Balances de masa y análisis energético de un proceso de digestión anaerobia desarrollado en un reactor UASB para la generación de biogás a partir de porcinaza

Abstract

RESUMEN : La digestión anaerobia (DA) es un proceso biológico que se desarrolla por consorcios de microorganismos (hidrolíticos, acidogénicos, acetogénicos y metanogénicos), dando como producto principal biogás, una mezcla gaseosa conformada mayoritariamente por metano y dióxido de carbono. A pesar de que la tecnología fue desarrollada hace más de treinta años, es difícil encontrar modelos que estimen la producción de biogás al utilizar un sustrato con características específicas. Por tal motivo, se realizó una caracterización de las corrientes de entrada y salida del proceso de DA, que se desarrolló en un reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) alimentado con porcinaza, con una carga orgánica de 1.27% de sólidos volátiles en la alimentación, tiempo de retención hidráulica de 20 días, volumen de reacción de 24 L y flujo de alimentación de 1.2 L/día. Se cuantificó lípidos, almidón, proteína, humedad, entre otras sustancias de interés. Con base en lo anterior, se propuso un sistema de 9 reacciones químicas a partir de las cuales se desarrolló un modelo de balances de masa que permitiera estimar la producción de biogás, adicionalmente se desarrolló un análisis energético para definir la viabilidad del proceso. Los resultados muestran que el biogás producido en laboratorio tiene una composición volumétrica de metano y dióxido de carbono de 64.96% y 30.04%, respectivamente, encontrándose dentro de los rangos definidos teóricamente. Así mismo, el modelo propuesto a partir de las variables de estudio predice en un 72.72% la producción de biogás especifica (Lbiogás/g SV) respecto a los resultados experimentales. En cuanto al análisis energético se encontró que el proceso es viable para la generación de energía a partir de biogás al obtener un rendimiento energético neto de 65934 kJ. Desarrollar modelos a partir de balances de masa permiten predecir el consumo de reactivos y la generación de productos de manera práctica. Adicionalmente el desarrollo de análisis energético da una visión del potencial que tiene un sustrato en específico al ser sometido a DA, lo que hace de esta herramienta una base para el análisis económico de los procesos.

ABSTRACT : Anaerobic digestion (AD) is a biological process that is developed by consortiums of microorganisms (hydrolytic, acidogenic, acetogenic and methanogenic), generating biogas as the main product, a gaseous mixture consisting mainly of methane and carbon dioxide. Although the technology was developed more than thirty years ago, it is difficult to find models that estimate biogas production when using a substrate with specific characteristics. For this reason, a characterization of the inlet and outlet streams of the AD process was carried out, which was developed in a UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor fed with swine manure, with an organic load of 1.27% volatile solids in the feed, hydraulic retention time of 20 days, reaction volume of 24 L and feed flow of 1.2 L / day. Lipids, starch, protein, moisture, among other substances of interest were quantified. Based on the above, a system of 9 chemical reactions was proposed from which a mass balance model was developed that would allow estimating biogas production, additionally an energy analysis was developed to define the viability of the process. The results show that the biogas produced in the laboratory has a volumetric composition of methane and carbon dioxide of 64.96% and 30.04%, respectively, being within the theoretically defined ranges. Likewise, the proposed model based on the study variables predicts the specific biogas production (Lbiogas/g SV) by 72.72% with respect to the experimental results. Regarding the energy analysis, it was found that the process is viable for the generation of energy from biogas by obtaining a net energy yield of 65.9 MJ. Developing models from mass balances allow predicting the consumption of reagents and the generation of products in a practical way. Additionally, the development of energy analysis gives a vision of the potential that a specific substrate has when subjected to AD, which makes this tool a basis for the economic analysis of processes.