Proyectos de Investigación Básica y Aplicada - Convocatoria 02
Marcelino Victoriano Marca Flor; Henrry Ochoa Contreras; Anibal Rafael Paredes Choque; Aquiles Carlos Arce Chipana; Edwin Fernando Suaña Mamani; Celso Antonio Sanga Quiroz; Maria Leny Ojeda Contreras; Edgar Caceres Cabana
Objetivo
Evaluar el proceso de digestión anaerobia de sustratos biodegradables de la región Arequipa cuando se integran sistemas bioelectroquíicos (MFC) con la finalidad de incrementar el rendimiento energético mediante la mejora de la producción de metano manteniendo controlados los indicadores de estabilidad.
Resumen:
Este proyecto busca evaluar y determinar los parámetros y estrategias operativas que permitan incrementar la producción de metano contenido en el biogás y conducir de forma estable el proceso combinado de digestión anaerobia integrada con celdas microbianas de electrólisis. Este proceso se ha desarrollado recientemente y entre sus ventajas permite obtener una mayor tasa de producción de metano que permite recuperar varias veces la energía eléctrica que emplea la celda microbiana de electrólisis. Sin embargo, se ha reportado que junto a estas ventajas pueden surgir problemas que afectan la estabilidad del proceso y por lo tanto afectar la producción de metano. El principal problema, la inhibición del proceso de digestión anaerobia, ha sido asociado a la alcalinización del contenido del reactor (ocasionado por el potencial eléctrico en algunos casos y en otros por el contenido de nitrógeno de los sustratos). Para mitigar o superar este problema se plantea evaluar el uso de estrategias empleadas en la digestión anaerobia convencional en diferentes condiciones y usando sustratos de la región Arequipa (desechos agroindustriales, desechos animales, fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales), para mantener el proceso estable alcanzando mayores niveles de producción de metano que los sistemas de digestión anerobia sin celdas microbianas de electrólisis, incrementando así el rendimiento energético general del proceso.
Palabras clave
Biodigestores, Celda microbiana de electrólisis, digestiòn anaerobia, UNSA, CIENCIACTIVA, CONCYTEC
Problema central
La digestión anaerobia (DA) se encuentra implementada a escala comercial alrededor del mundo demostrando la viabilidad de los procesos biológicos para generación de energía. El siguiente paso es la intensificación o mejora del proceso. Dentro de las técnicas para mejorar el proceso de DA, el uso de celdas microbianas de electrólisis (MEC) es una de las más promisorias y de reciente desarrollo ya que se reporta que incrementa la tasa de producción de metano (principal gas energético en el biogás), disminuye la concentración de sulfuro de hidrógeno (principal gas corrosivo y problemático del biogás) y resulta eficiente energéticamente desde el punto de vista de la electricidad suministrada a la MEC (sin tener en cuenta la energía necesaria para el funcionamiento del sistema). Sin embargo, se han reportado problemas de inhibición de la DA por alcalinización (elevación del pH) relacionados al voltaje aplicado a la MEC, que afecta la estabilidad y producción de metano.
Hipótesis planteada
La estabilidad (relacionada fuertemente con la tasa de producción de metano, además de otros indicadores como el ratio de ácidos grasos volátiles y alcalinidad, la remoción de sólidos totales (ST), sólidos suspendidos volátiles (SSV) y demanda química de oxígeno (DQO)) del proceso de digestión anaerobia (DA) de sustratos locales se ve mejorada cuando en el proceso se incluye una celda microbiana de electrólisis (MEC) y se emplean estrategias de control de inhibición adecuadas, por lo que el rendimiento energético general del proceso DA-MEC sería positivo y superior al obtenido en un proceso DA sin MEC en diferentes condiciones operativas del proceso (tasa de carga orgánica, tiempo de retención hidráulica y régimen de temperatura (mesofílico y termofílico)).
Resultados esperados
Un sistema continuo de digestión anaerobia con un sistema bioelectroquímico a escala de laboratorio equipado para servir como banco de pruebas para diferentes sustratos.
Un set de parámetros cinéticos obtenidos experimentalmente, que describan el comportamiento de la producción de metano e indicadores de la estabilidad del proceso.
Una estrategia de control o mitigación de la inhibición por alcalinización que afecta la estabilidad del proceso.
02 Publicación de artículos científicos con los resultados de la investigación en revistas indizadas.
06 profesionales capacitados en monitoreo y automatización de biodigestores.
01 ponencia internacional en Ucrania de nivel científico donde se difundan los avances o resultados del proyecto.
03 Tesis de maestría presentadas o publicadas (1ra Relacionada a la tasa de producción y composición de biogas obtenido en digestor anaerobia mesofílico, 2da relacionada a codigestión de sustratos agroindustriales y animales como estrategia para superar la inibicion de la digestion anaerobia asistida con una celda microbiana de electrólisis, 3ra relacionada identificacion de consorcios micriobianos en celdas de electrólisis microbianos)
03 Nuevos profesionales con grado de maestro en Gestión de la Energía por la UNSA
01 Solicitud de PI acerca del sistema bioelectroquímico desarrollado en el proyecto de acuerdo a (estudio de patentabilidad )
Impactos esperados
Los resultados de la investigación permitirán establecer las condiciones y estrategias operativas para el funcionamiento estable del proceso de digestión anaerobia con celdas microbianas de electrólisis (DA-MEC). De esta forma, se logra mejorar el proceso de digestión anaerobia convencional, con los siguientes impactos:
Impactos sociales: Permitiría crear nuevos puestos de trabajo en plantas de DA-MEC ubicadas en zonas agroindustriales y urbanas, ya que este proyecto contribuiría al posterior escalamiento y comercialización de esta tecnología para valorizar los desechos agroindustriales, desechos animales, fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, lodos y aguas de plantas de tratamiento de aguas residuales.
Impactos económicos: El valor agregado que se obtendria de implementarse esta tecnología en el futuro, contribuiría a la generación de una industria de bioreciclaje y un mercado de bioenergía y fertilizantes, que podría integrarse con las cadenas productivas de varios productos agrícolas y animales. Igualmente se podría reducir el costo de operación o generar ingresos por la venta de energía en el caso de la plantas de tratamiento de aguas residuales.
Impactos ambientales: En el mediano plazo, los resultados de este proyecto permitirán añadir alternativas a las métodos actuales de tratamiento y disposición de desechos orgánicos biodegradables, capturando su carbono en forma de un combustible (biogás) que puede emplearse para generación eléctrica, reduciendo el impacto que tendría la liberación de los gases de la descomposición natural de los desechos orgánicos sobre el cambio climático.