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Generación de bioenergía a partir de biomasa residual Avícola
Alejandro Ruiz, Katherin Rivera, Carlos Uribe, John Uribe, Natalia Botero y Carlos Peláez
Grupo Interdisciplinario de Estudios MolecularesGIEM
Instituto de QuímicaFacultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Antioquia
Abril de 2018
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Procesos productivos en la industria avícola
REPRODUCTORAS INCUBADORAS
POLLOS DE ENGORDE
PONEDORAS DE HUEVO
COMERCIAL
PLANTAS DE SACRIFICIO
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REPRODUCTORAS
• Mortalidad
• Gallinas de descarte
• Gallinaza
• Aguas residuales
INCUBADORAS
• Huevo de rechazo
• Cáscara
• Embriones muertos
• Huevos no fértiles
• Pollo de rechazo
• Aguas de lavado
POLLOS DE ENGORDE
• Pollinaza
• Mortalidad
• Aguas de lavado
PONEDORAS DE HUEVO COMERCIAL
• Mortalidad
• Gallinaza
• Aguas de lavado
• Cáscara de huevo
PLANTAS DE SACRIFICIO
• Pollinaza
• Sangre
• Plumas húmedas
• Grasas y agua
• Vísceras
• Aguas de lavado
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Alternativas a la disposición delMaterial Residual
RECUPERACIÓN ENERGÉTICA
RECUPERACIÓN MATERIAL
La ruptura de enlacese traduce en energía útil
Obtención de metabolitos de alto valor agregado
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RECUPERACIÓN ENERGÉTICA
Reacciones de oxido reducción
parcialesReacciones oxido reducción
totales
Biogás Sustrato Combustión Gasificación
CH4 Fertilizante
Conversión de gallinaza y pollinaza en energía útil
Procesos biológicos procesos termoquímicos
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ESTIERCOL AVICOLA
GALLINAZAPOLLINAZA
varía según tipo de cama
Los más comunes:
PISO JAULATRADICIONAL
CONINSUFLADO
BANDA TRANSPORTADORA
SININSUFLADOViruta/Aserrin Cascarilla de arroz
Clasificación del material
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Tecnologia Costos de Implementacion
Combustion 600 a 900 us por kw
Digestion Anaerobia 300 a 550 us por kw
Gasificacion 3000 a 5000 us por kw
Disponibilidad Tecnológica*
**
** Disponibles en el mercado internacional
*Base de datos Grupo Quirema-UdeA
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Caracterización
Análisis Próximo (%)
Análisis Gallinaza Carbón
Humedad 6,4 ± 1,0 5,3 ± 0,1
Materia volátil 53,4 ± 2,0 42,2 ± 0,3
Carbono fijo 3,3 ± 0,9 47,6 ± 0,1
Residuo 36,9 ± 1,9 4,9 ± 0,3
Análisis Elemental (%)
C 28,9 ± 2,4 74,1 ± 0,1
COOT 25,5 -----
H 3,7 ± 0,2 5,3 ± 0,1
N 4,4 ± 0,3 < LOD
NOT 4,8 -----
S 0,13 ± 0,02 ------
Poder calorífico (kJ/g) 8,8 25,9
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BiogasCaracterísticas
(Varnero, 2011)
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Rendimiento de Estiércoles
(Gon, 2008)
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En 2004 acuerdo EPM-UdeA uso de porcinaza para producción de energía en sistemas no interconectados.
En 1992 se forma el grupo de investigación con dos líneas de trabajo
Química de metabolitos
Recuperación energética y material debiomasa residual
En 1996 mediante convenio Fenavi-UdeA se inicia el estudio de la biomasa residual avícola
Entre 2000-2003 participación en el comité ICONTEC, Norma 5167 Productos Orgánicos usados como abonos o fertilizantes y enmiendas del suelo. *
* Acevedo, Liliana; Peláez, Carlos (2003) Correlación de variables físico-químicas en el proceso de compostaje y su impacto en programas de fertilización. SociedadColombiana de Ciencias del Suelos.
En 2006 Convenio Contegral-CIB-UdeA para recuperación energética y material de porcinaza
En 2009 Convenio Ministerio de Agricultura-UdeA Programa de recupaeración energética y material de vinazasen planta de Bioetanol-Frontino.
2012 Convenio Gobernación de Antioquia-UdeA para recuperación energética y material de RSUsf
En 2014 Convenio Fenavi-UdeA para recuperación energética y material de Biomasa Residual Avícola
Cronología de estudios de recuperación energética y material de biomasa residual
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FASE I Estudios básicos del
aprovechamiento energético avícola
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Problemáticas
Relación C/N Baja producción
Tipo de fase
fermentación en fase sólida
fermentación en fase líquida
Contenido de Nitrógeno y Azufre
NH3Inhibidor en fermentación
H2S Contaminante
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RetosFermentación
con Monosustrato
• Muy poca experiencia a nivelmundial a gran escala.
• Bajos rendimientos energéticos.
Consumo de
agua
Alto consumo de agua hace inviable elproceso por:• Baja concentración de nutrientes.• Altos costos de transporte.• Limitaciones ambientales por baja
disponibilidad del insumo.
Altos tiempos de
Residencia
Altos requerimientostanto económicos comode espacios.
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SISTEMA EN FASE LÍQUIDA
Condiciones de operación biodigestor de Cama de Lodo alimentado con gallinaza con ST 3%
Capacidad del Reactor, 70 LQ 14,4 L/día
Tiempo retención hidráulico (TRH) 3,0 días
Velocidad de carga orgánica (OLR) 5,8 kg SV/m3.dia
Temp . Operación 25 °C CH4 62-65%
SISTEMA EN FASE SOLIDA
Condiciones de operación biodigestor alimentado con gallinaza con ST > 30 %
Capacidad del Reactor, 70 L
Temp . Operación 25 °C BIOGAS CO2 MAYORITARIOCH4 < 20%
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Sistemas para la recuperación Energética y Materia en estiércoles avícolas
Excretas
Sistemas en fase sólida Sistemas en fase líquida(seleccionado)
Sistemas inestablescon alta producción de CO2
……Continuan en los estudios
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Definida la fase líquida, se establecieron las siguientes premisas para implementar el modelo
de recuperación energética y material
• Reducción significativa de la problemática de olores.• Implementación de tecnología sin empleo de coproductos.• Bajos tiempos de residencia que conduce a sistemas compactos.• Fuente de ingresos para las compañías.• Costos razonables en la implementación.• Maximización
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FASE II Modelo experimental de laboratorio para el aprovechamiento energético
de las excretas avícolas
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Esquema conceptual del Sistema de Biometanización a partir de excretas avícolas
(Sistema en fase líquida)Premisas
1. Factor de dilución.2. Sistemas de recirculación
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Vw (L) producción biogas* (l/h)43 0.9
Flujo alimento (l/h) 0.6
Rendimiento Aprox(l/kg Excreta)
0.1
* Contenido de CH4 >60 %
Productos del Proceso:
1. Biogas2. Fertilizante líquido3. Fertilizante sólido
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Condiciones para aprovechamiento avícolaGALLINAZA
➢ No procesos codigestivos
➢ Bajo consumo de agua
➢ Sistemas compactos
➢ Maximización del rendimiento energético
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SISTEMA EN FASE DE LABORATORIO
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Al incrementar la rata de alimentación bajo la condición de no incrementar lapresencia de Acidos Orgánicos de Bajo peso molecular, se maximiza el rendimientotal y como se observa en el siguiente gráfico.
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Lo anterior implica que la producción de Biogas en nuestro caso corresponde a:
60.0 L biogas / Kg fresco de estiércol
Sistema con:
5 recirculacionesMonosustrato
50 Kg en 50 L Por tonelada se requieren 1000 L
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Predicción de Producción
Excretas por gallina 120 g de gallinaza /gallinaPara 100.000 gallinas se producen 12 Ton de gallinazaPara el modelo se producirian 720 m3 Biogas y 12 m3
de fertilizante líquido.
GENERADOR ELECTRICO
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Para 1,5 kW deenergía (lo delmotor) el consumoes entre 1 y 1,2 m3
de biogas/hora.
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FASE III Modelo experimental en granja para
aprovechamiento de la gallinaza como monosustrato
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12
3
4
Plot of Litros en Periodo vs Total dias
0 40 80 120 160
Total dias
0
1
2
3
4
5(X 1000)
Litro
s e
n P
eri
od
o
Figura 3.
1 22´
3
41. Arranque2. Adaptación3. Metastable4. Estacionario
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FASE IV Modelo experimental para estudio de aprovechamiento en función de
la altura sobre el nivel del mar
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Se trabajaron tres alturas
500 msnm 2180 msnm
Olaya
1400 msnm
Heliconia
Medellín
Rionegro
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Modelo Conceptual
UASB
Biogas
Influente
L L Efluente
Volumen total ≈ 100 LTRH 6,7 días
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Variables Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3
ALTITUD (m.s.n.m) 500 1440 2180
Tipo de Sustrato Gallinaza Jaula Banda Transportadora sin insuflado
Carga de Hidrolizado 0.2 kg/L
Flujo de Carga Total 15 L/dia
Operación Bomba Cada 2 horas, 10 min
Condiciones de operación
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La variable temperatura puede afectar de manera inversa la productividad delos sistemas de recuperación energética si se está en alturas superiores a los1500 nsnm. Para este caso se recomienda realizar aislamiento térmico y nocalentamiento.
El resto de variables bioclimaticas de altura (presión, concentración deoxigeno, no tienen efectos significativos sobre la recuperación energética.
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FASE VModelo a escala real:
Programa Avícola Santa Rita-UdeA
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• Reactores de Segunda Generación: Mantienen el inóculo (microorganismos) dentro del reactor, No haysalida de lodo, maximizando el rendimiento del sistema, bajos tiempos de residencia.
• Multietapas: La digestión anaerobia se “compartimentaliza”.
• Redundantes: Sistemas modulares que permiten ante fallas, establecer rutas alternativas para completaroperación.
21/12/2012 48
Esquema del Aprovechamiento Energético y Material con Sistema de Reactores: 2da generación-Multietapas- Sistemas redundantes
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Esquema del Aprovechamiento Energético y Material de Gallinaza con Sistema de Reactores de 2da generación-Multietapas- Sistemas redundantes
Reactor HOMOGENIZACIO
N e
HIDROLISIS5000 L
Tanque Pulmón deHIDROLISIS
Kg Gallinaza/dia+
L efluente
Tanque Efluente
5000 L
Reactor UASB -Y25000 L
Sistema Almacenamiento Biogas
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Reactor de
Hidrólisis
Tanque Pulmón
Reactor UASB
Efluente
Materia Prima(Gallinaza)
Diseño conceptual del Sistema
Biogas
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Sistema a escala 1:1 (25 m3) en Avícola Santa Rita
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FASE VIModelo experimental para presurización y
aprovechamiento térmicoPrograma
(Fenavi-Avícola Santa Rita-UdeA)
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Pruebas de compresión
Condiciones de compresiónCapacidad del compresor. Hasta 120 psi 100 LIntervalo (On/Off) 19,5-72,5 psi
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Modificación del boquerele
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Tem
per
atu
ra °
C
Tiempo (segundos)
Comparación Propano y Biogas
Propano Biogas
Gráfica del Modelo Ajustado
psi = 50.8022 - 0.0750321*Temp °C
25 45 65 85 105
Temp °C
43
45
47
49
51
ps
i
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Depósito a “alta” presión
Depósito a baja presión
Encendido automático del compresor
19,5 psi
Apagado automático del compresor
72,5 psi Pruebas de gasto térmico a largo plazo
Dispositivo automático
Siempre que se cuente con disponibilidad de biogás en el sistema de baja presión, se puede mantener el suministro constante de combustible
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Otros aprovechamientos energéticos
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Del trapiche a la Biorrefinería
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Agradecimientos
Avícola Santa Rita
Fenavi
Universidad de Antioquia