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ES2981618B2 - Proceso y sistema de obtención de biogás a partir de paja de arroz - Google Patents

Proceso y sistema de obtención de biogás a partir de paja de arroz

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ES2981618B2 ES202231066A ES202231066A ES2981618B2 ES 2981618 B2 ES2981618 B2 ES 2981618B2 ES 202231066 A ES202231066 A ES 202231066A ES 202231066 A ES202231066 A ES 202231066A ES 2981618 B2 ES2981618 B2 ES 2981618B2
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Genia Bioenergy S L
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Description

DESCRIPCIÓN
Proceso y sistema de obtención de biogás a partir de paja de arroz
Sector de la técnica
La presente invención se encuadra en los procesos y sistemas que permiten la obtención de biogás a partir del procesado de paja de arroz.
Antecedentes de la invención
La paja de arroz es un material lignocelulósico principalmente compuesto por celulosa (37,4%), hemicelulosa (44,9%), lignina (4,9%) y sílice (13,1%). La cantidad de Nitrógeno que tiene está entre el 0,4% y 0,9% y su relación Carbono-Nitrógeno puede estar entre los 75 y los 46.
Debido a su estructura lignocelulósica la paja de arroz es difícil de biodegradar, así mismo, sus mayores componentes, la celulosa y la hemicelulosa son sustancias insolubles en agua. La lignina es el componente del que están formadas las paredes de las células de la paja de arroz y forma una barrera alrededor de la celulosa y la hemicelulosa. Esta barrera no suele ser biodegradable en un proceso de digestión anaerobia normal y, por lo tanto, las celulasas, encimas que convierten la celulosa en glucosa, no pueden penetrar a través de la pared de lignina dificultando el proceso de digestión.
Además, el elevado porcentaje de sílice que contiene la paja de arroz constituye un elemento abrasivo en la manipulación y tratamiento mecánico que dota a este tipo de paja de una resistencia mecánica superior en comparación con pajas provenientes de otros cereales. Este hecho hace que la energía utilizada para procesos de corte y trituración sea aproximadamente el doble que la que consumiría el mismo proceso utilizando paja de otros cereales.
Descripción general de la invención
Debido a la dificultad para digerir sustancias lignocelulósicas en general y más concretamente, paja de arroz, la invención desarrolla un proceso y un sistema de digestión de la paja de arroz cuyo objeto es el de obtener un biogás que, tratado de forma posterior, pueda convertirse en combustible para procesos térmicos, para la producción de electricidad o para la producción de biometano.
El proceso de obtención de biogás a partir de paja de arroz objeto de la invención comprende las siguientes fases:
- aplicación de un tratamiento biológico mediante el ensilado de la paja de arroz, - aplicación de un pretratamiento físico-mecánico, químico o biológico para la rotura de las paredes de lignina de la paja de arroz previamente ensilada,
- mezclado de la paja de arroz pretratada con un líquido diluyente,
- digestión de acidificación psicrófila de la mezcla de paja de arroz, y
- digestión acetogénica y metanogénica del digerido de acidificación psicrófila para la obtención de biogás.
El ensilado de la paja de arroz es un pretratamiento físico-biológico. Es un proceso de conservación basado en una fermentación láctica que produce ácido láctico y una disminución del pH por debajo de 5. La paja de arroz se compacta utilizando, por ejemplo, un tractor para expulsar el máximo aire intersticial y por último se pone en anaerobiosis definitiva, por ejemplo, recubriéndolo mediante una capa de material plástico.
El proceso de ensilado consigue, por lo tanto, aumentar la biodegradabilidad de la paja, así como proveer de un método seguro de almacenamiento. Según lo anteriormente comentado, se crean bacterias que generan ácido láctico y se reduce el pH del ensilado.
De este modo, se mantiene la paja sin que se fermente la misma por lo que se puede almacenar durante más de un año. Hay que tener en cuenta que la paja de arroz se genera en un mes, pero la planta de producción de biogás debe ser alimentada durante todo el año.
Es conocido en el estado de la técnica otro método de almacenamiento que es el proceso de empacado. La paja seca no tiene agua, es inactiva biológicamente. Para realizar el empacado, la paja de arroz tiene que estar seca. En ocasiones, no es posible realizar dicho secado y si se empaca con humedad la paja puede tener alta ignición. Además, este proceso es costoso económicamente.
Para tener acceso al material interno de la paja de arroz hay que realizar la rotura de las paredes de lignina, según lo anteriormente comentado. Esto permite que el agua pueda entrar al interior y se pueda mezclar. En el proceso objeto de la invención parte de las paredes celulares se rompen y permiten a las bacterias y enzimas tener acceso a la celulosa y la hemicelulosa.
En el objeto de la invención estos tratamientos pueden ser químicos, biológicos o físicomecánicos. Por ejemplo, puede ser un proceso mecánico de extrusión de la paja de arroz o un proceso físico de explosión súbita de vapor o “steam explosión”. Un proceso biológico podría ser un tratamiento con bacteria u organismo capaz de romper la lignocelulosa, por ejemplo, Bacteria C.Bessi. Un proceso químico podría ser cualquier pretratamiento que genere una hidrólisis ácida, por ejemplo, pretratar la paja con vinazas.
El proceso objeto de la invención comprende una fase en la que se añade humedad a la paja de arroz para poder maximizar el proceso de digestión dado su alto porcentaje de materia seca logrando homogeneizar la mezcla.
Al realizar la fase de mezclado previamente a la fase de digestión, el proceso requiere menos energía que si el aporte de humedad se hace posteriormente en el propio digestor.
Una vez pasado el proceso de mezcla, el sustrato será, por ejemplo, cargado en un tanque anaerobio en el que se someterá la mezcla a un proceso de acidificación psicrófila. Por lo tanto, esta fase de la invención se realiza por debajo de los 30 °C. Esto tiene como ventaja que utiliza menos energía al no tener la necesidad de calentar la mezcla. El digestor se sitúa, por ejemplo, a 20°C produciéndose un proceso de acidificación de la mezcla de forma natural. En algunos casos la acidificación puede ser favorecida con el aporte de residuos ricos en azúcares. El pH de trabajo del digestor de acidificación psicrófila está en un entorno de 4.5.
Posteriormente se realiza la digestión acetogénica y metanogénica del digerido de acidificación psicrófila para la obtención de biogás.
En un ejemplo de realización esta fase comprende un primer digestor acetogénico y un segundo digestor metanogénico.
Es también objeto de la invención un sistema de obtención de biogás a partir de paja de arroz que comprende los siguientes medios:
- al menos un silo para la aplicación de un pretratamiento biológico mediante el ensilado de la paja de arroz,
- un medio físico-mecánico, químico o biológico para la aplicación de un pretratamiento para la rotura de las paredes de lignina de la paja de arroz previamente ensilada,
- un medio de mezclado de la paja de arroz pretratada con un líquido diluyente,
- un digestor de acidificación psicrófila para la realización de una digestión de acidificación psicrófila de la mezcla de paja de arroz, y
- un digestor acetogénico y metanogénico para la realización de la digestión acetogénica y metanogénica configurado para recibir el resultado del digestor para la realización de una digestión de acidificación psicrófila para la obtención de biogás.
El anteriormente mencionado silo puede ser parte de unas zanjas excavadas en el suelo, una o más paredes o un recubrimiento, por ejemplo, plástico de la paja de arroz.
El sistema y proceso objeto de la invención logra tres ventajas principales:
- Reducción del consumo energético del sistema para obtención de biogás.
- Maximización de la cantidad de biogás producida por tonelada de material lignocelulósico.
- Minimización del tiempo de residencia del material lignocelulósico en el sistema al mejorar la digestión de la paja de arroz, lo que redunda en digestores de menor tamaño.
El proceso y el sistema objeto de la invención logra un proceso económico y técnicamente viable y, por lo tanto, aplicable industrialmente.
Breve descripción de las figuras
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con ejemplos de realizaciones prácticas de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un dibujo en el que, con carácter ilustrativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un diagrama de flujos con un ejemplo de realización de la invención.
Descripción de realizaciones de la invención
Según lo comentado anteriormente, en la primera fase de ensilado se crean bacterias que generan ácido láctico y se reduce el pH del ensilado. En un ejemplo de realización al ensilado se le puede añadir aditivos para aumentar la velocidad del proceso.
Posteriormente se realiza la fase de aplicación de un pretratamiento físico-mecánico, químico o biológico (4) para la rotura de las paredes de lignina de la paja de arroz previamente ensilada. En un ejemplo de realización se aplica un procedimiento mecánico de extrusión. Este procedimiento, adicionalmente, debido a la temperatura que se alcanza en el proceso, hace que parte del agua que contiene la paja se evapore. Al mismo tiempo mejora la miscibilidad con cualquier material orgánico líquido.
Posteriormente, se realiza una fase de mezclado (5) de la paja de arroz pretratada con un líquido diluyente.
En un ejemplo de realización el líquido diluyente comprende Nitrógeno para obtener una mezcla de paja de arroz con líquido diluyente que posea una relación Carbono-Nitrógeno inferior a 30. La materia seca de la mezcla oscilará entre el 3% y el 18%.
Más concretamente, en un ejemplo de realización, se utilizarán purines o líquidos de residuo (11) con carga en Nitrógeno como material diluyente.
En caso de no disponer de este tipo de sustratos se podrá utilizar agua con la adición extra de una fuente de Nitrógeno, tal como urea o similar, que permita obtener una mezcla con una relación carbono nitrógeno por debajo de 30.
Parte del aporte de líquido puede consistir en el recirculado (8) de la fracción líquida del digerido del sistema, es decir, del resultado de la digestión acetogénica y metanogénica. Esto aportará fauna bacteriana adicional que permitirá acelerar el proceso de digestión. En el caso de que la digestión se realice en una primera digestión acetogénica (7.1) y una segunda digestión metanogénica (7.2) el recirculado puede partir de la digestión acetogénica (7.1) y/o metanogénica (7.2). Preferentemente de la digestión metanogénica (7.2) ya que tendrá una mayor fracción de líquido.
El mezclado (5) se podrá hacer por medio de un tanque de mezcla agitado o por medio de una bomba mezcladora. Preferentemente se utilizará una bomba mezcladora ya que requiere menos energía.
En un ejemplo de realización, en el proceso de mezclado (5) de la paja, se añadirá un aditivo de origen mineral. Es decir, cualquier compuesto químico formado por hierro y oxígeno. Este aditivo permitirá controlar la generación de ácido sulfhídrico H<2>S y, por lo tanto, permitirá aumentar la producción de biogás (1) al ser el H<2>S inhibidor en la formación de biogás (1).
Posteriormente se realiza la digestión de acidificación psicrófila (6) de la mezcla de paja de arroz. La temperatura de la mezcla variará entre los 10 °C y los 30 °C de temperatura. El pH estará entre el 4,5 y el 6,5 y el tiempo de retención hidráulica variará entre los 3 días y los 15 días.
Según lo comentado anteriormente, la fase de digestión de acidificación psicrófila (6) genera gas (9) y digerido. En un ejemplo de realización, el gas (9) generado es introducido en la siguiente fase de digestión acetogénica y metanogénica (7).
Posteriormente se realiza la digestión acetogénica y metanogénica (7). En un ejemplo de realización, el proceso comprende una primera digestión acetogénica (7.1) seguida de una segunda digestión metanogénica (7.2).
Más específicamente, en un ejemplo de realización se divulgan dos digestores: uno más acetogénico y otro más metanogénico. Ambos digestores tienen las dos bacterias, estando las bacterias acetogénicas en mayor proporción en la digestión acetogénica (7.1) y estando las bacterias metanogénicas en mayor proporción en la digestión metanogénica (7.2).
De este modo, el proceso está más especializado, hay mayor estabilidad en el mismo, con lo que es capaz de absorber mejor los cambios. Además, se incrementa la generación de biogás (1) entre un 5% y un 10% en cuanto a poder calorífico y cantidad.
En el digestor acetogénico se producirá un desarrollo mayoritario de bacterias acetogénicas, responsables de producir acético, hidrógeno, CO<2>. En este digestor se comienza a producir metano. Este proceso se dará en condiciones mesófilas de temperatura y con un pH del digestor entre 7 y 9 y un tiempo de retención hidráulica de entre 5-15 días
Posteriormente, el gas del digestor acetogénico pasará al digestor metanogénico. En este digestor se desarrollará una población mayoritaria de bacterias metanogénicas. Será en este digestor donde se produzca la mayor cantidad de biogás (1).
La temperatura de trabajo del digestor será mesófila y el tiempo de residencia del digestato dentro del digestor puede variar entre los 5 y los 15 días en cada uno de los digestores.
En el ejemplo de realización mostrado, el gas (9) generado en la fase de digestión de acidificación psicrófila (6) es introducido en la fase de digestión metanogénica (7.2).
En un ejemplo de realización, el gas (9) proveniente del digestor de acidificación psicrófila (6) será introducido en la parte superior del último digestor, el digestor metanogénico. El gas (9) se mezcla con el gas generado en el propio digestor metanogénico, será recirculado inyectándose en la parte inferior de éste teniendo que superar la columna de digerido que contenga el digestor haciendo esta columna de filtro de limpieza consiguiendo limpiar al gas de impurezas (H<2>S) y aumentando el porcentaje general de biogás producido y su poder calorífico.
El biogás(1) obtenido en el digestor metanogénico será extraído hacia un sistema de purificación para su posterior uso.
El digerido proveniente del digestor de generación metanogénica será sometido a una separación sólido-líquido (10). El sólido (10.1) será sometido a un proceso de compostaje, mientras que el líquido (10.2) será recirculado en parte y se usará como parte del diluyente en la fase de mezclado (5) inicial.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), caracterizado por que comprende las siguientes fases:
- aplicación de un pretratamiento biológico (3) mediante el ensilado de la paja de arroz, mediante unas zanjas excavadas en el suelo, una o más paredes o un recubrimiento, de la paja de arroz,
- aplicación de un pretratamiento físico-mecánico, químico o biológico (4) para la rotura de las paredes de lignina de la paja de arroz previamente ensilada,
- mezclado (5) de la paja de arroz pretratada con un líquido diluyente,
- digestión de acidificación psicrófila (6) de la mezcla de paja de arroz donde la temperatura de la mezcla está configurada para su variación entre los 10°C y los 30°C, el pH está entre el 4,5 y el 6,5 y el tiempo de retención en el digestor varía entre los 3 y los 15 días, y
- digestión acetogénica y metanogénica (7) del digerido de acidificación psicrófila para la obtención de biogás (1).
2. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según la reivindicación 1, caracterizado por que el pretratamiento mecánico (4) consiste en una fase de extrusión de la paja de arroz previamente ensilada.
3. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el líquido diluyente comprende Nitrógeno para obtener una mezcla de paja de arroz con líquido diluyente que posea una relación Carbono-Nitrógeno inferior a 30.
4. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según la reivindicación 3, caracterizado por que el líquido diluyente comprende purines o líquidos de residuo con carga en Nitrógeno.
5. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según la reivindicación 3, caracterizado por que el líquido diluyente comprende agua con una adición de Nitrógeno.
6. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una primera digestión acetogénica (7.1) seguida de una segunda digestión metanogénica (7.2).
7. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según la reivindicación 6, caracterizado por que tanto la digestión acetogénica (7.1) como la digestión metanogénica (7.2) comprende bacterias acetogénicas y metanogénicas, estando las bacterias acetogénicas en mayor proporción en la digestión acetogénica (7.1) y estando las bacterias metanogénicas en mayor proporción en la digestión metanogénica (7.2).
8. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fase de mezclado (5) comprende un aporte de líquido recirculado (8) de una fracción líquida del resultado de la digestión acetogénica y metanogénica (7).
9. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fase de digestión de acidificación psicrófila (6) genera gas (9) y digerido y porque el gas (9) generado es introducido en la fase de digestión acetogénica y metanogénica y (7).
10. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la fase de mezclado (5) se realiza mediante un bomba mezcladora.
11. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en la fase de mezclado (5) se añade un aditivo de origen mineral.
12. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la temperatura de trabajo en la fase de digestión acetogénica y metanogénica (7) será mesófila y el tiempo de residencia dentro del digestor puede variar entre los 5 y los 15 días.
13. - Proceso de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el digerido resultante de la fase de digestión acetogénica y metanogénica (7) será sometido a una separación sólido-líquido (10).
14. - Sistema de obtención de biogás (1) a partir de paja de arroz (2), caracterizado por que comprende los siguientes medios:
- al menos un silo para la aplicación de un pretratamiento biológico (3) mediante el ensilado de la paja de arroz en unas zanjas excavadas en el suelo, una o más paredes o un recubrimiento de la paja de arroz,
- un medio físico-mecánico, químico o biológico para la aplicación de un pretratamiento (4) para la rotura de las paredes de lignina de la paja de arroz previamente ensilada,
- un medio de mezclado (5) de la paja de arroz pretratada con un líquido diluyente,
- un digestor de acidificación psicrófila para la realización de una digestión de acidificación psicrófila (6) de la mezcla de paja de arroz donde la temperatura de la mezcla varía entre los 10°C y los 30°C, el ph está entre el 4,5 y el 6,5 y el tiempo de retención en el digestor varía entre los 3 y los 15 días, y
- al menos un digestor acetogénico y metanogénico para la realización de la digestión acetogénica y metanogénica (7) configurado para recibir el resultado del digestor para la realización de una digestión de acidificación psicrófila (6) para la obtención de biogás (1).
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