuelto en

el líquido tratado, previo a su vertido a un curso receptor (Ver Figura 2).

Figura 2: Proceso de elaboración de biogás.

El PAC es particularmente útil para corrientes con alta carga de sólidos suspendidos. La


Concentración de biomasa típica de un reactor es de 4 – 6 g/L, con concentraciones máximas

alcanzando 25 – 30 g/L, dependiendo de la habilidad para decantar del lodo. La tasa de carga varía

entre 0.5 a 10 kg DQO/m3.día.


DEFINICIÓN DEL PRODUCTOCómo ya sabemos que debemos obtener CH4, podemos calcular la composición del gas producido,

denominado NOM (número de oxidación medio), qué es la carga que tomaría si se provocase la

ionización completa de la molécula:

C xH yO zN T

NOM=(2Z+3T−Y )

x

El uso de este concepto permite determinar %CH4 y CO2, luego de la metabolización completa de

un compuesto cualquiera. Por ejemplo:

CXHYOZNT + (4X – Y + 2Z + 3T)e- + (4X – Y + 2Z + 3T)H+ ® XCH4 + ZH2O +TNH3

Luego, la oxidación a CO2:

CXHYOZNT + (2X - Z)H2O ® TNH3 + (4X + Y - 2Z - 3T)e- + ® (4X - 2Z + Y - 3T)H+

Y al ajustar, estas ecuaciones:

CH 4=X (4 X – 2Z+Y – 3T )=4−NOMCO2=X (4 X+2Z−Y +3T )=4+NOM

Por ende, la composición y definición de nuestro producto deseado es:

%CH 4=( 12− NOM

8 )∗100

NOM=4−32∗(DQOCT )

Ahora, ¿qué es la DQO? Es la demanda química del oxígeno, la cual se define como la cantidad de oxígeno necesaria para la oxidación de toda la materia orgánica y compuestos oxidables contenidos en un volumen de muestra.

Por ende, la cantidad de CH4 producido puede relacionarse con la cantidad de sustrato estabilizado,

debido a que la demanda teórica de oxígeno eliminada del residuo es igual a la demanda de los

productos.

DQOA=DQOE+DQOM+DQOP±DQOAC

Donde:

A = Alimentación

E = Efluente

M = Microorganismos

P = Productos

AC = Acumulación

Pero, en la práctica, el CH4 representa entre el 85-95% de la DQO eliminada y entre un 5-10% de la

biomasa: CH4 ® 346-360 L/kg DQO eliminada.


ESTUDIO DE MERCADOLos gases combustibles se utilizan para la producción de energía térmica a través de su combustión. Existen distintos tipos de gas combustible, entre los cuales destacan: gas natural, gas licuado de petróleo (GLP), biogás, gas ciudad, gas de leña y gas de síntesis.

Gas NaturalEl gas natural está compuesto principalmente por gas metano – su composición oscila entre un 80-99% -. En Chile, las características que debe cumplir el gas natural están definidas por el Instituto Nacional de Normalización, NCh2264.Of2009. Es importante destacar algunas de las ventajas del uso de gas natural, por ejemplo: en comparación con el carbón, si bien es un combustible menos económico, una central de ciclo combinado a gas natural emite 130% menos que una de carbón.

El gas natural se comercializa y distribuye de tres formas: gas natural licuado, gas natural comprimido y gas natural vehicular. En Chile, el mercado de gas natural vehicular es bastante pequeño en comparación con los otros dos.

Figura 3: Consumo Nacional de Gas Natural según clientes entre el año 2006 y 2011. Fuente: CNE.

Con respecto a las tarifas –para clientes- del gas natural, Chile ha experimentado fuertes alzas los últimos años. Lo anterior ha sucedido principalmente por una falta de abastecimiento por la crisis con Argentina. Como se puede observar en el gráfico del precio del gas natural para la RM, éste ha crecido en más de un 100% en los últimos diez años. Esto además, siguiendo la tendencia de los distintos combustibles fósiles, que en los últimos diez años han doblado o triplicado su precio – El barril de petróleo aumentó su precio en un 250% entre mayo del 2002 y mayo del 2012-.


Gas licuado de petróleoEl GLP es un gas combustible en estado líquido. El proceso utilizado para obtenerlo es la destilación fraccionada del petróleo, pero también se puede obtener separándolo del gas natural. Su composición es principalmente de butano y propano, la cual varía según región. Chile - a través de la ENAP - produce GLP abasteciendo parcialmente el mercado nacional, el resto del mercado es provisto por importaciones provenientes principalmente desde Argentina y Puerto Rico – según la CNE -. Las empresas importadoras de GLP son: ENAP, Gasmar S.A. Norgas S.A., Empresa Lipigas S.A., Gasco S.A. y Abastible S.A. Además, las últimas tres empresas son envasadoras y/o distribuidoras de GLP. Según GLP CHILE, la producción de GLP asciende a las 500.000 toneladas anuales. Con respecto a las importaciones, se puede observar en el gráfico volumen y precio de importaciones de GLP en Chile, para el año 2011 estas superaran las 780.000 toneladas anuales a un precio – CIF – promedio de 17,8.

Figura 4: Gráfico volumen y precio de importaciones de GLP en Chile. Fuente: CNE.

BiogásLa última cifra pública con respecto al consumo de biogás en Chile, afirma que para energía primaria y secundaria se utilizan aproximadamente 190 millones de m³ de biogás, de los cuales gran parte es incinerado en antorchas. Si comparamos este número con la demanda de gas natural en Chile del 2011(4.500 millones de m³ de gas), queda claro que la oferta de éste en Chile es mínima.

Existen distintos tipos de proyectos de biogás en Chile: Aguas Servidas, Agroindustria y Vertederos. La mayor del biogás de estos proyectos es producido como subproducto y se queman en antorchas. Otros proyectos tienen una mayor valorización del producto e incluso llegan a inyectar energía eléctrica al sistema interconectado. Alternativamente, algunos proyectos venden energía térmica a industrias cercanas.

Energía Eléctrica El mercado eléctrico en Chile se separa en tres actividades funcionales: generación, transmisión y distribución. El estado hace su parte en fiscalización, regulación y planificación del sistema, pero son empresas privadas las que se encargan de hacer funcionar este sistema como tal. Las altas


barreras de entrada y costos de inversión han resultado en una industria sumamente concentrada, donde por ejemplo en el SIC aproximadamente 90% de la potencia instalada está cubierto por Endesa, Colbún y AES Gener.

Figura 5: Distribución porcentual Unidades Generadoras SIC 2011. Fuente: CNE.


Bibliografía R. Chamy y E. Vivanco, «IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS DISTINTOS

TIPOS DE BIOMASA DISPONIBLES EN CHILE PARA LA GENERACIÓN DE BIOGÁS,» Proyecto Energías Renovables No Convencionales en Chile (CNE/GTZ), Santiago, Chile, 2007.

M. T. Varnero, « MANUAL DEL BIOGÁS,» MINISTERIO DE ENERGÍA, PNUD, FAO, GFD, Santiago, Chile, 2011.

B. Grass, «EVALUACIÓN Y DISEÑO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLANTA DE BIOGÁS A PARTIR DE RESIDUO ORGÁNICOS AGROINDUSTRIALES EN LA REGIÓN METROPOLITANA, » Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Ingeniería Industrial, Santiago, Chile, 2013.


avance análisis de proyecto i producción de biogás

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