Influencia de la temperatura interna en digestores tipo batch cargados con pollinaza
L Henríquez, J Mantilla y M Niño
Grupo de Investigación en Conversión y Transferencia de Energía, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica,
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá, Ciudad Universitaria,
Carrera 30 #45-03 Edificio 453 oficina 401, Bogotá, Colombia
jmmantillag@unal.edu.co
Resumen
El presente documento es el resultado de una investigación realizada durante el año 2005, cuyo objetivo era observar la influencia de la temperatura interna en digestores tipo Batch (Cada nueva carga con mezcla fresca se hace desalojando la totalidad de la mezcla digerida. Funcionamiento intermitente ) cargados con pollinaza (Residuo orgánico de los pollos para engorde mezclado con cascarilla de arroz ). Se desarrolló un experimento utilizando nueve digestores de forma cúbica, con una concentración de sólidos totales que iba desde 10% hasta 20%, y con temperaturas internas desde 30ºC hasta 50ºC.
Los resultados mostraron que se presenta mayor producción de biogás, y niveles de pH cercanos al punto neutro, en los digestores con temperatura interna de 40ºC, que a mayor porcentaje de sólidos totales la cantidad de biogás producido se mantiene constante, cuando la temperatura conserva esta misma tendencia, y además, se pudo determinar también la gran influencia que tiene el pH en la producción de biogás para este tipo de influente y de digestor.
Palabras clave: Biogás, contenido de sólidos totales, digestores tipo Batch, pollinaza, producción de biogás, temperatura interna
Influence of internal temperature in batch digesters loaded with poultry manure
Abstract
The present document is the result of an investigation made during the year 2005, the objective of which was to observe the influence of the internal temperature in batch digesters loaded with poultry manure. Nine cubical digesters were used, with a total solids content that went from 10% to 20%, and with internal temperature range from 30ºC to 50ºC.
The results showed that greater production of biogas and pH levels, near the neutral point, were observed with digesters with 40ºC of internal temperature, that with greater percentage of total solids content the biogas yield remains constant when the internal temperature remains at 40ºC. It was also found that the pH value had a major effect on the biogas yield for this type of influent and digester.
Keywords: Batch digesters, biogas, biogas yield, internal temperature, poultry manure, total solids content
Introducción
La producción de gas metano y abono de excelente calidad por medio de la descomposición anaeróbica de residuos agrícolas, animales y humanos, ha sido un tema que ha suscitado un gran interés en Colombia desde la década de los años ochenta (IIT 1983). La industria avícola Colombiana de engorde de pollo tiene un gran potencial energético, desaprovechado por el desconocimiento de un manejo apropiado de residuos sólidos orgánicos. Para una planta típica con 10000 pollos, se tiene una producción estimada de 1020m3 de biogás por día (Galindo y Rincón 2003, Pava y Valderrama 2003), que con condiciones no controladas de temperatura interna en los digestores, equivalen aproximadamente a 2244 kWh de energía por día (Galindo y Rincón 2003, Pava y Valderrama 2003). Un control más riguroso de las condiciones de operación, específicamente la temperatura, podría suministrar mayores valores de capacidad energética disponible, dado que la producción de biogás puede aumentar con respecto a condiciones de operación no controladas (Galindo y Rincón 2003, Duque et al 2006). Por esta razón, la introducción de nuevas tecnologías que mejoren la productividad en este sector, es lo que ha impulsado al Grupo de Investigación en Conversión y Transferencia de Energía de la Universidad Nacional de Colombia a investigar, desde el año 2001, sobre el manejo de los residuos orgánicos resultantes de esta actividad, con el fin de utilizarlos como una posible fuente de energía que contribuya a suplir necesidades propias del proceso.
Este trabajo continuó con las investigaciones iniciadas por Galindo y Rincón (2003) y Pava y Valderrama (2003), buscando explicar cómo el cambio de variables, tales como la temperatura interna del digestor y la concentración de sólidos totales en la mezcla, afectan la producción y composición del biogás obtenido a partir de pollinaza en digestores tipo batch. El experimento consistió en cargar nueve digestores cúbicos con tres diferentes porcentajes de sólidos totales en la mezcla, para tres diferentes temperaturas internas del digestor, utilizando siempre pollinaza con cama (Material orgánico ubicado en el piso de los galpones antes de introducir los pollos de engorde) de cascarilla de arroz. Además, se realizaron mediciones diarias de pH, presión interna del digestor, cantidad y composición del biogás.
Los resultados se muestran en sendas figuras para cada caso considerado, el análisis de los mismos se hace en las conclusiones, donde se demuestra que este proceso de digestión es viable sobre un amplio rango de operación, cuando se controla la temperatura interna en los digestores.
Materiales y métodos
Programa Experimental
Mediante el desarrollo de un experimento por factores mixtos (efectos fijos y efectos aleatorios), el cual permite ver la influencia de todos los factores seleccionados sobre la variable de interés con un número limitado de pruebas, se observó el comportamiento de la producción de biogás (Litros por día), manteniendo un monitoreo permanente de dos parámetros de operación: presión y pH, lo cual permitió evaluar el desempeño de los digestores y por tanto de las condiciones del experimento.
De esta forma las variables involucradas en el experimento resultaron ser cinco (5) y se clasificaron así:
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Variable de Interés: Producción de Biogás (Litros/día)
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Variables Independientes (variables de influencia sobre la variable de interés): Temperatura interna del digestor y porcentaje de sólidos.
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Parámetros de operación: pH, composición del biogás.
Los niveles escogidos para las variables independientes se muestran en la tabla 1.
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Tabla 1. Niveles de trabajo para las variables ndependientes |
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Variables independientes |
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Porcentaje de sólidos en la mezcla |
Temperatura interna del digestor |
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Nivel 1 |
10% |
30ºC |
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Nivel 2 |
15% |
40ºC |
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Nivel 3 |
20% |
50ºC |
Teniendo en cuenta lo anterior, las combinaciones seleccionadas para el experimento se describen en la Tabla 2.
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Tabla 2. Condiciones de carga en cada digestor |
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Temperatura |
% Sólidos |
Digestor |
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30ºC |
10% |
1 |
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15% |
2 |
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20% |
3 |
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40ºC |
10% |
4 |
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15% |
5 |
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20% |
6 |
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50ºC |
10% |
7 |
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15% |
8 |
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20% |
9 |
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Montaje del experimento
En la Figura 1 se muestra un esquema general del montaje del experimento para un digestor. A continuación se explican sus partes, componentes y la metodología seguida para realizar algunas mediciones importantes:
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Figura 1. Montaje general del proyecto |
Influente
El influente utilizado fue pollinaza, la cual en promedio presentó una composición de 3.5% de nitrógeno en base seca y una relación Carbono-Nitrógeno que osciló entre 10:1 y 12:1.
Digestores
Fueron fabricados en vidrio, de forma cúbica con arista de 17cm, para un volumen aproximado de mezcla de cinco (5) litros. Como se muestra en la Foto 1, las láminas de vidrio se acoplaron con silicona y la tapa superior se elaboró en madera, la cual fue barnizada con varias capas de pintura de aceite con el fin de cubrir todos los poros presentes y además para protegerla contra el deterioro causado por el contacto con la mezcla. La tapa fue perforada para ubicar los puntos de: salida del biogás, carga de mezcla fresca, medición de presión, entrada para el sensor del termostato y medición de pH. El tiempo de retención fue de 40 días para todos los digestores.
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Foto 1. Digestores utilizados en la prueba |
El mayor inconveniente durante el montaje fue asegurar que el biogás no escapara por el espacio entre el digestor y la tapa superior, para solucionar esto se ubicó alrededor de la tapa un caucho y se selló con Sika Flex® (Sika Flex, sellante de rápido secado empleado en montaje de vidrios). El biogás producido fue almacenado en bolsas selladas de cinco (5) litros de volumen, comúnmente conocidas como cistoflow (Cistoflow, bolsa usada en la recolección de orina en pacientes renales).
Control de temperatura interna de los digestores
Se utilizó un mecanismo de calentamiento indirecto, es decir, calentando agua por medio de una resistencia eléctrica y sumergiendo los digestores en ella. El control de la temperatura se hizo utilizando un termostato sumergido en cada digestor, que abría o cerraba el interruptor que permitía el flujo de corriente eléctrica hacia la resistencia ubicada en la tina. Se adquirieron tres tinas, mostradas en la Foto 2, las cuales se llenaron con agua para posteriormente montar cada grupo de digestores.
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Foto 2. Control de temperatura por baño de maria |
Este sistema evita problemas de corrosión de las resistencias que podrían presentarse si estas estuvieran directamente inmersas en la mezcla.
Medición de sólidos volátiles y humedad del influente
Estos parámetros son importantes para determinar: la cantidad de materia que formará biogás en el caso de los sólidos volátiles, y la cantidad de agua que se debe agregar de acuerdo con el porcentaje de sólidos totales escogido, para el caso de la humedad. La medición de estos dos parámetros se realizó, para el primer caso, sometiendo un volumen conocido a una quema directa hasta tener cenizas, como se muestra en la Foto 3, posteriormente se midió la masa para el volumen final, la diferencia de masas tuvo un valor promedio de 0.3 g SV/g ST (SV: Sólidos volátiles; ST: Sólidos totales) este valor se encuentra dentro de los niveles descritos en la literatura, los cuales oscilan entre 0.18-0.40 g SV / g ST (Galindo y Rincón 2003, Pava y Valderrama 2003). Para el segundo caso se secó la pollinaza hasta el punto en donde la masa no presenta una variación significativa, el resultado fue 0.2 g H2O / g Influente.
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Foto 3. Medición de sólidos volátiles y humedad del estiércol |
Medición de presión
Se utilizaron manómetros en U, como se muestra en la Foto 4, con aceite como fluido de medida, montados sobre papel milimetrado para facilitar su lectura.
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Foto 4. Medición de presión con mangueras en U |
Medición de cantidad de biogás
Para evaluar este parámetro se sumergieron buretroles (Buretrol: recipiente de plástico graduado hasta 150 cm3 utilizado para pasar líquidos o medicamentos) en agua dentro de un recipiente transparente, para facilitar la lectura de los volúmenes de biogás. Los buretroles son perforados en la parte inferior y la entrada del gas se hace por su parte superior.
Medición de composición del biogás
Esta medición se realizó manteniendo en contacto el biogás con una solución de NaOH (hidróxido de sodio) al 30% durante 24 horas. Este tiempo y la concentración de la mezcla fueron determinados haciendo pruebas con CO2 puro, utilizando distintos porcentajes de solución y midiendo los tiempos de reacción total del biogás con la mezcla.
La medición de composición se efectuó llenando un buretrol con un volumen conocido de biogás y dejándolo reaccionar con la solución durante el tiempo estipulado. El volumen de biogás obtenido luego de transcurrido el tiempo de reacción, es la cantidad de metano presente en el biogás. La diferencia entre el volumen de la muestra y el volumen de metano obtenido corresponde al volumen de CO2.
Además como se observa en la Foto 5, se realizó una inspección visual al color de la llama producida al quemar el metano, luego de cumplido el tiempo de contacto con la solución.
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| Foto 5. Registro óptico del metano obtenido según el color de la llama |
Medición de pH
La medición de pH se hizo diariamente, extrayendo por medio del capuchón de caucho de la tapa del digestor una cantidad pequeña de mezcla en proceso de digestión y utilizando papel para medición de pH (Papel indicador Universal marca Macherey-Nagel con escala 1-14).
Resultados
Digestores con temperatura interna de 30ºC
En la Figura 2 se observa que el tiempo de producción de los tres digestores con temperatura interna de 30ºC es muy corto.
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Durante el tiempo de mayor producción el pH disminuyó desde 9 hasta 6,5, en el día 12, como se muestra en la Figura 3, es decir los digestores produjeron biogás mientras se encontraron en una zona básica, esto es debido a que las bacterias metanogénicas viven en ambientes neutros o ligeramente alcalinos (pH entre 7 y 8,5).
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Debido al comportamiento mencionado de estos digestores, la medición de la composición del biogás tuvo una dispersión bastante alta y sin ninguna tendencia apreciable, sin embargo los valores de composición de metano variaron entre 10% y 40%.
Como se puede ver en la Foto 6, en estos digestores se formó una capa dura sobre la superficie después de unos pocos días de funcionamiento.
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Foto 6. Capa formada en la parte superior de los digestores |
La producción acumulada se muestra en la Figura 4, se puede observar que el digestor con 20% de sólidos totales presenta una producción mayor que los demás. El digestor con 15% de sólidos totales no produjo lo esperado debido a una falla en un sello.
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Figura 4. Producción acumulada de biogás para digestores con temperatura interna de 30ºC |
Digestores con temperatura interna de 40ºC
En la Figura 5 se observa un comportamiento similar en los tres digestores, iniciando con una producción de biogás alta y disminuyendo la misma hacía el octavo día, para posteriormente incrementar nuevamente la producción en el día 15.
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El anterior comportamiento tiene la misma tendencia que el pH mostrado en la Figura 6. A medida que la mezcla en el interior del digestor se vuelve más ácida, la producción de biogás disminuye proporcionalmente.
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En la Figura 7 se observa la composición del biogás, la cual se mantuvo estable hasta el día 30, con un valor máximo de composición de metano de 80% aproximadamente.
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El comportamiento de la producción de biogás acumulada se muestra en la Figura 8.
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Digestores con temperatura interna de 50ºC
El comportamiento de los digestores con temperatura interna de 50ºC es similar al descrito anteriormente. Como se observa en la Figura 9, durante los primeros días la producción mostró valores máximos, que posteriormente se estabilizaron después del día 20, día en el cual la mezcla presentó un valor de pH estable y cercano al punto neutro.
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Cuando los digestores se encuentran cerca de este punto, se presenta una composición de biogás satisfactoria, como se ve en la Figura 10.
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En la Figura 10 se observa una composición de metano en el biogás que indica una rápida conversión de la materia orgánica en biogás, además, para esta temperatura interna, el pH se mantuvo constante por más tiempo que en los otros casos (Figura 11)..
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La producción acumulada de los tres digestores, como se observa en la Figura 12, muestra un mayor valor en el digestor con 15% de sólidos totales, debido a que durante tres días estuvo presente una fuga en el cistoflow de almacenamiento sin que pudiera ser solucionada.
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Digestores con 10%, 15% y 20% de sólidos totales
En las Figuras 13, 14 y 15 se aprecia que la mayor producción acumulada de biogás se presentó en los digestores con temperatura interna de 40 ºC, con excepción del digestor con 15% de solidos totales, donde la mayor producción acumulada de biogás se presentó en los digestores con temperatura interna de 50 ºC.
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Conclusiones y recomendaciones
La producción esperada de biogás para la pollinaza es de 0.3 m3 de biogás por cada kilogramo de sólidos volátiles según Galindo y Rincón (2003), GATE (2000), Gustavsson (2000), Pava y Valderrama (2003), Mandujano et al 1981. Los resultados de este trabajo indican que se puede alcanzar, en algunos casos, hasta un 87% de ese valor. Estos resultados se muestran en la Tabla 3.
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Tabla 3. Producción de biogás en m3 de biogás/kg SV para los casos estudiados |
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Temperatura interna |
10 % ST |
15 % ST |
20 % ST |
Promedio |
Error |
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30 ºC |
0.051 |
0.0046 |
0.0386 |
0.0386 |
87 % |
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40 ºC |
0.26 |
0.11 |
0.25 |
0.25 |
17 % |
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50 ºC |
0.19 |
0.22 |
0.19 |
0.2 |
33 % |
>De acuerdo con la Tabla 3, en los digestores con temperatura interna de 30ºC, la producción de biogás es muy baja. Si se comparan estos valores con los dados en la Tabla 4, la diferencia es apreciable.
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Tabla 4. Producción de biogás en m3 de biogás/kg SV para digestores tipo batch sin control de la temperatura interna* |
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Promedio de temperatura interna |
10 % ST |
15 % ST |
20 % ST |
Promedio |
Error |
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30 ºC |
0.28 |
0.15 |
0.093 |
0.17 |
43 % |
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* Tomado de Galindo y Rincón (2003) |
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Esto puede deberse a que los digestores utilizados para el experimento cuyo resultado se muestra en la Tabla 4, tenían un tamaño dos veces mayor, razón por la cual se puede pensar que un escalamiento directo de los resultados no es factible, y por esto se sugiere realizar más estudios sobre la influencia del tamaño del digestor en la producción de biogás para diferentes condiciones de funcionamiento.
La producción de biogás es casi constante para cualquier valor de concentración de sólidos totales. Esta característica es de suma importancia ya que permite producir biogás con una menor cantidad de agua. El fenómeno descrito se presenta únicamente en los digestores cuya temperatura interna es controlada, como se observa en la Tabla 3.
En la Tabla 4 se puede ver que para los digestores cuya temperatura interna depende de las condiciones ambientales, a medida que aumenta la concentración de sólidos totales en la mezcla disminuye la producción de biogás.
La producción de biogás es mayor para los digestores con temperatura interna de 40ºC. Esto puede ser debido a que este valor esta muy cerca del recomendado para el rango mesofílico, el cual es de 37.5ºC (Duque et al 2006).
La mezcla que se encontraba en proceso de digestión era altamente sensible a los cambios en el valor de pH. Para valores de pH menores a 6.5 la producción de biogás disminuye drásticamente.
El tiempo de retención de 40 días muestra ser apropiado cuando la temperatura interna de los digestores se encuentra entre 40 y 50 ºC.
Para los digestores con temperatura interna entre 40 ºC y 50 ºC la composición de metano en el biogás tiene un valor promedio de 35%, con valores máximos de hasta 80%.
Se distinguen varias etapas en la producción de biogás a saber: una primera etapa de alta producción de biogás con baja composición de metano y bajo valor de pH, la cual corresponde a la fase de solubilización en la digestión anaeróbica, donde las bacterias descomponen la materia orgánica en compuestos orgánicos solubles, CO2 y H2, lo que explica el valor en la composición del biogás; una segunda etapa de baja producción, con leve aumento del valor de composición de metano y el pH con una tendencia ácida, esto corresponde a la fase de acidificación, donde los monómeros producidos en la primera fase se convierten en ácidos, principalmente el acético, y otros compuestos como CO2 y metanol; una tercera etapa de aumento en la producción y aumento en la composición de metano, ocasionada por el inicio de la fase de metanización, donde los ácidos se reducen por acción de las bacterias, las cuales presentan un ambiente apropiado para realizar el proceso, con valores de pH cercanos al punto neutro ó ligeramente básicos; y finalmente, una etapa donde disminuye tanto la producción como la composición, causado por la reducción de la cantidad de materia orgánica necesaria para la supervivencia de las bacterias metanogénicas. Estas etapas pueden observarse en las figuras de producción diaria de biogás para todos los casos estudiados.
Se puede pensar en utilizar algún alcalinizador cuando el pH se acerque a un valor de 6 ó 5, con el fin de tener una producción de biogás un poco más estable
Para los digestores con igual porcentaje de mezcla y diferente temperatura interna, el tiempo de retención disminuye a mayor temperatura, debido a que las condiciones de la mezcla favorecen la estabilidad del pH en un valor cercano al punto neutro y ligeramente básico
Se debe estudiar, para las mismas condiciones expuestas en esta investigación, la influencia de diferentes niveles y frecuencias de agitación de la mezcla que se encuentra en proceso de digestión.
Bibliografía
Duque C, Galeano C and Mantilla J 2006 Plug flow biodigester evaluation. Livestock Research for Rural Development. Volume 18, Number 04. http://www.cipav.org.co/lrrd/lrrd18/4/duqu18049.htm
Galindo J A y Rincón G D 2003 Adaptación sistemas de biogás para granjas de pollos de engorde. Proyecto de grado: Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
GATE Information Service 2000 AT Information Biogás, GTZ project.
Gustavsson M 2000 Biogas Technology-Solution in search of Its Problem, A Study of Small Scale Rural Technology, Introduction and Integration. Göteborg, Suecia. http://www.he.gu.se/dot/resources/biog_techn.pdf
IIT (Instituto de Investigaciones Tecnológicas) 1983 Estudio sobre obtención de Biogás a partir de desechos orgánicos. Bogotá, Colombia.
Mandujano M I, Felix A y Martínez A M 1981 Biogás, Energía y fertilizantes a partir de desechos orgánicos, Manual para el promotor de la tecnología. Mexico.
Pava F y Valderrama F 2003 Instalación y ensayo de un biodigestor que utiliza gallinaza proveniente de la cría de aves para engorde. Proyecto de grado: Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
Received 15 March 2006; Accepted 24 June 2006; Published 6 September 2006