Valorization of pig carcasses through their transformation ... · unas burbujas microscópicas llenas de vapor de agua o gas que tras ... el consumo energético (Show et al ... de

LIFEVALPORC

Valorizationofpigcarcassesthroughtheirtransformationintobiofuelsandorganicfertilizers

(LIFE13ENV/ES/001115)

NameoftheDeliverable:Diseñoyconstruccióndeprototipos:biometanizacióncontratamientodeultrasonidos(B1.2)Numberandnameoftheassociatedaction:ActionB1Diseñoyconstruccióndeprototipos

Submissiondate:31/01/2017

Partnerresponsableforthisdeliverable:FundaciónCARTIF

LIFE+VALPORCLIFE13ENV/ES/001115

VALORIZACIÓNDECADÁVERESDEPORCINOMEDIANTESUTRANSFORMACIÓNENBIOCOMBUSTIBLESYFERTILIZANTES

ORGÁNICOSValorizationofpigcarcassesthroughtheirtransformation

intobiofuelsandorganicfertilizers

Informedelprotocolodetomademuestras P a g e |2

INDEX

A. Móduloprototipodebiodigestiónconpretratamientodeultrasonidos.........................3

A.1 Diseño...........................................................................................................................3

A.2 Compra.........................................................................................................................5

A.3 Integracióndelmódulodeultrasonidos......................................................................6

Bibliografía............................................................................................................................7

Anexo.Ofertasultrasonidos..................................................................................................8






A. MóduloprototipodebiodigestiónconpretratamientodeultrasonidosDuranteestaacciónlaFundaciónCARTIFharealizadotrestareasprincipales:

1) Diseñodemódulodeultrasonidos.2) Compradelmódulodeultrasonidos.3) Integracióndelmódulodeultrasonidosen laplantapilotodedigestiónanaerobiaen

dosfasesdelaquesedispone.

A.1 DiseñoLa primera tarea de esta acción ha consistido en realizar el diseño de un módulo deultrasonidospara el pre-tratamientode lamezclade residuos seleccionadaen laAcciónA3,que van a alimentar la planta piloto de digestión anaerobia, de forma que se consiga quemediante la cavitación ultrasónica se destruyan los agregados y estructuras celulares de losdiferentes residuos,mejorando de estamanera la biodisponibilidad dematerial intracelularparasuposteriordescomposiciónporlasbacteriasanaerobias.Elprincipiodeltratamientoconultrasonidosresideenunprocesodecavitacióninducidaquesecreaenrangosdefrecuenciasbajos(unos20kHz),deformaqueatravésdesubsecuentescompresionesyexpansionesdelfluidobajoelefectodelasondasdeultrasonidos,segeneranunasburbujasmicroscópicasllenasdevapordeaguaogasquetrassuimplosióndanlugaracondiciones locales extremas de temperatura (hasta 5.000ºC) y presión (hasta 500atmósferas), lo que favorece la desintegración de las paredes celulares y la ruptura de lospolímeroscontenidosenlabiomasa(Neisetal.,2000).Losfactoresprincipalesqueafectanaladesintegraciónporultrasonidossepuedendividiren:característicasdelosresiduosyparámetrosdeoperacióndelequipodeultrasonidos.Losprincipalesparámetrosdeoperaciónquesehandeconsiderarson:

- Tiempodesonicación(s).- Densidad(kW/L).- Energíaespecífica(kJ/kgST).- Frecuencia(Hz).

Lacombinaciónóptimadeestosparámetros tieneunagran influenciaen los requerimientosenergéticosyporlotantolaviabilidadeconómicadelpre-tratamiento.El tiempo influye directamente en la energía introducida, observándose que la mayordesintegración(medidacomoliberacióndeDQOsoluble)seproduceenelprimerminuto,porlo que, en principio, tratamientos menores a un minuto permiten optimizar el consumoenergético (Showet al. 2007).Noobstante ladensidadenergéticaparece serun factormásimportante que el tiempo.A altas densidades (kW/L), usando lamisma cantidadde energía(kJ/kg TS), se consiguen mayores eficiencias de desintegración ya que se generan mayoresfuerzasdecavitación.Conunamismacantidaddeenergíaintroducida(36.000kJ/kgST)yunadensidadde0,49kW/L, seobservauna reducciónenel tamañodeparticularde49a9µm,mientrasqueconunadensidadde0,18kW/L,lareducciónentamañoessólohasta19µm;laliberacióndeDQOsolublesigueelmismopatrón(Showetal.,2007).






Asípues,quedaclaroqueesnecesariollegaraunequilibrioentreeltiempodesonicación,ladensidad y la energía introducida al sistema, para optimizar los costes energéticos y laeficienciadel tratamiento.Tal comoseha indicado, la reduccióndel tiempode sonicaciónyaltasdensidadesminimizaelusodeenergía.Lasvariablesdediseñoquesehantenidoencuentaparaeldiseñodelmódulodeultrasonidoshansidolassiguientes:

- Potenciadelultrasonidos(P)- Tiempodetratamientodelamuestra(t)- Volumendemuestraatratar(L)- Sólidostotalesdelamuestraatratar(ST)- Frecuenciadelultrasonidos(F)- Tamañodepartículadelamuestraatratar(d)

Las cuatro primeras variables están relacionadas a través del parámetro energía específicaaplicada (Es) según laEcuación1,el cual secalculamultiplicando lapotenciadelultrasónico(P),poreltiempodetratamiento(t),divididoporelvolumendemuestra(Lmuestra)ylossólidostotalesinicialesdelalimento(ST),talycomoindicalasiguienteexpresión:

(1)Segúnlabibliografíaconsultada,paraunvalordeEsde33.000kJ/kgST,seconsiguesolubilizarla DQO de una muestra de lodos hasta un 17% (DQO soluble), en comparación de unporcentaje cercano al 10% (DQO soluble), cuando se aplica una energía de 11.000 kJ/kg ST(Bougrier et al, 2005).Elvolumendemuestraatratarporelequipodeultrasonidoseselvolumenqueescapazdeprocesar la planta piloto de digestión anaerobia que posee CARTIF, y que para un tiempohidráulicoderesidenciade20días,esde20L/día,porloqueesteeselvolumenparaelquesevaadiseñarelsistemadepre-tratamientoporultrasonidos.ElvalormediodeST de lamuestraaensayar (mezcladeresiduosseleccionadaen laAcciónA3)seencuentraen20.000kgST/L.Considerando que se aplican los ultrasonidos sobre la muestra durante un tiempo de 50minutos(producciónde20L/h),yparaunvalordeEs=30.000kJ/kg,aplicandolaEcuación1,seobtienequeesnecesariaunapotenciadeultrasonidosde4kW.Puesto que losmódulos de ultrasonidos estándar se comercializan de formamayoritaria enpotenciasde1kWylanecesidaddemateriaprimaparalaplantadedigestiónanaerobia(20L/día)esmuchomenorquelavelocidaddetratamientodelaplantadeultrasonidos(20L/h),sehanseleccionado,conelfindeoptimizarcostes,tressistemascomercialesdetratamientodeultrasonidosquetrabajenaunafrecuenciaalrededorde20kHz,conunapotenciade1kW,yqueseancapacesdetrataralmenos5L/h.Lastuberíasdeentradaysalidade lamuestra,conelfindeevitaratascos(dadaslascaracterísticasdelamuestraatratar),debendeserdealmenos1”.






Aunque en la memoria del proyecto se especificaba que el equipo de ultrasonidosseleccionadoofreceríalaposibilidaddetrabajaradiferentesfrecuenciasde37,75y100kHzypotencia de 600W, tras realizar diferentes ensayos a escala laboratorio con los equipos deultrasonidosde los quedisponeCARTIF sobre lamezcla seleccionadaen la acciónA3, se haconcluidoquelosmejoresresultadosseobtienenalafrecuenciamásbaja(37kHz),porloquese ha decidido descartar del equipo a comprar la posibilidad de que pudiera trabajar afrecuenciasmayores(75y100KHz),yaqueademásdenocontribuiralamejoradelproceso,suponíaunincrementoenelcostedelequipoenmásdel200%.Portanto,basándonosenlaexperiencia previa de laboratorio, la bibliografía consultada y la disponibilidad de equiposcomerciales,sedecidió lacompradeequiposconunafrecuenciadetrabajocercanaa los20kHz.

A.2 CompraDurante esta tarea se han pedido, basándose en las especificaciones que aparecen en elapartado deDiseño, tres ofertas a tres proveedores diferentes de sistemas de ultrasonidos,conelfindeencontrarelequipodeultrasonidosquepuedaserintegradofácilmente,desdeelpuntodevista técnico, con laplantapilotodedigestiónanaerobiaquedisponeCARTIF, y almenorprecioposible.A continuación se muestra la Tabla 1 con una comparativa de los tres proveedoresseleccionados:

Tabla1.Comparativadeproveedoresdeultrasonidosseleccionados.

EnelAnexoaesteinformeseadjuntanlasofertasdecadaunodelosproveedores.LaofertaseleccionadahasidoladelproveedorToscano,puestoqueaunqueelprecioesun5,3%mayorqueladelproveedorSinaptecyun19,7%queladelproveedorMervilab,elvolumendetratamientoes10vecesmayorqueenelcasodeSinaptecy50vecesmayorqueenelcasodeMervilab.Ademáslosdiámetrosdetuberíaproporcionadosporlosotrosdosproveedores(1/2”)sonmuypequeñosparaelresiduoseleccionadoatratar, loqueprovocaríaconstantesatascosenlastuberíasdeentradaysalidadelequipo.OtropuntofavorableydiferenciadordelproveedorToscanocon respectoa losotrosdosproveedoreses la inclusiónen laofertadeltransporte, montaje y formación del personal que lo va a utilizar en las instalaciones deCARTIF.






A.3 Integracióndelmódulodeultrasonidos.Durante esta tarea se ha realizado el Layout (Figura 1) de la instalación que esquematiza ladistribución de los nuevos elementos implicados asociados a la etapa de ultrasonidos y suinterconexión con el resto de elementos de la planta piloto de digestión anaerobia. Comopuedeobservarse,elequipodeultrasonidossehainsertadodespuésdelaetapadetrituraciónde los residuos a tratar y antes del tanque de homogeneización que alimenta el reactoracidogénico de la planta piloto de digestión anaerobia. La planta se encuentra ubicada ennave3deledificioIIIdelaFundaciónCARTIF.

Figura1.Layoutdelainstalación.

Acontinuaciónsemuestraunafotografíadelequipodeultrasonidosseleccionado(Figura2),asícomounplanoconlasdimensionesdelmismo(Figura3).

Figura2.Equipodeultrasonidos






Figura3.Dimensionesequipodeultrasonidos

BibliografíaBOUGRIER,C.;H.CARRÈRE;J.P.DELGENÈS,(2005).Solubilisationofwaste-activatedsludgeby

ultrasonictreatment.ChemicalEngineeringJournal106,p.163-169.ISSN1385-8947.NEIS,U.,NICKEL,K.,TIEHM,A.,(2000).Enhancementofanaerobicsludgedigestionby

ultrasonicdisintegration.WaterSci.Technol.42(9),73–80.SHOW,K-Y.,MAO,T.,LEE,D-J.(2007).Optimisationofsludgedisruptionbysonication.Water

Research,42,pp.4741-4747.






Anexo.OfertasultrasonidosAcontinuaciónsemuestranlastresofertasrecibidas:

1) OfertaproveedorToscano











2) OfertaproveedorMervilab






3) OfertaproveedorSinaptec

En este caso, el proveedor nos envió la oferta por email, con un archivo pdf con lascaracterísticasdelequipo.






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