La plantas de biogas pueden estar o no sumergidas en el suelo (donde la temperatura, como se indicó es mayor a la del aire y no varía tan drásticamente, dependiendo de la región y de la profundidad). Pero en ámbos casos es posible “optimizar” el proceso de obtención de metano en sus respectivos biodigestores. Para ello es que se añaden dos ingredientes muy importantes: la AGITACIÓN y la CALEFACCIÓN.
El primero permitirá “uniformar” la densidad bacteriana en el sustrato favoreciendo positivamente su acción, evitará la formación tanto de costras al interior del biodigestor como de “espacios muertos” sin actividad biológica. El segundo contrarrestará el efecto de las variaciones bruscas de temperatura que inhiban la acción bacteriana, problema crónico en las plantas artesanales cuyos diseños circulan libremente en el ciberespacio.
En el caso de los biodigestores que están sobre la superficie del suelo, como los industriales, esta necesidad se hace más fuerte. La figuras siguientes nos muestran las 3 disposiciones básicas de dichos biodigestores, teniendo en cuenta los sistemas agitadores y calentadores, según su volumen:.
El primero permitirá “uniformar” la densidad bacteriana en el sustrato favoreciendo positivamente su acción, evitará la formación tanto de costras al interior del biodigestor como de “espacios muertos” sin actividad biológica. El segundo contrarrestará el efecto de las variaciones bruscas de temperatura que inhiban la acción bacteriana, problema crónico en las plantas artesanales cuyos diseños circulan libremente en el ciberespacio.
En el caso de los biodigestores que están sobre la superficie del suelo, como los industriales, esta necesidad se hace más fuerte. La figuras siguientes nos muestran las 3 disposiciones básicas de dichos biodigestores, teniendo en cuenta los sistemas agitadores y calentadores, según su volumen:.
AGITACIÓN:
La agitación puede realizarse mediante "rodetes" o también por inyección de aire comprimido o recirculación del biogas (que producen burbujas en el sustrato), pero estas dos últimas alternativas tienen la desventaja, además del mayor costo, de elevar considerablemente la presión interna de la cámara digestora, obligándonos a un diseño más meticuloso de la misma.
Esto puede resultar práctico, pero es más peligroso
En el caso de los "rodetes", independientemente del tipo de biodigestor, no se considera importante la velocidad con la cual deben operar los agitadores, puede trabajarse con un elevado rpm (superior a 1000), no obstante debe tenerse presente que muy altas velocidades pueden influir negativamente en la actividad biológica al interior del biodigestor. El “Manual de Producción de biogas” del Ing. Jorge Hilbert, refiriéndose a este punto cita lo siguiente: “En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas”.
Ya hemos discutido los criterios de diseño de agitadores el año pasado, por lo que sólo nos centraremos en especificaciones. En lo que sí hay consenso en la mayoría de documentos revisados por mí, es en el tipo de agitador recomendado: AGITADORES DE HÉLICE, de los cuales, los pequeños (menos de 1m de diámetro) giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; mientras que los mayores (más de 1m de diámetro) giran de 400 a 800 rpm.
La figurita de abajo nos muestra la disposición básica que debe tener un sistema de agitación en tanques para líquidos viscosos. Las placas deflectoras (baffles) se hacen innecesarias si se trabaja a régimen turbulento (alto número de Reynolds), dado que pueden resultar contraproducentes. Obsérvese la relación de diámetros agitador / diámetro de tanque : d / D. Podemos asumir con bastante comodidad una relación d / D = 0,4 ó 0,5.
Una vez conocido el diámetro que debe tener nuestro agitador y las RPM, determinaremos la potencia motriz requerida por el agitador.
Calculando previamente el número de Reynolds por medio de la expresión siguiente (exclusiva para recipientes con agitador):
La viscosidad μ y la densidad ρ, deben ser determinados experimentalmente, pero con fines prácticos podemos utlizar una viscosidad promedio 1 cPaS y densidad 1000 kg por metro cúbico (datos del agua).Con el número de Reynolds y el tipo de agitador en mente, entraremos a la curva siguiente, que nos brindará el número de potencia Np (También está disponible en FACEBOOK si no está muy visible aquí).
Pero como la potencia de arranque de los motores suele ser mayor, especificaremos que:P(arranque) = 2,5 x P (de servicio)
El tiempo de funcionamiento del agitador (en minutos) lo determinamos ayudándonos con el número de Reynolds y la siguiente curva (N es el rpm del agitador)
Sin embargo el tiempo debe considerarse con cada nuevo ingreso de sustrato al biodigestor.CALEFACCIÓN:
En la temperatura es importante conocer no solamente las variaciones que se producen durante las épocas del año y el rango dentro del cual “operan” los diferentes tipos de bacterias presentes en el proceso, ver tabla:
El calor necesario para mantener la temperatura en un márgen aceptable se puede calcular mediante la siguiente expresión:
El calor específico Cp es función del tipo de biomasa, pero con fines prácticos puede asumirse un promedio (Cp ≈ 4 KJ/Kg°C). La eficiencia es también difícil de determinar si consideramos las pérdidas térmicas, pero puede especificarse un rango entre 0,2 y 0,5.
Desde este punto de vista, los requerimientos energéticos para calefacción no son altos. Por ello es conveniente la llamada “Cogeneración”, esto es, el aprovechamiento de una fracción de la energía térmica total producida por la planta, exclusivamente con la finalidad de mantener las “condiciones ambientales” en estado óptimo al interior del biodigestor. Bien pueden aprovecharse el gas quemado por un motor o turbina de funcionamiento contínuo. Véase el interesante ejemplo que brinda esta planta de biogas existente en el norte de nuestro país.
El mes que viene continuaremos exponiendo criterios útiles para el diseño para estas plantas de biogas. Las imágenes menos visibles están ahora disponibles en FACEBOOK. Gracias nuevamente por su atención. Espero sus preguntas y/o comentarios.
Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Process design of agricultural digesters – Arthur Wellinger – Nova Energie Gmbh – Ettenhausen.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Mixing and Agitation – R. S. Brodkey - Revista “Chemical Engineering”.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• Generación de Energía con Biogas de Residuos Agrícolas en Plantas Agroidustriales de La Libertad – Perú – Raúl Paredes Rosario – Universidad Privada del Norte (rparedes_rosario@yahoo.es).
