Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Biogas
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
84 calificaciones
De la lección
Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Hola, soy César Sáez y en esta sección
revisaremos los principales elementos relacionados
con la producción de biogas.
El término biogas se utiliza para referirse al gas combustible
producido de los procesos de degradación anaeróbica
de materiales orgánicos biodegradables.
Incluye el metano, gas combustible
y producto más relevante del proceso,
pero también al dióxido de carbono,
al ácido sulfhídrico,
producto de la descomposición de materiales que contienen
azufre en su estructura, y de otros gases menores.
Como el proceso se realiza en un medio bastante pozo,
el gas se produce saturado de vapor de agua.
El proceso de digestión anaeróbica se produce
gracias a la acción combinada que actúan en serie
aprovechando como sustrato
los productos metabólicos del grupo anterior.
La figura muestra las etapas de degradación
a partir de compuestos orgánicos complejos,
representados por proteínas, carbohidratos y lípidos,
que gracias a microorganismos hidrolíticos fermentativos,
transforman estos compuestos
hasta aminoácidos, azúcares,
ácidos grasos y alcoholes.
En una etapa siguiente, los productos de degradación
de la primera etapa son empleados por un segundo grupo,
denominado ácido génico
o formadores de ácidos,
para producir ácidos orgánicos de diverso peso molecular.
En etapas degradativas posteriores,
estos ácidos orgánicos son llevados
hasta ácido acético o acetato.
Y a partir de ahí,
un tercer grupo denominado metanogénico,
lo utiliza para la producción de metano
y de dióxido de carbono.
Una ruta alternativa
para la producción de metano se denomina metanogénesis reductiva,
que emplea hidrógeno molecular y CO2 para producir metano.
El proceso de degradación anaeróbica
se produce entonces por la acción combinada
de tres grupos tróficos,
microorganismos, hidrolíticos fermentativos,
microorganismos acidogénicos y microorganismos metanogénicos,
sen etapas denominadas
de igual manera como hidrólisis, fermentación,
acidogénesis
y metanogénesis.
La etapa metanogénica es la etapa más lenta,
y como etapa limitante, determina la velocidad
global del proceso degradativo.
Por su parte, los microorganismos
metanogénicos son los más delicados
y son prácticamente intolerantes al oxígeno presente
en el medio donde se desarrollan.
El ácido sulfhídrico, [unintelligible 00:02:55]
o gas de alcantarilla, como también se le conoce,
se produce en la etapa bioquímica paralela,
denominada bio reducción de sulfato,
mediada por bacterias anaeróbicas,
llamadas bacterias reductoras de sulfato.
Para la realización de estimaciones relacionadas
con la producción de biogas
de algunos materiales o residuos,
suele emplearse la fórmula química representativa.
Esta se deduce
a partir de un análisis elemental
de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre
de los materiales o residuos que se desean someter
a biodegradación para la producción de metano.
Con los resultados de composición básica elemental
así obtenidos,
es posible derivar una fórmula química
que representa la absorción orgánica
completamente biodegradable.
Por su parte, para estimar el grado de biodegradabilidad,
es necesario realizar ensayos en condiciones controladas.
El uso de la fórmula química representativa
en un balance tiquiométrico
permite estimar la cantidad máxima teórica
que se podrá obtener de biogas,
además de su proporción volumétrica respecto del dióxido de carbono.
Eso sí, es necesario conocer la fracción
completamente biodegradable del material
o residuo a degradar.
Otra información relevante
que puede obtenerse desde ensayos
a escala de laboratorio o piloto
son las fracciones altamente, medianamente
o escasamente biodegradables
dentro de la fracción biodegradable mencionada.
Con esta información,
se podrá no solo estimar la cantidad máxima teórica de biogas generada,
sino también la velocidad o cinética
a la que se está transformando el residuo.
Los factores que afectan el proceso de digestión
anaeróbica son diversos.
La temperatura,por ejemplo,
suele empeorarse en dos rangos habituales.
A escalas mesofílicas, con un óptimo cercano a los 35 grados,
los digestores suelen diseñarse con un tiempo
de residencia de unos 30 días.
A escalas termofílicas, por su parte,
con un óptimo cercano a los 55 grados,
los digestores suelen diseñarse con un tiempo
de residencia de unos 15 días.
Esto quiere decir que si decido procesar
una cierta cantidad de residuos en un digestor de volumen fijo
a escalas termofílicas, los procesaré más rápidamente.
Por su parte,
si deseo procesar la misma cantidad de residuos en digestores diferentes,
el digestor que opera a escalas termofílicas
de temperaturas será
de la mitad del volumen del digestor mesofílico.
La conveniencia de utilizar una temperatura u otra
dependéra de diversos factores.
Entre ellos, del clima,
de la ilación del sistema y de los costos de mezcla.
Por otra parte,
los digestores anaeróbicos suelen operar
a bajas concentraciones de sólidos.
Esto facilita el mezclado y el contenido del digestor,
su alimentación y descarga del material digerido,
conocido como digestato.
Pero incrementará el volumen del mismo,
dado el elevado contenido acuoso.
Por su parte,
más que la acidez del sistema
a través de la medición en línea del pH,
suele medirse de forma más conveniente
la concentración de ácidos volátiles.
Esta concentración
aumentará en el digestor
solo si el grupo de microorganismos metanogénicos
ha muerto o se ha inactivado.
Dada la presencia de CO2 en el sistema,
el pH evidenciará esta situación
solo cuando la capacidad base
que este provee ha sido superada.
Un esquema de proceso tradicional
para los sistemas de producción de biogas
incluyen instalaciones para la recepción
y mezcla de los materiales o residuos a procesar.
Uno o más digestores,
un sistema de almacenamiento de gas a alta o baja presión,
un sistema de combustión de biogas para la producción de electricidad
y un sistema de post procesamiento de los materiales digeridos
contenidos en el digestato.
De forma empírica,
se han colectado de diversas fuentes
valores de producción de biogas
a partir de materiales y residuos diversos.
La tabla es un ejemplo de valores típicos
para algunos materiales característicos,
indicados en metros cúbicos de biogas
en condiciones normales de presión y de temperatura.
Como el proceso de digestión anaeróbica
es mediado por microorganismos,
los requerimientos nutricionales
de estos podrán ser proporcionados
con mucha mayor seguridad
si la mezcla de residuos o materiales que se utilizan
es más diversa.
En consecuencia,
la utilización de residuos de un solo tipo
suelen presentar problemas para procesarse
en sistemas de producción de biogas,
habitualmente por carencias de micronutrientes.
En resumen,
el biogas está formado por una mezcla de gases.
Entre ellos, los más relevantes son el metano
y el dióxido de carbono.
El proceso de producción de biogas se denomina
biodigestión anaeróbica.
Y se produce gracias a la acción
de tres grupos microbianos que actúan en conjunto
conjunto y seriadamente,
para lograr la degradación secuencial
de materiales biodegradables completos
hasta metano y dióxido de carbono.
Los grupos microbianos
que participan en el proceso de digestión anaeróbica
incluyen aquellos hidrolíticos y fermentativos,
acidogénicos y metanogénicos.
Los microorganismos metanogénicos
son el grupo más susceptible de inactivarse,
dada su elevada sensibilidad al oxígeno
y a su metabolismo más lento respecto
del de los otros grupos del proceso.
El proceso de digestión anaeróbica
tiene como objetivo primario la producción neta
de energía, y como objetivo secundario
la reducción másica de materiales como residuos.
La producción de biogas
puede desarrollarse a diversas escalas,
y es una tecnología que contribuirá
a la independencia y seguridad energética
en diversos países del globo.
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