Puesta a punto de un biorreactor en continuo a escala de laboratorio para la metanización de residuos

Doménech Martínez, Pablo (2016). Puesta a punto de un biorreactor en continuo a escala de laboratorio para la metanización de residuos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Puesta a punto de un biorreactor en continuo a escala de laboratorio para la metanización de residuos
Autor/es:
  • Doménech Martínez, Pablo
Director/es:
  • Narros Sierra, Adolfo
  • Fuente García-Soto, María del Mar de la
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería Química
Fecha: Julio 2016
Materias:
Palabras Clave Informales: Metanización, biogás, residuos, anaerobio, biorreactor, microorganismos, azúcares
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El presente Trabajo de Fin de Grado ha tenido como objetivo principal la realización de un estudio acerca de la biometanización de residuos sólidos urbanos a escala de laboratorio. El objetivo de esta aplicación de la digestión anaerobia es emplear residuos sin valor aparente como recurso para la obtención de biogás, producto que puede ser empleado como fuente energética, buscando solucionar de esta manera un doble problema existente en la sociedad: la gestión de los residuos y la sostenibilidad en la generación energética. El Trabajo ha partido de la base establecida en estudios anteriores realizados en la Escuela, en los que se realizó el montaje de un biorreactor de metanización por lotes, empleando azúcar de mesa como sustrato y alimentación de manera simplificada respecto a los residuos sólidos urbanos. El avance propuesto para el trabajo fue la implantación de dicho sistema a continuo y empleando un volumen de reactor mayor. Asimismo, se ha realizado la puesta a punto de un método de análisis no empleado en los estudios anteriores, para determinar la concentración del sustrato en el efluente del reactor. El montaje del sistema ha consistido en un reactor de 5 L en el que se introducen los lodos que contienen los microorganismos responsables de la digestión anaerobia, fijos en el fondo del mismo, por el cual circula una corriente de alimentación formada por agua, azúcar, sales de fosfatos como disolución reguladora para control del pH y nutrientes para el crecimiento de los microorganismos. El reactor empleado contaba con un encamisado para controlar la temperatura del sistema, y el montaje incluía sistemas para medición de temperatura y caudales de efluente y biogás. Se midieron también otros parámetros tales como el pH del efluente, empleando un pH-metro, la concentración de los gases de salida, mediante cromatografía, o la concentración del sustrato a la salida, por el método del ácido dinitrosalicílico (DNS). Se realizaron tres ensayos principales y dos ensayos adicionales. El Ensayo I se realizó partiendo de las mismas condiciones de concentración de sustrato y de disolución reguladora que los estudios previos, pero sin presencia de nutrientes en el arranque. El sistema funcionó sin incidencias destacables y con una producción de gas considerable durante más de una semana, tras lo cual se decidió incluir los nutrientes. La adición de estos nutrientes acarreó una serie de consecuencias que terminó con el colapso del funcionamiento normal del sistema: la producción de biogás se disparó pero sin presencia de metano, siendo el dióxido de carbono el componente mayoritario. Se estableció como hipótesis principal la sobrecarga de azúcares en el momento de entrada de los nutrientes. Tras el fallo del primer ensayo se procedió al Ensayo II, en el que se empleó otro tipo de lodo, se disminuyó la concentración de azúcar como respuesta a la hipótesis anterior y se decidió incluir los nutrientes desde el principio. Debido a un fallo humano en la realización de las tandas de alimentación acabó entrando aire por el lugar de la alimentación, el cual resulta tóxico para los organismos que llevan a cabo la metanización, tras lo cual la producción de biogás se detuvo por completo por lo que se procedió al desmontaje del ensayo. Se consideró también la hipótesis de que la disminución de azúcar respecto al anterior ensayo no fuese suficiente: el colapso habría sido provocado por la combinación de la sobrecarga inicial y la entrada de aire al sistema. El Ensayo III fue el más satisfactorio de todos los que se realizaron. Se partió de una concentración inicial de azúcar muy reducida, la cual se fue aumentando conforme el sistema se adecuaba a la concentración presente. En vistas de que el sistema avanzaba sin incidencias, incluso sobreponiéndose a entradas accidentales de aire al sistema, se decidió alterar el ritmo de entrada de la alimentación: se pasó de un régimen constante a uno por intervalos, entrando el mismo caudal que antes durante un minuto y pausándolo dos minutos, aumentando considerablemente el tiempo de residencia de la alimentación en el reactor. Para compensar la disminución en el caudal total, se incrementó la concentración de azúcar en la alimentación. Tras estas modificaciones el sistema obtuvo los mejores resultados: un caudal de producción de biogás estabilizado en torno a los 0,5-0,6 L/d y concentraciones de metano y dióxido de carbono elevadas. Se realizaron sucesivas modificaciones en la concentración de azúcar, a las cuales el sistema respondía satisfactoriamente, y finalmente se decidió poner fin al experimento tras cuarenta y ocho días de funcionamiento, sin haber sufrido ninguna incidencia que produjese el colapso del mismo. Fue en este tercer ensayo en el cual se puso a punto el método de análisis de azúcares mediante el método espectrofotométrico con reactivo DNS. Este método consistía en hacer reaccionar los azúcares de la muestra, previa hidrólisis de la sacarosa en sus hexosas, con reactivo DNS, analizando el color del producto resultante mediante espectrofotometría. La concentración de los azúcares en las muestras se halló aplicando la Ley de Lambert-Beer a partir de patrones de glucosa de concentración conocida. El método resultó eficaz, dando valores coherentes especialmente a las muestras extraídas de la alimentación; no obstante, su aplicación en el Trabajo no fue la correcta. En lugar de realizar en el análisis en el momento en que las muestras se tomaron del efluente, se optó por guardarlas en refrigeración mientras se estudiaba y realizaba la puesta a punto del método, con el objetivo de analizarlas todas ellas posteriormente. Los resultados obtenidos de estas muestras apenas variaban su concentración (en todos los casos muy reducida), y en algunos casos se contradecían con los resultados obtenidos durante la puesta a punto para muestras del mismo día de trabajo. Se concluyó que esto se debió a que, incluso en condiciones desfavorables como las que supone la refrigeración de las muestras, la degradación del azúcar sigue avanzando. Por tanto, se estableció como válido el método, siempre que fuese realizado sobre muestras que fuesen extraídas y analizadas en un espacio corto de tiempo. Por último, se realizaron dos ensayos adicionales variando las condiciones en el arranque. El primero se realizó con la misma concentración de sustrato con la que se concluyó el Ensayo III, siendo esta concentración muy elevada con respecto a las concentraciones iniciales empleadas en los ensayos previos. El resultado fue una producción de biogás demasiado elevada el primer día, tras lo cual el sistema se paró y no volvió a generar más gas. El segundo ensayo buscó la condición opuesta: se cargó el biorreactor inicialmente sin azúcares ni nutrientes, que irían entrando junto con la alimentación a un ritmo reducido y concentración baja. En este caso, el sistema nunca llegó a arrancar en casi dos semanas de funcionamiento. Ambos experimentos sirvieron para estudiar los extremos en la concentración a la hora de arrancar el sistema. En definitiva, gracias fundamentalmente a los resultados obtenidos tras el Ensayo III se puede concluir que el sistema funciona y es estable, siempre que se lleve a cabo en condiciones moderadas ya que el extremar los parámetros, según el punto en el que se encuentre el proceso, puede resultar fatal para el mismo. La viabilidad del proceso empleando azúcar como sustrato abre las puertas a continuar el estudio, con el objetivo final de aplicarlo a la gestión de residuos sólidos urbanos para poder emplear el biogás obtenido como fuente de energía sostenible y más favorable medioambientalmente que la gran mayoría de tecnologías que dominan el campo hoy en día.

Más información

ID de Registro: 43000
Identificador DC: http://oa.upm.es/43000/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43000
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 23 Sep 2016 08:38
Ultima Modificación: 11 Oct 2016 16:56
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