AZUCARERA “30 DE NOVIEMBRE” PARA LA OBTENCIÓN DE BIOGÁS. Title:
Cachaza´s potential to obtain biogas in sugar mills “30 de Noviembre”. Autores: ...
POTENCIALIDADES DEL EMPLEO DE LA CACHAZA EN LA EMPRESA AZUCARERA “30 DE NOVIEMBRE” PARA LA OBTENCIÓN DE BIOGÁS.
Title: Cachaza´s potential to obtain biogas in sugar mills “30 de Noviembre”.
Autores: Jesús L. Rosas-Naranjo1, Luís Manuel García-Rojas2, Julio Rivero-González2, Ana Isabel Delgado-Ramírez3, Omar Alfredo Placeres-Benítez.2 1
Empresa Azucarera “30 de Noviembre”
Ing. Mecánico. 2
Universidad de Pinar del Río Facultad Geología Mecánica. Departamento Mecánica,
MsC. Mecánica. E-Mail: luism@meca.upr.edu.cu MsC. Mecánica Ing. Metalúrgico 3
Empresa de Aprovechamiento Hidráulico.
Ing. Hidráulica
Aceptado: mayo 2010 Publicado: marzo 2011 RESUMEN. En el presente trabajo se realiza un estudio de las potencialidades de la cachaza, residuo del proceso de obtención del azúcar. Para el análisis se tienen en cuenta las producciones de la Empresa Azucarera “30 de Noviembre”. A partir de los volúmenes de cachaza, se realiza el dimensionamiento de una planta para la producción de Biogás y se propone el proceso tecnológico para la producción y embotellado del mismo con el consiguiente impacto económico, energético y medioambiental que el proceso generará. Los volúmenes de este residual y las posibilidades de introducción de la propuesta, hacen que la misma deba ser tenida en cuenta como una variante para la solución a los problemas energéticos. Palabras Claves: CACHAZA; BIOGÁS; BIODIGESTORES. ABSTRACT. In this research it´s study of the potential of the cachaza, it´s a residue of sugar production process. For the analysis takes in to account a Sugar Mills “30 de Noviembre”´s productions. From the amounts of residual, it makes the design of a plant to Biogas production and
technological process is proposed for the production and filling the same with the resulting economic impact, energy and generate environmental process. The volumes of the residual and possibilities of introducing the proposal make the same must be taken into account as an alternative for the solution to energy problems. Key Words: CACHAZA; BIOGAS; BIO-DIGESTERS. INTRODUCCIÓN. Las formas de energía renovable son muchas en la naturaleza e incluyen la energía solar, la eólica, energía térmica marítima, geotérmica, energía de la biomasa y la energía producida por la fermentación anaerobia de materiales orgánicos, entre otras (Álvarez, 2006). La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre de forma espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta forma podemos encontrar el denominado "gas de los pantanos" que brota en aguas estancadas, el gas natural (metano) de los yacimientos petrolíferos, así como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos procesos intervienen las denominadas bacterias metanogénicas (Biomass Energy, 1983). La digestión anaerobia a pesar de ser conocida desde el siglo XVIII se comenzó a aplicar recientemente en el campo y a escala industrial, lo cual se atribuye a las exigencias físicas, químicas y microbiológicas del proceso (Ferreira, 1995). Los últimos 20 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre el funcionamiento del pr oceso microbiológico y bioquímico gracias al nuevo material de laboratorio que permitió el estudio de los microorganismos que intervienen en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno). Estos progresos en la comprensión del proceso microbiológico han estado acompañados por importantes logros de la investigación aplicada obteniéndose importantes avances en el campo tecnológico. Los países generadores de tecnología más importantes en la actualidad son: China, India, Holanda, Francia, Gran Bretaña, Suiza, Italia, EE.UU., Filipinas y Alemania. Cuba está entre los países latinoamericanos de mayor potencial bioenergético aprovechable de residuales agropecuarios. El potencial de biogás en las condiciones actuales está en el orden de 152 mil toneladas de combustible convencional por año, proveniente de unos 78 millones de m3 de vertimientos y biodegradables que constituyen hoy en día, en su conjunto, una de las principales fuentes de descontaminación del país. La primera planta de biogás en Cuba se construyó en San Antonio del Sur, Provincia de Guantánamo, con un digestor alimentado con las excretas de unas 10 ó 15 vacas, el cual beneficiaba unas siete familias que usaban el biogás producido par a la cocción de los alimentos. A finales del quinquenio 1980-1985 en el país se encontraban funcionando más de mil digestores. MATERIALES Y MÉTODOS. La investigación se realizó en la Empresa Azucarera “30 de Noviembre” fue la primera industria azucarera construida por la Revolución, la misma esta ubicada en la localidad La Conchita, Taco – Taco, Municipio de San Cristóbal, pertenece al Grupo Empresarial Agroindustrial
Azucarero de Pinar del Río, fue creada el 7 de enero, por la Resolución Ministerial 1/2003 del Ministerio del Azúcar. Sus áreas de producción cañera se encuentran ubicadas en los Municipios de Candelaria, San Cristóbal y Los Palacios. Materia prima evaluada para el desarrollo de la investigación. La cachaza residuo del proceso producción de azúcar fue evaluada como material orgánico, según los resultados de las mediciones realizadas permitió determinar el potencial de materia prima (cachaza) disponible en la Empresa para la producción del biogás. La cachaza que se produce es transportada en camiones para un plato donde se almacena. La determinación de las potencialidades de la cachaza para la producción de biogás, esta basada, en el programa de crecimiento cañero. Cantidad de cachaza disponible. Para estimar la cantidad de cachaza se tuvo en cuenta el programa de crecimiento cañero de la empresa para los próximos años.
Donde: Cca- cantidad de cachaza. Tcm – toneladas de caña molidas, tn/año. cc – % cachaza en caña. Posteriormente se calcula la cantidad de biomasa que produce la cachaza, a partir de conocer la cantidad de agua necesaria que garantizará el desarrollo adecuado de la anaerobiosis metanogénica, según la expresión:
Donde: CB – cantidad de biomasa. Pca - H2O – Cantidad de agua según la proporción cachaza-agua. Cálculo del volumen de biogás. El volumen de biogás se puede calcular como:
Donde: CB – toneladas de biomasa. Una tonelada de cachaza produce 120 m3 de biogás aproximadamente. Estudio de las variantes para la producción y envasado del Biogás. Existen diversos tipos de biodigestores, siendo los más difundidos en la actualidad por la sencillez de su fabricación y por su eficiencia, el modelo Chino y el Hindú. Por lo sencillo de su construcción, barato, eficiencia de trabajo, así como su vida útil se seleccionó para esta Investigación el Modelo Chino. Cálculo del biodigestor. Según Santiesteban (2003), expresión matemática:
el volumen del biodigestor se puede obtener por la siguiente
Donde: – masa volumétrica de la biomasa; kg/m3. Para el tratamiento se recomienda emplear un metro cúbico de capacidad en el biodigestor por cada 1000 kg de biomasa, pues se considera que la biomasa, formada en sus tres cuartas partes por agua, posee una densidad equivalente a la de ésta. Otro cálculo importante que se realiza es el de la cantidad de digestores que se necesitan para hacer funcionar la planta. Este número de digestores se calcula mediante la siguiente relación:
Donde: VD1 – volumen de un digestor; m3 El cálculo de las dimensiones del biodigestor se realiza según la metodología planteada por Guardado, (2007). Las fórmulas fundamentales que se emplean para el dimensionamiento del biodigestor Modelo Chino, de cúpula fija (caracterizado por sus tres partes: cónica, cilíndrica y esférica), se exponen en la Figura 1.
Cálculo del volumen de la carga diaria: Partiendo de la expresión para el cálculo del volumen del biodigestor se calcula el volumen de la carga diaria:
Donde: Vcd – volumen de la carga diaria; m3 VD – Volumen del biodigestor; m3 Cálculo del volumen de la cámara de carga. Esta cámara en cualquier tipo de planta con alimentación semicontinua, tiene un volumen mayor que el volumen de carga diario, entre 10-20 % (Guardado, 2007). El volumen de la cámara de carga considerando una reserva del 15 % en relación al volumen de la carga diaria se determina por la siguiente expresión:
Cálculo del volumen del tanque de compensación. El tanque de compensación tiene un volumen equivalente al volumen de gas en el segmento esférico: V2 = Vtc ; conociendo que el radio del digestor es igual al radio del tanque de compensación se determina la altura (h) del cilindro por la expresión:
Dejando un borde libre de 20 cm, la altura total será:
Metodología para la purificación y el envasado del biogás. La digestión anaerobia es una aplicación típica en las granjas de ganado bovino y porcino de gran tamaño o como planta de gestión de residuos en zonas de alta concentración de ganado estabulado, por el gran problema que generan los residuales. En este caso se propone proyectar una planta de digestión anaerobia de producción de biogás como auto abastecimiento energético según las necesidades y la venta del excedente a otros clientes para diversos usos mediante el embotellado a presión y traslado del mismo. Embasado del biogás. El biogás purificado se almacenará en balas de 100 m3 para su posterior envasado y traslado, en balas de 5 m3 con destino a los comedores y los talleres, o en balones de 45 Kg para la comercialización a otros usuarios. Para el almacenamiento del biogás en las balas y los balones, se utiliza un compresor koppkin que comprime el biogás a una presión de 10 kgf/cm2. En la línea de trasiego del biogás se instalan válvulas de seguridad para controlar el paso del mismo hacia las instalaciones de purificación y finalmente hacia las balas reservorios de almacenamiento y embotellamiento. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Disponibilidad de materia prima para la producción de biogás. Una molida diaria de caña de 6900 toneladas genera entre el 4 y el 6 % de cachaza en caña, la variación es debido a causas objetivas como la variedad de la caña, el tipo de cosecha y de las condiciones de la cosecha. En la figura 2 se muestra las toneladas de cachaza producidas desde la zafra 2006 hasta la fecha.
Cálculo de la cantidad de cachaza disponible. Los resultados del cálculo de la cantidad de cachaza que se produjo en los periodos de zafra se reflejan en la siguiente tabla:
En la tabla se aprecian las toneladas de caña, los porcientos y la cantidad real de cachaza, siendo esta inferior al plan debido a que solo se contabiliza la cachaza que se pesa y no la cachaza que se derrama por la zanja y va hasta las lagunas. Cálculo de la Cantidad de biomasa disponible. La cantidad de biomasa que genera la cachaza teniendo en cuenta la proporción de agua establecida de 1: 2.5 y las 33.05 t/dia extraídas de la tabla anterior dan un aproximado de 82.63 t/dia de biomasa. Cantidad de biomasa disponible según el tiempo de retención. Considerando un tiempo de retención de 30 días para la estabilización en el reactor de la cantidad de biomasa disponible calculada es de 2478.8 t. Cálculo del potencial de biogás que posee la empresa. Considerando una producción de biogás de 120 m3/t el potencial de biogás que se espera obtener es de 297456 m3. Cálculo del biodigestor. El diseño del biodigestor se realizó atendiendo a las necesidades de consumo para la cocción de alimentos en el comedor central de la fábrica de azúcar donde existen alrededor de 900 comensales y a las ventajas de las plantas de cúpula fija para las condiciones cubanas, lo cual las han situado como el tipo de biodigestor más propuesto por los ingenieros y proyectistas nacionales para la solución de los residuales (Savran, 2005). Entre ellas están: • Su construcción se realiza con paredes de bloques de hormigón y cúpula de ladrillos, empleando otros materiales conocidos como cemento, arena, piedra y acero constructivo, asegurando con ello una alta resistencia y durabilidad de la obra. • No presenta partes móviles propensas al desgaste, así como tampoco partes metálicas propensas a la corrosión. • Su tiempo de vida útil se extiende a 20-25 años. • Barato, por hacerse enteramente de albañilería y con materiales locales. Cálculo del volumen del Biodigestor. Para el Cálculo del volumen del biodigestor, inicialmente se calcula el Volumen total de
digestión y posteriormente la cantidad de biodigestores que se necesitan para hacer funcionar la planta. El volumen total de digestión se obtiene según la ecuación
Después de los cálculos realizados el volumen total del biodigestor estimado será de 100 m3, debido a su tamaño se realizará el diseño de 2 biodigestores, según la propuesta de Guardado 2007, se emplearán 2 biodigestores de 50 m3 Cálculo del volumen de la carga diaria: Partiendo de la expresión para el cálculo del volumen del biodigestor (Ecuación 2.7), se obtiene el volumen de carga diaria:
El valor obtenido de la carga diaria de 1.66 m3/día es apropiado para un biodigestor mediano (50 a 100 m3) ya que se recomienda que el mismo sea hasta 5 m3/día para las plantas grandes con control de temperatura y agitación mecánica (Guardado, 2007). Cálculo del radio del volumen predefinido (R):
Cálculo de la Unidad proporcional:
Cálculo de las proporciones:
Al comparar los valores obtenidos de los parámetros del biodigestor del presente proyecto con los de otros biodigestores típicos construidos y en explotación actualmente (Chao, 2008) se aprecia similitud en los mismos, lo cuál indica la valides de los mismos.
Cálculo de los volúmenes parciales
Comprobación
Por lo tanto se consideran aceptables las dimensiones predeterminadas del biodigestor. Cálculo del volumen de la cámara de carga: El volumen de la cámara de carga considerando una reserva del 15 % en relación al volumen de la carga diaria se determina por la expresión 2.8:
Según experiencias prácticas de plantas de este tipo construidas en el País se asume una longitud de 2.00 m y un ancho de 1.10 m de la cámara de carga por lo cual la altura calculada es:
En la cámara de carga es conveniente construir el piso con una pequeña inclinación hacia el lado opuesto del tubo de carga, para evitar que materiales inertes (piedras, metales, otros) penetren en el biodigestor por accidente arrastrados por el sustrato y dejar una abertura en el lado de la inclinación, para evacuar los mismos. El tubo que comunica la cámara de carga con el biodigestor es de PVC con un diámetro de 13.2 cm. El extremo que penetra en el biodigestor debe estar a una altura de 1.90 cm del fondo, para evitar que el material sedimentado lo obstruya. Cálculo del volumen del tanque de compensación. El tanque de compensación tiene un volumen equivalente al volumen de gas en el segmento esférico V2 = Vtc; conociendo que el radio del digestor es igual al radio del tanque de compensación se determina la altura (h) del cilindro por la expresión 2.8:
Dejando un borde libre de 20 cm, la altura total es:
Metodología para la purificación y el envasado del Biogás. Cuando se diseñan plantas de grandes volúmenes de producción de biogás, una de las vías para acortar el periodo de recuperación de la inversión es mediante la diversificación del destino final del biogás, para lo cual es necesario elevar la calidad del mismo incrementando el porciento de metano en el biogás y acondicionándolo para su envasado y traslado, lo que se logra mediante el proceso de purificación y embotellamiento del mismo. Para la materialización del proceso se realizan las siguientes operaciones tecnológicas: • Traslado del biogás desde la planta de biodigestores hasta la planta de tratamiento a través de una Tubería de PVC de 3.3 cm. A la salida de cada biodigestor y de la línea general se instalan válvulas de bola para el cierre hermético de la línea. También se instala una trampa contra incendio para evitar su propagación a través de la tubería. Esta trampa consisten en un sello hidráulico a través del cual pasa el gas en una sola dirección (no permiten su circulación en sentido contrario). • Purificación del biogás en la torre de absorción (reactor) para elevar la concentración de metano hasta 95 % y disminución del H2S (hasta 0.004 %) y del CO2 (hasta 3.0%). • Secado del biogás purificado en el filtro de humedad, donde se separa parte del vapor de agua contenido en el mismo por secado mediante absorción física. • Almacenamiento del biogás en cilindros de acero para presión hidrostática cuyo volumen muerto es de 15 000 litros, probado para una presión de 17,5 kgf/cm2, almacenará el biogás comprimido hasta 10 kgf/cm2. Para ello se emplea un compresor “Koppkin” de 11 kW. • Embotellamiento del biogás en las balas de 5 m3 y los cilindros de 45 kg con 4 bombas del tipo “paletas”. • Transportación del biogás hacia los consumidores CONCLUSIONES. 1. La utilización de los residuales de cachaza de la Empresa para la producción de biogás contribuirá favorablemente a la protección del suelo, el agua y la atmósfera, propiciando el reciclaje de desechos y el rehúso del agua. 2. La Empresa genera aproximadamente 33.3 toneladas de cachaza como promedio diariamente, parte de los cuales se vierten al medio sin tratamiento previo ocasionando afectaciones al ecosistema, los mismos poseen un potencial energético para la producción de biogás de 297456 m3/día. 3. A partir de los cálculos efectuados se seleccionaron 2 biodigestores de 50 m3 de cúpula fija (tipo Chino). El diseño y cálculo se realizó a partir de la aplicación de la metodología propuesta por Guardado, (2007). 4. La metodología propuesta para la purificación y el embotellamiento del biogas, le permitirá a la Empresa autoabastecer sus necesidades energéticas, diversificar el uso del biogás y disponer de un nuevo producto para la comercialización.
RECOMENDACIONES. A partir de los Resultados de la presente Investigación se recomienda lo siguiente: 1.- Elaborar un proyecto integral para la Implementación de la tecnología del biogás en la Empresa Azucarera “30 de Noviembre”. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Aitken, Donald: Transitioning to a Renewable Energy Future. White Paper; escrito bajo contrato con la International Society for Solar Energy. .2003, Disponible en: http://whitepaper.ises.org . Álvarez, B. A. y Montes, N. L: “¿Cuál cambio estructural requiere elector energético mexicano?”, Facultad de Economía, UNAM, México, 2005. Álvarez J. M. Caneta Biomasa y Biogás. Universidad Nacional del Nor deste, 2006. An Bui Xuan. The impact of low-cost polyethylene tube biodigesters on small farms in Vietnam. MSc Thesis. Univ. Uppsala, 1996. Anderson, G.K., Donnelly, T. y McKeown, K.J.. Process bioc hem.17: 28-32. AOAC. 1980. Official methods of analysis. Association of official analytical Chemits,Washington.Aplicaciones del Biogás. 1982. Disponible en: http://webcd.usal.es/web/transgen00/Unidades/CURSO/UNI_10/u10c6s3.htm Aprovechamiento del biogás. Disponible en: http://usuarios .lycos.es/ aricartre /aprove.htm Baquedano Muñoz, Manuel. Los digestores, energía y fertilizantes para el desarrollo local. Centro Uruguayo para el desarrollo de sistemas agrícolas integrales. ISBN 203-684-85. 1998. BIOGÁS. Construcción, Producción y Utilización. Comisión Nacional de Energía Biomasa.htm. Biogás. Disponible en: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/programa/introduccion.htm10 Biogas: historia, usos y aplicaciones. Disponible en: http://www.oni.escuelas.edu.ar/2004/SAN_JUAN/712/biogas_historia_usos_y_aplicaciones.htm Biogas regions-boletininformativo no 3. www.biogasregions.org . Proyecto financiado por la comisión Europea a través del Programa Energía Inteligente para Europa (programamarcopic) no de contrato: iee/07/225/si2.467622. 2007. Boletín Solar, ANES, Consejo IX, Sep / Oct 98, No11 pág. 4 Botero, R B. MVZ, MSc y Carlos Hernández Herrero Ph,D y colectivo Producción de excretas en sistemas ganaderos tropicales. Universidad EARTH, Costa Rica,
