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OBTENCION DE BIOGAS Y HIDROGENO A PARTIR DE MATERIA ORGANICA

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by

camila restrepo

on 22 October 2013

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Transcript of OBTENCION DE BIOGAS Y HIDROGENO A PARTIR DE MATERIA ORGANICA

OBTENCIÓN DE BIOGAS Y HIDRÓGENO A PARTIR DE MATERIA ORGÁNICA Y PURIFICACIÓN DEL BIOGAS.
PROYECTO "DIANA"
-El proyecto aborda la investigación de un nuevo proceso fermentativo anaerobio en doble etapa para la obtención secuencial de biohidrógeno y biogás a partir de residuos orgánicos agroalimentarios.

-Plantea separar la digestión anaerobia en dos fases:
1. La hidrólisis o fermentación oscura: donde se genera hidrógeno,
2. La metanogénesis: donde se genera metano.

¿Qué es Metanogénesis?
Es un proceso metabólico microbiano en el cual se obtienen como producto metano, agua y ATP.

Remoción del sulfuro de hidrógeno H2S (g) en el biogás.
Es necesario purificar primero el gas metano mediante la remoción del ácido sulfhídrico (H2S). Una vez que se ha eliminado eficiente y económicamente el H2S, el metano puede entonces reutilizarse para la generación de energía, plantas de cogeneración eléctrica y aplicaciones de calefacción.
Fermentación Oscura
... Ocurre de forma independiente a la luz.
El hidrógeno
-No genera emisiones contaminantes durante su combustión,

-Elevada densidad energética, es utilizable tanto en sistemas de combustión habituales como en los nuevos sistemas conversión energética vía electroquímica.

-Las fuentes de hidrógeno convencionales son limitadas y se basan en procesos químicos de transformación de recursos fósiles, como el reformado de gas natural, la hidrólisis o gasificación del carbón.
Metano
% de volumen: 50-60%
Componentes del Biogas.
Componentes del Biogas.
COMPUESTO % EN VOLUMEN
CO2 30-40
CO 0-0,1
Nitrógeno (N2) 0,5-3
Hidrógeno (H2) 1,-3
Oxigeno (O2) 0-1
H2S
,NH2 1,-5
Vapor de Agua 0,1-0,2

El CH4, es de la familia de los hidrocarburos presentando caracterìzticas inflamables.
Los gases (CO2, H2O, H2, S, y otros), simplemente influyen en la dilución del biogás, La concentración de los distintos gases en el biogás dependerá de la composición de las materias primas, las condiciones de descomposición, tiempo de retención hidráulica en el biodigestor, entre otros.
El H2S es extremadamente nocivo para la salud; bastan 20-50 ppmv en el ambiente, para causar un malestar agudo que lleva a la sofocación y a la muerte por sobre exposición.
La concentración máxima permitida de H2S en lugares de trabajo es de menos de 10 ppm.
Si el H2S no se remueve, la combustión del biogás generará dióxido de azufre (SO2), que además de ser dañino para el medio ambiente (promotor de la lluvia ácida), es tóxico para el ser humano y se incumple con los requisitos legales de emisiones.
¿Por que se debe eliminar el H2S?
¿En que ambientes ocurre?
Este proceso ocurre en ambientes estrictamente anaeróbicos como por ejemplo: en
suelos
, sedimentos de
agua dulce y marinos
, en ambientes
geotermales
e incluso en
animales
en el tracto gastrointestinal y el rumen.

¿Cuales son los sustratos?
Dióxido de carbono, hidrógeno, amonio y algunos casos acetato, formato y metanol

Si el biogás es utilizado para equipos tales como generadores eléctricos, microturbinas y otros, el ácido sulfhídrico puede causar daños internos. En el caso de los generadores eléctricos, el H2S hará un efecto de corrosión directamente en los pistones.
Carácter corrosivo.
El H2S es corrosivo
, especialmente en las condiciones de alta temperatura y presión. Puede corroer los equipos de metal, y cuando se quema produce gas SO2, aún más peligroso.
Ejemplo: con acero, el nivel erosivo del H2S es 2,5 mm/año.

Posibles Aplicaciones del Biogas.
Reemplazo de propano para efectos de cocción.

Generación de electricidad.

Uso en calderas y Vapor.

Sistemas de calefacción y refrigeración.



Es de suma importancia garantizar que el biogas no contenga compuestos que vayan a dañar físicamente y químicamente el equipo en el que se va a usar.
Métodos para la remoción del sulfuro de hidrógeno.
Métodos de Purificación por adsorción
El H2S es adsorvido en la superficie de un solido, es decir queda retenido en la superficie del material, los cuales contienen una gran superficie especifica.


Métodos de purificación por absorción
Los métodos de purificación por absorción se utilizan ampliamente, debido a la eficiencia y reactividad del sulfuro con la mayoría de los metales, Se basan en la transferencia de masa entre el H2S (sustancia gaseosa a depurar) y un liquido denominado absorvedor, el solvente habitual es el agua.
Método de filtración por membrana
Este método tiene por objetivo "filtrar" el biogas. la corriente gaseosa a purificar se desplaza a través de una membrana selectiva, debido a la fuerza motriz generada por diferencias de presión. El factor determinante es la permeabilidad que poseen las moléculas que componen la corriente de gas a purificar.
TIPOS DE SÓLIDOS
USANDO COMO SÓLIDO SILICAGEL.
Si hay altos contenidos de humedad disminuye la vida útil de la silicagel, tiene un costo superior al de carbón activado, también permite la eliminación de agua.
TAMICES MOLECULARES
Permite que el sistema opere a temperaturas cercanas a la ambiental. Los tamices moleculares están compuestos de zeólita con alta afinidad por las moléculas polares, presentan un área superficial de hasta 590 cm2/g teniendo tamaños de poros bien definidos lo que permite una remoción selectiva de diferentes compuestos.
CARBÒN ACTIVADO
Con carbón activado se requiere menos energía, porque opera con temperatura y presión menores, donde la reacción se realiza en los poros y el sulfuro de hidrógeno reacciona con el oxígeno produciendo azufre y agua y el sulfuro de hidrógeno queda ocluido en los poros del carbón, tiene un costo de operación elevado.
Ventajas de la producción Hidrógeno a partir de la fermentación oscura:
Las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno.
Pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica.
Pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema.
La fermentación en condiciones anaerobias de sustratos ricos en glúcidos puede producir hidrógeno en un considerable rango de temperaturas (30- 80°C) en oscuridad.
A pesar de la biofotólissi únicamente produce H2 y la fermentación oscura una mezcla de H2 y CO2 combinados con otros gases poco deseables como H2S y CH4 en cantidades variables, la fermentación es mucho más efectiva a la hora de producir hidrógeno.

Tomando glucosa como sustrato modelo y dando acetato, la reducción produce 4 mol H2/mol glucosa :
C6H12O5 + 2H2O --> 2 Ch3COOH + 4H2+ 2CO2

y cuando el producto final es Butirato:

C6H12O6 + 2H2O ---> CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2

Parámetros que influyen..
pH
tanto en la cantidad de hidrógeno producido (Max 5-6) como en productos de fermentación (Valores de pH entre 4-6)----> se produce más butirato que acetato.
Presión Parcial de hidrógeno
Cuando la concentración de hidrógeno en el medio aumenta, las rutas metabólicas se reorientan para producir sustratos más reducidos como Lactato, etanol, acetona, butanol. Lo que provoca una disminución en la producción de hidrógeno.
Presencia de microorganismos consumidores de H2
(metanógenos y acetógenos) disminuye el rendimiento del sistema. Para evitarlo se realiza un choque térmico antes del proceso y evitar la acumulación excesiva de H2 también evita el desarrollo de los consumidores de hidrógeno, así como mantener valores de pH por debajo de 6,5 (inhibe el crecimiento de metanógenos).
pH
La combinación del reciclado de residuos animales con el cultivo de abonos verdes pueden proporcionar el nitrógeno necesario para la tierra agrícola. El reciclado puede hacerse mediante digestión anaeróbica, pues el contenido relativo de nitrógeno es mayor en el estiércol digerido que en el fresco.
Un ejemplo clásico es la biodegradación de materia orgánica en sedimentos anaeróbicos donde el primer grupo de poblaciones (aquellas que pueden utilizar directamente la materia orgánica
disponible) hidrolizan éstas azúcares y compuestos menos complejos. Los productos metabólicos de este grupo sirven como alimento a un segundo grupo de fermentadores que generan diferentes ácidos orgánicos (ej. butirato, acetato, lactato, etc.), CO2 e hidrógeno. Finalmente, el acetato, CO2 y H2 sirven como materia prima para que bacterias metanogénicas actúen produciendo este último grupo metano (metano es el
producto final de la descomposición anaeróbica).
Absorción con compuestos de hierro
Se utilizan limallas de hierro colocadas en columnas de purificación que se encuentran humedecidas de forma discontinua con agua y rellenas con otro material por ejemplo, el aserrín; para ayudar a la hidrodinámica del sistema, Es posible también emplear óxido de hierro (III) hidratado, cloruro de hierro (III), utilización de pelets de hierro, utilización de residuos de la extracción de níquel, lavado con solución de hidróxido de sodio, y, otros sustratos "secos" como óxido de zinc y sólidos alcalinos
Absorción con compuestos orgánicos.
Consiste en el uso de aminas las cuales tienen el grupo NH2 que se combina con el sulfuro de hidrógeno para dar compuestos como el sulfuro de amonio.
Absorción con agua.
El absorbente utilizado es el agua, el cual se pone en contacto con el biogás en torres o columnas (rellenas o no) donde se efectúa la transferencia de masa del CO2 y H2S al agua que fluye a contracorriente.
Las temperaturas de operación suelen ser de 5 a 10 °C, aunque también se operan a temperatura ambiente, siendo las presiones de trabajo mayores de 1726 kPa.
El proceso opera a distintas presiones, logrando eliminar eficientemente el H2S a temperatura ambiente o superiores, con un contenido de humedad de las limallas entre 30 y 60 %, debiendo realizarse la operación a pH entre 7,5 y 8,5.
Las aminas se operan en procesos calientes debido a que el calor favorece la reacción química. Sin embargo, el calor excesivo puede causar vaporización y pérdida de la solución química. Por lo tanto, estos procesos operan usualmente a temperatura hasta 48°C
Bio-hidrógeno
En los últimos años se ha investigado la producción sostenible de hidrógeno vía biológica.

-Ventajas significativas respecto al consumo de recursos y energía.

-La fermentación oscura permite obtener hidrógeno como subproducto final de la conversión anaerobia de la materia orgánica.

-Se podría aplicar sobre una variedad de residuos orgánicos agroalimentarios.
Residuos de elaboración de pan, galletas y pastas y de industrias cárnicas y productos pesqueros
Al separar las etapas en volúmenes diferentes, es posible obtener el hidrógeno por una parte y el metano por otra. El proceso se puede aplicar a una gran variedad de residuos orgánicos agroalimentarios mediante sistemas fácilmente manejables a nivel agroindustria.
Métodos Biológicos.
El uso de microorganismos en la remoción de sulfuro de hidrógeno presente en el biogás, se basa en la oxidación microbiológica de H2S a compuestos de azufre de fácil eliminación como el azufre elemental (S°) o sulfatos (SO4-2),
La gran ventaja que presentan estas técnicas, respecto de los sistemas fisicoquímicos es la carencia de contaminantes secundarios, menores costos de inversión y operación por el bajo consumo de reactivos, menor consumo energético al poder trabajar a temperatura ambiente, altas eficiencias de degradación
Conclusiones
Es posible observar que existe gran interés por desarrollar alternativas para la eliminación de sulfuro de hidrógeno de la composición del biogás, para que éste pueda ser utilizado adecuadamente y sin restricciones en la matriz energética.
Dentro de las distintas y posibles alternativas, los métodos biológicos destacan pues no generan un remanente contaminante,trabajan a presiones inferiores a 7 Bar, por lo tanto presentan menos costos de operación, si se considera que la relación de presión es directamente proporcional al consumo eléctrico del compresor. Esto significa una mayor eficiencia energética
Bibliografía
Fernández, E. Procedimiento para la purificación de biogás. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverria. Publicación CU 23003 Al. Oficina Cubana de la Propiedad Intelectual. Habana, Cuba. 18 p. (2004).
http//probiogas.com.co
adigan, M.; Martinko, J.; Parker, J. Brock. Biología de los microorganismos. Pearson Educación, S.A. 10°Ed., Madrid, España, 1089p. (2006).
www.viogaz.com/downloads/Remocion
http://www.ainia.es/web/acerca-de-ainia/experiencia/innovacion-y-desarrollo/-/articulos
http://www.energias-renovables.com/articulo/ainia-avanza-en-la-produccion-
María Camila Restrepo
Yuli Nataly Acosta
Douvan Serrano
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