Transcript Co-digestion

Producción de biohidrogeno a
partir de lactosuero y residuos
sólidos orgánicos
por codigestion en un sistema en lote
y continuo.
Jacob Gómez Romero
Dra. Inés García Peña
Sede Regional Centro
22 de Octubre 2014
1
Contenido
Introducción
Producción de biohidrogeno
Digestion anaerobia
Residuos agroindustriales
Co-digestion anaerobia
Sistema CSTR
Objetivos
Metodología
Resultados
Caracterización fisicoquímica (LS y RSO)
Co-digestion en lote
Co-digestion en continuo
Conclusiones
2
I n t r o d u c c i ó n
Producción biológica de BioH2
• Amplia variedad de m.o.
condiciones anaerobias
lo
producen
bajo
• Biohidrógeno puede ser producido de residuos
orgánicos de bajo costo “Biomasa”.
• La producción de biohidrógeno por vía fermentativa
tiene un gran potencial a escala industrial
(Kapdan et al., 2006; Rocha et al., 2011)
3
I n t r o d u c c i ó n
Digestión anaerobia
Polímeros
Hidrólisis
Proteínas, polisacáridos, lípidos
Monómeros y oligomeros
Aminoácidos, azúcares, ác grasos
Fermentación
Intermediario
Propionato, Butirato, alcoholes
Acetogénesis
H2 + CO2
Acetato
Metanogénesis
CH4 + CO2
4
(Rosales-Colunga et al. 2010; Mohammadi et al. 2011)
Residuos Agroindustriales en México
En 2006, producción de lactosuero
(LS) de 1 millón de toneladas
métricas.
Industria Quesera
20 millones de toneladas de Residuos
Sólidos Orgánicos (RSO). Ciudad de
México: 12,000 ton/día de RSO.
Central de Abastos-Ciudad de México
(Gómez-Romero et al., 2014 a y b; García–Peña, et al., 2011)
5
Procesos de Co-digestion
I n t r o d u c c i ó n
“Diferentes residuos son mezclados y tratados”
Ventajas
•Mejora rendimientos- Biogás, H2
•Capacidad buffer-Intrínseca
•Efecto sinérgico- alta conversión,
•Dilución de compuestos tóxicos (amonio, ác
grasos)
•Incremento de biodegradabilidad
•Ajuste- Balance de nutrientes (ratio C/N)
(Khalid et al., 2011; Gómez-Romero et al., 2014b)
6
I n t r o d u c c i ó n
Sistemas de producción: CSTR
Estabilidad
Tiempo de residencia hidráulico (TRH)
velocidad de carga orgánica (VCO)
Continuous Stirrer Tank Reactor
(CSTR)
TRH
•TRH Critico < 0.5h
• Dinámica poblaciones
m.o H2/CH4
• Lavado de biomasa
• VVPH2, RH2, %R/Disminución
VCO
• VCO crit(Overload)>154 g L-1d-1
• VVPH2 ,incremento
• VVPH2 , RH2, %R, Disminución
• HPr, incremento
(Mohammadi et al., 2011; Kongjan, 2010)
7
OBJETIVOS DEL TRABAJO
Producir bio-hidrogeno en un sistema en lote y
continuo utilizando
lactosuero y residuos sólidos
orgánicos en un proceso de co-digestión.
8
Metodología
Experimental
9
M e t o d o l o g í a
e x p e r i m e n t a l
Co-digestion en lote: 1.8L
Estandarización/
inoculo
• Edad inóculo:
24 h y 48 h
• Efecto [g/L]
20, 30 y 40 Lactosa
• Estabilidad SSB
Tiempo (60 d)
Presencia CH4
Salida Biogás/
puerto de muestreo
Control pH
NaOH
Co-digestion
Azúcares totales
Proteína
Biomasa
DQO
AVGs (Hac, Hbu,
Hlac, HPr)
Etanol
37°C, pH 5.5
1.8 L
Relación
C/N
LS
%(v/v)
RSO
%(v/v)
7
100
0
17
75
25
21
66
34
CG
• [H2]
Biorreactor
31
50
50
46
34
66
• [CH4]
• Volume
• Q(mL/min)
Medición
biogás
10
e x p e r i m e n t a l
M e t o d o l o g í a
Co-digestion-Continuo CSTR
CSTR: 1.8L
Puerto de
muestreo
biogás
Efluentee
Reactor
Hidrólitico
Bomba
continuo
Ínflluente
4°C
Reactor
Hidrógenico
Medición de
Biogás
Bomba
R2
37°C, pH 5.5
Bomba R1
Condición
1
2
3
4
5
6
7
8
TRH
60
48
38
28
18.7
15
10
17
21.9
29.2
41.1
54.0
76.4
97.6
155.8
80.2
(h)
VCO
(g DQO -1L*-1d)
11
Resultados
12
Resultados-Caracterización fisicoquímica
Cuadro 1. Características fisicoquímicas del lactosuero y residuos
sólidos orgánicos
Parámetro
Lactosuero
Residuos Sólidos
Orgánicos
Carbohidratos totales (g/L)
28.88±0.392
45.22±2.4
Demanda química de oxigeno
(mg/L)
67,880±737
144,133±5292
Proteína (µg/mL)
739.46±4.6
440±12
Nitrógeno total Kjeldalh (g/L)
4.18±0.68 BH
Carbono Orgánico Total (g/L)
29.5±0.17
150±2.6
Sólidos totales (g/L)
45.2±.99
64.9±1.55
pH
3.8±0.012
4.27
Densidad (g/mL)
1.005±0.013
BH: base humedad
1.43 ±0.23(g/kg) BH
0.919±0.19
13
Producción BioH2 con Lactosuero al 100%
2.5
1500
Lactosa
Biomasa
Biohidrógeno
1000
10
2a fase lag en
lactusero (Ferchichi et
1.5
Biomasa (g/L)
2.0
750
500
250
al., 2005)
0
0
20
40
60
1.0
80
Biohidrógeno acumulado (mL)
1250
20
Lactosa (g/L)
Resultados- lactosuero
30
0
Tiempo (h)
Sustratos con alto contenido en N “ proteínas”, presentan altos rendimientos de biomasa (Zhu
et al., 2008). Lodos activados no producen Bio-H2 significativamente (Zhu et al., 2008).
14
Resultados Co-digestion/lote
Cuadro 2. Diferentes relaciones C/N a partir de la mezcla de
lactosuero y residuos sólidos orgánicos para estudios de co-digestion.
Relación
C/N
LS
(mL)
RSO
(mL)
7
1800
0
17
1350
450
21
1200
600
31
900
900
46
600
1200
15
10000
C:N-7
C:N-17
C:N-21
C:N-31
C:N-46
8000
Biohidrógeno acumulado (mL)
Resultados Co-digestion/lote
Efecto de la relación C/N sobre la producción
BioH2
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Tiempo (h)
La hidrólisis de celulosa llega a ser un paso limitante en la digestión anaerobia
al., 2008)
(Lee et
16
Productividad global de BioH2
Productividad global de biohidrógeno
(mLH2 L-1h-1)
Resultados Co-digestion/lote
80
68.1 mL H2 L-1 h-1
60
VS
40
29.2 mL H2 L-1 h1
20
C:N-7
C:N-17
C:N-21
Tratamiento
C:N-31
C:N-46
17
7
C/N 21
pH
6
5
4
3
0
20
7
40
60
80
100
120
Tiempo (h)
VS
6
pH
Resultados Co-digestion/lote18
Efecto buffer en la relación C/N 21 y 46
5
C/N 46
4
3
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Tiempo (h)
18
Resultados Co-digestion/continuo
Sistema continuo: condiciones de TRH y VCO
Tratamiento
TRH
(h)
VCO
(g L-1 d-1)
1
60
21.91
2
48
29.26
3
38
41.19
4
28
54.01
5
18.7
76.41
6
15
97.67
7
10
155.87
8
17.5
80.20
19
11.03 mmol -1L*h-1
12
60
HRT
VVPH2
40
10
8
5.7 mmol -1L*-1h
6
30
17.5
20
4
10
2
0
0
90
0
10
20
30
40
50
Tiempo (d)
60
70
80
VVPH2 (mmol Lr-1h-1)
50
TRH (h)
Resultados Co-digestion/continuo
Efecto del TRH y VCO sobre VVPH2
20
80
60
50
60
40
40
% H2
TRH (h)
Resultados Co-digestion/continuo
Efecto TRH sobre %H2
30
20
20
15
10
HRT
Porcentaje H2
10
0
0
0
10
20
30
40
50
Tiempo (d)
60
70
80
90
21
Altas VCOs disminuyen RH2
800
(Van Ginkel y Logan, 2005)
600
Rendimiento (mL H2 g DQO-1)
Resultados Co-digestion/continuo
Efecto del TRH y VCO sobre RH2
400
76 a 80
200
0
20
40
60
80
100
120
140
160
VCO (g DQO L-1d-1)
800
600
400
200
17 a 19
0
10
20
30
40
50
60
HRT (h)
22
Resultados Co-digestion/continuo
Cuadro 4. Estudios de producción de biohidrógeno por digestión anaerobia
simple y co-digestion en sistema en continuo.
Co-sustratos
VVPH2
máx.
(mL Lr-1 h-1)
% H2 máx.
(%v/v)
TRH(h)/VCO (Kg
L-1d-1)
Optimo
92.91/---
29.33
15.62
Aguas residuales de azúcar
128.57/5.69
64.7
5/--
Wang et al., 2013
Residuos de comida/aguas
residuales de cocina
15.62/---
61
38.4/36
Tawfik et al., 2012
Lactato/acetato
---/6.60
40
18/55.64
Wu et al., 2012
Residuos orgánicosfermentación de etanol
108.3/--
38
8.2/117.6
Juang et al., 2011
346.60/ 11.03
60.15
17.5/80.20
Melazas/excremento de
porcino
Lactosuero/RSO
Referencia
Wu et al., 2013
Este estudio
23
Conclusiones
24
• LS y RSO mostraron diferencias en contenido de proteína total, NTK y COT (739 y 400 mg/mL;
4.18 y 1.43 ; 28 y 150g/L, respectivamente). Realizar co-digestion de LS con ROS puede favorecer el
balance C/N y nutrientes.
• El incremento la relación C/N de 7 a 46, incrementó en el volumen de biohidrógeno de 1438 a 9525
mLH2. Sin embargo, en la relación C/N 21 se obtuvo un RH2 máx. de 449.84 mL H2.
• La disminución del TRH incremento la VVPH2 de forma lineal. No obstante, la VVPH2 máx. fue de
11.02 mmol H2 L-1 h-1 en el sistema en continuo aun TRH y VCO de 17.5 h,y 80.02 gDQO L-1 d-1,
respectivamente.
• La [H2] promedio fue de 53%v/v, no hubo presencia de CH4 en ninguna de las condiciones de TRH y
VCO evaluadas.
• El RH2 máx. fue 800 ml H2 gDQO-1 a una VCO de 80.02 gDQO L-1 d-1 y TRH de 17.5 h en continuo.
25
Muchas Gracias por su
atención!!!
Jacob Gómez Romero
[email protected]
Dra. Elvia Inés García Peña
[email protected]
Lab. de Biotecnología Ambiental –Posgrado, UPIBI-IPN
26