Anaerobic
treatment is an alternative to treat residual of the ethanol production
process to produce biogas as renewable energy. The purpose of this
study is the use of Microsoft Excel, Solver and SolverTable add-ins for
the simulation of processes in an agroindustrial complex. It is formed
by a torula yeast plant that operates with vinasse as a carbon source
and the production of biogas using digesters of the UASB type for the
management of some vinasse and the residual of the process of torula
yeast production. The study considers an ethanol production capacity of
90,000 L/d and a maximum yeast production of 30 t/d. The results show
that the energy demand of a production of 17 t/d of yeast can be
satisfied by the generation of biogas and a waste out COD concentration
between 11 and 17 kg/m3.
The
use of sugar cane industry wastes has been widely researched by many
authors. As sugar cane, bagasse is mainly used in energy cogeneration
and the filter cake has a wider use in composting; vinasse from
distilleries have found an excellent opportunity for biogas production,
although their most widespread use in Cuba and Brazil continues being
the cane fertilization and irrigation.
A
comparative study on biogas production potential of various wastes
resulting from the sugar cane industry in Brazil was presented by Janke et al. (2015).
In their work different types of wastes, such as vinasse, bagasse and
filter cake are evaluated from the kinetic point of view. In the case of
vinasse, they conclude that the methane potential is in the order of
246-302 ml CH4 / g COD, depending on the distillery
(independent or attached to a sugar mill) and the results fit to a first
order kinetic model.
Mathematical modeling of the
anaerobic digestion process is a very useful tool to predict the
potential of biogas production and the behavior of the biogas reactor.
Several types of models have been reported in the literature depending
on the research objective. An excellent review of existing kinetic
models for anaerobic digestion systems was presented by Lyberatos & Skiadas (1999).
Although kinetic modelling is beyond this study, it is necessary to
evaluate the advances in vinasse and yeast waste in this field and
biogas potential forecasting in those wastes.
Basic
research on kinetic of biogas production from vinasse, using modified
Gomperts model with variation of COD:N relation in batch anaerobic
digestion was presented by Budiyono et al. (2013) and Syaichurrozi & Sumardiono (2013).
They found that variation of COD:N ratio affected parameters of kinetic
model for biogas production; COD:N relation of 600:7, was the best
ratio with values of both biogas production potential and minimum time
to produce biogas of 109-132.6 mL biogas/gCOD and 0.803 day,
respectively. Another studies (Budiyono & Sumardiono, 2014a),
were directed to evaluate the influence of initial pH in batch
anaerobic digestion and the total solid content on biogas production
rate (Budiyono and Sumardiono, 2014b). Best
results were showed at pH 7 with a biogas potential of 6,49 mL biogas/g
VS, while vinasse: water ratio of 1:3 produced the maximum total biogas
(37.409 mL/g COD); although vinasse: water ratio of 1:2 had the biggest
COD removal.
Temperature effects on the methane
genesis and sulfate reduction of distilleries vinasse was investigated
in up-flow anaerobic sludge blanket reactors (UASB) at 35, 45, and 55 ºC
by Castro and Durán (2002). Their work
concluded that temperature has a positive effect on the generation of
methane by the methanogenic bacteria in the range studied, whereas H2S
generation remains constant, indicating that sulfate-reducing bacteria
activity is neither increased nor diminished due to temperature effects.
First order kinetics model was fitted to all runs.
Research
on the kinetics of biogas from various substrates has shown that the
most important variables in both, the process control and the levels of
organic matter removal, are the pH of the medium, temperature, organic
loading rate (OLR), hydraulic retention time (HRT), the nutrient content
and effluent: inoculum ratio. Therefore, researches have been focused
to these aspects and toward the design and evaluation of different types
of reactors (Sosa et al., 2014).
UASB
reactor is the most popular anaerobic digester tested for this kind of
wastewater, although there are other reactors configuration and combined
treatment methods which have been also considered (Sosa et al., 2014).
Several studies on the biogas production from vinasse have been developed in Cuba. Cabrera and Díaz (2013)
investigated the production of biogas in an anaerobic up-flow packaging
filter of 3.4 L of capacity using organic loads between 1.9 to 19.9 g
COD / L.d and different hydraulic retention times. The COD removal
percentages were shown to be inversely proportional to the load applied
and about 70 % COD of removal can be obtained if either loads of 5 g
COD/L.d and TRH of 1 day or 16 g COD/L.d for 2 days of TRH are applied.
Nevertheless, the biogas potential from Candida utilis yeast
wastewater has received poor attention due its low DBO content (7400
mg/L) as result of the aerobic process of yeast production itself. Some
researchers have evaluated different alternatives to treat wastewater
coming from the baker’s yeast production (Zub et al., 2008), including anaerobic digestion at industrial scale (Sirbu and Begea, 2011).
Wastewaters from baker’s yeast production are sulfate-containing waste,
so many studies on anaerobic digestion of these waste have led to the
sulfate removal in them (Krapivina et al., 2007; Zub et al., 2008).
For
the purpose of this work, models focused on evaluating the potential of
biogas production are recommended. Simple ways to calculate the biogas
production from organic matter are the models of Buswell & Mueller (1952), Boyle (1977) or Chernicharo (2007),
because those are time independent models based on data about organic
matter composition. All those models have been used for steady state
simulation of biogas production from different substrates.
This
study, by means of process simulation, considers the incorporation of a
biogas plant for processing the waste in a yeast plant attached to a
distillery, which utilizes vinasse as carbon source for yeast
production.
The
study considers an ethanol production capacity of 90,000 L/d and a
maximum yeast production of 30 t/d. Microsoft excel, Solver add-in and
Solver table add-in were used for process simulation and sensitivity
studies. Table 1 shows the process conditions considered during the simulation.
TABLE 1.
Characteristics of process plants considered in the simulation
Parameters
Industry
Distillery
Yeast plant
Biogas plant
Plant capacity
90000 L/d
6-30 t/d
According waste volume
Waste water flow
16 L/L of ethanol
100 -200 m3/t
120-130 L/m3
Waste COD (kg/m3)
50-70
14-20
Simulated
Percent of COD removed
60
Simulated 30-55
The Mathematical model considered
both the mass and organic solid balances in each process step for the
three plants. These are expressed by the following equations:
Mass balance
Carbon balance
Energy balance can be expressed through the following equation:
Methane production is estimated according to (Chernicharo, 2007), while biogas generation considered 60% of methane content.
Where:
k
- Plant number (yeast and biogas)
N1
- Number of inlet stream in each process stage
N2
- Number of outlet stream in each process stage
M
- Number of process stage in each plant
- Inlet and outlet streams (i) in the js process stages (kg/h)
Fvt
- Total vinasse flow (kg/h)
- Inlet and outlet concentrations related with different streams in js process stages (carbon concentrations). (kg/m3)
di
- Density of flow (kg/m3)
Fvt, Fvb, Fvy
- Vinasse total flow, flow used in biogas generation and flow used in yeast production, respectively.
Ep
- Energy generated by biogas plant
Es
- Energy used in yeast drying
Ee
- Electric Energy used in the yeast plant
Eg
- Electricity exported to the network.
VCH4
- Volume of methane production (L)
CODCH4
- Load of COD removed from the reactor and converted into methane (gCOD)
K(t)
- Correction factor for the operational temperature of the reactor (gCOD/L)
The properties of the two wastewater considered in the analysis are showed in Table 2.
It can be seen that there is a great dispersion of values reported for
the vinasse as a result of the operation at the distillery with molasses
from different sugar mills throughout all the harvest period. COD: BOD
ratio for vinasse is 2,34±1,68 and 2,41±1,60 for yeast wastewater.
The
use of distilleries vinasse as carbon source in the production of
fodder yeast has a positive impact on the reduction of yeast production
costs (replacing molasses), and helps to reduce the vinasse organic load
about 60%, so this alternative was set up as a strategy for vinasse
treatment.
However, even with the use of vinasse
as carbon source, the production of fodder yeast, or torula yeast, as it
is also known in Cuba, has competitive disadvantages with soybean meal
for animal feeding, given its high production cost due the high levels
of energy consumption in the process. The electricity consumption of
this production amounts 1300 kWh per ton of yeast, while fuel oil
consumption for yeast drying is of 420-430 kg/t of yeast.
TABLE 2.
Composition of wastewater used in the simulation
Parameters
Vinasse
Yeast wastewater
Mean
SD
Mean
SD
COD (mg/L)
53738
13548
15824
5477
BOD (mg/L)
22999
8050
6542
3425
Total Nitrogen (mg/L)
272
274
140
90
Total Phosphorus (mg/L)
245
242
589
274
ST (mg/L)
39619
18359
13525
5121
STF (mg/L)
10743
5759
5825
3621
STV (mg/L)
31624
11952
7700
2905
SDT (mg/L)
25218
25563
12390
4620
SDF (mg/L)
6613
7047
5430
3298
SDV (mg/L)
18635
18795
6960
2484
SST (mg/L)
18561
18098
1135
622
SSF (mg/L)
9913
29222
395
402
SSV (mg/L)
14259
13268
740
457
pH
4,22
0,34
5,84
1,94
CE (mS/cm)
11,05
6,76
9,68
1,92
The wastewater resulting from yeast production is about 120-130 m3/t yeast with an organic load of about 15 kg/m3
of COD. Preliminary methanogenic test of this effluent reported that it
still has a biogas potential equivalent to 30 % of COD, which could
contribute to reduce the energy costs of such production.
Methanogenic test of vinasse is showed in figure 1, where methane production values agree with those obtaining by (Janke et al., 2015).
FIGURE 1.
Methanogenic test of vinasse from ethanol distillery from molasses.
The interrelation among the three industrial installations it is represented in the block diagram of Figure 2,
where the distillery’s vinasse it is used in the yeast production, even
a fraction of it can be used for biogas generation together with the
wastewater resulting from the yeast factory. Higher deviation of vinasse
flow to biogas production will raise the percent of COD removal in the
factory, with the ensuing increased biogas production, due a higher BOD
of vinasse, but the production capacity of the yeast plant will be
reduced. The biogas produced can optionally be either employed for
drying the yeast or to generate electricity for the process. The problem
it is to determine the capacity of yeast that makes it competitive with
soybean meal.
FIGURE 2.
Interaction between distillery, yeast plant and biogas plant.
The
maximum feasible yeast production depends on the amount of vinasse
generated by the distillery and its organic composition. For a vinasse
concentration of 53,7 kg/m3 the maximum capacity of yeast
production is about 16.4 t/d at the production cost of 718 cuban pesos
(CUP)/t, regardless the existing yeast plant capacity is higher.
Therefore, in this case, to further increasing of yeast production is
essential an additional carbon source, such as molasses, raising
production costs due to its market price.
Preliminary
evaluation shows that biogas production with yeasts waste only can
satisfy the 38% of the energy required by the process to any percent of
yeast capacity utilization, because the volume of yeast waste and its
use in biogas production also depends on the production capacity.
An
alternative is to shift a fraction of vinasse flow to produce biogas,
so that energy contribution from waste (vinasse and yeast waste mixed)
is increased and the production cost reduced. The variation of energy
contribution from biogas production for various levels of yeast capacity
utilization using vinasse of 53,7kg/m3 COD is illustrated in Figure 3.
FIGURE 3.
Energy level can be satisfied in yeast production with the capacity increased.
It is evident that while the capacity does
not exceed 9,6 t/d of yeast, energy produced may meet 100 % of the
energy required with biogas resulting from a mixture of vinasse - yeast
waste, and even there it is a surplus of electricity for sale to the
grid. Above 9.6 t/d of yeast the satisfaction of energy level decrease,
first affecting demand in electricity and subsequently the demand in
yeast drying consumption when production capacity exceeds 14t/d.
During
the increase of yeast production capacity, the vinasse flow toward
biogas production decrease with the consequently decrease of surplus
electricity to the grid. The yeast production capacity of 9,6 t/d may be
satisfied with the 51,8% of the vinasse available, while an additional
flow of 683,7 m3/d mixed with yeast wastewater is in off to
satisfies the 100% of the yeast energy requirement by biogas production,
as it is showed in figure 2.
The impact of this approach on yeast production cost is illustrated in Figure 4, where the existence of an optimal cost is observed for the capacity of 9,6 t/d.
FIGURE 4.
Variation of the yeast production cost with increased production capacity.
From the environmental point of view, it
should be noted that the level of COD removal depends on the mixture
vinasse: yeast waste used as it is showed in Figure 5.
For low production capacities of yeast, where a significant volume of
vinasse can be used for biogas production, the percent COD removal
exceeds 50%; however, this drops dramatically to 30 % when the maximum
capacity available is reached.
The Input organic
concentration to biogas plant will depend on the mix vinasse: yeast
waste used, while the output concentration depends on both the input
conditions and COD removal percent.
COD concentration at the outlet will be between 11 and 17 kg/m3, values that do not meet the dumping standards, in spite of be low, but allow considers the waste as irrigation water.
Of
course, the model evaluated is sensitive to changes in the COD vinasse
input, so that if it is raised, to a fixed COD reduction level in the
yeast plant, the production potential of yeast and biogas will increase
and therefore the energy satisfaction of yeast production.
The inflexion point indicating a minimum cost in figure 5 for the use of vinasse of 53,7 kg/m3 of COD, takes values of 10,51 and 11,9 t/d for use of vinasse of 60 and 70 kg/m3 of COD respectively.
FIGURE 5.
Variation of COD removal percent and the outlet of yeast plant (inlet of biogas plant) with increased production capacity.
The
mathematical model allowed to evaluate through the balance sheets of
mass and organic solids the energetic and environmental interrelation of
the production plants of ethanol, torula yeast and the biogas plant.
For
a real capacity of distillery and production process for the capacity
of 9,6 installed yeast plants, the existence of an achieved and 100% of
the required energy can be substituted with biogas.
From the environmental point of view, a level of COD elimination is obtained, which ranges between 11 and 17 kg/m3, allow reach a waste making it possible to be considered as irrigation water.
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ARTÍCULO ORIGINAL
Integración energética y ambiental de las fábricas de subproductos de la caña de azúcar
RESUMEN
El
tratamiento anaeróbico es una alternativa de tratamiento del residuo
del proceso de producción de etanol para producir biogás como energía
renovable. El propósito de este estudio es la simulación con Microsoft
Excel y los complementos Solver y SolverTable de un complejo
agroindustrial formado por una planta de levadura torula que opera con
vinaza como fuente de carbono y la producción de biogás utilizando
digestores del Tipo UASB para el manejo de una parte de la vinaza y el
residuo del proceso de producción de levadura torula. El estudio
considera una capacidad de producción de etanol de 90,000 L / dy una
producción máxima de levadura de 30 t/d. Los resultados muestran que la
demanda de energía de una producción de 17 t/d de levadura puede
satisfacerse mediante la generación de biogás y se obtiene una
concentración de DQO a la salida que oscila entre 11 y 17 kg / m3.
Palabras clave:
residuos de bioetanol; residuos de levadura torula; biogás.
El
uso de los desechos de la industria de la caña de azúcar ha sido
ampliamente investigado por muchos autores. Como el bagazo de la caña de
azúcar se usa principalmente en la cogeneración energética y la torta
de filtro tiene un uso más amplio en el compostaje; las vinazas de las
destilerías han encontrado una excelente oportunidad para la producción
de biogás, aunque su uso más extendido en Cuba y Brasil sigue siendo la
fertilización y el riego de la caña.
Janke et al. (2015), in their
work different types presentaron un estudio comparativo sobre el
potencial de producción de biogás de varios desechos resultantes de la
industria de la caña de azúcar en Brasil. En su trabajo, se evalúan
diferentes tipos de desechos, como vinaza, bagazo y torta de filtro
desde el punto de vista cinético. En el caso de la vinaza, concluyen que
el potencial de metano es del orden de 246-302 ml de CH4 /g
DQO, dependiendo de la destilería (independiente o anexa a un ingenio
azucarero) y los resultados se ajustan a un modelo cinético de primer
orden.
La modelación matemática del proceso de
digestión anaeróbica es una herramienta muy útil para predecir el
potencial de producción de biogás y el comportamiento del reactor de
biogás. Se han reportado varios tipos de modelos en la literatura
dependiendo del objetivo. Lyberatos & Skiadas (1999),
presentaron una excelente revisión de los modelos cinéticos existentes
para los sistemas de digestión anaerobia. Aunque la investigación
cinética está más allá de este estudio, es necesario evaluar los avances
para vinaza y residual de levadura en este campo y el pronóstico del
potencial de biogás en esos residuos.
(Budiyono et al., 2013; Syaichurrozi & Sumardiono, 2013),
presentaron una investigación básica sobre la cinética de la producción
de biogás a partir de vinaza utilizando el modelo Gomperts modificado
con variación de la relación DQO: N en la digestión anaeróbica por
lotes. Encontraron que la variación de la relación DQO: N afectó los
valores de los parámetros del modelo cinético de producción de biogás;
la relación DQO: N de 600:7 fue la mejor relación con valores del
potencial de producción de biogás de 109-132,6 ml de biogás/g DQO y el
tiempo mínimo para producir biogás de 0,803 días. Otros estudios de (Budiyono & Sumardiono, 2014a),
fueron dirigidos a evaluar la influencia del pH inicial en la digestión
anaeróbica por lotes y la influencia del contenido de sólidos totales
en la de producción de biogás (Budiyono y Sumardiono, 2014b).
Los mejores resultados se mostraron a un pH de 7 con un potencial de
biogás de 6,49 ml de biogás/gVS, mientras que la relación vinaza: agua
de 1:3 produjo el máximo de biogás (37.409 ml/g de DQO); aunque la
relación vinaza: agua de 1:2 logró la mayor reducción de DQO.
(Castro y Durán, 2002),
investigaron los efectos de la temperatura sobre la metanogénesis y la
reducción de sulfato en la vinaza de la destilería con reactores de
manto de lodos anaerobios de flujo ascendente (UASB) a 35, 45 y 55 ºC.
La temperatura tiene un efecto positivo en la generación de metano por
las bacterias metanogénicas en el rango estudiado, mientras que la
generación de H2S permanece constante, lo que indica que la
actividad de las bacterias sulfato reductoras no aumenta ni disminuye
debido a los efectos de la temperatura. Un modelo cinético de primer
orden se ajustó a todas las corridas.
La
investigación sobre la cinética del biogás para varios sustratos ha
demostrado que las variables más importantes tanto en el control del
proceso, como en la obtención de altos niveles de eliminación de materia
orgánica son el pH del medio, la temperatura, la carga orgánica (OLR),
el tiempo de retención hidráulica (HRT), el contenido de nutrientes y la
relación efluente: inóculo; por lo tanto, las investigaciones se han
dirigido en estas direcciones y al diseño y evaluación de diferentes
tipos de reactores (Sosa et al., 2014).
El
reactor (UASB) es el digestor anaeróbico más popular probado para este
tipo de aguas residuales, aunque también se han considerado otros
reactores y métodos de tratamiento combinados (Sosa et al., 2014).
Varios estudios sobre la producción de biogás a partir de vinaza se han desarrollado en Cuba. (Cabrera y Díaz, 2013)
investigaron la producción de biogás en un filtro de empaque de flujo
ascendente anaeróbico de 3.4 L de capacidad utilizando cargas orgánicas
entre 1.9 a 19.9 g COD / L.d y diferentes tiempos de retención
hidráulica. Se demostró que los porcentajes de eliminación de DQO son
inversamente proporcionales a la carga aplicada y que se puede obtener
aproximadamente un 70% de reducción de DQO si se aplican cargas de 5 g
DQO/Ld y TRH de 1 día o 16 g DQO/L.d durante 2 días de TRH. Sin embargo,
el potencial de biogás del agua residual de la producción de levadura candida utilis
ha recibido poca atención debido a su bajo contenido de DBO (7400 mg/L)
como resultado del proceso aeróbico de la producción de levadura en sí.
Algunos investigadores se han dedicado a evaluar diferentes
alternativas para el tratamiento de aguas residuales provenientes de la
producción de levadura de panadera; (Zub et al., 2008), incluida la digestión anaerobia a escala industrial (Sirbu y Begea, 2011).
Las aguas residuales de la producción de levadura panadera son desechos
que contienen sulfato, por lo que muchos estudios sobre la digestión
anaeróbica de estos desechos se han dirigido a la eliminación de sulfato
en estas (Krapivina et al., 2007; Zub et al., 2008).
Para
el propósito de este trabajo, se recomiendan modelos dirigidos a
evaluar el potencial de producción de biogás. Las formas más simples de
calcular la producción de biogás a partir de la materia orgánica se basa
en modelos de Buswell & Mueller (1952); Boyle (1977) o Chernicharo (2007),
porque son modelos independientes del tiempo basados en datos sobre
composición global de la materia orgánica. Todos esos modelos se han
utilizado para la simulación en estado estacionario de la producción de
biogás a partir de diferentes sustratos.
Este
estudio, mediante la simulación de procesos, considera la incorporación
de una planta de biogás para procesar los desechos en una planta de
levadura adjunta a una destilería, que emplea la vinaza como fuente de
carbono para la producción de levadura.
El
estudio considera una capacidad de producción de etanol de 90,000 L/d y
una producción máxima de levadura de 30 t/d. Para la simulación del
proceso y los análisis de sensibilidad se empleó Microsoft Excel y los
complementos Solver y Solvertable respectivamente. La Tabla 1 muestra las condiciones del proceso consideradas durante la simulación.
TABLA 1.
Características de las plantas consideradas en la simulación
Parameters
Industry
Distillery
Yeast plant
Biogas plant
Plant capacity
90000 L/d
6-30 t/d
According waste volume
Waste water flow
16 L/L of ethanol
100 -200 m3/t
120-130 L/m3
Waste COD (kg/m3)
50-70
14-20
Simulated
Percent of COD removed
60
Simulated30-55
El modelo matemático consideró los balances
de masa y de carbono en cada paso del proceso para las tres plantas.
Estos se expresan mediante las siguientes ecuaciones:
Balance de masa
Balance de carbono
Balance energético expresado mediante la siguiente ecuación:
La producción de metano se estima según (Chernicharo, 2007), mientras que la generación de biogás se considera un el 60% de metano.
donde:
k
- número de planta (levadura y biogás)
N1
- número de corriente de entrada en cada etapa del proceso
N2
- número de corriente de salida en cada etapa del proceso
M
- número de etapas del proceso en cada planta
- Flujos de entrada y salida (i) en las etapas js del proceso (kg / h)
Fvt
- flujo total de vinaza (kg / h)
- Concentraciones de entrada y salida relacionadas con diferentes
corrientes en js etapas de proceso (concentraciones de carbono). (kg / m3)
di
- Densidad de flujo (kg / m3)
Fvt, Fvb, Fvy
- flujo total de vinaza, flujo que se utiliza en la generación de biogás y en la producción de levadura, respectivamente.
Ep
- Energía generada por la planta de biogás.
Es
- Energía utilizada en el secado de la levadura
Ee
- Energía eléctrica utilizada en la planta de levadura.
Eg
- electricidad exportada a la red.
VCH4
- Volumen de producción de metano (L)
CODCH4
- Carga de COD eliminada en el reactor y convertida en metano (gCOD)
K(t)
- factor de corrección para la temperatura operativa del reactor (gCOD / L)
R
- constante de gas (0,08206 atm.L / mol.oK)
P
- presión atmosférica (1 atm)
T
- temperatura operativa del reactor (oC)
K
- DQO correspondiente a un mol de CH4 (64gCOD / mol)
Las propiedades de los dos residuales considerados en el análisis se muestran en la tabla 2.
Se puede observar que existe una gran dispersión de los valores
reportados para la vinaza como resultado de la operación en la
destilería con melaza de diferentes ingenios azucareros en todo el
periodo de cosecha. La relación DQO: DBO para vinaza es 2,34 ± 1,68 y
2,41 ± 1,60 para aguas residuales de levadura.
El
uso de la vinaza de destilería como fuente de carbono en la producción
de levadura forrajera tiene un impacto positivo en la reducción de los
costos de producción de levadura (reemplazando la melaza) y ayuda a
reducir la carga orgánica de vinaza en aproximadamente un 60%, por lo
que esta alternativa se estableció como estrategia para el tratamiento
de la vinaza.
Sin embargo, incluso con
el uso de vinaza como fuente de carbono, la producción de levadura
forrajera o levadura torula, como también se la conoce en Cuba, tiene
desventajas competitivas con la harina de soya para la alimentación
animal, dado su elevado costo de producción debido a los altos niveles
de energía consumidos en el proceso. El consumo de electricidad de esta
producción asciende a 1300 kWh por tonelada de levadura, mientras que el
consumo de diesel para el secado de levadura es de 420-430 kg/t de
levadura.
TABLA 2.
Composición de las aguas residuales utilizadas en la simulación
Parameters
Vinasse
Yeast wastewater
Mean
SD
Mean
SD
COD (mg/L)
53738
13548
15824
5477
BOD (mg/L)
22999
8050
6542
3425
Total Nitrogen (mg/L)
272
274
140
90
Total Phosphorus (mg/L)
245
242
589
274
ST (mg/L)
39619
18359
13525
5121
STF (mg/L)
10743
5759
5825
3621
STV (mg/L)
31624
11952
7700
2905
SDT (mg/L)
25218
25563
12390
4620
SDF (mg/L)
6613
7047
5430
3298
SDV (mg/L)
18635
18795
6960
2484
SST (mg/L)
18561
18098
1135
622
SSF (mg/L)
9913
29222
395
402
SSV (mg/L)
14259
13268
740
457
pH
4,22
0,34
5,84
1,94
CE (mS/cm)
11,05
6,76
9,68
1,92
El agua residual resultante de la producción de levadura es de aproximadamente 120-130 m3/t de levadura con una carga orgánica de aproximadamente 15 kg / m3
de DQO. Los ensayos metanogénicos preliminares de este efluente
reportan que todavía posee un potencial de biogás equivalente al 30% de
la DQO, lo que podría contribuir a reducir los costos de energía de
dicha producción.
Los ensayos metanogénicos de la vinaza se muestra en la figura 1, donde los valores de producción de metano concuerdan con los obtenidos por (Janke et al., 2015).
FIGURA 1.
Prueba metanogénica de vinaza de destilería de etanol de melaza.
La interrelación entre las tres instalaciones industriales se representa en el diagrama de bloques de la Figura 2,
donde la vinaza de la destilería es empleada en la producción de
levadura, aun cuando una fracción de ella puede emplearse para la
generación de biogás junto con las aguas residuales resultantes de la
fábrica de levadura. Una mayor desviación del flujo de vinaza hacia la
producción de biogás aumentará el porcentaje de eliminación de DQO en la
fábrica, con el consiguiente aumento de la producción de biogás, debido
a la mayor DBO de vinaza, pero la capacidad de producción de la planta
de levadura se reducirá. El biogás producido puede emplearse
opcionalmente para secar la levadura o para generar electricidad para el
proceso. El problema consiste en determinar la capacidad de la levadura
que la hace competitiva con la harina de soya.
FIGURA 2.
Interacción entre destilería, planta de levadura y planta de biogás.
La
producción máxima de levadura depende de la cantidad de vinaza que se
genera por la destilería y su composición orgánica. Para una
concentración de vinaza de 53,7 kg/m3, la capacidad máxima de
producción de levadura es de aproximadamente 16.4 t/d al costo de
producción de 718 pesos cubanos (CUP)/t, independientemente de que la
capacidad de la planta de levadura existente sea mayor. Por lo tanto, en
este caso, para aumentar aún más la producción de levadura es esencial
una fuente de carbono adicional, como la melaza, la que aumentaría los
costos de producción, debido a su precio en el mercado.
La
evaluación preliminar muestra que la producción de biogás con residuos
de levadura solo puede satisfacer el 38% de la energía requerida por el
proceso para cualquier nivel de utilización de la capacidad de la planta
de levadura, porque el volumen de residual de la producción de levadura
y su empleo en la producción de biogás también depende de la capacidad
de producción.
Una alternativa es desviar una
fracción del flujo de vinaza para producir biogás, de modo que aumente
la contribución de energía del residual (vinaza y residual de levadura
mezclados) y se reduzca el costo de producción. La Figura 3
ilustra la variación del aporte energético de la producción de biogás
para varios niveles de utilización de la capacidad de producción de
levadura utilizando vinaza de 53,7 kg / m3 de DQO.
FIGURA 3.
El nivel de energía se puede satisfacer en la producción de levadura con el aumento de la capacidad.
Es evidente que, si bien la capacidad no
supera las 9,6 t/d de levadura la energía producida, puede satisfacer el
100% de la energía requerida con el empleo del biogás resultante de una
mezcla de vinaza - residual de levadura, e incluso obtener un excedente
de electricidad para venta a la red. Por encima de 9.6 t/d de levadura,
la satisfacción del nivel de energía disminuye y afecta primero la
demanda de electricidad y luego la demanda de energía del secado cuando
la capacidad de producción excede de 14 t / d.
Durante
el aumento de la capacidad de producción de levadura, el flujo de
vinaza hacia la producción de biogás disminuye con la consiguiente
disminución de la entrega de electricidad a la red. La capacidad de
producción de levadura de 9,6 t/d puede satisfacerse con el 51,8% de la
vinaza disponible, mientras que un flujo adicional de 683,7 m3/d
de vinazas mezclado con aguas residuales de la producción de levadura
es suficiente para satisfacer el 100% del requerimiento de energía con
la producción de biogás, como se muestra en la figura 2.
El impacto de este enfoque en el costo de producción de levadura se ilustra en la Figura 4, donde se observa la existencia de un costo óptimo para la capacidad de 9,6 t/d.
FIGURA 4.
Variación del costo de producción de levadura con mayor capacidad de producción.
Desde el punto de vista ambiental, debe
tenerse en cuenta que el nivel de reducción de DQO depende de la mezcla
de vinaza: residual de levadura utilizados como se muestra en la Figura 5.
Para bajas capacidades de producción de levadura, donde se puede
utilizar un volumen significativo de vinaza para la producción de
biogás, el porcentaje de reducción de DQO supera el 50%; sin embargo,
este cae dramáticamente al 30% cuando se alcanza la máxima capacidad
disponible.
La concentración de materia orgánica
de entrada a la planta de biogás dependerá de la mezcla de vinaza:
residual de levadura empleada, mientras que la concentración de salida
depende de las condiciones de entrada y del porcentaje de reducción de
DQO.
La concentración de DQO en la salida estará entre 11 y 17 kg/m3,
valores que no cumplen con los estándares nacionales de vertimiento, a
pesar de ser bajos, pero permiten considerar los desechos como agua de
riego.
Por supuesto, el modelo evaluado es
sensible a los cambios en la DQO de entrada de la vinaza, de modo que,
si este aumenta, para un valor fijo en la reducción de la DQO en la
planta de levadura, el potencial de producción de levadura y biogás
aumentará, y por lo tanto, la satisfacción energética de la producción
de levadura.
En la Figura 5 se ilustra que el punto de inflexión que indica el costo mínimo para el uso de vinaza de 53,7 kg/m3 de DQO, toma valores de 10,51 y 11,9 t/d para el uso de vinaza de 60 y 70 kg/m3 de DQO respectivamente.
FIGURA 5.
Variación del porcentaje
de eliminación de DQO y la salida de la planta de levadura (entrada de
la planta de biogás) con mayor capacidad de producción.
El
modelo matemático permitió evaluar a través de los balances de masa y
sólidos orgánicos, la interrelación energética y ambiental de las
plantas de producción de etanol, levadura torula y la producción de
biogás.
Para una capacidad real de
destilería y plantas de levadura instaladas, se logra un costo óptimo
del proceso de producción de levadura torula para la capacidad de 9,6 t /
d y se puede sustituir el 100% de la energía requerida con la
generación de biogás.
Desde el punto de
vista medioambiental, se obtiene un nivel de reducción de DQO, para
generar un residuo que oscila entre 11 y 17 kg/m3, lo que permite ser considerado como agua de riego.