Ana Parralejo Alcobendas CICYTEX CONGRESO INTERNACIONAL DE BIOENERGÍA, Mayo, 2015

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1 Bioenergia Portugal 2015 Portalegre, 28/05/2015 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO E A PROPORÇAO DE SUBSTRATO NATIVO DE MICROALGAS COLHIDAS EM EXTREMADURA PARA A PRODUÇAO DE METANO Ana Parralejo Alcobendas CICYTEX CONGRESO INTERNACIONAL DE BIOENERGÍA, Mayo, 2015 ÍNDICE 1.INTRODUCCIÓN 1.1. REGIÓN EXTREMEÑA PARÁMETROS ÓPTIMOS PARA MICROORGANISMOS METANOGÉNICOS PRETRATAMIENTOS DE SUSTRATOS OBJETIVOS DESARROLLO DE EXPERIMENTOS ANALÍTICA TRATAMIENTO ESTADÍSTICO Y AJUSTE CINÉTICO CARACTERIZACIÓN DE SUSTRATOS ESTADÍSTICA DE RESULTADOS ESTUDIO CINÉTICO DE PRODUCCIONES DE METANO. 4. CONCLUSIONES 1

2 Bioenergia Portugal 2015 Portalegre, 28/05/ INTRODUCCIÓN 1.1. REGIÓN EXTREMEÑA. CLIMA MEDITERRÁNEO ELEVADO NÚMERO DE HORAS DE SOL PLANTA DE CULTIVO DE MICROALGAS GRANDES EXTENSIONES DE TERRENO 1. INTRODUCCIÓN 1.1. REGIÓN EXTREMEÑA. ÁNGULO DE INCIDENCIA DEL SOL INCLINACIÓN DE LOS PANELES 2

3 1. INTRODUCCIÓN 1.2. PARÁMETROS ÓPTIMOS PARA MICROORGANISMOS METANOGÉNICOS. CUÁLES SON LAS PRINCIPALES NECESIDADES DE LOS MICROORGANISMOS METANOGÉNICOS? - ALTA ALCALINIDAD DEL MEDIO: mg CaCO 3 /L y mg CaCO 3 /L para microalgas de obtención de biodiesel (Ehimen y col.) Resultados de ph de microalgas obtenidos por Frigon y col. - RELACIÓN C/N EQUILIBRADA: microalgas estudiadas por Ramos-Suárez y Carreras. - MEDIO NEUTRO: caracterización de distintas especies de microalgas en Tabla. 1. INTRODUCCIÓN 1.3. PRETRATAMIENTOS DE SUSTRATOS. PRETRATAMIENTO TÉRMICO PRETRATAMIENTO MECÁNICO ESTUFA A 105 ºC 24 HORAS MICROALGAS FRESCAS MOLINO MICROALGAS SECAS Y TRTURADAS MICROALGAS SECAS Rompen la pared celular compuesta a base de carbohidratos 3

4 1. INTRODUCCIÓN 1.4. OBJETIVOS. - ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA PROPORCIÓN DE MICROALGAS AUTÓCTONAS EN LOS RENDIMIENTOS DE METANO EN EXPERIMENTOS: 1. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGA 1:1. 2. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGA 2:1. - ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL PRETRATAMIENTO TÉRMICO EN MICROALGAS AUTÓCTONAS EN LOS RENDIMIENTOS DE METANO EN EXPERIMENTOS: 1. MICROALGAS SIN PRETRATAMIENTO TÉRMICO (DIRECTAS DE LA COSECHA). 2. MICROALGAS CON PRETRATAMIENTO TÉRMICO (Y MECÁNICO). 1. INTRODUCCIÓN 1.4. OBJETIVOS. - EXPERIMENTOS LLEVADOS A CABO EN EL TRABAJO: 1. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGA 1:1 UTILIZANDO MICROALGAS SIN PRETRATAMIENTO (R1 sin PT). 2. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGA 2:1 UTILIZANDO MICROALGAS SIN PRETRATAMIENTO (R2 sin PT). 3. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGAS 1:1 UTILIZANDO MICROALGAS CON PRETRATAMIENTO TÉRMICO (Y MECÁNICO) (R1 PT). 4. PROPORCIÓN INÓCULO:MICROALGAS 2:1 UTILIZANDO MICROALGAS CON PRETRATAMIENTO TÉRMICO (Y MECÁNICO) (R2 PT). 4

5 Bioenergia Portugal 2015 Portalegre, 28/05/ DESARROLLO DE EXPERIMENTOS. MICROALGAS AUTÓCTONAS INÓCULO (PURÍN+CHUMBERA) PLANTA PILOTO MICROALGAS. DIGESTOR DONDE SE PREPARA INÓCULO. SUSTRATOS PURÍN Y CHUMBERA DESARROLLO DE EXPERIMENTOS. MICROALGAS AUTÓCTONAS EMBALSE DE ARROCAMPO (CÁCERES): 1. AISLADAS EN LABORATORIO. 2. TRASLADADAS A COLUMNAS FOTOBIORREACTORAS. 3. DESARROLLADAS EN PANELES FOTOBIORREACTORES (300 L). FOTOBIORREACTORES A DIFERENTE ESCALA. 5

6 Bioenergia Portugal 2015 Portalegre, 28/05/ DESARROLLO DE EXPERIMENTOS. EQUIPOS CARACTERÍSTICAS: AGITACIÓN DEL SUSTRATO. CONTROL DE TEMPERATURA. AISLAMIENTO COMPLETO. CAPACIDAD DE 5 L ÚTILES. BIODIGESTORES ANAEROBIOS 2.1. DESARROLLO DE EXPERIMENTOS. EQUIPOS CARACTERÍSTICAS: 1. MEDIDAS DE LA COMPOSICIÓN DE BIOGÁS: - CH4. - CO2. - H2. - H2S. - O2. 2. ACUMULACIÓN DE BIOGÁS EN BOLSAS TEDLAR. 3. VOLUMEN DE BIOGÁS CORREGIDO A CONDICIONES ESTÁNDAR (0 ºc y 101,325 kpa). ANALIZADOR Awite System of Analysis Process serie 9. 6

7 2.1. DESARROLLO DE EXPERIMENTOS. CONDICIONES DE EXPERIMENTALES - RANGO MESOFÍLICO DE TEMPERATURA ( 38 ºC APROXIMADAMENTE). - TIEMPO DE DIGESTIÓN: DÍAS. - CANTIDAD TOTAL DE SUSTRATO: 131 g Sólidos Volátiles (SV). - CONTRASTE CON UN CONTROL ANALÍTICA. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA MUESTRAS DE DIGESTATO - SÓLIDOS TOTALES (ST) Y SÓLIDOS VOLÁTILES (SV): MÉTODOS 2540 B Y 2540 E, RESPECTIVAMENTE. - ALCALINIDAD DEL MEDIO DE DIGESTIÓN: MÉTODO VOLUMÉTRICO DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO): MÉTODO MEDIDAS DE ph Y POTENCIAL RÉDOX: ELECTRODOS CORRESPONDIENTES. - NITRÓGENO AMONIACAL: MÉTODO DE VOLUMETRÍA 4500-NH 3 B. - ANÁLISIS ELEMENTAL: NORMA UNE-EN

8 2.3. TRATAMIENTO ESTADÍSTICO Y AJUSTE CINÉTICO. TRATAMIENTO ESTADÍSTICO HOMOGENEIDAD DE VARIANZAS Y TEST DE DUNCAN: PROGRAMA SPSS 15.0 AJUSTE CINÉTICO CINÉTICA APLICADA AL VOLUMEN DE METANO PRODUCIDO: G: volumen de metano en un tiempo t, L. Gm: volumen de metano máximo, L. k: constante cinética, d TRATAMIENTO ESTADÍSTICO Y AJUSTE CINÉTICO. AJUSTE CINÉTICO DETERMINACIÓN GRÁFICA DE Gm PARA CADA EXPERIMENTO. Evolución de volumen de metano para experimentos batch de microalgas en distinta proporción y con sustratos pretratados y sin pretratar. 8

9 3.1. CARACTERIZACIÓN DE SUSTRATOS. Características de los sustratos estudiados. Parámetro Biomasa microalgal sin pretratamiento Biomasa microalgal pretratada Inóculo (purín y chumbera) ST, % M.F. 4,32 Problemas de degradación 100 en microalgas 4,16 sin pretratamiento. SV, % S.T. Baja alcalinidad 62,88 para este tipo de 58,30 microalgas: compensada 55,05 con inóculo (Fannin DQO T, mg/l establece valores superiores a CaCO 3 /L para conseguir la estabilidad). Alcalinidad, mg/l PH 7,64 7,81 7,49 Relación C/N a 6,23 7,16 12,02 N-NH 4, mg/l Baja relación 231 C/N en microalgas: 196 elevado contenido 5064 en nitrógeno CARACTERIZACIÓN DE SUSTRATOS. Características de los sustratos estudiados. Parámetro Biomasa microalgal sin pretratamiento Biomasa microalgal pretratada Inóculo (purín y chumbera) ST, % M.F. Altos valores 4,32 de SV para microalgas: 100 pequeñas cantidades 4,16 en el reactor. SV, % S.T. 62,88 58,30 55,05 DQO T, mg/l Alcalinidad, mg/l Elevada carga 3754 orgánica o DQO 2616 en microalgas: alimento de microorganismos. PH 7,64 7,81 7,49 Relación C/N a 6,23 7,16 12,02 N-NH 4, mg/l Nitrógeno amoniacal inicial muy bajo en microalgas. 9

10 3.2. ESTADÍSTICA DE RESULTADOS. Rendimientos medios de metano y reducciones medias de SV y DQO para todos los experimentos. Experimento Rendimiento de metano, LCH 4 /kg SV Reducción de SV, % Reducción de DQO, % R1 sin PT 307±64 45±3 60±12 R1 PT 296±23 50±17 50±1 R2 sin PT 268±57 52±14 70±11 R2 PT 233±31 35±18 61±12 Rendimientos mayores a mayor cantidad de microalgas Pequeñas diferencias en rendimientos de metano: no existe relación directa con las reducciones Reducciones de DQO mayores cuanto menor proporción de microalgas: purín más fácilmente degradable. Rendimientos de metano mayores sin PT: González-Fernández y col. Obtuvieron mejoras en rendimentos de metano con otra especie y pretratamiento a 70 ºC y 90 ºC ESTADÍSTICA DE RESULTADOS. 1: R1 sin PT 2: R1 PT 3: R2 sin PT 4: R2 PT Rendimientos medios de metano con límites superior e inferior en los cuatro tipos de experimentos. Rendimientos de metano más alejados entre sí en repeticiones con microalgas sin PT. 10

11 3.2. ESTADÍSTICA DE RESULTADOS. 1: R1 sin PT 2: R1 PT 3: R2 sin PT 4: R2 PT Reducciones medias de SV con límites superior e inferior en los cuatro tipos de experimentos. Reducciones de SV más alejadas entre sí en repeticiones con microalgas PT ESTADÍSTICA DE RESULTADOS Límite superior Límite inferior Reducción de DQO mg O 2/L : R1 sin PT 2: R1 PT 3: R2 sin PT 4: R2 PT Experimento Reducciones medias de DQO con límites superior e inferior en los cuatro tipos de experimentos. Reducciones de DQO muy parecidas entre sí en todas las repeticiones con microalgas. 11

12 3.2. ESTADÍSTICA DE RESULTADOS. Análisis estadístico para cada variable estudiada en los cuatro tipos de experimentos. Parámetro Análisis de varianza Diferencias entre los valores medios Rendimiento de metano P= 0,139 No significativa Reducción de DQO P= 0,221 No significativa Reducción de SV P= 0,099 No significativa No se observaron diferencias significativas 3.3. ESTUDIO CINÉTICO DE PRODUCCIONES DE METANO. Análisis estadístico para cada variable estudiada en los cuatro tipos de experimentos. Experimento k o, d -1 R 2 R1 sin PT 0,10±0,01 0,98 R1 PT 0,11±0,01 0,97 R2 sin PT 0,13±0,01 0,99 R2 PT 0,11±0,01 0,99 Constantes cinéticas muy parecidas situadas entre valores correspondientes a purín de cerdo: 0.05 d -1 y 0.08 d -1 (Rodríguez y col.) y residuos agroindustriales d - 1 (Pagés y col.). 12

13 Bioenergia Portugal 2015 Portalegre, 28/05/ CONCLUSIONES PRINCIPALES CONCLUSIONES: - - RELACIÓN 1:1 DE INÓCULO:SUSTRATO RESULTA MÁS PRODUCTIVA QUE RELACIÓN 2:1. MAYOR CONCENTRACIÓN DE MICROALGAS. PRETRATAMIENTO TÉRMICO NO SUPONE AUMENTOS PARA LA PRODUCCIÓN DE METANO. NO EXISTEN DIFERENCIAS SIGNIFICATIVAS ENTRE RENDIMIENTO DE METANO, REDUCCIÓN DE SV Y REDUCCIÓN DE DQO PARA LOS EXPERIMENTOS ESTUDIADOS. CONSTANTES CINÉTICAS OBTENIDAS MUY SIMILARES PARA TODOS LOS EXPERIMENTOS. MUITO OBRIGADO ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO E A PROPORÇAO DE SUBSTRATO NATIVO DE MICROALGAS COLHIDAS EM EXTREMADURA PARA A PRODUÇAO DE METANO Ana Parralejo Alcobendas CICYTEX CONGRESO INTERNACIONAL DE BIOENERGÍA, Mayo,

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