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Transferibilidad de resultados a escala de laboratorio a plantas de biogás a escala real

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versão On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.29 no.2 San José de las Lajas abr.-jun. 2020  Epub 01-Jun-2020

 

REVISIÓN

Transferibilidad de resultados a escala de laboratorio a plantas de biogás a escala real

Dr.Sc. Hans OechsnerI 

MSc. Benedikt HuelsemannI 

Dr.C. Carlos M. Martínez HernándezII  * 

IUniversity of Hohenheim. State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy, Germany.

IIUniversidad Central “Marta Abreu” de las Villas, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.

RESUMEN

Los costos de las plantas de biogás están determinados por los costos de los sustratos que estas utilizan, representando un 40 a 60 % de los costos de operación anual de estas en Alemania, siendo muy utilizados cultivos energéticos como sustratos en los digestores anaeróbicos. La determinación del rendimiento de metano en diferentes sustratos vía pruebas Batch se realiza mediante la norma alemana VDI-4630 en aproximadamente 40 diferentes laboratorios instalados en Alemania. Los resultados obtenidos en el rendimiento de metano de los sustratos valorados a nivel de laboratorio muestran gran correspondencia con los alcanzados a escala real en las plantas en activo. La guía de Biogás compilada por la agencia alemana KTBL basada en los resultados obtenidos por varios laboratorios e institutos bien conocidos de ese país ha mostrado que la exactitud de dichos resultados puede ser tenidos en cuenta para los estudios de planificación económicas de nuevas plantas de biogás. Las pruebas de fermentación es el método más exacto para la determinación del rendimiento de metano de las partes de las plantas objeto de análisis. En los últimos tiempos, se ha incrementado el uso de laboratorios de biogás en la validación del rendimiento de metano a escala de laboratorio de diferentes sustratos, motivando la cooperación y utilización de protocolos investigativos estándar entre estos, de esta forma se asegura una alta calidad de los resultados obtenidos y su replicabilidad.

Palabras clave: Pruebas Batch; digestor anaeróbico; norma alemana; VDI-4630

INTRODUCCIÓN

¿Para qué se requieren las pruebas de fermentabilidad?

La eficiencia económica de las plantas de biogás está determinada por el costo de los sustratos. Aproximadamente entre el 40 y 60% de los costos anuales de las plantas de biogás, alimentadas con cultivos energéticos, son atribuibles al suministro de los sustratos.

Es por esto, que es esencial realizar los cálculos y curvas estándar cuando se planea una planta de biogás. Cuando se utiliza excreta de animales y bio-productos es esencial conocer el rendimiento específico de metano de los sustratos a utilizar para realizar una planificación óptima de la planta de biogás. Además del rendimiento específico de metano, otras informaciones son requeridas de las pruebas de fermentación. En particular, el rendimiento por unidad de área de materia fresca, el rendimiento de la masa seca y la calidad delforraje tiene una gran influencia en la cantidad de metano que puede ser obtenido.

En principio, el contenido de carbohidratos, grasas y proteínas correlacionadas directamente con el contenido energético de los sustratos usados debería ser suficiente para conocer los valores del rendimiento de metano. Existen un número de métodos para su estimación. Comenzando con los cálculos efectuados por Buswell (1939), quien estimó el rendimiento de biogás, metano y dióxidode carbono partiendo de la composición elemental delos sustratos, otros cálculos fueron realizados para determinar la composición de nutrientes por Baserga (1998) y más tarde Keymer & Schilcher (1999). Estos valores pueden ser usados como una guía rústica para la planificación de una planta sencilla de biogás a escala real. Czepuck et al. (2006), han probado en estudios comparativos que la desviación de los valores medidos en las pruebas de rendimiento de biogás está entre 10 % y 20 %. Motivado por los diferentes combinaciones de nutrientes en la masa de los sustratos, otras fórmulas de estimación han sido expuestas por Amon et al. (2007) y Kaiser (2007), así como por la determinación en laboratorio de los valores de sólidos volátiles fermentables (FVS). VDI 4630 (2016), plantea que algunos de estos indicadores permiten una limitada extensión de los fiabilidad de los resultados.

FIGURA 1 Rendimiento de metano en diferentes fracciones de nutrientes. Fuente:(Czepuck et al., 2006). 

La Figura 1 muestra las diferentes composiciones de la fracción de carbohidratos y sus diferentes digestibilidades, mostrando su efecto en la degradabilidad cinética y rendimiento de gas obtenido. Mientras que el almidón puede ser convertido en biogás en solo 5 días de acuerdo a su almacenamiento en la planta, la conversión de los tejidos de celulosa y hemicelulosa es significativamente más lenta. Especialmente si existe una alta proporción de componentes lignocelúsicos, esto incide en un efecto negativo en el rendimiento de metano y la degradabilidad de los sustratos. Por tal motivo, las pruebas de fermentación es el método más exacto para la determinación del rendimiento de metano de las partes de las plantas objeto de análisis (Czepuck et al., 2006).

DESARROLLO

Referencia para la determinación del rendimiento de sustratos

Para el uso de sustratos comunes, el KTBL aleman (Buro de Asesoría Tecnológica y Constructiva en Agricultura) ha tenido en cuenta una numerosa cantidad de investigaciones, las cuales han sido compiladas en forma de guía, con la ayuda de gran cantidad de resultados investigativos obtenidos por prestigiosos laboratorios e institucionesde investigación (KTBL, 2011). Como regla, estos valores de referencias son extremadamente valiosos y útiles para el diseño y planificación de plantas de biogás. Sin embargo, se puede notar que en dependencia de la localización, el curso de la vegetación durante el año, período de la cosecha, almacenamiento y ensilaje, desviaciones significativas con respecto a los valores estándar pueden ser encontrados. Por esta razón, los análisis de laboratorio en los laboratorios de biogás son útiles para determinar previamente el rendimiento de metano a obtener en los sustratos a valorar.

Guía para llevar a acabo ensayos de fermentabilidad

Muchas guías hay disponibles para obtener alta reproductibilidad en el potencial de metano en biomasas (BMP). Al lado de las normas estándar europeas Holliger et al. (2016), La norma VDI 4630 es la más usada en el caso de Alemania. La norma VDI 4630 (2016) describe el procedimiento para llevar a cabo ensayos del tipo Batch y continuos. El grupo KTBL "Interlaboratory Tests" desarrolló junto con VDLUFA, elmétodo VDLUFA para la “Determinacióndel rendimiento de biogás y metano en las pruebas de fermentación VDI 4630 (2016), estos han simplificado los criterios más importantes para llevar a cabo pruebas de fermentación. El objetivo de estos métodos es mejorar la calidad de las pruebas de laboratorio respecto al rendimiento de biogás.

Las regulaciones estipulan el mínimo número de condiciones de pruebas, las cuales deben satisfacer:

  • El uso de conveniente de fermentadores pequeños a prueba de fuga de gases;

  • El uso de un inoculum conveniente (material fermentable de plantas de biogas en producción, inóculo);

  • La proporción de la mezcla de inóculo y substrato de fermentación (sólido volátil (VS) en una proporción de por lo menos 2:1 para encontrar la capacidad buffer suficiente en el lote de fermentación;

  • Inóculos fermentan en paralelo como una muestra cero;

  • Al menos un substrato estándar (celulosa micro cristalina), también se fermenta en condiciones de laboratorio;

  • La temperatura de fermentación a utilizar debe ser 37°C ± 1°C;

  • Mida tan a menudo como sea posible la formación del biogas y determine el contenido de metano en cada extracción de gas;

  • Por lo menos 25díasde tiempo de fermentación. El criterio de terminación para el lote de prueba es cuando la cantidad de gas formado no sobrepasa 0.5% en 3 días consecutivos;

  • El rendimiento del metanorespecto a los sólidos volátiles (VS)en el substrato de prueba;

  • Si forrajes o substratos con componentes volátiles (ácidos de fermentación, alcoholes) son utilizados, el valor de los sólidos volátiles (VS) debe corregirse (Mukengele & Oechsner, 2007);

  • La estandarización de la producción de gas (el 0°C, 1013 hPa); en consideración al vapor de agua.

En la evaluación, la producción de biogás/metano del inóculo es deducida de la producción total para determinar solo la producción de biogás/metano de los sustratos objeto de evaluación. La cantidad de biogás/metano producido en el tiempo de experimentación es mostrado como una curva de la suma del acumulado.

Comparación entre laboratorios para asegurar pruebas de calidad

En Alemania, al menos 40 laboratorios estánactivos ahora para la determinación del rendimiento de metano en sustratos muestras. Estos laboratorios tienen mucha experiencia y están involucrados en tratar de reducir el riesgo de errores en los resultados y las metodologías de pruebas utilizadas motivadas por su complejidad. En publicaciones previas, se ha podido contactar que pueden existir diferencias significativas entre algunos de estos.

Por esta razón, el grupo de trabajo KTBL ha establecido un sistema de comparación entre laboratorios de biogás en cooperación con el grupo VDLUFA-NIRS GmbH y financiado por BMELV. Hasta ahora once pruebas tienen lugar. El número de laboratorios participantes está en el rango de 20 a 33. Evaluando los resultados de las pruebas y la descripción del método empleado; así como mostrando los detalles de los errores analizados, de esta forma los participantes identifican y eliminan errores de sus propios procedimientos. Todos los laboratorios participantes deben cumplimentar las normas VDI-4630 y las regulaciones del método VDLUFA. La celulosa micro cristalina es usada como sustrato fermentable estándar en cada paso en paralelo con los otros sustratos objeto de valoración. Estos sustratos deben cubrir el rango y la variación de los mismos en la práctica.Muestras semejantes fueron enviadas a todos los laboratorios. Las muestras fuero molidas, los sustratos objeto de valoración fueron: granos de trigo, maíz seco, hierba seca, maíz ensilado, hierba ensilada y tortas de rape. En los ensilajes fresco transportados, el efecto de su almacenamiento y homogenización fue también objeto de investigación.

Fue notable, en las primeras corridas de la celulosa micro cristalina en 2006, que los resultados mostraron gran dispersión, a pesar de resultar este sustrato muy homogéneo y estandarizado. La comparación del rendimiento de metano obtenido entre diferentes laboratorios mostró un coeficiente de variación entre 19,5% y 8,4% en las once pruebas objeto de análisis. Cuando se compararon el tipo de pruebas y los resultados, se pudo establecerse claramente que las diferencias no estaban dadas con el tipo y tamaño de los laboratorios utilizados. Sino con la exactitud de los instrumentos para medir el metano, su calibración, la evaluación matemática de las variables del sustrato de referencia bajo condiciones normales y su corrección en base a vapor de agua, lo cual jugó un papel más reconocible.

Influencia del modo de operación-transferencia desde el tipo batch a modo de operación continúa

Con la excepción de pocos sistemas, las plantas de biogás no operan en el tipo batch en la práctica. Estas operan en forma continua con la alimentación de sustratos fermentables frescos varias a veces al día. Como resultado, el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica se divide en varias etapascorriendo en paralelo y simultáneamente. Mientras que en el tipo batch se muestran claramente los cambios en la composición del biogás durante la secuencia de pruebas, en el tipo continuo es difícil medir el cambio en la calidad del gas durante el día, si el mismo sustrato es alimentado continuamente. Además, tanto en los fermentadores tipo mixtos como en los llamados fermentadores tipo "plug flow fermenters", presentan una estrecha correlación entre el tiempo de retención hidráulica, su geometría y la frecuencia de alimentación, mostrando que cierta parte de los sustratos frescos o parcialmente degradados abandonan los fermentadores antes de haber culminado el tiempo de retención hidráulico.Esto ocurre incluso, anterior a que en los sustratos se halla obtenido su máximo potencial de metano.

En los sistemas Batch, por otra parte, se espera a que la fermentación ocurra totalmente o comience a caer vertiginosamente. Por esta razón, las desviaciones de los resultados obtenidos con la fermentación Batch deben ser tenidas en cuenta a la hora de su transferencia a los sistemas que operan continuos. Actualmente, en Alemania las plantas de biogás operan con un largo tiempo de retención hidráulica, debido a los requerimientos de las leyes alemanas y también debidas a que muchas plantas operan en cascadas, para aprovechar al máximo el rendimiento de metano de los sustratos tratados. El potencial de metano y su rendimiento por sustrato puede ser determinado al mismo tiempo en los experimentos. Determinando el potencial residual de gas en el sobre flujo de los fermentadores de biogás, es relativamente fácil chequear hasta qué punto el sustrato usado es utilizado o si todavía existe reservas en su potencial de energía. Investigaciones efectuadas en varias plantas de biogás en producción; así como en plantas en cascadas han mostrado una estrecha correlación entre el potencial de gas de los sustratos y el tiempo de retención hidráulica (Mönch, 2014). Como regla, solamente un bajo potencial de gas residual (< 5 % cuando se determina el potencial de gas residual a temperatura mesofílica) fue medida en el tiempo de retención del fermentador (incluyendo el fermentador secundario) sobre los 100 días. Los resultados de dos programas federales de medición (FNR, 2005; 2009), confirman estos planteamientos. Investigaciones ejecutadas en 25 plantas de biogás con diferentes sustratos y diferentes digestores en cascadas mostraron, que es posible la transferibilidad de los resultados de laboratorio a las plantas reales de biogás (Ruile et al., 2015). En el caso de la comparación batch con las plantas de biogás reales, parece ser que la influencia de la baja calidad de los datos en las plantas de biogás reales resultó en un mayor error de las mediciones comparado con las pruebas batch.

En investigaciones en la Universidad de Hohenheim, varios sustratos fermentables fueron investigados en pruebas con fermentadores batch y continuos en su laboratorio de biogás. Para los ensayos en continuos, el potencial residual de gas del fermentador en sobre flujo fue medido en pruebas batch. En estas pruebas, ensilaje de maíz, semillas de trigo molido y mezclas de ambos sustratos fueron fermentados. Los sustratos objeto de valoración son secado a 60°C y molidospara inhibir posibles efectos de estos pre-tratamientos. Posteriormente fueron fermentados en los digestores. Los sustratos fueron suplementados con excretas líquidas (17 % VS) para lograr condiciones estables de operación. Excretas líquidas fueron fermentados en solitario como variante control. En operación continua, 15 fermentadores horizontales cada uno con un volumen útil (FV) de 17 l fueron usado con dos cargas orgánicas diferentes (2.5 y 4.0 kg VS m-³ FV d-1). El tiempo de retención hidráulica en los fermentadores continuos fue 35 díasa una temperatura de 37 ± 2°C. En cada variante dos réplicas fueron utilizadas y los experimentos tuvieron una duración de 123 días, (igual a más de 3 tiempos de retención). Además del contenido de biogás y metano, los ácidos volátiles grasos y los valores de la relación FOS/TAC fueron regularmente monitoreados.

La operación del fermentador fue muy estable en todas las variantes investigadas. Solo el ensilaje de maíz con una carga orgánica de 4 kg VS/m³FVdmostró un incremento en los ácidos grasos (HAC) hasta un máximo de 6,500 mg/l y una ligera caída en elvalor de pH 7.2 desde los 67 días de comenzado el experimento. Todas las otras variantes fueron estables con valores de pH entre 7.4 y 7.6, (Mukengele, 2017).

La descarga (residuos de la fermentación) de los fermentadores continuosfueron colectados hacia el final de los experimentos (105, 108 y 115 días) para determinar el potencial de metano residual en el banco de pruebas Hohenheim (HBT), a la temperatura de fermentación de 37 °C. Además, el rendimiento de metano de los sustratos utilizados como forrajes fue determinado como estándar en el HBT a 37 °C y tiempo de retención de 35 días. Estos resultados mostraron un relativo alto rendimiento de metano entre 0.377 y 0.399 m³ metano por kg VS. Valores entre 4.7 y 5.3 kW-h/kg VS fueron medidos con la bomba calorimétrica.

En la Figura 2 se muestra un balance de varios ensayos de investigación. Se puede ver, que con una alta carga (OLR 4) en digestores continuos, especialmente con ensilaje de maíz, menos rendimiento de metano (81.0 % del HBT potencial) puede ser obtenido que con una carga orgánica baja (89.5 % con OLR 2.5). Esto es también el caso de los cereales, pero debido a la buena degradabilidad del grano de cereal molido esto es de poca significación (89.7 % y91.2 %).

FIGURA 2 Rendimiento de metano en pruebas fermentadores continuos a diferentes relaciones de cargas orgánicas (OLR)con la subsecuente determinación del potencial residual de metano en comparación con el rendimiento de metano obtenido en los fermentadores batch usando el método comparativo HBT. 

El potencial de gas residual y el rendimiento de metano en las pruebas con los fermentadores continuosresultaron cercanosa los valores obtenidos con los fermentadores tipo batch.

En total, valores entre 98.7 y 101.1 %. Esto prueba que los resultados de las pruebas batch pueden ser transferidos con una alta precisión hacia las pruebas en continuo. Sin embargo, se hace necesario asegurar que parte del potencial de metano que sale del fermentador con los residuos de la fermentación, particularmente con periodos de retención hidráulico cortos (35 días) sea cuantificado y aprovechado. Esto no es así, en los casos en que el periodo de retención hidráulica de los sustratos es mayor de 100 días y varios fermentadores están conectados en cascada.

Transferibilidad de los resultados batch hacia las plantas de biogás en producción

Posibles causas de las desviaciones en el rendimiento de biogás entre los resultados de laboratorio y los prácticos son las diferentes condiciones de fermentación, por ejemplo: rango de carga orgánica utilizada oen la práctica “impredecible” influencia de los procesos biológicos. Una apreciación global de las diferencias entre los experimentos batch y las plantas de biogás reales es mostrada en la Tabla 1.

En el diseño de plantas de biogás, la relación entre el volumen del digestor y el volumen de la carga orgánica planificada del CHP juega un importante papel. En el manejo de las plantas de biogás, el suministro diario de los sustratos a través de los sustratos usados y su rendimiento de gas es decisivo. Algunas incertidumbres todavía existen respecto a las pruebas de fermentación, su evaluación y transferibilidad hacia las plantas a escala real, en la mayoría de los aspectos mencionados relativos a la producción de biogás (KTBL, 2011).

Posibles desviaciones de los valores normados pueden venir de los sustratos, por lo que se requiere una gran cantidad de evaluación de plantas de biogás y de las propiedades de los sustratos, los cuales pueden variar en dependencia de: variedad, tiempo de cosecha, año de cultivación.Por ejemplo, los sustratos cambian también su composición (contenido de materia seca y sólidos volátiles (DM/VS), contenidode ácidos fermentables, valor de pH) en los silos tipo bunker durante el período de almacenamiento. La determinación de la cantidad de sustratos de entrada es dificultosa a pesar de que existen quipos de pesaje, porque las escalas a menudo no cuentan con una adecuada precisión, entre latolva de mezcla y su tornillo de entrada y también porque los sustratos individuales, no son a menudo pesados de forma exacta y separada, especialmente cuando son utilizados sustratos ensilados. La cantidad de excreta líquida y otros líquidos (lluvia, silo lechada) no es a menudo medida tampoco.

TABLA 1 Procesos y sus diferencias entre las pruebas tipo Batch y las plantas de biogás en producción 

Paramatros Pruebas Batch Alimentación continua plantas de biogás a escala real
Volumen del digestor 100 ml - 15 l >1000 m³
Mode de operación No intercambio de sustratos Intercambio diario de material, posibilidad de recirculación de sustratos
Procesos biológicos Etapas de los procesos corriendo uno después de otro Etapas de los procesos corriendo en paralelos
Rango de carga orgánica Por encima de 50 g VS/l al comienzo de las pruebas batch 2-5 g VS/l .d
Tiempo de retención hiraulico Por encima de 35 días

  • > 150 días

  • Digestores en cascadas

Sustratos Usualmente sustratos solos, representativos y homogenizados Sustratos mayoritariamente mezclados con diferentes composición
Métodos de medidas Pesado exacto y determinación de las cantidad y calidad del biogás con exactitud

  • Pesado con equipamiento a menudo imprecisos.

  • Medidor de gas no calibrado y a menudo impreciso en cuanto a calidad de gas.

  • No posibilidad de guardar los valores de calidad de gas medidos

En los fermentadores, varios factores relativos al proceso tales como: mezcla de los sustratos, el contenido de nutrientes, especialmente los nutrientes trazas, el medio biológico en los fermentadores, el tiempo de retención hidráulica y el volumen de carga también tienen un efecto en el rendimiento de metano obtenido.

Con la implementación del Programa de Medición Federal I y (FNR, 2005; 2009), ahora están en práctica la determinación de una considerable cantidad de problemas relativos al rendimiento de biogás y especialmente lo relativo a la calidad del biogás. El rendimiento eléctrico es a menudo medido y estimado vía la eficiencia de los motores que accionan los generadores CHP debido a la falta de metros contadores de gas. La actual proporción de ignición de combustible y la posibilidad de consumidores de electricidad propios contabilizados a través de metros-contadores debe ser tenida en consideración también. En la mayoría de los casos, una no conversión de las condiciones estándar es llevada a cabo cuando se toman los datos de las mediciones prácticas. Esto causa una sobreestimación del volumen de gas por encima de un 20 % (Ruile et al., 2015).

Datos prácticos y pruebas Batch

La Universidad de Hohenheim tiene una estación de investigación con una planta de biogás a escala real que genera 350 kW-h/día de electricidad. Esta planta está equipada con dos digestores en cascada de800 m³ de volumen útil cada uno, lo que permite comparar los resultados investigativos. La planta está altamente equipada. Los instrumentos de medición son calibrados frecuentemente. Esto garantiza una alta calidad de los datos obtenidos. En estudios llevados a cabo por Mönch (2014), se realizó un balance entre los datos de la planta y los obtenidos a escala real, similarmente a lo sucedido con los datos obtenidos a escala de laboratorio. La planta de biogás es monitoreada intensivamente, controlándose la cantidad y calidad de todos los sustratos de entrada y los resultados obtenidos, los cuales son grabados y mantenidos durante todo su procesamiento. En los experimentos, una relativa alta proporción de excreta liquidas (50.0 %) es usada (masa fresca). También es utilizado excreta de caballos, excretas vacunas (23.6 %), ensilaje de maíz (10.1 %), ensilaje de hierbas (8.8 %), ensilaje de planta entera de cereal (4.6 %) y ensilaje de granos molidos (2.9 %). La porción de sólidos volátiles (VS)de las excretas de caballos fueron27.5 %. La calidad de todos los sustratos de entrada fue determinada, así como el rendimiento de biogás y metano obtenidos en las pruebas de fermentación. Los fermentadores están equipados con una tecnología de procesamiento mecánico (molino de flujo cruzado, MEBA, Nördlingen, Germany). La cantidad de masa fresca de entrada diaria fue 12.1 t/d con una desviación estándar de 2.9 %. El rango de carga orgánica fue 2.49 kg VS/m³ de volumen útil (FV) día, el HRT fue 62.4 días.

Con la ayuda del peso de los datos de entrada, su contenido de sólidos volátiles y los valores del rendimiento de metano obtenido a escala de laboratorio, la cantidad y calidad de metano esperada en los fermentadores fue calculada y comparada mediante el metro de gas de los fermentadores. Los documentos son mostrados en la Figura 3.

FIGURA 3 Comparación de la producción de metano determinada con los datos cuantitativos HBT batch y la producción obtenida en los digestores 1 de la planta experimental de la Universidad de Hohenheim (Mönch, 2014). 

Durante 20 días de la fase de observación existieron ciertas fluctuaciones en los valores medidos, los cuales son más variables en las cantidades iniciales. Esta dispersión puede ser explicada por el hecho de que las fluctuaciones de los VS de entrada tienen unefecto directo en los valores calculados de la formación de metano y son claramente visibles en el gráfico, mientras que estas fluctuaciones en los valores medidos son compensadas por la degradación de los sustratos en los fermentadores al transcurrir varios días. El valor medio del rendimiento específico de metano en los valores calculados vía HBT fue como promedio 305 l CH4/kgVS respecto a los valores medidos en los fermentadores311 l CH4/kgVS, lo cual representa solo un 2 % más alto. Esta pequeña desviación entre el rendimiento de metano determinado entre las condiciones de laboratorio y las condiciones reales confirman que los valores de laboratorio pueden ser usados muy bien para estimar el rendimiento de metano esperado a escala real y para estimar la eficiencia económica de este tipo de instalación. Esto aplica si una muestra representativa fue analizada para el rendimiento del metano; el contenido VS del substrato de entrada y su peso exacto fue grabado regularmente y en intervalos cortos de tiempo. Como regla, como muestra el último ejemplo mostrado, las inexactitudes más probablemente a ocurrir en el proceso están relacionadas al determinar la masa en la práctica, que respecto ala determinación del rendimiento del metano en el laboratorio.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El trabajo muestra la factibilidad de extrapolar resultados obtenidos a escala de laboratorio a escala real en los aspectos relativos al diseño y explotación de plantas de biogás. Estas técnicas de simulación de procesos a pequeña escala son muy utilizadas a nivel internacional, en el caso cubano esto constituye una referencia obligatoria y su aplicabilidad ahorra tiempo, recursos y dinero. En la última década trabajos basados en la simulación de procesos de fermentación a pequeña escala en esta temática han sido desarrollados por investigadores de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas y por la Universidad “José Martí Pérez” de Sancti Spíritus, desarrollándose en ambas universidades proyectos de investigación, tesis de maestría y doctorado en la temática objeto de análisis en este trabajo.

CONCLUSIONES

  • La determinación del rendimiento de metano mediante pruebas batch es ahora ampliamente usada en Alemania y es llevado a cabo por más de 40 laboratorios. La calidad de estas investigaciones es regularmente asegurada mediante la comparación entre los resultados obtenidos en los mismos.

  • Los resultados alcanzados a nivel de laboratorio y en la práctica han mostrado que existe una buena correlación entre ambos respecto al rendimiento de metano. Esto también prueba que la guía compilada por KTBL basada en los valores obtenidos a nivel de laboratorio de renombrados laboratorios de biogás son importantes e indispensables para planificar y realizar una valoración económica preliminar de plantas de biogás.

  • En algunos casos, existen desviaciones de los valores planificados y los realmente obtenidos en las instalaciones en producción. Sin embargo, un gran número de factorespueden afectar la fermentación de los sustratos usados y su calidad, además de que también está influenciado por el modo de operación y los procesos que ocurren en estas plantas de biogás.

  • La producción de biogás es un proceso de degradación microbiológico que involucra a un gran número de microorganismos. Aquí, desviaciones en un rango 5 a 10 % son posibles. Para asegurar la precisión de la prueba de laboratorio al determinar el rendimiento de metano, la comparación entre diferentes laboratorios y la utilización de sustratos estándar deben de ser ejecutadas todo el tiempo, como forma de validar los resultados obtenidos.

REFERENCES

AMON, T.; AMON, B.; KRYVORUCHKO, V.; ZOLLITSCH, W.; MAYER, K.; GRUBER, L.: “Biogas production from maize and dairy cattle manure-influence of biomass composition on the methane yield”, Agriculture, Ecosystems & Environment, 118(1-4): 173-182, 2007, ISSN: 0167-8809. [ Links ]

BASERGA, U.: Landwirtschaftliche CO-Vergarungs-Biogasanlagen. Biogas aus organischen Reststoffen und Energiegras, Nr. 512, Inst. FAT-Berichte, Germany, 1998. [ Links ]

BUSWELL, M.A.: “Anaerobic fermentations”, Bulletin (Illinois State Water Survey) no. 32, 1939. [ Links ]

CZEPUCK, K.; OECHSNER, H.; SCHUMACHER, B.; LEMMER, A.: “Hohenheim biogas yield test-comparing theoretical yields with actual batch yields.”, Landtechnik, 61(2): 82-118, 2006, ISSN: 0023-8082. [ Links ]

FNR: Ergebnisse des Biogas-Messprogramms, [en línea], Hrsg. FNR, Gülzow, Germany, 2005, Disponible en:https://mediathek.fnr.de/ergebnisse-des-biogas-messprogramms.html. [ Links ]

FNR: Biogas-Messprogramm II - 61 Biogasanlagen im Vergleich, [en línea], Hrsg. FNR, Gülzow, Germany, 2009, Disponible en:https://mediathek.fnr.de/biogas-messprogramm-ii-61-biogasanlagen-im-vergleich.html. [ Links ]

HOLLIGER, C.; ALVES, M.; ANDRADE, D.; ANGELIDAKI, I.; ASTALS, S.; BAIER, U.; BOUGRIER, C.; BUFFIÈRE, P.; CARBALLA, M.; DE WILDE, V.: “Towards a standardization of biomethane potential tests”, Water Science and Technology, 74(11): 2515-2522, 2016, ISSN: 0273-1223. [ Links ]

KAISER, F.L.: Einfluss der stofflichen Zusammensetzung auf die Verdaulichkeit nachwachsender Rohstoffe beim anaeroben Abbau in Biogasreaktoren, Technische Universität München, Dissertation, München, Germany, 2007. [ Links ]

KEYMER, U.; SCHILCHER, A.: Considerations for the calculation of theoretical gas yields in biogas plants of fermentable substrates, Landtechnik-Bericht 32, 1999. [ Links ]

KTBL: Batchtests - Methoden und Übertragbarkeit auf Praxisanlagen; Ta-gungsband Biogas, VDI-Berichte 2121, VDI-Verlag (Hrsg.),Düsseldorf, 2011. [ Links ]

MÖNCH, T.M.: “Enhancement of methane production with horse manure supplement and pretreatment in a full-scale biogas process”, Energy, 73: 523-530, 2014, ISSN: 0360-5442. [ Links ]

MUKENGELE, M.; OECHSNER, H.: “Effect of ensiling on the specific methane yield of maize”, Landtechnik, 62(1): 20-21, 2007. [ Links ]

MUKENGELE, M.M.: Biochemical composition of biomass and its impact on the prediction of the specific methane yield potential, [en línea], University of Hohenheim, MEG Forschungsbericht Agrartechnik, 579, Dissertation, Germany, 2017, Disponible en: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2017/1358/. [ Links ]

RUILE, S.; SCHMITZ, S.; MÖNCH, T.M.; OECHSNER, H.: “Degradation efficiency of agricultural biogas plants-a full-scale study”, Bioresource Technology, 178: 341-349, 2015, ISSN: 0960-8524. [ Links ]

VDI 4630: Fermentation of organic substances - characterization of substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests, no. ICS 13.030.30, 27.190, Inst. VDI-Verlag, Düsseldorf, Germany, 2016. [ Links ]

Recibido: 02 de Noviembre de 2019; Aprobado: 13 de Marzo de 2020

*Autor para correspondencia: Carlos M. Martínez Hernández, e-mail: carlosmh@uclv.edu.cu

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