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Biomasa Microalgal para la Generación de Biogás

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ÍNDICE

Pág.

1. Antecedentes…………………………………………………………………….…4

2. Definición del proyecto……………………………………………………………8

3. Justificación………………………………………………………………….….…9

4. Objetivos………………………………………………………………….………10

5. Materiales y Métodos………………………………………………………...…...10

5.1 Obtención de la biomasa microalgal a nivel laboratorio……………………10

5.2 Extracción de lípidos……………………………………………………......12

5.3 Medio de cultivo…………………………………………………………....14

5.4 Pruebas en microcosmos…………………………………………………....16

5.5 Análisis Cromatógrafico……………………………………………………18

5.6 Determinación de Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)…………………...21

6. Resultados…………………………………………………………………….......23

6.1 Experimentos en laboratorio…………………………………………….…23

6.2 Balances de materia y energía………………………………………….….32

6.3 Síntesis del proceso de producción de biogás……………………………..36

6.4 Diseño y optimización del proceso………………………………………..38

6.4.1 Materia prima……………………………………………………….38

6.4.2 Producción y almacenamiento de biogás…………………………...41

6.5 Producción de energía……………………………………………………..59

6.6 Distribución de la planta…………………………………………………...64

6.7 Estudio de mercado y distribución de la planta……………………………68


3

6.8 Evaluación económica……………………………………………………..74

7. Seguridad…………………………………………………………………………85

8. Conclusiones……………………………………………………………………...88

9. Referencias………………………………………………………………………..89


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1. Antecedentes

Las posibilidades de uso de microalgas son muy diversas. La biomasa de las algas se puede

emplear con fines energéticos, en cuyo caso la digestión anaerobia para la producción de

biogás con alto contenido de metano parece ser un proceso adecuado, ya que permite la

utilización de la materia orgánica (biomasa residual de microalgas) rica en proteínas, lípidos

y carbohidratos que son aprovechados y desintegrados en cadenas más cortas por medio de la

digestión.

Dado lo anterior, se refleja la importancia de determinar la composición elemental de las

microalgas, que a su vez permita tener y/o determinar una aproximación teórica sobre el

potencial de transformación de éstas en biogás y posteriormente la eficiencia de

transformación en metano.

En la Tabla 1, se presenta la composición de la biomasa de microalgas para varias especies,

en cuanto a la composición bioquímica principalmente representada como proteínas, lípidos

y carbohidratos.

Tabla 1. Composición de la biomasa algal, tomado de Angelidaki y Sanders, 2004

Especie Proteínas (%) Lípidos (%) Carbohidratos (%)

Chlorella vulgaris 51-58 14-22 12-17

Spirulina máxima 60-71 6-7 13-16

Spirulina platensis 46-63 4-9 8-14

Scenedesmus

obliquus

50-56 12-14 10-17

En la Tabla 2, se muestra la composición elemental para los principales componentes de las

microalgas, tales como proteínas, lípidos y carbohidratos.


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Tabla 2. Composición elemental de las microalgas

Macronutrientes Composición

Proteínas C6H13.1ON0.6

Lípidos C57H104O6

Carbohidratos (C6H10O5)n

Con el uso de la ecuación (1) se puede hacer una estimación del metano generado con

respecto a la composición elemental como se muestra a continuación:

𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐𝑁𝑑 + (4𝑎 − 𝑏 − 2𝑐 + 3𝑑

4) 𝐻2 →

(4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑

8) 𝐶𝐻4 + (

4𝑎 − 𝑏 + 2𝑐 + 3𝑑

8) 𝐶𝑂2 + 𝑑𝑁𝐻3 (1)

Considerando la composición elemental reportada por Angelidaki y Sanders, 2004 la fórmula

para la biomasa puede escribirse como:

𝐶𝑂0.48𝐻1.83𝑁0.11𝑃0.01

Por otro lado, el rendimiento específico de metano se expresa en L de CH4 por gramos de

Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV), de tal manera que se puede calcular como:

𝐵0 =4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑

12𝑎 + 𝑏 + 16𝑐 + 14𝑑∗ 𝑉𝑚

Donde Vm se refiere al volumen molar del metano y 𝐵0 es el rendimiento específico.

En la tabla 3, se resumen las condiciones experimentales y su correspondiente conversión de

metano. Esto demuestra que el rendimiento de metano varía entre 0.09 y 0.45 LgSSV-1

dependiendo de la especie y las condiciones de operación.


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Tabla 3. Experimentos con digestión anaerobia de especies de microalgas:

características del sustrato, producción de metano y condiciones del proceso

(Sialve et al., 2009)

Especies

T

(°C)

TRH

(días)

Tasa de

carga

(gSSVL-1d-

1)

Producción de

CH4

(L CH4 gSSV-1)

CH4

(%vol)

Referencias

Chlorella-

Scenedesmus

35-50 3-30 1.44-2.89 0.17-0.32 62-64 (Golueke et

al.,1957)

Spirulina 35 28 0.91 0.31-0.32

Chorella vulgaris 28-31 64 - 0.31-0.35 68-75 (Sánchez y

Travieso, 1993)

Spirulina maxima 35 33 0.97 0.26 68-72 (Samson y

LeDuy, 1982)

Spirulina maxima 15-52 5-40 20-100 0.25-0.34 46-76 (Samson y

LeDuy, 1986)

Chorella-

Scenedesmus

35 10 2-6 0.09-0.136 69 (Yen and Brune,

2007)

Los estudios relativos a la digestión anaerobia con biomasa algal como sustrato son escasos

en comparación con otros sustratos orgánicos, de donde se pueden distinguir dos enfoques de

las algas unicelulares. Ya sea que se trate de una biomasa microlagal con gran variedad de

especies que puede obtenerse del tratamiento de aguas (Chen, 1987; Chen y Oswald, 1998;

Yen y Brune, 2007), o la biomasa que se cultiva a nivel laboratorio (Asinari San Marzano et

al, 1982; Samson y LeDuy, 1982, 1986, Chen 1987; Sánchez y Travieso, 1993; Muñoz et al,

2005).

Si bien la digestión anaerobia de biomasa residual de microlagas se perfila como una

alternativa favorable para el aprovechamiento de esta materia orgánica, este proceso debe

constar de una serie de etapas tales como: hidrólisis, acetogénesis, acidogénesis y


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metanogénesis, en donde la última etapa (metanogénesis) funge como la etapa medular del

proceso, por lo que se torna importante el favorecerla para poder obtener una alta producción

de metano. A continuación se mencionan algunas de esas condiciones.

Un aumento en la temperatura favorece más la metanogénesis y en consecuencia mejora la

producción de metano aunada a la reducción de sólidos volátiles (Samson y LeDuy, 1986).

Para el caso de la biomasa residual algal, un aumento de la temperatura mejora la tasa de

biodegradabilidad de algas de un 5 a 10%; sin embargo, las temperaturas mesófilas (rango de

temperatura de ~35°C) parecen ser las condiciones óptimas de operación (Chen, 1987).

Otros aspectos importantes son los tiempos de retención hidráulico y de sólidos (TRH y TRS)

que son parámetros clave en los procesos de digestión anaerobia; ya que deben ser lo

suficientemente altos (medidos en días) para permitir que la población activa permanezca en

el reactor, especialmente los organismos metanogénicos, y no limitar la hidrólisis, que

generalmente es el paso que restringe la conversión global de sustratos complejos a metano.

Cuando se opera el proceso a una carga baja y el TRH es alto, el rendimiento de metano

(LCH4/gSSV) será constante y máximo. Por el contrario, cuando la carga es alta o el tiempo

de retención hidráulico es mínimo se presenta, una disminución del rendimiento.

Para una conversión eficiente de la materia orgánica, las carga óptima y los tiempos de

retención hidráulica deben elegirse en función de la composición de las algas que se utilizarán

como sustrato.

El contenido de metano en el biogás que se produce por digestión anaerobia oscila en un rango

de 60% a 75% para la mayor parte de estudios, todo dependiendo de la especie y las

condiciones de funcionamiento. Esto revela que la biomasa residual de microalgas después de

ser sometida al proceso de producción de biodiesel, cuenta aún con un alto contenido de

materia orgánica que aporta un potencial para convertirse en metano. Para el caso del pH, que

regula la liberación de CO2, se sugiere mantenerlo en un valor cercano a la neutralidad ya que

un pH alto influye en la calidad del biogás.


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Dado que las microalgas no contienen aminoácidos azufrados (Becker, 1988), su digestión

libera una menor cantidad de sulfuro de hidrógeno comparada con otros tipos de sustratos

orgánicos. Sin embargo, existe la posibilidad de la presencia de amoníaco en el biogás, según

lo detectado por Gouleke et al. (1957), debido al alto contenido de proteínas en las microalgas

lo cual debe recibir una atención especial.

2. Definición del proyecto

El presente proyecto plantea el uso de la biomasa residual de microalgas proveniente del

proceso de producción de biodiesel de una biorefinería, para la producción de biogás mediante

digestión anaerobia, la cuantificación y valoración de biogás obtenido, así como el

aprovechamiento del metano contenido en éste y su uso como fuente alternativa de energía.

Se propone un proceso alternativo a los procesos convencionales de elaboración de

biocombustibles (en este caso el biodiesel a partir de algas) en el cual se aprovecha la biomasa

residual formada y se genera energía a partir de la misma. Lo anterior se alinea a la necesidad

de desarrollar mecanismos eficientes para la producción de combustibles renovables

alternativos, y a su vez capaces de disminuir ó evitar las emisiones de gases de efecto

invernadero como es el caso del CO2. En este sentido, la producción y aprovechamiento de

biogás contribuirá con la generación de energía eléctrica y a su vez las algas proveerán un

medio ideal para la captura de dióxido de carbono. Sabiendo que en promedio el metano tiene

un valor energético de 10KWh/m3biogás y que el dióxido de carbono no lo tiene, por tanto el

contenido energético del biogás se debe directamente al metano. Por lo tanto si el biogás

alcanza una composición de 60% de metano es posible producir 8.5KWh/m3metano a partir del

biogás. Una ventaja adicional es el hecho de que no se comprometen las tierras de cultivo para

la producción de biocombustibles, como en el caso de producción de biodiesel a partir de

aceites de plantas o etanol, ya que tanto los digestores como los cultivos de algas se pueden

realizar sin tierras destinadas a la generación de alimentos para consumo humano.

Considerando este esquema, los biocombustibles producidos de esta manera no compiten los

suelos destinados a la producción de los alimentos lo cual es una ventaja.


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3. Justificación

En la actualidad, la falta de recursos que provean energía sostenible pone en peligro la

supervivencia de la economía mundial cada vez más globalizada. Con la fuerte dependencia

hacia los combustibles fósiles que son recursos limitados, es necesario el desarrollo de

alternativas renovables para competir con las opciones convencionales de energía.

La utilización de los procesos anaerobios provee una perspectiva interesante, ya que no sólo

se podrían alcanzar resultados positivos en la mejora del ambiente, sino reducirse además las

emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Si bien la tecnología de la digestión anaerobia

es muy conocida, su aplicación en el ámbito local, regional y nacional no ha sido aprovechada.

Los aspectos mencionados requieren el estudio de las variables que intervienen en este

proceso. Con esa finalidad se propone ensayar de forma experimental la degradación de

biomasa algal por medio del proceso de digestión anaerobia. La utilización de los residuos a

través de la producción de biogás es relevante ya que confiere al desecho orgánico una

revaloración al usarlo como fuente de energía.

El presente proyecto busca demostrar la viabilidad técnico–económica del aprovechamiento

de la energía presente en los residuos de biomasa microalgal generada en la producción de

biodiesel a través de la generación de biogás y su posterior transformación de energía eléctrica.

Lo anterior tratará de proveer los suministros energéticos necesarios durante la producción

de biodiesel en la biorefinería y a su vez reducir globalmente los costos de producción, para

que este biocombustible pueda ser competitivo frente al diesel de petróleo.

Hipótesis del trabajo

La degradación anaerobia de la biomasa residual algal permitirá producir energía a partir del

biogás obtenido, así como el aprovechamiento de la biomasa residual de algas posterior a la

extracción de aceites para la elaboración de biocombustibles.


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4. Objetivos

General:

Estudiar el potencial de producción de biogás a partir de productos residuales de la producción

de biodiesel para contribuir favorablemente al balance energético y económico del proceso

global de obtención de biodiesel a partir de microalgas.

Particulares:

Determinar la composición de la biomasa microalgal residual

Determinación de la actividad metanogénica de lodos con capacidad de utilizar la

biomasa microalgal

Caracterización de la producción de biogás en un reactor anaerobio

Análisis de la contribución energética del proceso metanogénico a la producción de

biodiesel a partir de biomasa microalgal

La cadena de proceso que se analiza se refiere a un sistema hipotético basado en la

extrapolación de los estudios realizados a escala de laboratorio.

5. Materiales y Métodos

5.1 Obtención de la biomasa microalgal a nivel laboratorio

La obtención de la biomasa microalgal se realizó de la manera siguiente:

1. Se extrajeron 10L del fotoreactor de producción de microalgas (ubicado en la azotea

del edificio W, UAM-I); misma cantidad que se sustituyó con medio mineral (ver

Sección 5.3).


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Figura 1. Fotoreactor de de producción de microalgal

2. Se depositó el líquido tomado del fotoreactor en contenedores de plástico especiales

para utilizar en el centrifugado.

Figura 2. Centrifuga Rotina 380

3. Se centrifugó 5min a 4000rpm, hasta terminar con los 10L.

4. El contenido del fondo de los recipientes de centrifugado (biomasa) se colocó en una

charola de aluminio (biomasa húmeda) y se llevó a secar a la estufa Riossa H-41 a

100°C ± 10°C para retirar el contenido de humedad (durando un tiempo aproximado

de 3 días).


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Figura 3. Estufa Riossa H-41

5. Se instaló el equipo para la extracción de aceites y de esta manera obtener la biomasa

residual pre-tratada. El proceso de extracción utilizado fue el método de Extracción

por Soxhlet (extracción por solvente).

Figura 4. Equipo Soxhlet

5.2 Extracción de lípidos

Método de Soxhlet

El equipo de extracción consiste en tres partes: el refrigerante, el extractor propiamente

dicho, que posee un sifón que acciona automáticamente e intermitente y, el recipiente


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colector, donde se recibe o deposita el aceite. Es una extracción semicontinua con un

disolvente orgánico (hexano). En este método el disolvente se calienta, se volatiliza y

condensa goteando sobre la muestra microalgal la cual queda sumergida en el disolvente.

Posteriormente éste es sifoneado al matraz de calentamiento para empezar de nuevo el

proceso. El proceso se repite de 6 a 8 horas en forma automática e intermitente y así la

muestra es sometida constantemente a la acción del solvente. El contenido de grasa se

cuantifica por diferencia de peso.

El cartucho con la muestra se retira del extractor y se deja secar toda una noche en una

campana de extracción con el fin de evaporar el solvente y secar la biomasa microalgal.

La biomasa seca es molida y reservada para su uso posterior.

Figura 5. Esquema de extracción de Soxhlet


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Recuperación de solvente (hexano)

El colector (figura 5) pasa a un rotavapor operado a una temperatura de 70°C ± 5°C para

evaporar el solvente y así separarlo del aceite microalgal.

Figura 6. Recuperación de hexano

El rotavapor utilizado para la recuperación del solvente hexano es un Yamato Water Bath

BM100.

5.3 Medio de cultivo .

A continuación se enumeran los principales procesos a seguir en una planta para la

producción de la biomasa microalgal la cual se lleva a cabo en tres pasos que son los

siguientes:

Colector de

solvente Aceite

microalgal


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1. Cultivo de microalgas.

2. Recuperación o concentrado de microalgas (decantación natural y

centrifugación).

3. Extracción lipídica.

Los requisitos básicos para el crecimiento de las microalgas son energía solar, agua, dióxido

de carbono y nutrientes inorgánicos, el cultivo de microalgas a gran escala es teóricamente

simple comparado con otros microorganismos. A largo plazo el cultivo de microalgas necesita

controlar parámetros ambientales (temperatura, pH, luz, alimentación de CO2, etc.). Los

sistemas de cultivo cerrado ofrecen mayor flexibilidad en la elección del organismo y la

técnica de cultivo continuo aplicado a dichos sistemas permite un mejor control de

crecimiento.

Tabla4. Composición del medio de cultivo

Medio de cultivo BG11

NaNO3 1.5 g L-1

Metales traza A5+Co K2HPO4.3H2O 0.04 g L-1

MgSO4.7H2O 0.075 g L-1 H3BO3 2.86 g

EDTA disódico de

magnesio

0.001 g L-1 MnCl2·4H2O 1.81 g

CaCl2.2H2O 0.036 g L-1 ZnSO4·7H2O 0.222 g

Ácido cítrico 0.006 g L-1 NaMoO4·2H2O 0.39 g

Citrato de amonio férrico 0.006 g L-1 CuSO4·5H2O 0.079 g

Na2CO3 0.02 g L-1 Co(NO3)2·6H2O 49.4 mg

Metales traza A5+Co 1 mL


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5.4 Pruebas en microcosmos

A continuación se describe la metodología para la preparación de pruebas en microcosmos y

la cuantificación del metano producido, utilizando un lodo con alta actividad metanogénica.

1. El volumen total de la botella serológica es de 125ml, se prepararon las muestras en

un volumen de 50ml del volumen total, de los cuales 15ml eran de lodo metanogénico

441.5 mg/L de SSV para los lodos UAM-I y 752.4mg/L de SSV para lodos de “La

Costeña” y los 35ml restantes eran de medio con sustrato (ver Sección 5.3, medio

mineral para pruebas en microcosmos para acetato -como control- y biomasa residual).

2. Las pruebas se hicieron por duplicado y se tuvieron también dos controles con su

duplicado.

3. Se efectuó solamente un cambio de atmósfera para mantener el experimento en

condiciones anaerobias que fue el día que se montaron las pruebas.

Las pruebas de microcosmos montadas, fueron sometidas a un cambio de atmósfera

que permitió desplazar al aire contenido en el headspace de la botella y así tener las

condiciones anaerobias apropiadas para el proceso de digestión. El cambio consistió

en la inyección de Nitrógeno (N2) y Dióxido de carbono (CO2) durante un minuto de

tal manera para desplazar el aire contenido por medio de otra jeringa conectada a una

manguera y tener una atmosfera de N2 y CO2 manteniendo una atmósfera libre de

Oxígeno (O2).

Figura 7. Sistema de cambio de atmósfera


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4. Se realizó la cuantificación de metano periódicamente en las botellas durante dos

semanas siendo el día martes y viernes de cada semana los días de muestreo

5. Las variables que se midieron fueron:

a) Concentración de metano por cromatografía de gases CG-FID

b) La producción de biogás, éste se cuantificó utilizando la cantidad de volumen

desplazado en cada botella.

b) pH. En cada botella se midió éste valor

c) Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV). En cada botella se realizó cuantificación de

los sólidos suspendidos volátiles, mismos que se compararon con los medidos del lodo

inicial (ver Sección 5.6).

6. Las pruebas de microcosmos para este experimento fueron sacrificables por lo que se

necesitaron un total de 4 botellas por sustrato y 2 controles bióticos con su respectivo

duplicado, siendo un total de 20 pruebas.

Figura 8. Sistema de microcosmos

Las pruebas anteriormente mencionadas se prepararon para probar el efecto de algunas

variables como: temperatura y agitación, además se varió el tipo de lodo y estos experimentos

para dos sustratos a la vez, con acetato y con biomasa microalgal como fuente de carbono;

utilizando como referencia de comparación el acetato, puesto que favorece la última etapa de

la digestión anaerobia (metanogénesis) que es propia de nuestro mayor interés.

Punto de muestreo

Lodo

metanogénico

Botella serológica

Medio

mineral


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5.5 Análisis cromatográfico

Para llevar a cabo la medición de metano contenido en el biogás producido durante las pruebas

de microcosmos, se empleo un cromatógrafo de gases Agilent 6890N versión N.04.08 que

permitió cuantificar el metano que se produjo a las diferentes condiciones de operación de

estos, así como también con los diferentes lodos metanogénicos y sustratos empleados.

Como en toda experimentación, se requiere una serie de metodologías que nos lleven a obtener

y dar tratamiento a resultado sobre esta, por lo que en el caso particular de este proyecto,

cromatografía de gases es solo una de esas metodologías. A continuación se presenta una

breve descripción de este método.

Una vez que se pretende comenzar a trabajar con el cromatógrafo de gases, se debe poner

atención en abrir el gas acarreador (comúnmente Helio) y checar que haya presión, ya que sin

esto no se puede comenzar a trabajar. El cromatógrafo está constituido principalmente por tres

partes fundamentales:

Puertos de inyección

Columna (parte interna) contenida dentro de un horno

Detector

El equipo empleado está compuesto por dos inyectores compuestos por dos detectores:

Un detector TCD (inferior) de conductividad térmica que sirve para gases

permanentes, CO2 y CH4 básicamente y

Otro detector FID (superior) de ionización de flamas que sirve para gases volátiles


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Figura 9. Inyectores del cromatógrafo

de gases Agilent 6890

Por otra parte, dependiendo de lo que se desee medir, el cromatógrafo tiene condiciones de

operación específicas, por lo que es necesario definir y/o hacer un método propio de trabajo

que permita trabajar a las condiciones de temperatura y presión necesarias de lo que se desee

medir. Después es necesario encender la flama para que los detectores funcionen por lo que

se necesita aire e hidrógeno. La relación de ambas sustancias es diez a uno, 30 ml de H2 por

300 ml de aire, relación que se encuentra ya dada como una relación de presiones en el

cromatógrafo.

Es importante poner atención en la demanda de presión mínima para que el cromatógrafo

pueda funcionar ya que de lo contrario no arrancara las mediciones. El equipo empleado tiene

sensores electrónicos de presión que detectan alguna perturbación en el sistema en caso de no

se darse la presión mínima requerida. Es de suma importancia poner atención en tener abierto

el gas acarreador ya que de lo contrario el equipo marcara error en la presión del sistema y

por consecuencia el aparato tampoco funcionara.

El cromatógrafo se conforma también por dos columnas:

Una columna empacada (del inyector TCD), que por ser empacada, permite tener un

mayor diámetro y una menor longitud.

Y otra columna capilar (del inyector FID) del diámetro de un cabello

aproximadamente con una longitud de 30 m.


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Acorde al detector donde se inyecte la muestra, el gas pasa por la columna correspondiente

donde se separan los compuestos de la mezcla de gases o componente puro (según sea al caso)

en función de su peso molecular hasta que pasan por el detector, donde:

En el TCD se mide la conductividad térmica del compuesto que se desea medir y

En el FID de ionización simplemente ioniza el compuesto

El cromatógrafo básicamente separa compuestos, da una huella digital de estos que no es más

que el tiempo de retención y después pasa la información como una señal de integración para

poder traducir el área bajo la curva. Para poder hacer esta traducción se emplea una curva de

calibración que posteriormente se correlaciona a una determinada concentración de metano.

El funcionamiento básico del método consiste en dar inicio (start) para correr la prueba y

después del tiempo de retención se observa un pico, se detiene la corrida (stop) y el programa

automáticamente detiene el proceso detectando el o los picos e integrándolos de tal manera

que se presentan datos del tiempo de retención así como también el área bajo la curva del pico

de la muestra inyectada. Una vez extraídos los datos de las áreas se introducen a una curva de

calibración que permite correlacionar el área obtenida a una cierta concentración de metano.

Particularmente la concentración estará dada en unidades de g/m3 y es importante mencionar

que el volumen con el que se construye la curva de calibración debe ser el el mismo que se va

a inyectar de los experimentos (muestras) ya que las áreas son proporcionales al volumen de

inyección.

Nota: normalmente cuando se trabaja con muestras provenientes de reactores se emplean

temperaturas por arriba de 110°C en el inyector, esto por seguridad, debido a que regularmente

este tipo de muestras proviene con un contenido de agua, o bien húmedas, por lo que se usan

temperaturas por arriba de los 100°C para que el agua se volatilice y no condense dentro del

sistema.


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Figura 10. Cromatógrafo de gases Agilent 6890N versión N.04.08

5.6 Determinación de Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)

La cuantificación de los sólidos suspendidos volátiles (SSV) depende de los sólidos

suspendidos totales (SST) y de los sólidos suspendidos fijos (SSF), como se muestra en la

siguiente ecuación:

𝑆𝑆𝑇 = 𝑆𝑆𝐹 + 𝑆𝑆𝑉

Donde al despejar los SSV podemos encontrar su valor para cada el tipo de lodo

metanogénico, quedando de la siguiente manera:

𝑆𝑆𝑉 = 𝑆𝑆𝑇 − 𝑆𝑆𝐹

El procedimiento que se siguió fue el siguiente:

1. Se recolecto una muestra de 5ml del lodo seleccionado para las pruebas.

2. Se tomo el peso de la charola vacía, después se depositaron los 5ml de lodo y se peso

nuevamente.


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3. Una vez pesada la charola con su contenido, se introdujo en una estufa Riossa H-41 a

100°C ± 10°C por el lapso de 1 hora, al término de este tiempo se saco la muestra de

la estufa, se dejo enfriar y se peso de nuevo; este peso corresponde a la cantidad de

sólidos suspendidos totales.

4. Nuevamente se introdujo la muestra de los sólidos de lodos en una mufla Thermo

scientific FB1415M a 550°C ± 50°C por 30 minutos, al término de este tiempo se

dejó enfriar la muestra y se peso nuevamente, la cantidad pesada corresponde al peso

de los sólidos fijos.

Figura 11. Mufla Thermo scientific FB1415M

Los datos de SSV para cada muestra se requiere reportar en mg/ml donde la cantidad obtenida

en mg, de la cuantificación se divide entre el volumen operacional que es de 50ml.


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Figura 12,13. Balanza

Ohaus EP214C

para pesar los sólidos,

muestras de los SSV

después de calcinar

6. Resultados

6.1 Experimentos en laboratorio

Estudio en microcosmos

La producción de biogás a partir de biomasa residual de microlagas, considera 2 etapas

experimentales fundamentales:

-La primera etapa fue la obtención de materia prima que se basa principalmente en el cultivo

de la microalga y extracción de aceites antes de someterla al proceso de digestión anaerobia.

Lo anterior se lleva a cabo por medio del método de extracción de aceites por solvente

conocido como método Soxhlet (ver Sección 5.1), el cual presenta una alta recuperación y

tiene repercusiones favorables sobre el rendimiento y producción de metano.

-Las pruebas en microcosmos (ver Sección 5.4) fue la segunda etapa experimental esencial

del proyecto y tuvo por objetivo la cuantificación de producción de metano con la finalidad

de ver si se podía producir en un reactor anaerobio de 10 litros. La cuantificación de biogás

se realizó por dos semanas continuas; las variables determinadas en estos experimentos fueron

la concentración de metano por medio de cromatografía de gases bajo las condiciones

programadas en el software del cromatógrafo Agilent 6890N, cuyas especificaciones y


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condiciones se muestran en la Sección 5.5, la medición de pH y sólidos suspendidos volátiles

(SSV) de cada botella también formaron parte de las variables de medición (ver Sección 5.6).

La variación de temperatura y agitación así como el tipo de lodo metanogénico fueron

parámetros de operación para los experimentos de microcosmos. Cabe mencionar que los

sustratos empleados fueron la biomasa residual de microlagas y acetato de sodio anhidro, este

último se usó como punto de referencia y comparación con la biomasa residual, ya que

favorece directamente la etapa de metanogénesis de la digestión anaerobia.

Las fuentes de los lodos metanogénicos fueron la planta piloto de tratamiento de aguas

residuales ubicada en el campus Iztapalapa de la Universidad Autónoma Metropolitana

(UAM-I) y de la planta industrial de la empresa “La Costeña”.

En lo que respecta a los resultados de la experimentación, esto conforme a las mediciones

periódicas de metano (CH4) se obtuvo lo siguiente:

Variación de temperatura con agitación y haciendo la comparación de sustratos,

biomasa residual y acetato.

Figura 14. Producción de CH4 con lodos de la UAM-I. Experimentos con botellas sin

agitación a temperatura ambiente

0

10

20

30

0 5 10 15

CH

4 (

mm

ole

s L-1

)

Tiempo (dias)

Lodo UAM-I sin agitación

Acetato Biomasa Microalgal


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Figura 15. Producción de CH4 con lodos de la UAM-I. Experimentos con botellas

agitadas y a una temperatura de 30°C

De acuerdo, a lo que se presentó con anterioridad, la producción de metano tanto para acetato

de sodio anhidro como para la biomasa residual de microalgas tienen valores de producción

muy cercanos aunque es mayor la producción en condiciones de agitación y temperatura de

30°C, así que se decidió trabajar bajo estas condiciones los siguientes experimentos:

Variación del tipo de lodo en condiciones mesofílicas con agitación para ambos

sustratos (acetato de sodio y biomasa residual de microlagas).

Lo que se presenta a continuación, corresponde a las mismas condiciones mesofílicas con

agitación (100rpm) pero con la diferencia del tipo de lodo metanogénico y usando ambos

sustratos como fuentes de carbono.

0

20

40

0 5 10 15C

H4

(mm

ole

s L-1

)

Tiempo (dias)

Lodo UAMI con agitación y Temperatura

Acetato Biomasa Microalgal

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15

CH

4 (

mm

ole

s/L)

Tiempo (dias)

COSTEÑA vs UAMI con acetato

ACETATO UAMI ACETATO COSTEÑA


26

Figura 16. Pruebas con acetato

En el gráfico anterior se puede apreciar la producción de metano a partir de acetato. La

producción de metano no presenta cambios significativos por el empleo de un tipo de lodo o

el otro cuando se utiliza acetato, obteniendo un promedio para ambos lodos, de

aproximadamente de 24 mmoles/L.

Figura 17. Pruebas con biomasa microalgal

En la figura 17 se puede observar una diferencia en la producción de metano (CH4) cuando se

usa la biomasa de microalgas, la producción con lodos de “La Costeña” es un 50% del valor

obtenido con los lodos de la UAM-I.

De acuerdo a la cantidad de acetato empleada, teóricamente se esperaría una producción de

metano de 44.9 g, de los cuales experimentalmente se obtuvieron 40.46 g (obtenido de los

datos de la figura 17) que representa un 91.2 % con respecto al valor teórico. Para el caso de

la biomasa residual de microlagas, el valor teórico, con base a la composición elemental de la

biomasa microalgal, era de 33.16 g de metano, y experimentalmente la producción fue de 17.7

g, lo que representa un 43.7 % de la producción total de metano esperada.

En lo que concierne a los lodos metanogénicos de la planta “La Costeña” se obtuvo una

recuperación del 77% con respecto al acetato agregado, mientras que con relación al cálculo

inicial con la biomasa residual solo se recuperó el 28 % del carbono agregado inicialmente.

0

5

10

15

20

0 2 4 6 8 10 12 14

CH

4 (

mm

ole

s/L)

Tiempo (dias)

COSTEÑA vs UAMI con BIOMASA

BIOMASA UAMI BIOMASA COSTEÑA


27

Con los rendimientos específicos de producción de metano empleando lodos metanogénicos

de la planta de tratamiento de aguas residuales de la UAM-I se obtuvo un rendimiento de

producción de 0.14 LCH4/g SSV para acetato y 0.06 LCH4/g SSV para la biomasa residual

algal. Mientras que para los lodos de “La Costeña” los rendimientos fueron de 0.067 LCH4/g

SSV, un 47% del rendimiento con los lodos de la UAM-I para acetato y 0.015 LCH4/g SSV

para biomasa residual algal, sólo un 25% de lo que se produjo con los lodos de la UAM-I.

Reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB)

Existen diferentes tipos de reactores para el proceso de digestión anaerobia. Uno de los más

utilizados es el reactor de lecho de lodos de flujo ascendente (UASB, por sus siglas en ingles:

Upflow Anaerobic Sludge Blanket) debido a sus grandes ventajas, entre las que se encuentran

el soporte de altas cargas de materia orgánica (aproximadamente de 12 Kg DQO/m3 día)

(Caldera, 2005), bajo requerimiento de energía, no requieren medio de soporte, su

construcción es simple y es aplicable a escala laboratorio y planta piloto.

El reactor opera con flujo ascendente, lo cual permite tener cierta selectividad sobre los

microorganismos presentes favoreciendo la formación de un lodo con buenas propiedades de

floculación y sedimentación dando como resultado un lecho de lodos en la parte inferior del

reactor y en la parte superior del reactor existe un sistema para la captación del biogás

formado, el cual evita la salida de los sólidos suspendidos en el efluente y favorece la

evacuación del biogás.

El efluente residual se introduce en la base del reactor y atraviesa el lecho de lodos; durante

el trayecto la materia orgánica entra en contacto con los microorganismos y se efectúa la

degradación de ésta produciéndose el biogás. (Ramírez, 1992).

nivel del

líquido

salida del

líquido

separador

del gas

salida del

gas

líquido


28

Figura 18. Reactor anaerobio de lecho de

lodos de flujo ascendente (UASB)

Parámetros: ambientales y operacionales del digestor anaerobio (UASB)

Dentro de los parámetros de operación tenemos dos tipos:

a).- Los ambientales que hacen referencia a las condiciones que deben mantenerse o

asegurarse para que el desarrollo de la digestión anaerobia sea el óptimo, tales como:

El pH debe mantenerse cercano a la neutralidad (pH=7)

Disponibilidad de nutrientes tales como el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y

algunos minerales como fósforo y potasio con valores adecuados que permitan y

aseguren el crecimiento de los microorganismos

Mantener la concentración de sustancias tóxicas e inhibidoras en los rangos más bajos

posibles. Como el del sodio (3.5-5.5 mg/l), potasio (2.5-4.5mg/l),calcio (2.5-4.5 mg/l)

y magnesio (1-1.5 mg/l), también una elevada concentración de Nitrógeno y amóniaco

destruyen las bacteria metanogénicas.(Hilbert, H., Instituto de Ingeniería Rural) y

b).- Los de operación, los cuales se toman en cuenta para poder tener las mejores condiciones

de trabajo del reactor:

Temperatura, el sistema puede operarse a temperatura ambiente y bajo condiciones

mesofílicas (temperaturas en un rango de los 35°C) o termofílicas (temperaturas en un

rango de los 55°C). Es importante mencionar que las tasas de crecimiento y reacción

aumentan conforme lo hacen los rangos de temperatura, pero también la sensibilidad

de algunos inhibidores, como el amoniaco, mientras que en el rango mesofílico se

aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos.


29

Agitación. Este parámetro operacional es función del tipo de reactor, ya que de esto

depende que exista una mejor transferencia de sustrato a cada población o agregados

de bacterias.

Tiempo de retención. Este no es más que el tiempo medio de permanencia del sustrato

en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos.

Velocidad de carga orgánica (OLR, siglas en inglés). Es la cantidad de materia

orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja

concentración en el sustrato y/o elevado tiempo de retención. El incremento en la OLR

implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica

introducida, por lo que es necesario encontrar un valor óptimo, técnico y económico

para cada instalación u residuo a tratar.

Reactor de 10L

Antes de inocular el reactor de 10L fue preciso determinar si los lodos seleccionados eran

capaces de degradar la materia orgánica presente para producir biogás, para ello se realizaron

pruebas de degradación en microcosmos (aproximadamente dos semanas), tanto para acetato

como para biomasa residual microalgal como única fuente de carbono.

El propósito de esta parte del trabajo experimental fue demostrar la producción de biogás con

biomasa residual algal, utilizando el lodo que presentará mayor actividad metanogénica, para

inocular el reactor a nivel laboratorio (UASB) para su posterior cuantificación del metano en

el biogás.

Con base en los balances teóricos mostrados en la parte de antecedentes para la composición

en específica de la microalga con la cantidad utilizada de acetato se esperaría obtener 44.9

g de metano, de los cuáles al realizar la experimentación sólo se produjeron 40.46g, con lo

cual se concluye que la recuperación de metano para nuestra referencia fue de 91.2% con las

primeras pruebas con lodos de la UAM-I. Para las mismas condiciones cambiando

únicamente el sustrato (biomasa residual algal), se esperaba una producción de 33.16g de

metano y solamente se produjeron 14.7g, es decir, sólo se recuperó el 43.7% de la producción

de metano esperada.


30

En cuanto a los lodos de “La Costeña” se obtuvo una recuperación de metano del 77% con

respecto al acetato agregado, y con relación al cálculo inicial con la biomasa residual sólo se

recuperó 28% del carbono agregado inicialmente, con lo anterior podemos concluir que el

tipo de lodo utilizado es una determinante importante en la producción de metano.

Finalmente se calcularon los rendimientos específicos de producción de metano para el uso

de ambos lodos, teniendo como resultado para los lodos de de la UAM-I, se obtuvieron 0.14

LCH4/g SSV para acetato y 0.06 LCH4/g SSV para biomasa, para los lodos de La Costeña

un rendimiento de 0.067 LCH4/g SSV, un 47% del rendimiento con los lodos de la UAM-I

para acetato y 0.015 LCH4/g SSV para biomasa residual algal, sólo un 25% de lo que se

produjo con los lodos de la UAM-I.

La selección del lodo para su uso en el reactor de 10L es el de la Planta de Tratamiento de

Aguas de la UAM-I, bajo condiciones mesofílicas y agitación constante, las pruebas en el

reactor se harán para ambos sustratos (acetato y biomasa residual algal), recordando que el

tiempo de operación será de una semana aproximadamente para llevar a cabo la cuantificación

de metano en el reactor, la descripción del reactor en operación es la siguiente:

La forma de operación del reactor consistió en un flujo ascendente que permite la formación

de un lodo metanogénico con buenas propiedades de floculación y sedimentación, dando

como resultado un lecho de lodos en la parte inferior del reactor con medio mineral que

contiene al sustrato a digerir, particularmente acetato de sodio anhídrico y biomasa algal. En

la parte superior del reactor se instaló un sistema de captación de biogás, conformado por una

campana conectada a una bolsa especial para captación de gases. La campana evita la salida

de los sólidos suspendidos en el medio y favorece la salida del gas hacia la bolsa.

Al inicio de la experimentación con el reactor, se mantuvieron condiciones fundamentales

para el desarrollo de un proceso de digestión anaerobia óptimo. Dentro de estas condiciones

ambientales se encuentra el pH que debe mantenerse en rangos muy cercanos a la neutralidad

(pH=7) y así evitar acidificación durante el proceso. Se mantuvo la disponibilidad de

nutrientes tales como carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que permitan y aseguren el

crecimiento y la actividad de los microorganismos.


31

En lo que respecta a los parámetros operacionales del reactor, se controló la temperatura,

manteniendo condición mesofílica (31-32°C) durante todo el proceso. Por otro lado se

mantuvo agitación constante por medio de un sistema de recirculación de medio mineral que

permite que el reactor se comporte como un reactor semi-continuo de tanque agitado

propiciando una mejor transferencia de sustrato al consorcio de microorganismos, el flujo de

recirculación empleado es de 0.047ml/s mediante el uso de una bomba peristáltica. Finalmente

el tiempo de retención osciló entre los 6 y 8 días, en este tiempo se tiene el punto máximo de

consumo, hasta que finalmente la producción de biogás se estabiliza y decrece después de que

el sustrato fue consumido por los microorganismos; este reactor inoculado opera inicialmente

como un lote alimentado.

Los resultados de la operación del reactor en cuanto a cantidad de sólidos suspendidos

volátiles son:

Tabla 5. Datos de operación del reactor

Volumen total 10L

Volumen de lodos 2L

SSV 1206.93g

El reactor en funcionamiento con acetato como sustrato, se mantuvo en operación durante tres

meses, dando los siguientes resultados:

Tabla 6. Cantidad de metano obtenido del digestor anaerobio

Volumen de biogás (ml) % Metano

2320 94

5215 43.3

1600 6.8

480 2.04

El promedio de metano obtenido en el biogás, durante el período de operación de tres meses

fue del 48%.

6.2 Balances de materia y energía


32

Los balances son la base fundamentales, para determinar la eficiencia del proceso y de esta

manera establecer los parámetros de diseño de la planta generadora de biogás, además de

permitir:

Evaluar la cantidad de biomasa que se debe emplear para cumplir con los objetivos del

mercado a nivel industrial, la energía gastada en la planta generadora de biogás

Especificar las condiciones de operación (entrada y salida) y la escala del proceso

Con estos datos se puede cotizar, dimensionar o diseñar cada etapa del proceso de generación

de biogás.

Los balances se escriben a partir de los flujos de masa y energía por unidad de tiempo a través

de un volumen de control, de la forma:

a) Régimen permanente sin generación de calor: E = S

b) Régimen dependiente del tiempo sin generación de calor: E = S + A

c) Régimen transciente con generación de calor: E + G = S + A

Donde E:entrada, S:salida, A:acumulación y G:generación.

Cada una de estas cantidades son flujos de masa o energía por unidad de tiempo; en el caso

de masa, se puede escribir para la masa total, o bien para la masa de una de las especies

constituyentes de la mezcla.

La figura 19 presenta la cantidad necesaria de biomasa residual algal para generar 2.5MWh

(siendo este dato la base de cálculo para los balances) por día para cubrir el déficit energético

de la zona norte del país. Teniendo un total de 11.9 tonelada de biomasa residual algal anual

necesarias para cubrir ese déficit, dato tomado del análisis de mercado.

Para establecer los balances de materia y energía, primeramente se define la base de cálculo,

que en este caso es la siguiente:

11.9 Ton /Año

Biomasa residual

612.75 m3

Biogás

294.12 m3 CH4

generado

48 % del biogás

es CH4


33

Figura 19. Esquema para la base de cálculo

Balance de materia

A continuación se muestra el balance de materia, especificando el balance de carbono para

saber la cantidad de biomasa residual algal que debe de suministrarse diariamente a cada

reactor donde se llevará a cabo el proceso de digestión anaerobia, del cual se derivará la

generación del biogás que se convertirá en energía eléctrica mediante el proceso de

combustión de este biogás.

Producción de

microalgas

14.4 m3

TR= 7 días

Recuperación

de microalgas

Extracción

lipídica Transterificación

Digestión

anaerobia

Purificación

de biogás

Combustión

CH4

Agua + Nutrientes

21.108 m3 CH4 96%

11.107Kg de C

3.274 m3 de CO2

0.893Kg de C

24.382 m3 Biogás

12Kg de C

32.7Kg Biomasa microalgal

seca

11.743Kg de C

Glicerol

2.657Kg de C

3.3Kg lípidos 3.6Kg microalga

seca

14.4Kg de C

40.725Kg CO2

11.107Kg de C

Luz (80,000 luxes)

Agua + Nutrientes

Alcohol


34

Figura 20. Balance de materia

Este balance considera desde el cultivo de la microalga, el proceso de extracción de aceites y

finalmente el proceso de generación de biogás (que es interés en este proyecto), teniendo como

base el ingreso de 32.7 kg de biomasa residual algal al proceso de digestión anaerobia de los

cuales se generan 24.382m3 de biogás, el cuál es purificado para un mejor aprovechamiento,

de la mezcla de biogás se logra separar 96% en metano (CH4) que es llevado a combustión

para su posterior conversión en energía eléctrica, y el 4% restante es CO2, que es llevado al

cultivo de microalgas para ser aprovechado en el crecimiento de las mismas.

Balance de energía

La parte del estudio de mercado y la ubicación de la planta, muestran la demanda energética

que se plantea satisfacer con la producción de biogás siendo esta de 2.5MWh/día, por lo que

el balance de consumo de energía del proceso de producción de biogás se muestra de la

siguiente manera:

Transformador

Cultivo de

microalgas

Extracción

lipídica

Transterificación

Digestión

anerobia

Recuperación de

CO2

Recuperación de

H2S

Medidor de biogás Compresor

Tanques de

almacenamiento

Generadores de

energía

Se generan

805.8L/día de

biogás

22 KWh /día


35

Figura 21. Balance de energía. En rojo se encuentran las etapas de consumo de energía del

proceso y de azul, las etapas generadoras de energía

Los valores en color rojo representan el consumo de energía de los equipos empleados en cada

etapa marcada, y los de color azul representan la generación de energía eléctrica diaria de la

planta generadora de biogás que son los 2500KWh/día y son generados a partir de 805.8L de

biogás que produce en la digestión anaerobia; existe un consumo de 512KWh/día, es decir,

una tercera parte de lo que se produce de energía es utilizado en la planta para el proceso de

producción de biogás.

Con esta información, se puede diseñar cada uno de los equipos del proceso de generación de

biogás a partir de la biomasa residual algal.

6.3 Síntesis del proceso de producción de biogás

El biogás, estacompuesto principalmente de metano y dióxido de carbono. Este se produce

durante la digestión anaerobia de la materia orgánica en presencia de bacterias metanogénicas.

El metano contenido de este biogás, puede ser convertidor en energía eléctrica mediante

turbinas generadoras de combustión a gas y todas las aplicaciones posibles. Las microalgas

casi no contienen lignina y celulosa, por lo que favorece la estabilidad y la alta eficiencia de

conversión, por lo tanto la digestión anaerobia demuestra por lo tanto ser un buen proceso

para la producción de biogás (Vergara, 2008).

El proceso global para la producción de biogás a partir de biomasa microalgal comienza con

la obtención o recuperación de la biomasa residual, la cual proviene de una planta productora

de biodiesel que a su vez utiliza el CO2 producido por una planta generadora de energía

eléctrica. La biomasa residual se mezcla con una corriente de medio mineral antes de entrar

al digestor y así tener una suspensión que facilite la alimentación adecuada al reactor donde

se llevará a cabo el proceso de digestión tal que permita la bio-conversión de la biomasa a

2500 KWh /día

300 KWh /día 120 KWh /día


36

biogás, el metano presente en el biogás (posterior a su limpieza), se envía a un generador de

energía con el cual se logra convertir el metano en electricidad; el diagrama que representa

este proceso se muestra a continuación:


37


38

Un porcentaje de la electricidad generada se utilizará para autoconsumo tanto en la planta de

producción de biodiesel como para la generación de biogás, en los procesos del cultivo de las

algas, deshidratación, extracción de los lípidos, etc. El dióxido de carbono presente en el

biogás es recirculado para su procesamiento en el cultivo de microalgas y así dar nuevas

ventajas al proceso como la depuración del biogás. Además, la biomasa residual del digestor

anaerobio puede utilizarse para la elaboración de fertilizantes y/o alimentos de origen animal

(Sialve, 2009). Con lo cual se busca la obtención de energía renovable y sostenible. Sin

embargo, la integración del sistema de producción de biodiesel con la producción de metano

a partir de microalgas apenas comienza a ser reportada en la literatura.

La etapa de diseño y escalamiento del sistema de producción de biogás a partir de biomasa

residual algal, tiene como objetivo analizar el sistema integrado de producción de biodiesel

con producción de metano a través de la digestión anaerobia, con la finalidad de mejorar la

economía y los factores de sostenibilidad del biodiesel microalgal.

6.4 Diseño de equipos y optimización del proceso

A continuación se presenta el diseño de los equipos que intervienen en cada etapa de operación

de la planta de generación de biogás a partir de la biomasa residual algal proveniente del

proceso de producción de biodiesel: la primera etapa comienza con la materia prima de nuestro

proceso que es la biomasa residual obtenida después de la extracción de aceites para la

producción de biodiesel. La segunda etapa es la digestión anerobia; donde se lleva a cabo la

generación de biogás que contiene metano, de nuestro interés y finalmente la tercera etapa es

la de generación de energía eléctrica, donde se lleva a cabo la transformación del metano

contenido en el biogás en energía eléctrica pasando por un generador y posteriormente por un

transformador. A continuación se muestra el diseño de los equipos que intervienen en cada

etapa del proceso de producción de biogás, como fue mencionado anteriormente.

6.4.1 Materia prima

Fig

ura

22.

Dia

gra

ma

de

pro

ducc

ión d

e bio

gás

a p

arti

r de

bio

mas

a re

sidual

alg

al, p

roven

iente

del

pro

ceso

de

pro

ducc

ión d

e bio

die

sel


39

El cultivo de microalgas permite la obtención de diversos productos con fines energéticos,

tales como: biodiesel, bioetanol y biomasa. Los requisitos básicos para el crecimiento de las

microalgas son energía solar, agua, dióxido de carbono y nutrientes inorgánicos, el cultivo de

microalgas a gran escala es teóricamente simple comparado con otros microorganismos. A

corto, mediano y largo plazo el cultivo de microalgas necesita controlar parámetros

ambientales (temperatura, pH, luz, alimentación de CO2, etc.).

Los sistemas de cultivo cerrado ofrecen mayor flexibilidad en la elección del organismo y la

técnica de cultivo continuo aplicado a dichos sistemas permite un mejor control de

crecimiento. Por otro lado, deben considerarse tres importantes problemas técnicos en el

desarrollo de sistemas comerciales para el cultivo masivo de microalgas:

• La construcción de un sistema de cultivo adecuado. En el cual su diseño refleja la necesidad

de equilibrar las necesidades biológicas de las microalgas con las características físicas del

sistema.

• Los contaminantes pueden reducir la calidad y el rendimiento global del producto de las

microalgas.

• Para encontrar el método más adecuado para la separación de la biomasa microalgal del

medio, las técnicas más fiables, son generalmente las más caras.

De acuerdo con Chisti (2007), el cultivo de microalgas en canales abiertos es más adecuado

para la producción de microalgas que en fotobiorreactores, incluso si la tasa de crecimiento

de las microalgas es menor en los estanques abiertos que en fotobiorreactores. En realidad, la

relación de energía neta para la biomasa total es mayor en estanques que en fotobiorreactores

de placa plana (Jorquera et al. 2009). Además, el costo de los fotobiorreactores es mayor que

el costo de los estanques de pistas de rodadura abiertas (Del Campo et al., 2007). En

consecuencia, el cultivo se realiza en 8 estanques abiertos de 48m2 (10m de largo y 4.8m de

ancho) de superficie útil y con una profundidad de 30cm. El tiempo de cultivo es de 7 días.

El área del estanque y las paredes internas están cubiertas con un revestimiento de PVC y

acrílico.


40

El CO2 es suministrado de dos maneras: una a través de la fijación del CO2, en un sistema de

membranas que se disuelve en agua, y como gas comprimido inyectado en los estanques. Los

tubos de PVC llevan las corrientes líquidas y gaseosas a los estanques. Las microalgas

capturan 90% del CO2 inyectado (Sheehan et al., 1998). El costo de la energía de la inyección

se evalúa en 22,2 Wh por Kg de CO2 (Kadam, 2002). La cantidad de CO2 que se debe inyectar

al sistema es de 50 ml CO2/min y 5L aire/ min para un tanque de 34.5 litros.

La recolección de la biomasa

La recolección de la biomasa se realiza en dos pasos. El primero, una decantación natural, y

el segundo, una concentración de las algas por centrifugación.

Sedimentación natural

Gran cantidad de procedimientos han sido hechos por la descripción del proceso de

sedimentación pasiva, sobre la base de los datos recogidos por los autores en la escala de

laboratorio en fotobioreactores. Los datos experimentales mostraron buenas propiedades de

sedimentación de Scenedesmus obliquus, que es el género al que pertenece la microalga con

la que se trabajó en este proyecto. Posteriormente el desbordamiento se recircula hacia los

estanques de micoalgas.

Tal eficiencia de cosecha requiere bombear 14.4𝑚3

𝑑í𝑎 de cultivo, lo que significa un consumo

de energía eléctrica de 0.716𝐾𝑊ℎ

𝑑í𝑎 para el bombeo.

Etapa de centrifugación

La centrifugación se realiza a través del espiral de la tecnología de placas de Evodos (2010).

De acuerdo a los detalles de construcción, con densidad de 7𝑘𝑔

𝑚3, la energía necesaria con el

fin de obtener una pasta de algas con 30% de materia seca es 1𝑀𝐽

𝑘𝑔 . Suponemos que con una

tasa de carga de 10𝑘𝑔

𝑚3, el consumo de energía para obtener una pasta de algas el 5% de materia

seca en el flujo de salida es igual a 0.15𝑀𝐽

𝑘𝑔 . Este consumo de energía tiene en cuenta la

energía necesaria para la inyección de las microalgas en los digestores anaerobios. La


41

alimentación a los dispositivos de centrifugación es de 3𝑚3

ℎ, por lo tanto 1 máquina es

suficiente para el tratamiento de los 14.4𝑚3

𝑑í𝑎.

Con los datos de producción necesarios de biomasa, se decidio seleccionar los estanques

abiertos para la producción de microalgas, donde estos se diseñan de tal manera que en el

interior de ellos sea posible hacer circular agua y nutrientes constantemente alrededor y

conjuntamente con las microalgas. De tal manera las microalgas se mantienen suspendidas en

el agua y, con frecuencia, son traídas a la superficie. Es decir, el agua y los nutrientes para las

microalgas son suministrados constantemente. El agua que contiene algas es enviada al otro

lado del estanque. Además algunas ventajas de estos estanques abiertos son los bajos costos

de instalación y mantenimiento.

La biomasa residual algal que es la materia prima del proceso de producción de biogás es

obtenida del proceso de producción de biodiesel, pero para tener esta materia prima la

biorefinería que rige la producción del biocombustible, solicita la contribución con la parte de

extracción de aceites y obtención de biomasa residual, por lo que en el análisis económico se

incluirá la parte de extracción de aceites.

6.4.2 Producción y almacenamiento de biogás

A continuación se presenta el desarrollo sobre el dimensionamiento del digestor anaerobio a

emplear para el proceso de digestión anaerobia de biomasa residual de microalgas.

Inicialmente se muestra el dimensionamiento del reactor, así como todos los criterios de

escalamiento y los factores que influyen en un escalamiento de este tipo. Posteriormente se

encuentra la estimación de costos para los reactores anaerobios que se emplearán en la planta,

es preciso recalcar que esta sección se divide en dos partes que permiten reflejar un costo

general del equipo por medio de una cotización y después se hace referencia a la construcción

del digestor incluyendo una ingeniería de detalle más específica. Por último se localiza el

análisis de riesgos correspondiente al equipo.

Como se planteó en la parte experimental de este trabajo, existen diferentes tipos de reactores

para el proceso de digestión anaerobia. Uno de los más empleados con tal fin, es el reactor de

lecho de lodos de flujo ascendente (UASB, por sus siglas en inglés: Upflow Anaerobic Sludge


42

Blanket) debido a sus amplias ventajas tales como un bajo requerimiento de energía, no

requiere soporte para la retención de la biomasa, su construcción es simple y es aplicable a

escala laboratorio y piloto.

Dimensionamiento del reactor anaerobio

En esta parte se presentan los parámetros y factores que se tomaron en cuenta para el

escalamiento del reactor anaerobio que será destinado para el proceso de digestión anaerobia

de biomasa residual de microalgas. Partiendo de una base de cálculo de 2500𝐾𝑊ℎ

𝑑í𝑎, que es el

déficit energético que se pretende atacar en la zona norte del país, es decir, la energía por

generar y suministrar y también tomando en cuenta factores obtenidos a partir de resultados

experimentales y de la literatura tales como:

La capacidad de transformación de metano en energía, que son 8.5𝐾𝑊ℎ

𝑚3 CH4.

El metano requerido para satisfacer el déficit energético de 2500𝐾𝑊ℎ

𝑑í𝑎 que son 294.12

m3.

El porcentaje de metano contenido en el biogás de microalgas, que es del 48%.

Y el biogás producido de forma experimental, 612.75 m3.

Se trabajó inicialmente en la determinación de la cantidad de biomasa residual de microalgas

procedente del proceso de producción de biodiesel, necesaria para poder cumplir con el déficit

energético anteriormente mencionado. Por otro lado es preciso y necesario retomar datos de

las pruebas experimentales de microcosmos que contribuyan a la obtención de la cantidad de

biomasa de microalgas.


43

Los factores tomados en cuenta son los siguientes:

Tabla 7. Datos tomados de las pruebas de microcosmos como criterios de escalamiento

Factores tomados en cuenta de las pruebas de microcosmos

Volumen total (ml) 125

Volumen de operación (ml) 50

Concentración de carbono en biomasa microalgal (g/L) 3.85

Cantidad de carbono en biomasa microalgal cada 125 ml (g) 0.19

Metano producido, CH4 (ml) 39.2

Cantidad de sólidos suspendidos volátiles, SSV (g) 2.97

g de microalga procesada/g SSV 0.064848

g de microalga procesada/Kg de SSV 64.85

Tasa específica de producción de metano (mmoles CH4/día) 0.15

Tomando como referencia la tasa específica de producción de metano (0.15mmoles CH4/día)

mostrada en la tabla 7, se calculo la tasa específica de producción de metano:

1.597 𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝐻4

𝑔 𝑆𝑆𝑉. 𝑑í𝑎

Realizando un cálculo para determinar los requerimientos de m3CH4/día que satisfagan la base

de cálculo energética que se muestra al inicio de esta parte y relacionándolo con la tasa

especifica de producción de metano, el metano requerido para abarcar el déficit energético y

el porcentaje de metano contenido en el biogás obtenido experimentalmente, se obtuvo un

volumen de 805.80𝐿

𝑑í𝑎 lo que arroja un requerimiento de 504.32 kg de SSV. Posteriormente

la relación directamente proporcional de los 𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑎𝑙𝑔𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑑𝑎

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑆𝑆𝑉 y los kg de SSV obtenidos

con anterioridad da como resultado un requerimiento diario de 32.704 kg de biomasa algal


44

para cubrir la demanda energética de 2500𝐾𝑊ℎ

𝑑í𝑎 . Lo anterior se resume en un procesamiento

anual de 11.93 toneladas de biomasa residual de microalgas procedente de la producción de

biodiesel.

Una vez que se han determinado las cantidades necesarias de biomasa microalgal para cumplir

con el requerimiento energético de la zona norte del país, y como se ha planteado en las partes

anteriores de este proyecto terminal, la parte medular del proceso global de producción biogás

partir de biomasa residual de microlagas, es la digestión anaerobia, por lo que el uso de un

reactor anaerobio (digestor anaerobio) es de suma relevancia e importancia para el proceso.

Independientemente de las pruebas realizadas en microcosmos, se tuvo la oportunidad de

operar un reactor tipo UASB del cual se da una breve descripción en la parte introductoria de

este segmento, y de donde se extrajeron datos relevantes que condujeran a un escalamiento

más preciso con base a las dimensiones del reactor empleado.

El reactor tiene un volumen total de 10 L con un volumen de operación de 10 L, compuesto

de 8L de medio mineral con sustrato y 2L de lodos metanogénicos. Físicamente el reactor está

compuesto por una campana superior que tiene como función direccionar el biogás producido,

permitiendo solo el paso del gas e impidiendo el paso de líquidos y sólidos hacia la bolsa

Tedlar que se encarga de la recepción y captación del biogás. El reactor cuenta con una

chaqueta que permite tener control sobre la temperatura de operación que en el caso particular

de este proyecto, fue operado en condiciones de temperatura mesofílicas, es decir, en un rango

de temperatura que oscila en los 35°C, también cuenta con un sistema de recirculación que le

da la flexibilidad de operar como un reactor por lote alimentado que fue la forma en que se

operó durante toda la etapa experimental y por otro lado con la recirculación activada que da

como resultado el comportamiento de un reactor semicontinuo de tanque agitado. El reactor

tiene una altura 1.32 m de altura y un diámetro de 40 cm. El tiempo de residencia fue de 15

días con una producción máxima de biogás de 6000 ml (6 L) con un rendimiento de metano

del 48%.

Mediante una relación directamente proporcional entre la cantidad de sólidos suspendidos

volátiles (SSV) necesarios para el requerimiento de metano (805.80 L/día) que satisface el

déficit energético que se atacará (2500 KWh/día) y el volumen total del reactor e


45

indirectamente proporcional a la cantidad de SSV contenidos en el reactor (1206.93 g SSV)

se determina un volumen de reactor de 4178.55 L equivalente a 4.178 m3, con un diámetro de

1.38 m y una altura de 2.76 m cada uno de los que se vayan a emplear.

Ya que se determinó la dimensión necesaria de un reactor anaerobio, es preciso definir que se

necesitan mínimo 16 reactores de 4.18 m3 de tal forma de que se pueda poner en

funcionamiento uno diariamente y de esta manera cumplir con los 15 días del tiempo de

residencia necesarios para una producción optima de biogás que permita satisfacer los 805.80

L/día que se pretenden producir, el décimo sexto digestor, tiene la función de arrancar

nuevamente el proceso y poder tener un día de reserva para mantenimiento de cada uno de los

digestores. Lo anterior permite tener un proceso continuo de producción de biogás.

Estimación de costos, Reactor anaerobio

Partiendo de la referencia sobre producción de biogás a partir de desechos agrícolas y

ganaderos, la construcción de biodigestores para poder hacer un aprovechamiento integral y

benéfico de estos residuos resulta en una inversión alta por lo que da como resultado una

limitante debido al bajo ingreso de los pequeños granjeros y campesinos de zonas rurales.

Lo anterior sugiere la necesidad de construir biodigestores de materiales flexibles, baratos y

que por supuesto sean materiales de alta disponibilidad en el país que se pretende construir.

El uso de polietileno en América Latina, Asia y África es muy común para una infinidad de

productos y el empleo de este en la construcción de biodigestores no es la excepción, esto

debido a su alta disponibilidad en el mercado mexicano, su fácil manejo, su flexibilidad, su

bajo costo. Para el caso particular de la producción de biogás de microalagas y con base en el

volumen de 4.187 m3 que se requieren para los biodigestores, se decidió emplear biodigestores

prefabricados “Rotoplas” de 7000 litros, con un sobredimensionamiento de más de 30%. Estos

biodigestores cuentan con una forma cilíndrica que permite mayor eficiencia al contemplar

dispositivos de entrada y salida, así como un nivel de operación y mantenimiento mínimo.

Los biodigestores “Rotoplas” están compuestos por un exterior, tapa click, conexiones

termofusionables de polietileno de entrada, salida, expulsión de sólidos y venteo, válvula para

expulsión de lodos, filtro interno de polietileno y material filtrante (PET cortado).


46

A continuación se muestra un diagrama de las partes que conforma el Biodigestor Rotoplas.

Figura 23. Diagrama representativo de un Biodigestor Rotoplas

Dentro de las ventajas que tiene el emplear este tipo de biodigestores prefabricados,

encontramos que eliminan el costo de limpieza cada dos años, no requieren mantenimiento ya

que únicamente con el simple hecho de abrir una llave el biodigestor se desazolva, no

contamina los mantos freáticos ni el medio ambiente, cumple con la norma NOM006-CNA-

1997, está fabricado con plásticos de alta tecnología que aseguran una duración de más de 35

años, tiene garantía de 5 años y reafirma la disminución significativa de costos de

mantenimiento e instalación. En otra parte, por la geometría que presentan en la parte superior

con ángulo de inclinación, toman la forma de una campana que puede fungir como la campana

Lodos activados

Tubería de alimentación

de suspensión de

biomasa residual de

microalgas

Acceso de limpieza y

desobstrucción de lodos

Válvula de extracción de lodos

Tapa click

Tubería de salida de medio

mineral y sólidos no digeridos

Cámara de digestión

Filtro de polietileno empacado

con filtros de PET cortado.


47

que llevan por default los reactores UASB, ya que permite la separación y descarga adecuadas

del biogás en cada reactor, sirve como una clase de barrera para expansiones de los lodos

dentro del digestor y previene el lavado del lodo que fluctúa dentro de la cámara de digestión.

Si bien no todo puede ser tan favorable, algunas desventajas serían que se tendrían que hacer

algunas adaptaciones como un sellado hermético en la tapa click del digestor además de una

adaptación para tubería de polietileno que permita la conducción del biogás producido, éste

también con un sellado hermético que evite fugas. Algunas otras adaptaciones son la

cancelación de la tubería de salida de líquidos y sólidos como medio mineral y sólidos no

digeridos, ya que por esa parte podrían presentarse fugas no deseadas que daría como resultado

una despresurización del biogás contenido en el headspace o campana del reactor y por ende

el gas no subiría ni se conduciría por la tubería de polietileno hacia los tanques de

almacenamiento, mientras que otra adaptación sería un sellado hermético en el acceso de

limpieza y desobstrucción de lodos independientemente de la tapa con la que ya cuenta el

digestor.

Las especificaciones generales del Biodigestor Rotoplas son las siguientes:

Tabla 8. Especificaciones generales del Biodigestor Rotoplas

Especificaciones generales del Biodigestor

Rotoplas

Capacidad 7000 litros

Atura máxima 2.65 m

Diámetro máximo 2.4 m

Así, para poder tener una idea más clara sobre las dimensiones del biodigestor prefabricado,

a continuación se muestran las dimensiones y especificaciones más a detalle para un reactor

anaerobio prefabricado de este tipo.


48

Figura 24. Diagrama de dimensiones del Biodigestor Rotoplas de 7000 litros

Tabla 9. Especificaciones a detalle del Biodigestor Rotoplas (Dimensiones)

Dimensiones del Biodigestor Rotoplas de 7000 litros

(A) Altura máxima 2.60 m

(B) Diámetro total 2.40 m

(C) Diámetro de la base 0.25 m

(D) Ángulo de inclinación en la base 45 grados

(E) Diámetro interno del digestor 18 plg

(F) Tubería de entrada de suspensión algal 4 plg

(G) Altura de tubería de entrada a base 2.38 m

(H) Tubería de salida de medio mineral y

sólidos no digeridos

2 plg

(I) Altura de tubería de salida a base 2.27 m

(J) Válvula de extracción de lodos activados 2 plg

(K) Altura de válvula de extracción a base 1.87 m


49

Por medio de una cotización del Biodigestor Autolimpiable “Rotoplas” con la empresa Acero

Yes S.A. de C.V., el costo por cada unidad de 7000 litros de capacidad es de $35, 200.00

pesos M.N. al mes de agosto de 2012; lo que arroja un costo de $563, 200.00 pesos M.N. por

los dieciséis biodigestores necesarios para la planta de producción de biogás. Tomando el tipo

de cambio del peso con respecto al dólar al mes de agosto del 2012 (santander.com.mx) se

tiene que $1 USD=$13.18 pesos M.N. lo que arroja por resultado un costo en dólares de

$2,670.71 USD por cada unidad y un costo total de $42, 731.36 USD por los 16 biodigestores.

El costo de instalación de un biodigestor corresponde a un aproximado de $2, 000.00 pesos

M.N. por cada unidad incluyendo mano de obra, excavación, tubería de alimentación y

tubería de salida. Lo anterior arroja un costo de instalación total de $ 32, 000.00 pesos M.N.

por los 16 digestores que contempla el sistema de producción de biogás. Al tipo de cambio de

$1 USD=$13.18 pesos M.N. (año 2012), el costo unitario de instalación en USD sería de

$151.74 USD y el total de instalación sería de $2, 427.92 USD.

En la siguiente tabla se presenta un resumen detallado de los costos del sistema de

biodigestores destinados a la degradación de biomasa de microalgas para la producción de

metano.

Tabla 10. Tabla de estimación de costos para el sistema de producción de biogás de

microlagas

Costos de adquisición e instalación del sistema de Biodigestores Rotoplas de 7000 litros

Unidad Cantidad Costo unitario

($M.N.)

Costo por las

16 unidades

($M.N.)

Costo de

instalación/

unidad

($M.N.)

Costo de

instalación/16

digestores ($M.N.)

Costo total del

sistema de

producción de

biogás ($M.N.)

Costo total del

sistema de

producción de

biogás

($USD)

Biodigestores

Rotoplas de

7000 litros

16

$32, 500.00

$563, 200.00

$2, 000.00

$32, 000.00

$595, 200

$45, 159.33

Para fines de mantenimiento, el digestor es auto-limpiable ya que con el simple hecho de abrir

la válvula de extracción de lodos, el lodo alojado en el fondo del digestor sale por gravedad,

en caso de que se observe que el lodo sale con dificultad, se hurga con un palo de escaba en

el tapón de limpieza y a lo largo de esta misma tubería. Para la limpieza del filtro es


50

recomendable limpiarlo echando agua con una manguera después de una desobstrucción y de

haber extraído lodos.

La ingeniería de detalle de un proyecto se caracteriza por una definición que refleja y

contabiliza los pormenores de los materiales, mano de obra, equipos de proceso, etc., del

proyecto con una planificación estructurada y detallada para la ejecución del mismo. En el

caso particular del biodigestor es necesario incluir materiales que son ajenos a la

prefabricación ya que este requiere de más accesorios tales como más válvulas, materiales de

conducción de biogás, sellos herméticos, tuberías adicionales de polietileno, etc., y que

necesitan ser implementados al tiempo en que se instalen cada uno de los biodigestores.


51

A continuación se presenta una tabla que muestra la ingeniería de detalle por biodigestor con

los respectivos costos unitarios y globales de cada material.

Tabla 11. Tabla de ingeniería de detalle que muestra estimación de costos de materiales por

Biodigestor Rotoplas de 7000 litros

Materiales y presupuesto estimado para Biodigestores Rotoplas de 7000 litros (en

pesos M.N. y USD al siguiente tipo de cambio $1 USD=$13.18 pesos M.N.) (Costos en

agosto de 2012 en la Ciudad de México D.F.)

Unidad Unidades por

biodigestor

Precio

unitario

Costo por biodigestor

Pesos

($M.N.)

Dólares

($USD)

Con

du

cció

n d

e b

iogás

Tuberia de

PVC de 2”

2.5 m 22.40 56 4.25

Válvula de

bola de

plástico 2”

1 84 84 6.37

Flanges 2”

de plástico

2 58.8 117.6 8.92

Tee PVC 2” 1 84 84 6.37

B

iod

iges

tor

Tuberia de

PVC de 4”

2.5 m 39.2 98 7.44

Válvula de

bola de

plástico 4”

1 126 126 9.56

Flanges 4”

de plástico

2 91 182 13.8

Tee PVC 4” 1 140 140 10.62

Total: 887.6 63.33


52

Análisis de riesgos del reactor anaerobio

Tomando en cuenta que el mayor riesgo del biogás es principalmente su flamabilidad y

explosividad al combinarse con el oxígeno contenido en aire. Por otro lado la mezcla de gases

que contiene el biogás es de alta peligrosidad si el metano contenido presenta concentraciones

entre el 5 y 15%. También el biogás está compuesto por CO2 que en una concentración mayor

al 18% tiene repercusiones con efectos asfixiantes, mientras que el H2S un compuesto de alta

toxicidad y que en concentraciones mayores a 50 mg/m3 es mortal. Los dos últimos gases que

se mencionan son más pesados que el aire, por lo que implica el riesgo de acumulación en

zonas bajas de recintos cerrados.

El peligro de asfixia o toxicidad que representa el biogás generado por un digestor anaerobio,

puede resolverse mediante ventilación natural, detectores de gas y con los procedimientos y

precauciones adecuadas al momento de operar en el recinto o zona de riesgo, es también

necesario contar con equipos adecuados de emergencia tales como detectores portátiles y

equipos automáticos de respiración.

La purificación del biogás está en función del uso final que se le dé y se debe conseguir la

eliminación de compuestos indeseables como el CO2 y H2S, mientras que por otro lado se

debe captar el biogás generado. En el caso particular de este proyecto, el CO2 que se produce

durante el proceso de digestión de biomasa de microalgas, será separado mediante membranas

de separación y recirculado a los sistemas de cultivo de microlgas, mientras que en el caso del

H2S se tiene la intención de inyectarlo a un sistema de biofiltración que permita la fijación y

degradación de este compuesto tóxico.

Diseño y estimación de costos, tanque de medio mineral

Un paso posterior a la obtención de la materia prima, es el tanque que contiene el medio

mineral con el que se mezclará la biomasa (obtenida del proceso de extracción de aceites) para

transportar esta mezcla a cada digestor donde se llevará a cabo el proceso de degradación para

la generación de biogás.


53

Este tanque debe estar diseñado para abastecer la demanda de los 16 reactores anaerobios que

se proponen con anterioridad, por lo que debe ser de un volumen igual a 35m3, que podrá

almacenar el contenido de mezcla (medio y sustrato microalgal) de una semana, el material

de este tanque de Carbon Steel & API y es un tanque vertical, con una tapadera en forma de

cono.

El costo de este tanque de medio es de $18,300 USD; está cotización fue realizada mediante

el software Equipment Cost Estimates, así como su costo de instalación de $200 USD que

corresponde a la instalación del equipo y la instalación de la tubería.

Eliminación de CO2

Es necesario enriquecer el biogás para la generación de energía y el compuesto que sigue en

mayor porcentaje (después del CH4) es el CO2, y una manera de separarlo del biogás es

mediante unas membranas de separación.

Las membranas de separación de gases se basan en la diferente interacción que cada uno de

los componentes de una mezcla gaseosa tienen con el material de la membrana, de modo que

uno de estos componentes pueda permear el material más rápido que el resto de componentes;

de este modo se logra una separación selectiva de uno de los gases.

Actualmente, la separación de CO2 mediante membranas es una tecnología en desarrollo con

un elevado potencial debido a que presenta una importante reducción del consumo de energía

asociado a la captura de CO2 (Endesa, 2012).

Los sistemas de membranas funcionan bajo el principio de permeabilidad selectiva, en la cual

ciertos gases atraviesan la membrana más fácilmente que otros; el diseño de la unidad debe

estar basado en la minimización de pérdidas de gases de hidrocarburos, para lo cual la unidad

de membranas debe ser de dos o más etapas o pasos de separación, con la recirculación de

corrientes de gas permeable y uno o más tipos de membranas. La unidad deberá contar con un

sistema de instrumentación y control para una operación segura y adecuada de la misma.

La corriente final del gas permeado con alta concentración de CO2 se debe enviar al sistema

de cultivo de microalgas para su aprovechamiento integral (IMP, 2012).


54

Costo de membranas de separación de CO2

El capital de este sistema de separación corresponde básicamente al costo del sistema de

membranas y de la torre de desorción, la principal característica de los módulos de membranas

es la relación lineal de los costos de los módulos y el área de la membrana.

Las membranas de separación de CO2, tienen un costo de $20,000 USD y la instalación tiene

un costo de $3,000 USD.

Figura 25. Equipo de separación de CO2 por medio de membranas

Figura 26. Esquema de la separación de CO2 con membranas de gases

Membranas

Biogás proveniente del proceso de

digestión anaerobia Biogás con 2-3% CO2

CO2


55

Sistema de eliminación de H2S, Biofiltración

Con el fin de eliminar el porcentaje de H2S (contenido en el biogás de 0% a 3%) en el biogás

se emplean sistemas de filtro con sustancias como cal viva o apagada, limadura de hierro o

ciertos tipos de tierras conocidas como limonitas, las cuales son ricas en sustancias ferrosas.

Otra alternativa para la remoción de H2S consiste en biofiltros, corresponde a uno de los

sistemas de tratamiento más utilizado debido a sus bajos costos de operación, al bajo costo del

material del medio filtrante y a los bajos consumos de agua, además de poseer una alta

eficiencia en la eliminación de distintos contaminantes, en particular el H2S. Dentro de sus

desventajas se encuentra el poco control frente a los fenómenos de reacción, la dificultad de

control de pH ya que se trata con contaminantes que generan productos ácidos, el

taponamiento generado por el exceso de biomasa y los grandes requisitos de espacio.

Los biofiltros consisten en una columna que contiene un material de empaque de elevada

porosidad cuya función es dar soporte y en algunos casos servir como fuente de nutrientes a

los microorganismos. Los microorganismos se encuentran formando parte de una capa que

rodea al material filtrante denominada biopelícula.

A medida que el gas atraviesa el lecho poroso, los contaminantes solubles son transferidos a

los microorganismos debido a la existencia de un gradiente de concentración generado entre

la fase gas y la biopelícula. Una vez en la biopelícula, los contaminantes son degradados por

la biomasa activa, que los utiliza para su metabolismo como fuente de nutrientes y/o energía.

Los ácidos que son generados degradarán rápidamente al medio orgánico, por lo que este debe

ser reemplazado al poco tiempo de operación. Debido a lo anterior, el medio filtrante debe

tener una buena capacidad buffer con la finalidad que pueda consumir el ácido generado y no

inhibir a la actividad bacteriana.

Costo del sistema de eliminación de H2S, Biofiltración


56

El sistema de biofiltración tiene un costo de equipo de 8,508.50 euros que equivale a

$10,674.18 USD y con un costo de instalación del equipo de 3,072.00 euros que es un

equivalente a $3,853.92 USD, esta cotización fue realizada en la empresa Burés, cotización

de biofiltro de H2S.

Figura 27. Reactor de biofiltración

Medidor de biogás

Para asegurar una calidad de biogás a la entrada del generador es necesario instalar un

medidor de biogás el cual determinará el porcentaje de metano (CH4), ácido sulfhídrico (H2S)

y dióxido de carbono (CO2).

El BIOGAS 5000, es un analizador de biogás para vertederos de R.S.U., compostaje y

sistemas digestores de biomasa, inmisiones, etc., pantalla en castellano. Esta unidad incluye

la medición de O2, CO2, CH4 (%vol & L.E.L.), (Opc. H2S), alarmas, presiones atmosférica y

relativa permitiendo introducir, automática o manualmente, los valores de la temperatura.

Permite la obtención de producción y extracción de gases (biogás). Las especificaciones de

este medidor se muestran a continuación:


57

Versiones con seguridad intrínseca ATEX

BM500D0-000

Analizador de Gas por Infra-rojos, gama de 0 – 100 %

O2 = 0 – 25 % CO2 = 0 – 100 % CH4 = 0 – 100 %

Los aparatos se suministran completos con cargador

de baterías, tubo de muestreo, filtro de humedad

y manual en español

Figura 28. Medidor de biogás, BIOGAS 5000

Costo de medidor de biogás

El costo de este medidor de biogás es de 6,450 euros (equivalente a $1.367 USD), que

equivalen a $8,091.73 USD, el valor de instalación del medidor es de 1,200 euros un

equivalente a $1505.44 USD, estas cotizaciones se realizaron con la empresa FONOTEST

SL., INSTRUMENTACIÓN Y ESTUDIOS DEL MEDIO AMBIENTE.

Almacenamiento de biogás

Posterior a la purificación del biogás, es requerido almacenar este biogás en tanques previo al

proceso de generación de energía eléctrica, por ello se necesita comprimir el biogás para su

posterior almacenamiento, el dimensionamiento del compresor y de los tanques de almacén

para el biogás se muestra a continuación:

Compresor de gas

Existe una gran gama de compresores aptos para la compresión de gas metano, especialmente

la desarrollada y realizada para instalaciones exteriores con un rango de temperaturas

ambiente de -30°C a 45°C, el compresor VG (WP), Versión estándar/outdoor/2.2-300KW,

tiene como características:


58

Acoplamiento directo

Velocidad constante

Cabina inoxidable

Caudales de hasta 2500Nm3/h

Presiones entre 3 y 15 bar

Figura 29. Compresor VG (WP), Versión estándar/outdoor/2.2/300KW

Este compresor es utilizado en la aplicación combinada de microturbinas alimentadas con gas

metano, para instalaciones de producción de energía eléctrica y cogeneración distribuida.

Costos de compresor

El costo del compresor VG(WP), empleado para el biogás enriquecido de metano es de

$40,000 USD, esta cotización fue realizada con la empresa adicopm, advanced air & gas

solutions y el costo de instalación solicitado en la misma empresa fue de $1,500 USD.

Tanques de almacenamiento

Los tanques de almacenaje del biogás son tanques de presión ASME/API 650, tiene las

siguientes especificaciones:

Tanque de presión con capacidad 45/50/100CBM

Presión hasta 265 bar

Tanque horizontal de forma elíptica

Estándar ASME/CE/PED

Figura 30. Tanque de presión ASME/API 650


59

Estos tanques tienen un suministro de 150 m3 por semana, en el almacenamiento son

requeridos cuatro tanques de almacenamiento de biogás para su posterior conversión ene

energía eléctrica.

Costo de tanques de almacenamiento

El costo de cada tanque de almacenamiento es de $1,000 USD para los cuatro tanques

solicitados da un valor de $4,000 USD y el costo por la instalación de cada tanque es de $200

USD, dando un total de $800 USD para la instalación de los cuatro tanques.

6.5 Producción de energía

La producción de electricidad a partir de fuentes renovables está regulada desde 1980, aunque

es hasta 1994 cuando se menciona la biomasa como tal para la producción de electricidad.

El uso que se le puede darse al biogás puede ser:

o Combustión directa

o Combustión de motores estacionarios o automotores

o Generación de energía eléctrica

o Generación de calor para producir vapor

Abordando el tema de la venta de energía eléctrica y la cogeneración (producción de

electricidad y calor o frío) procedente del biogás generado a partir de la biomasa residual, el

avance tecnológico producido tanto en la maquinaria de cosecha y manejo de la biomasa, así

como en los procedimientos de transformación, se crea la disponibilidad de equipos y

tecnologías fiables, que permitan la realización de proyectos de producción eléctrica con

aprovechamiento del calor residual, ya sea en un proceso industrial, o para otros usos como la

climatización de edificios, etc. (IDEA, 2007).

Si se trata de líquidos (aceites de pirólisis, biodiesel, etc.) o gaseosa (biogás o gas de síntesis),

además de calderas, se pueden emplear tanto motores de combustión interna alternativos

(MCIA) como turbinas de gas. En estos casos, la potencia varía en un rango muy amplio,

desde pocos kW hasta grandes cantidades Mega Watts. Las microturbinas de gas MCIAs


60

especialmente diseñadas para biogás, o motores Stirling integrados en calderas con biomasa,

permiten generar electricidad además de calor, en unos rangos de potencial lo suficientemente

pequeños para que se puedan utilizar en edificios u otros sistemas consumidores, de forma

técnica y económicamente viable.

Los sistemas de generación eléctrica con biomasa y/o biogás deben alcanzar unos niveles

mínimos de eficiencia para su generación bruta de energía eléctrica. Es decir, para ser

incluidos en el régimen especial y beneficiarse de la retribución, las plantas de biomasa deben

alcanzar los rendimientos eléctricos mínimos siguiente:

Hasta 5MW: 18%

De 5 a 10MW: 20%

De 10 a 20MW: 22%

De 10 a 50MW: 24%

El biogás (compuesto principalmente de metano y dióxido de carbono) producido durante la

digestión anaerobia de la materia orgánica en presencia de bacterias metanogénicas se puede

convertir en celdas de combustible de electricidad, combustible líquido y otras aplicaciones

posibles.

El biogás tiene un poder calorífico medio de aproximadamente 4500𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑚3 , se puede emplear

en motores de combustión interna, turbinas de gas, y celdas de combustible.

Existen en el mundo alrededor de 1,152 plantas que suman una capacidad de generación de

3,929MW y generan en promedio 3.1 m3/ton/año de biogás. De estas, 1,152 plantas, 734 están

en Europa y 354 en U.S.A, 15 en Canadá, 19 en Asia, 18 en Australia, 8 en Sudamérica y 4

en África. Las plantas en Europa en promedio tienen una capacidad instalada de 1.73MW por

planta, en tanto que en U.S.A es de 6.7, lo cual indica que las plantas de U.S.A son muy

grandes comparadas con Europa.

En México existe una planta de 7.4MW instalada en el relleno sanitario del Salinas Victoria

en la zona conurbada de Monterrey, la cual está instalada en una celda que contiene 7 millones

de toneladas de basura municipal. La energía generada es enviada por la red eléctrica de

Comisión Federal de Electricidad (CFE) hasta la zona metropolitana de Monterrey para ser


61

usada en alumbrado público, bombeo de agua y el transporte colectivo de la ciudad (Arvizu,

2012).

Para la generación de energía eléctrica se ubicó un generador de tipo combustión interna de

biogás natural continuo, el cual cuenta con una capacidad de 40kW y una conexión de 120/240

V, 60 Hz, trifásico, delta en serie de 4 hilos. Los amperios máximos por fase son de 120 y

máxima capacidad monofásica de 23kW. El consumo de biogás a máxima carga es de 29m3/h

y requiere un porcentaje mínimo de 55%.

La eficiencia del generador se calculó tomando en cuenta tres parámetros: consumo de biogás

(m3), energía eléctrica generada (kWh) y metano presente en el biogás (%CH4). Los mismos

que se midieron durante un período de 15 días, en los que se produjeron 612.75m3, con un

porcentaje de metano del 48% (275.74m3).

Para satisfacer el déficit energético de 2500KWh/día se requiere de una producción de 294.12

m3.

Con base en los datos anteriores, se obtiene experimentalmente el 93% de producción de

biogás para cubrir la demanda energética esperada, con lo cual se debe operar el generador

por 9.5hrs diarias que es a su máxima capacidad de operación.

Se busca operar el sistema de generadores a un 75% de su capacidad, para reducir las horas

de operación de 9.5 a 8 hrs; para ello se implementa un sistema de limpieza de CO2 y H2S del

biogás, esto con el fin de enriquecer el metano de las corrientes del biogás y así conseguir una

mejor operación del generador. Además se propone el uso de tres generadores, dos estarán en

operación continua intercalándose semanalmente y del tercero se hará uso en casa de

mantenimiento a los dos primeros generadores.

La eficiencia del generador se calculó usando tres variables interrelacionadas; de acuerdo con

la combustión del metano se calculó en kcal/m3.

𝐶𝐻4 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 212𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙

1mol=22.4L y 1m3=1000L

1m3=44.64mol


62

(212kcal/mol)(44.64mol/m3)=9464kcal/m3

El porcentaje promedio de metano es de 48% (obtenido experimentalmente), por lo tanto, se

obtuvo que el poder calorífico del biogás es de:

(9464kcal/m3)(48%)=4542.72kcal/m3

A partir de estos datos, se calculó la eficiencia energética de la planta, tomando en cuenta el

promedio de consumo de gas 31.9m3, y multiplicando por el poder calorífico:

1kcal=0.001163 kWh

1kcal=4.186 kJ

Entonces la eficiencia energética de la planta obtenida fue de:

E1= (4542.72kcal/m3)(31.9m3)=(1.45x105kcal)(0.001163kWh/kcal)=168kWh

E1=(4542.72kcal/m3)(31.9m3)=(1.45x105kcal)(4.186kJ/kcal)=6x105 kJ

La principal limitante encontrada en la implementación del sistema de generación de energía

eléctrica fue la cantidad de biogás disponible diariamente. Esta generación fue

aproximadamente de 294.12m3. Esta es menor a la cantidad demandada para el

funcionamiento del generador en un turno de 8hrs, lo que corresponde a una demanda total de

320m3.

La principal medida tomada para lograr un flujo de biogás suficiente para el funcionamiento

del generador fue el incremento de la capacidad de almacenamiento de biogás, contando con

una capacidad de almacenamiento de 391m3, lo cual garantiza el almacenamiento del biogás

en las horas en las que no se enciende el generador, otra de las medidas tomadas fue el operar

el generador sólo 5 días a la semana, y de esta manera garantizar el almacenamiento del biogás

que se genera durante el fin de semana.

Costos de generador y transformador


63

El costo de un generador de tipo combustión interna de biogás natural continuo, el cual cuenta

con una capacidad de 40kW y una conexión de 120/240 V, el costo final de los tres

generadores es entonces $52,200 USD. El costo de instalación de cada generador es de $2,000

USD, por los tres sería un costo de $6,000 USD. Además se requiere de un trasformador que

regule el voltaje para enviar la electricidad a las líneas de media tensión que conducirán esta

energía de nueva cuenta a la Termoeléctrica de Topolobampo, en Sinaloa; el costo

correspondiente a un transformado tipo estación 300KVAS, trifásico, 2300-220/127V es de

$38,000 USD, cotización realizada con la empresa Tecnología Eléctrica de Baja California,

sólo es requerido un transformador que operará en función de la operación de cada generador,

su costo de instalación es de $3,500 USD; la cotización de instalación del generador como del

transformador fueron realizadas con personal de la Comisión Federal de Electricidad.

En cuanto a seguridad las exigencias del fabricante indicaron se debe mantener una

concentración máxima aceptable de 240ppm de ácido sulfhídrico en el biogás dentro del

generador. Así como la presencia de agua en el generador podría activar la alarma de

seguridad, por lo que se recomienda colocar un sensor de humedad en el biogás antes de entrar

al generador.

Figura 31. Transformador Figura 32. Generadores de energía eléctrica

6.6 Distribución de la planta


64

A continuación se muestra el plano de la planta generadora de biogás, así como la distribución

de cada sección que son: Cultivo de microalgas, Producción y almacenamiento de biogás y

Producción de energía.

Figura 33. Plano de la planta generadora de biogás con

biomasa residual microalgal

Con base en el esquema anterior se presentan los equipos de cada sección juntos con las

características y criterios de diseño; así como la cantidad y costos que permitirán realizar

posteriormente la evaluación económica.

1-Estanques de cultivo

2-Tanque de sedimentación

3-Centrifugado

4-Filtrado

5-Secado

6-Extractor

7-Tanques de recuperación de solvente

7’-Biorefinería

8-Tanque de medio

9-Reactores de digestión anaerobia

10-Membranas de separación de CO2

11-Sistema de Biofiltración

12-Medidor de biogás

13- Compresor

14-Tanques de almacenamiento de biogás

15-Generadores de energía y transformador

Central termoeléctrica de

CFE-Topolobampo

15

8

10

CULTIVO DE MICROALGAS

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ALMACENAMIENTO

GENERACIÓN

DE ENERGÍA

9

11

12

14

13

7

6

5

1 2 3

4

10

7’


65

-Reactores de digestión anaerobia

-Medidor de biogás (Odalock)

Criterios Característica

Se requieren el

empleo de

digestores para

llevar a cabo la

producción de

biogás mediante

la degradación

de la biomasa

-Capacidad de 7000 litros

-Altura máxima 2.65m

-Diámetro máximo 2.4m

-Diámetro de la base

0.25m

-Ángulo de inclinación en

la base 45 grados

-Diámetro interno del

digestor 18plg


Contenido de

humedad, la

cantidad de CO2 y

H2S contenidas en el

biogás

-Analizador de gas por

Infra-rojos, gama de 0-

100%, con bomba de

aspiración integrada

O2 = 0-25%

CO2 = 0-100%

CH4 = 0-100%

Sonda de H2S hasta

5000ppm Tiene

además una salida de 4-

20 mA por cada canal de

gas. Acondicionamiento

de la muestra incluido,

relés configurables por el

usuario, pantalla

iluminada, armario

resistente a la intemperie

(IP54).


66

-Limpiador de CO2

-Limpiador de H2S


-El biogás requerido debe

estar enriquecido en CH4

para ello es necesario

eliminar la cantidad de

CO2 presente, este será

aprovechado en la parte

del cultivo de las

microalgas para el

crecimiento de las mismas

Membranas separadoras de

CO2, la unidad de

membranas cuenta con un

sistema de instrumentación y

control de operación, la

separación es dada por

diferencia de pesos

moleculares siendo la del

CO2 el de mayor peso en

comparación con el CH4.


Además de que es

necesario eliminarlo para

enriquecer el CH4 del

biogás, por requerimientos

de seguridad en los

generadores, no debe

contener más de 24ppm

por m2, entonces el

contenido de H2S en el

biogás debe ser lo mínimo

posible

Columna que contiene un

material de empaque de

elevada porosidad cuya

función es dar soporte, a

medida que el gas a traviesa

el lecho poroso se lleva a

cabo el proceso de

biofiltración para separa el

H2S contenido en el biogás

que oscila entre un 0% a

3%.


67

-Compresor

-Tanques de almacenamiento

-Generadores de energía


Para el almacenamiento

del biogás, una vez

enriquecido con metano

(CH4), se requiere tener en

fase líquida en los tanques

de almacenamiento, por

ello es requerido un

compresor que pasará el

biogás de forma gaseosa a

fase líquida para su

almacenaje

Compresor VG(WP)

Versión

estándar/outdoor/2.2-

300KW contiene:

-Acoplamiento directo

-Velocidad constante

-Cabina inoxidable

-Caudales de hasta

2500Nm3/h -Presiones

entre 3 y 15 bar


Con la obtención del biogás

proveniente de la digestión

anaerobia debe ser

almacenado para su posterior

uso en la generación de

energía eléctrica por ello es

necesario almacenar este

biogás en tanques especiales

para gas.

Tanque de presión con:

-Capacidad 45/50/100CBM

-Presión hasta 265 bar

-Tanque horizontal en forma

elíptica

-Estándar ASME/CE/PED



68

6.7 Estudio de mercado y ubicación de la planta

El modelo energético mundial basado en la utilización de combustibles fósiles está en crisis.

Los problemas derivados de su uso sin control han repercutido en un impacto ambiental

negativo con un efecto desfavorable sobre las emisiones CO2 y el consecuente, calentamiento

global, también sobre la inestabilidad de los precios, aunado al agotamiento progresivo de las

reservas y los conflictos geopolíticos. En los últimos años, todo lo anterior ha provocado una

carrera por la búsqueda de fuentes de energía alterna y renovable que permitan disminuir la

dependencia del petróleo.

En este sentido, la energía eólica, junto con la energía solar, con su vertiente térmica,

termoeléctrica y fotovoltáica han registrado continuos y prometedores avances en los últimos

años y por ello están llamadas a liderar esta nueva fase energética. Sin embargo, aunado a lo

anterior se encuentran los biocombustibles y dentro de estos específicamente se encuentra el

biodiesel producido a partir de aceites de microalgas.

Un número significativo de empresas nacionales e intermediarios están inmersas en el

desarrollo de estas tecnologías y ya se planea la aparición de las primeras centrales de

producción de biodiesel en masa entre los años 2010 y 2012 (Sitio Solar, 2008).

Actualmente la producción de biodiesel de microalgas aún no es viable económicamente, ya

que cuesta más que los combustibles convencionales. El precio estimado del biodiesel de

Los sistemas de generación

eléctrica con biogás alcanza

los niveles mínimos de

eficiencia para la generación

bruta de energía eléctrica

Generador tipo combustión

interna de biogás natural, con

una capacidad de 40kW y una

conexión de 120/240 V, 60 Hz,

trifásico, delta en serie de 4

hilos; los amperios máximos

son de 120 y capacidad

monofásica de 23kW; el

consumo de biogás requiere un

porcentaje mínimo de 55% de

CH4.


69

microalgas es de USD $2.80 por litro aproximadamente, mientras que el diesel de petróleo es

de USD $0.48 por litro (Chisti, 2007).

Las investigaciones para la obtención de biocombustibles a partir de las algas no son nuevas,

no obstante, en los últimos años se le ha estado prestando mayor atención. De acuerdo a Gao

y Mckinley 1993 las microalgas tienen una mayor productividad de aceites que las plantas

terrestres. Esto se debe a que las microalgas tienen la capacidad para generar un contenido de

aceite mucho más alto de hasta un 80% del peso total en seco de la biomasa, en comparación

con sólo el 5% en el caso del aceite de palma (Chisti, 2007). Además de que los cultivos de

microalgas no utilizan tierras de cultivo. Uno de los principales usos de las algas es con fines

alimenticios, aunque se pueden obtener una gran variedad de productos. Además por medio

de la bioconversión y transformación de la biomasa residual puede obtenerse energía calórica,

productos de fertilizantes de gran calidad ó biogás, este último mediante la digestión

anaerobia.

Actualmente existe una demanda creciente de energía en México, sobre todo en la región

Noreste del país energética con un 15% anual por encima del 6.8% que es el promedio

nacional (El Mexicano, 2011). Estas cifras ayudan a determinar claramente los sitios donde

existe la necesidad de generación de energías, de tal manera que existe la necesidad del

desarrollo de nuevas alternativas de plantas generadoras de energía, lo cual hace que el

proyecto de generación de biogás a partir de la biomasa residual microalgal tenga potencial.

El Director de la Comisión Reguladora de Energía (CRE), en el IX Foro de energía Fronteriza

México-Estados Unidos, indicó que se siguen buscando alternativas para garantizar el

suministro de energía. Por lo que en el año 2012 México importó alrededor de 2.5 mega watts

de energía por día; de ahí la necesidad de incrementar la producción de gas natural.

Además se otorgaron 27 permisos para importar energía a diversas industrias, 22 en Baja

California, 4 en Sonora y 1 en Durango.


70

De esta manera, para la selección de la zona donde se localiza la planta generadora de biogás,

se requiere seguir algunos criterios, los cuales se detallan a continuación:

Tabla 12. Criterios de selección para la ubicación de la planta

CRITERIOS JUSTIFICACIÓN SELECCIÓN

Ubicación de la materia

prima

La materia prima a

utilizar son las

microalgas que están

compuestas por

proteínas, carbohidratos,

ácidos nucleicos y ácidos

grasos; éstas son capaces

de crecer en un amplio

rango de condiciones por

las que es fácil establecer

su ubicación: sobre

sustrato artificial como

madera o botellas de

plástico, en lagunas,

ciénegas, pantanos, lagos

de agua dulce o salina,

sobre rocas, etc.

Lugares donde haya

suficiente:

Irradiación solar, fuentes

de agua de mar y agua

dulce, disponibilidad de

electricidad , fuente de

dióxido de carbono,

rango de temperaturas

adecuadas y dispositivos

a utilizar para su

crecimiento (estanques ó

bioreactores)


71

Demanda

Para el año 2004 la

utilización de energía a

partir de biomasa

muestra el 11% de la

demanda total mundial.

En México para el año

2000 se registró que la

demanda de energía es

del 8% del total mundial.

En un futuro se prevé que

la demanda de la

utilización de biogás

como fuente de energía

aumentará a un 17% de

la energía total en

México.

Transporte

La recolección y el

transporte de biomasa

(en caso de ser

necesario) dan como

resultado el incremento

en el uso de vehículos, y

en consecuencia, en

mayores emisiones de

gases contaminantes en

la atmósfera junto con un

mayor uso y desgaste del

sistema carretero.

La reducción de las

distancias entre los

centros de producción de

la biomasa y las plantas

de procesamiento

minimizaría los impactos

que dificultan el

transporte.

Impacto ambiental

El uso de bioenergía para

desplazar a los

combustibles fósiles es la

reducción en la emisión

de gases de efecto

invernadero (GEI)

Reducción de las

emisiones locales, mejor

aprovechamiento de los

recursos limitados,

mejorar la biodiversidad

y la protección del

hábitat natural y de los

paisajes.


72

Aspecto social

Mejoramiento de calidad

de vida, disminución de

contaminantes nocivos

para la salud humana.

Oportunidades locales de

empleo, satisfacción por

el dominio de la

comunidad y cohesión

social principalmente en

comunidades rurales.

En la siguiente tabla se presenta una ponderación de las zonas del país propicias para la

ubicación de la planta generadora de biogás, calificando con 10 a la zona más favorecida, y

así en forma decreciente en cada zona; y en la tabla de evaluación se muestra que la zona

Norte del país es la más favorecida para la producción de este combustible

Tabla 13. Evaluación potencial de las posibles zonas de ubicación de la planta

Zona Noroeste Zona Noreste y Centro Zona Sur

Ponderación Factores Calificación Ponderación Calificación Ponderación Calificación Ponderación

1

30%

Materia

prima-

algas

9

2.7

7

2.1

9

2.7

2

25%

Materia

prima-

CO2

10

2.5

7

1.75

7

1.75

3 40% Demanda

de energía

8 3.2 9 3.6 7 2.8

4

5%

Servicios

y

Transporte

8

0.4

9

0.45

7

0.35

Total 8.8 7.9 7.6


73

El siguiente mapa muestra las zonas que se consideraron para la evaluación potencial,

considerando los criterios pertinentes para la factibilidad de materia prima, la demanda

energética, servicios y transporte, el impacto ambiental y social.

Figura 34. Zonas de posible ubicación de la planta

Fuente .INEGI, 2011

Con base a la calificación de los criterios anteriores, se seleccionó el estado de Sinaloa, un

territorio cercano a la Central Termoeléctrica de Topolobampo cuya ubicación geográfica es

al Noroeste del país, en la Costa del Océano Pacífico, a solo 200 millas de la entrada del Golfo

de California, ubicado en las coordenadas: 25°36’00’’ latitud norte y 109°04’00’’ longitud

Oeste.


74

La imagen vía satélite del terreno se muestra a continuación:

A B

Figura 35 A y B. Vista del terreno donde se pretende ubicar la planta generadora de biogás

a partir de biomasa residual algal

Para considerar las dimensiones de la planta generadora de biogás, es necesario realizar una

etapa experimental, la cual se lleva a cabo a nivel laboratorio y a escala piloto; con la finalidad

de determinar de la actividad metanogénica de lodos con capacidad de utilizar la biomasa

microalgal, cuantificar la cantidad de metano en el biogás producido a partir de la biomasa

residual y caracterizar la producción de biogás en un reactor UASB. Esta información es

fundamental para poder realizar el escalamiento de la plata de biogás.

6.8 Evaluación económica

Como resultado de los balances de materia y energía, dimensionando y determinando el costo

de los equipos; así como de los costos de operación a partir de los materiales y servicios

requeridos, se está en condiciones de realizar una evaluación económica global del proceso;

que es la etapa final de toda la secuencia de análisis de rentabilidad de un proyecto. Para ello

se consideran algunas medidas simples de rentabilidad, que permitan estimar rápidamente los

beneficios económicos. Para ayudar a esto, se deben responder las siguientes preguntas:


75

-¿Cuánto cuesta producir biogás generado de un proceso de digestión anaerobia a partir de

biomasa residual algal?

-¿Cómo medimos la Rentabilidad del Proceso?

Para responder las preguntas anteriores se debe estimar el costo de construcción y operación

del proceso; luego de conocer el costo capital en equipos, y las necesidades de servicios y

materia prima, se necesita una estrategia sistemática para evaluar la rentabilidad global del

proceso.

En primer lugar se definen algunos términos, como los costos asociados al proceso que pueden

dividirse en:

Costos fijos: Inversión directa y gastos fijos y de administración asociados con dicha

inversión; en este rubro en particular interesa aquí el Costo de Inversión de Capital al

comienzo del proyecto.

Costos variables: Materia prima, servicios, y otros costos que dependen de la operación del

proceso; en particular interesa el Costo de Fabricación que constituye una expensa continua

dada sobre una base anual.

Inversión inicial

Representa todos los desembolsos realizados al comienzo de la vida de la planta. Incluye los

costos de construcción y puesta en marcha del proceso, luego la Inversión Total de Capital

está dada por el Capital Fijo y el Capital del Trabajo.

El Capital Fijo representa el costo de construcción de la parte física del proceso, y se clasifica

a su vez como: capital de fabricación, que es el modulo de costo simple de equipos así como

25% de contingencia; capital asociado a fabricación, construcción, servicios, tierra.

El Capital de Trabajo representa los fondos requeridos para operar la planta, debido a los

retardos en los ingresos por ventas y para mantenimiento de inventarios; su costo varía de

acuerdo a distintos autores, pero un valor de 10-20% del Costo de Inversión Total (fijo y

trabajo) resulta adecuado, generalmente se adoptan algunos valores estándar:


76

-Inventario de Materia Prima y Producto

-Insumos de proceso

-Cuentas a cobrar= 1 mes de costo de fabricación de la producción = 10-20% de la inversión

total con depreciación

Como una forma simple de estimarlo, Douglas (1988) sugiere:

Capital de trabajo = 0.15 (Inversión Total) = 0.194 (Inversión Fija)

Costos de Fabricación

Incluyen los desembolsos directamente relacionados con la operación diaria de la planta, así

como desembolsos indirectos como impuestos, seguros, depreciación, una clasificación de

Costos de Fabricación es la siguiente:

1. Materia Prima: Alimentada de forma continua

2. Desembolsos directos: Incluye mano de obra, supervisión, salarios (20% de manos de

obra y supervisión), servicios (agua, electricidad, vapor), mantenimiento, suministros

(2% de la inversión fija) y regalías

3. Desembolsos indirectos: Incluye depreciación (8% por año), impuestos locales y

seguros (3% por año)


77

Para los tanques de cultivo, se consideran los costos del medio de cultivo necesario para

llevarse a cabo el proceso de digestión anaerobia, como se puede observar en la siguiente

tabla:

Tabla14. Costo del medio de cultivo

Compuesto Pedido mínimo

(Toneladas)

Costo por Tonelada

(US)

NaNO3 20 $460-500

K2HPO4.3H2O 20 $1000-1200

MgSO4.7H2O 22 $80-110

EDTA disódico de

magnesio

1 $2900-3300

CaCl2.2H2O 25 $190-350

Ácido cítrico 10 $750-800

Na2CO3 20 $200-230

H3BO3 10 $800-1450

MnCl2·4H2O 1 $900-1100

ZnSO4·7H2O 25 $750-950

CuSO4·5H2O 5 $1750-1960

Co(NO3)2·6H2O 1 $1100-1400

Total (US) $10880-13350

De acuerdo con Chisti (2007) , el cultivo de microalgas en canales abiertos es más adecuada

para la producción de microalgas que en fotobiorreactores, incluso si la tasa de crecimiento

de las microalgas es menor en los estanques abiertos que en fotobiorreactores. En realidad, la

relación de energía neta para la biomasa total es mayor en estanques de rodadura que en

fotobiorreactores de placa plana ( Jorquera et al. 2009 ). Además, el costo económico de los

fotobiorreactores es mayor que el costo de pistas de rodadura abiertas ( Del Campo et al., 2007

). En consecuencia, el cultivo se realiza en 8 estanques abiertos de rodadura de 48m2 (10m de

http://translate.googleusercontent.com/translate_f#7






78

largo y 4.8m de ancho) de superficie útil y 40cm de profundidad, con un TR de 7 días. Los

estanques están hechos de Placas de Polietileno de alta densidad, se eligió este material por

ser anticorrosivo, firme y resistente para aplicaciones en ambientes secos y húmedos.

Características del material:

• Excelente resistencia a los químicos corrosivos.

• Muy Fuerte, para múltiples usos.

• No absorbe humedad.

• Excelente resistencia al impacto.

• Termoformable, termodoblable, soldable y atornillable. Fácil de manejar y construir.

Cada estanque cuenta con una regleta expresada en galones y litro que permite conocer su

volumen de llenado de una forma aproximada.

Los 8 estanques de polietileno instalados con conexiones de PVC y dos bombas para trasladar

las microalgas hacia los estanques de sedimentación tienen un costo aproximado de US

$17550 basado en el precio del dólar del día 24 de agosto de 2012.


79

Figura 37. Proceso de transporte de la materia prima al reactor

El CO2 es suministrado por dos maneras: como CO2 recuperado de la purificación que se

disuelve en agua, y como gas comprimido inyectado en los estanques. Los tubos de PVC

llevan las corrientes líquidas y gaseosas a los estanques. Se supone que las microalgas

capturan 90% del gas CO2 inyectado ( Sheehan et al., 1998 ). El costo de la energía de la

inyección se evalúa en 22,2 Wh por kg de CO2 ( Kadam, 2002 ).

Recuperación de microalgas

La recolección de la biomasa se realiza en dos pasos. En primer lugar una decantación natural,

y luego una segunda concentración de las microalgas por centrifugación.

Sedimentación natural

Tal eficiencia de cosecha requiere bombear día

m3

4.14 de cultivo, lo que significa un consumo

de energía eléctrica de día

kWh716.0 para el bombeo.




80

El costo aproximado de dos estanques de sedimentación con dos bombas e instalación es de

US $4684 vasado en el precio del dólar del día 24 de agosto de 2012.

Etapa de filtrado.

De acuerdo a los detalles de construcción, con una de carga de 3

7m

kg, la energía necesaria con

el fin de obtener una pasta de algas con 30% de materia seca es kg

MJ1 . La velocidad de carga

de los dispositivos de filtrado es de h

m3

3 , por lo tanto 1 máquina es necesaria para el

tratamiento de los día

m3

4.14 .

Tipo de filtro: Mesa

Área del filtrador: 48 2m

Material: acero al carbón

Presión: atmosférica

Finalmente, en cuanto a la materia prima, el costo del filtro basado en el precio del dólar del

día 24 de agosto de 2012 US $307900

El costo hasta este proceso asciende a US $343484 para la obtención de la materia prima.


81

A continuación se muestra el costo de los equipos más importantes que intervienen en el

proceso de generación de biogás a partir de la biomasa residual algal. Las cotizaciones de

estos equipos se mencionaron en la Sección 6.6, para el año en curso 2012.

Tabla 15. Costos de equipos de la planta generadora de biogás

Unidad Cantidad Costo por unidad

(USD)

Costo final (USD)

Tanque de medio 1 $18,300 $18,300

Biodigestor 16 $2,465.9 $42,731.36

Membranas de

separación de CO2

1 $20,000 $20,000

Biofiltración de H2S 1 $10,674.18 $10,674.18

Medidor de biogás 1 $8,091.73 $8,091.73

Compresor 1 $40,000 $40,000

Tanque de

almacenamiento de

biogás

4

$1,000 $4,000

Generadores de energía 3 $17,400 $52,200

Transformador 1 $38,000 $38,000

Equipo para extracción 1 $230,000 $230,000

Total: $463,997.27

Puesto que se toma en cuenta la parte del proceso de extracción en cuanto al solvente empleado

y proceso de recuperación es tomado en cuenta en el costo de equipo de la planta generadora

de biogás como se muestra en la tabla 15.


82

Capital de mano de obra

Este capital es referido al personal que se necesita para operar el equipo y dar mantenimiento

a la planta, este costo se incluye en el capital de trabajo y el personal necesario se muestra a

continuación:

Tabla 16. Costos de mano de obra

Puesto Personal por

turno

Salario

mínimo

Salario anual

(USD)

Ingeniero de planta 1 10 $16,137.17

Ingeniero de seguridad 1 8 $12,909.74

Operador 4 6 $38,729.22

Electricista 1 5 $8,068.58

Personal de mantenimiento 4 4 $25,819.48

Ayudante general 3 2 $9,682.30

Total de salario anual: $111,346.49


83

Capital de inversión

Con la aproximación del total de los costos de los equipos de la planta productora de biogás,

se determinan las cifras correspondientes al capital fijo y al capital de trabajo, como se muestra

en la siguiente tabla:

Tabla 17. Capital de inversión

Costos directos Monto

(USD)

Costo de equipo $463,997.27

Costo de instalación de equipo $17,281.84

Costo de instalación eléctrica $5,500

Costos directos fuera de sitio

Terreno $2,000,000

Edificios $200,000

Mobiliario $900,000

Costos indirectos

Gastos de construcción $300,000

Gastos de contingencia $50,000

Total de capital fijo: $1,000,000

Capital de trabajo y mano de

obra:

$111,346.49

Capital Total de inversión: $5,048,125.6

El proyecto requiere entonces de una inversión aproximada de $ 5,048,125.6 USD

Los costos directos fuera de sitios fueron estimados con base en los costos del estado, tomados

los datos de sinaloa.puertos.galeón.com


84

Factibilidad del proyecto

A continuación se mencionan algunas medidas simples de rentabilidad que permiten evaluar

la viabilidad de un proyecto.

Se define entonces:

FAI (Flujos Antes de Impuestos) = Costos Fijos + Costos Variables + Ingresos

Flujo Gravable = FAI + depreciación (representa pérdidas-es negativa)

Impuestos = Ingreso Gravable * 35% Tasa de impuestos (representa pérdidas-es negativa)

FDI (Flujos Después de Impuestos) = FAI + Impuestos

Tomando en cuenta la inflación:

FAI c/inf = FAI s/inf * (1+inflación)n n: años

FDI corrientes = FAI c/inf + Impuestos

FDI constantes = FDI corrientes / (1+ tasa de inflación)n n: años

Considerando las definiciones anteriores y de los costos se pueden estimar las medidas

siguientes que determinarán la rentabilidad de toda la planta generadora de biogás a partir de

biomasa residual algal, estas medidas son:

TIIE (Tasa Interbancaria de Equilibrio) = 4.79 (Banxico, Agosto 2012)

TREMA (Tasa de rendimiento Mínima Atractiva) = TIIE + Puntos de riesgo (20-30)

TIR (Tasa Interna de Retorno)

Para la factibilidad del proyecto debe cumplir alguno de los siguientes casos:

TIR > TREMA el proyecto es factible

TIR < TREMA el proyecto no es factible


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Considerando los puntos anteriores aplicados a la planta generadora de biogás a partir de

biomasa residual algal, se tienen los siguientes elementos para el cálculo de rentabilidad:

Tabla 18. Análisis económico

Año Producción (ton) Inversiones Ingreso

gravable

Impuestos FDI

corrientes

FDI

constantes

0 0 5048125.6 - - - -5048125.6

1 11.9 0 1270720 -444752 715472 496856

2 11.9 0 1389837 -486443 876280 422589

3 11.9 0 1561365 -546478 1107843 371014

4 11.9 0 1808366 -632928 1441294 335199

5 11.9 0 2164046 -757416 1921463 310327

6 11.9 0 2676227 -936679 2612906 293055

7 11.9 0 3413767 -1194818 3608585 281060

8 11.9 0 4475824 -1566538 5042362 272731

9 11.9 0 6005187 -2101815 7107002 266946

10 11.9 0 8207469 -2872614 10080083 262929

Tomando en cuenta una TIIE de 4.79 (Banxico,2012) y un porcentaje de riesgo de 30%, se

obtiene el valor de TREMA = 34.79; mientras que la TIR presenta un valor de 38%, que

representa por definición ser un proyecto rentable, recuperando la inversión en 5 años.

7. Seguridad

Cultivo de microalgas para la producción de biomasa

Los estanques se diseñan de tal manera que dentro de ellos sea posible hacer circular agua y

nutrientes constantemente, alrededor y conjuntamente con las microalgas. De tal manera que

las microalgas se mantienen suspendidas en el agua y, con frecuencia regular, son traídas a la

superficie; es decir, el agua y los nutrientes para las microalgas son suministrados

constantemente, el agua que contiene algas es recibida al otro lado del estanque, es necesario

un sistema de cosecha para separar el agua de las algas que contienen aceite natural.


86

La habilidad de los cultivos de microalgas para utilizar altos volúmenes de dióxido de carbono

es grande de tal manera que, el desarrollo de esta tecnología fue motivado con la idea de

mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, haciendo pasar el CO2 proveniente de

procesos industriales y de generación de energía eléctrica mediante cultivo de microalgas. Por

lo anteriormente mencionado se observa que en los estanques el riesgo que podría correrse

sería por fuga del agua, originado por el desgaste del material del estanque, cuyo material sería

de cemento que tiene un tiempo de desgaste del orden de años. En el caso del sedimentador,

ocurriría un caso similar al de los estanques sólo que en caso de fuga se tendría pérdida no

sólo del medio mineral contenido, sino pérdida de microalgas.

El secado de la biomasa es al sol, lo cual no representa un riesgo en la parte de la obtención

de la biomasa residual.

En la parte de extracción el riesgo causado por un derrame de solvente, tratándose de hexano

para la recuperación de aceites, pues se trata de un reactivo altamente inflamable, irritante,

nocivo y peligroso para el ambiente; en caso de incendio, puede originar vapores pesados en

el aire; son posibles mezclas explosivas con el aire a temperaturas normales.

Análisis de riesgos del reactor anaerobio

Es preciso tomar en cuenta que el mayor riesgo del biogás es principalmente su flamabilidad

y explosividad al combinarse con el oxígeno contenido en aire y por otro lado la mezcla de

gases que contiene el biogás es de alta peligrosidad si el metano contenido presenta

concentraciones entre el 5 y 15%. También el biogás está compuesto por CO2 que en una

concentración mayor al 18% tiene repercusiones con efectos asfixiantes, mientras que el H2S

un compuesto de alta toxicidad y que en concentraciones mayores a 50 mg/m3 es mortal. Los

dos últimos gases que se mencionan son más pesados que el aire, por lo que implica el riesgo

de acumulación en zonas bajas de recintos cerrados.

El peligro de asfixia o toxicidad que representa el biogás generado por un digestor anaerobio,

puede resolverse mediante ventilación natural, detectores de gas y con los procedimientos y

precauciones adecuadas al momento de operar en el recinto o zona de riesgo, es también

necesario contar con equipos adecuados de emergencia tales como detectores portátiles y

equipos automáticos de respiración.


87

La purificación del biogás está en función del uso final que se le dé y se debe conseguir la

eliminación de compuestos indeseables como el CO2 y H2S, mientras que por otro lado se

debe captar el biogás generado. En el caso particular de este proyecto, el CO2 que se produce

durante el proceso de digestión de biomasa de microalgas, será separado y recirculado a los

sistemas de cultivo de microlgas, mientras que en el H2S se tiene la intención de inyectarlo a

un sistema de biofiltración que permita la fijación y degradación de este compuesto tóxico.

Generador de energía

Los riesgos que pueden existir en la producción de energía, están relacionados con la

electricidad, tomando en cuenta las siguientes probabilidades:

-Choque eléctrico por contacto con elementos en tensión (contacto eléctrico directo), o con

masas puestas accidentalmente en tensión (contacto eléctrico indirecto).

-Quemaduras por choque eléctrico, o por arco eléctrico.

-Caídas o golpes como consecuencia de choque o arco eléctrico.

-Incendios o explosiones originados por la electricidad.

La corriente eléctrica puede causar efectos inmediatos como quemaduras, calambres o

fibrilación, y efectos tardíos como trastornos mentales. Además puede causar efectos

indirectos como caídas, golpes o cortes.

Los principales factores que influyen en el riesgo eléctrico son:

-La intensidad de corriente eléctrica.

-La duración del contacto eléctrico.

-La impedancia del contacto eléctrico, que depende fundamentalmente de la humedad, la

superficie de contacto y la tensión y la frecuencia de la tensión aplicada.


88

8. Conclusiones

En el caso de algunos efluentes como lo son derivados de los compuestos agroindustriales

existen suficientes datos para el diseño de una planta de tratamiento anaeróbico pero, para

algunos otros como el uso de microalgas es necesario hacer ensayos de digestibilidad en el

laboratorio aunque nunca se pueda simular totalmente las condiciones de escala real

(Madigan,2003). Aún así la producción a nivel laboratorio muestra buenos resultados pues

para un tiempo de operación de 15 días la cantidad metano (CH4) contenida en el biogás fue

del 48%, así se pudo escalar el proceso a nivel piloto y el diseño de los equipos a nivel

industrial.

Finalmente en el análisis económico se puede concluir que el diseño de la planta generadora

de biogás, así como la aportación con el proceso de extracción de aceites de la refinería son

rentables puesto que el valor del TIR = 38% y el valor de la TREMA = 34.79, y puesto que el

valor del TIR> TREMA, para ser un proceso rentable, cumple con dicha solicitud.

Esto indica además que la recuperación de la inversión inicial de $5048125.6 USD será al

término del tercer año de producción de la planta.


89

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