PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGAS UTILIZANDO UN SUSTRATO CON UNA ELEVADA PROPORCIÓN EN SÓLIDOS Y NITRÓGENO.

Procedimiento para la producción de biogas utilizando un sustrato con una elevada proporción en sólidos y nitrógeno La invención se refiere a un procedimiento para el aprovechamiento energético de biomasa con elevadas proporciones en sólidos y nitrógeno en calidad de sustrato en instalaciones de biogás. La Tabla 1 muestra, a modo de ejemplo, algunos de estos sustratos. Otros sustratos con una elevada proporción en sólidos son, entre otros, residuos verdes de todo tipo, así como residuos de jardines y alimentos. Además, existen sustratos con una muy elevada proporción en nitrógeno tales como tortas y residuos de la destilación. Sustratos con elevadas proporciones en materias extrañas son, p. ej., gallinaza con una elevada proporción en cal /arena. Sustancia seca [%] Sustratos con elevada De hasta proporción en N Estiércol porcino 4 6 x Estiércol vacuno 7 Deyecciones del ganado Ensilado de maíz 27 Ensilado de hierba x Ensilado de plantas completas x Estiércol de aves de corral x Cereales x Tabla 1: Composición de sustratos seleccionados Los procedimientos de biogas conocidos se diferencian, generalmente, en procedimientos de fermentación en seco y de fermentación en húmedo. La base para un proceso de biogas ventajoso es, entre otros, una disgregación óptima del sustrato empleado, con el fin de habilitar para las bacterias utilizadas una superficie de ataque lo mayor posible. De particular importancia son las condiciones del entorno para las bacterias. Éstas requieren una regulación uniforme de la temperatura del proceso y un medio de soporte que permita una elevada movilidad de las bacterias o bien garantice la aportación de la biomasa a las bacterias. La regulación de la temperatura es compleja y el contacto necesario, definido dentro de estrechos límites, entre bacterias y sustratos es costoso. En procedimientos de fermentación en seco, el sustrato es desmenuzado por norma general y es encerrado en forma sólida en un contenedor estanco al aire en el que discurre el proceso de biogas. Lo desventajoso de estos procedimientos es, por norma general, el escaso rendimiento de biogas, el cual tiene sus orígenes en la incorporación irregular de calor y, con ello, la irregular temperatura y la escasa movilidad de las bacterias. Estos inconvenientes esenciales no están presentes en la fermentación en húmedo. Mediante el medio de soporte líquido se garantizan tanto una temperatura uniforme del proceso como también la movilidad de las bacterias o bien la aportación del sustrato. Sin embargo, lo desventajoso en la fermentación en húmedo es que los sustratos con elevadas proporciones en sustancia seca deben ser macerados continuamente con líquido. Esto conduce a un aumento de la cantidad de residuos de la fermentación con una correspondiente complejidad logística en el almacenamiento y el transporte. Una posibilidad para reducir la demanda de líquido la ofrece la recirculación de restos de la fermentación para la maceración. Esta solución no funciona, sin embargo, en el caso de emplear sustratos con elevadas concentraciones de nitrógeno. Para reducir las concentraciones de nitrógeno sólo resta la posibilidad de la dilución con líquido. Si para la maceración sólo está disponible agua y no abono líquido, existe además para el proceso el riesgo de que las bacterias necesarias sean arrastradas del proceso y se produzca de esta forma una interrupción de la 2 E06805733 20-10-2011   E06805733 20-10-2011 producción de biogas. El posible arrastre de las bacterias del proceso de biogas tiene su origen en el prolongado tiempo de generación de las bacterias, es decir, que con los restos de la fermentación abandonan más bacterias el fermentador que las que se forman de nuevo. Esto se cumple particularmente para las bacterias de la metanización. En el caso de la recirculación de restos de la fermentación para la maceración del sustrato se produce, en instalaciones de biogas existentes, a menudo un aumento de la concentración de los minerales en el fermentador. Estos minerales tienen, en parte, la propiedad de sustancias inhibidoras en relación con el proceso de biogas. Una sustancia inhibidora muy problemática es el amoníaco. La recirculación de restos de la fermentación es particularmente crítica al emplear sustratos con elevadas proporciones en nitrógeno. En el proceso de biogas, el nitrógeno orgánicamente ligado es transformado en amonio, el cual se encuentra de nuevo en equilibrio químico con el amoníaco. Este equilibrio depende esencialmente de la temperatura y del valor del pH. El amoníaco es venenoso para las bacterias y es el origen de la así denominada inhibición de nitrógeno. El amonio aumentado en concentración por la recirculación y la formación incrementada de amoníaco impiden el proceso de generación de biogas y, en casos extremos, puede conducir a una interrupción de la formación del biogas. Además de ello, debido a las elevadas concentraciones de amonio en el almacén de los restos líquidos de la fermentación se produce una formación constante de amoníaco, y esto conduce a emisiones de amoníaco. Sustancias extrañas de gran tamaño son separadas por norma general antes de la incorporación en la instalación de biogas. Por el contrario, sustancias extrañas de pequeño tamaño acceden con el sustrato en el fermentador y conducen allí a depósitos. Especialmente, el depósito de lodos y arena representa un gran problema. El origen de los depósitos de sustancias extrañas en el fermentador es, por una parte, el tamaño de las sustancias extrañas que no hace posible una separación a través de tamices o rastrillos. Además, por norma general, no son magnéticas y son eléctricamente neutras. Una separación por la fuerza de la gravedad no es posible a menudo, ya que están ligadas a la biomasa y, por consiguiente, la diferencia de densidades con el agua o con la biomasa macerada es demasiado pequeña. Además, los depósitos en el fermentador son también problemáticos, dado que los sistemas de retirada automáticos existentes tales como correderas o fondos de rascado sólo funcionan de manera insuficiente. El origen de ello es que los depósitos son arremolinados por parte de las correderas y, por consiguiente, permanecen en su mayor parte en el fermentador. El enriquecimiento de los depósitos conduce entonces a una sobrecarga de los sistemas de extracción hasta llegar a su paralización, y sólo queda una extracción manual de los depósitos, para lo cual debe ajustarse el funcionamiento de la instalación de biogas. Se han acometido esfuerzos para mejorar la situación y para intensificar el proceso de la generación de biogas a partir de materiales de desecho orgánicos. El documento WO 03/042117 describe un sistema de putrefacción anaerobio integrado, en el que material de partida con contenido en celulosa es transformado de forma anaerobia y bajo presión de bacterias en metano y producto líquido. En las reivindicaciones 1, 34, 51, 67 se representan distintas variantes y se explican en 4 figuras. En la invención no se resuelve, entre otros, la separación completa de sustancias extrañas a partir de materiales de entrada sólidos, el riesgo del arrastre del material biológicamente activo así como la higienización de todos los restos de la fermentación. En el documento DE 195 47 320, con el objetivo de generar abonos líquidos exentos de gérmenes y exentos de amoníaco a partir de materiales residuales y de desecho biológicos, material biológico fermentado en un fermentador de ocho etapas se hierve durante cuatro horas con el fin de expulsar el amoníaco. La fermentación tiene lugar mediante bacterias que están inmovilizadas sobre un soporte. Todo el proceso es inhabitualmente complejo desde un punto de vista técnico, en particular desde un punto de visto energético y apenas parece poderse llevar a la práctica. El objetivo de la invención consiste en superar los inconvenientes existentes del proceso de generación de biogas y aprovechar ventajosamente desde un punto de vista energético sustratos con elevadas proporciones en sólidos y nitrógeno en una instalación de biogas. En este caso, debe garantizarse que se pongan en práctica los siguientes puntos: Aumento de la producción de biogas mediante Separación de sustancias perturbadoras, Optimización de la biología, Reducción de las sustancias inhibidoras (en particular, evitar el enriquecimiento en nitrógeno en las instalaciones de biogas); 3   ahorro esencial de agua; régimen ventajoso de energía; evitación de emisiones de amoníaco; disminución de la cantidad de restos de la fermentación. La invención tiene la misión de asegurar el proceso de biogas en funcionamiento regular, esencialmente sin una adición constante de líquido. Con ello, puede reducirse la cantidad de restos de la fermentación. El resto de la fermentación debe ser... [Seguir leyendo]

1.- Procedimiento para el aprovechamiento de biomasa en un proceso de biogas, en el que, primeramente, biomasa presente en forma de un sólido se desmenuza en un desmenuzador, se macera, se inocula con bacterias y el biogas resultante se retira, en donde la biomasa desmenuzada se macera con material recirculado en un mezclador y el sustrato se transforma en un estado bombeable, a continuación, la mezcla bombeable se continúa homogeneizando en un desmenuzador en línea, en uno o varios separadores conectados a continuación con mecanismo agitador discurren la hidrólisis y la formación de ácido mediante la acción bacteriana, los componentes inorgánicos se separan y se desechan, en los fermentadores discurren, bajo una mezcladura a fondo continua y a temperaturas elevadas, la formación de ácido acético y la génesis de metano, resultando biogas, el biogas se retira, eventualmente se almacena y se aporta para un aprovechamiento energético, mientras que los restos de la fermentación resultantes se separan en dos corrientes parciales, en donde la corriente parcial 1 sirve de manera no tratada para la maceración de nueva biomasa, por el contrario, la corriente parcial 2 se somete a un tratamiento del sustrato, al retirarle en un proceso de separación de componentes volátiles amoníaco/nitrógeno del amonio, la corriente parcial 2 se calienta después del proceso de separación de componentes volátiles, eventualmente mediante transmisores de calor y se aporta entonces en forma de un resto de la fermentación higienizado y pobre en nitrógeno, a través de un recipiente amortiguador, de forma continua a un separador y se separa en una fase sólida y una fase líquida, la fase líquida se aporta en forma de material recirculado al mezclador, la fase sólida se seca o se utiliza como suspensión, caracterizado porque, de manera correspondiente a la Figura 2, la biomasa desmenuzada con material recirculado se macera en un mezclador (4) y el sustrato se transforma en un estado bombeable, a continuación, la mezcla bombeable se continúa homogeneizando en un desmenuzador en línea (5), en uno o varios ciclones conectados uno tras otro con mecanismo agitador central (7) discurren la hidrólisis y la formación de ácido mediante la acción bacteriana, los componentes inorgánicos se separan y se desechan, en los fermentadores (8) y bajo una mezcladura a fondo mecánica continua a una temperatura de aprox. 40ºC discurren la formación de ácido acético y la génesis de metano, resultando biogas, el biogas se retira, se almacena (9) y se aporta para un aprovechamiento energético en una instalación de acoplamiento de fuerza y calor KWK (20), mientras que el resto de la fermentación resultante se separa en dos corrientes parciales, en donde la corriente parcial 1 (A, AA), que presenta una temperatura de aprox. 40ºC, sirve de forma no tratada para la maceración de nueva biomasa, por el contrario, la corriente parcial 2 (B) se somete a un tratamiento del sustrato (10), al calentarlo hasta aprox. 70 a 90ºC, de dicha corriente se separa en un proceso de separación de componentes volátiles amoníaco/nitrógeno del amonio, en donde el calor necesario para el proceso de separación de componentes volátiles procede de la instalación de KWK (20), el propio proceso de separación de componentes volátiles discurre a aprox. 75 a 90ºC, el resto de la fermentación aportado y evacuado en el procedimiento en contracorriente (11) se enfría o caldea previamente, la corriente parcial 2 se aporta de forma continua a un separador (13) después del proceso de separación de componentes volátiles a través del intercambiador de calor (11) con una temperatura de aprox. 45ºC en forma de un resto de la fermentación ya higienizado y pobre en nitrógeno a través de un recipiente amortiguador (12) y se separa en una fase sólida y en una fase líquida, la fase líquida se aporta en forma de material recirculado (BB) al mezclador (4), la fase sólida se seca (14) o se utiliza directamente como suspensión en forma de abono en agricultura. E06805733 20-10-2011 2.- Procedimiento para el aprovechamiento de biomasa en un proceso de biogas, en el que, primeramente, biomasa presente en forma de un sólido se desmenuza en un desmenuzador, se macera, se inocula con bacterias y el biogas resultante se retira, en donde 8   la biomasa desmenuzada se macera con material recirculado en un mezclador y el sustrato se transforma en un estado bombeable, a continuación, la mezcla bombeable se continúa homogeneizando en un desmenuzador en línea, en uno o varios separadores conectados a continuación con mecanismo agitador discurren la hidrólisis y la formación de ácido mediante la acción bacteriana, los componentes inorgánicos se separan y se desechan, en los fermentadores discurren, bajo una mezcladura a fondo continua y a temperaturas elevadas, la formación de ácido acético y la génesis de metano, resultando biogas, el biogas se retira, eventualmente se almacena y se aporta para un aprovechamiento energético, mientras que los restos de la fermentación resultantes se separan en dos corrientes parciales, en donde la corriente parcial 1 sirve de manera no tratada para la maceración de nueva biomasa, por el contrario, la corriente parcial 2 se somete a un tratamiento del sustrato, al retirarle en un proceso de separación de componentes volátiles amoníaco/nitrógeno del amonio, la corriente parcial 2 se calienta después del proceso de separación de componentes volátiles, eventualmente mediante transmisores de calor y se aporta entonces en forma de un resto de la fermentación higienizado y pobre en nitrógeno, a través de un recipiente amortiguador, de forma continua a un separador y se separa en una fase sólida y una fase líquida, la fase líquida se aporta en forma de material recirculado al mezclador, la fase sólida se seca o se utiliza como suspensión, caracterizado porque, de manera correspondiente a la Figura 3, la biomasa desmenuzada con material recirculado se macera en un mezclador (4) y el sustrato se transforma en un estado bombeable, a continuación, la mezcla bombeable se continúa homogeneizando en un desmenuzador en línea (5), en una o varia etapas previas (7) conectadas una tras otra con mecanismo agitador central discurren la hidrólisis y la formación de ácido mediante la acción bacteriana, la suspensión resultante se somete a continuación a un tratamiento del sustrato (10) al calentarla hasta 70 a 90ºC, de ella se retira amoniaco/nitrógeno del amonio en un proceso de separación de componentes volátiles, en donde el calor necesario para el proceso de separación de componentes volátiles puede proceder de la instalación de KWK (20), E06805733 20-10-2011 el proceso de separación de componentes volátiles discurre a 70 hasta 90ºC, el resto de la fermentación aportado y evacuado se enfría o bien se precalienta en un procedimiento en contracorriente (11), en un separador (23) se separan y se desechan los componentes inorgánicos, en los fermentadores (8) y bajo una mezcladura a fondo continua a una temperatura de 30 a 60ºC discurren la formación de ácido acético y la génesis de metano, el biogas se retira, se almacena (9) y se aporta para un aprovechamiento energético, el resto de la fermentación ya higienizado y pobre en nitrógeno se aporta de forma continua a un separador (13) y se separa en una fase sólida y una fase líquida, la fase líquida se aporta en forma de material recirculado al mezclador (4), la fase sólida se seca (14) o se utiliza directamente como suspensión. 3.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque al arrancar el proceso de biogas continuo se utiliza, en lugar del resto de la fermentación, agua o abono líquido para la maceración. 4.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tiempo de permanencia en la etapa previa asciende a uno hasta seis días. 5.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado porque con la corriente parcial 1 el sustrato es inoculado con bacterias en el mezclador (4) o en el fermentador (8). 6.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la fermentación en el fermentador (8) tiene lugar de forma mesófila a temperaturas entre 35 y 42ºC, o de forma termófila a temperaturas entre 50 y 60ºC. 7.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se trabaja forma mesófila y termófila en varios fermentadores (8) independientemente uno de otro, y el tiempo de permanencia en los 9   fermentadores (8) asciende a 20 hasta 40 días. 8.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el proceso de separación de componentes volátiles discurre a una temperatura > 70ºC y durante un tiempo de > 1 hora como proceso discontinuo. 9.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el proceso de separación de componentes volátiles discurre, en relación con la aportación y evacuación de restos de la fermentación, en un procedimiento en contracorriente térmico. 10.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque de tres contenedores de separación de componentes volátiles, en cada caso uno se llena y pone en funcionamiento y se vacía o uno está vacío y dos se ponen en funcionamiento, de cuatro contenedores de separación de componentes volátiles en cada caso uno se llena y se vacía y dos se ponen en funcionamiento y se suprime el contenedor amortiguador. 11.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la etapa previa (7) y los fermentadores (8) se caldean con calor residual procedente del proceso de separación de componentes volátiles y la fase sólida se seca en el almacén de restos de la fermentación (15). 12.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque como biomasa con una elevada proporción en sustancias extrañas se emplean estiércol de aves de corral, éste se aporta directamente a la etapa previa (7), allí tiene lugar la mezcladura a fondo y la mezcla se aporta a continuación al desmenuzador en línea. E06805733 20-10-2011   11 E06805733 20-10-2011   12 E06805733 20-10-2011   13 E06805733 20-10-2011   14 E06805733 20-10-2011   Leyendas de la Figura 1 4 mezclar, desmenuzar 5 mezclar, desmenuzar 7 etapa previa 8 fermentador 9 alambique de gas 10 tratamiento del sustrato A recirculación de la corriente parcial I AA recirculación de la corriente parcial I B corriente parcial II BB recirculación de la corriente parcial II biomasa ß resto sólido de la fermentación punteado límite del grupo de sustancias sólidas sombreado límite del grupo de sustancias líquidas E06805733 20-10-2011   Leyendas de la Figura 2 1 colector de carga previa 2 silo 3 desmenuzador 4 mezclador 5 desmenuzador en línea 6 bomba sustrato 7 etapa previa 8 fermentador 9 alambique de gas tratamiento del sustrato 11 transmisor de calor del tratamiento de sustrato 12 amortiguador 13 separador 14 secado del resto de la fermentación almacén del resto de la fermentación 16 bomba de recirculación 17 bomba de caldeo 18 transmisor de calor de la calefacción 19 purificación del gas instalación de KWK 21 consumidor 22 vigilancia del proceso A, AA recirculación de la corriente parcial I B corriente parcial II BB recirculación de la corriente parcial II línea continua sustrato línea de puntos biogas línea/línea/punto/línea/línea material recirculado II línea discontinua avance línea/punto/punto/línea retorno 16 E06805733 20-10-2011