Evaluación de la obtención de energía y subproductos a partir de un esquema básico de biorefinería centrado en co-digestión anaerobia

En Colombia se generan impactos ambientales a raíz de las diferentes actividades realizadas en el sector agropecuario. La cantidad de materia orgánica presente en los residuos plantea una afectación importante a cuerpos de agua y suelos por un manejo inadecuado. Esta biomasa, agrícola y pecuaria, posee un potencial energético que puede recuperarse en diferentes tipos: eléctrica, líquida, gaseosa o calorífica. En adición, la producción de energía bajo un proceso biológico, como la digestión anaerobia, tiene como beneficio paralelo un tratamiento de dicha biomasa residual. Además, el esquema de biorrefinería favorece la recuperación de subproductos que aportan valor agregado a la biomasa tratada y a este tipo de esquemas. En el presente estudio se evaluó el aprovechamiento de tres residuos orgánicos procedentes del cultivo de café (mucílago de café), cultivo de cacao (mucílago de cacao) y granjas porcícolas (estiércol de cerdo). La evaluación se enfocó en la obtención de metano a través de co-digestión anaerobia y la cuantificación de subproductos en el efluente. Adicionalmente, la co-digestión favorece la sinergia de los sustratos para obtener la mayor cantidad de biogás. Por lo tanto, se trabajó con una mezcla de residuos previamente definida a través de ensayos preliminares. El estudio se desarrolló en una planta piloto con reactores en régimen semicontinuo, en donde se evaluaron tres concentraciones de sustratos (8 g/l, 16 g/l y 32 g/l). Los reactores tuvieron un seguimiento de la cantidad y composición de biogás, y parámetros fisicoquímicos como el pH, alcalinidad, ácidos grasos volátiles, potencial de óxido reducción, demanda química de oxígeno, metales, metabolitos, nitrógeno amoniacal y fósforo. En todos los casos la base de los sustratos fue el estiércol, lo cual proporcionó un pH estable variando entre 6.3 y 7.5, debido a la capacidad buffer que este sustrato tiene. Por otro lado, la tasa máxima de producción de biogás fue de 486,6 ml CH4/gCOD bajo la concentración de 8g/l con relación S/X de 0,5. En este caso, la composición promedio del biogás fue del 56,2% de metano, lo cual equivale a un poder calorífico del 13,782MJ/m3. En cuanto a los metabolitos se identificó de ácido acético, propiónico, láctico y furfural que suele ser utilizado a nivel industrial. Mientras que el contenido de nutrientes fue de 992 mg/l de nitrógeno y 270 mg/l de fósforo, los cuales se pueden recuperar a través de procesos como a la obtención de estruvita. Estas corrientes de aprovechamiento dan viabilidad a estos sistemas para aplicaciones rurales. De esta manera, existen alternativas para consolidar otro tipo de dinámicas productivas a partir de biomasa residual.

Environmental impacts are generated in Colombia as a result of the different activities carried out in agricultural sector. The amount of organic matter present in the waste poses an important affectation to water bodies and soils due to inadequate management. This biomass, agricultural and livestock, has an energy potential that can be recovered in different types of energy: electric, liquid, gaseous or calorific. In addition, the production of energy under a biological process, such as anaerobic digestion, has as a parallel benefit a treatment of this residual biomass. Also , the biorefinery scheme favours the recovery of by-products that add value to the treated biomass and to this type of schemes. This study evaluated the use of three organic residues from coffee crops (coffee mucilage), cocoa crops (cocoa mucilage) and pig farms (pig manure). The evaluation focused on obtaining methane through anaerobic co-digestion and quantification of by-products in the effluent. Additionally, co-digestion favours the synergy of substrates to obtain the greatest amount of biogas, taking into account the composition of each substrate such as, for example, the nutrients and specific buffer capacity of manure and the sugars and microorganisms provided by coffee and cocoa mucilage. Therefore, a previously defined residue mixture was worked on through preliminary trials. The study was carried out in a pilot plant with semi-continuous reactors, where three substrate concentrations (8 g COD/l, 16 g COD/l and 32 g COD/l) were evaluated. The reactors was followed the amount and composition of biogas, and physicochemical parameters such as pH, alkalinity, volatile fatty acids, oxide reduction potential, chemical oxygen demand, metals, metabolites, ammoniacal nitrogen and phosphorus. In all the cases the base of the substrates was the manure, which provided a stable pH varying between 6.3 and 7.5, due to the buffer capacity that this substrate has. On the other hand, the maximum biogas production rate was 494 ml CH4/g COD under the concentration of 8g COD/l with substrate/seed (S/X) ratio of 0.5. In this case, the average biogas composition was 56.6% methane, which is equivalent to a calorific value of 13.782MJ/m3. In terms of metabolites, acetic acid, propionic acid, lactic acid and furfural acid were identified, which is usually used at an industrial level. While the nutrient content was 992 mg/l nitrogen and 270 mg/l phosphorus, from this can be made a recovery through the process for obtaining struvite. These exploitation currents give viability to these systems for rural applications. In this way, there are alternatives to consolidate other types of production dynamics from residual biomass.

Ingeniero Ambiental

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Pregrado